DE112010003179T5

DE112010003179T5 - Entfernt angeordneter Verschiebungssensor mit einem optischen Dehnungsmessstreifen, eine Anordnung und ein System damit

Info

Publication number: DE112010003179T5
Application number: DE112010003179T
Authority: DE
Inventors: Roy D. Allen; Mark A. Ritter
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: US20120176629A1; CN102498368A; DE112010003179B4; US9243895B2; WO2011034910A2; CN102498368B; WO2011034910A3

Abstract

Die Offenbarung betrifft einen entfernt angeordneten Verschiebungssensor, wie z. B. einen optischen Dehnungsmessstreifen, welcher einen optischen Verstärker verwendet, welcher durch Muster implementiert wird, wie z. B., aber nicht darauf beschränkt, Moiré-Muster, um Änderungen in der Position oder Messstreifenlänge zu berechnen. Bei der Ausführungsform, welche als Dehnungsmessstreifen mit Moiré-Mustern ausgeführt ist, sind zwei Folienschichten vorgesehen, eine untere Folienschicht mit einem Referenz- oder statischen Moiré-Muster, welches durch Überlagerung eines ersten Musters mit parallelen Linien mit einer ersten Grundfrequenz und eines zweiten Musters mit parallelen Linien mit einer zweiten Grundfrequenz erzeugt wird. Die untere Folienschicht weist ferner einen ersten Abschnitt mit einem ersten Muster mit parallelen Linien mit der ersten Grundfrequenz auf, während die obere Schicht einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Muster mit parallelen Linien mit der zweiten Grundfrequenz aufweist. Die Überlagerung der Folien verursacht eine Überlagerung der ersten und zweiten Abschnitte, wodurch ein Moiré-Muster der gleichen Wellenlänge wie das Referenzmuster verursacht wird. Die relative Bewegung der beiden Folien senkrecht zu den parallelen Linien bewirkt jedoch als Antwort auf eine Bewegung in der Messstreifenlänge als Antwort auf die Dehnung an der Probe eine Phasenverschiebung in dem überlagerten Muster, welche größer ist als die relative Bewegung. Das Bild des optischen Dehnungsmessstreifens wird durch eine Kamera oder eine andere optische Vorrichtung erfasst und das resultierende Bild wird durch eine schnelle Fourier-Transformation oder einen ähnlichen Algorithmus verarbeitet, um die Phasenänderung zu bestimmen, wodurch die Änderung in der Messstreifenlänge und dadurch die resultierende Dehnung berechnet wird.

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC § 119(e) der vorläufigen US-Anmeldung mit der lfd. Nr. 61/243 749, eingereicht am 18. September 2019, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf einen entfernten angeordneten Verschiebungssensor mit vielen Anwendungen. Insbesondere ist eine Anwendung eine Dehnungsmessvorrichtung, die bei der Materialprüfung verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf die Verwendung von visuellen oder optischen Mustern, einschließlich Moiré-Mustern, die in Reaktion auf Änderungen der Position das Erscheinungsbild ändern, sind jedoch nicht darauf begrenzt, und auf die Verfahren zum Detektieren und Interpretieren dieser Änderungen.
Beschreibung des Standes der Technik
Im Stand der Technik sind Dehnungsmessvorrichtungen gut bekannt. Instron, eine Tochtergesellschaft von Illinois Tool Works Inc., stellt unter Anderem verschiedene Dehnungsmessvorrichtungen her und vertreibt sie. In der Vergangenheit wurden Druck- und Zugeigenschaften von Materialien durch Zangendehnungsmesser, die einen Widerstandsdehnungsmesser verwenden, und in jüngerer Zeit durch kontaktlose Videodehnungsmesser gemessen. Obwohl sie für ihre vorgesehenen Zwecke gut angepasst sind, erfordern Zangendehnungsmesser typischerweise eine umfangreiche Einrichtung durch geschultes Personal. Ebenso sind Videodehnungsmesser, obwohl sie für ihre vorgesehenen Zwecke gut angepasst sind, für eine Kamerabewegung, Luftströme, die Qualität der Fokussierung und dynamische Veränderungen, eine Bewegung der Probe in der z-Richtung und eine Verschiebung der Probe während des Greifens empfindlich, die alle eine Kompensation erfordern können, um die Einführung von Fehlern zu vermeiden. Videodehnungsmesseranwendungen erfordern häufig, dass der Schwerpunkt des Zielpunkts mit einer Genauigkeit gemessen wird, die einen kleinen Bruchteil eines Kamerapixels darstellt, wodurch eine anspruchsvolle Bildverarbeitung erforderlich ist, um die erforderliche Subpixelgenauigkeit zu erreichen.
Der Stand der Technik umfasst das US-Patent Nr. 7 047 819 mit dem Titel ”Testing of Samples” von Haywood; US-Patent Nr. 6 164 847 mit dem Titel ”Image Parameter Detection” von Roy Allen (der vorliegende Erfinder); US-Patent Nr. 2 787 834 mit dem Titel ”Grating Strain Gauges” von Shoup; DE 3120653 und EP 0255300 .
AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen entfernt angeordneten Verschiebungssensor wie z. B. einen Dehnungsmesser, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, bereitzustellen, der genaue Ergebnisse liefern kann, während er die umfangreiche spezialisierte Einrichtung minimiert.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen solchen entfernt angeordneten Verschiebungssensor bereitzustellen, der gegen durch die Umwelt induzierte Fehler unempfindlich ist, in einem großen Arbeitsabstand genau ist (wobei in einigen Ausführungsformen ein Arbeitsabstand von bis zu zehn Millionen mal die erforderliche Messgenauigkeit vorgesehen ist) und mit relativ niedrigen Kosten implementiert werden kann.
Diese und weitere Aufgaben werden durch Bereitstellen eines entfernten Verschiebungssensors erhalten, der als optischer Dehnungsmessstreifen mit zwei überlappenden oder überlagerten Substratschichten wie z. B. einem Film, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, implantiert werden kann. Viele verschiedene visuelle Muster können bei verschiedenen Ausführungsformen implementiert werden. In einer typischen Ausführungsform eines optischen Dehnungsmessstreifens der vorliegenden Offenbarung umfasst die untere Schicht ein Moiré-Referenzmuster benachbart zu einem ersten Muster mit einer ersten Reihe von parallelen Linien in einem ersten Abstand. Die obere Schicht umfasst ein zweites Muster mit einer zweiten Reihe von parallelen Linien in einem zweiten Abstand. Das erste und das zweite Muster überlagern einander und die Kombination der zwei Muster (mit zwei verschiedenen Abständen der parallelen Linien mit einer ersten und einer zweiten Grundfrequenz eines Moiré-Musters) führt zu einem Moiré-Muster mit einer Intensität, die räumlich in einem sinusartigen Muster mit einer konstanten Wellenlänge variiert. Ein erstes Ende der unteren Schicht wird an der Probe befestigt und ein zweites Ende (entgegengesetzt zum ersten Ende) der oberen Schicht wird an der Probe befestigt, so dass, wenn die Probe einer Dehnung unterzogen wird, die obere Schicht entlang der unteren Schicht gleitet und die räumliche Phase des sinusartigen Moiré-Musters ändert, das durch das überlagerte erste und zweite Muster erzeugt wird. Eine optische Verstärkung wird dadurch erreicht, dass die räumliche Phase (d. h. die Translation der Wellenform aufgrund der Phasenänderung), in einer linearen Dimension ausgedrückt, sich schneller bewegt als die Änderung der durch die Dehnung verursachten relativen Verschiebung. Ein optischer Verstärkungsfaktor von zwanzig ist ein Beispiel dessen, was bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erreicht werden kann. Das resultierende Moiré-Muster und das Moiré-Referenzmuster werden durch einen optischen Sensor abgetastet und durch einen Algorithmus wie z. B. einen Algorithmus einer schnellen Fourier-Transformation (FFT), ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, zum Bestimmen der Änderung der räumlichen Phase analysiert, wodurch die Änderung der relativen Verschiebung bestimmt wird, wodurch eine Berechnung der Änderung der Messstreifenlänge und daher der Dehnung an der Probe während eines Zug- oder ähnlichen Tests ermöglicht wird.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erzeugen einen kombinierten visuellen Effekt unter Verwendung von überlappenden Komponentenmustern, die dem Wesen nach pseudozufällig oder periodisch sein können. Typischerweise weist eines der Komponentenmuster einen Parameter wie z. B. Intensität, Phase, Verteilung von Elementen, Farbe oder einen anderen Parameter, auf, der periodisch moduliert ist. Das Kombinieren der Komponentenmuster soll einen visuellen Effekt mit niedriger Raumfrequenz, der für eine entfernte Betrachtung in einem Abstand geeignet ist; ein visuelles Muster, das sich im Verhältnis zu einer differentiellen Bewegung zwischen den Komponentenfolienmustern ändert; und einen visuellen Effekt, der eine Verstärkung aufweist, so dass die positionsabhängigen Änderungen die relativen Bewegungen zwischen den Komponentenfolienmustern verstärken, erzeugen.
Ferner können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die folgenden Vorteile aufweisen. Erstens können Verhältnisse des Arbeitsabstandes zur Messauflösung typischerweise bis zu zehn Millionen zu eins sein. Zweitens ist die Stabilität der Ausrichtung und Position der entfernten Kamera typischerweise nicht kritisch, um Größenordnungen weniger einschränkend als ein Codiererlesekopf, der typischerweise Ausrichtungstoleranzen in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern aufweist. Drittens kann eine hohe Genauigkeit von so viel wie 0,5 Mikrometer typischerweise mit einfachen Photographiefilmgittern mit Merkmalen von 280 Mikrometer (oder dergleichen) erreicht werden. Aufgrund der niedrigen Kosten der typischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können die Sensoren viertens typischerweise als ”wegwerfbar” oder ”zur einmaligen Verwendung” betrachtet werden. In einigen Anwendungen kann fünftens der Videolesekopf mehrere Foliensensoren gleichzeitig im gleichen Blickfeld interpretieren ohne Anforderung, dass die Foliensensoren entlang derselben Messachse orientiert sind.
Der hohe Rauschabstand von Ausführungsformen dieser Offenbarung im Vergleich zum Stand der Technik wird typischerweise aufgrund von zwei Faktoren erreicht. Erstens verwenden Ausführungsformen dieser Offenbarung eine Messung auf Phasenbasis von einer Anordnung von Objekten, die einen beträchtlichen Bereich bedecken, anstelle einer Messung auf Intensitätsschwerpunktbasis von einigen individuellen Markierungen, die an der Probe angeordnet sind. Solche diskreten Markierungen erfordern typischerweise einen konsistenten hohen Bildkontrast, damit sie identifiziert werden, und um den Schwerpunkt der Markierung zu finden. Der Markierungsschwerpunkt wird hauptsächlich durch die Umfangspixel der Markierung gesteuert, was die Menge an Positionsabtastdaten weiter verringert, die eine individuelle Markierung oder ein individueller Punkt schaffen kann. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwenden andererseits typischerweise die mittlere Phase einer Anordnung von sich wiederholenden Objekten, um eine Messung durchzuführen. Da Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relative Phasendifferenzen zwischen zwei ähnlichen Anordnungen von Objekten vergleichen, von denen bekannt ist, dass sie starr gekoppelt sind, kann die Phasendifferenz ferner unabhängig von der Kameraorientierung nachverfolgt werden. Daher können sich die effektive Größe und Form der Anordnung, wie durch die Kamera gesehen, während des Verlaufs des Tests ändern.
Zusammengefasst ermöglichen die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, dass dynamische Moiré-Streifenmuster ohne Rücksicht auf die Kameraorientierung und mit einer sehr niedrigen Kamerapixelauflösung in großen Abständen entfernt kalibriert werden. Ein bekanntes Referenzmuster kann in unmittelbarer Nähe des Moiré-Musters mit variabler Phase angeordnet werden. Das Referenzmuster ist typischerweise im Abstandsmaß und Intensitätsprofil ähnlich wie das kombinierte Moiré-Interferenzmuster. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich der relativen Phasenverschiebung zwischen zwei Mustern, die im lokalen Koordinatenraum des getesteten Objekts Implementiert wird, anstatt sich auf den kalibrierten Pixelraum einer entfernten Kamera zu verlassen, um die Phasenverschiebung nur des dynamischen Moiré-Musters allein nachzuverfolgen. Außerdem wird die Verschiebungsmessung tatsächlich am Sensor durch die lokale Moiré-Interferenz durchgeführt, anstatt dass sie in einem global kalibrierten Kamerapixelraum durchgeführt wird. Dies beseitigt typischerweise oder verringert erheblich die Anforderung für eine kontinuierlich stabile optische Umgebung zwischen dem Erfassungselement und der entfernten Kamera sowie den Bedarf, einen starr gekoppelten, kalibrierten Pixelraum aufrechtzuerhalten. Weitere Ausführungsformen dieses fokalen Referenzverfahrens können auf andere phasenempfindliche Interferenzmuster oder -effekte angewendet werden, die für eine entfernte Kamera sichtbar gemacht werden können. Dies umfasst Interferenzmoden, in denen Pseudozufallsrauschmuster mit einer strukturierten Phasenmodulation interferieren, um eine von der Phase abhängige Musteränderung zu erzeugen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine Draufsicht der unteren Schicht des entfernten Verschiebungssensors der vorliegenden Offenbarung als optischer Dehnungsmessstreifen implementiert ist.
2 eine Draufsicht der oberen Schicht des optischen Dehnungsmessstreifens der vorliegenden Offenbarung ist.
3 eine Seitenansicht des optischen Dehnungsmessstreifens der vorliegenden Offenbarung ist, die die obere und die untere Schicht zeigt.
4 eine konzeptionelle Ansicht der Muster der oberen und der unteren Schicht der vorliegenden Offenbarung, die ein Moiré-Muster verursachen, für Erläuterungszwecke mit einem geringfügigen Versatz der Muster der ersten und der zweiten Grundfrequenz des Moiré-Musters ist.
5 eine perspektivische Ansicht des Systems für eine Zugdehnungsmessung der vorliegenden Offenbarung ist.
6 eine Nahansicht des optischen Sensors, der ein Bild vom Dehnungsmessstreifen der vorliegenden Offenbarung empfängt, während des Zugtests ist.
7 eine perspektivische Ansicht des optischen Dehnungsmessstreifens der vorliegenden Offenbarung ist, der an einer Zugtestprobe befestigt ist.
8 ein teilweises Kamerabild ist, das ein Streifensegment mit der Helligkeit des optischen Dehnungsmessstreifens zeigt.
9 eine Kurve der mittleren Intensität entlang der Kameraachse ist, die durch Reduzieren des Bildes von 8 in der vertikalen Achse erzeugt wird.
10 eine Kurve der mittleren Intensität für das Referenz und das aktive Segment entlang der Kameraachse ist, die durch Reduzieren des Bildes in der vertikalen Achse erzeugt wird.
11A, 11B und 11C feste Segmente von aufeinander folgenden Video-Frames sind, die Auswirkungen von Verschiebungen eines starren Körpers und von Dehnungsverschiebungen auf den optischen Dehnungsmessstreifen der vorliegenden Offenbarung zeigen.
12A–12B, 13A–13B, 14A–14B drei Paare von Zeichnungen sind, die Teile von Video-Frames vom optischen Dehnungsmessstreifen mit Referenz- und aktiven Streifenmustern und die entsprechenden Kurven der mittleren Intensität für die Referenz- und aktiven Segmente darstellen.
15 ein Bild des Sensors der vorliegenden Offenbarung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen im Einzelnen, in denen gleiche Bezugszeichen in allen verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, ist zu sehen, dass 1–4 die Struktur des Dehnungsmessstreifens 10 darstellen, der eine Ausführungsform eines entfernt angeordneten Verschiebungssensors der vorliegenden Offenbarung ist. 1 und 2 stellen die untere Schicht 12 bzw. die obere Schicht 14 dar. Die untere und die obere Schicht 12, 14 sind typischerweise dünne, flexible transparente Folien, auf die Muster gedruckt sind, aber andere Substrate, einschließlich starrer Substrate, könnten auch verwendet werden. Die Muster werden typischerweise auf die Folien mit 2540 Punkten pro Zoll (10 Mikrometer pro Pixel) unter Verwendung einer bewährten Filmbelichtertechnologie oder irgendeines anderen geeigneten Verfahrens gedruckt, das mit dem Maßstab oder der Größe der Anwendung variieren kann. Die untere Schicht 12 umfasst einen ersten Musterbereich 16 mit parallelen Linien, die mit einer ersten Grundfrequenz eines Moiré-Musters beabstandet sind, während die obere Schicht 14 einen zweiten Musterbereich 18 mit parallelen Linien umfasst, die mit einer zweiten Grundfrequenz eines Moiré-Musters beabstandet sind. Ein nicht begrenzendes Beispiel des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18 sind Linien, die mit 0,20 mm bzw. 0,21 mm beabstandet sind. Wenn die obere Schicht 14 über der unteren Schicht 12 in der in 4 gezeigten Konfiguration angeordnet wird, führt dies zu einem Moiré-Muster mit (ungefähr) sinusförmiger Intensität (die als modulierte Intensität gekennzeichnet sein kann) mit einer Wellenlänge von 4,2 mm. Wenn die untere und die obere Schicht 12, 14 axial relativ zueinander verschoben werden (d. h. Bewegung senkrecht zur Richtung der parallelen Linien des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18), ändert sich die räumliche Phase (d. h. die Translation der Wellenform, ausgedrückt in einer linearen Dimension, aufgrund der Phasenänderung) des resultierenden Moiré-Musters um 20-mal die relativen Verschiebungen, wodurch sich eine optische Verstärkung ergibt. Andere optische Verstärkungen können durch verschiedene Abstände der parallelen Linien des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18 erreicht werden.
Außerdem gibt es andere Verfahren zum Erzeugen eines Interferenzeffekts (d. h. eines Musters mit modulierter Intensität) zwischen der unteren und der oberen Schicht 12, 14 als Moiré-Muster. Vorzugsweise sollten die für die Erzeugung eines Interferenzstreifenmusters oder eines visuellen Effekts verwendeten Muster einen Effekt schaffen, der einer spezifischen Pixelgröße einer entfernten Kamera und einer Blickfeldeinstellung entspricht (im gegebenen Kamerapixelraum deutlich auflösbar); eine festgelegte Zielverstärkung schaffen; eine festgelegte Zielanzahl von Streifenzyklen über die Länge des Sensors schaffen; und innerhalb des kleinen physikalischen Maßstabs der Sensorfolien implementiert werden. Binäre modulierte Linienmuster, die mit einer praktischen Adressierbarkeit von 2540 Punkten pro Zoll gedruckt sind, schaffen jedoch manchmal nicht alle der obigen Kriterien. Daher kann eine Pseudozufallsrauschmodulation gewählt werden, um eine Feinabstimmung des Streifenabstandmaßes und der Verstärkung; verbesserte Rauschabstände; und glattere, sinusförmigere Streifen, die durch geeignet modulierte binäre Muster erzeugt werden, zu schaffen. Daher Pseudozufallsmuster (ohne regelmäßigen Abstand), in die Informationen durch Modulieren eines gewissen Aspekts des Musters (wie z. B. Größe oder Abstand einer zufälligen Anordnung von Punkten) codiert werden, so dass ein positionsempfindlicher Interferenzeffekt mit niedriger Raumfrequenz erzeugt wird, wenn die zwei Muster überlagert werden. In einer allgemeinen Form muss die innewohnende Ordnung in jedem Grundmuster nicht aus einer sich wiederholenden Form mit festem Abstand bestehen, sondern könnte ebenso als sich wiederholende Anordnung von kleinen Positionsversätzen (Phasenverschiebungen) implementiert werden, die auf ein vollständig zufälliges zweidimensionales Rauschmuster angewendet sind. In diesem Fall wird ein stark sichtbares Interferenzmuster durch Überlagern von zwei Komponentenmustern, die nur Zufallsrauschen (wie ”Schnee” in einem Fernsehbild) zu sein scheinen, erzeugt. Ein weiteres Beispiel besteht darin, identische Grundfrequenzen für jedes Muster zu verwenden, so dass kein sichtbares Moiré-Schwebungsmuster vorliegt (innerhalb der Länge des Sensors), und den Interferenzeffekt durch Modulieren von einem der Grundmuster mit einem großen eingebetteten Symbol zu erzeugen, dessen Größe, Form und Wiederholung unabhängige Entwurfsfaktoren sind, die verwendet werden, um einen optimierten maßgefertigten Interferenzeffekt zu erzeugen. Solche Verfahren sind im US-Patent Nr. 6 164 847 mit dem Titel ”Imaging Parameter Detection”, ausgegeben am 26. Dezember 2000 an Roy Allen, und US-Patent Nr. 6 022 154 mit dem Titel ”Image Position Error Detection Technique Using Parallel Lines and Embedded Symbols to Alert an Operator of a Mis-Registration Event”, ausgegeben an Roy Allen am 8. Februar 2000, offenbart.
Die Vorteile dessen, die Verstärkung, Wellenlänge und Grundmusterauflösungen für den Interferenzeffekt unabhängig auswählen zu können, umfassen: 1) Schaffen einer höheren Verstärkung für eine gegebene Wellenlänge als es ein Moiré-Linienmuster-Verfahren ermöglicht, so dass das Abstandsmaß oder die Wellenlänge des Interferenzeffekts in eine kleinere Sensorgeometrie ohne Beeinträchtigung der Verstärkung passen kann, und 2) Erreichen einer höheren Verstärkung mit gröberen Grundmustern als ein Moiré-Linienmuster-Verfahren, so dass die Implementierung der Grundmuster an einem Substrat beispielsweise durch Drucken leichter und kostengünstiger ist.
Wie in 3 gezeigt, wird mit Bezug auf 7 und 15 die untere Schicht 12 an der Zugtestprobe 100 an einem ersten Ende 102 des optischen Dehnungsmessstreifens befestigt, während die obere Schicht 14 an der Zugtestprobe 100 an einem zweiten Ende 104 des optischen Dehnungsmessstreifens 100 befestigt wird. Die Befestigung wird typischerweise durch Klebstoff durchgeführt, kann jedoch durch andere Verfahren durchgeführt werden, wie z. B. magnetische Befestigung, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die ungedehnte Messstreifenlänge ist der Abstand zwischen den Befestigungen am ersten und am zweiten Ende 102, 104. Irgendeine aufgebrachte Dehnung ändert die Messstreifenlänge und verursacht die relative axiale Bewegung zwischen der unteren und der oberen Schicht 12, 14. In dieser Konfiguration würde eine Dehnung an der Zugtestprobe 100 durch die Zugtestvorrichtung 1000 von 5 und 6 induziert werden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die untere Schicht 12 ferner einen dritten Musterbereich 20 mit einem festen (oder über die Zeit statischen) Moiré-Muster, das durch Überlagern eines festen Musters mit der ersten Grundfrequenz über ein festes Muster mit der zweiten Grundfrequenz erzeugt wird. Wie in 4 dargestellt, führt dies zu einem festen oder Moiré-Referenzmuster mit sinusförmiger Intensität (ein statisches Muster mit fester Wellenlänge und räumlicher Phase) im dritten Musterbereich 20, der zur Überlagerung des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18 benachbart ist, wobei ein Moiré-Muster mit veränderlicher räumlicher Phase, aber konstanter Wellenlänge erzeugt wird. Wie im Einzelnen erläutert wird, vereinfacht und verbessert das feste Referenzmuster des dritten Musterbereichs 20 die Genauigkeit der Bildverarbeitung zum Bestimmen der räumlichen Phasenänderung des durch die Überlagerung des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18 erzeugten Musters (d. h. die Verstärkung der relativen axialen Verschiebung zwischen der unteren und der oberen Schicht 12, 14) und dadurch die Bestimmung der Dehnung der Zugtestprobe 100.
Außerdem gibt es mehrere Alternativen zum Erzeugen eines Referenzmusters anstelle des dritten Musterbereichs 20 mit den folgenden Alternativen. Erstens kann eines der aktiven Grundmuster als Referenz verwendet werden. In dieser Alternative kann die Grundkomponente des aktiven Musters von einem der überlappten Substrate verwendet werden, um eine Referenzphase zu erzeugen. In diesem Fall muss die Grundmusterkomponente ausreichend grob sein, damit sie an der entfernten Kamera auflösbar ist. Die Vorteile dieser Alternative sind, dass die Sensorgröße um ungefähr die Hälfte verringert werden kann, wodurch sich räumliche Effizienzen ergeben; die optischen Wege zur entfernten Kamera für das Referenz- und das aktive Segment sind nun identisch, was Verzerrungseffekte des optischen Weges weiter minimiert; und es besteht eine Verbesserung der Isolation von Ausrichtungsfehlern, da das aktive und das Referenzsegment nicht mehr voneinander versetzt sind. Zweitens kann eines der aktiven Grundmuster mit einer Referenz mit niedriger Frequenz moduliert werden. Diese zweite Alternative verwendet nur zwei Grundfrequenzen wie in der ersten alternativen Ausführungsform, hat jedoch den weiteren Vorteil, dass kein Grundmuster für die entfernte Kamera sichtbar sein muss. Vielmehr wird eines der Grundmuster mit einem Referenzmuster mit niedriger Frequenz moduliert. Die Referenzmodulationsfrequenz ist von der Frequenz des aktiven Moiré-Musters versetzt. Eine schnelle Fourier-Transformation oder ein ähnlicher Algorithmus sortiert die aktiven Moiré-Streifenphasendaten von den Referenzmodulationsphasendaten aufgrund des Frequenzversatzes zwischen den beiden aus. Drittens können zwei sich entgegengesetzt ausbreitende aktive Muster anstelle eines aktiven Musters und eines Referenzmusters verwendet werden. Die Hauptfunktion des Referenzmusters besteht darin, die Bewegungseffekte der Bewegung der entfernten Kamera und der Bewegung des starren Körpers des lokalen Sensors zu beseitigen, so dass alles, was gemessen wird, die Positionsanderung der zwei physikalischen Kontaktpunkte am lokalen Sensor ist. Die Verwendung von zwei sich entgegengesetzt ausbreitenden aktiven Streifenmustern ohne irgendein statisches Referenzmuster kann dies auch bewerkstelligen, wenn die Muster sich proportional in entgegengesetzten Richtungen für eine gegebene Messstreifenlängenänderung bewegen und dieselbe Verstärkung oder bekannte Verstärkungen aufweisen. Ein Vorteil dieser alternativen Methode besteht darin, dass die Messung von der Verstärkung beider aktiven Muster profitiert, so dass die gesamte Streifenmessverstärkung verdoppelt wird. Weitere Details hinsichtlich der Einbettung eines Referenzmusters werden nachstehend bereitgestellt.
Wie in 1 gezeigt, weist die untere Schicht 12 ein erstes Paar von Zielpunkten 22, 24 und ein zweites Paar von Zielpunkten 26, 28 auf. Die obere Schicht 14 weist einen ersten Zielpunkt 30, der anfänglich zwischen den Zielpunkten 22, 24 angeordnet ist, und einen zweiten Zielpunkt 32, der anfänglich zwischen dem zweiten Paar von Zielpunkten 26, 28 angeordnet ist, auf. Dies kann einen Zielbereich für die Bildverarbeitung schaffen. In einigen Ausführungsformen kann es Videoziele zum Messen von sehr großen Dehnungen oder Positionsverschiebungen jenseits des Bereichs der Überlappung zwischen der oberen und der unteren Schicht 12, 14 schaffen.
Wie in 5, 6 und 7 gezeigt, wird die Zugtestprobe 100, an der der optische Dehnungsmessstreifen 10 befestigt ist, mit Klauen 1002, 1004 der Zugtestvorrichtung 1000 in Eingriff gebracht. Eine Last wird auf die Zugtestprobe 100 aufgebracht (wodurch sich eine Spannung ergibt) und gemessen. Gleichzeitig wird der optische Dehnungsmessstreifen 10 durch eine LED-Reihe 1100 (oder eine ähnliche Vorrichtung) beleuchtet, während die entfernte Betrachtungskamera 1102 ein Bild des optischen Dehnungsmessstreifens 10 und des durch die Überlagerung des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18 erzeugten Moiré-Musters sowie des Moiré-Referenzmusters des dritten Musterbereichs 20 erzeugt und das resultierende Bild zum Computer 1104 zur Signalverarbeitung zuführt, um die Änderung der Messstreifenlänge und daher die Dehnung, die mit der Spannung korreliert ist, der Probe 100, die dem Test unterzogen wird, zu bestimmen.
Einige Anwendungen können die dargestellte entfernte Betrachtungskamera 1102 durch eine Standbildkamera, das menschliche Auge, eine lineare Photosensoranordnung oder sogar eine Satellitenkamera ersetzen.
Die Bildverarbeitung wird mit Bezug auf 8–14B erläutert. 8 zeigt ein Streifensegment mit einer Helligkeit eines optischen Sensors, wie vom dritten Musterbereich 20 detektiert, das die statische Referenz bereitstellt. In diesem und den folgenden Beispielen weist jedes vertikale Pixel eine Helligkeitszahl auf, die im Bereich von einem Maximum von 200 bis zu einem Minimum von 100 (in diesem Beispiel spezifisch so gewählt, dass es in den Bereich von 0–255 fällt (wie durch 8 Datenbits erreicht), wie es als Grauwert in vielen Videoanwendungen erhältlich sein kann) liegt. Wenn das Bild entlang der vertikalen Achse reduziert wird (beispielsweise Zusammenaddieren des Werts der 50 vertikalen Pixel, siehe linke Achse von 8, und Dividieren der resultierenden Summe durch 50), wird eine lineare Kurve der mittleren Intensität der Referenzintensität erhalten, wie in 9 gezeigt. Wenn die Referenzintensität mit einer ähnlichen Kurve verglichen wird, die vom aktiven Moiré-Muster abgeleitet ist, das durch die Überlagerung des ersten und des zweiten Musterbereichs 16, 18 erzeugt wird, kann eine Phasenverschiebung (siehe 10) durch Anwenden einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder ähnlicher Verfahren auf beide Kurven bestimmt werden (beispielsweise kann eine 4-Phasen-Verarbeitung auf Quadraturbasis verwendet werden), und daher kann die Änderung der Messstreifenlänge und daher die Dehnung bestimmt werden. Die Phasendifferenz zwischen den Mustern nimmt zu, wenn die Proben kontaktpunkte (Messstreifenlänge, siehe Elemente 102, 104 Von 3) sich weiter auseinander bewegen. Bewegungen eines starren Körpers wie z. B. eine Bewegung der ganzen Probe oder eine Kameravibration verleihen beiden Wellenformen identische Phasenverschiebungen und tragen nicht zur differentiellen Phasenmessung bei. Die Phasendifferenz zwischen den Muster korreliert mit der Dehnung in der Probe 100. Außerdem muss die Bildverarbeitung aufeinander folgende Bilder des optischen Dehnungsmessstreifens analysieren und vergleichen, um festzustellen, ob eine Phasenverschiebung von mehr als 360 Grad aufgetreten ist (Phasenabwicklung). Andere Verfahren können verwendet werden, um die Phasenzweideutigkeit aufzulösen.
In einer anderen Ausführungsform der Offenbarung ist das System dazu konfiguriert, eine genaue Dehnungsmessung jenseits des Punks der Probenausdehnung zu schaffen, an dem die Substrate überlagert sind. In dieser Betriebsart basiert die Dehnungsmessung auf den Streifenmustern, solange eine ausreichende Substratüberlappung besteht, wechselt dann auf die Berechnung der Dehnung auf der Basis von alternativen Merkmalen des optischen Dehnungsmessstreifens wie z. B. der Punkte 22, 24, 26, 28, 30, 32.
Eine Ausführungsform, die verbesserte Absolutmaßstabsmessungen ermöglicht, wird erreicht, wenn eines oder mehrere der Muster (Grundfrequenzen oder Referenzmuster) mit hoher Genauigkeit beispielsweise durch Lithographieverfahren implementiert werden können, so dass sein Abstandsmaß zu einer bekannten räumlichen Referenz wird, von der ein Maßstab auf die relativen Positionsmessungen anzuwenden ist, die durch die Sensorbetrachtungsvorrichtung durchgeführt werden. Die Verarbeitung der Phasenverschiebungsinformationen durch Fourier-Verfahren hat beispielsweise den Vorteil, dass auch sehr genaue Echtzeitmessungen der verschiedenen Musterabstandsmaße geschaffen werden, die für die Kamera sichtbar sind. Die Phasenbildverarbeitung, die im Kamerapixelraum arbeitet, schafft sehr genaue relative Messungen in Einheiten von Kamerapixeln, die für viele Anwendungen wie z. B. Dehnungsmessung geeignet sind. Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, die relativen Phasenmessungen in absolute Positionswerte umzuwandeln, erfordern die Verwendung eines bekannten, detektierbaren Abstandsmaßes in den sichtbaren Mustern, das im Kamerapixelraum genau gemessen wird. Die Verwendung eines vorkalibrierten Merkmals (Maßstabsreferenz), das irgendwo in den zwei Folien angeordnet ist, schafft diesen Kalibrierungsfaktor. Es ist bevorzugt, dass das Maßstabsreferenzmerkmal in derselben Weise wie die Phasenmessungen gemessen wird, das daher eine sich wiederholende Musterkomponente umfasst, die ein mittleres Abstandsmaß, gemittelt über mehrere Zyklen an der Folienebene des Sensors vorsehen kann.
Alternativ kann das Muster, das für die Maßstabsreferenz verwendet wird, mit einer lockereren Absolutmaßstabstoleranz erzeugt werden und dann als Endschritt im Produktionsprozess genau gemessen werden, um einen kalibrierten Abstandsmaßwert für die gegebene Sensorkomponente aufzuzeichnen. Dieser Kalibrierungswert selbst kann in das Muster auf der Folie beispielsweise unter Verwendung eines groben Strichcodes codiert werden, der am Umfang des Interferenzmusters gedruckt wird, so dass er entfernt durch die Kamera gelesen werden kann. Dadurch werden eine physikalische Absolutmaßstabsreferenz und ein Kalibrierungsfaktor für diese Referenz (falls erforderlich) direkt für die Kamera in jedem Bild geschaffen.
Der Bildverarbeitungsalgorithmus hält die Absolutmaßstabsgenauigkeit unabhängig von Kameraverzerrungen aufgrund von Linsenvibrationen, Luftstromeffekten und der Ansichtsperspektive durch dynamisches Nachverfolgen von Änderungen am gemessenen Abstandsmaß der Maßstabsreferenz und unter der Annahme, dass das tatsächliche Abstandsmaß am Sensor konstant ist, aufrecht. Wenn sich beispielsweise die Kamera in Bezug auf die Messstreifenlängenachse neigen würde, würde dies verursachen, dass der gemessene Abstandsmaßwert verringert wird. Dies wird jedoch durch Annehmen, dass die Abstandsmaßänderung künstlich ist, und entsprechende Kompensationsmessung kompensiert. Tatsächliche Sensorabstandsmaßänderungen, wie z. B. jene aufgrund von Wärmeausdehnung, sind typischerweise um Größenordnungen kleiner als jene, die durch eine Kameradrehung induziert werden.
Eine Beispielsequenz von drei Video-Frames ist in 11A, 11B und 11C gezeigt. Dies zeigt ein festes Segment (beispielsweise 110 mal 400 Pixel) eines Video-Framess, wenn sich das OSG-Sensorbild (Sensorbild des optischen Dehnungsmessstreifens) durch dieses bewegt. Die Punkte 103, 105 sind so ausgelegt, dass sie mit den Punkten des physikalischen Kontakts der Enden 102, 104 mit der Probe übereinstimmen, wie in 3 gezeigt. Dies definiert eine Messstreifenlänge. Zwei Formen von Bewegung sind ersichtlich. Es besteht eine horizontale Verschiebung des starren Körpers des ganzen optischen Dehnungsmessstreifens 10 aufgrund einer Probenbewegung relativ zur Kamera (in diesen Figuren nicht gezeigt). Diese Bewegung des starren Körpers oder Gleichtaktbewegung liegt nicht an einer Dehnung und muss daher von der Auswirkung auf die Dehnungsmessung beseitigt werden. Die Rolle des Referenzmusters 20 besteht darin, diese Bewegung zu verfolgen, so dass sie aus der Phasenmessung entfernt werden kann. Die andere Bewegungsform ist die Ausdehnung der Probenkontaktpunkte (wie durch die Punkte 103, 105 angegeben) und daher der Messstreifenlänge aufgrund von Zugkräften, die auf die Probe 100 aufgebracht werden (siehe 3), was sie unter Last dehnt. Die Dehnung, die gemessen werden soll, ist nur das, was durch die Punkte 103, 105 (entsprechend den Probenkontaktpunkten) aufgenommen wird. Andere Dehnungseffekte können über die Länge der Probe (in Abhängigkeit vom Material) auftreten, die die Dehnung zwischen den Kontaktpunkten nicht beeinflussen. Die Bewegung des starren Körpers wird unter Verwendung des Referenzmusters 20 entfernt und wirkt sich nicht auf die Endergebnisse aus. Da die Bewegung des starren Körpers die Folien in derselben Weise beeinflusst, kann die Bewegung des starren Körpers durch Durchführen von Messungen relativ zur Position des Referenzmusters in jedem Video-Frame berücksichtigt werden. Die Bewegung des starren Körpers ist dynamisch und kann sich mit jedem Video-Frame ebenso wie die Dehnungsbewegung ändern (siehe 12A, 12B, 13A, 13B, 14A und 14B). Daher muss die Bewegung des starren Körpers für jeden Video-Frame bestimmt und gemessen und aus der Messung der durch Dehnung induzierten Bewegung entfernt werden, so dass die Ergebnisse nicht verzerrt werden. Dies wird durch das Referenzmuster 20 erleichtert. Die Verschiebung aufgrund der Dehnung ist in diesen Figuren für die Erläuterungszwecke stark übertrieben. Da die überlappten Folien der Bewegung der Punkte 103, 105 unabhängig folgen, verursacht die differentielle Dehnungsbewegung, dass sich der aktive und der Referenzbereich trennen, wie gezeigt. Die Phase des aktiven Streifenmusters mit Interferenz zwischen der oberen und der unteren Folie (und als Elemente 16, 18 dargestellt) bewegt sich proportional zur Erhöhung der Messstreifenlänge, aber mit einem optischen Vergrößerungsfaktor aufgrund des Moiré-Effekts, so dass eine viel größere Streifenphasenverschiebung (Streifenwellenformtranslation) induziert wird. Der optische Vergrößerungsfaktor ist als Verhältnis der Streifenwellenformtranslation zur physikalischen Translation zwischen den zwei Folien definiert, wobei beide in denselben linearen Maßeinheiten ausgedrückt werden. Die Änderungen von Frame zu Frame an der Phasendifferenz zwischen den aktiven und Referenzstreifenmustern (in 11A–11C gezeigt) erfassen diese vergrößerte Dehnungsverschiebung unabhängig von den Bewegungen des starren Körpers der Kamera und des optischen Dehnungsmessstreifens.
Ein weiteres Beispiel von drei aufeinander folgenden Video-Frames ist in 12A und 12B 13A und 13B und 14A und 14B gezeigt. Das gezeigte Bildsegment ist ein festes Fenster im ganzen Video-Frame, das als nur groß genug dargestellt ist, um einen signifikanten Abschnitt des überlappenden Segments der OSG-Streifenmuster zu erfassen. Jeder Frame entspricht einem anderen Punkt in der Zeitsequenz, wenn die Probe unter Zuglast gedehnt wird. Der anfängliche Video-Frame in 12A ist ein 110×250-Kamerapixel-Segment, das ein 50×250-Pixelsegment jedes Streifenmusters enthält. Die Muster sind vertikal reduziert, um die horizontalen Intensitätswellenformen, die in 12B gezeigt sind, für die aktiven und Referenzstreifenmuster zu erzeugen. Die Phasenverschiebung zwischen den zwei Wellenformen wird durch eine beliebige Anzahl von Verfahren gemessen, einschließlich schneller Fourier-Transformation, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, um eine differentielle Phasenmessung für diesen speziellen Frame zu erzeugen. Die Phasenverschiebung entspricht im Wesentlichen dem Abstandsversatz zwischen den Spitzen der Wellenformen der Referenz- und aktiven Phasen. Unter der Annahme, dass 12A den Beginn des Tests darstellt, dann wird diese differentielle Phasenmessung verwendet, um die anfängliche Versatzbeziehung zwischen den Streifenmustern festzulegen, die mit einer Nulldehnung korreliert, da die Last am Beginn des Tests null ist.
Im nächsten Messzeitintervall zeigen der Video-Frame von 13A und die entsprechende Kurve von 13B, dass Komponenten sowohl einer Bewegung eines starren Körpers als auch einer durch Dehnung induzierten Bewegung, die in den Phasenpositionen der zwei Muster angegeben ist, vorliegen. Das Referenzmuster hat sich aufgrund der Bewegung des starren Körpers geringfügig von dort verschoben, wo es in 12A war. Außerdem hat sich das aktive Muster von der Referenzmusterphase um ein größeres Ausmaß als in 12A weg verschoben. Diese anschließende Phasenverschiebung gibt an, dass eine durch Dehnung induzierte Bewegung bestand, aufgrund einer geringfügigen Erhöhung der Probenmessstreifenlänge in 13A. Diese Messstreifenvergrößerung in 13A und 13B wird berechnet als:
Anfänglicher Versatz = aktive minus Referenzphase von 12A am Beginn des Tests
Aktueller Phasenversatz = aktive minus Referenzphase von 13A im ersten Zeitintervall
Dehnungsphasenverschiebung = Aktueller Phasenversatz minus anfänglicher Versatz
Messstreifenänderung = Dehnungsphasenverschiebung mal Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktor
Der Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktor des Sensors wird durch den Entwurf der für den Sensor verwendeten Moiré-Muster festgelegt, die sowohl einen Moiré-Verstärkungsfaktor als auch eine Streifenwellenläge (Abstandsmaß) definieren. Es ist im Wesentlichen das Verhältnis des Moiré-Interferenzabstandsmaßes in Positionseinheiten (wie z. B. Millimetern) an der Oberfläche des optischen Dehnungsmessstreifens zur Moiré-Verstärkung, das einheitslos ist. Da diese Entwurfsmerkmale bekannt sind, können sie vom Verarbeitungsalgorithmus verwendet werden, um einen Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktor mit ausreichend Genauigkeit für eine Dehnungsmessung mit hoher Auflösung zu schaffen. Dies liegt daran, dass die Dehnung eine relative Messung von einem Startpunkt ist, der als Nulldehnung aufweisend definiert ist, und daher keine absoluten Positionsmessungen jenseits des Nulldehnungspunkts erfordert. Ferner erfordert die Messstreifenlängenmessung am Nulldehnungspunkt typischerweise nur eine absolute Genauigkeit von 0,5%. Falls erforderlich, um die absolute Messgenauigkeit weiter zu verbessern, können jedoch ein oder beide von diesen Moiré-Entwurfsmerkmalen als letzter Produktionsschritt bei der Herstellung des optischen Dehnungsmessstreifens gemessen werden, um eindeutige Werte mit hoher Genauigkeit für jede Produktionseinheit zu schaffen. Diese Moiré-Entwurfsmerkmale stehen typischerweise proportional in Beziehung, daher können irgendwelche potentiellen Veränderungen der Moiré-Verstärkung genau bestimmt werden, indem das Streifenabstandsmaß nachverfolgt wird. Um entfernte Messungen durchzuführen, die von Kamerabewegungen und der Kameraorientierung unabhängig sind, wird auch das Abstandsmaß der Referenzwellenform verfolgt. Eine alternative Ausführungsform des Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktors besteht darin, das vorgemessene Abstandsmaß dieser Referenzwellenform als absolute Positionsmaßstabsreferenz zu verwenden.
Das Abstandsmaß des Referenzmusters ist bekannt und wird während der Erzeugung des Referenzmusters vorgesehen. Dieses Abstandsmaß wird dann im Pixelraum jedes Video-Framess erneut gemessen, um die Kamerainterpretation des Referenzabstandsmaßes festzulegen, ungefähr 50 Pixel, wie in 13A und 13B gezeigt. Dieses Kameraabstandsmaß ist der Abstand zwischen den Spitzen der Referenzwellenform. Schließlich können die Dehnungsphasenverschiebungsmessungen als Verhältnis dieser aktuellen Videoabstandsmaßmessung ausgedrückt werden. Ein Verstärkungsfaktor für jeden Video-Frame wird durch Berechnen des Verhältnisses des bekannten kalibrierten Abstandsmaßes am Muster der Oberfläche des optischen Dehnungsmessstreifens zur Video-Framesmessung desselben Abstandsmaßes festgelegt. Dieser Verstärkungsfaktor oder der Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktor kann dann verwendet werden, um Phasenmessungen im Kamerapixelraum in Positionseinheiten an der Oberfläche des optischen Dehnungssensors umzuwandeln. In dieser Weise können Pixelverschiebungen einer Streifenmusterphase im Video-Frame direkt in physikalische Positionsverschiebungen an der Oberfläche des optischen Dehnungsmessstreifens umgewandelt werden.
Da die Dehnungsphasenverschiebung typischerweise in Pixeln ausgedrückt wird und der Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktor typischerweise als Millimeter pro Pixel ausgedrückt wird, wird die Messstreifenänderung zu einer Maßeinheit wie z. B. Millimeter oder zur Menge der bewegten Strecke. Das Ziel besteht darin, die Bewegung der vermerkten Punkte zu messen. Für die Dehnungsmessung müssen diese Einheiten nicht notwendigerweise in physikalische Positionseinheiten kalibriert werden und können als eine Verhältnismetrik relativ zu einer definierten Startposition bleiben.
Der Verstärkungsfaktor könnte sich möglicherweise in jedem Frame ändern. Daher kann ein Bedarf bestehen, den Verstärkungsfaktor für jeden Frame zu bestimmen. Typischerweise bleibt jedoch der Verstärkungsfaktor konstant oder ändert sich nur geringfügig. In einem verrauschten System mit beispielsweise ungewollten Kamerabewegungen könnte sich dieser Faktor auf einer Frame-weisen Basis geringfügig ändern. Die Absicht einer Ausführungsform des optischen Dehnungsmessstreifens besteht überdies darin, eine genaue Messung Von kleinen Positionsänderungen in Gegenwart von sehr großen Gleichtaktbewegungen im dreidimensionalen Raum schaffen zu können. Ein wegwerfbarer optischer Dehnungsmessstreifen in einer haftenden ”Pflaster”-Konfiguration kann beispielsweise an einer Probe mit einer komplexen dreidimensionalen Form (wie z. B. einer Turbinenschaufel, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein) angeordnet werden, bei der sich die Form unter Spannung drastisch ändert. Ein gewöhnlicher Positionssensor, der entfernt gelesen wird, würde sich schnell aus dem kalibrierten Kamerablickfeld bewegen (z-Bewegung). Außerdem würde ein gewöhnlicher Sensor erfordern, dass die Kamera sehr starr gehalten wird. Irgendeine Kamerabewegung bei einem gewöhnlichen Sensor würde direkt zu einem Positionsmessfehler beitragen. Daher kann das Anwenden der Frame-weisen Verstärkungsfaktormessungen von einer gewissen Anzahl Von Frames auch einen nützlichen Vorteil schaffen, so dass dies auch ein mögliches Verfahren zur Implementierung ist. Es sollte auch beachtet werden, dass mehrere optische Dehnungsmessstreifen gleichzeitig verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu messen. Dazu liefert die Bestimmung der Messstreifenänderung das gewünschte Ergebnis.
14A zeigt einen dritten Video-Frame, der in einem zweiten Zeitintervall aufgenommen wird und ebenso verarbeitet wird, wobei 14B erhalten wird, um eine Messung einer Messstreifenänderung an der Oberfläche des optischen Dehnungsmessstreifens zu erzeugen. Die anschließende differentielle Phasenmessung zwischen den aktiven und Referenzstreifenmustern ist größer als die in 13A und 13B gezeigte, wodurch angegeben wird, dass die Dehnung weiterhin zunimmt. Außerdem besteht eine Bewegungskomponente eines starren Körpers, wie durch die zusätzliche Verschiebung des Referenzmusters über seine Position in 13B angegeben. Die durch Dehnung induzierte Messstreifenverlängerung in 14A und 14B wird berechnet als:
Anfänglicher Versatz = aktive minus Referenzphase von 12A am Beginn des Tests
Aktueller Phasenversatz aktive minus Referenzphase von 14A im zweiten Zeitintervall
Dehnungsphasenverschiebung Aktueller Phasenversatz minus anfänglicher Versatz
Messstreifenänderung = Dehnungsphasenverschiebung mal Phasen-zu-Positions-Kalibrierungsfaktor
Eine ähnliche Videoverarbeitung wird für jeden Video-Frame in der Sequenz durchgeführt, wodurch eine Reihe von Dehnungsmessungen in festgelegten Zeitintervallen erzeugt wird.
Außerdem misst eine typische Ausführungsform des optischen Dehnungsmessstreifens eine sehr kleine Bewegung (d. h. die Änderung der Messstreifenlänge während des Zugtests) im Vergleich zum gesamten Abstand zwischen der Probe und der entfernten Betrachtungskamera 1102 (siehe 5 und 6). Insbesondere kann beispielsweise das Verhältnis des Arbeitsabstandes zur Genauigkeit in einigen Ausführungsformen bis zu zehn Millionen zu eins sein. Die Ausführungsform ermöglicht überdies mit Subpixel-Interpolation genaue Messungen im Kamerapixelraum, die tatsächlich beispielsweise um einen Faktor von bis zu 1000 oder mehr kleiner sind als die Individuellen Pixel der entfernten Betrachtungskamera 1102. Ein Pixel ist das kleinste Lichtsammelelement in der Kamera. Das aktive Interferenzmuster vergrößert die Bewegung und schafft ein leicht sichtbares Bild, um die Bewegung zu bestimmen. In dieser Ausführungsform kann ein kleines Bild (beispielsweise 50 Pixel von einer Kamera-FOV-Länge mit 1000 Pixeln) verwendet werden, um eine Messung durchzuführen, die sich tatsächlich nur über einen winzigen Abschnitt eines Durchmessers eines einzelnen Pixels bewegt. In einem Beispiel einer Ausführungsform schafft eine entfernte Kamera ein Blickfeld von 500 Millimeter über eine Bildlänge von 1000 Kamerapixeln. Ein Sensor mit kleinem Maßstab in der Bildebene wird verwendet, der nur ein 50 Pixel langes Bild im Kameraraum darstellen würde. Dieses Bild mit niedriger Pixelauflösung des Sensors kann eine genaue Positionsmessung selbst dann durchführen, wenn sich die Folie physikalisch um nur einen winzigen Bruchteil einer einzelnen Kamerapixellänge bewegt. Diese Ausführungsform last typischerweise die Position auf besser als 0,25 Mikrometer unter Verwendung des Segments mit 50 Pixeln auf, um einen genauen Subpixel-Auflösungsfaktor von 2000:1 zu schaffen. Das große Blickfeld von 500 Millimetern ermöglicht große Gleichtaktbewegungen des Sensors. Alternativ kann das große Blickfeld verwendet werden, um mehrere Sensoren in einem einzelnen Kamerablickfeld zu betrachten.
Die hohe optische Verstärkung des Moiré-Interferenzeffekts kann verwendet werden, um eine Kombination der folgenden Verbesserungen zu schaffen – erhöhte Genauigkeit der Positionsverschiebung, vergrößertes Kamera-FOV (Messbereich), verringerte Kameraauflösungsanforderungen (niedrigere Kosten); vergrößerter Abstand zwischen der entfernten Betrachtungskamera 1102 und der Probe (Arbeitsabstand). Dies liegt daran, dass die entfernte Betrachtungskamera 1102 ein Bild aufnimmt, nicht eine Messung durchführt. Dies liegt daran, dass die Messung lokal an der Probe durch den gegebenen Zustand der Interferenzmuster festgelegt wird und dass sie eine Verstärkung aufweisen, die den Bedarf beseitigt, den physikalischen Koordinatenraum der entfernten Kamera zu beteiligen. Die entfernte Betrachtungskamera führt daher nur einen relativen Streifenvergleich in jedem Video-Frames (eine Interpretation aus ihrer Betrachtungsperspektive in einem gegebenen Moment) anstatt einer physikalischen Messung durch. Dies führt ebenso zu einem sehr hohen Rauschabstand, der nicht für äußere physikalische Faktoren anfällig ist. Die gewünschte Berechnung oder Messung wird durch Analysieren des Bildes erhalten, wodurch viele der Mängel des Standes der Technik beseitigt oder verringert werden. Die Kamerapixelauflösung muss nur ausreichend sein, um das Interferenzmuster für die schnelle Fourier-Transformation aufzulösen. Die entfernte Betrachtungskamera 1102 muss nicht die feineren Muster detektieren, die die Moiré-Interferenz umfassen, so dass es eine Kamera mit niedrigerer Auflösung sein kann, als wenn sie feine Bildmerkmale verfolgen müsste, wie es z. B. für andere Kameras oder Messtechnikverfahren erforderlich ist. Eine Eigenschaft des Bewirkens, dass der vergrößerte Interferenzeffekt lokal an der Probe stattfindet, besteht darin, dass die kritische Messung lokal durch die Phasenbeziehung dieser Muster festgelegt wird und daher nicht durch die gewöhnlichen Positions- und optischen Instabilitäten im Koordinatenraum jenseits des optischen Dehnungsmessstreifens und der Probe verzerrt wird. Mit anderen Worten, die Messung wird in der Ebene des optischen Dehnungsmessstreifens 10 durchgeführt. Die Videokamera muss nur relative Musteränderungen interpretieren, die ein oder zwei Größenordnungen gröber als die tatsächliche Messauflösung sind.
Es gibt viele Variationen für die obige Offenbarung. Obwohl der entfernt angeordnete Verschiebungssensor als optischer Dehnungsmessstreifen dargestellt wurde, können verschiedene Ausführungsformen unter Verwendung derselben Grundprinzipien einen entfernten Verschiebungssensor umfassen, der eine Bewegung der Erdkruste um Erdbebenverwerfungen herum messen soll. Der Sensor kann lokal, entfernt oder sogar periodisch durch eine Satellitenkamera gelesen werden. Ebenso kann der entfernt angeordnete Verschiebungssensor Bewegungen, die eine Dehnung induzierende Bewegungen umfassen können, an Brücken oder anderen Strukturen überwachen, die ebenso lokal, entfernt oder sogar periodisch durch eine Satellitenkamera überwacht werden können. Der entfernt angeordnete Verschiebungssensor kann in einem kleineren Maßstab implementiert werden, um Positionsänderungen, die eine Dehnung induzierende Bewegungen umfassen können, an einem Computerchip oder einer ähnlichen kleinen und/oder empfindlichen Vorrichtung zu überwachen, insbesondere während der Waferbearbeitung, der Herstellung einer Unteranordnung von optischen Komponenten und dergleichen.
Wie vorher beschrieben, können andere Variationen das Einbetten des Referenzmusters in eines der Grundmuster umfassen, die das aktive Moiré-Streifensegment umfassen. In diesem Verfahren enthält eine Folie oder ein Substrat sowohl die Grundfrequenz (Frequenz 1) des Moiré-Paars als auch eine zusätzliche Intensitätsmodulationskomponente mit einer anderen Frequenz (Frequenz 3 = Referenzwellenform). Die andere Folie oder das andere Substrat enthält die zweite Grundfrequenz des aktiven Moiré-Paars (Frequenz 2). Das Ergebnis ist ein geringfügig komplexeres Streifenmuster, das sowohl ein sich bewegendes Streifenmuster mit optischer Vergrößerung als auch ein statisches Referenzmuster, das der Bewegung von einer der Folien oder Substrate folgt, erzeugt. Dies schafft dieselbe Funktion wie das separate Referenzmuster, wie in anderen Ausführungsformen beschrieben. Die Fourier-Transformation ist ein mögliches Verfahren, das verwendet wird, um die zwei Streifenfrequenzen von der aktiven Interferenzwellenform zu isolieren. Die Referenzfrequenz (Frequenz 3) kann in diesem Fall von der Frequenz des aktiven Streifens (Moiré-Frequenz) verschieden sein. Der Phasenvergleich findet zwischen der schnellen Fourier-Phasenmessung der Referenzkomponente (Frequenz 3) und der Moiré-Frequenzkomponente (Moiré-Frequenz) statt. Die Phasenmessung der Frequenz 3 muss mit dem Verhältnis der zwei Frequenzen (Frequenz 3 und Moiré-Frequenz) skaliert werden, bevor der Vergleich durchgeführt wird. Diese Einbettung der Referenz führt typischerweise zu nur einem Streifenbereich zum Auswerten im Kamerablickfeld, wodurch eine Verringerung der Größe des Sensors ermöglicht wird; die Verarbeitung des Referenz- und des aktiven Musters in identischen optischen Bildumgebungen ermöglicht wird; und die Verarbeitungszeit verringert wird, da nur ein Streifensegment zu verarbeiten ist.
Außerdem können in einigen Anwendungen Ausführungsformen des Dehnungsmessstreifens 10 als direkter Ersatz für einen herkömmlichen planaren Dehnungsmessstreifen verwendet werden, der einen kleinen kostengünstigen wegwerfbaren Mikropositionswandler vorsieht, der in Form einer dünnen, passiven Vorrichtung vorliegt. Daher kann er in vielen derselben Anwendungen (wie z. B. Druck- oder Temperaturmessungen, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein) als herkömmlicher Dehnungsmessstreifen angewendet werden, erfordert jedoch typischerweise keine Drähte, keinen lokalen Vorverstärker oder ein heikles Kleben an eine Probenoberfläche und weist typischerweise einen um Größenordnungen größeren Messbereich auf.
Folglich werden die verschiedenen vorstehend erwähnten Ziele und Vorteile höchst effektiv erreicht. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hier im Einzelnen offenbart und beschrieben wurden, ist diese Erfindung selbstverständlich in keiner Hinsicht dadurch begrenzt und ihr Schutzbereich soll durch jenen der beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7047819 [0004]
US 6164847 [0004, 0027]
US 2787834 [0004]
DE 3120653 [0004]
EP 0255300 [0004]
US 6022154 [0027]

Claims

Optische Verschiebungsmessvorrichtung, aufweisend: ein erstes Substrat, welches einen ersten Bereich mit einem ersten Muster aufweist; ein zweites Substrat, welches einen zweiten Bereich mit einem zweiten Muster aufweist; wobei das zweite Substrat das erste Substrat überlagert, wobei die ersten und zweiten Muster ein Muster modulierter Intensität erzeugen, welches mit einem Referenzmuster verglichen wird, um die relative Bewegung des ersten und des zweiten Substrats zueinander zu bestimmen, und wobei das erste Substrat so ausgelegt und angeordnet ist, das es an einer zu messenden Oberfläche an einem ersten Verbindungspunkt befestigt ist, und das zweite Substrat so ausgelegt und angeordnet ist, dass es an einer zu messenden Oberfläche an einem zweiten Verbindungspunkt befestigt ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Muster eine erste Moiré-Grundfrequenz aufweist, das zweite Muster eine zweite Moiré-Grundfrequenz aufweist und das Muster modulierter Intensität ein Moiré-Muster ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Moiré-Muster ein sinusförmiges Intensitätsmuster mit einer Wellenlänge aufweist, welche durch die erste und zweite Moiré-Grundfrequenz bestimmt wird.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Muster Muster paralleler Linien sind, welche gemäß den jeweiligen ersten und zweiten Moiré-Grundfrequenzen beabstandet sind.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei eines des ersten und zweiten Substrates das Referenzmuster aufweist und wobei das Referenzmuster aus den ersten und zweiten Moiré-Grundfrequenzen gebildet ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Referenzmuster im Zeitablauf statisch ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Referenzmuster zu einer Überlagerung des ersten Bereichs mit dem ersten Muster und dem zweiten Bereich mit dem zweiten Muster benachbart gebildet ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Messstreifenlänge gleich der Entfernung zwischen den ersten und zweiten Verbindungspunkten ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Änderung in der Messstreifenlänge eine Änderung in einer Phase des Moiré-Musters verursacht.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Änderung in der Phase des Moiré-Musters eine Verschiebung des Moiré-Musters bewirkt, welche proportional zu und größer als die Änderung in der Messstreifenlänge ist.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Verschiebung des Moiré-Musters mindestens dem zwanzigfachen der Änderung in der Messstreifenlänge entspricht.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Bild der optischen Verschiebungsmessvorrichtung von einer Kamera erfasst wird.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Bild der optischen Verschiebungsmessvorrichtung zu einer ersten linearen Kurve der Intensität für das Moiré-Muster und einer zweite lineare Kurve der Intensität für das Referenzmuster reduziert wird.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die ersten und zweiten linearen Kurven der Intensität durch einen schnellen Fourier-Transformations-Algorithmus analysiert werden, wodurch eine Phasenänderung der ersten linearen Kurve der Intensität als Antwort auf eine Änderung in der Messstreifenänderung bestimmt wird.
Optische Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines des ersten und zweiten Substrats visuelle Ziele zum Nachverfolgen aufweist zur weiteren Berechnen der Änderung in der Messstreifenlänge.
Verfahren zur Messung einer Verschiebung, aufweisend: Bereitstellen eines Sensors, wobei der Sensor ein erstes Substrat mit einem ersten Bereich eines ersten Muster und ein zweites Substrat mit einem zweiten Bereich eines zweiten Musters aufweist, wobei Überlagern der ersten und zweiten Bereiche ein Muster modulierter Intensität erzeugt, wobei der Sensor ferner ein Referenzmuster aufweist; Befestigen des ersten Substrats an einem ersten Punkt an einer Probe, Befestigen eines zweiten Substrats an einem zweiten Punkt an einer Probe, wodurch eine Messstreifenlänge zwischen den ersten und zweiten Punkten an der Probe definiert wird; Messen eines anfänglichen Vergleichs der Muster modulierter Intensität und des Referenzmusters; Verursachen einer Änderung in der Messstreifenlänge, wodurch das Muster modulierter Intensität geändert wird; Messen eines anschließenden Vergleichs zwischen dem Muster modulierter Intensität und dem Referenzmuster; und Berechnen der Änderung in der Messstreifenlänge basierend auf dem anfänglichen Vergleich und dem anschließenden Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste Muster eine erste Moiré-Grundfrequenz aufweist, das zweite Muster eine zweite Moiré-Grundfrequenz aufweist und das Muster modulierter Intensität ein Moiré-Muster ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Moiré-Muster ein sinusförmiges Intensitätsmuster mit einer Wellenlänge aufweist, welche durch die erste und zweite Moiré-Grundfrequenz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das erste und das zweite Muster Muster paralleler Linien sind, welche gemäß den jeweiligen ersten und zweiten Moiré-Grundfrequenzen beabstandet sind,
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eines des ersten und zweiten Substrates das Referenzmuster aufweist und wobei das Referenzmuster aus den ersten und zweiten Moiré-Grundfrequenzen gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Referenzmuster im Zeitablauf statisch ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Referenzmuster benachbart zu einer Überlagerung des ersten Bereichs mit dem ersten Muster und des zweiten Bereich mit dem zweiten Muster gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Verursachens einer Änderung in der Messstreifenlänge eine Änderung in einer Phase des Moiré-Musters verursacht.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Änderung in der Phase des Moiré-Musters eine Verschiebung des Moiré-Musters bewirkt, welche proportional zu und größer als die Änderung in der Messstreifenlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Verschiebung des Moiré-Musters mindestens dem zwanzigfachen der Änderung der Messstreifenlänge entspricht.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner aufweisend den Schritt des Erfassens eines Bildes des Sensors.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt des Erfassens des Bildes des Sensors mit einer Kamera durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner aufweisend den Schritt des Reduzieren des Bildes der optischen Verschiebungsmessvorrichtung auf eine erste lineare Kurve der Intensität für das Moiré-Muster und eine zweite lineare Kurve der Intensität für das Referenzmuster.
Verfahren nach Anspruch 28, ferner aufweisend den Schritt des Analysierens der ersten und zweiten linearen Kurven der Intensität durch einen schnellen Fourier-Transformations-Algorithmus, wodurch eine Phasenänderung der ersten linearen Kurve der Intensität als Antwort auf eine Änderung in der Messstreifenänderung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend den Schritt des Bereitstellens visueller Ziele auf mindestens einem der ersten und zweiten Substrate zur weiteren Berechnung einer Änderung in der Messstreifenlänge.