Fricke-Begemann, Thomas (2003) Optical measurement of deformation fields and surface processes with digital speckle correlation. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

This thesis presents a detailed investigation of Digital Speckle Correlation (DSC) as a tool for the measurement of three-dimensional deformation fields and surface processes, i.e. changes in the microstructure of the surface. The method is based on a detailed analysis of the changes in the speckle field that is scattered from a laser-illuminated rough surface, using digital image processing. The extremely simple and robust optical setup is suited for uses in harsh environments outside the laboratory, e.g. in Non-Destructive Testing (NDT) applications. In the first part of the thesis, a new technique is presented to determine the complete deformation field, in particular the hitherto inaccessible out-of-plane component. The measurement relies on the analysis of the spectral properties of the decorrelation which is caused by local tilt. The accuracy of the measurement is about one tenth of the used wavelength, and thus comparable to interferometric techniques (e.g. ESPI). In the second part, different theoretical approaches to describe the scattering at random rough surfaces, including perturbation theory, Kirchhoff theory and the two-scale model, are advanced to determine the correlation of the scattered speckle fields in terms of parameters of the surface microstructure changes. The theoretical relations are verified by comparative measurements with high resolution scanning force microscopy (SFM) and by correlation measurements under a variation of experimental parameters. The results allow for the first time a quantitative whole-field monitoring of surface processes by remote optical means.

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In dieser Dissertation wird die Digitale Speckle-Korrelation (DSC) als Methode zur Messung von dreidimensionalen Verformungsfeldern und Oberflächenprozessen, d.h. Änderungen in der Mikrostruktur der Oberfläche, präsentiert. Das Verfahren beruht auf einer detaillierten Analyse von Änderungen im gestreuten Specklefeld einer mit Laserlicht beleuchteten rauen Oberfläche mittels digitaler Bildverarbeitung. Der extrem einfache und robuste optische Aufbau ist gut für Anwendungen in rauer Umgebung außerhalb des Labors geeignet, z.B. in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (NDT). Im ersten Teil der Arbeit wird ein neues Verfahren zur Bestimmung des vollständigen Verformungsfeldes - insbesondere der bisher nicht zugänglichen out-of-plane Komponente - entwickelt. Die Messung basiert auf einer Analyse der spektralen Abhängigkeit der durch lokale Verkippung hervorgerufenen Dekorrelation. Die Messgenauigkeit liegt im Bereich 1/10 Wellenlänge und ist mit interferometrischen Verfahren (z. B. ESPI) vergleichbar. Im zweiten Teil werden verschiedene Theorien zur Lichtstreuung an rauen Oberflächen (u.a. Störungstheorie, Kirchhoff Näherung, 2-Skalen Modell) weiterentwickelt, um die Korrelation der gestreuten Specklefelder durch Parameter der Mikrostrukturänderung zu beschreiben. Die theoretischen Zusammenhänge werden durch Vergleichsmessungen mit hochauflösender Rasterkraftmikroskopie (SFM) und durch Korrelationsmessungen mit variierenden Parametern experimentell verifiziert. Die Ergebnisse erlauben erstmals eine quantitative Beobachtung von Oberflächenprozessen mit einem berührungslosen optischen Verfahren.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	[Keine Schlagwörter von Autor/in vergeben.]
Controlled Keywords:	Verformungsfelder, Oberflächenprozesse
Subjects:	Science and mathematics > Physics
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science > Institute of Physics (IfP)
Date Deposited:	17 Jan 2013 14:15
Last Modified:	09 Dec 2013 08:25
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/219
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-2491
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