DE2437460C2 - Verfahren zur Ermittlung von Konturunterschieden zwischen gleichartigen Objekten unter Anwendung holographischer Methoden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Konturunterschieden zwischen gleichartigen Objekten beliebiger Geometrie sowie zur Bestimmung von Verformungen an einem Objekt unter Anwendung holographischer Methoden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es handelt sich also darum, zwei Objekte an sich gleicher Art miteinander zu vergleichen und festzustellen, ob eines von ihnen gegenüber dem anderen Abweichungen in seiner Kontur bzw. Oberflächengestalt aufweist, d. h. Konturunterschiede zu ermitteln.

Das Verfahren soll es auch ermöglichen, eine ganze Reihe von Objekten mit einem Urmodell des Objekts zu vergleichen und jeweils die Abweichungen festzustellen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für das Verfahren besteht darin, durch Betrieb oder Belastung auftretende Verformungen an Objekten festzustellen.

In der Praxis wird häufig die Aufgabe gestellt Formabwe chungen e^r>es Objekts gegenüber einem Vergleichsobjekt ohne langwierige Berechnungen festzustellen. Dabei sollen vielfach die Abweichungen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ erfaßt werden Als Beispiele aus der Praxis seien genannt: Objekt-Deformationen durch aufgebrachte Lasten (z. B. Verformungen durch Zug, Druck oder Wärme), Veränderungen eines Bauteiles unter Betriebsbedingungen (ζ. Β Verschleißerscheinungen oder Kavitationsschäden ar Maschinenbauteilen) oder Konturabweichungen vor Einzelteilen gegenüber einem Musterstück (z. B. Prüfung auf Maßhaltigkeit in der Qualitätskontrolle). Die Verwendung mechanischer oder elektrische!

Meßfühler zur Konturvermessung erfordert wegen dei punktweisen Abtastung einen hohen zeitlichen Aufwand und erweist sich daher bei großen Objekten ah ungeeignet. Optisch-interferometrische Methoden da gegen gestatten eine schnelle und berührungsfrei«

<*> Vermessung.

Es sind aus der Literatur verschiedene klassisch-inter ferometrische und holographische Methoden zu Erzeugung von Interferenzmustern als Konturliniet räumlicher Objekte bekannt. Diese Verfahren werdet auch teilweise dazu benutzt, Formabweichungen eine: Objektes gegenüber einem Vergleichsobjekt festzustel len b/w. die durch eine Belastung hervorgerufenei Deformationen eines Ob cktes sichtbar zu machen.

Bei diesen bekannten Verfahren werden als empfind liehe Auswertemethoden im wesentlichen /wet Möglichkeiten angegeben. Nach der einen Methode wird k'on einem mit Konturlinien überzogenen ersten Objekt ein photographisches Negativ hergestellt und nach dem Entwickeln in die exakt gleiche Lage wie bei der Aufnahme in der Kamera zurückjusiiert. Beim Durchblick durch das Negativ auf ein mit Konturlinien überzogenes, in gleicher räumlicher Lage wie das erste Objekt befindliches zweites, gleicha/tiges Objekt sieht '° man bei identischen Konturen der beiden Objekte ein einheitlich graues Bild, während Konturunterschiede zwischen den beiden Objekten durch Moire-Streifen angezeigt werden. Die Nachteile dieser Methode liegen darin, daß zur Erzeugung der Konturlinien ein '5 störanfälliges Interferometer benutzt wird, daß weiter das Negativ mit äußerster Präzision in die Kamera zurückpositioniert werden muß und daß außerdem die Auswertung nur im Labor in »real-time« erfolgen kann.

Die zweite bekannte Methode besteht darin, das *o Positiv einer photographischen Abbildung eines ersten mit Konturlinien überzogenen Objekte* dem Negativ einer photographischen Abbildung eines zweiten, gleichartigen Objektes zu überlagern. Neben dem Nachteil, daß hier wieder die üblichen störanfälligen inierferometrischen und holographischen Methoden zur Erzeugung von Konturlinien angewandt werden, besteht eine weitere Schwierigkeit des Verfahrens dann, daß bei diesen photographischen Überlagerungs pro/essen Ungenauigkeiten im Vergrößerungsmaßstab. Verzeichnungen sowie Schrumpfprozesse des Photomaterial die Ergebnisse verfälschen.

Die prinzipiellen Nachteile dieser Verfahren .legen dann, daß sie nur unter erheblichem Aufwand in einem den Anforderungen der Interferometrie und Holographie entsprechenden Labor durchgeführt werden können. Für jede Vermessung ist ein vollständiges, empfindliches Interferometer oder eine komplette Holographie-Anordnung notwendig, an die extreme Stabilitätsanforderungen zu stellen sind. So müssen z. B. die optischen Wege im Interferometer bzw. im Holographie-Aufbau auf Bruchteile einer Wellenlänge konstant bleiben. Das gelingt nur mit stabilen Holographietischen und massiven, erschütterungsfreien Aufbauten, von denen mechanische und thermische Störungen (z. B. durch laufende Maschinen, Luftschlieren usw.) ferngehalten werden müssen. Weiterhin sind für die klassischen Interferometer hochpräzise Spiegel und Strahlenteiler erforderlich.

Will man Vergleichsmessungen durchführen, wie z. B. bei der Formtreueprüfung mehrerer Objekte, so kann bei den bekannten Methoden also nicht immer gewährleistet werden, daß das zur Erzeugung der Konturlinien verwendete Interferenzfeld bei der Vermessung der einzelnen Objekte unverändert geblieben ist. Durch unvermeidliche kleine Änderungen im optischen Aufbau ändert sich das Interferenzfeld. Dadurch werden entweder nicht vorhandene Formabweichungen vorgetäuscht oder eventuell vorhandene Abweichungen nicht erkannt.

Um die bei den bekannten Methoden auftretenden Schwierigkeiten und Nachteile zu vermeiden, ist schon vorgeschlagen worden, den zu vermessenden Gegenstand in ein durch die Rekonstruktion eines Hologramms, in dem wenigstens zwei Lichtquellen gespeichert sind, erzeugtes räumliches Interferenzfeld zu bringen. Bei der Rekonstruktion der in dem Hologramm eesoeicherten Lichtauellen werden die von den virtuellen Bildern dieser Lichtquellen ausgehenden Wellen gleichzeitig freigesetzt und bilden durch Interferenz ein völlig stabiles räumliches Interferen/-feld. in das der zu vermessende Gegenstand eingebracht wird.

Nach diesem Vorschlag ist zur Erzeugung von Interferenzmustern, insbesondere zur Erzeugung von Höhenschichtlinien zur Koniurvermessung, nur ein in geeigneter Weise hergestelltes Hologramm nötig, das mit monochromatischem Licht beleuchtet wird. Es entfallen also die bei den bisher bekannten Methoden notwendigen, aber umfangreichen und störanfälligen Interlerometer- bzw. Holographie-Aufbauten. Es kann dabei ein Phasenhologramm oder ein Amplitudenhologramm Verwendung finden.

Insbesondere sind stabile, schwingungsisolierte Holographietische bei der Vermessung unnötig, und es kann mit einem Minimum von optischen Komponenten gearbeitet werden, so daß die Messung mil einem transportablen Gerät in einfacher Weise in jedem beliebigen Raum (z. B. einer Werkstatt) durchgeführt werden kann, der nicht speziell für Inierferometrie oder Holographie ausgelegt sein muß. wie es bei den bekannten Verfahren der Fall ist.

Auf solche Weise erzeugte Höhenschichtlinien sind für den Kon'.urenvergleich mehrerer Objekte mit einem Musterstück geeignet, weil ein völlig stationäres Interferenzfeld gebildet wird. Befindet sich ein Gegenstand in diesem räumlichen Interferenzfeld, so erscheint er von hellen und dunklen Streifen überzogen, die durch den Schnitt der Objektoberfläche mit den interferenzflachen entstehen. Diese Streifen beinhalten die gesamte Information über die Objektkontur.

Bringt man die zu vergleichenden Objekte nacheinander in die exakt gleiche Position in das stationär gebliebene Interferenzfeld, so zeigt jede Abweichung im Linienverlauf auf dem Untersuchungsobjekt vom Linienverlauf auf dem Musterslück eine Konturabweichung an der betreffenden Stelle an. Der Vorteil hierbei besteht darin, daß das Interferenzfeld stabil bleibt im Gegensatz zu den obengenannten Fällen. Für die Auswertung können wieder die bereits erwähnten Überlagerungsmethoden herangezogen werden. So kann das zu vermessende Objekt und das zum Vergleich dienende Musterstück in der jeweils gleichen Position im Interferenzfeld photographic« werden. Die mit den Konturlinien überzogenen Bilder werden visuell oder elektro-optisch nach Abweichungen im Linienverlauf durchgemustert. Die Empfindlichkeit dieses Auswertungsverfahrens ist besonders bei visuellem Vergleich nicht sehr groß, da man nur größere Abweichungen oder plötzliche Sprünge, d. h. Stufen, in der Kontur mit Sicherheit feststellen kann. Geringe Unterschiede in der Streifenkrümmung oder leichte Verschiebungen des gesamten Streifenmusters sind dagegen nur schwer zu erkennen.

Eine Steigerung der Empfindlichkeit erreicht man durch photographische Überlagerung der beiden Bilder. An den Stellen, an denen die beiden Konturen identisch sind, trifft dies auch für die Konturlinien zu. In diesem Fall liegen die hellen Streiten des einen Objektes exakt über den gleichen hellen Streifen des zweiten Objektes oder Musterstückes. Entsprechendes gilt auch für die dunklen Linien. An denjenigen Stellen jedoch, an denen sich die Konturen unterscheiden, sind die beiden Konturliniensysteme gegeneinander verdreht oder verschoben. Das dadurch bei der Überlagerung entstehende Moire-Muster läßt die Unterschiede der

beiden Konlurliniensystcme und damit auch die Abweichungen zwischen den beiden Objekikonturcn deutlicher erkennen.

In der Praxis werden aber an die Konturtreiic von Objekten oft noch wesentlich strengere Anforderungen gestellt, so daß die genannten Methoden immer noch zu ungenau und vor allen Dingen zu aufwendig sind. Vor allen Dingen ist die Erkennbarkeit von Abweichungen in den beiden bei der Auswertung überlagerten Streifenmustern gering und oft nur als undeutliche Verwischung der Streifenmuster festzustellen. Die bei der Überlagerung eventuell entstehenden Moire-Musler fallen, insbesondere bei geringfügigen Konturabweichungen, im übrigen Streifenmuster nicht sehr auf.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, für den Konturenvergleich unter Anwendung holographischer Methoden ein sehr genaues Verfahren zu entwickeln, das keinen aufwendigen Laboraufbau benötigt, sondern rasch und mit handlichen Geräten auch im rauheren Werkstattbetrieb anwendbar ist. Vor allen Dingen sollen schon geringste Konturunterschiede bei der Auswertung der überlagerten Streifenmuster viel stärker hervortreten und auf einfache Weise auswertbar sein.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten Verfahren zur Ermittlung von Konturunterschieden zwischen gleichartigen Objekten beliebiger Geometrie sowie zur Bestimmung von Verformungen an einem Objekt unter Anwendung holographischer Methoden, durch Erzeugung eines räumlichen Interferenzfeldes und damit eines Interferenzstreifenmusters sowohl auf dem zu vermessenden Objekt als auch auf einem Vergleichsobjekt durch Beleuchtung mit kohärentem Licht aus wenigstens zwei holographisch gespeicherten Punkilichtquellen und Vergleich der beiden Streifenmuster wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst:

a) Abbildung und Speicherung der Bilder der Interferenzstreifenmuster von Meßobjekt und Vergleichsobjekt,

b) Durchführung einer Phasenverschiebung des Interferenzfeldes um 180° zwischen den beiden gespeicherten Abbildungen,

c) Überlagerung der Abbildungen der Interferenzstreifenmuster von Meßobjekt und Vergleichsobjekt,

d) Auswertung der Abbildung der bei der Überlagerung entstehenden neuen Streifenmuster als Maß für die Konturunterschiede zwischen Meßobjekt und Vergleichsobjekt.

Die Erzeugung des Interferenzfeldes an sich ist nicht Gegenstand der Erfindung. Für die Art und Weise, in der die Phasenverschiebung durchgeführt wird, sind nachfolgend verschiedene Methoden genannt.

Durch die Überlagerung der Abbildungen gemäß der Erfindung entsteht an den Stellen völliger Konturen-Übereinstimmung von Vergleichsobjekt und Meßobjekt eine gleichmäßige Intensitätsverteilung, etwa Graufärbung. An den Stellen von Konturabweichungen entsteht ein im übrigen Graubild leicht erkennbares neues Streifenmuster, dessen Kontrast als Maß für die Konturunterschiede zwischen Vergleichsobjekt und Meßobjekt dienen kann. Dieses neue Streifenmuster tritt in der Graufärbung des übrigen Bildes deutlich hervor und läßt sich viel leichter feststellen als die Verwaschungen eines Streifenmusters nach den bisher bekannten Verfahren. Selbst geringfügige Konturab- weichuTigen können auf diese Weise rasch erkannt und ausgewertet werden.

Die jireifcnförmigcn Konturlinien auf dem Objekt zeigen bekanntlich eine Intensitäts-Verteilung in der Art von / = /»(1 + cos (/). Werden zwei Interfcrcn/.fclder. die gegeneinander 180" Phasenverschiebung aufweisen, einander überlagert, so ergibt sich in der photographischen Abbildung der mit den Konturlinien überzogenen Objekte durch Addition ihrer Intensitäten ein einheitlich graues Bild. Dies gill, sofern die Konturen

ίο der Objekte exakt übereinstimmen. An denjenigen Stellen jedoch, an dunen die Konturen der zu vergleichenden Objekte voneinander abweichen, entstehen bei der Überlagerung durch die Addition der Intensitäten neue Streifenmuster in der ArI von Moire-Streifen, deren Kontrast von der Phasendifferenz der beiden Streifensysteme und damit von der Größe der Konlurabweichung abhängt. Diese neuen Streifenmuster sind bei der Abbildung sehr leicht zu erkennen und ermöglichen auch eine quantitative Auswertung. In der Abbildung kann ein Linienversatz nach der einen oder anderen Richtung, also z. B. links oder rechts, auftretende nachdem, ob ander betreffenden Stelle eine Konturenerhöhung oder -vertiefung gegenüber dem Musterobjekt vorliegt.

Ausführungsbcispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens, wobei sowohl das gespeicherte Interferenzfeld hergestellt als auch der Konlurvcrgleich durchgeführt werden kann,

F i g. 2 eine Vereinfachung des Aufbaues von Fig. I, Fig. 3 eine Abwandlung des. Aufbaues von Fig. 1 und

Fig.4 eine andere !Möglichkeit zur Durchführung einer Phasenverschiebung des Interferenzfeldes.

Fig 5 eine weitere 'Möglichkeit zur Durchführung der Phasenverschiebung,

Fig.6a bis 6c eine graphische Darstellung von Iniensitätsverteilungen bei verschiedenen Phasendifferenzen.

Es sei zunächst das Prinzip des Verfahrens an Hand der F i g. 1 beschrieben. Der zu vermessende Gegenstand G, der hier als Propeller mit den beiden Flügeln Gi und G 2 angenommen ist, befindet sich im Interferenzfeld /. Dieses räumliche Interferenzfeld / wird durch die Rekonstruktion eines Hologramms Ho. in dem zwei punktförmige Lichtquellen gespeichert sind, erzeugt. Zur Herstellung des hier genannten, zur Speicherung des Interfeirenzfeldes verwendbaren HoIogramms Ho wird in einer Holographie-Anordnung der von einem Laser L ausgehende Strahl über einen Spiegel PX umgelenkt und von einem Objektiv OX aufgeweitet. Der Verschluß VI ist dabei geöffnet, die Verschlüsse V2 und V3 sind geschlossen. Mittels der

vom Objektiv 0 1 ausgehenden Referenzwelle wird die über den Strahlenteiler STX gehende und vom Brennpunkt des Objektivs O 4 ausgehende Objektwelle in der Hologrammplatte Ho gespeichert. Nach einer ersten Belichtung der Hologrammplatte Wo wird die aus

Objektiv O 4 und dem Strahlenteiler STX bestehende Einheit A. z. B. mittels einer nicht dargestellten Mikrometerschraube und einer Schlittenführung, in der angedeuteten y-Richtung verschoben. Der Brennpunkt des Objektivs OA gelangt dabei aus der ursprünglichen Position in eine neue Position. Anschließend erfolgt die zweite Belichtung der Hologrammplatte Ho. Die unterschiedliche Lage der Brennpunkte entspricht dann bei der Rekonstruktion des Hologramms den beiden

ff

unterschiedlichen Punktiichtquellen. Statt einer Verschiebung der ganzen Einrichtung A kann auch das Objektiv O4 allein in der angedeuteten \-Kichtung verschoben werden. In beiden Fallen sind also zwei punkiförmigc Lichtquellen in der Hologrammplaite Ho > gespeichert.

Zur Vermessung der miteinander zu vergleichenden Propellerflügel GX und (7 2 wird die gesamte Einrichtung A so weil aus dem Strahlengang gefahren, daß der Laserstrahl am Strahlenteiler STX vorbeigeht ro und nach Umlenkung am Spiegel PX vom Objektiv O I aufgeweitet wird und als sphärische Rckonstruktionswelle aus dem Hologramm Ho die beiden erwähnten, nicht näher eingezeichneten Punkllichtquellen und damit das räumliche Interferenzfeld /erzeugt. is

Das Intcrfercnzfeld /erzeugt auf dem zu vermessenden Gegenstand C Höhenschichtlinien. Diese sind in der Zeichnung auf den beiden Propelicrfliigeln G 1 und G 2 grob angedeutet. Es sei noch erwähnt, daß die Streifendichte der Höhenschichtlinien oder Konturlinien in hier nicht weiter beschriebener Weise veränderbar ist. Damit ist auch die Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit des hier beschriebenen Verfahrens je nach Bedarf wählbar. Die Höhenschichtlinien oder Konturlinien auf dem Flügel GX oder G2 werden mit einer >;·, Kamera ACaIs Bilder aufgenommen. Dabei können zwei experimentelle Varianten durchgeführt werden. In beiden Fällen sei angenommen, daß der Propcllerflügcl G 1 als Musterflügel bzw. Verglcichsobjekt und der Propellerflügel Gl als Meßobjekt, d.h. als zu vermessendes Objekt, angesehen wird.

Bei der einen Variante wird von dem mit Konturlinien überzogenen Musterflügel G X als Vergleichsobjekt ein Hologramm angefertigt. Dabei sind die Verschlüsse Vl und V2 geöffnet. V3 geschlossen. Der vom Laser L 3s kommende Strahl wird am Strahlenteiler ST2 in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Der durchgehende Strahl wird — wie vorhin beschrieben — über den Planspiegel PX und das Objektiv OX zur Rekonstruktion der Punktlichtquellen benutzt, von denen die sphärischen Wellen zur Beleuchtung der Propellerflügel mit dem Interferenzmuster ausgehen. Der am Strahlenteiler S7~2 reflektierte Strahl gelangt durch den Verschluß V 2, den Spiegel P2 und das Objektiv O2 als Refercnz.strahl R 2 direkt auf die Hologrammplatte H. wo das Konturlinienbild des Vergleichsobjekts G X gespeichert wird. Anschließend wird der zu vermessende Flügel G 2, das Meßobjekt, in exakt die gleiche Position wie das Vergleichsobjekt G X gebracht und von ihm auf dieselbe Hologrammplatte Wein Hologramm mit der Referenz,- so welle A3 gemacht. Dabei ist der Verschluß V2 geschlossen, und die Verschlüsse VI und V3 sind offen. Der am Strahlenteiler ST3 reflektierte Strahl fällt über den Spiegel P 3 und das Objektiv O 3 direkt auf die Hologrammplatte N. Im Hologramm H sind jetzt die Konturlinienbilder von Vergleichsobjekt und Meßobjekt, d.h. beider Flügel Gl und GZ gespeichert. Zwischen den beiden Aufrahmen wird im Interferenzfeld /eine Phasenverschiebung von 180° durchgeführt. Auf die Art und Weise, wie diese Phasenverschiebung erfolgt, ist weiter unten näher eingegangen. Bringt man nach der photochemischen Behandlung die Hologrammplatte H in die Aufnahmeposition zurück und beleuchtet das Hologramm Hnur mit der Referenzwelle R2(Verschlüsse Vl und V3geschlossen, Verschluß V2 *s offen), so sieht man das Konturlinienbild des Vergleichs objekts, d. h. des Flügels G1, bzw. man kann es mit dci Kamera K photographieren. Eine Beleuchtung des Hologramms H mit der Relerenzwelle R ) (Verschlüsse Vl und V2geschlossen. Verschluß V3 offen) ergibt das Konturlinienbild des Meßobjekts, also des zu vermessenden Flügels G 2.

Gleichzeitige Beleuchtung des Hologramms // mit den Refercnzwcllen R2 und /?3 (Verschlüsse V2 und V3 offen. Verschluß VX zu) liefert beide Bilder gleichzeitig und damit die für die Auswertung benötigte Überlagerung der beiden Bilder. Diese Überlagerung kann direkt oder nach dem Zwischenschalten einer photographischen Abbildung beobachtet werden.

Eine andere Variante gestattet es. die volle Leistungsfähigkeit des Verfahrens auszunutzen, nämlich die Unabhängigkeit von störanfälligen Holographie-Aufbauten. Dabei wird auf die holographische Speicherung der Konturlinicnbilder verzichtet, und die mit den Höhenschichtlinien des Interferenzfeldcs überzogenen Propellerflügel werden direkt von der Kamera K photographiert. Die Überlagerung der beiden Bilder erfolgt dabei durch zweimalige Belichtung desselben Filmnegativs. Die vorhin zur Herstellung des Hologramms // benutzten optischen Bauteile sind jetzt nicht mehr notwendig. Nur zur einmaligen Herstellung des Hologramms Ho der gespeicherten Punktlichtquellen bedarf es besonderer Holographie-Aufbauten. Für das weitere Verfahren können robuste und für den Werkstaltbetrieb geeignete Geräte verwendet werden.

Der neben dem Objekt G eingezeichnete Hilfsspiegcl -S' lenkt einen Teil des Interferenzfeldes auf eine Mattscheibe M. die in der Nähe des Speicherhologramms Ho angeordnet ist. Auf der Mattscheibe M befinden sich im Abstand der aufprojizicrtcn Interfcrenzlinicn Markierungsstriche. So läßt sich dann die Verschiebung der Interferenzlinien um 180'. d.h. um eine halbe Streifenperiode, durch Verschieben des Hologramms Ho mit einer Mikrometerschraubc MS in der eingezeichneten ^-Richtung genau kontrollieren.

Stimmen die Konturen der beiden Flügel G I und G 2 überein, so liegen auf dem Filmnegativ die hellen Streifen des Vergleichsobjekts G1 genau über den dunklen Streifen des Mcßobjckts G 2 und umgekehrt. Daraus resultiert ein gleichmäßig graues Bild. An denjenigen Stellen jedoch, an denen die beiden Konturen voneinander abweichen, sind auch die Streifensysteme gegeneinander verschoben. Wo jetzt helle Linien übereinanderliegen. wird das Bild aufgehellt, wo dunkle Linien zur Deckung kommen, wird das Bild dunkler, so daß nur an den Stellen der Konturabweichungen auf dem Objektbild ein Streifenmuster zu sehen ist, während die Stellen gleicher Kontur einheitlich grau bleiben.

In F i g. 6 sind die Verhältnisse bei der Überlagerung von Konturlinien schematisch angedeutet. In den einzelnen F i g. 6a bis 6c ist jeweils eine cos-förmige Intensitätsverteilung /1 = /0 (1 + cos φ) der Konturlinien in einem Interferenzfeld und eine ebenfalls cos-förmige Intensitätsverteilung /2 der vom anderen, phasenverschobenen Interferenzfeld erzeugten Konturlinien dargestellt. Die Streifenperiode der Interferenzfelder ist mit ρ eingezeichnet und gilt für beide Fälle. Ein Unterschied zwischen den Intensitätsverteilungen /1 und /2 besteht darin, daß h gegenüber /1 um einen Winkelbetrag Δφ phasenverschoben ist Es gilt also h — /o[l + cos (φ + Δφ)\ Im Beispiel der Fig. 6a beträgt die Phasenverschiebung .<4φ = 180°. Die Überlagerung der beiden Intensitäten, also Ign = /1 + ft, ergibt hier in der graphischen Darstellung eine Gerade bzw in der photographischen Abbildung ein gleichmäßig graues

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Bild, denn /ι und /> sind hier gcgenphasig. In lig. bb beträgt die Phasenverschiebung J(/ = I 35 . /ι und /.' sind hier nicht mehr gegenphasig. Ihre Überlagerung gibt hier schon deutliche Intcnsitä'tsschwankungen und damit auf der Abbildung einen Kontrast. Schließlich ist in Fig.6c eine Phasenverschiebung von Ay = 45 angenommen. Bei der Überlagerung /jm = /ι + Ii sind sehr starke Intensitätsschwankungen bzw. ein erheblicher Kontrast festzustellen. Der Kontrast ist also ein Maß für die Phasendifferenz und somit auch ein Maß für Konturabweichungen bei den zu vergleichenden Objekten.

Ergänzend sei noch erwähnt, daß die Markierungsstriche auf der Mattscheibe M auf beliebige Weise aufgebracht sein können. So ist es möglich, sie aus den Aufbauabmessungen rechnerisch und zeichnerisch /u ermitteln bzw. aufzubringen. Andererseits kann auch eine photographische Abbildung des im Speicherhologramm Ho gespeicherten Interfercnzfeldes herangezogen werden.

Als Hilfsmittel zur quantitativen Abschätzung von Konturunterschieden kann auf einem der Flügel G 1 oder G 2 eine künstliche, wohldefinierte Konturabweichung erzeugt werden. Diese künstliche Fehlerstelle besteht z. B. aus einem Streifen mit mehreren übereinandergeklebten Folien in der Form einer Treppe. Die erste Stufe kann z. B. eine Höhe von 0.1 mm. die zweite von 0.2 mm, die dritte von 0,3 mm, die •'ierte von 0.4 mm usw. besitzen. Wird z. B. vom Vergleichsflügei ein erstes Bild der Konturlinicn angefertigt und sodann vom gleichen Flügel nach einer ^"-Phasenverschiebung des Interferenzfeldes ein zweites Bild angefertigt, wobei zusätzlich ein Folienstreifen mit abgestuften Höhen auf den Flügel aufgebracht wird, und werden dann die beiden Bilder zur Überlagerung gebracht, so erscheint der ganze Flügel in einheitlich grauem Bild, denn da es sich um einen identischen Gegenstand handelt, können naturgemäß keine Fehlerstellen auftreten. Nur an der Stelle des aufgeklebten Folienstreifens aber, der als gewollter Fehler zu betrachten ist. tritt aus dem einheitlich grauen Bild der Bereich di?r Konturabweichung — also des Fehlers — als gestreifte Zone deutlich hervor. Der Streifenkontrast hängt vom Konturunterschied, also von der Stufenhöhe des künstlichen Fehlers bzw. der Folie ab. Da alle Kontraststufen jeweils zu einem bekannten Konturunterschied zugeordnet sind, laßt sich das Bild als Hilfsmittel zur abschätzungsweise quantitativen Auswertung für den Konturvergleich aller mit diesem Musterflügel zu vergleichenden Objekte heranziehen. Eine exakte Auswertung der überlagerten Bilder ist bei Kenntnis der optischen Anordnung (Beobachtungswinkel, Streiftndichte des Interferenzfeldes usw.) durch photometrische K.ontrastmessung am resultierenden Streifenmuster möglich, wobei die aus der Literatur bekannten Berechnungen übernommen werden können. Die Fig.2 zeigt einen vereinfachten Aufbau der Anordnung nach Fig. 1. Vorausgesetzt ist wieder das Vorhandensein eines Speicherhologramms auf der Hologrammplane Ho. in dem zwei punktförmigc Lichtquellen gespeichert sind. Durch Beleuchtung vom Laser L über Spiegel Pi und Objektiv Oi wird das Interferenzfeld /erzeugt und dadurch werden auf dem Objekt G bzw. den zu vergleichenden Einzelobfekten GX oder G 2 Konturlinien erzeugt Durch den Strahlenteiler ST2 wird ein Teil des Laserstrahles zum Spiegel P2 und Objektiv O2 geleitet. Er wird dort aufgeweitet und bildet die Referenzwelle R 2. Insoweit herrscht noch Übereinstimmung mit dem Aufbau gemäß Fig. 1. Auf der Hologrammplatte // werden Konturlinicn und Referenzwelle gespeichert. Das I lologramm kann in üblicher Weise entwickelt und dann wieder exakt an den Aufnuhmcort zurückjustiert werden. Eine andere Möglichkeit bestellt darin, das Hologramm nach der Aufnahme an Ort und Stelle zu entwickeln, was eine wesentliche Vereinfachung bedeutet, da das exakte Justieren entfällt.

ίο Die erforderliche Phasenverschiebung des Intcrferenzfeldes um 180° läßt sich nach Entwicklung der Hologrammplatte // verhältnismäßig leicht durchführen. Es wird hierzu - wie bei der Aufnahme des Hologramms // - der Musterflügcl bzw. das Vergleichsobjekt G I wieder über das Objektiv O 1 aus dem Speicherhologramm Ho beleuchtet und gleichzeitig die Referenzwelle R 2 benutzt. Sodann wird das Speicherhologramm Ho in der beschriebenen Weise verschoben und dadurch eine Phasenverschiebung des Interferenzfeldes bewirkt. Bei Betrachtung des Hologramms H stimmen dann die Konturlinien auf dem Vergleichsobjekt G 1 nicht mehr mit den Konturlinien des aufgenommenen Hologramms H überein, sondern bilden dort bei richtiger Verschiebung zusammen mit der Referenzwelle R 2 eine einheitlich graue Färbung. Die Phasenverschiebung von 180° läßt sich hierdurch rasch und genau einstellen. Nunmehr kann das Meßobjekt C 2 in das phasenverschobene Interferenzfeld /gebracht und die oben beschriebene Auswertung begonnen werden. Das Hologramm H wird außerdem nach wie vor mit der Referenzwelle R 2 beleuchtet. Man erhält so auf der Hologrammplatte Wdie Überlagerung der Konturlinien des Vergleichsobjekts G I und der Konturlinien des Meßobjekts G 2. Die Hologrammplatte H mit ihren überlagerten Bildern kann durch Photographic oder Betrachtung mit dem Auge ausgewertet werden. Stimmen die Konturen von Vergleichsobjekt Gi und zu vergleichendem Meßobjekt G2 überein, so ergibt das eine einheitliche Graufärbung. wogegen bei Konturabweichungen ein Moire-Muster erscheint, wie oben bereits ausgeführt wurde.

Die Fig. j zeigt in vereinfachter Darstellung eine Abwandlung zur Fig. 1. Im Speicherhologramm Ho sind wiederum zwei Punktlichtquellen gespeichert. Die Rekonstruktion des Speicherhologramms erfolgt durch Beleuchtung vom Laser L über das Objektiv O. wobei das Interferenzfeld /entsteht. Das Interferenzfeld ergibt wiederum die Höhenschichtlinien oder Konturlinien auf dem Gegenstand G. Außerdem ist die Aufnahmekamera K zur Abbildung des mit Konturlinien überzogenen Gegenstandes angedeutet. Zur Phasenverschiebung zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Aufnahmen von Vergleichsobjekt und Meßobjekt wird das Hologramm Ho in der angedeuteten Pfeilrichtung durch eine Mikrometerschraube MS verschoben. Zur Kontrolle der Verschiebung ist eine Mattscheibe M vorgesehen, die in einem Teil des Interferenzfeldes J liegt. Ferner ist noch ein Mikroskop oder eine Lupe Lu zur Beobachtung der Verschiebung der Interferenzlinien auf der Mattscheibe M vorgesehen. Die Kombination von Mattscheibe und Lupe entspricht in Aufgabe und Wirkungsweise dem Hilfsspiegel Sund der Mattscheibe Maus der F i g. 1. Ferner ist hier noch ein Wechselmagazin IV mit verschiedenen gespeicherten Hologram-&5 men vorgesehen. Durch passende Auswahl aus diesem Wechselmagazin kann je nach Bedarf ein Hologramm gewählt werden, das eine verschiedene Streifendichtc der Konturlinien je nach Bedarf ermöglicht Die

gewünschte Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit kann auf diese Weise eingestellt werden.

F i g. 4 zeigt schließlich schemalisch eine andere Möglichkeit zur Durchführung der Phasenverschiebung um 180". Hier wird die Phasenverschiebung nicht durch Verschicben des Speicherhologramms, sondern auf andere Weise bewerkstelligt. Der Aufbau ist folgender:

Von einem Laser /. ausgehend wird über einen Strahlenteiler ST und einen Verschluß V5 ein Strahl /um Umlenkspiegel P5 geführt. Sodann wird dieser Strahl vom Objektiv O5 aufgeweitet und trifft auf das .Speicherhologramm Ho'. Ein zweiter Weg, der in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist, führt vom Strahlenteiler 57" über den Verschluß V6, den Umlenkspiegel P6 und das Objektiv O6 ebenfalls zum Speicherhologramm Ho'. Im Speicherhologramm Ho' sind in diesem Falle jedoch zwei Paare von Punktlichtquellen gespeichert, die zwei um 180° phasen verschobene Interferenzfelder erzeugen. Das eine Paar davon ergibt bei der Rekonstruktion durch die vom Objektiv-OS ausgehenden Wellen in üblicher Weise ein Interferenzfeld /1. Dabei ist der Verschluß V5 offen und der Verschluß V6 geschlossen. Bei anderer Einstellung der Verschlüsse, d. h. Verschluß V5 zu und Verschluß V 6 offen, wird durch die vom Objektiv O6 ausgehenden Wellen ein zweites, gegenüber dem ersten Interferenzfeld j X um 180° phasenverschobenes Interferenzfeld /2 erzeugt. Bei zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen durch die Kamera K werden einmal die vom Intcrferenzfeld /1 gezeichneten Konturlinien und beim zweitenmal die vom Interferenzfeld /2 gezeichneten, um 180° phasenverschobenen Konturlinien abgelichtet.

In F i g. 5 ist eine weitere Möglichkeit aufgezeigt, wie die Phasenverschiebung zwischen den beiden photographischen Aufnahmen durchgeführt werden kann. Es wird hier ein Speicherhologramm Ho verwendet, in dem wiederum zwei Punkilichtquellen gespeichert sind. Die Speicherung erfolgt hier jedoch im Gegensatz zu dem in Fig. 1 beschriebenen Verfahren nicht mit einer, sondern mit zwei Referenzweilen, nämlich den Referenzwellen Rl und R 7. Die Aufnahme des Hologramms ist nicht besonders dargestellt, sondern nur die Rekonstruktion des Hologramms. Die Rekonstruktion über den offenen Verschluß VX, Spiegel PX und

Objektiv O 1 liefert durch die Referenzwelle R 1 das Interferenzfeld /1. Die Rekonstruktion durch die Referenzwelle Rl über Strahlenteiler ST7, offenen Verschluß V7, Spiegel P7 und Objektiv O7 liefert das -^ Interferenzfeld /2. Sofern nach der Aufnahme des Hologramms die Referenzwellen Ri und R 7 keine Veränderung erfahren haben, sind die beiden Interferenzfelder / 1 und /2 identisch und deckungsgleich, d. h., bei gleichzeitiger Beleuchtung des Hologramms Ho mit den Referenzwellen Rl und R 7 ist nur ein einziges Interferenzfeld festzustellen. Wird jedoch die Lage einer der beiden Referenzwellen verändert, z. B. durch Verschieben des Objektivs O7, bzw. der ganzen aus Strahlenteiler ST7, Verschluß V7, Spiegel P7 und '5 Objektiv O7 bestehenden Einheit A'in der eingezeichneten Pfeilrichtung, so bleibt das Interferenzfeld /1 unverändert, während das von der Referenzwelle R 7 erzeugte Interferenzfeld J 2 seine Phase ändert. Bei gleichzeitiger Beleuchtung mit Referenzwelle R X und R 7 kann diese Phasenverschiebung des Interferenzfeldes /2 gegenüber /1 auf einem Schirm beobachtet werden.

Beträgt die Phasenverschiebung genau 180°, so

verschwinden die Interferenzen, und der Schirm erscheint einheitlich grau. Dieser Abgleich kann visuell oder photometrisch erfolgen. Ist die Anordnung auf diese Weise einmal justiert, so können mit den Referenzwcllen R\ und R7 durch abwechselndes Öffnen bzw. Schließen der Verschlüsse V t bzw. V7 die beiden für den Konturenvergleich nötigen, um 180° gegeneinander phasenverschobenen Interferenzfelder erzeugt werden. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß ein Wechsel der Interferenzfelder zur Durchführung der photographischen Aufnahmen der Objekte sehr einfach durchzuführen ist. Außerdem sind die Interferenzfelder bei Bedarf gleichzeitig sichtbar zu machen, wodurch die Einstellung der Phasendifferenz von 180° sehr erleichtert wird. Die Herstellung des Speicherhologramms erfordert hier bei dieser Ausführungsform wesentlich geringere Präzision als etwa die Herstellung des in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 verwendeten Hologramms. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel ist besonders für die reihenweise Überprüfung bzw. Vergleich einer ganzen Serie von Objekten mit einem Musterobjekt geeignet.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung von Konturunierschieden /wischen gleichartigen Objekten beliebiger Geometrie sowie zur Bestimmung von Verformungen an einem Objekt unter Anwendung holographischer Methoden, durch Erzeugung eines räumlichen Interferenzfeldes und damit eines Interferenzstrei fenmusters sowohl auf dem zu vermessenden Objekt als auch auf einem Vergleichsobjekt durch Beleuchtung mit kohärentem Licht aus wenigstens zwei holographisch gespeicherten Punktlichtquellen und Vergleich der beiden Streifenmuster, gekennzeichnet durch die Vereinigung der Merkmale:

a) Abbildung und Speicherung der Bilder der Interferenzstreifenmuster von Meßobjekt (G 2) und Vergleichsobjekt (G 1),

b) Durchführung einer Phasenverschiebung des Interferenzfeldes um 180° zwischen den beiden gespeicherten Abbildungen.

c) Überlagerung der Abbildungen (/I, /2) der Interferenzstreifenmuster von Meßobjekt (G 2) und Vergleichsobjekt (G 1).

d) Auswertung der Abbildung der bei der Überlagerung entstehenden neuen Streifenmuster (/ 1 und /2) als Maß für die Konturunterschiede zwischen Meßobjekt (G2) und Vergleichsobjekt (G I).

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung des Interfercn/feldes mittels mechanischer Verschiebung eines Speicherhologramms (Ho)in seiner Ebene erfolgt.

J. Verfahren nach Anspruch I, gekennzeichnet durch Verwendung eines Speicherhologramms (Ho'), in dem zwei Paare von Punktlichtquellcn gespeichert sind, und durch Rekonstruktion des einen Paares mit einer ersten Rekonstruklionswelle und des zweiten Paares mit einer zweiten Rekonstruktionswelle derart, daß zwei um 180° phasenverschobene Interferenzfelder (/ 1,/2) entstehen.

4. Verfahren nach Anspruch I. gekennzeichnet durch

a) Aufnahme eines Speicherhologramms (Ho) mittels gleichzeitiger Beleuchtung durch zwei verschiedene Referenzwellen (R I, R 7),

b) getrennte Rekonstruktion des Speicherhologramms (Ho)einmal durch Beleuchtung mit der einen ursprünglichen Referenzwelle (z. B. R 1) und 7tim andern durc-h Beleuchtung mit der anderen ursprünglichen Referenzwelle (z. B. /?7)und

c) Verschieben der optischen Einrichtung (A') einer der beiden zur Rekonstruktion benutzten Referenzwellen (z. B. R 7) relativ zum Speicherhologramm (Ho) zwischen den getrennten Rekonstruktionen zur Erzielung einer Phasenverschiebung des Interferenzfeldes.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anordnung einer Mattscheibe (M) in der Nähe des verschiebbaren Speicherhologramms (Ho) mit dem Abstand der aufprojizierten Interferenzlinien entsprechenden Markierungsstrichen und durch Anordnung eines einen Teil des Interferenzfeldcs auf die Mattscheibe (M) reflektierenden Hilfsspiegels (S).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch holographische Speicherung

des vom Interferenzstreifenmuster überzogenen Meßobjektes (G 2) zusammen mit einer ersten Referenzwelle (A3) und Speicherung des ebenfalls vom Interferenzsireifenmusier überzogenen Vergleichsobjekts (Gl) zusammen mit einer zweiten Referenzwelle (R 2) auf einer gemeinsamen HoIogrammpiaite (H) und durch gleichzeitige Rekonstruktion des Hologramms in seiner Aufnahmeposition mit beiden Referenzwellen (R2, R J).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch unmittelbare photographische Abbildung und Überlagerung der Interferenz-Streifenmuster von Meßobjekt (G 2) und Vergleichsobjekt (G 1) auf eine gemeinsame photographische Aufnahme.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. gekennzeichnet durch das Aufbringen von in ihrer Dicke definiert abgestuften Meßstreifen auf die Oberfläche eines der zu vergleichenden Objekte.