DE3302382A1

DE3302382A1 - Phasenmultiplikationsholographie

Info

Publication number: DE3302382A1
Application number: DE19833302382
Authority: DE
Inventors: Heber Dale 99352 Richland Wash. Collins; Thomas James 98027 Issaquah Wash. Davis; James Michael 99336 Kennewick Wash. Prince
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-01-25
Filing date: 1983-01-25
Publication date: 1983-08-04
Also published as: CA1206784A; GB2113848A; FR2520522B1; GB2113848B; JPS58165052A; FR2520522A1; US4476434A

Description

Phasenmultiplikationsholographie

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zum nicht-zerstörenden Testen von Objekten, und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung niederfrequenter Strahlung bei der Herstellung von Beugungsmustern oder synthetischen Hologrammen, die durch holographische Verfahren rekonstruiert werden können.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das nicht-zerstörende Testen zur Identifizierung struktureller Eigenschaften eines Objektes durch Abtastholographieverfahren unter Verwendung einer bekannten Strahlungsquelle, wie beispielsweise elektromagnetischer oder akustischer Strahlung. Obwohl in den weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung Verfahren unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung und nicht-zerstörender Wirbelströitie benutzt werden, so ist dem Fachmann doch klar, daß auch andere Strahlungsformen eingesetzt werden können und von der vorliegenden Erfindung mitumfaßt werden.

Die Prinzipien der elektromagnetischen nicht-zerstörenden Testung sind wohlbekannt. Speziell werden Wirbelströme innerhalb eines zu untersuchenden Objektes durch Induktion einer benachbarten Spule erzeugt, die durch einen Wechselerregungsstrom durchflossen ist. Die Wirbelströme erzeugen dann Magnetfelder, die eine Kopplung mit der Spule mit der gleichen Frequenz wie der Erregungsstrom hervorrufen/ aber eine unterschiedliche Phase aufweisen können. Die Phase und Amplitude der induzierten Spannungen hängt von den strukturellen Eigenschaften des in Untersuchung befindlichen Objekts ab. Die Phasenbeziehungen können durch geeignete Signalverarbeitungsschaltungen gemessen werden.

Der Fluß der Wirbelströme in einem Testobjekt wird durch den Skineffekt bestimmt. Die Ströme nehmen exponential mit der Tiefe ab, und zwar abhängig von der Form des Objekts, seiner Dicke und seinen elektromagnetischen Eigenschaften. Zusätzlich zu der Abnahme der Stromamplitude mit dem Anstieg der Tiefe unter die Oberfläche, eilt der Phasenwinkel des Stromes in ansteigender Weise dem Erregungssignal nach.

Ein Nachteil vieler üblicher Wirbelstromtestverfahren besteht darin, daß man nicht in der Lage ist, eine scharfe dimensionsmäßige Definition von Fehlerstellen oder Anomalien zu erhalten. Wenn Bilder erhalten werden, so werden Fehlerstellen in dem untersuchten Objekt typischerweise in einem formlosen Bild wiedergegeben, oder aber in einem Bild, dessen Form nicht mit der Form der Fehlerstelle selbst in Korrelation steht. Diese Einschränkung ergibt sich durch die erforderlichen langen elektromagnetischen Wellenlängen, um eine angemessene Durchdringung in das Objekt zu erhalten. Wenn die Wellenlänge vermindert wird durch Erhöhung der Testfrequenz, so wird die Wirbelstromeindringung in gleicher Weise vermindert, und zwar wegen des Skineffektphänomens.

-λ-

Darüber hinaus verhindern geometrische Beschränkungen bei der Größe der verfügbaren Abtastöffnung oder Apertur die Abbildung von Fehlerstellen durch holographische Bildverfahren bei der Verwendung derartiger langer Wellenlängen, da oftmals nur ein einziger Wellenlängenbeugungskreis bezüglich eines gegebenen Punktes auf der strukturellen Charakteristik zu Abbildzwecken verfügbar ist. Ein einziger Beugungs- oder Randkreis von einer Punktquelle kann unmöglich optisch rekonstruiert werden, weil kein Beugungsmuster oder eine Linse für holographische Rekonstruktionszwecke existiert. Demgemäß wird ein Bild eines Punktdefekts unter diesen Bedingungen negiert. Diese eingeschränkte Öffnung oder Apertur tritt bei vielen Anwendungsfällen auf, wo der Fehler entweder nahe der Oberfläche liegt oder.hinsichtlich seiner Geometrie eingeschränkt ist»

Die Literaturstelle: "Holography by Scanning" von B,F. Hildebrand und Kenneth Haines, J. Opt. Soc. Am., Band 59, Seiten 1.-19 (1969) gibt eine allgemeine Diskussion der derzeit bekannten Abbildverfahren hinsichtlich der abtastenden akustischen Holographie. Die Bildlagegleichungen und Vergrößerungen im Hinblick auf diese Offenbarung wurden aus einem Phasenmultiplikationsfaktor abgeleitet, der anscheinend synthetisch die Konstruktionswellenlänge reduziert, um derartige bereits bekannte holographische Verfahren zu simulieren.

U.S. PS 4 084 136 beschreibt eine Wirbelstromtestvorrichtung, die eine Anzeige verschiedener Eigenschaften oder Charakteristiken einer Probe erzeugt. Ein Signalexpander tastet ein erzeugtes Signal und expandiert das getestete Signal auf einer ausgewählten Basis von Rechteckwellen oder Walsh-Funktionen, um eine Vielzahl von für das getestete Signal repräsentativen Signalkomponenten zu erzeugen. Diese werden durch ein Schaltungsnetzwerk kombiniert, um eine Anzeige

oder Darstellung eines Defekts vorzusehen. Die Anfängssigna« Ie sind Lissajou-Muster, die sodann projiziert und rotiert werden, um ein Zeilenbild eines unter der Oberfläche liegenden Defekts vorzusehen. Obwohl eine visuelle Darstellung erreicht wird, so ergibt sich doch keine genaue Repräsentation der Größe und der Abmessungen der festgestellten Fehlerstelle.

US-PS 3 721 896 beschreibt ein WirbelStromtestverfahren, bei dem das Ausgangssignal vom Objekt verarbeitet wird, um die Frequenz und Phase des Signals zu verdoppeln, um so ein Bezug sphasensignal zu erzeugen. Die verdoppelte Bezugsphase wird mit einer Bezugsphase verglichen, die durch einen Phasenschieber erzeugt wird, um so die Empfindlichkeit eines synchronen Komparators zu erhöhen. Das System bestimmt die Differenz zwischen den beiden Phasen und liefert ein End-Ausgangssignal, welches die festgestellte Differenz repräsentiert. Obwohl diese Offenbarung die Möglichkeit der Erhöhung der Empfindlichkeit des Wirbelstromtestverfahrens erwähnt, so ist doch kein Vorschlag darin enthalten, ein solches Signal dazu zu verwenden, um Randmuster zu erzeugen, die holographische Information für die weitere Verarbeitung enthalten.

US-PS 4 005 358 beschreibt ein Magnetometer, in dem Verformungen im gemessenen magnetischen Moment infolge von Wirbelströmen dadurch eliminiert werden, daß man außer-pha,se befindliche Signale auslöscht, und zwar durch ein Wechselstromrückkopplungsnetzwerk. Diese Literaturstelle enthält keine Beschreibung der Potentialen Phasenvervielfachung oder der holographischen Abbildung.

US-PS 3 229 918 bezieht sich auf die Erhöhung der von Wirbelstromtestvorrichtungen erhältlichen Information. Die hier beschriebene Erfindung verwendet eine durch ein Mehrfachfrequenzsignal angeregte Testspule. Die sich ergebenden

-ft.

Ausgangsgrößen der Vorrichtung sind für die Objekteigenschaften repräsentative Analogsignale. Keine Abbildverfahren werden offenbart. US-Patent 4 207 520 beschreibt ein Analog/Digital-Gleichgewichtssystem, welches mit Wirbelstromtestverfahren arbeitet. Die Ausgangssignale werden in einem Computer verarbeitet, um eine phasenempfindliche Feststellung von Fehlerstellen wie beispielsweise Rissen vorzusehen, wobei aber keine Abbildvorgänge diskutiert werden.

US-PS 3 678 452 bezieht sich auf die akustische Holographie und verwendet einen Frequenzvervielfacher zur Erhöhung der beschriebenen Tastverfahren. Dabei wird die kohärente Wellenperiode in eine Anzahl von Phasenintegralen unterteilt, wobei jedes für einen entsprechenden Schritt in einem schließlich erhaltenen Hologrammparameter wie beispielsweise einer Grauskalendichte repräsentativ ist. Phasenmultiplikationsverfahren zur synthetischen Erzeugung eines durch holographische Verfahren reproduzierbaren Bildes werden nicht diskutiert.

US-PS 4 222 273 beschreibt eine holographische Vorrichtung zur Feststellung und Abbildung von Fehlerstellen in Objekten. Ein, Hologramm, wird in einem Randmuster dargestellt und die Position und Form des Objekts kann aus diesem Muster durch Reproduktionsverfahren bestimmt werden. Es werden dabei Frequenzteileverfahren verwendet, aber eine synthetische Multiplikation von detektierten Phasensignalen wird nicht beschrieben .

Die Erfindung bezweckt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur synthetischen öffnung s·- oder Aperturerweiterung in holographischen Abbildanwendungsfällen anzugeben, um Randmuster zu konstruieren, die für die holographische Reproduktion in der Lage sind, wo Apertur-oder Öffnungseinschränkungen bei nicht-zerstörenden Testanwendungsfällen konventionellerweise solche Abbildverfahren unmöglich machen würden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Herstellung solcher Randmuster zu erreichen, ohne daß die Frequenz der auf das Testobjekt gerichteten Strahlung erhöht wird, was die verfügbare Eindringung begrenzen würde.

Ein weiteres Ziel besteht darin, synthetisch aus gemessenen Testsignalen Randmuster zu erzeugen, und zwar in einer Form, die durch holographische Verfahren in eine genaue visuelle Darstellung der strukturellen Eigenschaften in einem Testobjekt umgewandelt werden kann.

Weiterhin bezweckt die Erfindung ein nicht-zerstörendes Testverfahren vorzusehen, welches in irgendeiner Form von Strahlung verwendbar ist, und zwar geeignet für kohärente Signalverarbeitüngsverfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Inspektion eines Objekts mit einer,niedrigeren Frequenz mit ausgezeichneter Tiefeneindringung und ein sich ergebendes Bild simuliert das bei höheren Frequenzen verfügbare und erzeugt ausgezeichnete seitliche Auflösung.

Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Diese Ziele und Vorteile der Erfindung sind insbesondere durch die Kombination der folgenden Merkmale sowie der in den Ansprüchen beschriebenen Merkmale erhältlich.

Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung weist Abtastmittel auf, um ein Ausgangssignal mit konstanter Frequenz zu erzeugen, welches sich in seinem Phasenwert als Funktion der strukturellen Eigenschaften des Testobjekts ändert. Ein Phasenvervielfacher wird dazu verwendet, um die Frequenz und Phasenwerte des Ausgangssignals um eine ausgewählte Zahl zu vervielfachen. Eine Detektorschaltung detek- ■ tiert Phasendifferenzen zwischen dem vervielfachten■Ausgangssignal und einem Bezugserregungssignal,, dessen Frequenz

ebenfalls mit der vorgewählten Zahl multipliziert wird. Die sich ergebenden Signale werden einer visuellen Anzeige zugeführt, um eine abgetastete Darstellung des Objekts als Randmuster aufzuzeichnen, die durch holographische Verfahren rekonstruiert werden können.

Gemäß einem weiteren\ Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Durchdringung eines Testobjekts durch Strahlung von einem Erregungssignal mit konstanter Frequenz, Abtasten des Objekts zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches sich in seinem Phasenwert ändert, und zwar als Punktion der strukturellen Eigenschaften des Objektes, Vervielfachung der Phasenwerte und Frequenz des Ausgangssignals durch eine vorgewählte Zahl, Feststellen oder Detektieren der Phasendifferenzen zwischen den vervielfachten Phasenwerten und den Phasenwerten des Erregungssignals nachdem dessen Frequenz ebenfalls mit der gleichen vorgewählten Zahl multipliziert ist, und Aufzeichnung einer abgetasteten Darstellung des Objektes als Funktion der festgestellten Phasendifferenz, um Randmuster zu erzeugen, die durch holographische Verfahren rekonstruiert werden können

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen die Erzeugung eines scharf definierten Frontalbildes der strukturellen Eigenschaften, die in anderer Weise nicht abgebildet werden könnten, weil sie entweder nahe der Oberfläche des Objektes auftreten oder durch geometrische Einschränköffnungsabmessungen beschränkt sind, die für Abtastzwecke verfügbar sind. Die Tiefe der strukturellen Eigenschaft unterhalb der Oberfläche des Objektes kann ebenfalls durch die Rekonstruktionsparameter bestimmt werden, die den schärfsten Fokus erzeugen. Die seitliche Auflösung wird durch simulierte Reduktion in der Strahlungswellenlänge geliefert und kann leicht um eine Größenordnung kleiner sein als die elektro-

magnetische Wellenlänge im Material oder das Zweifache der Standardeindringtiefe. Da das Phasenmultiplikationsverfahren an den detektierten oder festgestellten Daten ausgeführt wird, verbleibt die Eindringtiefe ungeändert, die verfügbar ist infolge der eine längere Wellenlänge besitzenden an das Testobjekt angelegten Signale. Das Phasenmultiplikationsverfahren kann auch bei der Niederfrequenz verwendenden akustischen Holographie benutzt werden, was einen Test ermöglicht, der eine ausgezeichnete Eindringung bei schweren Materialien mit Bildern hoher Auflösung kombiniert

Es sei bemerkt, daß die bereits bekannten Verfahren zum elektromagnetischen Testen und für die akustische Holographie und auch die erfindungsgemäßen Verfahren nicht von einer bestimmten zu benutzenden Wellenstrahlung abhängen. Die Erfindung ist im ganzen Spektrum der elektromagnetischen Strahlung einschließlich des sichtbaren Lichts, der Mikrowellen, des Infrarot, Ultraviolett-Lichts sowie der Röntgenstrahlen, Radiowellen usw. anwendbar und auch für sämtliche Bereiche der Kompressions- und akustischen Strahlung. Die Anwendung ist möglich bei kohärenten Abbildverfahren und bei nichtkohärenten Abbildverfahren unter Verwendung holographischer Laufzeitphasenberechnungsverfahren. Die synthetisch entwickelten Hologramme oder Randmuster , die sich gemäß der Erfindung ergeben, enthalten holographische Information, die durch die Verwendung kohärenten Lichtes verarbeitet werden können, um ein visuelles Bild der strukturellen Eigenschaften des zu untersuchenden Objektes zu ergeben.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nunmehr folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung von Wirbelstromphasen-

winkeln als Funktion der Tiefe;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Problems

der öffnungs- oder Aperturbeschränkungen und der sich daraus ergebenden Unmöglichkeit Randmuster zu erzeugen, die zur Entwicklung eines Bildes in der Lage sind;

Fig. 3 ein ähnliches Diagramm, wobei hier das Ver

fahren des erfindungsgemäßen Prozesses dargestellt ist;

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines er

findungsgemäßen WirbelStromsystems;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Kon-

struktions- und Rekonstruktionsgeometrie, verwendet bei der Analyse des Verfahrens;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels

der Schaltung zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer abgewandelten Schal

tung;

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines optischen

Rekonstruktionssystems zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 9 eine Photographie der Randmuster , die

man infolge der Erfindung erhält;

Fig. 10 eine Rekonstruktion eines Punktbildes aus

den in Fig. 9 gezeigten Randmustern ;

-XT-

Fig. 11 und 13 Photographien von Ref er en zhologrammen,'

Fig. 12 und 14 Bilder entsprechend den Randmustern \i\

in den Fig. 11 bzw. 13;

Fig. 15 eine schematische Darstellung der Konstrük-

tionsgeometrie, verwendet zur Verifizierung der erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 16 eine Photographie von Randmustern, erhalten

infolge von Experimenten gemäß Fig. 15;

Fig. 17 ein rekonstruiertes Bild, entwickelt aus

Randmustern in Fig. 16;

Fig. 18 und 20 Photographien von akustischen Bezugs- oder

Referenζ-Hologrammen;

Fig. 19 und 21 Bilder, konstruiert aus den Randmustern

der Fig. 18 bzw. 29;

Fig. 22 eine schematische Draufsicht auf ein,Test

verfahren unter Verwendung der Erfindung;

Fig. 23 eine Draufsicht auf das Testverfahren gemäß

Fig. 22;

Fig. 24 Randmuster , die sich aus dem Testver

fahren gemäß den Fig. 22 und 23 ergeben;

Fig. 2 5 ein rekonstruiertes Bild entwickelt aus

den Randmustern der Fig. 24;

Fig. 26 eine schematische Draufsicht auf ein Test

verfahren unter Verwendung der Erfindung;

Fig. 27 eine Draufsicht auf das Testverfahren der

Fig. 26;

Fig. 28 Randmuster , die sich aus dem Testver-

fahren gemäß den Fig. 26 und 27 ergaben;

Fig. 29 ein rekonstruiertes Bild, entwickelt aus·

den; Randmustern der Fig. 28;

Fig. 30 einen schematischen Vergleich konventioneller

Wirbelstromverfahren sowie der Erfindung.

Es sei nunmehr im einzelnen Bezug genommen auf die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Bei der Verwendung für elektromagnetische nicht-zerstörende Testzwecke veranlaßt man den Fluß von Wirbelströmen innerhalb eines zu untersuchenden Objektes, und zwar durch Induktion von einer benachbarten Spule aus, die durch einen Wechselstrom erregt wird. Die Wirbelströme erzeugen Magnetfelder, welche eine Kopplung mit der Empfangsspule hervorrufen und Spannungen innerhalb der Empfangsspule induzieren, die die gleiche Frequenz wie der an die Sendespule angelegte Erregungsstrom haben, aber mit einem unterschiedlichen Phasenwinkel. Der Phasenwinkel und die Amplitude der induzierten Spannungen hängen von den Eigenschaften des zu untersuchenden Objektes ab. Die induzierte Spannung kann durch eine geeignete elektronische Ausrüstung gemessen werden, welche entweder die Spannungsveränderung (Zweispulenverfahren) abfühlt oder aber die äquivalente Impedanz der Spule (Einzelspulenverfahren) abfühlt.

Ein zahlreichen Wirbelstromtests anhaftender Nachteil besteht darin, daß sie nicht in der Lage sind, scharfe dimen-

- 4k-

sionsmäßige Definitionen von Fehlerstellen oder Anomalien zu liefern. Die beschränkt verfügbaren Öffnungs- oder Apertur abmessungen, wenn die Fehlerstelle oder Anomalie entweder nahe der Oberfläche eines Objekts liegt oder in anderer Weise durch die Geometrie beschränkt ist; macht die Abbildung unmöglich, weil die aufgezeichneten Randmuster nicht Mehrfachränder umschließen, um ein brauchbares Beugungsmuster oder Linsen zu erzeugen.

Die hier beschriebene Erfindung liefert eine Lösung für dieses Problem insofern als die effektive Wellenlänge, synthetisch reduziert werden kann, und zwar um eine oder zwei Grössenordnungen durch die Manipulation der abgefühlten Ausgangssignale. Da die Ausgangssignale manipuliert werden, bewahrt dieses Verfahren das verfügbare Maß der durch die Verwendung längerer Testfrequenzen verfügbaren Eindringung.Das Resultat besteht in der Fähigkeit Bilder mit hoher Auflösung von Fehlerstellen oder Anomalien zu erzeugen, und zwar unter Verwendung von Bildrekonstruktionsverfahren, wo derartige Abbildungen andernfalls unmöglich wären.

Die Frequenz- und Phasenmultiplikation der empfangenen Feh— lersignale scheint synthetisch die Konstruktions- oder Testwellenlänge durch den Multiplikationsfaktor zu reduzieren. Die scheinbare Reduktion in der Wellenlänge führt zu einem synthetischen Frequenztranslationshologramm. Die sich ergebenden mit der hohen synthetischen Frequenz konstruierten Randmuster sind ähnlich zu denjenigen, die man in einem Hologramm mit der gleichen Frequenz findet. Dieses Konzept gestattet die Inspektion von Objekten mit niedrigeren Testfrequenzen bei ausgezeichneter Tiefeneindringung und ergibt die Herstellung rekonstruierter Bilder mit der höheren synthetischen Frequenz bei vergrößerter Verstärkung und Auflösung. Dies gestattet die Verwendung des Verfahrens für die Quantifikation, Klassifikation und die Hochauflösungs-Abbildung

fi fk #
ns · * 4

von Fehler und Anomalien unter Verwendung von Wirbelstrom oder akustischen Daten.

Der Wirbelstromfluß in einem Testobjekt wird durch das Skineffektphänomen bestimmt. Die Ströme nehmen exponentiell mit der Tiefe ab und der Phasenwinkel des Stromes eilt dem Anregungssignal in ansteigender Weise nach. Die normalen linearen und phasen-multiplizierten Beziehungen zwischen Tiefe und Phasenwinkel im Falle der idealisierten ebenen Welle sind in Fig. 1 gezeigt. Man sieht, daß der Phasenwinkel mit der Objekttiefe ansteigt. Dieser eine Parameter wird dazu verwendet, um eine Darstellung der Randmuster gemäß der Erfindung zu konstruieren.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu untersuchende Objekt als erstes durch die Wellenformstrahlung von einem Anregungssignal mit konstanter Frequenz durchdrungen. Wenn elektromagnetische Verfahren verwendet werden, so ist die Frequenzquelle ein Oszillator mit einem in eine Spule eingespeisten Anregungssignal. Das Objekt wird ,sodann abgetastet, um ein Ausgangssignal mit der konstanten Frequenz zu erzeugen. Der Phasenwinkel des Ausgangssignals ändert sich als eine Funktion der strukturellen Eigenschaften, die im Objekt auftreten.

Bei Wirbelstromanwendungsfallen wird das Objekt durch eine Abtastspule abgetastet. Die Phasenwerte und Frequenz des Ausgangssignals von der Abtastvorrichtung oder Abtastspule werden sodann mit einer vorgewählten Zahl multipliziert, um in synthetischer Weise die Signalwellenlänge zu reduzieren. Phasendifferenzen in der Abtastebene werden sodann festgestellt, und zwar zwischen den mutliplizierten Phasenwerten des Ausgangssignals bei der multiplizierten Frequenz und den Phasenwerten der in ähnlicher Weise multiplizierten Frequenz des Anregungs- oder Erregungssignals. Die Feststellung die-

ser Phasenwertdifferenzen, wenn die Punkte um das Objekt herum abgetastet werden, wird dazu verwendet, um eine abgetastete Darstellung des Objektes als eine Funktion der festgestellten Phasendifferenzen zu erzeugen. Dies erzeugt Randmuster , die durch holographische Verfahren als ein visuelles Bild der strukturellen Eigenschaften des Objektes rekonstruiert werden können.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Aufzeichnungsschritt auf einem Aufzeichnungsoszilloskop ausgeführt. Die detektierten Phasendifferenzen werden als ein Schreibsignal verwendet, um die Aufzeichnung auf dem Oszilloskopschirm zu steuern, und zwar in Verbindung mit zweidimensionaler Abtastung, gekoppelt mit dem üblichen Betrieb der Abtastspule.

Fig. 2 zeigt die Folge von Ereignissen, die bei der Konstruktion von Randmustern auftreten, und zwar bei den Einschränkungen des Standes der Technik hinsichtlich Tiefe und öffnungs- oder Aperturabmessurigen. Fig. 3 veranschaulicht in ähnlicher Weise die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Schritte.

Fig. 2 zeigt die Wirbelstromspulenabtastung längs einer Abtastebene 10 über einen Punktdefekt 11 hinweg. Die Länge der angelegten Wellenlänge wird durch die Linie 12 dargestellt. Das sich ergebende Randmuster 13 weist einen zweidimensionalen Einrandkreis auf. Die Einrandbeschränkung beruht auf den abgetasteten öffnungs- oder Aperturdimensionen, die nicht ausreichend sind,-um ein Mehrfachrand-Hologramm zu erzeugen, das rekonstruiert werden kann. Diese eingeschränkte öffnungsbegrenzung tritt in vielen Anwendungsfällen auf, wo der Defekt oder Fehler entweder nahe der Oberfläche liegt oder durch die Ausrüstungsgeometrie beschränkt ist. Wenn die Aussetzung gegenüber kohärentem Licht von einem Laser 14 er-

-ys-

folgt, so kann unter Verwendung üblicher holographischer Verfahren kein Bild aus einem solchen Einrandmuster erzeugt werden.

Fig. 3 stellt in ähnlicher Weise das Ergebnis dar, wenn die Phasenwinkel und die Ausgangssignalfrequenz des abgetasteten Ausgangssignals mit einer vorgewählten Zahl mutlipliziert werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Multiplikationsfaktor neun. Die Wellenlänge zwischen den dargestellten konzentrischen Kreisen, die sich aus dem Punktdefekt 11a ergeben, ist nunmehr ein Neuntel der in Fig. 2 gezeigten. Mehrfachränder 13a werden über die gleiche Abtastebene 10 hinweg erzeugt, wenn die Betrachtung des gleichen Punktdefekts 11a erfolgt. Die synthetische reduzierte Wellenlänge ist durch die Linie 12a gezeigt!. Wenn nunmehr das die Mehrfachränder 13a enthaltende Bild durch Laser 14a belichtet wird, so wird ein reales konjuigertes Bild des Punktobjekts bei 15 erreicht.

Gemäß dieser Erfindung werden alle Phasenwerte, die gemäß dem üblichen allgemeinen schematisch in Fig. 2 gezeigten Vorgehen erhalten werden, synthetisch mit einem willkürlichen Expansionsfaktor multipliziert. Das Multiplizieren der Phasenwerte erzeugt ein neues expandiertes Apertur- oder Öffnungshologramm mit dem typischen Mehrfachrand oder Zonenlinsenmuster, das in der akustischen Holographie recht üblich ist. Es ist somit durch die synthetische Wellenlängenreduktion möglich, ein einzigartiges zweidimensionales Bild von Defekten zu konstruieren, die durch Wirbelstrom- oder andere Wellenstromstrahlungs-Abtastverfahren detektiert wurden.

Das vereinfachte Blockdiagramm der Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des oben beschrie-

' spule benen Verfahren für die Wirbelstromuntersuchjng. Die Abtast-

16 wird mit einer Testfrequenz ((J₁) erregt. Jedes von

null abweichende oder Fehlersignal von der Wirbelstrombrücke wird an einen Phasenvervielfacher 17 angelegt. Das Fehlersignal wird durch das Symbol S^ repräsentiert.

Sowohl die Frequenz als auch die Phase des Fehlersignals S_f werden durch eine vorgewählte Zahl (n) im Phasenmultiplizierer

17 multipliziert. Die Phase des sich ergebenden Signals wird sodann bezüglich eines Bezugssignals vom Erregungsoszillator

18 mit der gleichen Frequenz (nc! .) detektiert. Das Bezugsoder Referenzsignal ist in Fig. 4 mit S bezeichnet. Die

JK

detektierte Phaseninformation vom Phasendetektor/ der einen Signalvervielfacher 20 und ein Tiefpaßfilter 21 aufweist, ist ein Fehler-Phasensignal, welches in Fig. 4 mit S„ bezeichnet ist. Das Fehler-Phasensignal wird als ein Schreibbefehl an einem Speicheroszilloskop 22 verwendet.

Die Bewegung der Abtastspule 16 ist mit dem Oszilloskop 22 durch die üblichen mechanischen Abtastzugriffssignaleingänge 26 und 27 gekoppelt. Ein Muster ähnlich einem Hologramm, bestehend aus einem einzigartigen Satz von Randmustern 23 wird auf das Anzeigeelement geschrieben, wenn ein Fehler 24 in einem Objekt 25 abgetastet wird.

Im allgemeinen weist die Testvorrichtung vorzugsweise Abtastmittel, dargestellt als eine Abtastspule 16, auf, um ein Ausgangssignal (Fehlersignal S_f) von konstanter Frequenz zu erzeugen, welches sich in seinem Phasenwert als Funktion der strukturellen Eigenschaften des Objekts 25 speziell bei der Feststellung eines Fehlers 24 verändert. Im allgemeinen bei 17 dargestellte Phasenvervielfachermittel werden dazu verwendet, um die Frequenz- und Phasenwerte des Fehlersignals Sf um eine vorgewählte Zahl (n) zu multiplizieren. Mittel sind vorgesehen, um Phasendifferenzen zwischen dem multiplizierten Ausgangssignal oder Fehlersignal S_f und einem Bezugs-

- χ/ι-

anregungssignal oder Referenzsignal S₀ zu bestimmen, welches der Abtastfrequenz,multipliziert mit dem an das Fehlersignal angelegten Faktor gleicht. Die multiplizierten Frequenzen werden durch Mittel verarbeitet, die auf die Feststellung solcher Phasendifferenzen ansprechen, um eine abgetastete Darstellung oder Aufzeichnung des Objekts 25 als Randmuster 23 aufzuzeichnen. Dies ist als Oszilloskop 22 dargestellt, welches mit seinen Schreibbefehlsteuermitteln betriebsmäßig verbunden ist mit dem Phasendetektor, der Signalvervielfacher 20 und Tiefpaßfilter 2Ί aufweist. Die sich ergebenden Randmuster 23 können durch holographische Verfahren wie beispielsweise das rechts in Fig. 3 gezeigte optische System rekonstruiert werden. Solche Rekonstruktion hat die Erzeugung eines visuellen Bildes der strukturellen Eigenschaften des im Objekt detektierten Fehlers 24 zur Folge.

Die folgende mathematische Diskussion ist eine Analyse der Phasenmultiplikations-Holographie unter Verwendung der simultanen Fokus-(oder Punkt-) Quellen-Empfängerabtastung. Die verwendete Analyse ist ähnlich der Analyse, die in der Literaturstelle von Hildebrand und Haines verwendet wurde, die in der Beschreibungseinleitung genannt ist. Die Bildlagegleichungen werden für die verschiedenen Abtastverfahren abgeleitet, die bei der Phasenmultiplikations-Holographie verwendet werden.

Die synthetische Hologrammkonstruktion und Rekonstruktionsgeometrie, verwendet bei der Analyse, ist in Fig. 5 gezeigt. Die Phase am Empfängerpunkt (x,y,z) während der synthetischen Hologrammkonstruktion ist:

Φ (χ,ν,ζ) = Φ_ο (x,y,z) - φ_γ (x,y,z) (1)

Φ (x,y,z) = ψ£ [r£ + rj: - r£] (2)

Die Phase am Empfängerpunkt (x,y,z) nach Beleuchtung oder Belichtung des synthetischen Hologramms durch die Rekonstruktionsquelle ist:

, _ _r,j . _2v _r,

dabei ist:

η = Phasenmultiplikationsfaktor = Konstruktionswellenlänge

= Rekonstruktionswellenlänge + bezieht sich auf das konjugierte Bild bezieht sich auf das wahre Bild.

Wenn die Phase von Gleichung (2) Fokussierung am Bildpunkt (Xj₃, Yj₃, Zj₃) zur Fo 1 ge hat, dann gilt:

>, (x,y,z) = 2π , χ "τ— r,

^{X b}

was als die Gauss'sehe Bildkugel bezeichnet wird. Das übliche Verfahren besteht darin, die Abstandsterme (r'_; r/, ri, r'

a D ι δ

und ri) in einer binomischen Reihe zu expandieren und die Koeffizienten von x, y und ζ gleichzusetzen. Wir expandieren die Abstandsterme um den Ursprung des (x, y, z) Systems und der Abstand r_fi wird um das α, ß, X -System expandiert. Das Gebiet, in dem der Empfänger abtastet, wird bezüglich der Abstände als klein angenommen und ist an dem (x, y, z)-Ursprung zentriert. Eine ähnliche Einschränkung gilt für die Quellenbewegung. Die Terme erster Ordnung ergeben die Gauss'sehen Bildlagegleichungen:

(5)

^ri ^ro

K £«i - ^x°⁾ 1 I

» ik K ₊ £«i - ^x°⁾ 1 . Il (6)

V **Λ 1*1

Dabei ist r₂ = "»(ebene Welle Bezugsstrahl) und die synthetische Hologrammvergroßerung ist m = m = m .

Wenn wir simultane Quelle-Empfänger-Abtastkonfiguration nehmen, so ist der angenäherte Bild-zu-Phasogramm-Abstand durch die Gleichung (8) gegeben.

rv=is 5L^l (8)

^b η λ_τ 2

Das synthetische Hologramm scheint mit der kleineren synthetischen Wellenlänge (d.h. X „ , ) konstruiert zu sein. Dies reduziert den effektiven Abstand 1/n, verglichen mit einem Hologramm konstruiert \ _ς. Das synthetische Hologramm hat den gleichen Bildabstand wie ein Hologramm konstruiert mit der Äquivalenten X _ς/ -Wellenlänge. Das synthetische mit der niedrigeren Frequenz konstruierte Hologramm simuliert ein Hologramm höherer Frequenz.

Die laterale Bildvergrößerung für die gleiche Abtastkonfiguration wird leicht aus den Bildlagegleichungen abgeleitet und ist durch Gleichung (9) gegeben. Die "Bildvergrößerung ist in effektiver Weise die folgende:

(9)

S/n

Diese Analyse ist substantiiert in mathematischer Weise die Konstruktion eines synthetischen Frequenztranslations-Hologramms durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie verifiziert die weiter unten stehenden experimentellen Verfahrenswei sen.

In den Fig. 6 und 7 sind zwei allgemeine Verfahren zur Durchführung des Phasenmultiplikationsverfahrens zur Erzeugung von Hologrammen dargestellt. Beim Verfahren gemäß Fig. 6 wird eine Testfrequenz ω - von einem Anregungsoszillator 30 und einem teile-durch-n-Zähler 31 erhalten. Die Testfrequenz wird an eine übliche Wirbelstromelektronik angelegt, die als eine Wirbelstrombrücke 32 und eine Suchspule 33 dargestellt ist. Lichtgleichgewichtssignale von der Wirbelstrombrücke 32, die graphisch bei 34 dargestellt sind, werden in einem geeigneten Verstärker 3 5 verstärkt. Sie werden durch einen Nullkreuzungsdetektor 36 quadratisch gemacht und als eine Bezugsfrequenz für eine phasen-verriegelte Schleife (phase locked loop) 37 verwendet. Die Phasenmultiplikation wird durch die phasen-verriegelte Schleife 37 ausgeführt. Sowohl die Frequenz als auch die Phase des spannungsgesteuerten Oszillators 38, angeordnet innerhalb der Schleife, ist das η-fache der Frequenz und Phase des an die Suchspule 33 angelegten Signals. Die Ausgangsgröße des spannungsgesteuerten Oszillators wird an einen Phasendetektor 40 angelegt, dessen Bezugsfrequenz η to . ist und vom Oszillator 30 angelegt wird. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel für den Phasendetektor 40 ist ein exklusives oder logisches Gatter, dessen Ausgang tiefpaß-gefiltert wird. Die Phasendetektorausgarigsgröße wird als ein Z-Zugriffs-Schreibbefehl für die Anzeigevorrichtung oder das Oszilloskop (nicht gezeigt) verwendet.

Es wird innerhalb der phasenverriegelten Schleife 37 dafür. Vorsorge getroffen, daß man das Äquivalent eines gegenüber der Achse versetzten Bezugssignals bei 41 erhält. Dies unterstützt

den optischen Bildrekonstruktionsprozeß durch das räumliche Trennen, des Lichts nullter Ordnung von dem gebrochenen Bild oder Defraktionsbild. Eine Phasenverzögerung wird in den spannungs-gesteuerten Oszillator 38 eingeführt und ist eine lineare Funktion der Spannung/ die an den Steuereingang für die Versetzung, gegenüber der Achse angelegt wird.

Ein zweites und vorteilhafteres Verfahren zur Hologrammerzeugung ist schematisch in Fig. 7 gezeigt. Dieses Verfahren verwendet die Frequenztranslation der Spule 33a für eine Zwischenfrequenz, die 1/n mal die Testfrequenz (ω ,.) ist. Die Frequenz wird durch die vorgewählte Zahl η geteilt, und zwar mittels eines bei 42 gezeigten Frequenztranslators. Die verbleibenden in Fig. 7 schematisch gezeigten Komponenten sind derart bezeichnet, daß sie den in Fig. 6 bezeichneten Elementen entsprechen. Die Frequenztranslation des Spulensignals ist außerordentlich vorteilhaft, da der Endphasendetektor 40a und der spannungsgesteuerte Oszillator 38a mit der Testfrequenz (0 „) betrieben werden können, und nicht mit einem Vielfachen der Testfrequenz (n <o . ) . Wenn beispielsweise eine Testfrequenz von 1 Mhz und eine Multiplikation (n) von 40 verwendet würde, so müßte ein spannungsgesteuerter Oszillator 38 in Fig. 6 bei 40 Mhz arbeiten. Die Anordnung gemäß Fig. 7 vermeidet die Notwendigkeit für eine strenge Konstruktion dieser Hochfrequenzschaltungen.

Ein Verfahren zur Implementierung der in Verbindung mit dem Verfahren gemäß Fig. 7 erforderlichen Frequenztranslation ist die Einseitenband-Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger. Sowohl Amplitude als auch Phase des Hochfrequenzsignals werden in dem unteren Seitenband oder der Differenzfrequenz bewahrt. Ein anderes Verfahren verwendet die Detektierung des "in-Phase" und Quadratur-Amplituden-Koeffizienten des Brückensignals (Fourier-Amplitudenkoeffizient) und verwendet diese Pegel zur Steuerung der Amplituden einer Sinus-

bzw. Cosinus-Welle bei der niedrigeren Zwischenfrequenz, Wenn diese beiden Wellen miteinander summiert werden, so ist das Ergebnis ein Zwischenfrequenzsinusoid mit Phasen- und Amplituden-Eigenschaften des Brückensignals.

Als ein Beispiel der verwendeten Schaltungsparameter verwendete einer unserer Anwendungsfalle eine Testfrequenz von 400 kHz und einen Phasenmultiplikationsfaktor gleich 40. Die Zwischenfrequenz betrug somit 10 kHz, was gestattete, daß der spannungsgesteuerte Oszillator 38a und der Phasendetektor 40a {Fig. 7) mit der ursprünglichen Testfrequenz arbeiteten.

Die Rekonstruktion des synthetischen elektromagnetischen oder akustischen Hologramms zur Erzeugung eines optischen Bildes einer festgestellten Fehlerstelle kann durch einen einfachen optischen Computer gemäß Fig. 8 erreicht werden. Ein Laser 50 bildet die kohärente Lichtquelle zur Beleuchtung und Rekonstruktion des synthetisch entwickelten Hologramms, angeordnet innerhalb eines Flüssigkeitsgates oder Gatters 51. Das Raumfilter 52 formt oder filtert den Strahl vom Laser 50, um sicherzustellen, daß die Lichtquelle sich einer Punktquelle annähert. Die Vorrichtung sollte einen mechanisch oder elektronisch zeitgesteuerten Verschluß aufweisen, der die notwendige Lichtbelichtung vorsieht, wenn die Fehlerstellenbilder für dauerhafte Aufzeichnungen photographiert werden. Die einstellbare mechanische öffnung 53 liefert das erforderliche Licht über die gesamte Oberfläche des Hologramms hinweg. Die Position der Linse 54 ist variabel. Das Bewegen der Linse 54 bringt das wahre oder reale Bild der Fehlerstelle in den Brennpunkt auf dem Betrachtungsschirm 55. Unterschiedliche Linsenpositionen entsprechen den unterschiedlichen Fehlerstellentiefen in der Testprobe.

Das Hologramm ist innerhalb eines Flüssigkeitsgatters 51 gezeigt, das eine Lösung mit einem Brechungsindex enthält,

der den des Hologramm-Films oder der Hologramm-Schicht annähert. Das Flüssigkeits-Gate eliminiert im wesentlichen die unerwünschten Effekte der Film- oder Schichtdickenvariationen, die andernfalls Phasenfehler zur Folge haben würden. Die Lösung umgibt den Film zwischen zwei optisch flachen Elementen und bewirkt, daß der Film so dick erscheint wie die Breite des Gatters zum kohärenten Licht. Die optisch glatten Oberflächen repräsentieren nunmehr die Filmoberflächen, auf welche Weise die Dickenvariationen eliminiert werden. Der Bildschirm 55, typischerweise aus Milchglas, ist normalerweise mit einem bestimmten Abstand gegenüber dem Hologramm angeordnet. Die Fehleirstellenbilder werden sodann direkt auf einem (nicht gezeigten) Fernsehmonitor betrachtet. Dauerhafte Aufzeichnungen können dadurch erhalten werden, daß man einfach den Monitorschirm 55 durch eine (nicht gezeigte Kamera) ersetzt.

Sich auf die Erfindung beziehenden anfänglichen Experimente bestanden in einer Verifizierung der verschiedenen Grundbildparameter unter Verwendung einer stationären Quelle und abgetasteter akustischer Empfängerkonfigurationen. Das akustische System wurde in der Wirbelstromforschung verwendet, weil die sich darauf beziehenden Bildparameter und Rekonstruktionsverfahren bekannt sind. Dies reduzierte die Anzahl der unbekannten Variablen.

Ziel der akustischen Experimente bestand darin, die bei 2,5 MHz konstruierten synthetischen Hologramme (unter Verwendung eines Phasenmultiplikationsfaktors von 2) mit 5 MHz und 2,5 MHz akustischen Hologrammen zu vergleichen. Die vorliegende Rekonstruktionstheorie sagt voraus, daß das synthetische Hologramm und das 5 MHz-Hologramm die gleichen Rekonstruktionsparameter und identische Bildvergrösserungen haben.

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Fig. 9 bis 14 zeigen die synthetischen Hologramme/ die akustischen Hologramme und ihre Rekonstruktionsbilder für einen Vergleich. Fig. 9 und 10 zeigen das 2,5 MHz-synthetische Hologramm und das Bild. Die Fig. 11 und 12 zeigen das 5 MHzakustische Hologramm und das Bild. Fig. 13 und 14 zeigen das 2,5 MHz-akustische Hologramm und Bild.

Das 5 MHz-akustische Hologramm (Fig. 11) und das 2,5 MHz- synthetische Hologramm (Fig. 9) haben im wesentlichen die gleiche Randstruktur. Sie scheinen identisch zu sein und* werden leicht von dem 2,5 MHz-Hologramm (Fig. 13) unterschieden. Das in Fig. 13 gezeigte akustische Hologramm hat eine Randstruktur, die niedrigere Raumfrequenzen, verglichen mit dem synthetischen Hologramm besitzt, welches mit der gleichen Frequenz konstruiert ist und darauffolgend durch einen Phasenmultiplikationsfaktor 2 (Fig. 9) manipuliert wurde.

Die Fig. 10, 12 und 14 zeigen die drei rekonstruierten Bilder eines kleinen Punktobjektes (1,5 mm Durchmesser). Für die 5 MHz-akustische Hologramm- und die 2,5 MHz-synthetische Hologramm-Bilder wurden unter identischen Bedingungen rekonstruiert, als ob das synthetische Hologramm ein synthetisches 5 MHz-akustisches Hologramm wäre. Der effektive Rekonstruktionsquellenabstand betrug 5,1 m gegenüber dem Hologramm. Der wahre Bild-zu- Hologramnabstand betrug 6,1 m und die seitliche -Vergrößerung war 0,005. Das 2,5 MHz-Bild wurde ebenfalls mit 6,1 m rekonstruiert, und zwar mit einem effektiven Quellenabstand von 5,6 m. Die seitliche Vergrößerung war exakt die Hälfte des 5 MHz-Werts (0,0025).

Ein großer nicht-symmetrischer Metallbuchstabe "F" wurde in der nächsten Folge von Experimenten abgebildet, um zu zeigen, daß die Bildvergrößerungen für das 5 MHz-akustische Hologramm und das 2,5 MHz-synthetische Hologramm gleich sind.

Fig. 15 zeigt die Konstruktionsgeometrie des synthetischen Hologramms und den großen 12,7 cm Buchstaben "F". Die synthetischen Hologramme und akustischen Hologramme wurden unter Verwendung der optimalen Abtastkonfiguration (simultane Quellenempfänger) konstruiert. Wie Fig. 15 zeigt, wurde der Aueschnitt des Buchstabens "F" 60 von einem Ständer 61 zum Abtasten durch einen simultanen Quellen-Empfänger 62 getragen.

Die Fig. 16 bis 21 zeigen die synthetischen Hologramme, akustischen Hologramme und die rekonstruierten Bilder des Buchstabens "F". Das 2,5 MHz-synthetische Hologramm und sein Bild sind in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Das 5 MHz-akustische Hologramm und sein Bild sind in den Fig. 18 und 19 gezeigt. Das 2,5 MHz-Hologramm und Bild sind in den Fig. 20 und 21 gezeigt.

Die Randstruktur des 5 MHz-akustischen Hologramms (Fig. 18) und 2,5 MHz-synthetischen Hologramms (Fig. 16) illustrieren den größeren Raumfrequenzgehalt, verglichen mit dem 2,5 MHzakustischen Hologramm (Fig. 20). Das in Fig. 18 gezeigte akustische Hologramm und das synthetische in Fig. 16 gezeigte Hologramm scheinen in ihren Randdichten ähnlich zu sein.

Die rekonstruierten Bilder des Buchstabens "F" sind unter ihren entsprechenden Randmustern in den Fig. 17, 19 und 21 gezeigt. Der effektive Rekonstruktionsquellenabstand betrug 4,3 m von dem synthetischen Hologramm oder akustischen Hologramm. Der wahre Bild-zu-Hologrammabstand für das synthetische. Hologramm betrug 6,1 m und die seitliche Vergrößerung 0,3, Das 2,5 MHz-synthetische Hologramm-Bild in Fig. 17 ist von' genau der gleichen Größe und hat identische Vergrößerung wie das 5 MHz-akustische Hologrammbild in Fig. 19. Das 2,5 MHzakustische holographische Bild in Fig. 21 hat im Vergleich

dazu eine Bildseitenvergrößerung von 0,07.

Die Ergebnisse der oben beschriebenen Experimente verifizieren, daß die Rekonstruktionsparameter und Bildvergrößerungen identisch sind zwischen dem synthetischen phasenmultiplizierten Hologramm und dem äquivalenten Frequenz-Akustikhologramm. Der hier beschriebene Prozeß scheint synthetisch die Konstruktionswellenlänge durch den Phasenmultiplikationsfaktor zu reduzieren.

Die Fig. 22 und 23 zeigen die Wirbelstrom-Synthetik-Hologiramm-Konstruktionsgeometrie für die Feststellung eines bekannten kreisförmigen Fehlers. Das sich ergebende synthetische Hologramm ist in Fig. 24 gezeigt und sein rekonstruiertes Bild ist in Fig. 25 dargestellt. Die Beleuchtung oder Testfregüenz betrug 500 kHz und der Luftspalt war annähernd 0,1 mm. Die elektromagnetische Probe oder Sonde tastete eine 2,4 cm χ 2,4 cm öffnung oberhalb der rostfreien Stahlplatte 63 mit einem 6 mm Kreisfehler 64 ab. Der Fehler 64 lag 0,25 mm unterhalb der Oberseite der Platte 63. Das sich ergebende Wirbelstromfehler- oder Defektphasensignal wurde mit 40 multipliziert. Der sich ergebende Randmusterabstand ist in Fig. gezeigt und scheint sehr ähnlich dem in einem Punktobjekt-Akustikhologramm zu sein. Die inneren vier Randabstände stehen sehr eng in Korrelation den theoretisch vorausgesagten Abständen, aber nicht der Außenrand. Dieser äußere Rand war das Ergebnis von Phasenfehlern an den Apertur- oder Öffnungsextremwerten und kann eliminiert werden im Verlauf des Rekonstruktionsverfahrens durch öffnungsreduktion^verfahren.

Die optische Rekonstruktion des Randmusters (Fig. 25) veranschaulicht klassisch das einzigartige WirbeIstrombild eines flachen oberen Lochs in rostfreiem Stahl.

Die Fig. 26 bis 29 zeigen in ähnlicher Weise die Wirbelstrom-Synthetikhologramm-Könstruktionsgeoinetrie, die sich ergebenden Randmuster und für das rekonstruierte Bild eines simulier-' ten Oberflächenrisses 65 in einer rostfreien Stahlplatte 66. Der Schlitz 65 hatte 6,25 mm Länge, 0,25 mm Breite und 0,5 mm Höhe. Das synthetische Hologramm wurde mit 500 kHz bei einem Phasenmultiplikationsfaktor von vierzig konstruiert. Die allgemeine Form des Randmusters ist in Fig. 28 gezeigt und ähnelt einem Linienobjekthologramm. Der äußere Randabstandsfehler ist wiederum das Ergebnis von Phasenfehlern wenn die Sonde die Öffnungsextremwerte erreicht. Das rekonstruierte Bild zeigt die Obenansicht des Olperf lächenschlitzes. Dies war ein außerordentliches Bild wenn man die extrem niedrige Beleuchtungsfrequenz in Betracht zieht.

Fig. 30 vergleicht graphisch konventionelle Wirbelstromverfahren beim nicht-destruktiven Testen mit dem erfindungsgemässen Verfahren, und zwar bei der Inspektion einer Dampfgeneratorrohr leitung 67. Eine rotierende Sonde 68 wird verwendet, um die zweidimensionalen Synthetikhologramme, wie gezeigt in Fig. 30 unten, zu konstruieren. Die konventionellen Absolutsignale von einer konventionellen Sonde 70 konstruieren nur eindimensionale Profile eines Lochs 71 und eines Schlitzes für die Analyse. Das erfindungsgemäße Verfahren der Phasenmultiplikationsholographie liefert zweidimensionale Bilder, die die einzigartigen Defekte oder Fehler-Geometrien zeigen. Dies sollte die Interpretationsanalyse für die Testverfahren beträchtlich verbessern und das erforderliche Training für einen Benutzer beträchtlich reduzieren.

Die vorstehende Beschreibung ist nicht einschränkend zu verstehen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abbildung strukturel-

ler Eigenschaften in Festobjekten unter Verwendung von Strahlung, die für die kohärente Signalverarbeitungsverfahren geeignet sind. Es wird die Frequenz und Phasenmultiplikation von empfangenen Fehlersignalen verwendet, um eine Testwellenlänge zu simulieren, die mindestens eine oder zwei Größenordnungen kleiner ist als die tatsächliche Wellenlänge. Die scheinbare Reduktion der Wellenlänge zwischen der Beleuchtungs- und Aufzeichnungs-Strahlung führt ein Frequenzkonstruktionshologramm aus. Das mit einer hohen synthetischen Frequenz und Fehlerphasenmultiplikation konstruierte Hologramm ist ähnlich einer konventionellen.akustischen Hologrammkonstruktion bei der hohen Frequenz.

Claims

Patentan sprüche

1/ Verfahren zum nicht-zerstörenden Untersuchen zum Zwecke der Identifizierung von strukturellen Eigenschaften eines Objekts, dadurch gekennzeichnet , daß

das Objekt von einer Wellenformstrahlung durchdrungen wird von einem Anregungssignal mit konstanter Frequenz,

das Objekt abgetastet wird, um ein Ausgangssignal der konstanten Frequenz und mit sich änderndem Phasenwert zu erze-jag^n, und zwar als eine Funktion der strukturellen Eigenschaften des Objekts,

die Phasenwerte und Frequenz des Ausgangssignals mit einer vorgewählten Zahl multipliziert werden,

die Phasendifferenzen zwischen den multiplizierten Phasenwerten des Ausgangssignals bei der multiplizierten Frequenz und die Phasenwerte des Anregungssignals nach der Multiplikation seiner Frequenz durch die vorgewählte Zahl detektiert werden, und daß die

Darstellung des Objekts als Funktion der festgestellten Phasendifferenzen zwischen den beiden multiplizierten Frequenzsignalen aufgezeichnet wird, um Randmuster zu erzeugen, die durch holographische Verfahren als ein sichtbares Bild der strukturellen Eigenschaften des Objekts rekonstruiert werden können.

2„ Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt ein Metallobjekt und die Strahlung eine elektromagnetische Strahlung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal von Wirbelströmen abgeleitet wird, die in dem Objekt als ein Ergebnis der Durchdringung durch die Wellenformstrahlung erzeugt werden.

4. Nicht-zerstörende Testvorrichtung zur Identifizierung struktureller Eigenschaften eines Objektes, gekennzeichnet durch:

Abtastmittel zur Erzeugung eines Ausgangssignals konstanter Frequenz, die sich in ihrem Phasenwert als Funktion der strukturellen Eigenschaften des Objektes ändert,

Phasenvervielfachermittel zur Multiplikation der Frequenz und Phasenwerte des Ausgangssignals durch eine Vorgewählte Zahl,

Mittel zur Detektierung der Phasendifferenzen zwischen dem multiplizierten Ausgangssignal und einem Bezugsanregungssignal mit einer Frequenz, die mit der vorgewählten Zahl multipliziert wurde, und

Mittel, die auf die Detektion dieser Phasendifferenzen ansprechen, um eine abgetastete Darstellung des Objekts als Randmuster aufzuzeichnen, die durch holographische Verfahren konstruiert werden können, und zwar als ein visuelles Bild der strukturellen Eigenschaften des Objekts.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Phasenvervielfachermittel phasenverringernde Schleifenmittel aufweisen, die mit einem Eingang mit den Abtastmitteln Verbunden sind und mit einem Ausgang mit den Mitteln zur Detektierung der Phasendifferenzen in Verbindung stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Abtastmittel eine Spule sind, welche auf die Wirbelströme anspricht, die in dem Objekt infolge der Durchdringung durch elektromagnetische Strahlung erzeugt werden.

7. Nicht-destruktive Testvorrichtung zur Überwachung struktureller Eigenschaften eines Objektes, gekennzeichnet durch:

Mittel zur Hervorrufung von Strahlung mit einer bekannten Frequenz zur Durchdringung des Objektes,

Abtastwandlermittel innerhalb einer festen Ebene bezüglich des Objektes zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit der bekannten Frequenz infolge dieser Durchdringung, wobei die Phasenwerte des Ausgangssignals eine Funktion der strukturellen Eigenschaften des Objektes sind, welches der Strahlung ausgesetzt ist,

Phasenvervielfachermittel, die betriebsmäßig mit den Wandlermitteln verbunden sind, um sowohl die Frequenz als auch die Phasenwerte des Ausgangssignals um eine vorgewählte Zahl zu vervielfachen,

Mittel zur Vervielfachung der bekannten Frequenz der Strahlung, die in das Objekt eindringt,um ein Bezugssignal zu erzeugen,

Phasendetektormittel zur Erzeugung eineis variablen Schreibsignals als eine Funktion der festgestellten Änderungen der Phasenwerte des multiplizierten Ausgangssignals bezüglich des Bezugssignals, und

Speicheranzeigemittel, die betriebsmäßig verbunden sind mit dem Abtastwandler und mit den Phasendetektormitteln zur Erzeugung einer mechanischen zweidimensionalen Abtastdar-

Stellung als Funktion des variablen Schreibsignals, wodurch die Anzeige oder Darstellung die Form von Randmustern besitzt, die durch holographische Verfahren als ein visuelles Bild der strukturellen Eigenschaften des Objektes rekonstruiert werden können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Abtastwandlermittel zu einer Bauart gehören, die die Ausgangssignale von einer Punktquelle detektiert.