forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

12 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Ausschreibung 2001: Design <strong>optische</strong>r Systeme Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart 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 z.B. Dehnungsfelder und Materialparameter gewinnen, so dass sich das Anwendungsgebiet klassischer endoskopischer Prinzipien deutlich erweitert. Die holografische Interferometrie ist eine berührungslose und flächenhafte kohärente Messtechnik. Sie wurde in den vergangenen 30 Jahren zur Messung von Formen, statischen und dynamischen Formänderungen, Dehnungen und Dichteverteilungen erfolgreich eingesetzt. Mit holografischer Interferometrie werden zwei oder mehrere Wellenfelder, die zu verschiedenen Zeiten holografisch registriert wurden, miteinander verglichen. Durch die Weiterentwicklung der elektronischen Bildsensoren (CCD, CMOS) und der digitalen Bildverarbeitung konnten sich Verfahren der digitalen Holographie etablieren. Nach der Registrierung und Speicherung der Hologramme auf dem Bildsensor bzw. im Computer erfolgt die Rekonstruktion durch eine digitale Simulation der Propagation des Wellenfeldes. Die Technik erlaubt einen weitaus höheren Grad an Automatisierung und Miniaturisierung als die konventionelle Holografie. Pulslaser erlauben es, die Messzeit drastisch zu verkürzen (z.B. auf wenige Nanosekunden) und unerwünschte Störungen zu eliminieren, so dass dynamische Prozesse messbar sind. Bei der gepulsten digitalen Holografie werden in kurzem zeitlichem Abstand zwei oder mehrere Hologramme eines Objektes auf einem CCD-Chip registriert. Durch den interferometrischen Vergleich dieser Wellenfronten kann auf eine lokale Veränderung des Objektes infolge von dynamischen Verschiebungen geschlossen werden. Daher kann die gepulste digitale Holografie neben der flächenhaften Messung von Verformungen, vorteilhaft für die Schwingungsanalyse an mechanischen Bauteilen eingesetzt werden. Zur Untersuchungen des dreidimensionalen Schwingungsverhaltens von Objekten ist es notwendig, die Form des zu messenden Objekts zu kennen, was ebenfalls mit einer auf digitaler Holographie basierenden Methode erreicht wird. Die in dem Projekt „Holografische Endoskopie für 3D-Untersuchungen“ entwickelten Methoden erlauben es, das Anwendungsfeld endoskopischer Techniken im Hinblick auf dynamische Verformungen (z.B. Schwingungen) an schwer zugängliche Stellen zu erweitern. Durch die drastisch verringerte Messzeit von wenigen Nanosekunden (Einzelimpuls) bzw. Mikrosekunden (Pulsabstand) erscheinen Untersuchungen im industriellen Umfeld realistisch. Im ersten Teil wurde die bereits am Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart entwickelte Aufnahmetechnik für den endoskopischen Einsatz erweitert und optimiert. Es wurde die Pulsholografie mit kommerziell erhältlichen starren und flexiblen Endoskopen proximal untersucht. Um die Fähigkeit des endoskopischen Systems zu prüfen, wurden Messungen an verschiedenen Teilen durchgeführt. Als starres Endoskop wurde ein Swing Prism Borescope der Fa. Karl Storz mit einer Länge von 0,5 m und einem Durchmesser von 6 mm verwendet. 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. 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 entspre-
chende Kavitäten (z.B. Motoren-, Turbinen- oder Körperhohlräume) einführen zu können. Eine sehr kleine Kamera wurde in einem miniaturisierten holografischen Messkopf eingesetzt. Der Durchmesser beträgt in diesem Fall lediglich 7 mm (Abb. 1). Faser. Referenz Faser CCD, 752 x 582 Pixel Pixelgröße: 3.2 µm x 3.1 µm Objektsbeleuchtung Abb. 1: Prototyp eines miniaturisierten holografischen Messkopfs mit Kamera, Durchmesser 7 mm. Als Lichtquelle wurde ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Pulslaser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Pulslänge von 10 ns bei einer Frequenz von 20 Hz verwendet. Es wurden bereits erste Messungen durchgeführt. Ein Beispiel ist in Abb. 2 dargestellt. Defekt Apertur Linse Abb. 2: Schwingungsmessung eines Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz 2350 Hz. Streifenbild (a). Pseudo-3D Darstellung des Schwingungsvorgangs (b). Es ist auch realistisch, das System noch weiter zu miniaturisieren und die Laserquelle ebenfalls in den Messkopf zu integrieren. Damit gelangt die Entwicklung von sehr kleinen und autonomen Messrobotern, die gezielt an schwer zugänglichen Stellen messen, in Reichweite. 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. 3, 172-179, 2005 13
Seite 1 und 2: [Schriftenreihe der Landesstiftung
Seite 3 und 4: FORSCHUNGSPROGRAMM OPTISCHE TECHNOL
Seite 5 und 6: [2003/2004] 37 Ausschreibung 2003/2
Seite 7 und 8: Geleitwort Photonics BW e.V. ist ei
Seite 9 und 10: ausschreibung 2001 9
Seite 11: Ferner wird im Projekt untersucht,
Seite 15 und 16: Es wurde bereits erfolgreich ein ho
Seite 17 und 18: Optik und einen beweglichen Spiegel
Seite 19 und 20: 1. Punktmessung nahe des Zündfunke
Seite 21 und 22: Die rigorosen Effekte an Strukturen
Seite 23 und 24: Die genannten Maßnahmen zur Erhöh
Seite 25 und 26: ausschreibung 2002 25
Seite 27 und 28: Abb. 1 zeigt den schematischen Aufb
Seite 29 und 30: aufweist. Dies ist Voraussetzung f
Seite 31 und 32: Abb. 2: Verformungsdifferenz zwisch
Seite 33 und 34: wird. Durch den einfachen Wechsel z
Seite 35 und 36: Die Herstellung der Spiegel aus tec
Seite 37 und 38: ausschreibung 2003/2004 37
Seite 39 und 40: Abb. 2: Visualisierung des Fusionsp
Seite 41 und 42: Vergleich verschiedener mikroskopis
Seite 43 und 44: Ein 4Pi-Aufbau sammelt doppelt sovi
Seite 45 und 46: Vollständig nicht-invasive Experim
Seite 47 und 48: Als Beispiel sind in Abb. 1 Schwing
Seite 49 und 50: unmittelbarer Nähe der Probe defin
Seite 51 und 52: In einer ersten, 24 Monate andauern
Seite 53 und 54: Wesentliche Schlüsselelemente dies
Seite 55 und 56: Änderung des Scanwinkels von 50°
Seite 57 und 58: aus einem dünnen optischen Scheibe
Seite 59 und 60: Gutachter Förderprogramm „Forsch

forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?