CS198139B2 - Holographic device - Google Patents

Description

Vynález se týká holografického zařízení pro zjištění nepravidelných deformací zkoušením materiálů bez porušení.

Nepravidelnými deformacemi se rozumějí takové deformace, které nepředstavují stejnoměrnou změnu polohy všech bodů povrchu měřeného předmětu, nýbrž pouze změnu polohy jednotlivých bodů nebo oblastí tohoto povrchu. Příkladem rovnoměrné deformace je zvětšení objemu tělesa, například kovového předmětu, vzniklé tepelným roztažením, kdežto nerovnoměrná deformace je taková deformace, která je vyvolána na omezeném jednotlivém místě takového kovového předmětu, například vadou vzniklou litím nebo lunkrem.

V ohledu ekonomickém je velký zájem, aby při zkoušení materiálů nebo při výstupní kontrole hotových průmyslových výrobků byly zjištěny takové nepravidelné deformace, které vznikají za určitých podmínek, jako například při zahřátí, aniž by byl předmět přitom poškozen nebo zničen, jak je to u dosavadních zkoušecích postupů nevyhnutelné, čímž se ve značném rozsahu ničí také celkem bezvadné obrobky nebo výrobky.

Je známo používat k takovému zkoušení bei porušení postupy biografické interíerometrie. Přitom se sejme hologram pred2 metu v jeho nezměněném výchozím stavu a tento hologram se srovná za superposice s hologramem, který byl ze stejného předmětu sejmut ve stejném postavení, ale ve stavu způsobujícím změnu jeho povrchu. Přitom se dostane interferenční obrazec, na kterém lze zjistit a změřit změnu a zejména nepravidelné změny. V západoněmeckém zveřejňovacím spise č. 1 906 511 je popsán postup a uspořádání, které slouží ke zkoušení pneumatik na skryté závady. Přitom se sejme hologram z nahuštěné pneumatiky krátce po nahuštění a potom nějaký čas později a tyto hologramy se srovnají vzájemnou superposicí.

Ze získaného interferenčního obrazce lze zviditelnit závady ve struktuře pneumatiky, které se projevují v podobě jinak neviditelných vyklenutí. Možnost měřit změny tvaru trojrozměrných předmětů holografickou interferometru byla poprvé popsána Hildebrantem a Hainesem v časopisu Optics 5 (1966, str. 172, 173, 595—602).

Tam je navrženo, aby za pomoci interferometrického, s koherentním světlem pracujícího měřicího zařízení byly měřeny změny tvaru trojrozměrných předmětů, vyvolané tepelným protažením, nabráním vlhkosti nebo zatížením tlakem. Přitom se hologram předmětu v jeho původním stavu překládá přes jeho hologram ve změněném stavu, přičemž známým způsobem' vzniknou proužkovité interferenční obrazce, jejichž poloha a ' vzdálenost připouštějí měření polohy a kvantitativního rozsahu tvarových _ změn.

U těchto známých postupů však velice ruší, že interferenční čáry jsou vyvolávány jak pravidelnou deformací, tak i nepravidelnou deformací a mohou být většinou jen obtížně přiřazovány. To znamená, že hledané vadné místo nebo zdroj závad lze na - základě takových interferenčních obrazců jen . identifikovat a změřit.

Vynález vychází proto z úlohy vytvořit takové holografické zařízení pro zjištění nepravidelných deformací zkoušením materiálů bez porušení, které by umožnilo potlačit interferenční čáry vyvolané pravidelnou deformací, takže v interferenčním obrazci by byly vidět v podstatě pouze ony čáry, které jsou přiřazeny - - nepravidelné - de- formaci.

Daná úloha je podle vynálezu rozřešena tím, že holografické zařízení obsahuje rotační těleso, obklopující zkoumaný předmět _ anebo tímto předmětem¹ - - obklopené, - - s pozrcadleným povrchem odpovídajícím zkoumanému předmětu pro odraz světelných paprsků, dopadajících z virtuálního -světelného zdroje na předmět, od něhož odražené se protínají v pozorovacím· bodě, - - přičemž virtuální body odrazu těchto paprsků leží na elipsoidu, jehož ohniska splývají s virtuálním světelným zdrojem a s pozorovacím bodem. Doplňujícím znakem je to, že předmět je umístěn na středové kolmici na spojovací čáru mezi světelným zdrojem a pozorovacím bodem.

Podle výhodného provedení vynálezu, je rotační těleso kuželovité.

Holografické zařízení uspořádané podle vynálezu může být s úspěchem používáno pro zkoušení materiálů bez porušení, například v sériové výrobě, - neškoleným personálem za pomoci - pevně postavených zařízení. Jelikož - - je k dispozici velký předmětný prostor, lze použít téměř libovolných způsobů vytváření povrchové deformace, například použít tepla nebo změny tlakových poměrů - mezi předmětem- a okolním prostředím, a vyšetřovat také předměty - větších rozměrů.

Příklad provedení vynálezu je znázorněn na výkresech a- bude v souvislosti s nimi popsán, kde znázorňuje obr. 1 schematicky holografické - uspořádání, přičemž předmět je reprodukován v šikmém průmětu I a obr. 2 - dráhu paprsků na předmětu.

Světelný paprsek, vystupující z laseru 1, například z hélioneónového laseru, a mající vlnovou délku 632,8 nm, prochází fotozávěrkou 2 a - štěpí se pak v děliči 3 paprsků na - předmětný paprsek a a na referenční paprsek b. Předmětný paprsek a se po rozšíření objektivem 4 , odchyluje na zrcadle 5 a osvětluje - předmět 7 přes konvexní zrcadlo 6.

Světlo, rozptýleně odrážené od předmětu a představované vybraným pozorovacím paprskem a‘, dostává se k fotosensitivní vrstvě 8 na - desce 9. Referenční paprsek b se odchyluje na zrcadle 10 a je soustavou čoček 11, 12 rozšiřován buď do paralelního, nebo - do rozbíhavého svazku. Po odchýlení na zrcadle 13 osvtěluje přímo fotosensitivní vrstvu 8. Na - této fotosensitivní vrstvě 8 se zaznamená interferenční pole, které je vytvářeno referenčním paprskem b a světlem přicházejícím rozptýleně od předmětu 7. Osvětlování fotosensitivní vrstvy 8 se časově řídí - fotozávěrkou 2. Fotosensitivní vrstva má vysokou rozlišovací schopnost, - více než 1000 čar na 1 mm. Na obraze ve fotosensitivní vrstvě 8 fixovaném je optická informace, vycházející z předmětu 7, uložena jako- interferenční pole, to znamená jako hologram předmětu 7.

.......Osvětlí-li --se tento hologram - jen referenčním paprskem b, může být virtuální obraz předmětu 7, který vzniká ohybem referenčního paprsku b na interferenčním poli, pozorován na svém - - původním místě.

Na- - průsečíku-, dráhy předmětného paprsku a, odchýleného konvexním zrcadlem 6, po prodloužení této - dráhy směrem nazad, je virtuální světelný - zdroj - 14. Za deskou 9 je pozorovací bod 15. Osa úhlu mezi předmětným - paprskem a a vybraným pozorovacím paprskem a.⁴ určuje polohu - předmětu 7. U znázorněného příkladu provedení splývá uvedená osa úhlu v středové kolmici 16 na spojnici 17 mezi virtuálním světelným zdrojem 14 a pozorovacím bodem 15. Předmět 7 leží pak ve vrcholu soustavy elipsoidů 18, v jejichž ohnisku je virtuální světelný zdroj 14 a pozorovací bod 15, a - které jsou geometrickým místem pro stejně dlouhé dráhy od virtuálního světelného zdroje 14 k - předmětnému bodu 19 na povrchu předmětu 7 a k pozorovacímu bodu 15. Na místě předmětného bodu 19 je v případě znázorněném v obr. 1 virtuální předmětný bod 19⁴. Dráha předmětného paprsku a od laseru 1, popřípadě od virtuálního světelného zdroje 14 k předmětnému bodu 19, popřípadě k. virtuálnímu předmětnému bodu 19‘, a - jeho difusní odraz jako - vybraný pozorovací paprsek a‘ k pozorovacímu bodu - 15 opisují shora uvedenou dráhu.

Kolem předmětu 7, který v tomto případě je válcovitým tělesem, ležícím svou osou ve středové kolmici 16, je souose upraven otevřený přímý dutý komolý kužel 20, uvnitř pozrcadlený, jehož základna je obrácena k virtuálnímu světelnéjnu zdroji 14 a k pozorovacímu bodu 15.

Z obr. 1 vyplývá, že předmětné paprsky a, dopadající ve směru od virtuálního světelného zdroje 14, urazí na své cestě od konvexního zrcadla 6 k pozorovacímu bodu bodu 15 přes vnitřní stěnu dutého komolého kužele 20 a povrch předmětu 7 stejnou dráhu, přičemž jsou mezi uvedenými členy dvakrát odráženy.

Obr. 2 znázorňuje dutý komolý kužel 20 v osovém řezu s předmětem 7 v něm upraveným. Jsou znázorněny dva dílčí paprsky ai, Ά2 předmětného svazku paprsku a, jak vycházejí z virtuálního světelného zdroje 14, dopadají na pozrcadlenou vnitřní plochu komolého kužele 20, od ní jsou odchylovány na předmětné body 21 a 22 na povrchu předmětu 7 a od něho jsou opět odráženy jako difusní světlo, v tomto případě znázorněné jako paprsky аз, ад. Tyto paprsky аз, ai náležejí к paprskům vybraným okem pozorovatele, které je v pozorovacím bodu 15. Virtuální předmětné body 2Г, 22‘ paprsků a.i, аг leží na stejném elipsoidu 23, jehož ohnisky jsou virtuální světelný zdroj 14 a pozorovací bod 15. Urazí tedy stejnou dráhu od virtuálního světelného zdroje 14 přes předmětné body 21, popř. 2Г к pozorovacímu bodu 15 a od virtuálního světelného zdroje 14 pres předmětný bod 22, popř. virtuální předmětný bod 22‘ к pozorovacímu bodu 15.

Plochy, pro které je optická dráha světelného paprsku od virtuálního světelného zdroje 14 přes předmětný bod 21 nebo 22 až к pozorovacímu bodu 15 konstantní, jsou tím přizpůsobeny vyšetřované ploše předmětu 7, popřípadě při rovnoměrné válcové deformaci také změně tvaru vyšetřované plochy předmětu 7.

Jestliže se však nějaký povrchový bod předmětu 7 nepravidelně posune, s výjimkou případu, kdy toto posunutí nastane u• vnitř povrchu předmětu 7, dojde ke změně optické dráhy od virtuálního světelného zdroje 14 přes tento bod předmětu 7 к pozorovacímu bodu 15 a tato změna se liší od pravidelné změny optické dráhy. Dochází pak к interferenci mezi hologramem nezměněného stavu a mezi hologramem změněného stavu a tato interference se vyjádří příslušnými interferenčními čarami, přičemž jen tyto čáry se objeví v interferenčním obrazci. Jsou tedy v hologramu viditelné také

Claims (2)

1. PŘEDMĚT nepravidelné změny předmětu 7 bez pravidelných interferenčních čar, které se jinak objeví při vynechání kuželového zrcadla 20 a které by rušily interferenční čáry ukazující částečnou nepravidelnou změnu předmětu 7. Je tedy bez obtíží možné rozeznat nepravidelnou změnou polohy bodů nebo skupin bodů, v povrchu předmětu 7 a rovněž je změřit.

   Normální deformace předmětu 7, tj. deformace, které rovnoměrně zasahují celý jeho povrch, jak tomu například je při tepelném roztažení předmětu 7 nebo při změně jeho objemu v důsledku změn tlakových poměrů v jeho okolí, nevedou к porušení záznamu zvláštní změny polohy jednotlivých bodů nebo malých oblastí v povrchu předmětu 7 na interferenčním obrazci, jelikož celková změna tvaru vyvolává takovou polohu všech povrchových bodů, pro kterou je změna optické dráhy od světelného zdroje 14 přes bod povrchu к pozorovacímu bodu 15 buď stejná, nebo téměř stejná, takže buď nevznikají žádné, nebo vznikají jen nečetné interferenční čáry.

   Předmětem 7 může být například válec z kovové slitiny, který má být zkoušen na skryté vady lití. Jeho hologram se nejdříve zachytí ve studeném stavu při osvětlení fotosensitivní vrstvy 8 předmětným paprskem a a referenčním paprskem b. Potom se předmět 7 zahřeje vedením nebo vyzářením tepla. Interferenční obrazec potom sejmutého hologramu ve fotosensitivní vrstvě 8 ve spojení s hologramem sejmutým ve výchozím stavu předmětu 7 neukáže při nepřítomnosti vad žádné interferenční čáry nebo jich ukáže pouze nepatrný počet. Naproti tomu závady vzniklé odléváním se co do polohy i rozsahu zřetelně projeví ve zvýšeném počtu interferenčních čar.

   Změna tvaru může být dále vyvolána změnou mechanického zatížení předmětu 7 nebo jeho rozkmitáním nebo tečením materiálu předmětu 7.

   VYNÁLEZU

   1. Holografické zařízení pro zjištění nepravidelných deformací zkoušením materiálů bez porušení, vyznačující se tím, že obsahuje rotační těleso (20), obklopující zkoumaný předmět (7) anebo tímto předmětem obklopené, s pozrcadleným povrchem odpovídajícím zkoumanému předmětu (7) pro odraz světelných paprsků (a, a‘, ai, аг, аз, ad), dopadajících z virtuálního světelného zdroje (14) na předmět (7), od něhož odražené se protínají v pozorovacím bodě (15), přičemž virtuální body (19‘, 2Г, 22') odrazu těchto paprsků leží na elipsoidu (18, 23), jehož ohniska splývají s virtuálním světelným zdrojem (14) a s pozorovacím bodem (15), umístěnými tak, že předmět (7) je umístěn na středové kolmici (16) na spojovací čáru (17) mezi světelným zdrojem (14) a pozorovacím bodem (15).
2. 2. Holografické zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že rotační těleso (20) je kuželovité.