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Mach-Zehnder based Rotational Shearing Interferometer for Non-destructive Testing using Spatial Phase-Shifting Shearography

Dieses Papier präsentiert ein neuartiges, auf einem Mach-Zehnder-Interferometer basierendes rotationssymmetrisches Scherinterferometer, welches unter Verwendung von räumlicher Phasenverschiebung und Dove-Prismen eine schnelle, vollflächige zerstörungsfreie Prüfung rotationssymmetrischer Bauteile ermöglicht, indem es die Scheranpassung von der Erzeugung der Trägerfrequenz entkoppelt und tangentiale Verschiebungsgradienten detektiert.

Ursprüngliche Autoren: Valentin-Johannes Bastgen, Michael Schuth, Georg von Freymann

Veröffentlicht 2026-06-01

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Valentin-Johannes Bastgen, Michael Schuth, Georg von Freymann

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, unsichtbare Risse oder Schwachstellen in einem empfindlichen, runden Objekt zu finden, wie etwa einer Gummidichtung oder einem Metallring, ohne es zu berühren oder zu beschädigen. Das ist die Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Das von Ihnen geteilte Papier beschreibt ein neues, hochmodernes „magisches Auge“, das diesen Job viel besser erledigt als die alten Methoden, insbesondere für runde Objekte.

Hier ist die Aufschlüsselung, wie es funktioniert, unter Verwendung einfacher Analogien:

1. Das Problem mit der alten „Taschenlampe“

Denken Sie an herkömmliche Prüfmethoden wie das Leuchten einer Taschenlampe auf einen runden Ball. Wenn Sie den ganzen Ball sehen wollen, müssen Sie die Taschenlampe ständig bewegen oder den Ball immer wieder drehen.

Die Einschränkung: Die alte Art, dies zu tun (genannt „Lineare Shearografie“), ist wie der Versuch, einen Kreis mit einem Lineal zu messen. Man kann immer nur eine gerade Linie auf einmal messen. Um den ganzen Kreis zu sehen, muss man viele Bilder machen, stoppen, das Objekt drehen und weitere Bilder machen. Das ist langsam und klobig.
Das Vibrationsproblem: Einige ältere Hochgeschwindigkeitsmethoden sind wie der Versuch, ein Foto eines Kolibris zu machen, während man auf einem wackeligen Boot steht. Wenn der Fabrikboden auch nur minimal vibriert, wird das Bild unscharf.

2. Die neue Lösung: Die „rotierende Kamera“

Die Autoren haben eine neue Maschine auf Basis eines Mach-Zehnder-Interferometers gebaut. Das ist ein schicker Name für ein Gerät, das einen Laserstrahl in zwei Pfade aufteilt und sie dann wieder zusammenführt, um ein Muster aus hellen und dunklen Linien (Interferenz) zu erzeugen.

Der clevere Teil ist:

Der „Virtuelle Doppelspalt“: Stellen Sie sich vor, Sie schauen durch ein Fenster mit zwei winzigen Löchern. Beim alten Aufbau änderte das Bewegen der Löcher auch das Lichtmuster an der Wand, was die Kontrolle erschwerte. In diesem neuen Aufbau haben die Autoren einen „Virtuellen Doppelspalt“ (VDS) geschaffen.
Die Analogie: Denken Sie an die alte Methode als den Versuch, den Zoom einer Kamera zu ändern, indem man physisch das Objektiv bewegt, was versehentlich auch das Bild zur Seite verschiebt. Die neue Methode ist wie eine Kamera, bei der man hinein- oder herauszoomen kann (die Empfindlichkeit anpassen), ohne dass das Bild jemals zur Seite verrutscht. Dies gibt ihnen die totale Kontrolle.

3. Die Geheimwaffe: Das „Dove-Prisma“

Um das System für runde Objekte funktionsfähig zu machen, verwendeten sie spezielle Glasblöcke, die Dove-Prismen genannt werden.

Die Metapher: Stellen Sie sich vor, Sie halten das Bild einer Uhr. Wenn Sie das Bild um 10 Grad drehen, bewegen sich die Zeiger. Aber wenn Sie ein Dove-Prisma verwenden, wirkt es wie ein magischer Spiegel, der das Bild innerhalb der Maschine um den doppelten Winkel dreht, um den Sie das Prisma drehen.
Das Ergebnis: Anstatt den Laser in einer geraden Linie (links nach rechts) zu bewegen, „scheren“ (verschieben) die Laser nun das Bild in einem Kreis. Es ist, als würde man eine Schallplatte auf einem Plattenspieler drehen, anstatt ein Buch über einen Tisch zu schieben.

4. Warum „Drehen“ besser für runde Dinge ist

Das Papier erklärt, dass diese neue „Rotation Scherung“ (Rotational Shear) ein Wendepunkt für runde Objekte (wie Dichtungsringe) ist.

Die alte Art (Linear): Wenn Sie ein Lineal über einen runden Reifen schieben, sehen Sie nur den Teil des Reifens, den das Lineal berührt. Den Rest übersehen Sie.
Die neue Art (Rotational): Da der Laser um das Zentrum kreist, erfasst er das gesamte runde Objekt in einem einzigen Schnappschuss. Er ist empfindlich für Risse, die von der Mitte nach außen verlaufen (radiale Risse), welche bei diesen Teilen häufig vorkommen.
Geschwindigkeit: Da er das gesamte Bild auf einmal erfasst (mit der Geschwindigkeit einer Kamera, die ein Foto macht), kann er Teile so schnell prüfen, wie sich ein Förderband in einer Fabrik bewegt. Ein Anhalten und Drehen des Teils ist nicht nötig.

5. Das Experiment: Der „Schweizer Käse“-Test

Um zu beweisen, dass es funktionierte, testete das Team einen Metallblock, in den Löcher gebohrt wurden (wie bei Schweizer Käse), um Defekte zu simulieren.

Sie pumpten Luftdruck in den Block, um ihn leicht anschwellen zu lassen.
Sie verglichen die alte „gerade Linien“-Lasermethode mit ihrer neuen „rotierenden“ Lasermethode.
Das Ergebnis: Beide Methoden fanden die Löcher. Die neue rotierende Methode fand sie jedoch ebenso zuverlässig, bot aber einen einzigartigen Vorteil: Sie hob die Richtung der Belastung perfekt um das Zentrum herum hervor. Dies bewies, dass die Maschine in der Lage ist, winzige Fehler in runden Teilen in einem einzigen, schnellen Durchgang zu erkennen.

Zusammenfassung

Das Papier stellt ein neues optisches Werkzeug vor, das einen rotierenden Lasereffekt (Rotationsscherung) anstelle einer gleitenden Bewegung nutzt.

Alte Art: Langsam, erfordert das Bewegen des Objekts, hat Schwierigkeiten mit runden Formen.
Neue Art: Schnell, erfasst das gesamte runde Objekt in einem Rutsch und ist immun gegen Fabrikvibrationen.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass dies perfekt für die Überprüfung sicherheitskritischer runder Teile ist, wie etwa der Dichtungen, die in Flugzeugen, Kernkraftwerken oder Ölplattformen verwendet werden, um sicherzustellen, dass sie keine verborgenen Risse haben, ohne sie auseinandernehmen zu müssen.

Technische Zusammenfassung: Mach-Zehnder-basierter rotierender Scherinterferometer für die zerstörungsfreie Prüfung mittels räumlicher Phasenverschiebungsscherografie

Problemstellung
Die aktuelle industrielle zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mittels Scherografie (elektronische Specklemuster-Scherinterferometrie) stützt sich stark auf lineare Scherungskonfigurationen (x-, y- oder xy-Richtungen). Während die räumliche Phasenverschiebungsscherografie (SPS) schnelle Vollfeldmessungen mit Kamera-Bildraten ermöglicht hat, weisen lineare Scherungen erhebliche Einschränkungen für rotationssymmetrische Bauteile auf, wie beispielsweise dünnwandige Dichtringe. Speziell begrenzen lineare Scherungsanpassungen den nutzbaren Messbereich auf solchen Geometrien erheblich, was mehrfache Messungen und eine rotatorische Neupositionierung des Objekts oder des Sensors erforderlich macht, um die gesamte Oberfläche zu inspizieren. Darüber hinaus litten bestehende Aufbauten, die eine Rotationsscherung nutzen, historisch unter einer geringen Lichteffizienz der Messung oder erforderten eine zeitliche Phasenverschiebung (TPS), was hochgradig vibrationsanfällig und ungeeignet für die industrielle In-Line-Prüfung ist.

Methodik
Die Autoren schlagen einen neuartigen optischen Aufbau vor, der auf einem Mach-Zehnder-Interferometer basiert und Rotationsscherung mit räumlicher Phasenverschiebungsscherografie kombiniert. Die zentrale Innovation liegt in der Implementierung einer Virtuellen Doppelspalt-Konfiguration (VDS). In diesem Aufbau werden Spaltaperturen in jedem Interferometerarm nahe dem kameraseitigen Strahlteiler (BS2) platgestellt, wobei ein Spalt lateral von der optischen Achse versetzt ist.

Wesentliche methodische Merkmale sind:

Entkopplungsmechanismus: Die VDS-Anordnung erzeugt eine räumliche Trägerfrequenz durch die achsenabseits gelegene Versetzung der Spalte. Dies entkoppelt die Erzeugung der räumlichen Trägerfrequenz von der Einstellung der Scherung, was eine flexible Abstimmung der Empfindlichkeit unabhängig von der Trägerfrequenz ermöglicht.
Erzeugung der Rotationsscherung: Die Rotationsscherung wird mittels Dove-Prismen als Bildrotatoren realisiert. Das Drehen eines Dove-Prismas um einen Winkel $\psi$ führt zu einer Bildrotation von $2\psi$ .
Signalverarbeitung: Das System verwendet die Takeda-Methode zur Signalverarbeitung. Die theoretische Analyse zeigt, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Aufbauten, bei denen das Spektrum der räumlichen Trägerfrequenz mit dem Bild rotiert, die VDS-Konfiguration ein konstantes räumliches Trägerfrequenzspektrum unabhängig vom Rotationswinkel des Prismas beibehält.
Messprinzip: Das System reagiert empfindlich auf tangentiale (azimutale) Verschiebungsgradienten um das Zentrum der Rotation. Die lokale Scherung ist positionsabhängig und steigt linear mit dem Abstand vom Bildzentrum ( $r$ ) an, während eine lineare Scherung eine konstante Scherung über das gesamte Feld liefert.

Experimentelle Validierung und Ergebnisse
Der vorgeschlagene Aufbau wurde experimentell unter Verwendung eines Kalibrierungsobjekts validiert, das aus einem Aluminiumkörper mit acht kreisförmigen künstlichen Defekten (Senkungen/Flat-Bottom-Holes) unterschiedlicher Durchmesser und verbleibender Wandstärken besteht. Das Prüfstück wurde einer pneumatischen Überdruckanregung ( $\Delta p = 3$ bar) ausgesetzt.

Defekterkennung: Das System konnte alle Defekte erfolgreich detektieren, unabhängig von ihrem Durchmesser oder der verbleibenden Wandstärke.
Vergleich: Die Ergebnisse wurden mit herkömmlichen linearen Scherungskonfigurationen (x-, y- und xy-Richtungen) verglichen. Sowohl die lineare als auch die rotierende Scherung identifizierten die Defekte zuverlässig, welche als charakteristische „Schmetterlingsmuster“ erschienen.
Sensitivitätscharakteristika: Die Rotationsscherung zeigte eine ausgeprägte Sensitivität gegenüber Deformationsgradienten in der Tangentialrichtung. Folglich wies das System eine erhöhte Sensitivität gegenüber Defekten auf, die radial verlaufen (vom Zentrum in Richtung des äußeren Durchmessers).

Zentrale Beiträge

Neuartige optische Architektur: Einführung eines Mach-Zehnder-Interferometers mit einem Virtuellen Doppelspalt (VDS), das eine Rotationsscherung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Vorteile der räumlichen Phasenverschiebung ermöglicht.
Entkoppelte Steuerung: Erzielung einer unabhängigen Kontrolle über Scherung und räumliche Trägerfrequenz, was eine uneingeschränkte Anpassung der Empfindlichkeit ohne Beeinträchtigung der Messgeschwindigkeit oder Stabilität ermöglicht.
Industrielle Lebensfähigkeit: Demonstration, dass eine Rotationsscherung bei Kamera-Bildraten durchgeführt werden kann, wodurch die Vibrationsanfälligkeitsprobleme früherer Rotationsscherungs-Aufbauten, die auf zeitliche Phasenverschiebung basierten, überwunden werden.
4 Effizienz der Vollfeld-Erfassung: Die Methode ermöglicht die Vollfeld-Evaluierung rotationssymmetrischer Komponenten in einer einzigen Akquisition („One-Shot“), was die mehrfachen Messungen und das Repositionieren eliminiert, die bei linearen Scherungsmethoden erforderlich sind.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass dieser Ansatz signifikantes Potenzial für die industrielle ZfP bietet, insbesondere für die Inspektion von rotationssymmetrischen Bauteilen und sicherheitskritischer Dichtungstechnologie (z. B. in der Luft- und Raumfahrt, Kerntechnik sowie im Öl- und Gassektor). Die Autoren heben hervor, dass die Methode die Einschränkung der begrenzten Messbereiche auf dünnwandigen Teilen adressiert und somit die Inspektionszeit erheblich reduziert.

Die Autoren merken jedoch bescheiden spezifische Limitationen und zukünftige Arbeitsbereiche an:

Orientierungssensitivität: Der Rotationsscherungsansatz weist eine reduzierte Sensitivität gegenüber Defekten auf, die in der Umfangsrichtung (tangential) orientiert sind, da diese mit der Scherungsrichtung übereinstimmen.
Zukünftige Richtungen: Die Autoren geben an, dass sich zukünftige Arbeiten auf die Anpassung des Aufbaus an raue Industrieumgebungen konzentrieren, zusätzliche Anwendungsszenarien untersuchen und die Methode von der Defekterkennung zur Defekttiefencharakterisierung erweitern werden. Sie schlagen zudem vor, dass eine Kombination aus Rotations- und Radialscherung weiter untersucht werden muss, um die Sensitivitätsbeschränkungen bezüglich Umfangsrissen zu adressieren.