DE2312203A1

DE2312203A1 - Einrichtung zur auswertung holographischer interferogramme

Info

Publication number: DE2312203A1
Application number: DE19732312203
Authority: DE
Inventors: Rene Dr Phil Daendliker; Francois Dr Phil Mottier
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1973-03-12
Publication date: 1974-08-22
Also published as: GB1432893A; NL7401913A; AT341248B; FR2217708A1; FR2217708B3; ATA986673A; JPS5041568A; CH556018A

Description

19/73 Lü/er

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Einrichtung zur Auswertung holographischer .Interferograinme

Die Erfindung betrifft eine-Einrichtung zur Auswertung holographischer Interferogramme, wobei mindestens der erste der zu vergleichenden Objektzustände holographisch bei einer Frequenz Co der Beleuchtungs- und-der Referenzwelle auf einem Hologramm gespeichert ist, und die zwecks Erzeugung des Interferogrammes zu überlagernden Wellenfelder der zu vergleichenden Objektzustände voneinander unabhängig erzeugbar sind.

Eine derartige Einrichtung ist z.B.-aus J. Appl. Phys. 3^ C1968) S. "4 846 - 4847, Opto-Electronics 4^, S. 349 - 357 C1972), oder aus DT-AS 1 912 162 bekannt. ·

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Mit dieser bekannten Einrichtung können die für die Erzeugung des Interferogrammes zu überlagernden Wellenfelder auch, bei der Rekonstruktion noch manipuliert werden, wodurch das Interferogramm" in seine für die jeweilige Aus wertungsart vorteilhafteste Weise gebracht werden kann.

Demgegenüber sind bei den holographischen Interferogrammen, bei welchen die für die Erzeugung des Interferogrammes zu überlagernden Wellenfelder nicht voneinander unabhängig erzeugbar sind Cz.B. "Feinwerktechnik" Ί± C1971) 12, S. 477 483), die rekonstruierten zu vergleichenden Objektzustände untrennbar miteinander verbunden, und das Interferogramm ist bei der Rekonstruktion nicht mehr veränderbar.

Bei allen bekannten Einrichtungen der genannten Art ist jedoch bisher noch nicht das Problem gelöst, wie die bei der Rekonstruktion entstehenden Interferenzstreifen, die ja ein Mass für die Deformation der Oberfläche des Objektes im zweiten Zustand gegenüber dem ersten Zustand sind, mit guter Genauigkeit ausgewertet werden können.

Vielmehr ist bisher nur bekannt, die Ihterfererizstreifenmuster durch Auszählen der Streifen aus-zuwerten. Segeberienfalls kann darüber hinaus dann noch zwischen zwei Streifen durch, sorgfältiges Ausmessen der Intensität interpoliert werden.

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Solche Äuswertungsmethoden sind aber ganz offensichtlich in hohem Masse ungenau. Insbesondere können sie auch dort nicht mit-gutem Erfolg eingesetzt werden, wo die ersten
oder zweiten Ableitungen der Objektdeformationen als
Funktion des Ortes verlangt sind, was in der Elastomechanik der· Fall ist (vgl. z.B. Joos, Lehrbuch der Theoretischen Physik, 9. Auflage, S. IW ff.).

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass das bei
der Ueberlagerung der zu den zu vergleichenden Objektzuständen gehörenden Wellenfelder entstehende Interferenzmuster schnell und zuverlässig bei gleichzeitig hoher
Genauigkeit ausgewertet werden kann. Insbesondere sollen auch die erste und die zweite Ableitung der Objektdeformationen nach den Ortskoordinaten schnell, einfach und
genau ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die zu überlagernden Wellenfelder bei der Ueberlagerung
mit voneinander verschiedenen optischen Frequenzen U) und u>, erzeugt werden, deren Differenzfrequenz -Ω- von optoelektronischen Detektoren verarbeitet werden kann, und das
geometrisch-optisch erzeugte Bild der überlagerten Wellen-

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felder mit einem optoelektronischen Detektor abgetastet wird, der auch die Phase des Eingangs-Wechselsignales in Abhängigkeit vom-Ort der Detektion misst.

Bei einer derart ausgebildeten Einrichtung schwingt die Streifenintensität des Interferenzmusters an einem bestimmten Ort der Bildebene mit einer Frequenz, die gleich der Differenzbzw. SchwebungsfrequenzJfl der Frequenzen U) , und ix)„ ist. Am Eingang des optoelektronischen Detektors entsteht daher ein Wechselsignal, das elektronisch verarbeitet werden kann. Entscheidend ist nun, dass die Phase dieses Wechselsignals gegenüber dem Wechselsignal an einem anderen Ort _rder Bildebene direkt proportional ist dem Unterschied der Objektauslenkung zwischen den beiden Orten. Deshalb können durch Detektion der Wechselsignale in der Bildebene und Bestimmung von deren Phasen in einfacher Weise die Objektdeformationen gemessen werden, ggfs. auch deren erste und höhere-Ableitungen.

"Optische" Frequenzen im Sinne der Erfindung sind Frequenzen oberhalb etwa 6· 10¹² Hz cX i»50 ja). Damit die Differenzfrequenz SL von opto-elektronischen Detektoren verarbeitet werden kann, soll sie kleiner sein als etwa 1 GHz, zweckmässigerweise ist CU)-, + U) ^)LlPa κ*} , oder auch U) ^f U)

oder auch ü) . W U) .
2 ο

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Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen, Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher nur der erste Objektzustand holographisch gespeichert ist, und die Ueberlagerung mit dem zweiten zu vergleichenden Objektzustand in Echtzeit geschieht,

Fig. 2 eine Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher beide zu vergleichenden Objektzustände mittels zueinander geneigter Referenzstrahlen holographisch gespeichert sind,

Fig. 3 eine Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher beide zu vergleichenden Objektzustände auf zwei verschiedenen Hologrammen gespeichert sind,

Fig. U- den optoelektronischen Teil einer Einrichtung nach der Erfindung zur Bildung der ersten Ableitungen der Objektdeformationen nach den Ortskoordinaten, und

Fig. 5 den optoelektronischen Teil einer Einrichtung nach der Erfindung zur Bildung der zweiten Ableitungen der Objektdeformationen.

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In Fig. la) ist ein Objekt in seinem ersten Zustand CL angedeutet. Es wird mit einer kohärenten Beleuchtungswelle B ( U)) der Lichtfrequenz u) beaufschlagt. Das gestreute Wellenfeld Bi t co ) wird auf einem Hologramm H, d.h. einer Photoplatte, einem Film, einer thermoplastischen Schicht od. dgl., aufgefangen und mit einer schräg einfallenden kohärenten Referenzwelle R, C U) ) der Lichtfrequenz U) überlagert. B ( U) ) und/oder R₁ C tu ) sind vorzugsweise ebene Wellen. Durch die in dieser Form stattfindende Beliehtung des Hologrammes H wird der Objektzustand 0 inbekannter Weise holographisch, d.h. nach Amplitude und Phase, gespeichert.

Nach der stattgefundenen Belichtung wird das Hologramm H entwickelt und wieder repositioniert.

Nun wird das Objekt in seinen- zweiten Zustand O^ gebracht und mit einer mit der ersten räumlich identischen Beleuchtungswelle B (u)«) der Lichtfrequenz U) beaufschlagt CFig. Ib) Gleichzeitig wird das Hologramm H mit einer mit der in Fig. la) räumlich identischen Referenzwelle R (U) ) der Lichtfrequenz U) beleuchtet. Durch diese Massnahmen entstehen hinter dem Hologramm H die Wellenfelder BJ ( U) ) und B' der Objekt zustände O₁ und 0~ mit den Lichtfrequenzen u), und

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Lt>₉, die dann mittels einer Linse L geometrisch-optisch in der Bildebene E abgebildet werden.

Beschreibt man· das Wellenfeld B' ( u) ) im Ort P mit den Koordinaten x, y der Bildebene E durch das analytische Signal

V₁ (P₉ t) = Sl₁ CP) exp i CUJ^ + 0 CP)), und das Wellenfeld B' C U) ) durch das analytische Signal

V₂ CP, t) = a₂ CP) exp i CU^t + <Z>₂ CP)),

wobei t für die Zeit und a.. und a für die Amplituden der Signale V und V im Ort P Cx, y3 stehen, und 0 und 0 die Phasen der Signale im Ort P sind, so ergibt sich im Ort P eine Lichtintensität der Form

I CP, t) = CV₁ + V₂) CV₁ + V₂)* = '

a^ CP) + a₂ CP) + 2a_x (P) a₂ CP) cos CiLt η

Dabei istil = U)., - U)_n und ^V CP) = 0_Ί CP) - 0_O CP). .

An einem im Punkt P der Bildebene E befindlichen Messfühler, beispielsweise einer Photodiode, eines optoelektronischen Detektors entsteht also ein Wechselsignal I (P, t) der SchwebungsfrequenzSL und der Phase Ay CP). XI liegt im Ver-

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arbeitungsbereich des optoelektronischen Detektors, ist also kleiner als etwa 1 GHz, z.B. 10 kHz. Damit kann die Phase ¹V (P) des Wechselsignals in einfacher Weise mit einem konventionellen Phasenmeter festgestellt werden.

Die Phasen 0_, 0_ der analytischen Signale V₁ , V₉ sind mit der Auslenkung ο des Objektes in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen der Beobachtungsrichtung und der Richtung der Objektbeleuchtungswelle B bekanntlich durch die Beziehung

0_χ CP) - 0₂ CP) = Ck/X) S CP)

verbunden, wobei k eine Apparaturkonstante und Λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Durch Messung der Phase

CP) = 0_χ CP) - 0₂ CP)

wird also unmittelbar ein Mass für die Auslenkung ο CP) des Objektes bei der Veränderung vom Zustand 0 in den Zustand 0_ erhalten.

In der Ausführungsform nach Fig. Ib) Cund auch nach. Fig. 2c) und Fig. 3b)) sind zwei Messfühler F₁ und F₂ des optoelektronischen Detektors D in der Bildebene E vorgesehen. Von diesen soll der Messfühler F-. zwecks Festlegung einer Be-

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zugsphase ortsfest sein. Mit dem Messfühler F_ wird dann die Bildebene abgetastet. Dadurch ergibt sich unmittelbar der Unterschied der örtlichen Auslenkung des Objektes im Punkt P_ gegenüber der im Punkt P .

Da die Phasenunterschiede zwischen P- und P₀ eine Periode (bzw. den Vollwinkel) 2Tf überschreiten können, ist es zweckmässig, wenn das verwendete Phasenmeter PM die vollständigen Perioden zählen kann. Am Ausgang des Phasenmeters PM ergibt sich dann

= η . 2Ύ +"/w¹ ,mit η = 0,_+l, _+ 2... ,

wobei /\j · den Anteil innerhalb eines Interferenzstreifens wiedergibt. Die Messung innerhalb eines InterferenzStreifens mittels elektronischer Phasenmessung ist sehr genau möglich, nämlich besser als 6 .entsprechend etwa οft^/lOO. Von Vorteil ist auch, dass die Genauigkeit der Messung nicht von der gemessenen Intensität abhängt, also unabhängig ist von den·

Amplituden a₁ CP) und a_ CP) der überlagerten Wellenfelder.

Die vorstehend beschriebene Art, die Phasen sich überlagernder optischer Wellenfelder zu messen, hat eine gewisse Aehnlichkeit mit der bekannten Methode, Phase und Amplitude eines optischen Wellenfeldes durch Ueberlagerung mit einer

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. .-10 -

Bezugswelle und optoelektronischer Detektion zu bestimmen (z.B. J. Opt. Soc." Am. 6£ C1970), 420 - 421, oder DT-OS 2 201 830)T"Doch gibt diese bekannte Methode noch keinen Hinweis darauf," wie das Interferenzmus'ter holographischer Interferogramme auszuwerten wäre.

Bei der Verwendung eines Ar-Lasers ist u) = 6,5 . 10 Hz.

Die Frequenzen u) und U). können z.B. U» = u-> +10 kHz

1 2 Io

und UJ_ = u> - 10 kHz sein, so dass sich für die optoelektronisch zu verarbeitende Differenzfrequenz ergibt Sl= IjJ₁ - U)₂ = 20 kHz..

Während die vorstehend beschriebene, in Fig. 1 dargestellte Ausfuhrungsform eine Einrichtung zur Durchführung holographischer Echtzeit-Interferometrie ist, ist die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung eine Einrichtung zur Durchführung holographischer Doppelbelichtungs-Holographie:

Gemäss Fig. 2a) wird der Objektzustand 0, mit der Beleuchtungswelle B (U) ) der Frequenz to und der Referenzwelle R-. C.Lü ) oo Io

der gleichen Frequenz i-ü auf dem Hologramm H gespeichert. In Fig. 2b) ist dann die entsprechende Speicherung des Objektzustandes 0. auf demselben Hologramm H mit derselben Beleuchtungswelle B (UJ ), aber der räumlich von der ersten

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verschiedenen Referenzwelle R C U) ) dargestellt. Fig. 2a) und 2b) stellen zwei verschiedene Zustände derselben Apparatur dar. R (to ) und R- C UJ ) -können beispielsweise mittels mechanischer ocfer optoelektronischer Blenden Cz.B. Pockelszelle) hergestellt werden, welche vorzugsweise mit der Aenderung des Objektes vom Zustand 0_ in den Zustand O₉ synchronisiert sind. Die Rekonstruktion findet gemäss Fig. 2c) mit den räumlich identischen Referenzwellen R^ (U) ) und R (W) statt, die jedoch statt der Frequenz U* die Frequaizen U) und CO aufweisen. Es ergeben sich dadurch hinter dem Hologramm H die sich überlagernden Wellenfelder BJ (Λ0 ) und B' CU).) der beiden Objektzustände 0 und 0„, die, wie in Fig. 1, wieder mittels der Linse L in der Bildebene E abgebildet werden.

Es ist wichtig,' dass die Referenzwellen R.. und R_ zueinander derart geneigt sind, dass sie unabhängig voneinander abblendbar sind, und bezüglich der Beobachtungsrichtung des Objektes derart geneigt sind, dass die Raumfrequenzbänder der Wellenfelder B' (uj ) und B' Cu> ) räumlich getrennt sind von den Raumfrequenzbändern der Referenzwellen R C.cu, ) und R_ Cu>„) und der (nicht dargestellten) konjugierten Objektwellen und Kreuzmodulationstermen. Durch die erste Massnahme sind die Wellenfelder B' und B' unabhängig voneinander erzeugbar, so dass die verschiedenen Frequenzen ¹^ und ^J eingeführt

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werden können, aufgrund der zweiten ergibt sich ein ungestörtes Interferenzmuster.

In Fig. 3 ist noch eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Gemäss Fig. 3a) sind zwei hintereinander angeordnete Hologramme H und H vorgesehen, von denen das eine, H , mit einer ersten Referenzwelle ^ Cw ), und das andere, H , mit einer zweiten Referenzwelle R„ C co ) beaufschlagt wird. Das Objekt wird sowohl inseinem ersten Zustand 0 , als auch in seinem zweiten Zustand 0_ von der Beleuchtungswelle

B C uj ) beleuchtet.
ο

Mittels nicht gezeichneten Abblendmittel·!, z.B. mechanischer Blenden od. dgl., wird nun dafür gesorgt, dass die erste Referenzwelle R C U) ) das zugehörige Hologramm H nur während des Objektzustandes 0 beaufschlagen kann, und die zweite Referenzwelle R Cu) ) das zugehörige Hologramm H₉ nur während des Objektzustandes 0 . Dadurch wird 0 nur auf H₁, und 0 nur auf H_ nach Amplitude und Phase gespeichert.

Die Hologramme H und H„ sind so angeordnet, dass sich bei der Rekonstruktion die Wellenfelder B' und B' überlagern,

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m.a.W. das Objekt gleichzeitig durch beide Hologramme H und H_ betrachtet werden kann.

Während Fig. 3a) die Speicherung der Wellenfelder B¹ C u-> ) , B* C OJ ) bei der Frequenz UJ zeigt, ist in Fig. 3b) die Rekonstruktion zwecks Erzeugung des Interferogrammes dargestellt:

Das Wellenfeld B¹ C UJ ) des ersten Objektzustandes 0 wird mittels der Referenzwelle R C U^₁ ) mit der Frequenz Uj vom Hologramm H , und das Wellenfeld B' CuJ₉) mittels der Referenzwelle R (W) vom Hologramm H erzeugt. Die sich überlagernden Wellenfelder B' 'CuJ₁), B' .C UJ ) werden geometrisch-optisch mittels der Lins~e L in der Bildebene E abgebildet und optoelektronisch abgetastet.

In. dieser Ausführungsform hat man es aufgrund der Speicherung auf getrennten Hologrammen H₁ und H_ mit den beiden· Referenzwellen R und R in der Hand, die Wellenfelder B' und B' unabhängig voneinander zu erzeugen und die verschiedenen Frequenzen UJ und U; einzuführen.

R und R können aus demselben Parallelstrahlenbündel ausgeblendete Teilwellen sein.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel soll ins-

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besondere demonstrieren, dass bei holographischer Doppelbelichtungs-Holographie die den Objektzuständen O und 0 entsprechenden zu überlagernden Wellenfelder B' Cuj ) und B' ( uu ) auf verschiedene· Arten unabhängig voneinander ererzeugt werden können.

Für die Anwendung der Erfindung müssen die beiden zu vergleichenden Objektzustände 0.. und 0„ keineswegs ruhend sein. Vielmehr kann das Objekt auch in einem der beiden Zustände schwingen. Vorzugsweise ist das Objekt im Zustand O ruhend und im Zustand 0_? schwingend. Auch dann ergibt sich, gemäss den Regeln der holographischen Zeitdurchschnittsholographie Cvgl. z.B. Feinwerktechnik a.a.O.), ein Interferenzstreifenmuster, welches, gemäss der Erfindung, einfach und genau optoelektronisch ausgewertet werden kann.

Bei Echtzeit-Beobachtung wie in Fig. 1 kann die Schwingung des Objektes durch Anwendung der Erfindung sogar aufgelöst werden, wenn die SchwebungsfrequenzSL grosser als die Schwingungsfrequenz des Objektes ist. Es würde dann in Fig. Ib beispielsweise am Messfühler F ein Wechselsignal der Trägerfrequenz Si. entstehen, das mit der Frequenz der Objektschwingung phasenmoduliert ist. Diese Phasenmodulation ist ein getreues Abbild des beobachteten, schwingenden

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Objektpunktes, und kann z.B. magnetisch aufgezeichnet oder auch nach Momentanwerten abgetastet werden. Es kann z.B.-iL = IO kHz sein, und-die Frequenz der Objektschwingung 1 kHz. Wäre -Ω- "kleiner als die Schwingungsfrequenz des Objektes, so würde in bekannter Weise der Zeitdurchschnitt der Objektschwingung registriert. Es würde dann also nur die Amplitude des betrachteten, schwingenden Objektpunktes festgestellt werden können.

Die Beleuchtungs- und Referenzwellen R C U) ), B Cmj„), R Cu) ), R Clü ), R-. Cto,) und R CuJ₂) können in bekannter .Weise von einem einzigen Laser" mittels Spiegeln, Strahlteilern und mechanisch-optischen oder elektrooptischen Modulatoren Cz.B. Sei. Am. June 19 68, S. 18) abgeleitet werden.

Die Ableitung der Frequenzen tu und tu von einem Laserstrahl der Frequenz UJ mittels mechano-optischer Modulation

/beispielsweise geschieht in bekannter Art durch Beleuchten eines rotierenden

Gitters.

Es kann aber auch ein Zeemann-Laser C"Laser", Kleen & Müller, Springer, 1969, S. 274 ff.) verwendet werden, der gleichseitig zwei verschiedene Frequenzen mit entgegengesetzt

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zirkularer Polarisation liefert, so dass sie beispielsweise durch A/4-Plättchen und Polarisatoren trennbar sind. Die Differenz der beiden Frequenzen kann etwa zwischen 10 und 100 MHz"variiert werden.

Schliesslich können jedoch auchzwei verschiedene, auf die verschiedenen Frequenzen uj und <-^> abgestimmte Laser vorgesehen sein, deren Differenzfrequenz -Ω. = up "^o durch ein Regelsystem stabilisiert wird Cz.B. J. Sei. Instr., 43, 314 (1966)).

Während der optoelektronische Detektor D in den Fig. 1, und 3 nur zwei Messfühler F, und F„ umfasst, von denen der ortsfeste Messfühler F die Referenzphase für das Phasenmeter PM liefert und der in der Bildebene E bewegbare Messfühler F_ das Interferenzmuster der überlagerten Objektzustände 0, und 0„ abtastet, umfasst der opto'elektronische Detektor D'■ in Fig. 4 drei Messfühler F', F' und F¹. Diese sind auf einem rechten Winkel in der Bildebene E angeordnet, dessen Schenkel parallel zu den Ortskoordinaten x, y liegen, die die Bildebene E aufspannen. F^r liegt im Scheitel des rechten Winkels, F' und F' liegen auf den Schenkeln des rechten Winkels im Abstand d von FJ. Mittels der zwei Phasenmeter PM 1 und PM 2 werden die Phasendifferenzen

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zwischen F' und F' und F' und F' gemessen, d.h.. die Unter- ί. X ο _L

schiede der Auslenkungen an den Orten χ + d, y (F') und x, y - d -C'Fi) gegenüber x, y CFJ).

An den Ausgängen der Phasenmeter PM 1 und PM 2 ergeben sich damit die Analog-Signale:

t-v/Cx + d, y) - <λγ(χ₅ y) = A ⁰V^Jd . grad

/\yCx, y) - Λγ Cx₅ y - d) = Δ

also die ersten Ableitungen der Ortsfunktion Ay Cx, y) bzw. ÜCx₃ y), aus denen dann in dem elektronischen Rechner C ohne weiteres nach den Gesetzen der Elastomechanik die gewünschten Grössenwerte, z.B. die Oberflächendehnung ermittelt werden können. CMit grad ^ist die x-Komponente des Gradienten von i\y , und mit grad die y-Komponente des Gradienten von rsy bezeichnet).

Der Abstand d der Messfühler E', F^, F^ ist klein gegen die Abmessungen des Objektes, so dass die engste Umgebung eines beliebigen Objektpunktes P beobachtet werden kann. Insbesondere ist d zweckmässigerweise so zu wählen, dass

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In Fig. 5 umfasst der optoelektronische Detektor D^ff sechs Messfühler F₁", F'', FL¹, F'¹, F'' und F'¹. Die Messfühler

JL-Δ G H O O

F* ^f bis Fy- sind auf einem Kreuz angeordnet, dessen Schenkel parallel zu den- Koordinatenachsen χ und y liegen. F'¹ liegt im Zentrum des Kreuzes. Fi', F'', F₁ ¹' und Fl¹ liegen auf den Kreuzschenkeln und haben zu F''den festen Abstand d· F'¹ liegt ausserhalb des Kreuzes und hat von den Messfühlern F'' und Fi' den festen Abstand d. . Die Messfühler F₁' 'bis F'' sind in der geschilderten Konfiguration gemeinsam in der Bildbene E bewegbar. Der Abstand d ist.wieder klein gegen die Abmessungen des Objektes und kleiner als ein Streifenabstand Centsprechend "einer Phasehänderung von 2 π). Fünf-Phasenmeter PM 1 .... PM 5 werden mit den Ausgängen der Messfühler Fi' .... Fl' in der dargestellten Weise verknüpft. Dann entstehen an den Ausgängen der Phasenmeter Analog-Signale folgender Art:

1) PM 1: Λρ (χ + d, y) - Ai< (χ, y) ^{= a}x

2) PM 2: ^y (χ, y) - Ap (χ - d, y) = b_x

3) PM 3: AyCx, y + d) - au(_x, y) =a

4) PM 4: AyCx, y) - au Cx, y - d) = b

5) PM 5: Γγ Cx, y - d) - Aj/Cx - d, y - d) = C_x

Damit ergeben sich die zweiten Ableitungen wie folgt:

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Ca - b ν) = Δ ² -vv ^ d² S_^Ü . Ca - b ) = Δ ² ^ = d² . ^ xx xx T £_χ2 ' y y yy T_- ^₂

Ca - c )^=Δ² ^ ₌ϋ² ^ t d² . i
χ χ xy^ yxT _£

Die zweiten Ableitungen können aus den Vierten der angeführten Gleichungen in bekannter Weise z.B. in dem elektronischen Rechner C ermittelt werden.

Natürlich sind auch noch andere Ausführungsarten der Auswertung möglich. Z.B. könnte eine Konfiguration wie in Fig. drehend in der Bildebene E bewegt werden usw.

Die Erfindung hat sich in der Praxis als wesentliches Hilfsmittel bei der Anwendung der holographischen Interferometrie in der Messtechnik für Deformationen und Oberflächendehnungen mechanischer Apparate und Maschinen erwiesen.

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Claims

P a t en t a η s ρ r ü c h e

.j Einrichtung zur Auswertung holographischer Interferogramme, wobei mindestens der erste der zu vergleichenden Objektzustände holographisch bei einer Frequenz-OJ der Beleuchtungs- und der Referenzwelle auf einem Hologramm gespeichert ist, und die zwecks Erzeugung des Interferogrammes zu überlagernden Wellenfelder der zu vergleichenden Objektzustände voneinander unabhängig erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zu überlagernden Wellenfelder (B', B') bei der Ueberlagerung mit voneinander verschiedenen optischen Frequenzen Cj, und Ca₂ erzeugt werden, deren Dxfferenzfrequenz -Ω. von optoelektronischen Detektoren verarbeitet werden kann, und das geometrischoptisch erzeugte Bild der überlagerten Wellenfelder (Bi ( oj-,), Bp (GJp)) ^m^k ^ei^nem optoelektronischen Detektor (D) abgetastet wird, der auch die Phase (γ (P)) des Eingangs-Wechselsignales (I (P,' t>) in Abhängigkeit vom Ort (P (x,y)) der Detektion misst,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung des Interferogrammes zur Erzeugung des Wellenfeldes (B£) des ersten Objektzustandes (0^) das Hologramm (H) mit dem gespeicherten ersten Objektzustand (Q₁) räumlich iden-

Ju

tisch wie bei der Speicherung angeordnet und mit der Referenz-

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welle (R-, ) beaufschlagt wird, und zur Erzeugung des Wellenfeldes (B') des zweiten Objektzustandes (O„) das Objekt in diesem Zustand (O_?) bezügl. der Hologrammplatte (H) und der Referenzwelle (R-.) räumlieh identisch wie bei der Speicherung des ersten Objektzustandes (O,) angeordnet und mit der Beleuchtungswelle (B) beaufschlagt wird, und zur Erzeugung verschiedener Frequenzen CO-, und CU₂ der beiden Wellenfelder (B', B') die Referenzwelle (R,) die Frequenz O) -,, und die Beleuchtungswelle (B) die Frequenz Cü „ besitzt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Objektzustand (0,) mit einer ersten Referenzwelle (R,) und einer Beleuchtungswelle (B), und der zweite Objektzustand (O₂) mit einer zweiten Referenzwelle (R₂) und der gleichen Beleuchtungswelle (B) auf derselben Hologrammplatte (H) gespeichert sind, wobei bei der Speicherung die Beleuchtungswelle (B) und die beiden Referenzwellen (R₁, R₂) die Frequenz cu besitzen und die beiden Referenzwellen (R-,, R₂) zueinander geneigt sind, und bei der Erzeugung des Interferogrammes die Hologrammplatte (H) in räumlich identischer Anordnung wie bei der Speicherung von den beiden Referenzwellen (R₁, Rp) beaufschlagt wird, wobei diese· die voneinander verschiedenen Frequenzen CO ·, und OJo besitzen.

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4, Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Referenzwellen (R,, R₂) zueinander derart " geneigt sind, dass sie unabhängig voneinander abblendbar sind, und bezügl. der Beobachtungsrichtung des Objektes derart geneigt sind, dass die Raumfrequenzbänder der zu überlagernden, die beiden Objektzustände (0,, O„) rekonstruierenden Wellenfelder (B^ ( 60 -,) > B' (ctf ₂^ räumlich getrennt sind von den Raumfrequenzbändern der Referenzwellen (R₁, R₂) und der konjugierten Wellen.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Objektzustand (0,) mit einer ersten Referenzwelle (R,) und einer Beleuchtungswelle (B) bei einer Frequenz CO auf einem ersten Hologramm (H,), und der zweite Objektzustand (Op) mit einer zweiten Referenzwelle (R2) und der gleichen Beleuchtungswelle (B) bei der gleichen Frequenz

,CO₀ auf einem zweiten Hologramm (Hp) gespeichert sind, und bei der Erzeugung des Interferogrammes das erste Hologramm (H,) mit einer Referenzwelle (R,) der Frequenz Oo -^ ^{und das} zweite Hologramm (Hp) mit einer Referenzwelle (Rp) der Frequenz co ρ beaufschlagt werden, wobei die beiden Hologramme (H₁, H₂) und die beiden Referenzwellen (R₁ (OJ ^)₉R₂ ( OO ₂)) räumlich identisch wie bei der Speicherung angeordnet sind, und die von dem ersten (H₁) und dem zweiten (H₃) Hologramm rekonstruierten .Wellenfelder (B£ (OJ₁), B₂ (CO₂)) sich in der Bildebene (E) überlagern.

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6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Aufzeichnung verwendeten Referenzwellen (R₁ (GJ_o)> Rp ( ^ω ^ demselben Strahlenbündel angehören, von welchem bei der Aufzeichnung des ersten Objektzustandes (0,) die das zweite Hologramm (Hp) beaufschlagende, und bei der Aufzeichnung des zweiten Objektzustandes (Op) die das erste Hologramm (H,) beaufschlagende Referenzwelle abgeblendet wird.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt im ersten Objekt zustand (0,) ruht und im zweiten Objektzustand.(O₂) schwingt.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Detektor (D) zwei photoelektrische Messfühler (F,, F₂) umfasst, von welchen der eine (F-,) ortsfest und der andere in der Bildebene (E) bewegbar ist, und die Phase ("^f (P₂)) des Wechselsignals (I (t, Ρ«)) an dem zweiten Messfühler (F₂) in bezug auf die Phase (^f(P₁)) des Wechselsignals (I (^P₁)) an dem ersten Messfühler (F,) gemessen wird.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Detektor (D¹) drei gemeinsam in der Bildebene (E) bewegbare photoelektrische Messfühler (F4, Fl, Fi ) umfasst, von welchen

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der erste (Fl) im Scheitel und die beiden anderen (FJ,, P') in festem Abstand.(d) zu dem ersten (E|) auf den Schenkeln eines rechten Winkels angeordnet sind, dessen Schenkel jeweils in die x- und in die y-Richtung der Bildebene (E) weisen, und in dem Detektor (D^f) jeweils die Phasendifferenzen der Wechselsignale an den beiden anderen Messfühlern (Pp, Pi) in bezug auf das Wechselsignal an dem ersten Messfühler (F-I) gemessen wird.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Detektor (D¹¹) sechs gemeinsam in der Bildebene (E) bewegbare photoelektrische Messfühler (F|^f, F£», P'', F^¹, FX¹, F£') umfasst, von welchen der zweite (F£V) im Zentrum, der erste (Fj_'>, der dritte (FV), der vierte (F^') und der fünfte (F'¹) in festem Abstand (d) zum zweiten (Fp¹) auf den Schenkeln eines sich parallel zur x- und y-Richtung der Bildebene (E) erstreckenden Kreuzes, und der sechste (Pg') in dem gleichen festen Abstand (d'') von zwei auf benachbarten Schenkeln des Kreuzes liegenden Messfühlern (FI¹, Fc') ausserhalb des Kreuzes angeordnet sind, und in dem Detektor (D¹') jeweils die Pnasendifferenzen der Wechselsignale am ersten und zweiten, zweiten und dritten, zweiten und vierten, zweiten und fünften, und fünften und sechsten Messfühler gemessen werden.

409834/0664
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Erzeugung der zu überlagernden V/eilen f eider (B-[ (CU ^), B£ ( 6ü ₂)) benötigten, von der bei der Speicherung verwendeten Frequenz co abweichenden Frequenzen OJ , und CO ₂ mittels mechano-optischer oder elektro-optischer Modulation eines Laserstrahles, oder mittels der beiden orthogonalen Polarisationen eines Zeemann-Lasers, oder mittels zweier Laser, deren Differenzfrequenz durch ein geeignetes Regelsystem stabilisiert ist, erzeugt werden.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

34/0664

L e e r s e i t e