DE2457253C2

DE2457253C2 - Optisches interferometrisches Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings

Info

Publication number: DE2457253C2
Application number: DE2457253A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 5000 Köln Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1974-12-04
Filing date: 1974-12-04
Publication date: 1982-09-02
Also published as: JPS5183549A; JPS5619561B2; FR2293713B1; FR2293713A1; DE2457253A1; GB1488536A; US4046477A

Description

a) die Bestrahlung der Prüflingsoberfläche erfolgt vor der Strahlteilung,

b) der Referenzstrahl durchläuft eine Verzögerungsstrecke der Länge s mit einer Verzögerungszeit gegenüber dem Meßstrafcl, die der

halben Periode—der Ultraschallwelle mit der

Ultraschallfrequenz /entspricht und

c) der Referenzstrahl wird danach im Lichtempfänger zur Erzeugung eines der Auslenkung entsprechenden resultierenden Signals hinreichend deckungsgleich zum Meßstrahl abgebildet und die Winkelbedingung

. λ/2 a< —

mit

α = Divergenzwinkel des empfangenen Streulichts,

d = Durchmesser der Fotozelle,
λ = Wellenlänge des Lichts

erfüllt ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit gegenüber dem

Meßstrahl gleich der halben Periode—der Ultraschallwelle mit der Ultraschallfrequenz /ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Verzögerungsstrecke die Länge s der Verzögerungsstrecke mit einem zweiten Interferometer gemessen und durch ein Stell- oder Regelelement nachgestellt wird, derart, daß Schwankungen eines den Referenzstrahl reflektierenden Spiegels kompensiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung des Einflusses von Längenänderungen der Verzögerungsstrecke diese mit einer Frequenz /i>/ periodisch verändert wird, so daß die Ultraschallfrequenz /am Ausgang des den Referenz- sowie den Meßstrahl empfangenden Lichtempfängers in einem von der Frequenz /1 modulierten, elektrischen Signal vorliegt

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bti gleichmäßiger Beleuchtung des Lichtempfängers, dadurch gekennzeichnet, daß bei divergentem Licht die Länge L zwischen der Prüflingsoberfläche und dem Strahlteiler größer oder gleich dem Fünffachen der Länge der Verzögerungsstrecke Sist

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei gleichmäßiger Beleuchtung des Lichtempfängers, dadurch gekennzeichnet, daß zur

hinreichend deckungsgleichen Abbildung von Meß- und Referenzstrahl ein teleskopisches Linsensystem mit einer Blende im gemeinsamen Brennpunkt zwischen der Prüflingsoberfläche und dem optischen Strahlteiler als RichtungEfilter vorhanden ist, so daß durch diesen der zulässige Winkelbereich aus dem diffus reflektierten Licht ausgewählt ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurcn gekennzeichnet, daß ein Richtungsfilter zwischen dem optischen Strahlteiler (2) und einem Hilfsspiegel (10) angeordnet ist

8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 zur Ultraschallprüfung von hocherhitztem und/oder schnelldurchlaufendem Gut

Die Erfindung betrifft ein optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings, bei dem die Prüflingsoberfläche durch einen Laserstrahl bestrahlt und der Laserstrahl an einem optischen Strahlteiler in einen Meß- und einen Referenzstrahl, die relativ zueinander zeitverzögert sind, aufgespalten wird.

Ein solches Verfahren ist aus der GB-PS 13 58 753 bekannt

Ein wirklich berührungsloser Empfang von Schallwellen ist möglich, wenn man optisch die Auslenkung der Prüflingsoberfläche durch den Schall mißt. Diese Auslenkung ist klien und beträgt bei dem in der Werkstoffprüfung üblichen Frequenz- und Amplitudenbereich ca. 10 Nanometer und weniger. Daher sind interferometrische Methoden nötig, um so geringe Verschiebungen in der Prüflingsoberfläche nachweisen zu können.

Bei der Ultraschallprüfung von Werkstücken werden als Schallempfänger weitgehend piezoelektrische Wandler verwendet Sie müssen aber durch ein Medium, welches den Schalldruck überträgt, an das Werkstück angekoppelt werden, erfordern also eine Berührung des Materials. Diese bereitet bei der Prüfung heißer Teile oder in automatisch arbeitenden Anlagen bei hoher Durchlaufgeschwindigkeit des Prüfgutes Schwierigkeiten. Deshalb sind zwar magnetisch« oder elektrostatische Empfangsverfahren vorgeschlagen worden, bei

so welchen eine direkte Berührung des Prüflings entfällt Diese Empfänger erfordern wegen des starken Abfalls ihres Signals mit der Entfernung aber eine Annäherung an die Oberfläche des Prüfgutes bis auf Bruchteile eines Millimeters, sind aber selbst dann noch unempfindlicher als ein piezoelektrischer Wandler. Die erwähnten Schwierigkeiten werden durch diese sogenannten trockenen Verfahren deshalb nicht beseitigt

Bei dem aus der britischen Patentschrift GB 13 58 753 bekannten Verfahren wird die Oberfläche eines Prüflings, der durch Ultraschall beschallt wird, durch einen Laserstrahl bestrahlt Hierbei fällt das Laserlicht zunächst auf einen halbdurchlässigen Spiegel und wird in ein Meß- und ein Referenzstrahlenbündel aufgespalten. Das Meßstrahlenbündel fällt auf die schwingende Oberfläche auf, wird hier reflektiert, danach in einem Linsensystem aufgeweitet, tritt dann nach nochmaliger Reflexion an einem Spiegel durch den halbdurchlässigen Spiegel, wird von einer Linse gebündelt und dann in

einer Abbildungsebene durch einen optoelektrischer! Wandler erfaßt Das Referenzstrahlenbündel hat nach unmittelbarer Reflexion am halbdurchlässigen Spiegel den gleichen Strahlengang, so daß beide Bündel in der Afabildungsebene des Wandlers zur Interferenz gebracht werden können.

An den für die Werkstoffprüfung wichtigen rauhen Rächen ist die aus der GB-PS 13 58 753 bekannte interferometrische Messung nicht durchführbar, da die Phase des an rauhen Flächen reflektierten Strahls innerhalb des Gesichtsfeldes unregelmäßig schwankt und sich deshalb auf der Empfängerfläche des Wandlers, einer Fernsehkamera, eine ungleichmäßige Helligkeit einstellt In diesem Fall kann man zwar die Oberfläche des Prüflings in den Brennpunkt einer Linse stellen. Dann wird zwar nur ein Punkt der schwingenden Oberfläche beleuchtet, und das diffus reflektierte Licht wird parallel ausgerichtet Der Meßstrahl trifft wieder als ebene Welle auf den Wandler auf und erfüllt bei einem Planspiegel als Vergleichsfläche die geforderte Bedingung

a =

λ/2 d

Für die Anwendung in der Werkstoffprüfung hat das bekannte Verfahren aber folgende Nachteile:

Es ist eine genaue Führung der abzutastenden Prüfgutoberfläche notwendig, um diese immer im Brennpunkt der Linse zu halten. Abweichungen aus dieser Lage verursachen eine zusätzliche, unerwünschte Helligkeitsmodulation. Eine derart genaue Führung des durchlaufenden Prüfgutes ist aber schwierig. Ferner wird auch die Rauhigkeit der Werkstückoberfläche mit abgetastet und diese erzeugt eine zusätzliche Hellig keitsmodulation mit störenden Frequenzen. Die mögliche Prüfgeschwindigkeit ist daher auf den Bereich von einigen mm/s beschränkt. Dann ist nachteilig, daß ein unterschiedliches Reflexionsvermögen der Werkstückoberfläche ungleiche Amplituden im Meß- und Vergleichsstrahl verursacht Auch ist ein scharfer Brennpunkt erforderlich. Dieser bedingt durch die Gesetzmäßigkeiten der optischen Abbildung, Meßentfernungen von der Größe von 10 cm. Diese geringen Meßentfernungen grenzen die Anwendungsmöglichkeiten des bekannten Verfahrens in der Praxis jedoch stark ein. Zuletzt erfolgt die Schallabnahme nur von einem Punkt der Oberfläche. Es ist jedoch die Intergration über eine größere Fläche, etwa von der Größenordnung wie bei einem normalen Prüfkopf, wünschenswert

Aus der DE-OS 19 46 495 ist ein Verfahren zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche bekannt, bei dem mit Hilfe eines optischen Systems zwei Abbildungen der Oberfläche einander überlagert und in einer Abbildungsebene zur Interferenz gebracht werden. Allerdings schwingt hier die Prüflingsoberfläche nicht, der Prüfling ist eine auf angemessene Weise polierte Siliziumscheibe, und es wird als kohärente Strahlungsquelle kein Laser verwendet. Wie beim erfindungsgemäßen Verfahren wird erst der an der Prüflingsoberfläche reflektierte Strahl von einem Strahlteiler, hier einem Doppelprisma, in einen Meß- und Referenzstrahl aufgespalten.

Ferner ist aus der DE-AS 15 48 394 ein Verfahren zur Messung mechanischer Schwingungen mit Hilfe eines Interferometers bekannt, bei dem ein Laserstrahl zunächst auf einen als Strahlteiler wirkenden halbdurchlässigen Spiegel fällt, in Meß- und Referenzstrahlbündel aufgespalten wird, cas Referenzstrahlenbündel an einem Spiegel zurückgespiegelt und über den Strahlteiler einer fotoelektrischen Einrichtung zugeführt wird, während Meßstrahlenbündel an der Oberfläche des Prüflings reflektiert und über den halbdurchlässigen Spiegel ebenfalls auf die fotoelektrische Einrichtung fällt welcher eine Signalverarbeitungseinrichtung nachgeschaltet ist Wenn auch Meß- und Referenzstrahlenbündel eine Phasenverschiebung haben müssen, um

so überhaupt in der fotoelektrischen Einrichtung zur Interferenz gebracht zu werden, so betrifft das Verfahren doch nur hochglatte Oberflächen. Wie beim Verfahren nach dem Anspruch 4 wird die Verzögerungsstrecke mit einer bestimmten Frequenz verändert Es ist bereits ein Laserinterferometer bekannt um hohe Geschwindigkeiten reflektierender Oberflächen ZiJ messen, und zwar vornehmlich durch Geschosse bewirkte. Die Vibration des schlagartig auf eine Platte auftreffenden Geschosses wird auf eine andere, als Prüfling dienende Platte übertragen, die über ein optisches System durch einen Laser bestrahlt wird. Erst der am Prüfung reflektierte Laserstrahl wird durch einen Strahlteiler in einen Meß- und einen Referenzstrahl geteilt, die in einen Photomultiplier überlagert werden. Die Apparatur ist allerdings aufwendig, und die Prüflingsoberfläche muß bei einer Ausführung, dem sogenannten Sandia Laserinterferometer, verspiegelt sein. Bei einer anderen Ausführung auf der Basis des Michelson-Interferometers wird das Licht einer diffusen Lichtquelle ausgenutzt, man benötigt jedoch für eines der beiden Strahlenbündel ein Endmaß. Auch bei diesem Interferometer erfolgt die Reflexion an dem Prüfling vor der Strahlteilung. Diese Vorrichtung ist nicht spezifisch für den Ultraschallempfang von hocherhitzten oder schnell durchlaufenden Prüflingen und berücksichtigt nicht die zugehörige Ultraschallfrequenz (J. Appl. Phys., 43, Nr. 11, November 1972, S. 4669-4675).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Messung bei erhöht rauhen Oberflächen genauer durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, eine vorteilhafte Verwendung und eine zugehörige Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es erfolgt also die Messung der Auslenkung der Oberfläche eines Körpers unter Ultraschalleinfluß derart, daß der Referenzstrahl nicht sofort durch einen Strahlteiler vom Meßstrahl abgespalten, sondern wie bei dem Verfahren nach der GB-PS 13 58 753 - wie der Meßstrahl, zunächst an der Prüflingsoberfläche selbst, reflektiert wird. Dadurch haben beide Strahlen innerhalb des Gesichtsfeldes stets die gleiche Phase. Der Referenzstrahl wird also von dem gleichen Oberflächenelement wie der Meßstrahl reflektiert, jedoch dann gegenüber dem Meßstrahl um eine gemäß dem Anspruch 1 der Ultraschallfrequenz angepaßte vorbestimmte Zeit verzögert, so daß auch bei rauhen Oberflächen die Oberfläche in der Bildebene eines Interferometers sowohl vom Meßstrahl als auch vom Referenzstrahl unter Einhaltung der Winkelbedingung

a <

λ/2 d

deckungsgleich abgebildet wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Interferometer mit einer Verzögerungsstrecke,

F i g. 2 ein Interferometer mit Verzögerungsstrecke und Linsensystem,

Fig.3 eine Abwandlung der Verzögerungsstrecke des Interferometers.

Das Prinzip des Strahlenganges dieses interferometrischen Verfahrens ist in F i g. 1 skizziert, wobei für den praktischen Aufbau u. U. Abänderungen der Anordnung nötig werden, um Störungen durch Streulicht und dergleichen zu vermeiden. Die schwingende Oberfläche eines Prüfgutes 5 wird durch monochromatisches Licht aus dem Laser 1 beleuchtet. Die Verwendung von Lasern ist nicht nur wegen ihrer Monochrornasie, sondern auch wegen der guten Bündelung der Strahlung hier vorteilhaft. Der reflektierte Lichtstrahl 9 gelangt zum Strahlteiler 2, von dort als Anteil 9a zum Spiegel 10 und über den Strahlteiler 2 zur Fotozelle 7. Wegen der Laufzeit des anderen Lichtanteils 9b über den zweiten Interferometerarm 11, wobei das Licht gegenüber 9a zusätzlich den Weg 2s zurücklegt, wird der Vergleichstrahl 9b gegenüber dem Hauptstrahl 9a zeitverzögert. Bei Beschallung der Oberfläche 5 erfährt der Meßstrahl 9a eine zusätzliche Phasenverschiebung entsprechend der Auslenkung innerhalb der Verzögerungszeit. Dadurch ändert sich die resultierende Helligkeit an der Fotozelle 7. Die Signalamplitude ist für eine bestimmte Ultraschallfrequenz / dann am größten, wenn die Verzögerungszeit gleich der halben Schwingungsperiode ist Auf diese Weise wird das Verfahren für jeweils einen vorbestimmten Frequenzbereich selektiv (auf tiefe Frequenzen, deren halbe Schvvingungspsriode groß gegen die Verzögerungszeit ist, spricht das Verfahren nicht an).

Die optimale Länge 5 der Verzögerungsstrecke ergibt sich aus zwei Bedingungen:

1. Makroskopische muß die Länge s so bemessen sein, daß sich die vorher angegebene, geeignete Verzögerungszeit ergibt.

2. Mikroskopisch muß die Länge s so eingestellt werden, daß durch die Interferenz mit dem Meßstrahl 9a sich eine Helligkeit an der Fotozelle ergibt, bei der kleine Phasenänderungen am Meßstrahl gut nachweisbare Helligkeitsänderungen ergeben.

Von der rauhen Werkstückoberfläche 5 wird
Licht diffus reflektiert Um die Winkelbedingungen

. λ/2 cc ^

auf der Fotozelle 7 einzuhalten, muß ein kleiner Winkelbereich aus dem reflektierten Licht ausgeblendet werden. Innerhalb des optischen Empfangssystems (vgl. Fig. 1), gestrichelter Teil 12, auf dem Weg zwischen Strahlteiler 2 und Fotozelle 7 darf das Licht keine Divergenz aufweisen. Man erreicht dies durch die in

ίο F i g. 2 veranschaulichten Maßnahmen.

Eine Möglichkeit, das Licht hinreichend parallel zu machen, ist die Einstellung der Entfernung L auf den Wert mindestens 5s, eine sinnvolle Größe der Empfängerfläche vorausgesetzt. Das gleiche erreicht man durch ein teleskopisches Linsensystem, in dessen gemeinsamen Brennpunkt eine Blende passender Größe steht. Dieses System wirkt wie in Richtungsfilter 13, es kann zwischen Meßfläche 5 und Strahlenteiler 2 in den Bereich 14 oder zwischen Strahlenteiler 2 und Spiegel 10 in der Stellung 13 angebracht werden.

Bei der praktischen Ausführung kann der zur Verzögerung notwendige Laufweg des Lichtes durch mehrfache Reflexion zwischen hochpräzisen Planspiegeln 16 und 17 auf kleinem mechanischem Raum

untergebracht werden, wie in F i g. 3 angedeutet

Um kleine Auslenkungen der Oberfläche in der Größenordnung einiger Nanometer messen zu können, muß die Länge s der Verzögerungsstrecke sehr genau auf einem optimalen Wert gehalten werden, damit nicht

durch Längenänderungen Phasenverschiebungen entstehen, welche Helligkeitsschwankungen verursachen. Dazu wird die Länge s der Verzögerungsstrecke durch ein zweites Interferometer, das in F i g. 1 nicht eingezeichnet ist, gemessen. Für dieses Interferometer kann ein Teil der Strahlung des Lasers 1 oder ein separater Laser verwendet werden. Hierfür sind nur geringe Strahlungsleistungen notwendig, da überall ebene und gut reflektierende Spiegel eingesetzt werden können.

Bei einer Abweichung der Länge s vom Sollwert wird der Spiegel 18 durch ein piezoelektrisches oder anderes Stellelement entsprechend verschoben bzw. verstellt

Eine andere Ausführungsfonn ist die Modulation der Länge 5 über das genannte Stellelement mit einer Frequenz /1, die größer als die nachzuweisende Schallfrequenz / ist Der optimale Gangunterschied zwischen Meß- und Referenzstrahl tritt dann mehrmals innerhalb einer Schwingungsperiode der Schallwelle auf. Das elektrische Signal an der Fotozelle besteht dann aus einer hochfrequenten Schwingung der das Frequenz /1, die mit der Schallfrequenz /moduliert ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspräche:

1. Optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings, bei dem die Prüflingsoberfläche durch einen Laserstrahl bestrahlt und der Laserstrahl an einen optischen Strahlteiler in einen Meß- und einen Referenzstrahl, die relativ zueinander zeitverzögert sind, aufgespalten wird, gekennzeichnet d u r c Ii die Vereinigung folgender Merkmale: