DE3029716A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatishen aufrechterhaltung einer justage der deckung und der relativen phasenlage von lichtstrahlen in einem fuer den ultraschallempfang benutzten optischen interferometer - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur automatishen aufrechterhaltung einer justage der deckung und der relativen phasenlage von lichtstrahlen in einem fuer den ultraschallempfang benutzten optischen interferometer

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DE3029716A1 DE19803029716 DE3029716A DE3029716A1 DE 3029716 A1 DE3029716 A1 DE 3029716A1 DE 19803029716 DE19803029716 DE 19803029716 DE 3029716 A DE3029716 A DE 3029716A DE 3029716 A1 DE3029716 A1 DE 3029716A1
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Walter Dipl.-Ing. Kaule
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Description

-Q-
Krautkrämer GmbH 15. Juli !9So
Luxemburger Str. 449 QH9Q7 1R Kw/bdl
5ooo Köln 4! K-145
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR AUTOMATISCHEN AUTRECHTERHALTUNG EIMER JUSTAGE DER DECKUNG UND DER RELATIVEN PHASENLAGE VON LICHTSTRAHLEN IN EINEM FÜR DEN ULTBASCHALLEMPFANG BENUTZTEN OPTISCHEN INTERFEROMETER.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Aufrechterhaltung einer Justage der Deckung und der relativen Phasenlage von Lichtstrahlen im Gesichtsfeld eines Iiiter Li reine teer·, wobei die Lichtstrahlen auf df? n verschiedenen optischen Wegen im Interferometer derart relativ zueinander zeitverzögert werden, daß sie die für die Gewinnung einer Amplitudenmodulation aus einem mit Ultraschallschwiugungen frequenzmodulierten Meßstrahl notwendige Interferenzbedingung erfüllen. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Wird in einem zu prüfenden Werkstück eine Ultraschallwelle erzeugt, dann ist ihre Ausbreitung im Werkstück an den Stellen gestört, die andere akustische Eigenschaften besitzen als die Umgebung. Solche Stellen können z.B. Fremdeinschlüsse, Materialtrennungen, Gefügeänderungen usw. sein. An der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes wird in jedem Falle ein Ultraschallwellenrelief vorhanden sein, das Informationen aus dem Inneren des Werkstückes enthält. Es ist bekannt, die unterschiedlichen Schalldrucke in diesem Ultraschallwellenrelief mit Prüfköpfen, das sind allgemein eiektroakustische Wandler, abzutasten, in elektrische Signalspannungen umzuwandeln und aus dem zeitlichen Verlauf dieser Spannungen oder nur aus ihrer Amplitude einen Befund über das zu prüfende Werkstück zu bilden.
Zur Abtastung des Ultraschallwellenreliefs sind auch berührungslos arbeitende optische Verfahren bekannt, z.B. optische InLerferometeranordnungen, wie in dem Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. und H. Krautkiämer, 3. Auflage 1975, erschienen im Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New-York, auf den Seiten 162-17o, insbesondere auf den Seiten 168-17o, beschrieben. Hierbei wird die Oberfläche des Werkstückes von der die Schallwellen ampfangen werden sollen, mit einfarbigem Licht, z.B. aus einem
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Laser (oftmals ein frequanzstabilisierter Einmodenlaser), beleuchtet. Das an der Oberfläche des Werkstückes reflektierte bzw. gestreute Laserlieht ist durch den Dopplereffekt infolge der Ultraschal!schwingungen der Werkstückoberfläche frequenzmoduliert. In Interferometeranordnungen wird diese Frequenzmodulation in Helligkeitsschwankungen (Amplitudenmodulation) umgewandelt und in Fotodetektoren in elektrische Signa!spannungen umgesetzt, die z.B, auf einem Kathodenstrahlossilloskop angezeigt und zur Beftindbiidung herangezogen werden.
In einer derartigen Interferometeranordtiung wird allgemein der eintretende Lichtstrahl aufgespalten, über 2 optisch verschieden lange Wege durch das Interferometer geführc und wieder vereinigt. Nach Wiedervereinigung der beiden Lichtstrahlen kann man erreichen, daß in dem Gesichtsfeld des Interferometers Dunkelheit, maximale Helligkeit oder eine mittlere Helligkeit je nach relativer Phasenlage vorhanden ist. Ist das in das Interferometer eintretende Licht nun mit der Frequenz der Ultraschallwelle moduliert und auf einem Weg um eine Zeit verzögert, die ungefähr der halben Schwingungsdauer der Ultraschallwelle entspricht, so wird die Helligkeit im Gesichtsfeld des Interferometers mit dieser Ultraschallfrequenz schwanken. Hier angeordnete Fotodetektoren geben also eine elektrische Signalspannung ab, in deren zeitlichen Verlauf diese HeIligkeitsSchwankungen enthalten sind.
Nachteilig bei diesen Interferometeranordnungen ist es, daß - z.B. durch thermische Einflüsse - die optischen Wege der Interferometeranne beeinflußt werden und beim Impulsbetrieb des Lasers seine Frequenz durch die wechselnde thermische Beanspruchung nicht konstant bleibt. Kommen durch diese Instabilitäten die über verschiedene Wege geführten Lichtstrahlen nicht mehr entsprechend zur Deckung, dann entsteht im Gesichtsfeld ein störendes InteLferenzmuster oder wird auf den verschiedene optischen Wegen im. Interferometer das Verhältnis der Laufzeiten gestört, dann hat das eine Änderung der Grundhelligkeit im Gesichtsfeld zur Folge.
Es treten durch diese Störungen in der Regel im Gesichtsfeld sowohl Interferenzmuster als auch zeitliche HelligkeitsSchwankungen auf. Zur Vermeidung dieser Fehler muß nicht nur das Interferometer vor der Messung einjustiert werden, sondern das Gesichtsfeld ist ständig visuell zu überwachen, wobei dann manuell mindestens ein optisches Element - z.B. ein Spiegel - im Interferometer ständig nachgestellt werden muß, um die Justage aufrechtzuerhalten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verrahren und eine Vorrichtung aniu°si)en, so daß Verstellungen optischer Interfercmtterleiriente kc-rpcnsiert werden und eine einmal vorgenommene Jus cage, auch -während des Betriebes durch einen automatisch arbeitenden Steueiinechari1' smus aufrechterhalten wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 bis 12 gelöst.
Weitere Einzelheiten und Verteile der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiale und niit Hilfe der Figuren erläutert.
Es bedeuten:
Fig.1 Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens tür ein Interferometer nach darri Michelscn-Prinsip.
Fig. 2 Eine bevorzugt.; Ausgestaltun-; das Verfahrens für ein Interferometer nach dem Mach-Zehnder-Prinzip.
Fig.3 Der zeitabhängige Intensitätsverlauf eines gepulsten Lasers.
Fig.4 Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens für ein Interferometer nach dem Michelscn-Prinzip mit optischen Verschlüssen .
Fig.5 Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens für ein Interferometer mit 2 fokussierenden Systemen.
Fig.6 Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens für ein Interferometer mit 3 fokussierenden Systemen.
Fig.7 Ein Blockbild einer Schaltung zur Steuerung der Stellelemente durch die Fotudetektoren.
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Die Oberfläche 2 des schallmäßig zu untersuchenden Werkstückes 1 wird von einem Laser 3 - dieser kann im Dauerstrich arbeiten oder gepulst werden - beleuchtet. Ein kleiner Anteil dieses Lichtstrahles wird zwischen dem Laser 3 und Werkstück 1 mit einem Spiegel, Prisma oder teildurchlässigen Spiegel ausgeblendet und als vom Werkstück unbeeinflußter Kontrollstrahl 4 zur Kompensation von Änderungen im Interferometer benutzt. Der Kontrollstrahl 4 wird in den Meßstrahl 5 eingeblendet, wobei als Meßscrahl der Strahl des Streulichtes von der Oberfläche 2 zu verstehen ist, der in das Interferometer eintritt und zur Messung benutzt wird. Der Meßstrahl enthält die Informationen aus dem Ultraschallwellenrelief der Oberfläche 2 des Werkstückes 1. Der Kontrollstrahl dagegen ist ungestört durch die Schwingung der WerkstoffOberfläche, da er dem Laser direkt entnommen wird. Der Meßstrahl und der Kontrollstrahl durchlaufen dieselben optischen Wege im Interferometer. In den Figuren geben die ausgefüllten Pfeilspitzen die Ausbreitungsrichtung des Meßstrahls und die offenen Pfeilspitzen die des Kontrollstrahles an. Ändern Interferometerelemente, z.B. der Spiegel 11, ihre Lage, so werden die Interferenzbedingungen im Gesichtsfeld gestört. Wird z.B. der Spiegel 11 axial versetzt, jedoch ohne zu kippen, z.B. durch Erschütterungen oder durch thermische Längenänderungen von Interferometerarmen, so ändert sich damit auch die Relation der Laufzeiten im Interferometer, was für den Meßstrahl eine Änderung der Interferenzbedingung und damit eine Änderung des Arbeitspunktes bzgl. der Umwandlung der Frequenzmodulation des Meßstrahls in eine Amplitudenmodulation bedeutet. Es ist bei Verwendung eines Interferometers für den Ultraschallempfang von grundlegender Bedeutung, daß dieser Arbeitspunkt, d.h. die Interferenzbedingung zwischen den um ca. eine halbe Ultraschallschwingungsdauer verzögerten Lichtstrahl auf dem einen optischen Weg zum beinahe nichtverzögerten Lichtstrahl auf dem anderen optischen Weg, konstant bleibt. Im Gesichtsfeld des Interferometers ist ein Fotodetektor 1o angeordnet, der die an seinem Ort vorhandene zeitabhängige Lichtintensität in eine elektrische Signalgröße, z.B. eine elektrische Spannung, umwandelt. Bei den Verfahren und Anordnungen entsprechend der Fig.1, 2 und 4 ist das Gesichtsfeld für die Messung ortsun— abhängig im Bereich der wiedervereinigten Strahlengänge, da nur achsenparalleles Streulicht von der Werkstückoberfläche 2 ausgewertet wird. Für den Fall, daß ein divergentes Streustrahlenbündel des Streulichtes mit fokussierendem optischen System, wie Sammellinsen, ausgewertet wird
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(Fig.5 und 6), ist das entsprechende Gesichtsfeld die Fläche in der die Werkstückoberfläche abgebildet wird.
Der nichtfrequenzmodulierte Kontrollstrahl unterliege der gleichen Verschiebung seiner Interferenzbedingung, wodurch auch für den Kontroll strahl genauso wie für den Meßstrahl die Helligkeit im Gesichtsfeld geändert wird. Diese Helligkeitsänderung wird erfindungsgeinäß zur Nachstellung von Interferometerelementen, die in der Lage sind, diese Helligkeitsänderung rückgängig zu machen, z.B. der Spiegel 8, benutzt.
Hierzu wird ein Fotodetektor 6a usw. im Gesichtsfeld des Kontrollstrahls angeordnet, der eine elektrische Spannung über einen elektronischen Verstärker 23a usw. nach allgemein bekannten Regel- und Steuerungsverfahren an ein Stellelement 7a usw. - z.B. ein piezoelektrisches Stellelement - abgibt. Wird jedoch ein Interferometerelement, z.B. der Spiegel 11, durch die störenden Einflüsse gekippt, dann wird von diesem Spiegel der Lichtstrahl nicht mehr in sich selbst oder in eine Soll-Richtung reflektiert. Es ist dann notwendig, diesen Spiegel oder aber zur Kompensation einen anderen Spiegel, z.B. den Spiegel 8, so zu kippen, daß die Strahlen mindestens im Gesichtsfeld wieder parallel verlaufen oder ihre Sollrichtung aufweisen. Hierzu ist es notwendig, daß ein entsprechendes optisches Element im Interferometer, in diesem Beispiel der Spiegel 8 auf 3 piezoelektrischen Stellelementen aufgesetzt wird. Das Kippen eines Spiegels oder eines anderen Interferometerelementes würde im Gesichtsfeld des Interferometers ein Streifenmuster erzeugen, wodurch die 3 Fotodetektoren 6a, 6b, 6c,die jeweils über elektronische Verstärker 23a, 23b, 23c mit den entsprechenden piezoelektrischen Stellelementen 7a, 7b, 7c verbunden sind, unterschiedliche Signalspannungen abgeben, so daß die 3 piezoelektrischen Stellelemente sich in ihrer Länge unterschiedlich einstellen, und damit den Spiegel 8 gegenkippen, bis das Gesichtsfeld wieder die vorgegebene Helligkeit aufweist. Da der Kontrollstrahl eine mindestens vergleichbare aber oft eine wesentlich höhere Intensität hat als der Meßstrahl, darf der Kontrollstrahl nicht während der Meßphase auf den Fotodetektor 1o, der in der Gesichtsfeldebene des Meßstrahls die zu messenden HelligkeitsSchwankungen in elektrische Spannungswerte umwandelt, gelangen.
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Bei einem Interferometer 9 mit einem Strahlengang entsprechend dem Michelson-Interferometer, wie in Fig,1 dargestellt, wird beispielsweise der Kontrollstrahl durch optische Verschlüsse, z.B. Pockelszellen, außerhalb der Meßzeit eingeblendet. In der Fig.3 ist ein prinzipieller Intensitäts-Zeitverlauf für einen gepulsten Laser skizziert. Entsprechend diesem Zeitverlauf wird nach Abklingen der Einschwingstörungen des Lasers die amplitudenmodulierte Spannung aus dem Fotodetektor 1o für die Dauer der Meßzeit t , die aus der UltraschallprüfProblematik gegeben ist, z.B. mit elektronischen Mitteln an eine Auswerteeinrichturig, das kann ein Kathodenstrahloszilloskop sein, geschaltet. Im Anschluß an die Zeit t öffnet der optische Verschluß 12, z.B. eine Pockelszelle, für die Zeit-
dauei t und läßt den Kontrollstrahl 4 passieren, so daß er wie bereits ic
geschildert, in den Meßstrahl eingeblendet wird. Ein weiterer optischer Verschluß 13 verhindert den Eintritt des Meßlichtstrahles in die Fotodetektoranordnung 6a, 6b, 6c während der Meßzeit t .
Die Steuerung der Stellelemente 7a, 7b, 7c erfolgt innerhalb der Kontrollzeit t und der eingestellte Zustand bleibt für die folgende Meß-
zeit t bestehen, dann erfolgt während t, , falls zwischenzeitlich m k
Abweichungen aufgetreten sind, wieder eine Korrektur usw.
Das zeitliche Einblenden der Lichtstrahlen kann auch so erfolgen, daß der Meßstrahl 5 und der Kontrollstrahl 4 zeitlich getaktet, also nacheinander die optischen Wege des Interferometers durchlaufen. Das hat den Vorteil, daß jeweils nur ein Strahl von dem anderen ungestört in der Meßanordnung vorhanden ist. So können entsprechend der Fig.4 z.B. elektronisch geschaltete Pockelszellen als Verschlüsse in der Meßzeit t den Laser-
strahl für die Beleuchtung der Werkstückoberfläche 2 freigeben, d.h. die Zelle. 12a wird geöffnet, und den Kontrollstrahl 4 sperren, d.h. die Zelle 12b ist geschlossen. Für die Kontrollzeit t wird dann die Pockelszelle 12a
ic
gesperrt und die Pockelszelle 12b geöffnet. Ebenso kann auch das Ausblenden getaktet werden, in dem für die Zeit t die Pockelszelle 13a den Meßstrahl in den Fotodetektor 1o eintreten läßt, also geöffnet ist, während die Pockelszelle 13b geschlossen ist und in der Kontrollzeit t die Pockelszelle 13a geschlossen ist und 13b die Beleuchtung der steuernden Fotodetektoren 6a bis 6c freigibt. Eine elektronische Sperre sorgt dafür, daß außerhalb der Zeiten t keine Steuerung der piezoelektrischen Stellelemente erfolgen kann.
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Statt des Einsatzes von optischen Verschlüssen, z.B. PockeLszellen, zum getakteten Ausblenden des Meßstrahls für die Beleuchtung des Fotodetektors 1o und des Kontrollstrahls für die Beleuchtung der Diodenanordnung 6a bis 6c können auch die dem Fotodetektoren 1o bzw. 6a bis 6c nachgeschalteten elektronischen Schaltkreise elektronisch gesperrt und freigegeben werden.
Bei einem Interferometer 9a der Fig.2 mit einem Strahlengang entsprechend dem Mach-Zehnder-Interferometer, können der Meßstrahl 5 und der Kontrollstrahl 4 das Interferometer gleichzeitig durchlaufen, wenn man beide Strahlen in entgegengesetzter Laufrichtung durch das Interferometer führt. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Strahlen getrennt auszukoppelns wodurch eine zeitliche Taktung von Meßstrahl und Kontrollstrahl nicht notwendig ist. Veränderungen in den Interferometerarmen wirken sich demzufolge auch hier in gleicher Weise auf beide Strahlen aus, wie es bereits beim Interferometer mit einem Strahlengang entsprechend dem Michelson-lnterferometer 9 beschrieben wurde.
Werden im Interferometer fokussierende optische Systeme eingesetzt, um 2.B. nicht nur auf achsennahe parallele Streustrahlen von der Werkstückoberfläche angewiesen zu sein, wie es z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift OS 28 18 166 beschrieben ist, kann, wie in der Fig.5 dargestellt, zur Ausblendung des Kontrollstrahls der Unterschied in der Geometrie der Strahlengänge von Meß- und Kontrollstrahl ausgenutzt werden. Beispielhaft soll das mit der Fig.5 für ein Interferometer nach dem Michelson-Prinzip erläutert werden. Für Interferometer nach dem Mach-Zehnder-Prinzip gelten die gleichen Betrachtungen. Will man ein größeres Streustrahlenbündel von der Werkstückoberfläche erfassen, dann muß man einen kleinen, vom Laser 3 beleuchteten Bereich der Werkstückoberfläche mit Hilfe von fokussierenden optischen Systemen auf dem Fotodetektor 1o abbilden. Hierbei sind sowohl die Laufzeitbedingtingen für die Verzögerung entsprechend der Ultraschallfrequenz als auch die Bedingungen für die geometrische Abbildung zu berücksichtigen, hierauf sei an dieser Stelle nicht näher eingegangen, da das in der Offenlegungssctu'ift 28 18 166 beschrieben ist. Mit einer ersten Sammellinse 15 oder einem entsprechenden optischen System wird an einer Stelle im Interferometer, z.B. in der Reflexionsebene des Spiegels 11, ein Zwischenbild 2o erzeugt und dieses Zwischenbild mit Hilfe einer zweiten Sammellinse oder eines entsprechenden optischen Systems 16 auf dem Fotodetektor 1o abgebildet. Aus dem StrahL des Lasers 3 wird, wie bereits
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beschrieben, der parallele (ebene Wellenfronten) Kontrollstrahl 4 ausgeblendet und mit einer Sammellinse oder einem entsprechenden optischen System 14 so fokussiert, daß der Brennpunkt nahe oder in der Hauptebene der Sammellinse 15 liegt, so daß mit einem vorzugsweise sehr kleinflächigen Spiegel oder Prisma 17, das den in das Interferometer eintretenden Meßstrahl 5 nicht störend abblendet, der Kontrollstrahl in den Meßstrahl eingeblendet wird. Wird hierbei der Brennpunkt des Kontrollstrahls nahe genug an die Hauptebene der Linse 15 gelegt, so wird der Öffnungswinkel des sich nach dem Brennpunkt aufweitenden Kontrollstrahls nicht oder nur unwesentlich verringert. Der Kontrollstrahl durchläuft gleichzeitig mit dem Meßstrahl dieselben Wege im Interferometer in gleicher Richtung. In der Fig.5 ist nur ein Interferometerweg gezeichnet, der zweite Interferometerweg (zweiter Interferometerarm) ist nur angedeutet.
Da der Kontrollstrahl divergent in die Linse 16 eintritt, wird er in einem Brennpunkt vor dem Fotodektektor 1o , der allgemein in einer Bildebene des Interferometers angeordnet ist, fokussiert. An dieser Stelle wird wieder ein vorzugsweise sehr kleiner Umlenkspiegel oder Umlenkprisma 18 zur Ausblendung des KontrollStrahls angeordnet. Dieser sich nun wieder aufweitende seitlich ausgeblendete Kontrollstrahl wird nach einer Aufweitung, die der geometrischen Anordnung der Fotodetektoren 6a, 6b, 6c entspricht, zur Steuerung eines Interferometer-Elementes verwendet. Da der Kontrollstrahl dieselben Wege wie der Meßstrahl durchläuft, werden seine Interferenzbedingungen bei Veränderungen im Interferometer genauso beeinflußt, wie die des Meßstrahls. Entsteht eine Wegänderung, wird die Helligkeit im gesamten Strahlquerschnitt in der Ebene von 6a, 6b, 6c geändert und es erfolgt eine axiale Nachstellung eines Interferometer-Elementes. Kippt ein Interferometer-Element, d.h. ändert es seine Winkellage gegenüber der entsprechenden Strahlrichtung, wird in der Ebene der Fotodetektoren 6a, 6b, 6c eine ungleichmäßige Helligkeit oder ein streifenförmiges Muster entstehen, so daß, wie bereits beschrieben, ein Interferometer—Element entsprechend gegengekippt wird.
Der Strahlengang über den längeren Interferometerarm kann optisch durch ein Medium mit entsprechendem Brechungsindex derart beeinflußt werden, daß auf beiden Spiegeln 11 und 8 Zwischenabbildungen vorhanden sind, die am Fotodetektor 1o entsprechend den Bedingungen der Interferometer-Arbeits— weise eine gemeinsame Abbildung haben. Ein derartiges Mittel zur Erzeugung von Zwischenabbildungen über optisch verschieden lange Wege ist in der bereits genannten OS 28 18 166 beschreiben.
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In einer Abänderung entsprechend der Fig.6 kann beispielsweise am Ort der Zwischenabbildung ein Hohlspiegel 19 angebracht werden, der nur den Kontrollstrahl· fokussiert, wobei der Brennpunkt vorzugsweise an den Scheitel bzw. Hauptebene der Linse \6 gelegt wird, so daß hier der Kontrollstrahl ausgeblendet werden kann. Das kann vorteilhaft sein, wenn infolge der Strahlen-Geometrie der Brennpunkt der Linse 16 und die Abbildungs—Ebene am Fotodetektor 1o sehr nahe aneinander liegen. Statt des Hohlspiegels am Ort der Zwischenabbildung kann auch eine Sammellinse verwendet werden. Ist der Ort der Zwischenabbildung 2o ein spiegelndes Interferometer-Element, wird man vorzugsweise einen Hohlspiegel verwenden, liegt die Zwischenabbildung 2o an anderer Stelle im Strahlengang, wird eine Sammellinse notwendig oder vorteilhaft sein.
Die Grundjustage und Steuerung kann beispielsweise folgendermaßen ablaufen: Treten im Gesichtsfeld des Meßstrahls 5, also in der Ebene des Fotodetektors 1o, Interferenzstreifen oder Helligkeitsschwankungen durch Veränderungen von Interferometer-Elementen auf, dann erscheinen die gleichen Interferenzstreifen bzw. Heiligkeitsänderungen auch im Gesichtsfeld des Kontrollstrahls in der Ebene der Fotodetektorenanordnung 6a bis 6c. Es wird zur Grundjustage zunächst die Steuerspannung der Detektoren 6a bis 6c abgeschaltet und das Interferometer manuell dadurch justiert, daß den piezoelektrischen Stellelementen Gleichspannungen zugeführt werden, die so einzustellen sind, daß im Gesichtsfeld die gewünschte Helligkeit (Arbeitspunkt) vorhanden ist und die Ausleuchtung interferenzstreifenfrei ist. Nachdem diese Justage vollzogen wurde, bleiben die Gleichspannungen an den piezoelektrischen Stellelementen erhalten. Auf diese Grundspannungen werden die Steuerspannungen von den Fotodetektoren 6a bis 6c aufgeschaltet. Diese Steuerspannungen werden beispielsweise derart gewonnen, daß jede der Fotodetektoren 6a bis 6c jeweils an einem Differenzverstärker 23a bis 23c angeschlossen ist, denen jeweils Sollspannungen als Vergleichsspannungen zugeführt werden. Ist die vom Fotodetektor entsprechend der Helligkeit abgegebene Spannung gleich der Sollspannung, gibt der Differenzverstärker keine Steuerspannung an sein piezoelektrisches Stellelement ab. Ändert sich die Helligkeit am Ort des Fotodetektors, so wird der Differenzverstärker eine Steuerspannung entsprechender Polarität an das piezoelektrische Stellelement abgeben und dieses derart verändern, daß am Eingang des Differenzverstärkers von dem entsprechenden Fotodetektor wieder die Sollspannung abgegeben wird. Dadurch wird erreicht, daß mit 3 Stellelementen an
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mindestens einem optischen Element des Interferometers Änderungen in den optischen Wegen der Interferometerarrae kompensiert werden können. Dieser Steuervorgang mit elektronischen Differenzverstärkern ist allgemein bekannt und hier nur skizzenhaft angedeutet.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach der Justage einer Interferometermeßanordnung zum Empfang von Ultraschallwellen die im Betrieb auftretenden Veränderungen der optischen Wege, z.3. durch thermische Einflüsse, die ohne Anwendung dieses Verfahrens die Inter— ferenzbedingungen nachteilig verändern wurden, automatisch ausgeregelt,
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Claims (1)

  1. Krautkrämer GmbH 15. Ju
    Luxemburger Str. 449 Kw/hdl
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    Patentansprüche
    1. Verfahren zur automatischen Aufrechterhaltung einer Justaga der Deckung und der relativen Phasenlage von Lichtstrahlen im Cesichtsfeld eines Interferometers, wobei Lichtstrahlen eines Lasers auf den verschiedenen optischen Wegen im Interferometer derart relativ zuein-. ander zeitverzögert werden, daß sie die für die Gewinnung einer Amplitudenmodulation aus einem mit Ultraschallschwingungen frequenzmodulierten Meßstrahl notwendige Interferenzbedingung erfüllen, dadurch gekennzeichnet,
    daß aus dem Lichtstrahl des die Oberfläche (2) des Werkstückes (1) beleuchtenden Lasers (3) ein Kontrollstrahl (4) ausgeblendet wird,
    daß der Kontrollstrahl (4) innerhalb von Zeitintervallen (t, ) in den von der Werkstückoberfläche gestreuten und in das Interferometer gelangenden Meßstrahl (5) eingeblendet wird,
    daß der Kontrollstrahl (4) und der Meßstrahl (5) in gleicher Richtung dieselben Wege im Interferometer (9) durchlaufen,
    daß in der Gesichtsfeldebene des Kontrollstrahls ein oder mehrere Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) angeordnet sind, die über elektronische Verstärkereinrichtungen Stellelemente (7a, 7b, 7c), vorzugsweise piezoelektrische Stellelemente, steuern, die ein oder mehrere optische Elemente (8) (z.B. einen Spiegel) des Interferometers (9) dann in seiner Lage verändert bzw. verändern, wenn an den den Stellelernenten (7a, 7b, 7c) zugeordneten Stellen der Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) Helligkeitsänderungen auftreten, wobei die Lageveränderung des oder der optischen Elemente (8) derart erfolgt, daß eine einmal an den Stellen der jeweiligen Fotodetektoren justierte oder vorhandene Helligkeit aufrechterhalten bzw. wiederhergestellt wird.
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    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblendung des Kontrollstrahls (4) innerhalb von Zeitintervallen (t ) durch einen elektronisch gesteuerten optischen
    Verschluß (12), vorzugsweise eine Pockelszelle, erfolgt,
    daß ein optischer Verschluß (13), vorzugsweise eine Pockelszella, den Eintritt des Kontrollstrahls (4) nur während Kontrollzeiten (t )
    in die die Justage aufrechterhaltende Fotodetektorengruppe (6a, 6b, 6c) ermöglicht.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß optische Verschlüsse (12a, 12b) und (13a, 13b), vorzugsweise Pockelszellen, zur zeitlichen Taktung von Meß- und Kontrollstrahl derart gesteuert xjerden, daß für Meßzeiten (t ) der Verschluß 12a
    IE
    geöffnet ist und der Lichtstrahl aus dem Laser (3) die Werkstückoberfläche (2) beleuchtet, der Verschluß (12b) gesperrt ist, der Verschluß (13b) gesperrt ist und der Verschluß (13a) geöffnet ist,
    daß für Kontrollzeiten (t ) der Verschluß (12a) geschlossen ist,
    K.
    der Verschluß (12b) geöffnet ist und der Kontrollichtstrahl (4) in das Interferometer (9) eintreten kann,
    daß der Verschluß (13a) geschlossen ist und der Verschluß (13b) geöffnet ist.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Kontrollzeiten (t, ) der Fotodetektor (1o) elektronisch für die Ausxfertung gesperrt ist und die Fotodetektorenanordnung (6a, 6b, 6c) in Funktion ist und mindestens ein Interferometerelement (8) über Stellglieder (7a, 7b, 7c) gesteuert wird,
    daß für Meßzeiten (t ) elektronisch der Fotodetektor (1o) für die
    Messung freigegeben ist und die Fotodetektorenanordnung (6a, 6b, 6c) für die Steuerung bzw. die nachfolgende Steuereinrichtung blockiert ist.
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    5. Verfahren zur automatischen Aufrechterhaltung einer Jus tage der Deckung und der relativen Phasenlage von Lichtstrahlen im Gesichtsfeld eines Interferometers, wobei Lichtstrahlen eines Lasers auf den verschiedenen optischen Wegen im Interferometer derart relativ zueinander zeitverzögert werden, daß sie die für die Gewinnung einer Amplitudenmodulation aus einem mit Ultraschallschwingungen frequenzmodulierten Meßstrahl notwendige Interferenzbedingungen erfüllen, dadurch gekennzeichnet,
    daß aus dem Lichtstrahl des die Oberflächen (2) des Werkstückes (1) beleuchtenden Lasers (3) ein Kontrollstrahl (A) ausgeblendet wird,
    daß der Kontrollstrahl (4) im Interferometer (9a) in den von der Oberfläche (2) gestreuten Meßstrahl (5) eingeblendet wird,
    daß der Kontrollstrahl (4) und der Meßstrahl (5) im Interferometer (9a) dieselben optischen Wege, aber in entgegengesetzter Richtung durchlaufen,
    daß in der Gesichtsfeldebene des Kontrollstrahls ein oder mehrere Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) angeordnet sind, die über elektronische Verstärkereinrichtungen Stellelemente (7a, 7b, 7c), vorzugsweise piezoelektrische Stellelemente, steuern, die ein oder mehrere optische Elemente (8), z.B. einen Spiegel, des Interferometers (9a) dann in seiner Lage verändert bzw. verändern, wenn an den den Stellelementen (7a, 7b, 7c) zugeordneten Stellen der Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) Helligkeitsänderungen auftreten, wobei die Lageveränderung des oder der optischen Elemente (8) derart erfolgt, daß eine einmal an den Stellen der jeweiligen Fotodetektoren justierte oder vorhandene Helligkeit aufrechterhalten bzw. wiederhergestellt wird.
    6. Verfahren zur automatischen Aufrechterhaltung einer Justage der Deckung und der relativen Phasenlage von Lichtstrahlen im Gesichtsfeld eines Interferometers, wobei Lichtstrahlen eines Lasers auf den verschiedenen optischen Wegen im Interferometer derart relativ zueinander zeitverzögert werden, daß sie die für die Gewinnung einer Amplitudenmodulation aus einem mit Ultraschallschwingungen frequenzmodulierten Mo.ßstrahl notwendige Interferenzbedigung erfüllen und das Interferometer
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    zur Erfassung eines divergenten Streustrahlenbündels fükussierende optische Elemente enthält, dadurch gekennzeichnet,
    daß aus dem Lichtstrahl des die Oberfläche (2) das Werkstückes (1) beleuchtenden Lasers (3) ein Kontrollstrahl (4) ausgeblendet wird,
    daß der Kontrollstrahl (4) mit einem optischen S2/stein (14) , vorzugsitfeise eine Sammellinse, derart fokussiert wird, daß der Brennpunkt in oder nahe der Hauptebene eines den Meßstrahl fokussierenden. optischen Systems (15) liegt,
    daß der Kontrollstrahl (4), vorzugsweise in oder nahe seinem Brennpunkt, in den von der Werkstückoberfläche gestreuten und in das Interferometer gelangenden Meßstrahl (5) eingeblendet wird,
    daß de?: KontrollstrahL nach Durchlauf der verschiedenen optischen Interferometerwege durch ein optisches System (16) fokussiert wird.
    daß der Kontrollstrahl vor dem Fotodetektor oder einer entsprechenden Bildebene im Interferometer (1o), vorzugsweise in oder nahe seinem Brennpunkt, aus dem Strahlengang des Meßstrahles ausgeblendet wird und auf die Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) geführt wird,
    daß die Fotodetektoren (6a5 6b, 6c) über elektronische Verstärkereinrichtungen Stellelemente (7a, 7b, 7c), vorzugsweise piezoelektrische Stellelemente, steuern, die ein oder mehrere optische Elemente (8), z.B. einen Spiegel, des Interferometers dann in seiner Lage verändert bzw. verändern, wenn an den den Stellelementen (7a, 7b, 7c) zugeordneten Stellen der FoCodetektoren (6a, 6b, 6c) Helligkeitsänderungen auftreten, wobei die Lageveränderung des oder der optischen Elemente (8) im Interferometer derart erfolgt, daß eine einmal an den Stellen der jeweiligen Fotodetektoren justierte oder vorhandene Helligkeit aufrechterhalten bzw. wiederhergestellt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene einer Zwischenabbildung (2o) der Werkstückoberfläche ein fokussierendes optisches System (19), z.B. eine Sammellinse oder ein Hohlspiegel vorhanden ist,
    130067/0402
    daß durch dieses op^i^chö System die Abbildung der Zviijchunnobilcirpg auf dem Fotodetektor (1o) nicht beeinflußt wird, jtdoch, daß dar Kontrollstrahl (5) durch das optische System (19) Auf einen Brennpunkt (18) in oder nahe der Kauptebone des optischen Systems (IiO fokussiert wird,
    daß der Kontrollstrahl in oder nahe seinem Brennpunkt aus derr. Strahlengang des Meßstrahles ausgeblendet und auf die Fotodetektor^ (6a, 6b, 6c) geführt wird.
    8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Spiegel, Prisma oder teildurchlässiger Spiegel (21) vorhanden ist, so daß aus dein Lichtstrahl des Lasers (3) ein l'eilstrahl als Kontrollstrahl (4) abgespaltet wird,
    daß mindestens ein optischer Schalter (12, 12a) vorhanden ist, der den Kontrollstrahl (4) zeitgetaktet durchläßt oder sperrt,
    daß ein Spiegel, Prisma oder teildurchlässiger Spiegel (.24) vorhanden ist, so daß aus dem gemeinsamen Strahlengang (4, 5) ein Teilstrahl abgespaltet wird,
    daß mindestens ein optischer Schalter (13, 13b) vorhanden ist» der den abgespalteten Teilstrahl zeitgetaktet durchläßt oder sperrt,
    daß Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) vorhanden sind, die im Gesichtsfeld des abgespalteten Kontrollstrahls an mindestens 3 verschiedenen Orten Helligkeitswerte in elektrische Signalwerte umwandeln,
    daß elektronische Regelverstärker (23a, 23b, 23c) vorhanden sind, die von den Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) Signalwerte erhalten und Kegelwerte für nachgeschaltete Stellelemente erzeugen,
    daß Stellelemente (7a, 7b, 7c) vorhanden sind, die über Regelverstärker (23a, 23b, 23c) von Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) gesteuert werden,
    13OO67/CH02 BAD ORIGINAL
    daß die StelJelemente mindestens ein optisches Element (8) von den optischen Elementen (8, 11), die im Interferometer Teile des Strahlenganges bestimmen, tragen,
    daS Fotodetektoren (6a, 5b, 5c), Regelverstärker (23a, 23b, 23c), Stellelemente (7a, 7b, 7c) nach an sich bekannter Art elektronischer Regelungstechnik so geschaltet sind, daß die Nachstellung des optischen Elementes (8) derart erfolgt, daß Abweichungen vom Helligkeitssollwert am Ort eines Fotodetektors (6a, 6b, 6c) ausgeregelt werden.
    9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Schalter (12, 12a, 12b, 13, 13a,. 13b) Pockelszellen sind.
    1o. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß statt der zeitgetakteten optischen Schalter (12, 12a, 12b, 13, 13a, 13b) elektronische Zeittore in an sich bekannter Ausführungsform vorhanden sind, die die Fotodetektaren (1o, 6a. 6b, 6c) elektronisch zeitgetaktet freigeben oder sperren.
    1t. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurchgekennzeichnet,
    daß ein Spiegel, Prisma oder teildurchsichtiger Spiegel (22) vorhanden ist, so daß der Kontrollstrahl (4) in den Strahlengang des Meßstrahls (5} χλ der Ausbreitungsrichtung dem Meßstrahl entgegengesetzt, eingeblendet wird,
    daß ein Spiegel, Prisma oder teildurchlässiger Spiegel (25) vorhanden ist, so daß aus dem gemeinsamen Strahlengang (4, 5) der Kontrollstrahl (4) abgespaltet wird,
    daß Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) vorhanden sind, die im Gesichtsfeld des abgespalteten Kontrollstrahls an mindestens 3 verschiedenen Orten Helligkeitswerte in elektrische Signalwerte umwandeln,
    130067/0402 BAD
    029716
    daß elektronische RegeIvorstärker (2Sa, 23b, 23c) vorhanden sind, die von den Fotodetcktoren (6a, 6b, 6c) Sign-ilv;ertt erhalten und Regelwerte für nachgeschaltete Stelleiemente erzeugen,
    daß Stel!elemente (7a, 7b, 7c.) vorhanden sind, die über Regelverstärker (23a, 23b, 23c) von Fotodetektoren (6a, 6b. 6c) gesteuert werden,
    daß die Stellelemente mindestens ein optisches Element (8) von den optischen Elemente (8, 11), die im Interferometer Teile des Strahlenganges bestimmen, tragen,
    daß Fotodetektoren (6a, 6b, 6c). Segelverstärker (23a, 23b, 23c), Stelleleratnta (7a, 7b, 7c) nach an sich bekannter Art elektronischer Regelungstechnik so geschaltet sind, daß die Kachstellung des optischen Elementes (3) so erfolgt, daß Abweichungen vom Helligkeitssoilwert am Ort eines Fotodetektors (6a, 6b, 6c) ausgeregelt werden.
    12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Spiegel, Prisma oder teildurchlässiger Spiegel (21) vorhanden ist, so daß aus dem Lichtstrahl des Lasers (3) ein Teilstrahl als Kontrollstrahl (4) abgespaltet wird,
    daß ein Spiegel oder Prisma (26) vorhanden ist, so daß der Kontrollstrahl (4) in seiner Richtung verändert wird,
    daß ein fokussierendas optisches Sys tem(14)vorhanden ist, das den parallelen Kontrollstrahl (4) so fokussiert, daß der Brennpunkt nahe oder in der Hauptebene eines optischen Systems (15) liegt,
    daß ein Spiegel, Prisma oder te Ll durchlässiger Spiegel (17) vorhanden ist, so daß der Kontrollstrahl (4) in den Meßstrahlengang (5), der einen Gegenstandsbereich der Werkstückoberfläche durch optische Systeme (15, 19, 16), die im Strahlengang des Interferometers angeordnet sind, als Bild in der Gesichtsfeldebene eines Fotodetektor (Ig) abbildet, eingeblendet wird,
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    daß ein Spiegel, Prisma οάζν teildurehlässiger Spiegel (18) vorhanden ist, so daß aus dan Strahlengang des Interferometers der Kontrollstrabi ausgeblendet wird,
    daß Fotodetektoran (6a, 6h» 6c) vorhanden sind, die in: Gesichtsfeld des abgespalteten Kontrollstrahls an mindestens 3 verschiedenen Orten Helligkeits'vverte in elektrische Signalwerte umwandeln,
    daß elektronische Regelverstärker (23a, 23b, 23c) vorhanden sind, die von den Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) Signalwerte erhalten und Regelwerte für nachgeschaltete Stellelemente erzeugen,
    daß Stelleiemente (7a, 7b, 7c) vorhanden sind, die über Regelverstärker (23a, 23b, 23c) von Fotodetektoren (6a, 6b, 6c) gesteuert werden,
    daß die Stellelemente mindestens ein optisches Element (.8) von den optischen Elementen (8,11), die im Interferometer Teile des Strahlenganges bestimmen, tragen,
    daß Fotodetektoren (6a, 6b, 6c), Regelverstärker (23a, 23b, 23c), Stellelemente (7a, 7b, 7c) nach an sich bekannter Art elektronischer Regelungstechnik so geschaltet sind, daß die Nachstellung des optischen Elementes (8) so erfolgt, daß Abweichungen vom Helligkeitssollwert am Ort eines Fotodetektors (6a, 6b, 6c) ausgeregelt werden.
    13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente (7a, 7b, 7c) piezoelektrische Stellelemente sind.
    14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende System (14) eine Sammellinse ist.
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