DE2312435A1 - Holographische anordnung zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung - Google Patents
Holographische anordnung zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefungInfo
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Description
HUBERT FREIHERR VON WEI.SER
RECHTSANWALT TELEFON O811/3Sθβ26
9. März 1973
Beschreibung der Erfindung
Holographische Anordnung zur zerstörungsfreien Werk stof fprüfung
Anmelder: ■ ·, ,
Labor für kohärente Optik . r v . .";,/·■· /\t /, S1! ']<■ .^ //'
8201 Amerang/Obb. J
Die Erfindung betrifft eine holographische Anordnung zur Messung von unregelmäßigen Verformungen.
Unter unregelmäßigen Verformungen sind solche zu verstehen, die nicht eine gleichmäßige Veränderung der Lage
aller Punkte der Oberfläche des zu messenden Objektes
409838/0915
BANKKONTO: DEUTSCHE BANK AG. MÜNCHEN 22^26 843 · POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 19S9 94.
ANDERKONTO: DEUTSCHE BANK AG MÖNCHEN 22/26 Θ5Ο
sind, sondern nur eine solche einzelner Punkte· oder Bereiche dieser Oberfläche. Ein Beispiel einer regelmäßigen
Verformung ist die durch Wärmedehnung entstehende Vergrößerung des Körpervolumens eines
z.B. metallischen Objektes, während eine unregelmäßige Verformung eine solche ist, die z.B. durch
einen Gußfehler oder Lunker eines solchen Metallgegenstandes an einer begrenzten einzelnen Stelle hervorgerufen
wird.
Es besteht ein erhebliches wirtschaftliches Interesse, bei Werkstoffprüfungen oder bei der Ausgangskontrolle
fertiger industrieller Erzeugnisse solche unter bestimmten Bedingungen, wie z.B. bei Erhitzung, auftretende
unregelmäßige Verformungen festzustellen, ohne dabei das Objekt zu beschädigen oder zu zerstören,
wie dies bei herkömmlichen Werkstoffprüfverfahren
unumgänglich ist und wodurch in größerem Umfang auch an sich einwandfreie Werkstücke oder Erzeugnisse
vernichtet werden.
Es ist bekannt, zu solchen zerstörungsfreien Prüfungen
Verfahren der holographischen Interferometrie zu verwenden. Es wird hierbei von dem Objekt in seinem
unveränderten Ausgangszustand ein Hologramm aufgenommen und dieses mit einem solchen unter überlagerung
409838/0915
verglichen, daß vom gleichen Objekt in gleicher Stellung, aber in einem seine Oberflächenänderung
bewirkenden Zustand aufgenommen wurde. Es ergibt sich dann ein Interferenzmuster, in dem die Veränderung
und insbesondere die unregelmäßigen Veränderungen abgelesen und vermessen werden können.
In DAS 1 906 511 wird ein Verfahren und eine Anordnung
beschrieben, die zur Prüfung von Luftreifen auf Fehler dienen soll. Dabei wird von einem aufgepumpten
Reifen kurz nach dem Aufpumpen und einige Zeit später je ein Hologramm aufgenommen und diese
durch Überlagerung verglichen. Aus dem sich ergebenden Interferenzmuster lassen sich Fehler in der
Struktur des Reifens, die sich in Form von sonst nicht sichtbaren Ausbeulungen anzeigen, sichtbar
machen. Die Möglichkeit, mit Hilfe holographischer Interferometrie die Formänderungen drei3imensionaler
Objekte zu messen, wurde erstmals von Hildebrand und Haines in Optics 5 (1966, Seite 172/173)
und von den gleichen Verfassern in Optics 5 (1966, Seite 595 bis 602) beschrieben.
Bei diesen genannten Verfahren ist es jedoch sehr störend, daß sowohl die regelmäßige, wie die unregelmäßige
Verformung Interferenzlinien hervorrufen, die meist nur schwer zugeordnet werden können. Das heißt,
409838/0915
die gesuchte Fehlerstelle oder -Quelle läßt sich auf Grund solcher Interferenzbilder nur schwer
identifizieren und vermessen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die durch die regelmäßige Verformung hervorgerufenen
Interferenzlinien zu unterdrücken, so daß im Interferenzbild im wesentlichen nur diejenigen
Linien sichtbar werden, die einer unregelmäßigen Verformung zugeordnet sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß so geformte Elemente zur Umlenkung der auf
das Objekt fallenden und von diesem reflektierten Lichtstrahlen vorgesehen sind, daß Flächen, für welche
die optische Weglänge des Lichts von der Lichtquelle über den Objektpunkt bis zum Beobachtungspunkt konstant
ist, der Form der zu untersuchenden Fläche des Objektes oder deren regelmäßigen Verformung angepaßt
sind.
Die Elemente zur Umlenkung der Lichtstrahlen können
dabei nur der Komponente der regelmäßigen Verformung
in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen Beleuchtungs- und Betrachtunsstrahl zwischen Lichtquelle, dem
Objektpunkt und dem Beobachtungspunkt angepaßt sein.
40 98 38/0315
Diese Winkelhalbierende kann bestimmt sein durch die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie zwischen
Lichtquelle bzw. virtueller das Objekt beleuchtenden Lichtquelle und dem Beobachtungspunkt. Lichtquelle
und Beobachtungspunkt sind die Brennpunkte einer Schar von Flächen in Form von Elipsoiden, die
der geometrische Ort für gleichlange Wegstrecken zwischen Lichtquelle -Punkt auf der Oberfläche des
Objekts - Beobachtungspunkt sind. Das heißt, daß alle Punkte bzw. ihre Spiegelung auf der gleichen Fläche
des Elipsoids liegen, das seine Brennpunkte in Lichtquelle und Beobachtungspunkt hat und dessen durch
seine kurze Achse bestimmter Scheitelpunkt in Richtung auf das Objekt liegt. Durch diese Anordnung wird
erreicht, daß die regelmäßige Verformung keine oder kaum Interferenzlinien im Vergleichshologramm erzeugen
kann und nur die unregelmäßigen Verformungen in Interferenzlinien beobachtbar sind. Fallen Lichtquelle und
Beobachtungspunkt zusammen,so sind die Flächen gleicher optischer Weglänge Sphären.
Ein Element zur Umlenkung des Lichtstrahls kann ein innenverspiegelter Kegel sein, wenn die zu unter-
40983S/091 5
suchende Fläche zylindrisch oder annähernd zylindrisch, kegelförmig oder annähernd kegelförmig ist.
Ferner kann ein Element zur umlenkung der Lichtstrahlen
ein außenverspiegelter Kegel sein, wenn die zu untersuchende Fläche des Objekts die Innenfläche
eines hohlzylindrischen oder eines annähernd
hohlzylindrischen Körpers, eines kegelförmigen oder eines annähernd kegelförmigen Körpers ist..
Es ist nicht erforderlich, daß ein sehr hoher Anpassungsgrad zwischen Element zur Umlenkung und
Objektoberfläche arzielt wird, sondern es genügt, daß die durch die regelmäßige Verformung des Objekts
erzeugten Interferenzlinien so weit unterdrückt werden, daß nur wenige, z.B. ein bis drei im Interferenzbild
erscheinen oder nur so viele, daß eine mühelose und eindeutige Zuordnung der Linien unregelmäßiger
Verformung möglich ist.
Die erfindungsgemäße holographische Anordnung kann
erfolgreich für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung angewendet werden, z.B. serienmäßig durch weitgehend
ungeschultes Personal mit Hilfe fest eingerichteter Vorrichtungen. Da ein sehr großer Objektraum zur
Verfügung steht, können nahezu beliebige Verfahren zur Erzeugung der Oberflächenverformung, z.B.
9838/0915
Anwendung von Hitze oder Veränderung der Druckver hältnisse zwischen Objekt und umgebenden Medium
herangezogen und auch Objekte größeren Ausmaßes untersucht werden. Die Anordnung der'Sohlspiegel
ermöglicht zudem, das Objekt allseitig mit einem einzigen Hologramm zu erfassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine holographische Anordnung in
matischer Darstellung, wobei das Objekt perspektivisch wiedergegeben ist,
Fig. 2 eine Darstellung des Strahlenganges am Objekt.
Der aus dem Laser 1, z.B. einem He-Ne-Laser mit
einer Wellenlänge von 632,8 nm, austretende Lichtstrahl durchläuft einen Photoverschluß 2 und wird
darauf in dem Strahlenteiler 3 in einen Objektstrahl a und in einen Referenzstrahl b aufgespalten.
Der Objektstrahl wird, nach dem er durch das Objektiv 4 aufgeweitet wurde, am Spiegel 6 umgelenkt
und beleuchtet über den leicht konvexen Spiegel 6 das Objekt 7. Das vom Objekt 7 diffus reflektierte
/+ Rund- oder
3 8/0916
Licht, dargestellt in einem ausgewählten Strahl a1, gelangt zur Photoschicht 8 auf der Platte 9.
Der Referenzstrahl b wird am Spiegel 10 umgelenkt und anschließend durch das Linsensystem 11, 12
parallel oder aufgespreizt aufgeweitet. Es beleuchtet
nach Umlenkung am Spiegel 13 unmittelbar die Photoschicht 8. Auf dieser wird das Interferenzfeld aufgezeichnet,
das vom Referenzstrahl b und dem vom Objekt 7 difiiis einfallenden Licht erzeugt wird.
Die Belichtung der Photoschicht 8 wird durch den PhotoverSchluß 2 zeitlich gesteuert. Die Photoschicht
8 weist ein hohes Auflösungsvermögen von mehr als 1000 Linien/mm auf. In dem in ihr fixiertem
Bild ist die vom Objekt ausgehende optische Information als Interferenzfeld gespeichert, das heißt,
als Hologramm des Objektes 7.
Beleuchtet man dieses Hologramm nur mit dem Referenzstrahl b, so kann das virtuelle Bild des Objektes 7,
das aus der Beugung des ReferenzStrahles b an dem Interferenzfeld entsteht, an seinem ursprünglichen
Ort beobachtet werden.
Auf dem Schnittpunkt, des rückwärts verlängerten Strahlenganges
des vom Spiegel 6 umgelenkten Objektstrahles a befindet sich die virtuelle Lichtquelle in
Punkt 14. Hinter der Platte 9 kann sich der Beobachtungspunkt
15 befinden. Die Winkelhalbierende zwischen
Beleuchtungsstrahl a und Betrachtungsstrahl a1 bestimmt
die Lage des Objektes 7. Im Ausführungsbeispiel ist die Winkelhalbierende gleich der Mittelsenkrechten
16 auf der Verbindungslinie 17 zwischen der virtuellen Lichtquelle 14 und dem Beobachtungspunkt 15. Das Objekt liegt dann im Scheitelpunkt einer
Schar von Elipsoiden 18, deren Brennpunkte die Lichtquelle
14 und der Beobachtungspunkt 15 sind und die
geometrischer Ort für gleichlange Wegstrecken Lichtquelle 14 -Punkt 19 auf der Oberfläche des Objektes
-Beobachtungspunkt 15 sind. An Stelle des Objektpunktes 19 tritt in dem in Fig. 1 dargestellten Fall
der virtuelle Punkt 1-9'. Der Weg des Strahls a von
der Lichtquelle 1 bzw. von der virtuellen Lichtquelle 14 zum Objektpunkt 19 bzw. 19* und dessen diffuse Reflexion
als Strahl a1 zum Beobachtungspunkt 15 beschreibt
diese Weglänge.
um das Objekt 1, das in diesem Fall einzylindrischer
Körper ist, der mit seiner Achse in der Mittelsenkrechten 16 liegt, ist koaxial ein offener innenverspiegelter
und gerader Hohkegelstumpf 20 mit seiner Grundfläche in Richtung auf die Punkte 14 und 15
zu angeordnet.
4098^/0316
-IC-
Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die in Richtung von der virtuellen Lichtquelle 14 einfallenden Objektstrahlen
18, 19 auf ihrem Weg vom Spiegel 6 zum
Beobachtungspunkt über die Innenwandung des Hohlkegelstumpfes und die Oberfläche des Objektes,
wobei sie zwischen letzteren zweimal reflektiert werden, die gleiche Weglänge zurücklegen.
Fig. 2 zeigt den Hohlkegelstumpf.20 im Schnitt
mit dem darin angeordneten Objekt 7. Es sind zwei Teilstrahlen a.. und a„ des Objekt Strahles
a als von der virtuellen Lichtquelle 14 ausgehend dargestellt, die auf die verspiegelte Innenfläche
des Kegelstumpfes auftreffen und von dieser auf die Punkte 21 und 22 auf der Oberfläche des Objektes
7 umgelenkt und von diesem wiederum als diffuses Licht, in diesem Falle dargestellt als Strahlen a
und a. reflektiert werden. Diese Strahlen gehören zu den vom Auge des Beobachters ausgewählten, das
sich im Beobachtungspunkt 15 befindet. Die virtuelle Reflexionspunkte 21' und 22' der Strahlen a- und
a2 liegen auf dem gleichen Elipsoid 23, dessen Brennpunkte
die virtuelle Lichtquelle 14 und der Beobachtung spunkt 15 sind. Sie legen demnach von
Punkt 14 über Punkt 21 bzw. 21' zu Punkt 15 und von Punkt 14 über Punkt 22 bzw. " 2:2' zu Punkt 15 die
gleiche Weglänge zurück.
409833/09.1 5
Damit sind die Flächen, für welche die optische Weglänge des Lichtstrahls von der Lichtquelle 14
über den Objektpunkt 21 oder 22 bis zum Beobachtungspunkt 15 konstant sind, der untersuchten Fläche des
Objektes bzw. bei gleichmäßiger zylindrischer Verformung auch die Formänderung der untersuchten
Fläche des Objektes angepaßt.
Wenn sich jedoch ein Oberflächenpunkt des Objektes 7 unregelmäßig verschiebt, mit Ausnahme des Falles,
in dem diese Verschiebung innerhalb der Oberfläche des Objektes 7 erfolgt, ergibt sich eine Änderung der
optischen Weglänge von Punkt 14 über diesen Objektpunkt zum Punkt 15, die von der regelmäßigen Änderung
der optischen Weglänge abweicht. Dann tritt eine Interferenz zwischen dem Hologramm des unveränderten
und dem des veränderten Zustandes auf, die sich in entsprechenden Interferenzlinien ausdrückt, wobei nur
diese im Interferenzbild erscheinen. Es werden also unregelmäßige Objektveränderungen ohne die regelmäßige
Interferenzlinien im Hologramm sichtbar, die sonst bei Weglassen des Kegelspiegels 20 erscheinen und die
die partielle unregelmäßige Veränderung des Objektes anzeigenden Interferenzlinien stören wurden. Das Erkennen
von unregelmäßiger Veränderung der Lage von Punkten oder Gruppen von Punkten in der Oberf lache dss
Objektes und deren Vermessung ist daher ohne Schwierigkeiten möglich.
409888/0915
Normale Veränderungen des Objektes 7, das heißt solche/ die seine ganze Oberfläche gleichmäßig
erfassen, wie sie z.B. bei Wärmedehnung des Objektes oder seiner Volumenänderung in Folge Veränderung
des Druckverhältnisses zu seiner Umgebung auftreten, führen zu keiner Störung der Aufzeichnung
der besonderen Lageänderung einzelner Punkte oder kleiner Bereiche in der Oberfläche des
Objektes im Interferenzbild, da die allgemeine Formänderung eine Lage aller Oberflächenpunkte erzeugt,
für die die Änderung der optischen Weglänge Lichtquelle- Oberflächenpunkt- Beobachtungspunkt
entweder gleich oder nahezu gleich ist, so daß keine oder nur sehr wenige Interferenzlinien entstehen.
Der als Objekt 7 dargestellte Kipper kann z.B.
ein Zylinder aus Metallguß sein, der auf Vorhandensein von verdeckten Gußfehlern geprüft werden
soll. Sein Hologramm wird zunächst im kalten Zustand unter Belichtung der Photoschicht 8 mit Objekt-
und Referenzstrahl festgehalten. Sodann wird
er, z.B. durch Wärmeleitung- oder Strahlung erhitzt. Das Interferenzbild seines sodann aufgenommenen
Hologramms in der Photoschicht 8 mit dem im Ausgangszustand des Objektes Aufgenommenen zeigt bei
NichtVorhandensein von Gußfehlern keine oder nur
409838/0915
eine ganz geringe Zahl von Interferenzlinien.
Gußfehler werden deutlich in Lage und Ausdehnung durch Interferenzlinien angezeigt.
Die Formänderung kann ferner durch Änderung der mechanischen Belastung des Objektes oder durch
Schwingungsanregung oder durch Kriechen des Objektes hervorgerufen werden.
40 983 3/091h
Claims (7)
- -Hr-2312Λ35PatentansprücheHolographische Anordnung zur Messung von. unregelmäßigen Verformungen,dadurch gekennzeichnet, daß so geformte Elemente (20) zur Umlenkung der auf das Objekt (7) fallenden und von diesem reflektierten Lichtstrahlen. (a,a',a.. ,a„, a3/a.) vorgesehen sind, daß Flächen (18) für welche die optische Weglänge des Lichts von der Lichtquelle (14) über den Objektpunkt (19,19',21,21·,22,221J bis zum Beobachtungspunkt (15) konstant ist, der zu untersuchenden Fläche des Objektes (7) oder deren regelmäßiger Verformung angepaßt sind.
- 2. Holographische Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (20) zur Umlenkung der Lichtstrahlen (a,a",a /2'3r4^ nur der Komponente der regelmäßgei Verformung in Richtung der Winkelhalbierenden (17) zwischen Beleuchtungs— strahl (a, a1,a_) und Betrachtungsstrahl (a',a3,a.) zwischen Lichtquelle (1,14), dem Objektpunkt (19, 19', 21 ,21 ' , 22 f 22') und dem Beobachtüitgspunkt (15) angepaßt sind.
- 3. Holographische Anordnung nach Anspruch. 1,2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element C20) zur Umlenkung der Lichtstrahlen (a,a* ,a.. /ο'3Γ4^ e^n innenverspiegelter Kegel ist, wenn die zu unter-409838/0915ι*-2312^35suchende Fläche des Objektes (7) zylindrisch oder annähernd zylindrisch, kegelförmig oder annähernd kegelförmig ist.
- 4. Holographische Anordnung nach Anspruch 1,2,3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element (20) zur Umlenkung der Lichtstrahlen (a,a',a1,2,3/4) ein außenverspxegelter Kegel ist, wenn die zu un? tersuchende Fläche des Objekts (7) die Innenfläche eines hohlzylindrischen oder eines annähernd hohlzylindrischen, eines hohlkegelformigen oder eines annähernd hohlkegelformigen Körpers ist.
- 5· Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit holographischer Anordnung gemäß Anspruch 1,2,3,4 dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Fläche vor ihrer Formänderung mit der gleichen Fläche nach Eintritt ihrer Formänderung durch überlagern holographisch verglichen wird.
- 6, Verfahren nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung durch Änderung der Temperatur des Objektes (7) oder durch Änderung des Druckverhältnisses des Objektes (7) zu dem dieses umgebenden Mediums hervorgerufen wird.4098 3 8/091R
- 7. Verfahren nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet/ daß die Formänderung durch Änderung der mechanischen Belastung oder Schwingungsanregung des Objekts (7) oder durch Kriechen von dessen Material hervorgerufen wird.409838/0915Leerseite
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