DE2806845C2 - - Google Patents

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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/161Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Kenntnis der Verformungsmuster, die sich bei Belastung eines Gegenstands ergeben, ist nützlich in Bereichen wie Belastungsanalyse, Schwingungsstudien, Prüfen auf verborgene Risse oder Blasen in Strukturen, Bewertung von Materialeigenschaften, Geschwindigkeitsmessung, Wärmemessung und Prüfen optischer Komponenten. Unter "Verformung" wird hier die relative Verschiebung von Punkten auf der Oberfläche des Gegenstandes relativ zueinander infolge der ausgeübten Belastung verstanden, und zwar im Gegensatz zu gleichförmigen Gesamtverschiebungen, die von der Belastung herrühren.
Das einfachste und älteste Verfahren zur Bestimmung einer solchen Oberflächenverformung besteht darin, kartographisch Punkt für Punkt die Oberfläche des Gegenstands vor und nach Belastung aufzunehmen. Hierfür steht eine Vielfalt von Meßtechniken zur Verfügung, die sich vom Kontaktflächenmessen über Spannungsmeßvorrichtungen zu den sehr genauen optischen Interferenztechniken erstreckt. Es ist diesen Verfahren eigen, extrem langsam zu sein oder nur über relativ wenige Punkte auf der Oberfläche des Gegenstandes Information zu liefern; sie sind daher ungeeignet für irgendeine Art der Prüfung, die regelmäßig wiederholt werden muß, wie es etwa bei Benutzung zur Produktprüfung der Fall ist.
Die Erfindung praktisch ausführbarer Holographietechniken in den 60er Jahren führte zur Entwicklung holographischer Interferometrietechniken zur kartographischen Aufnahme der von einer ausgeübten Belastung herrührenden Verformung der gesamten Oberfläche eines Gegenstands. Der Gegenstand wurde mit kohärentem Licht beleuchtet und eine Fotoplatte dem Interferenzmuster ausgesetzt, das sich zwischen dem vom Objekt reflektierten, nicht zu einer Abbildung geformten Licht und einem Referenzlichtstrahl kohärenten Lichts von der Lichtquelle ergab. Bei der Echtzeit- Version dieses Prozesses wurde die Fotoplatte dann zur Bildung eines Hologramms entwickelt, der Gegenstand belastet und mit kohärentem Licht beleuchtet und die kohärente Rekonstruktion des Bildes des unbelasteten Gegenstands vom Hologramm auf dem Gegenstand selbst überlagert. Die Interferenz zwischen vom Gegenstand reflektiertem Licht in Echtzeit und dem rekonstruierten Bild führte zu einer Anordnung von Interferenzstreifen auf dem Gegenstand, die als Funktion der belastungsabhängigen Verformung des Gegenstands versetzt waren. Bei der Doppelbelichtungsversion dieser Technik wurde die Fotoplatte zweimal belichtet, und zwar einmal vor und einmal nach der Belastung des Gegenstands. Bei Rekonstruktion des Bildes des Gegenstands vom resultierenden Hologramm unter Verwendung kohärenten Lichts ergab sich eine Anordnung von Interferenzstreifen aus der Interferenz zwischen den beiden Belichtungen, die als Funktion der Verformung des Gegenstands zwischen den beiden Belichtungen angeordnet und auf der Oberfläche des Gegenstands sichtbar waren.
Diese Techniken zur kartographischen Aufnahme von Verformungen bzw. Verschiebungen sind im amerikanischen Patent 35 45 259 offenbar. Ihnen war ein gewisser kommerzieller Erfolg bei der Analyse verborgener Risse oder Blasen und ähnlicher Fehlstellen bei hergestellten Gegenständen beschieden, ihre Anwendung war jedoch wegen der relativ starken Beschränkungen der Holographie begrenzt. Bei Durchführung der Holographie müssen das Muster und das optische Gerät mit großer Genauigkeit ausgerichtet sein und der Aufbau sehr stabil und durch Verwendung stark gedämpfter Tische und ähnlichem vor jeglicher möglichen Vibration geschützt sein. Die mögliche Größe des zu untersuchenden Gegenstandes ist durch die Kohärenzlänge des Laserlichts erheblich beschränkt. Außerdem mußten Fotoplatten bzw. fotoempfindliche Materialien mit extrem hoher Auflösung und niedriger Empfindlichkeit verwendet werden. Das Verfahren mußte unter Ausschluß jeglichen Umgebungslichts außer des vom Laser herrührenden durchgeführt werden, und es durfte nur Licht einer einzigen Frequenz verwendet werden.
Diese holographischen Interferometrietechniken messen nicht die belastungsabhängig relativ gegeneinander erfolgende Verschiebung von Punkten auf der Gegenstandsoberfläche, sondern vielmehr die Gesamttranslationsbewegung infolge der Verformung und der Bewegung des starren Körpers. Eine große Schwierigkeit ergibt sich bei der Unterscheidung der Interferenzstreifen, die verschiedenen Fehlstellen oder Ungleichförmigkeiten im Gegenstand zuzuordnen sind, von jenen, die sich aus der Gesamtverformung bzw. -verbiegung des Gegenstands infolge einer Belastung ergeben. Falls beispielsweise ein Gummireifen, der auf Ungleichförmigkeiten unter der Oberfläche untersucht werden soll, durch Änderung des Umgebungsdrucks auf den Reifen belastet würde, würde die untersuchte Oberfläche insgesamt verformt werden, während der Oberflächenbereich unmittelbar über einem Riß, einer Blase oder dergleichen einer größeren Verformung unterliegen könnte. Bei der Rekonstruktion des Bildes dieses Gegenstands aus dem resultierenden Doppelbelichtungs-Hologramm wäre es schwierig, die Interferenzstreifenfamilien, die sich aus der anomalen Verformung ergeben, von denjenigen zu trennen, die von der gleichförmigen Verformung herrühren. Es wurden zwar Anstrengungen unternommen, den optischen Aufbau zwischen den Belichtungen zu modifizieren, um die von der Gesamtverformung herrührenden Interferenzstreifen möglichst gering zu machen (vgl. US-Patent 38 60 346), dieses Problem wurde jedoch nie ganz gelöst und hat die Anwendung der holographischen Interferometrietechnik stark eingeschränkt.
Aus "Applied Optics, Vol. 14, No. 13, March 1975, S. 618-622" ist ein interferometrisches Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem wird zur Erzeugung der Abbildungen des untersuchten Gegenstandes auf einer Fotoplatte ein Abbildungssystem mit zwei Paaren von Blendenöffnungen verwendet. Um zwei gegeneinander verschobene Bilder eines Gegenstandes zu erzeugen, sind die Blendenöffnungen in einem Abstand voneinander angeordnet und relativ klein, damit sie wie Punktlichtquellen wirken. Mittels des Abbildungssystems wird eine defokussierte Abbildung erzeugt, bei der die zu belichtende Fotoplatte aus der Bildebene heraus um einen bestimmten Betrag verschoben wird, so daß sich eine Bildscherung einstellt. Die Anordnung einer Blende mit kleinen Öffnungen bewirkt aber, daß der größte Teil des in Richtung Abbildungssystem am Gegenstand reflektierten Lichts für die Abbildung des Gegenstandes nicht genutzt wird. Demzufolge ist die Bildhelligkeit gering. Für die fotografische Abbildung ist daher eine lange Belichtungsdauer erforderlich, die das Verfahren für die Praxis untauglich macht.
Aus der US 37 67 308 ist ferner ein interferometrisches Verfahren bekannt, bei dem zum Erzeugen eines Bildes mit Interferenzmustern zwei im Abstand voneinander angeordnete Schlitze als Maske vor der Abbildungslinse verwendet werden. Bei diesem Verfahren müssen das zu prüfende Objekt und die optische Meßapparatur sehr genau zueinander ausgerichtet werden. Die gesamte Meßanordnung muß zudem sehr stabil aufgebaut sein, damit ungünstige Vibrationseffekte, die das Ergebnis verfälschen, unterbleiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues interferometrisches Verfahren, das die Belichtung des fotografischen Aufzeichnungsträgers mit hoher Intensität gestattet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für eine Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht, grob gesagt, die Erzeugung eines fotografischen Doppelbelichtungs-Interferogramms (Doppel-Interferogramm) einer mit kohärentem Licht beleuchteten Oberfläche eines Gegenstands vor, wobei von den beiden Belichtungen bzw. Aufnahmen eine vor- und eine nach Belastung des Gegenstands erfolgen. Jede Aufnahme des Interferogramms stellt selbst ein Interferogramm dar, das dadurch erzeugt wird, daß ein Paar von Bildern der mit kohärentem Licht beleuchteten Gegenstandsoberfläche mit einer leichten Versetzung gegeneinander auf dem fotografischen Medium (im folgenden vereinfacht als "Fotoplatte" bezeichnet) fokussiert wird, und zwar so, daß sich die Bilder auf dem größeren Teil ihrer Flächen überlappen, jedoch nicht zusammenfallen. Dies führt dazu, daß auf der Fotoplatte ein etwas verschwommenes Bild mit einem überlagerten Interferenzmuster aufgenommen wird. Die beiden Aufnahmen werden zueinander koinzident ausgeführt, so daß, falls der Gegenstand zwischen den beiden Aufnahmen nicht belastet würde, die beiden identischen Interferogramme auf der entwickelten Fotoplatte als ein einziges erscheinen würden. Die beiden Interferenzmuster, die während der Doppelbelichtung auf der Fotoplatte aufgezeichnet werden, eines vor und eines nach Belastung des Gegenstands, interferieren untereinander zur Erzeugung eines Interferenzmusters. Dieses Interferenzmuster erscheint zusammen mit einem leicht verschwommenen, jedoch klar erkennbaren Bild des Gegenstands auf der entwickelten Fotoplatte.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei der Fall betrachtet, bei dem die auf den Gegenstand zwischen den beiden Aufnahmen ausgeübte Belastung eine leichte gleichförmige Translation des Gegenstands seitlich zur Mittelachse der Optik hervorruft. Das resultierende Interferenzmuster zwischen dem ersten und dem zweiten Interferenzmuster wäre über den gesamten Bereich des Gegenstands gleichförmig nach Art des gleichförmigen Musters, das sich durch Überlagerung zweier übereinstimmender Gitter relativ zueinander ergibt. Im praktischen Fall erzeugt die auf den Gegenstand ausgeübte Belastung infolge des strukturellen Aufbaus des Gegenstands und/oder verschiedener Fehlstellen im Gegenstand keine völlig gleichförmige Spannung im Gegenstand. Folglich stimmen die während der beiden Aufnahmen aufgezeichneten Interferenzmuster nicht überein, so daß das endgültige, die Interferenz zwischen diesen beiden getrennten Interferenzmustern darstellende Interferenzmuster auf der Fotoplatte bzw. dem Film ungleichförmig ist, d. h. daß die Frequenz der Interferenzstreifen sich über die Gegenstandsoberfläche verändert. Die Interferenzfrequenz an irgendeinem Punkt der Gegenstandsoberfläche ist ein Maß für die Verformung dieser Oberfläche.
Die bei diesem endgültigen Interferogramm erzeugten Interferenzstreifen haben im wesentlichen eine konstante Amplitude sowie ein konstantes Tastverhältnis und sind normalerweise ganz dünn, so daß, während in diesem entwickelten Interferogramm ein Bild des Gegenstands erkennbar ist, die durchschnittliche Dichte des feinen Interferenzmusters über die Gegenstandsoberfläche gleichförmig ist. Die Auswertung ist daher schwierig, selbst wenn das Interferogramm relativ große Veränderungen der Interferenzstreifenfrequenz enthält, die von unterschiedlichen Verschiebungen in der Gegenstandsoberfläche aufgrund der ausgeübten Belastung erzeugt werden.
Es wäre zwar möglich, die Frequenz der dünnen Interferenzstreifen an jedem Punkt des entwickelten Bildes beim überlagerten Interferogramm unter Einsatz geeigneter Instrumente wie eines Mikroskops zu messen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden diese Interferenzstreifen jedoch dem bloßen Auge dadurch sichtbar gemacht, daß das aus dem Doppelbelichtungsprozeß herrührende entwickelte Bild-Interferogramm durch ein Interferenzstreifenfrequenz- Diskriminatorfilter verarbeitet wird. Dieses Filter hat vorzugsweise die Form eines Fourier-Ebenen-Filters mit einer Blende für ein ausgewähltes Interferenzstreifenfrequenzband.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fotoplatte als Transparent entwickelt oder von einem Positivabzug ein Transparent hergestellt. Dieses Transparent wird mit einem Lichtstrahl, der von einer Punktlichtquelle abgeleitet wird, be- bzw. durchleuchtet und der Strahl fokussiert. Es braucht sich dabei nicht um eine kohärente Lichtquelle zu handeln. In der Fourier-Ebene, d. h. der Bildebene der Punktlichtquelle ist auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des Transparents eine Blende angeordnet. Diese Blende kann in bezug auf die optische Achse zentral liegen, um Interferenzstreifen niedriger Frequenz zu blockieren, oder es kann sich um eine ringförmige Blende zum Blockieren von Interferenzstreifen hoher Frequenz handeln. Die Verwendung der Blockierung niedriger Frequenz ist vorzuziehen, da sie weniger beeinträchtigenden Einfluß auf das resultierende Bild des Gegenstands hat. Eine Objektivlinse fokussiert ein Bild des gefilterten Interferogramms auf einen Schirm zur visuellen Betrachtung des endgültigen Ergebnisses. Alternativ könnte von dem gefilterten Bild ein Foto hergestellt werden. In diesem endgültigen Bild sind verschiedene Interferenzstreifenanordnungen klar erkennbar. Diese Anordnungen sind um Punkte maximaler ungleichförmiger Spannung des Gegenstands als Folge der ausgeübten Belastung zentriert.
Auf dem endgültigen Bild finden sich keine sichtbaren Interferenzstreifen, die von einer gleichförmigen Verformung des Gegenstands herrühren, da die aus der Gesamtverformung resultierenden Interferenzstreifen konstante Frequenz haben und durch die Fourier-Filterung entweder alle hindurchgelassen oder blockiert werden, so daß sich schließlich eine gleichförmige optische Dichte des endgültigen Bildes ergibt. Nur die Interferenzstreifen, die eine anomale Bewegung eines Abschnitts darstellen, sind sichtbar.
Diese anomale Verformung kann von der Ausführung des Gegenstands oder anomalen Struktureigenschaften des Gegenstands wie Rissen, Trennungen unter der Oberfläche, Blasen oder Einschlüssen oder Bereichen ungleichförmiger Festigkeit herrühren, die die Oberflächenverformung beeinflussen. Die Erfindung eignet sich dementsprechend als Entwurfshilfe zur Prüfung von Prototypen oder Produktionsteilen.
Die Erfindung kann für alle Anwendungen eingesetzt werden, die für die holographische Interferometrie vorgeschlagen wurden, einschließlich der Erkennung von Rissen in Schweißstellen Blasen oder Lunkern unter der Oberfläche, Trennstellen oder Ungleichförmigkeiten in Fahrzeugreifen, Trennstellen in Sandwichwaben und anderen vorgefertigten Strukturen etc. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr viel einfacher auszuführen als die holographische Interferometrie, da die Anforderungen hinsichtlich der Aufstellung weniger streng sind, da zur Betrachtung kein kohärentes Licht erforderlich ist und keine Notwendigkeit einer komplizierten Vibrationsisolation besteht. Die mit Hilfe dieses Verfahrens erzielten Ergebnisse sind wegen der guten Sichtbarkeit der Interferenzstreifen, die Bereiche anomaler Verformung kartographisch darstellen, und wegen des Fehlens von Interferenzstreifen, die auf gleichförmiger Verformung beruhen, besser.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Interferogramme mit Hilfe einer Kamera erstellt, die abgesehen von der Ausbildung ihres Objektivs einen herkömmlichen Aufbau besitzt. Das Objektiv ist in zwei Segmente unterteilt, die zwei getrennte Bilder der Gegenstandsoberfläche auf der Fotoplatte fokussieren. Ein Segment kann herkömmlich sein, während das andere in Form eines prismaähnlichen Keils ausgebildet sein kann, um das von ihm fokussierte Bild seitlich in eine wesentliche Überlagerung mit dem vom regulären Segment erzeugten Bild zu verschieben. Die Kamera kann in üblicher Weise verwendet werden und unterliegt in ihrem Betrieb üblichen Genauigkeitsbeschränkungen. Jegliche Gesamtbewegung des Gegenstands zwischen der Erzeugung der beiden Bilder innerhalb relativ weiter Grenzen führt zu einem gleichförmigen Interferenzmuster auf dem entwickelten fotografischen Interferogramm und stört die Ausführung der Erfindung nicht.
Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, die Neigungen der Verformungen, denen ein vibrierender Gegenstand unterliegt, kartographisch aufzuzeichnen. Bei dieser Ausführung wird ein Gegenstand, der einer Vibration im eingeschwungenen Zustand unterliegt, mit Hilfe der speziellen Kamera über eine Belichtungszeit mehrerer Vibrationsperioden abgebildet. Die Fotoplatte bzw. der Film zeichnet die über die Zeit integrierten Interferenzmuster zwischen den beiden im Zeitdurchschnitt vorherrschenden Stellungen des Gegenstands während der Vibration auf. Dieses Bild kann in gleicher Weise wie in Doppelbelichtungsbild verarbeitet werden, das sich bei den anderen Ausführungsformen ergibt, um ein sichtbares Interferenzmuster zu erzeugen, das als die Neigungen der Vibrationsamplitude angeordnet ist.
Die Interferenzstreifenfamilien, die anomale Verformungsmuster darstellen, die durch Verwendung der Erfindung erhalten werden, sind einfacher als die Interferogramme auszuwerten, die sich bei der holographischen Interferometrie ergeben. Dies beruht auf der Schärfe der Interferenzstreifen und dem Fehlen jeglicher eine gleichförmige Gegenstandsbewegung darstellender Interferenzstreifen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Doppel-Interferogramms von einer mit kohärentem Licht beleuchteten Oberfläche eines Gegenstands bei zwei Werten des auf den Gegenstand einwirkenden Umgebungsdrucks,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Erzeugung des Interferogramms,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Abschnitts eines Interferogramms zur Erläuterung der Interferenzstreifen konstanter Amplitude und veränderlicher Frequenz auf dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Interferogramm,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verarbeitung eines Interferogramms mit einem Fourier-Ebenen-Filter, und
Fig. 5 eine Darstellung des resultierenden Bildes des Gegenstands mit überlagerten Interferenzstreifenmustern, die als Funktion der bei Belastung des Gegenstands aufgetretenen anomalen Verformung angeordnet sind, welches Bild nach Verarbeitung mit der Vorrichtung von Fig. 4 erhalten wurde.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient der Untersuchung des Spannungsmusters, das auf der Oberfläche irgendeines untersuchten Gegenstands 10 als Folge einer Belastung auftritt, die durch Änderung des auf den Gegenstand einwirkenden Umgebungsdrucks auf diesen ausgeübt wird. Die Druckänderung wird dadurch erreicht, daß der Gegenstand auf einem Tisch 12 unter einem gewölbten Druckdeckel 14 getragen wird. Eine Luftpumpe 16, die an einem Ende mit der Atmosphäre verbunden ist, steht mit dem Raum zwischen dem Deckel 14 und dem Tisch 12 über ein Ventil 18 in Verbindung. Durch Steuerung der Pumpe 16 und des Ventils 18 kann der Druck innerhalb des Deckels 14 gesteuert werden. Es kann gleich, größer oder kleiner als der atmosphärische Druck gemacht werden. Unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 1 kann eine Aufnahme der Doppelbelichtung bei einem ersten Druck erfolgen, der Druck dann auf einen zweiten Wert geändert werden und danach eine zweite Aufnahme gemacht werden, so daß die von dieser Druckänderung herrührende Spannung auf der Oberfläche des Gegenstands untersucht werden kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Belastung auf den untersuchten Gegenstand auf andere Weise ausgeübt werden, etwa durch Änderung der Temperatur des Gegenstands, Änderung der mechanischen Belastung des Gegenstands etc. Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf irgendwelche Belastungsmöglichkeiten beschränkt.
In Fig. 1 ist der Gegenstand 10 als ein sich verjüngender Block dargestellt. Dieser Block kann beispielsweise ein Gummiformteil sein, das auf Einschlüsse neben der untersuchten Oberfläche 20 hin geprüft werden soll.
Der zu untersuchende Abschnitt der Oberfläche 20 wird mit kohärentem Licht von einem Laser 22 beleuchtet. Der Laserstrahl durchläuft eine Zerstreuungslinse 24 und eine Lochblende 26 (Pinhole-Filter). Alternativ könnte der Strahl mit Hilfe eines geschliffenen Glasdiffusers oder ähnlichem aufgeweitet werden. Gemäß Darstellung befindet sich diese Beleuchtungsanordnung unter dem unter Druck stehenden Deckel 14. Bei alternativen Ausführungsformen könnte die Beleuchtungsanordnung jedoch auch außerhalb angeordnet sein und der Beleuchtungsstrahl durch ein geeignetes (nicht dargestelltes) Fenster in den Deckel eintreten.
Von der Oberfläche 20 des Blocks 10 reflektiertes kohärentes Licht wird mit Hilfe einer speziellen Linse auf eine Fotoplatte 28 fokussiert. Diese Linse wird als Scherlinse 30 bezeichnet und nachfolgend im einzelnen erläutert.
Die Scherlinse 30 und die Fotoplatte 28 könnten sich innerhalb einer Kamera außerhalb des Deckels 14 befinden. Der Deckel 14 müßte dann mit einem Fenster für das von der Oberfläche zur Kamera reflektierte Licht versehen werden.
Die optische Natur des Abbildungssystems ist in der schematischen Darstellung von Fig. 2 gezeigt. Ein Teil 32 stellt eine gewöhnliche bikonvexe Kameralinse dar. Ein Keil 34 aus optischem Glas bedeckt eine Hälfte der Linse. Die unbedeckte Hälfte der Linse fokussiert in einer üblichen Weise Licht von der beleuchteten Oberfläche 20 auf die Fotoplatte 28. Licht vom Punkt A auf der Oberfläche 20 wird beispielsweise auf einen Punkt A′ auf der Fotoplatte 28 fokussiert, während Licht von einem Punkt B auf der Oberfläche 20 auf den Punkt B′ fokussiert wird.
Licht, das von der Oberfläche 20 den Keil 34 durchläuft, wird von der Linse 32 ebenfalls auf der Fotoplatte 28 fokussiert und erzeugt auf der Fotoplatte ein Bild der Oberfläche 20, das jedoch in bezug auf das Bild leicht verschoben ist, das vom Licht erzeugt wird, welches durch den unbedeckten Linsenabschnitt läuft. So wird beispielsweise vom Punkt A der Oberfläche 20 reflektiertes Licht im Punkt A′′ auf der Fotoplatte 28 fokussiert. Es fällt nicht mit dem Licht zusammen, das vom Punkt A durch den unbedeckten Abschnitt der Linse 32 läuft, sondern trifft vielmehr auf den Punkt B′.
Es interferiert Licht von den Punkten A und B auf der Oberfläche 20 miteinander an den Punkten A′′-B′. In ähnlicher Weise interferieren die beiden auf der Fotoplatte 28 fokussierten Bilder von dem bedeckten und dem unbedeckten Linsenabschnitt miteinander an den Stellen, an denen sie sich überlappen. Die vom Keil 34 hervorgerufene Verschiebung ist vorzugsweise, verglichen mit der Gesamtabmessung des fokussierten Bildes, relativ gering. Falls daher die Fotoplatte entwickelt werden sollte, wäre ein leicht verschwommenes Bild des Gegenstands sichtbar, ganz ähnlich einem Bild, das sich bei der Aufnahme eines während der Belichtung bewegten Objekts mit einer herkömmlichen Kamera ergibt. Dem verschwommenen Bild wäre auf seiner Oberfläche ein Interferenzmuster überlagert, das aus der kohärenten Interferenz der beiden gescherten Bilder des Gegenstands herrührte. Das Interferenzmuster wäre gleichförmig sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude.
Nach Aufnahme des ersten Bildes auf der Fotoplatte 28 und ohne Verschieben der Fotoplatte oder Entwickeln des aufgenommenen Bildes wird der Gegenstand belastet. Vorzugsweise erfolgt dies durch Verwendung der Pumpe 16 zur Änderung des Drucks innerhalb des Deckels 14. Der Druck kann bezogen auf die erste Belichtung erhöht oder erniedrigt werden. Dann wird der Laser 22 eingeschaltet und auf der Fotoplatte 28 eine andere Aufnahme der beleuchteten Oberfläche 20 des Gegenstands 10 hergestellt.
Es sei angenommen, daß die Druckänderung nicht zu einer Spannung auf der Oberfläche 20 des Gegenstands führte. Die Fotoplatte 28 wäre dann mit zwei übereinstimmenden gescherten Bildern belichtet worden, so daß sich nach Entwicklung der Fotoplatte 28 ein leicht verschwommenes Bild der Oberfläche 20 des Gegenstands mit einem regelmäßigen Muster von Interferenzstreifen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude zeigen würde.
Es sei ferner angenommen, daß die Druckänderung zu irgendeiner gleichförmigen Änderung der Lage der Oberfläche 20 des Gegenstands bezogen auf die Fotoplatte geführt hat, beispielsweise zu einer leichten Verschiebung in Richtung auf die Fotoplatte oder einer leichten Verschiebung seitlich zur Fotoplatte. In diesem Fall wäre ein zweites verschwommenes Bild der Oberfläche zusammen mit einem Interferenzmuster auf der Fotoplatte aufgezeichnet worden, welches von der Interferenz des ersten Satzes von Interferenzstreifen mit dem sich aus diesem zweiten verschwommenen Bild ergebenden Satz herrühren würde. Die beiden Interferenzmuster würden miteinander interferieren und ein Gesamtinterferenzmuster ergeben. Infolge der gleichförmigen Bewegung des Gegenstands bzw. seiner Oberfläche wäre dieses Gesamtinterferenzmuster über die gesamte Gegenstandsoberfläche regelmäßig. Bei Entwicklung der Fotoplatte würde sich ein verschwommenes Bild des Gegenstands ergeben, und das regelmäßige Interferenzmuster wäre weitgehend unsichtbar, und zwar wegen seiner geringen Größe und der Tatsache, daß die Interferenzstreifen mit regelmäßiger Amplitude und regelmäßigem Abstand zu einem gleichförmigen Dunkelwert über das gesamte Bild führen würden.
Nun sei jedoch angenommen, daß, wie im praktischen Fall, die Druckänderung eine über die Oberfläche 20 des Gegenstands unregelmäßige Spannung hervorruft. Falls beispielsweise eine Blase im Gegenstand an einem Punkt nahe der Oberfläche 20 vorhanden ist, könnte eine Zunahme des Umgebungsdrucks eine relativ große Versetzung dieses Punkts relativ zum Rest des Gegenstands bewirken. In diesem Fall wäre das auf der Fotoplatte als Folge der Interferenz der beiden während der ersten und der zweiten Aufnahme gebildeten Interferenzmuster erzeugte Interferenzmuster unregelmäßig, d. h. die Frequenz der Interferenzstreifen würde sich als Funktion der Verschiebung jedes Punktes der Oberfläche des Gegenstands zwischen den beiden Aufnahmen verändern.
Das resultierendes Muster von Interferenzstreifen würde Ringe von Interferenzstreifen abwechselnd hoher und niedriger Frequenz aufweisen, welche Punkte anomaler Spannung umgeben. Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Abschnitts solch eines resultierenden Interferogramms. Nimmt man an, daß der Punkt 36 eine anomale Verformung durchgemacht hat, dann würden Ringe von Interferenzstreifen 38 diesen Punkt umgeben. Diese Interferenzstreifenmuster wären infolge der feinen Art der Interferenzstreifen und der Tatsache, daß die Amplitude der Interferenzstreifen und ihr Tastverhältnis gleich sind, so daß sich ein gleichförmiger Beleuchtungswert ergibt, mit bloßem Auge äußerst schwierig zu erkennen.
Um die Änderungen der Frequenz der Interferenzstreifen gut sichtbar zu machen, wird das entwickelte Doppel-Interferogramm 40 mit Hilfe der Vorrichtung von Fig. 4 verarbeitet. Das Interferogramm 40 ist vorzugsweise in Form eines Transparents entwickelt worden. Bei alternativen Ausführungsformen könnte ein Positivabzug hergestellt und eine Filterung auf andere Weise ausgeführt werden. Bei der Vorrichtung von Fig. 4 wird das Transparent 40 mit einem konvergierenden Lichtstrahl von irgendeiner geeigneten, nicht-kohärenten Quelle 42 etwa durch eine Lochblende 44 be- bzw. durchleuchtet. Der Strahl von der Lochblende wird mit Hilfe eines Objektivs 46 gesammelt und durch das Transparent 40 geleitet. An der Fourier-Ebene 48 ist eine zentrale Blende 50 angeordnet. Diese Blende dient als Sperre für alle Interferenzstreifen unterhalb einer bestimmten Frequenz. Das resultierende virtuelle Bild wird mit Hilfe einer Linse 52 auf einen Schirm 54 projiziert. Der Schirm 54 zeigt auf diese Weise ein verschwommenes Bild des Gegenstands mit darauf ausgebildeten Interferenzstreifenanordnungen. Da die Interferenzstreifen niedriger Frequenz nicht durchgelassen wurden, erscheinen an ihrer Stelle geschwärzte Bereiche auf dem Bild. Das erhaltene Bild ist in Fig. 5 dargestellt. Die geschwärzten Bereiche 56 stellen die Verformungsanomalien der Gegenstandsoberfläche 20 dar.
Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung können andere Formen der Interferenzstreifenfrequenzfilterung verwendet werden. So könnte beispielsweise eine ringförmige Blende als Sperre für Interferenzstreifen hoher Frequenz in der Fourier- Ebene eingesetzt werden.
Durch das für die Interferenzstreifenfrequenz empfindliche Fourier-Filter wird der Interferenzstreifenkontrast des resultierenden Bildes des Gegenstands verstärkt.

Claims (12)

1. Interferometrisches Verfahren, bei dem auf einem fotografischen Aufzeichnungsträger eine erste Abbildung eines untersuchten, mit kohärentem Licht beleuchteten und sich in einem ersten Zustand befindenden Gegenstands mittels eines Abbildungssystems erzeugt wird, der Gegenstand dann, etwa durch Belastung, in einen zweiten Zustand gebracht wird, dann eine zweite Abbildung des mit kohärentem Licht beleuchteten und sich in dem zweiten Zustand befindenden Gegenstands mit demselben Abbildungssystem erzeugt wird und ein durch Überlagerung beider Abbildungen erzeugtes und Interferenzstreifen aufweisendes Interferogramm ausgewertet wird, wobei bei der ersten Abbildung zwei geringfügig gegeneinander versetzte Bilder des Gegenstands erzeugt sowie bei der zweiten Abbildung auf demselben Aufzeichnungsträger wie bei der ersten zwei gleichermaßen gegeneinander versetzte Bilder erzeugt werden, die mit den ersten Bildern koinzident sind, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Abbildungssystem eine Linse (32) und einen einen Abschnitt der Linse (32) bedeckenden Keil (34) aus optischem Glas umfaßt, derart, daß die Linse (32) einen vom Keil (34) bedeckten und einen unbedeckten Abschnitt aufweist, wobei bei der Abbildung durch den bedeckten Linsenabschnitt und den Keil (34) ein fokussiertes Bild erzeugt wird, das gegenüber dem durch den unbedeckten Linsenabschnitt erzeugten fokussierten Bild geringfügig versetzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Interferogramm mit einem Interferenzstreifen- Frequenzfilter ein Bild des Gegenstands (10) erzeugt wird, welches überlagerte und als Funktion der bei einer Zustandsänderung durch Belastung des Gegenstands auftretenden Spannung angeordnete Interferenzstreifenfamilien aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Bildes aus dem Interferogramm die Erzeugung einer Fourier-Ebenen-Projektion des Interferogramms, die erneute Abbildung des Bildes aus der Fourier-Ebene und das Ausblenden vorgegebener Abschnitte des Bildes der Fourier-Ebene umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten Abschnitte des Bildes ausgeblendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur kohärenten Beleuchtung des Gegenstands (10) ein Laser (22) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufzeichnungsträger eine Fotoplatte (28) verwendet wird, die eine mit lichtempfindlichen Chemikalien beschichtete ebene Fläche hat.
7. Verfahren nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoplatte (28) als Transparent (40) entwickelt wird und daß die Fourier-Ebenen-Projektion mit Hilfe einer Durchleuchtung des Transparents (40) mit einem konvergierenden Lichtstrahl erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Interferenzstreifen-Frequenzfilter ein Fourier-Interferenzstreifenfrequenz-Diskriminatorfilter verwendet wird, welches ein Bild des Gegenstandes (10) mit einem hohen Kontrast zwischen Interferenzstreifen unterschiedlicher Frequenz erzeugt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergierende Lichtstrahl dadurch gebildet wird, daß Licht von einer Punktlichtquelle (42) durch eine Linse (46) geleitet wird, und in der resultierenden Fourier-Ebene (48) eine Blende (50) angeordnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (50) in der Mitte der Fourier-Ebene angeordnet wird, um die Interferenzstreifen niedriger Frequenz zu sperren.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gefilterte Interferogramm auf einem Schirm (54) wiedergegeben wird.
12. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf einem fotografischen Aufzeichnungsträger eine erste und eine zweite Abbildung eines untersuchten, mit kohärentem Licht beleuchteten und sich in zwei verschiedenen Zuständen befindenden Gegenstands mittels eines Abbildungssystems erzeugt wird, wobei bei der ersten Abbildung zwei geringfügig gegeneinander versetzte Bilder des Gegenstands erzeugbar sowie bei der zweiten Abbildung auf demselben Aufzeichnungsträger wie bei der ersten zwei gleichermaßen gegeneinander versetzte Bilder erzeugbar sind, die mit den ersten Bildern koinzident sind, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Abbildungssystem eine Linse (32) und einen einen Abschnitt der Linse (32) bedeckenden Keil (34) aus optischem Glas umfaßt, derart, daß die Linse (32) einen vom Keil (34) bedeckten und einen unbedeckten Abschnitt aufweist, wobei bei der Abbildung durch den bedeckten Linsenabschnitt und den Keil (34) ein fokussiertes Bild erzeugbar ist, das gegenüber dem durch den unbedeckten Linsenabschnitt erzeugten fokussierten Bild geringfügig versetzt ist.
DE19782806845 1977-02-17 1978-02-17 Verfahren und vorrichtung zur interferometrischen verformungsuntersuchung Granted DE2806845A1 (de)

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