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Anordnung zur Kurzzeit-Doppelbelichtungsholografie Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Kurzzeit-Doppelbelichtungsholografie, enthaltend als
Bestandteile einen kohärent strahlenden Laser, einen im Weg des von diesem erzeugten
impulsförmigen Laserstrahls angeordneten Strahlteiler zur Aufteilung des Laserstrahls
in einen über eine Einrichtung zur Strahlaufweitung auf ein zu untersuchendes Objekt
gerichteten Objektstrahl einerseits und einen Referenz strahl andererseits, in dessen
Weg ihn auf fotografisches Material lenkende Umlenkinittel vorgesehen sind, das
zugleich im Wege eines am Objekt diffus gestreuten Teils des Objektstrahls angeordnet
ist. Eine Anordnung dieser Art ist in einem Experimentellen Aufbau für Schwingungsuntersuchungen
an Karosserien und Aggregaten von Fahrzeugen in der Automobiltechnischen Zeitschrift
75, Heft 3, Seiten 96 bis 102, 19T3, beschrieben, wo sich auch Ausführungen hinsichtlich
der theoretischen Zusammenhäge finden, die es gestatten, speziell mit einer Anordnung
zur Kurzzeit-Doppelbelichtungsholografie das Schwingungsverhalten von Teilen (Objekten)
gleichsam optisch sichtbar zu machen, nämlich über Interferenzbilder. Bezüglich
dieser theoretischen Zusammenhänge und des grundsätzlichen Aufbaus
der
Anordnung wird daher auf diese Arbeit verwiesen.
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An dieser Stelle sei lediglich gleichsam zusammenfassend angeführt,
daß die mittels der Kurzzeit-Doppelbelichtungsholo grafi e erhaltenen Interferenzbilder,
deren Interferenzlinien als Linien/gleicher, in der Zeit zwischen den beiden Laserimpulsen
infolge der Schwingung erfolgter Oberflächenverschiebung zu deuten sind und deren
Liniendichtenproportional dem Gradienten der in Beobachtungsrichtung liegenden Geschuindigkeitskomponente
sind, praktische Bedeutung für die Entwicklung von Fahrzeugen haben können. So ist
beispielsweise die Kenntnis von Stellen relativ geringer Schwingungsamplitude auf
dem Kurbel- bzw. Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeugs wichtig für das Erzielen einer
nur gerlngen Körperschallübertragung vom Antriebsaggregat in die Fahrgastzelle,
da man zu diesem Zweck die Lagerung des Aggregats speziell an derart gen Stellen
vornehmen wird. Andererseits werden Maxima des Innengeräuschpegels in der Fahrgastzelle
bei bestiaten Drehzahlen der Maschine häufig durch Resonanzen der Motor- bzw.
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Getriebeträger verursacht. Nimmt man hinzu, daB auch andere Teile
des Fahrzeugs, insbesondere auch Karosserieteile, bei ungünstiger Auslegung zu Schwingungen
zumindest bei bestimmten Fahrzuständen neigen können, so wird ersichtlich, daß Bedarf
besteht an einer Anordnung der eingangs genannten Art mit großer Beweglichkeit und
Anpaßbarkeit an verschiedene bjekte, worunter im Rahmen der Erfindung stets holografisch
zu untersuchende Teile zu verstehen sind. Fur die Lösung dieser Aufgabe gibt offensichtlich
die genannte Arbeit aus der Automobiltechnischen Zeitschrift keine Anleitung, da
es sich, wie bemerkt, dort lediglich um eine experimentelle Anordnung baudelt.
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Erschwert werden Lösungen der eben definierten Aufgabe, die auch der
Erfindung zugrundeliegt, dadurch, daß die Anordnung
eine große zeitliche
Konstanz der relativen Lage der Bestandteile erfordert, damit die für die Auswertung
erforderliche Auflösung der Interferenzbilder gewährleistet ist.
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Die oben definierte Aufgabe, eine Anordnung der eingangs beschriebenen
Art zu schaffen, die ohne Verlust an Aussagekraft der mit ihr gewonnenen Bilder
an verschiedene Objekte, vor allen Objektlagen, anpaßbar ist, wird erfindungsgemaß
dadurch gelöst, daß die Bestandteile zu einer Einheit starr zusammengebaut sind
sowie die Einrichtung zur Strahlaufweitung als sphärischer Oberflächenspiegel ausgebildet
ist, der mit einem Halter für das fotografische Material zu einer Unteranordnung
zasa engefaßt ist, die um eine mit der Achse des auf den Oberflächenspiegel auftreffenden
Objektstrahls zusammenfallende Schwenkachse schwenkbar an dem Hauptteil der Einheit
gelagert ist.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist der starre Zusammenbau
der Bestandteile der Anordnung. Hierunter wird ein Zusammenbau verstanden, der Schwingungen
der Teile relativ zueinander zumindest in einem solchen Maße, daß hierdurch die
Bildqualität nachteilig beeinflußt wird, unterbindet. Bei einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung, die man auch als Kamera bezeichnen kann, hat sich
die Montage der Bestandteile auf einer verwindungssteifen Grundplatte als vorteilhaft
erwiesen, die auf einem verfahrbaren Stativ ruht.
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Diese Grundplatte kann nach Methoden der Leichtbautechnik gefertigt
und versteift sein; beispielsweise kann es sich um eine Aluminiumplatte handeln,
die mit einem Vierkantrohr-Rahmen verklebt und dadurch verwindungssteif gemacht
ist.
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Durch Zusammenfassung der verschiedenen Bestandteile der Anordnung
zu einer Kamera-Einheit ist die Möglichkeit zur Ortsveränderung
gegeben,
ohne daß stets eine Neujustierung der Lage der verschiedenen Teile relativ zueinander
erfolgen müßte. Es ist somit also möglich, diese Kamera innerhalb von relativ komplizierten
Objekten anzubringen, beispielsweise innerhalb von Hohlräumen eines Erafifahrzeugaufbaus.
Damit werden Untersuchungen ermöglicht, für die ein experimenteller Aufbau der verschiedenen
Bestandteile der Anordnung mit der Notwendigkeit, das Objekt an eine bestimmte Stelle
zu bewegen, nicht geeignet ist.
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Die Verwendung eines sphärischen Oberflächenspiegels als Einrichtung
zur Strahlaufweitung bietet gegenüber der aus der genannten Arbeit bekannten Verwendung
einer Streuplatte nicht nur Vorteile hinsichtlich eines geringeren Energieverlusts,
sondern in Kombination mit ihrer schwenkbaren Befestigung gemeinsam mit einem Halter
für das fotografische Material auch die vorteilhafte Möglichkeit, Objekte mit unterschiedliche
Neigungen gegenüber der Kamera-Einheit besitzenden Oberflächen zu untersuchen. Infolge
der gewählten Lage der Schwenkachse bezüglich des auf den sphärischen Spiegel auftreffenden
Objektstrahls und der gemeinsamenYerschwenkung von sphärischem Oberflächenspiegel
und Halter für das fotografische Material ist demgemäß eine einfache Anpassung der
Einheit an die jeweilige Objektlage ohne weitere Verstellungen innerhalb der Kamera-Einheit
möglich. Bei einer ausgeführten Konstraktion können der sphärische Oberflächenspiegel
und der Halter für das fotografische Material gemeinsam über einen Winkelbereich
von 120° verschwenkt werden.
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Eine zweckmäBige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß im Weg des Referenzstrahls als weiterer Bestandteil ein Spiegel zwecks
Korrektur der Weglänge desselben parallel zu sich verschiebbar angeordnet ist. Diese
Justiermöglichkeit
trägt dem bekannten Tatbestand Rechnung, daß
zwecks Erzielung einer großen Kohärenzlänge die Weglängen von Objektstrahl und Referenzstrahl
stets möglichst übereinstimmen müssen. Bei verschiedenen Objekten und insbesondere
unterschiedlichen Objektentfernungen von dem sphärischen Oberflächenspiegel können
hier Differenzen auftreten, die durch die erfindungsgemäß mögliche Verschiebung
des Spiegels im Weg des Referenz strahls ausjustiert werden können.
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Dieser Spiegel kann mit einer Halterung für austauschbare Filter zur
Korrektur des Verhältnisses der Intensitäten von Objektstrahl und Referenzstrahl
kombiniert sein.
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Ebenfalls im Sinne der Lösung der Aufgabe, eine universell verwendbare
Anordnung der bezeichneten Art zu schaffen, liegt es, wenn die Einheit als weitere
Bestandteile dielektrische Spiegel in den Laser:,trahl zweimal um 900 in derselben
Ebene umlenkender Anordnung enthält. Derartige Spiegel haben sich auch bei der relativ
hohen Ausgangsenergie des Laserstrahls, beispielsweise 100 mJ für jeden der beiden
Laserimpulse, die jeweils 20 Nanosekunden andauern, als geeignet erwiesen. Diese
Zahlenwerte sind selbstverständlich nur Zahlenbeispiele. Wie noch in der Figurenbeschreibung
erläutert wird, läßt sich so ein zweimal um 900 gefalteter Laser-Resonator mit relativ
großer Länge, bei der ausgeführten Anordnung 107 cm, gewinnen, ohne daß die Kamera-Einheit
unzulässig große Außenabmessungen besitzt. Innerhalb der so gewonnenen, im wesentlichen
U-förmigen Resonator-Anordnung kann die Einheit als weiteren Bestandteil einen kontinuierlichen
Ziellaser mit einer Spiegeleinrichtung zum Einspiegeln des von ihm erzeugten kontinuierlichen
Laserstrahls in den Weg des impulsförmigen Laserstrahls enthalten. Damit ist es
möglich, die auf dem zu untersuchenden Objekt kontinuierlich ausgeleuchtete Fläche,
vorzugsweise
bei abgedunkelter Umgebung, deutlich zu erkennen, so
daß man weiß, welchen Teil der Fläche man bei der eigentlichen Untersuchung mit
dem impulsförmigen Laserstrahl beaufschlagt.
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Gegebenenfalls können Justiervorgänge an verschiedenen Bestandteilen
der Kamera-Einheit vorgenommen werden, um nach Ausrichtung der Kamera auf den interessierenden
Objektbereich Umlenkspiegel für den Referenzstrahl zu justieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden in Draufsicht
anhand der Figur erläutert.
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Bei 1 ist eine Grundplatte, beispielsweise eine Aluminiumplatte, angedeutet,
die durch Aufkleben auf ein Rahmenwerk verwindungssteif gemacht ist. Damit ist sichergestellt,
daß die verschiedenen, auf der Grundplatte 1 montierten Bestandteile der Anordnung
nicht in nachteiliger Weise Schwingungen gegeneinander ausführen können.
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Mit 2 ist ein Laseroszillator zur Erzeugung von zwei taserimpulsen
bezeichnet. Bei einer ansgeffihvten Anordnung enthält der Oszillator einen Rubin
mit einer Länge von 4" und einem Durchmesser von 9/im", Der eigentliche Laserresonator
ist gebildet durch einen dielektrischen Spiegel in der Pockels-Zelle 3 und das Fabry-Perot-Etalon
4. Durch die beiden dielektrischen Spiegel 5 und 6, die gleichsam Bestandteile des
Resonators sind, ergibt sich ein zweifach um 90° gefalteter Laser-Resonator, bei
einer ausgeführten Konstruktion mit einer Länge von 107 cm. Diese Lange wird ohne
störende Vergrößerung der äußeren Abmessungen der Kamera-Einheit erreicht.
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Zwischen Oszillator 2 und Pockels-Zelle 3 ist die als Transversalmodenselektor
wirkende Lochblende 7 eingeschaltet, die bei
einer ausgeführten
Konstruktion einen Durchmesser von etwa 2 mm besitzt. Bas Fabry-Perot-Etalon 4 wirkt
als Longitudinalmodenselektor. Es ist so justiert, daß der austretende impulsförmige
Laserstrahl 8 nach Vergrößerung durch das teleskopische Linsensystem 9 mit der Achse
des Kristalls des Verstärkers 10 zusammenfällt.
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Den verstärkten impulsförmigen Laserstrahl 8' teilt der kellförmige
Strahlteiler 11 in diesem Ausführungsbeispiel in drei Teilstrahlen auf. Der stärkste
Teilstrahl ist der Objektstrahl 12, der mittels des sphärischen Oberflächenspiegels
31 auf das nicht dargestellte, in der Figur unterhalb der Anordnung befindliche
Objekt gelenkt wird. Der zweite Strahl ist der Referenzstrahl 13, der über den parallel
zu sich verschiebbaren nlenkspiegel 14 sowie weitere Umlenkspiegel 15, 16, 17 auf
die Botoplatte 18 gelenkt wird, die auch im Weg des bei 19 angedeuteten am Objekt
diffus gestreuten Teils des Objektstrahls 12 liegt. Der genannte Spiegel 14 ist
entsprechend den Pfeil 14' parallel zu sich verschiebbar, damit eine Angleichung
der von dem keilförmigen Strahlteiler 11 aus gemessenen Zeglangen von Objektstrahl
und Referenz strahl bei verschiedenen Objekten möglich ist. Den verschiebbaren Spiegel
14 ist der Filterhalter 20 vorgeschaltet, der zur Aufnahme von derart ausgelegten
Filtern dient, daß bestimmte Verhältnisse der Intensitäten von Objekt und Referenzstrhhl
eingestellt werden können.
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Zur Ausleuchtung der zu holografierenden Objektfläche durch den Objektstrahl
und der Fotoplatte durch den Referenzstrahl sind unterschiedlich stark aufgeweitete
Laserstrahlen erforderlich. Aus diesen Grunde wird die Strahlaufweitung in den figurlich
dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei Stufen worgeno en. Die Zerstreuungslinie
21 niat einn Voraufweitung des verstärkten impulsförmigen Laserstrahls 8'
in
einem Maße vor, das auf die erforderliche Querschnittsabmessung des Referenzstrahls
13 abgestellt ist. Der Objekt strahl 12 erfährt durch den sphärischen Oberflächenspiegel
31 eine weitere Aufweitung, so daß das relativ breite Strahlbündel 8" entsteht,
das auf das Objekt auftrifft.
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Siemä3 einem Nerkinal der Erfindung sind die Fotoplatte 18 nebst einer
vorzugsweise magnetisch ausgefährten halterung 22 sowie der sphärische Oberflächenspiegel
31 zu einer schweEkbas ren Einheit 23 zusammengefaßt, deren durch die Achslagerungen
24 und 25 gegebene Schwenkachse zusammenfällt mit der Achse des verstärkten impulsförmigen
Laerstrahls 8'. Damit ist es möglich, die Einheit 23 senkrecht zur Zeichenebene
in einem Bereich von beispielsweise 1200 entsprechend der jeweiligen Lage des Objekts
zu schwenken.
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Wie bereits erwähnt, nimmt der keilförmige Strahlteiler 11 eine Aufspaltung
des impulsförmigen Laserstrahls 8' in drei Teilstrahlen auf. Die beiden ersten Teilstrahlen,
nämlich der Objektstrahl und der Referenzstrahl, sind hinsichtlich ihres Strahlenweges
bereits beschrieben worden. Der dritte Teilstrahl ist mit 26 bezeichnet; er wird
über den Spiegel 27 umgelenkt auf den Eingang der Fotodiode 28, die der Kontrolle
dient, ob die beiden Impulse tatsächlich erzeugt worden sind und wenn ja bei welchen
Schwingungsphasen.
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Da ein impulsförmiger Laserstrahl die Einstellung des zu untersuchenden
Objektbereichs unter Beobachtung nicht zuläßt, ist innerhalb des im wesentlichen
U-förmigen Laser-Resonators 3, 2, 5, 6, 4 der kontinuierliche Ziellaser 29 mit seinem
gemäß dem Pfeil 30' verschiebbaren Umlenkspiegel 30 angeordnet. Die Anordnung ist
so getroffen, daß ein kontinuierlicher Laserstrahl in den Weg des Objektstrahls
12 gespiegelt werden kann, so daß der zu untersuchende Objektbereich genau bestimmbar
ist.
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Die erfindungsgemäße Kamera-Einheit bietet nicht nur den Vorteil einer
großen Vielfalt von Einsatzmöglichkeiten, sondern gestattet auch, holografische
Untersuchungen mit geringem Zeitaufwand vorzunehmen. Ergänzend sei bemerkt, daß
verständ licherweise die beschriebenen, auf der Grundplatte 1 angeordneten Bestandteile
von einem Gehäuse abgedeckt sein werden, das im Bereich der schwenkbaren Einheit
2) mit Fensterr versehen ist.