DE2228082C3 - Einrichtung zur Analyse des intensitätsmässig aufgezeichneten Interferenzmusters eines schwingenden, mit kohärentem Licht beleuchteten Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Analyse des intensitätsmäßig aufgezeichneten Interferenzmusters eines schwingenden, mit kohärentem Licht beleuchteten, das Interferenzmuster durch diffuse Reflexion des kohärenten Lichtes in einer Ebene vor seiner Oberfläche erzeugenden Objektes.

Derartige Interferenzmuster werden nach einer von G. A. Massey entwickelten Methode (NASA CR-985) dadurch erhalten, daß ein photographisches Aufnahmesystem auf einer Ebene zwischen dem Aufnahmesystem und den schwingenden, kohärent beleuchteten Objekt eingestellt wird. Die photographische Aufnahme zeigt dann das schwingende Objekt mit einer körnigen Struktur überzogen, welche an Orten maximaler Rotation der Oberfläche, also an den Knotenlinien, verwischt erscheint, an Orten ohne Rotation, also Schwingungsbäuchen und Sattelpunkten, aber in einer Struktur wie beim ruhenden Objekt. Damit ist es möglich, von schwingenden Objekten, genauer gesagt: den Oberflächen derselben, berührungslos und ohne besondere Anforderungen an die Aufstellung und Geometrie des Objektes Bilder zu erhalten, die den Schwingungszustand des Objektes unmittelbar angeben. Ein klassisches Analogen zu der beschriebenen Methode sind die Chladni-Sandfiguren, die jedoch ebene Flächen, horizontale Aufstellung und Beschichtung des Objektes mit Sand erfordern, was nicht immer möglich ist. Eine der von Massey angegebenen ähnliche Methode wird von Fernelius und Tome beschrieben (JOSA 61 No. 5 (May 1971)566 ff).

Ein erheblicher Nachteil der von Massey angegebenen Methode beruht nun aber darin, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, Schwingungsbäuche von Sattelpunkten zu unterscheiden, da beide in dem Bild des Interferenzmusters gleichermaßen in einer ungestörten Kornstruktur erscheinen. Dies wird z. B. in JOSA 61 No.5(May 1971) 564, Figur 10 demonstriert.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der im Interferenzmuster gleichartig struktuiert erscheinende Schwingungsbäuche und Sattelpunkte unterscheidbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß aufgrund der Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.

Dadurch wird die Struktur der in dem Bild des zu analysierenden Interferenzmusters auftretenden Körner so beeinflußt, daß Aussagen über den Gradienten der Amplitudenverteilung oder den Verlauf der Isoamplitudenlinien möglich werden, und Schwingungsbäuche und Sattelpunkte voneinander unterschieden werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von

Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 eine (bekannte) Einrichtung zur photographischen Aufnahme eines interferenzmusters eines schwingenden Objektes nach Massey,

F i g. 2 eine erste Ausführungsform ?iner Einrichtung zur Analyse des intensitätsmäßig aufgezeichneten Interferenzmusters eines schwingenden, mit kohärentem Licht beleuchteten Objekts,

Fig.3 eine zweite Ausführungsform einer solchen Einrichtung,

Fig.4 eine Ausführungsform der Einrichtung mit einem geraden Spalt als Raumfrequenzfilter, angewandt auf das Interferenzmuster eines Sattelpunktes des schwingenden Objektes,

Fig.5 eine Ausführungsform der Einrichtung mit einem geraden Spalt als Raumfrequenzfilter, angewandt auf das Interferenzmuster eines Schwingungsbauches,

F i g. 6 ein als Ringspalt ausgebildetes Raumfrequenzfilter, und

F i g. 7 das Bild eines nach Massey aufgenommenen Interferenzmusters eines schwingenden Objektes mit einem Sattelpunkt und einem Schwingungsbauch nach Filterung mit dem Ringspalt nach F i g. 6.

Gemäß F i g. 1 wird ein auf seinen Schwingungszu· stand zu untersuchendes schwingendes Objekt 12 mit dem Licht eines Lasers 10 beleuchtet Zur Aufweitung des Laserstrahles ist eine Divergenzlinse 11 vorgesehen. Eine photographische {Camera 14 ist auf eine Ebene 13 scharf eingestellt, die sich vor dem Objekt 12 befindet In dieser Ebene 13 bildet sich durch Interferenz des von der Oberfläche des Objektes 22 diffus gestreuten Lichtes ein Muster aus, das als Interferenzmuster 4 mittels einer photographischen Platte in der Kamera 14 intensitätsmäßig aufgezeichnet wird. Wenn das Objekt 12 schwingt, ergibt sich z. B. ein Muster, wie es in JOSA 61 No. 5 (May 1971) Seite 564, Figur 10(c) dargestellt ist

Gemäß der Erfindung sollen die in dem Muster gleichartig strukturiert erscheinenden Schwingungsbäuehe und Sattelpunkte voneinander unterschieden werden können. Das geschieht z. B. mittels einer Einrichtung wie in F i g. 2:

In F i g. 2 ist die das gemäß F i g. 1 aufgezeichnete Interferenzmuster 4 tragende photographische Platte im parallelen Licht eines Lasers oder einer anderen, punktförmigen Lichtquelle im Abstand f\ von einer Linse 1 angeordnet. f\ ist die Brennweite der Linse 1. Die Linse 1 erzeugt von dem zu analysierenden Interferenzmuster 4 in der bildseitigen Brennebene des Abstandes /1 das räumliche Fourier-Spektrum. Die bildseitige Brennebene der Linse 1 ist also die Fourier-Ebene (vgl. hierzu z. B. »LASER + Elektro-Optik«, Aarau, Februar 1972, 4. Jahrgang, Seite 39 ff oder: SEV Bull. 63 (1972) No. 4, Seite 185-191, oder: Proc. IEEE 59 No. 9 (1971) Seite 1292—1304). In dieser Fourier-Ebene ist das Raumfrequenzfilter 3 angeordnet. Das Raumfrequenzfilter 3 entfernt aus dem Spektrum bestimmte Raumfrequenzen derart, daß die Kornstruktur im Bild des Interferenzmusters nicht mehr wie in der Figur 10(c) der angegebenen Literat rsuüe in JOSA erscheint, sondern in noch zu erläuternder Weise in Richtungen verläuft, die eine Unterscheidung von Schwingungsbäuchen und Sattelpunkten ermöglichen. Eine Linse 2, deren Brennebene des Abstandes h am Ort des Raumfrequenzfilters 3 liegt, besorgt die Abbildung des (räumlich gefilterten) Interferenzmusters 4 auf die Beobachtungsfläche 5, beispielsweise einen Schirm. Die optische Achse des Systems ist mit 6 bezeichnet

Das anhand von F i g. 2 geschilderte optische System kann aber auch wie in F i g. 3 ausgebildet sein:

In dieser Anordnung befindet sich die, wiederum punktförmige. Lichtquelle 8 im Abstand g\ außerhalb der Brennweite vor der Linse 1, so daß das Bild der Lichtquelle 8 im Abstand b\ außerhalb der Brennweite hinter der Linse 1 entworfen wird. Die Ebene des Abstandes b\ ist dann die Fourier-Ebene. Das Interferenzmuster 4*. 4·· wird derart hinter der Linse 1 angeordnet, daß es vollständig innerhalb des Lichtkegels liegt, der aus der Linse 1 austritt, aber dennoch nicht wesentlich kleiner ist als derselbe. Weist z. B. die Linse einen Durchmesser von 160 mm auf und ist b\ gleich 800 mm, so wird ein Interferenzmuster, das auf 9 χ 12 cm Film aufgenommen wurde (4*) in einem Abstand von 50 mm von der Linse 1 angeordnet, während ein Interferenzmuster, das auf Kleinbildfilm aufgenommen wurde (4··) und die Dimensionen 24 χ 36 mm aufweist, in einem Abstand von 580 mm von der Linse 1 angeordnet wird. Auf diese Art erhält man eine optimale Ausnützung des zur Verfügung stehenden Lichtes. Das Raumfrequenzfilter 3 ist in der oben definierten Fourier-Ebene angeordnet. Die Abbildung des (räumlich gefilterten) Interferenzmusters 4 wird durch die Linse 2 besorgt, die zum Ort des Interferenzmusters 4 den Abstand gi hat der größer ist als die Brennweite der Linse 2. Die scharfe Abbildung entsteht dann auf der Beobachtungsfläche 5 im Abstand bi von der Linse 2.

Statt wie in F i g. 2 und 3 zwei Linsen zu verwenden, können selbstverständlich auch mehrere Linsen verwendet werden, wenn nur von dem Interferenzmuster ein räumliches Fourier-Spektrum in der Fourier-Ebene erzeugt wird und dort ein Raumfrequenzfilter vorgesehen ist, so daß eine Abbildung des räumlich gefilterten Interferenzmusters 4 erzeugbar ist

Die Unterscheidung von Schwingungsbäuchen und Sattelpunkten im Interferenzmuster 4 mit Einrichtungen wie in Fig.2 und 3 geschieht nun dadurch, daß das Raumfrequenzfilter 3 als symmetrisch zur optischen Achse 6 verlaufender Spalt 7 oder T ausgebildet ist, und im Bild der Lichtquelle ein Lichtstop 9 oder 9' in Form eines lichtundurchlässigen Scheibchens vorgesehen ist. Der Lichtstop 9 oder 9' unterdrückt die tiefen Raumfrequenzen, also den für die Kornstruktur des Interferenzmusters 4 aussagegehaltlosen Lichtuntergrund.

Die Ausbildung des Spaltes kann entweder so erfolgen, daß er beidseits von parallelen, senkrecht und symmetrisch zur optischen Achse 6 verlaufenden Geraden begrenzt ist (7 in F i g. 4,5), oder daß er sich als Ringspalt T (F i g. 6) darstellt.

Die Funktion und Betriebsweise des geraden Spaltes 7 wird anhand der F i g. 4 und 5 erläutert:

In F i g. 4a) und 5a) ist das mit einer Einrichtung wie in F i g. 1 intensitätsmäßig aufgezeichnete Interferenzmuster eines schwingenden Objektes 12 skizziert, das die Schwingungsbäuche 15, 16, 17, 18 bzw. 25 und den Sattelpunkt 24 aufzeigt. Zwischen den genannten Orten liegen Knotenlinien 19 und 20.

Die angedeutete Kornstruktur des Objektes 12 weist Vorzugsrichtungen in Abhängigkeit von der Lage der Schwingungsbäuche, Sattelpunkte und Knotenlinien auf, etwa wie in Fig.4a) und 5a) skizziert Das Bild im Bereich eines Schwingungsbauches (25 in F i g. 5a)) sieht demnach der Struktur von Eisenfeilspänen bei einem magnetischen Pol ähnlich, während das Gebiet des

Sattelpunktes (24 in Fig.4a)) der entsprechenden Struktur zwischen zwei gleichnamigen Polen gleicht. Jedoch sind diese Vorzugsrichtungen der Kornstruktur in der unmittelbaren Betrachtung nicht erkennbar.

Erst durch die räumliche Filterung mit einem Spalt 7 und Lichtstopp 9 gemäß F i g. 4b), c) und d) bzw. 5b) und c) werden die Vorzugsrichtungen der Kornstruktur erkennbar, da von der Struktur nur diejenigen Partien in die Abbildung übertragen werden, die senkrecht zu dem Spalt verlaufen (vgl. z. B. J. W. Goodman: Interoduction to Fourier Optics, Mc Graw-Hill (San Francisco), S. 141 bis 146 oder Bergman-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, 2. Auflage, Seite 306, Abbildung 326).

Um die Vorzugsrichtungen in der Praxis schnell zu erkennen, bzw. in einem mit einer Einrichtung gemäß F i g. 1 aufgezeichneten Interferenzmuster 4 schnell Schwingungsbäuche und Sattelpunkte unterscheiden zu können, wird der Spalt 7 mit Lichtstopp 9 in der Fourier-Ebene rotiert:

1st der betrachtete Bereich des Interferenzmusters 4 ein Sattelpunkt, so bildet sich die Kornstruktur etwa wie in den F i g. 4b), 4c) und 4d) ab, insbesondere verläuft die abgebildete Vorzugsrichtung der Kornstruktur parallel zur Längsrichtung des Spalts 7.

Ist der betrachtete Bereich des Interferenzmusters 4 aber ein Schwingungsbauch, so bildet sich die Kornstruktur etwa wie in den F i g. 5b) und c) ab, insbesondere verläuft die abgebildete Vorzugsrichtung der Kornstruktur nun senkrecht zur Längsrichtung des Spaltes 7.

Wenn man in die Fourier-Ebene einen Ringspalt 10, wie in Fig.6 dargestellt, setzt, so verlaufen die Vorzugsrichtungen der abgebildeten Kornstruktur parallel zu den Isoamplitudenlinien. Solche Isoamplitudenlinien im Bereich eines Schwingungsbauches 21, einer Knotenlinie 22 und eines Sattelpunktes 23 sind in F i g. 7a) dargestellt. Die sich bei Abbildung mit einer Einrichtung nach F i g. 2 oder 3 eines mit einer Einrichtung nach F i g. 1 aufgezeichneten Interferenzmusters 4 und Filterung mit einer Ringblende nach Fig.6 ergebende Kornstruktur ist in Fig.7b) dargestellt. Wie ersichtlich, ist der Schwingungszustand des zu untersuchenden Objektes jetzt unmittelbar erkenntlich, und der Sattelpunkt 23 ist vom Schwingungsbauch 21 klar unterscheidbar.

Als Beispiel für die Dimensionierung der für die Erfindung aufzubauenden optischen Anordnungen seien

ι ο noch folgende Angaben gemacht:

Wenn in F i g. 1 das zu untersuchende Objekt 12 einen Durchmesser von etwa 1 m hat, so kann man mit einer Kamera der Brennweite 50 mm und der Apertur 1 :20 bei voller Auslichtung eines Kleinbildfilmformates z. B.

auf eine Ebene 13 einstellen, die etwa 20 cm vor dem Objekt 12 liegt. Der mittlere Korndurchmesser der Kornstruktur des aufgezeichneten Interferenzmusters 4 beträgt dann etwa $ = 1,22 χ λ χ 20 + 20 μηι (der Korndurchmesser ist gleich dem Auflösungsvermögen der Aufzeichnungsoptik).

Beträgt die Bildweite b\ der F i g. 3 z. B. 300 mm, und die Korngröße s » 20 μπι, so ergibt sich in der Fourier Ebene ein Lichtfleck etwa des Durchmessers 17 mm.
Zur räumlichen Filterung dieses Lichtflecks wird ein

gerader Spalt gemäß F i g. 4,5 verwendet, dessen Breite etwa Vio des Lichtfleckdurchmessers, also etwa 2 mm beträgt. Die Höhe und Breite des Lichtstopps 9 ist gleich der Spaltbreite.

Wird der Ringspalt nach F i g. 6 verwendet, so beträgt

dessen Abstand vom Zentrum etwa 'Λ des Lichtfleckdurchmessers, also etwa 9 mm, und die Spaltbreite wiederum Vi₀ des Lichtfleckdurchmessers, also etwa 2 mm.
Die Einrichtung nach der Erfindung wird mit großem

Erfolg beispielsweise bei Schwingungsuntersuchungen großer Gegenstände wie Transformator- und Drosselgehäusen, elektrischen Maschinen, Turbinen und Turbinenschaufeln und dgl. eingesetzt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Analyse des intensitätsmäßig aufgezeichneten Interferenzmusters eines schwingenden, mit kohärentem Licht beleuchteten, das Interferenzmuster durch diffuse Reflexion des kohärenten Lichtes in einer Ebene vor seiner Oberfläche erzeugenden Objektes, dadurch gekennzeichnet, daB die Einrichtung in einem optischen System (1,2) besteht, in welchem von dem , zu analysierenden Interferenzmuster (4,4*, 4*·) das räumliche Fourier-Spektrum entworfen wird, in der Fourier-Ebene ein Raumfrequenzfilter (3) angeordnet ist, und von dem Interferenzmuster (4, 4*, 4") nach der räumlichen Filterung auf einer Beobachtungsfläche (5) eine Abbildung erzeugt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumfrequenzfilter (3) einen symmetrisch zur optischen Achse (6) des optischen Systems (1,2) verlaufenden Spalt (7, T) aufweist, und am Ort des Bildes der das aufgezeichnete Interferenzmuster (4, 4·, 4**) beleuchtenden kohärenten Lichtquelle (8) ein Lichtstopp (9,9') vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (7) beidseits durch parallel, senkrecht und symmetrisch zur optischen Achse (6) verlaufende Gerade begrenzt ist, und der Lichtstopp

(9) auf der optischen Achse (6) liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (7') aus einer konzentrisch zur optischen Achse (6) angeordneten Ringblende

(10) besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zwei koaxial und konfokal angeordnete Linsen (1,2) umfaßt, und das aufgezeichnete Interferenzmuster (4) in oder vor der objektseitigen Brennebene (f\) der ersten (1), der Spalt (7, 7') in der gemeinsamen Brennebene (Zi/Z₂) der beiden (1, 2) und die Beobachtungsfläche (5) in der bildseitigen Brennebene (7₂) der zweiten (2) Linse(n) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zwei koaxial hintereinander angeordnete Linsen (1, 2) umfaßt, wobei die das aufgezeichnete Interferenzmuster (4*, 4·*) beleuchtende Lichtquelle (8) objektseitig außerhalb der Brennweite und der Spalt (7,7') in der durch den Ort des von der ersten Linse (1) erzeugten Bildes der Lichtquelle (8) gegebenen Ebene (b\) angeordnet sind, und das Interferenzmuster (4*, 4·*) innerhalb und die zweite Linse (2) außerhalb des Abstandes (b\) des Bildes der Lichtquelle (8) von der ersten Linse (1) derart angeordnet ist, daß sich auf der dem Spalt (7, 7') abgewandten Seite der zweiten Linse (2) auf der Beobachtungsfläche (5) ein lichtstarkes und scharfes Bild des räumlich gefilterten Interferenzmusters (4*, 4··) ergibt.

7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes (7, T) etwa Vi₀ des Durchmessers des Lichtflecks beträgt, der sich für das Interferenzmuster (4) in der Fourier-Ebene ergibt.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmig verlaufende Spalt (7') vom Zentrum einen Abstand hat, der etwa gleich V₂ des Durchmessers des Lichtflecks in der Fourier-Ebene ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Interferenzmusters (4*) von der ersten Linse (1) kleiner ist als etwa ¹Ao der Abstände der Lichtquelle (8) oder des Bildes der Lichtquelle von der ersten Linse (1).

10. Einrichtung nach Anspruch 3 zwecks Untersuchung des Schwingungszustandes des schwingenden Objektes auf die örtliche Verteilung der Schwingungsbäuche und Sattelpunkte, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (7) in der Fourier-Ebene drehbar ist.