DE3307798A1

DE3307798A1 - Verfahren und interferometer zur holographischen messung von komponenten eines verschiebungsvektors

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Publication number: DE3307798A1
Application number: DE19833307798
Authority: DE
Inventors: Antal Dipl.-Ing.Dr. 2092 Budakeszi Adám; István Dipl.-Ing. 5668 Nagybánhegyes Bogár; Zoltán Dipl.-Phys. 1144 Budapest Füzessy; Ferenc Dipl.-Phys. Gyimesi; Gábor Dipl.-Ing. Budapest Szarvas
Original assignee: BUDAPESTI MUESZAKI EGYETEM
Current assignee: BUDAPESTI MUESZAKI EGYETEM
Priority date: 1982-03-16
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1983-09-29
Also published as: GB8306570D0; GB2118736A; HU183854B; DD207982A5; GB2118736B; JPS58223002A

Description

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PATENT-UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL-ING, W. EITLE . DR, RER. NAT. K. HOFFMANN . DIPL.-ΙΝΘ. W. LEHN DIPL.-ING. K. FüCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS . DIPL.-ΙΝβ. K. QORG DIPL.-IN3. K, KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

BudapestL Müszaki Egyetem, Budapest / Ungarn

Verfahren und Interferometer zur holographischen Messung von Komponenten eines Verschiebungsvektors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Interferometer, bei denen die Grundlagen der Holographie zur Messung von Komponenten eines Verschiebungsvektors ausgenutzt werden. Das vorgeschlagene Verfahren sieht die Erzeugung eines kohärenten Lichtbündels durch eine Impulsbetrieb-Lichtquelle, die Teilung des kohärenten Lichtbündels in ein Objektstrahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbündel, die Ausrichtung des Objektstrahlenbündels auf die bewegte Oberfläche eines zu beobachtenden Objekts sowie die Aufnahme eines holographischen Interferogramms aufgrund des durch die bewegte

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Oberfläche gestreuten Objekt- und Referenzstrahlenbündels vor. Das auch den Gegenstand der Erfindung bildende Interferometer/ das insbesondere zur Verwirklichung des vorgeschlagenen Verfahrens und zur industriellen Anwendung geeignet ist, enthält eine ein kohärentes Lichtbündel erzeugende Impulsbetrieb-Lichtquelle, eine ein kohärentes Justierstrahlenbündel erzeugende kontinuierliche Lichtquelle, eine das kohärente Lichtbündel in ein Objektstrahlenbündel und ein Referenzstrahlenbündel teilendes, das Justierstrahlenbündel gestaltendes optisches System und ein ein Interferogramm aufgrund des durch eine bewegte Oberfläche eines zu beobachtenden Objektes gestreuten Objektstrahlenbündels und des Referenzstrahlenbündels aufnehmende Erfassungseinheit. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des entsprechenden Interferometers ist es auch unter industriellen Bedingungen möglich, die Komponenten eines Verschiebungsvektors mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, wobei der Verschiebungsvektor die Bestimmung der Deformation und die Lageänderung einer bewegten Oberfläche eines zu beobachtenden Objekts ermöglicht.

Es sind bereits holographische Verfahren zur Bestimmung der Amplitude eines Verschiebungsvektors bekannt. Zum Beispiel wurde von A.E. Ennos / J. Sei. Instrum., 1968, 1, 731, ein Verfahren vorgeschlagen, wobei die.Anzahl der Interferenzstreifen bezüglich dem sogenannten Streifen von 0-ter Ordnung gerechnet werden. Der letztere soll einem unbeweglichen Punkt der zu beobachtenden Oberfläche zugeschrieben werden. Das Verfahren ist lediglich zur Messung derjenigen Komponente des Verschiebungsvektors geeignet, die in der Richtung des sogenannten Empfindlich-

keitsvektors liegt. Die Richtung des Empfindlichkeitsvektors stimmt mit der Bisetrix des durch die Beobachtungsrichtung und die Belichtungsrichtung bestimmten Winkels überein. Die obige Beschränkung und die Tatsache, daß ein ^ u bewegter Punkt sogar unter sehr sorgfältig gewährleisteten Laborbedingungen schwer zu finden ist, führen zur ausgesprochen engen Benutzbarkeit des obigen Verfahrens.

A.B. Alexandrov und A.M. Bontsch-Brujevitsch / Zhurnal Technitscheskoj Fiziki, 1967, 37, 360, haben die Anwendung eines einzigen Interferogramms zur Bestimmung einer Verschiebung vorgeschlagen. Das von ihnen empfohlene Verfahren ist auch auf die Rechnung der Anzahl der Interferenzstreifen gerichtet. Für diesen Zweck wird das holographische Interferogramm aus verschiedenen Richtungen beobachtet und die Anzahl der oberhalb eines ausgewählten Punktes sich zu bewegen scheinenden Streifen gerechnet. Zur Bestimmung der drei Komponenten eines Verschiebungsvektors sollen zumindest drei Interferogramme vorbereitet werden, mit Anwendung von entsprechenden voneinander unabhängig arbeitenden γ. Geräten. Auch in dem letzten Fall ist die notwendige Genauigkeit nur bei diesen Komponenten erreichbar, die zu der Ebene der holographischen Platte parallel liegen.

Die bekannten Verfahren, wie auch die obenangeführten, sind zur Lösung des Problems der Messung des Verschiebungsvektors lediglich in Laboratorien und noch dazu mit den erwähnten Beschränkungen geeignet. Das Interferometer soll mit hoher Genauigkeit und Sorgfältigkeit eingestellt werden, und dazu ist das Vorhandensein eines hoch ausgebildeten Fachmannes auf dem Gebiet der Optik und der Interferometrie erforderlich.

Für die betriebliche Anwendung der bekannten wissenschaftlichen Prinzipien sind auch Geräte erarbeitet worden. Ein solches ist zum Beispiel das von der Firma Rottenkolber AG aus der BRD produzierte, wobei ein Rubinlaser, d.h. eine Impulsbetrieb-Lichtquelle zur Aufnahme eines holographischen Interferogramms vorgesehen ist. Das Gerät ermöglicht in ähnlicher Weise wie bei einem bekannten Verfahren die Bestimmung lediglich einer Komponente des Verschiebungsvektors; die Genauigkeit der Messung ist ziemlich schlecht. 10

Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt, die obigen Nachteile zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Interferometer zu schaffen, die die Vorbereitung von solchen Interferogrammen auch in undustrieller Umgebung ermöglichen, wobei die aufgenommenen Interferogramme die Bestimmung der Komponenten eines Verschiebungsvektors und mit hoher Genauigkeit auch bei Objekten von großen Maßstäben ermöglichen sollen.

Der erfindungsgemäßen Lösung lag die Erkenntis zugrunde, daß die Komponenten eines Verschiebungsvektors mit hoher Genauigkeit samt der Richtung der Verschiebung bestimmt werden können, falls ein gemeinsames kohärentes L±htbündel zur Vorbereitung von zumindest vier holographischen Interferogrammen der bewegten Oberfläche angewendet wird und die Interferogramme numerisch analysiert werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde ein Verfahren zur holographischen Messung von Komponenten eines Verschiebungsvektors erarbeitet, wobei ein kohärentes Lichtbündel durch

eine Impulsbetrieb-Lichtquelle erzeugt wird, das kohärente Lichtbündel in ein Objektstrahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbündel geteilt wird, das Objektstrahlenbün^qel auf eine bewegte Oberfläche eines zu beobachtenden Obit.ts geworfen wird, und ein holographisches Interferogramm aufgrund des durch die bewegte Oberfläche gestreuten ObjektStrahlenbündeIs und des ReferenzStrahlenbündeIs aufgenommen wird, und erfindungsgemäß die Impulsbetrieb-Lichtquelle in zwei Zeitmomenten nacheinander, entsprechend der Bewegung der bewegten Oberfläche eingeschaltet wird, das Referenzstrahlenbündel in zumindest vier Teilbündel geteilt wird, und das holographische Interferogramm den Teilstrahlenbündeln entsprechend aus zumindest vier holographischen Bildern bestehend aufgenommen wird, wobei an den holograph!- sehen Bildern die bewegte Oberfläche in den zwei Zeitmomenten abgebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft so verwirklicht werden, daß das kohärente Lichtbündel durch die Impulsbetrieb-Lichtquelle in zwei Zeitmomenten mit der Bewegung der bewegten Oberfläche synchron erzeugt wird.

Das vorgeschlagene Verfahren kann auch unter solchen Bedingungen verwirklicht werden, bei denen wegen der verschiedenen Schwingungen und anderen Bewegungen die holographischen Aufnahmen nach den₍ bekannten Lösungen gar nicht durchgeführt werden können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde auch ein holographisches Interferometer geschaffen, das zur Verwirklichung des obigen Verfahrens geeignet ist, und insbesondere unter industriellen Bedingungen zur Bestimmung von Komponenten

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eines Verschiebungsvektors anwendbar ist, das eine ein kohärentes Lichtbündel erzeugende Impulsbetrieb-Lichtquelle, eine ein kohärentes Justierstrahlenbündel erzeugende kontinuierliche Lichtquelle, ein das kohärente Lichtbündel in ein Objektstrahlenbündel und ein Referenzstrahlenbündel teilendes, das Justierstrahlenbündel gestaltendes optisches System und eine ein Interferogramm aufgrund des durch eine bewegte Oberfläche eines zu beobachtenden Objekts gestreuten Objektstrahlenbündels und des Referenzstrahlenbündels aufnehmende Erfassungseinheit enthält, welches Interferometer durch die Merkmale von Anspruch 3 gekennzeichnet ist. Der Strahlenteiler bedeutet ein optisches System, das den einen Teil eines Lichtbündels spiegelt und den anderen durchläßt.

Falls die zu beobachtende bewegte Oberfläche eine reguläre Schwingung macht oder zur Analyse der Deformation eine Schwingung der Oberfläche erforderlich ist, können die Messungen vorteilhaft mit einem Interferometer vorgenommen werden, dessen Steuereinheit mit einem die Schwingungen erfassenden zum Beispiel mit einem piezoelektrischen Kristall versehenen Meßkopf oder mit einem Ausgang eines die zu beobachtende Oberfläche in Schwingung bringenden Vibrators verbunden ist. Der Meßkopf und der Ausgang des Vibrators können mit entsprechenden Eingängen eines Auswahlschalters gekoppelt werden, wobei der Auswahlschalter mit einem ersten Steuereingang der Steuereinheit verbunden ist.

Zur Verwirklichung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, die Steuereinheit durch einen zweiten Steuereingang mit einem Detektor zu verbinden, der die Lichtimpulse der Impulsbetrieb-Lichtquelle erfaßt.

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Die Steuereinheit wird vorteilhaft als eine anpassende Auslöserschaltung ausgebildet, die eine mit dem ersten ^teuereingang verbundene Siebeinheit und einen der Sieben., he it nachgeschalteten Analog-Verstärker enthält, wobei der Ausgang des Analog-Verstärkers mit dem Steuerausgang gekoppelt ist.

Das optische System des erfindungsgemäßen Interferometers kann zum Beispiel derart ausgebildet werden, daß es zwisehen einem das kohärente Lichtbündel in das Objektstrahlenbündel und ein zweites Bündel teilenden ersten Strahlenteiler und das zweite Bündel in zumindest vier Teilbündel teilenden und derart das erforderliche verteilte Referenzstrahlenbündel erzeugenden zweiten Strahlenteiler optische Länge einstellende Spiegel enthält, die vorteilhaft entlang des Strahlenganges des zweiten Bündels beweglich geführt worden sind, es ist mit einer dem ersten Strahlenteiler nachgeordneten Bündelverbreitereinheit., sowie nach den zweiten Strahlenteilers mit Bündelverbreitern versehen, wobei nach den Bündelverbreitern weitere Spiegel vorgesehen sind, die die Teilbündel in die Holokameras richten.

Die flachen Elemente des optischen Systems können in solchen Aufnahmeeinheiten angeordnet werden, die eine Einspannplatte enthält, wobei die Einspannplatte gegen eine mit Einstellschrauben versehene bewegte Platte und eine auf zwei Teile verteilte Grundplatte aufgestützt ist, und durch nachgiebige plattenförmige Elemente, z.B. durch Blattfedern miteinander verbunden sind. Diese Aufnahmeeinheiten ermöglichen eine sehr genaue und stabile Einstellung des optischen Systems.

Das erfindungsgemäße Interferometer ist vorteilhaft, in einem Rahmen aufgebaut, in dem die verschiedenen Elemente und Einheiten des Interferometers sowie die Grundplatten der Eingangsplatten fest eingestellt werden können. Der Rahmen kann auf einem mit im Gehäuse eingelagerten Rädern versehenen Gestell angeordnet werden, das die Drehung des Interferometers in einer vertikalen Ebene und um eine Achse ermöglicht. Das Gestell sichert derart die Aufsteilbarkeit des Interferometers in einer räumlichen Position, die zur Messung, auch in der Industrie, die günstigste ist. Das Gestell kann mit einem Panoramakopf versehen werden.

Das erfindungsgeraäße Interferometer enthält vorteilhaft Holokameras, die mit einem Hochpaß-Lichtfilter entsprechender Abschneidefrequenz und mit einem Verschlußmechanismus versehen sind, wobei der Verschlußmechanismus durch bewegliche Lamellen den Lichtweg öffnen und abdecken kann. Durch diese Lösung ist gewährleistet, die kurzfristigen Lichtimpulse auch bei Tageslicht zur Aufnahme von Hologrammen zu benutzen.

Durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens und des Interferometers können die holographischen Interferogramme auch unter industriellen Bedingungen aufgenommen werden; es ist möglich, auch unter solchen Bedingungen Interferogramme von großen Oberflächen aufzunehmen. Die erhaltenen Interferenzbilder tragen hochzuverlässige und mit hoher Genauigkeit auswertbare Informationen über den Verschiebungsvektor und seine Richtung, und derart über den Spannungszustand des zu beobachtenden Objekts.

Die Erfingung wird weiters anhand von in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert. In

der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen
Interferometers;

Fig. 2 die Seitenansicht des Interferometers gemäß
Fig. 1;

Fig. 3 die Draufsicht auf das Interferometer gemäß
Fig. Ij

Fig. 4 ein Schema des Strahlenganges in dem erfindungsgemäßen Interferometer;

Fig. 5 den Querschnitt durch eine Aufnahmeeinheit zur

Einstellung der flachen optischen Elemente des optischen Systems des erfindunsggemäßen Interferometers;

Fig. 6 die Draufsicht auf die Grundplatte der in

Fig. 5 gezeigten Aufnahmeeinheit;

Fig. 7 den Querschnitt durch eine Holokamera zur Aufnahme des Interferogramms;
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Fig. 8 die Anordnung des erfindungsgemäßen Interferometers während der Einstellung;

Fig. 9 eine andere Anordnung des erfindungsgemäßen Interferometers während der Einstellung;

Fig. 10 den Strahlengang des zur Messung vorbereiteten erfindungsgemäßen Interferometers, und

Fig. 11 das Blockschema der Steuereinheit für das erfindungsgemäße Interferometer.

Zur Verwirklichung des erfindunsgemäßen Verfahrens wird eine Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 (Fig. 4) mittels einer Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 (Fig. 8, 9) in einer genau bestimmten Lage eingestellt. Die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 wird gezwungen, zweimal nacheinander kohärente Lichtbünde1 auszustrahlen. Das kohärente Lichtbündel wird mittels eines Spiegels 10 in ein optisches System reflektiert, das auch mit hoher Genauigkeit, ebenfalls auch mit der Anwendung der Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 eingestellt wird. Nach dem Spiegel 10 ist das kohärente Lichtbündel durch einen ersten Strahlteiler 11 in zwei Teile aufgeteilt. Der eine Teil wird als Objektstrahlenbündel auf eine bewegte Oberfläche eines zu beobachtenden Objekts durch eine Bündelverbreitereinheit, z.B. eine Zerstreuungslinse 12 oder durch einen mit mikroskopischer öffnung versehenen Raumfilter geworfen. Der andere Teil, der zweites Bündel genannt werden kann, wird durch Spiegel 13 auf zweite Strahlteiler 14 geworfen, deren Anzahl so ausgewählt wird, um zumindest vier Teilbündel als Referenz für das Objektstrahlenbündel herzustellen. Die Spiegel 13 sind zur Einstellung der optischen Länge des Weges des Lichtbündels vorgesehen und sie dienen zur Berücksichtigung der beschränkten Kohärenzlänge der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1, d.h. in diesem Fall eines Rubinlasers bei den veränderlichen Abständen zwischen dem Interferometer und der bewegten Oberfläche. Die Teilbündel werden als Referenzstrahlenbündel zur Aufnahme des holographischen Interferogramms angewendet. Falls es notwendig ist, kann ein fünftes Teilbündel 16 erzeugt werden. Im Strahlengang des fünften Teilbündels 16 ist eine Kon-

trollkamera angeordnet, damit eine schnelle Aufnahme vorbereitet werden kann. Die schnelle Aufnahme, die z.B. durch eine mit thermoplastischem Film arbeitende Kamera vorbereitet werden kann, ist zur qualitativen Auswertung der Ber u'tigungen der Messungen vorgesehen. Die auszuwertenden Bedingungen sind z.B. die Einstellung des optischen Systems, die mechanischen Spannungen usw. Die Teilbündel sind nach den Strahlteilern 14 durch Bündelverbreiter 49 durchgeführt, worin jene in die Stelle der Aufnahme des Interferogramms von Spiegeln 15 geworfen werden. Das Interferogramm soll in zumindest vier Teilen, den Teilbündeln entsprechend aufgenommen werden.

Zur Vorbereitung des Interferogramms soll die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 zwei kohärente Lichtbündel nacheinander ausstrahlen. Die zwei Lichtbündel folgen nacheinander in einem gut bestimmten, von der Bewegung des zu beobachtenden Objektes abhängigen Zeitabstand. Falls das zu beobachtende Objekt schwingt, sollen die Zeitmomente der Aufnahme auf nut der Schwingung synchronisierte Weise bestimmt werden. Das Interferogramm besteht aus zumindest vier Teilen, die durch numerische Analyse ausgewertet werden. Dadurch kön-' nen die Komponenten des Verschiebungsvektors, die Richtung der Bewegung bestimmt werden. Die Teile des Interferogramms können im allgemeinen auf einem lichtempfindlichen Material fixiert werden, und dazu können Holokameras 4 angewendet werden. Die Holokameras 4, wenn sie auch bei Tag anzuwenden sind, sollen vorteilhaft mit der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 synchron gesteuert werden. Ohne Holokameras 4 können auch lichtempfindliche Platten angewendet werden? in diesem Fall ist das Interferometer jedoch während der Aufnahme im Dunkeln zu halten. Als Holokameras 4 können auch elektronische Kameras angewendet werden, wenn sie den

qualitativen Anforderungen entsprechen, d.h. sie müssen ein Auflösungsvermögen im Bereich von 2000 bis 3000 Linien pro mm zur Auswertung des holographischen Interferogramms gewährleisten.

Das erfindungsgemäße Interferometer gemäß den Figuren 1, 2 und 3 enthält eine interferometrische Einheit, die während der Arbeit des Interferometers in einer festen Position eingestellt werden soll. Das Interferometer darf sich während der Arbeit nicht verschieben. Die interferometrische Einheit ist vorteilhaft auf einem Rahmen 2 aufgebaut, der mit einem Armsystem 3 versehen ist, und zweckmäßig an einem Gestell angeordnet ist. Das Gestell ist auf Rändern 8 verschiebbar, wobei die Ränder in einem Gehäuse 6 angeordnet sind. Das Gehäuse 6 ermöglicht daher die leichte Änderung der Position des Interferometers, das in einer gewünschten räumlichen Lage aufgestellt werden kann. Das Gehäuse 6 ist derart ausgebildet, daß an der Stelle der Messung die Räder 8 fixiert werden können und gleichzeitig gewährleistet es die Dämpfung der Bodenschwingungen. Auf dem Gehäuse 6 ist eine Säule 5 angeordnet, die einen hydraulischen Arbeitszylinder enthält. Am Ende des Arbeitszylinders ist ein Panoramakopf 7 eingespannt, der mit dem Zylinder in vertikaler Richtung bewegt werden kann und in einer horizontalen Ebene verdrehbar ist. Der Panoramakopf 7 ist mit einer Achse ausgebildet, worin die interferometrische Einheit eingespannt und nötigenfalls verdreht werden kann. Mit Anwendung der wohl bekannten Lösungen ist die Möglichkeit der räumlichen Einstellung des Rahmens 2 gewährleistet.

Der Rahmen 2 besteht vorteilhaft aus fest miteinander verbundenen Elementen, und ist derart ausgebildet, daß auf ihm die Einstellung der Hauptteile der interferometrischen Einheit möglich ist.

Die interferometrische Einheit des erfindungsgemäßen Interferometers enthält eine Impulsbetrieb-Lichtquelle 1/ ein optisches System beispielsweise in der Anordnung nach Fig. 4 und mit an dem Rahmen 2 befestigten Elementen, zu- t. lu'ndest vier Holokameras 4, die auf dem Armsystem 3 angeordnet sind, und eine Kontrollkamera 9. Der Rahmen 2 enthält noch eine Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33, die in den Strahleingang des optischen Systems eingeordnet werden kann.

Die wichtigsten flachen Elemente des optischen Systems können in den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Aufnahmeeinheiten angeordnet werden. Jede Aufnahmeeinheit enthält eine z.B. auf dem Rahmen 2 befestigte Grundplatte 17, die derart eine feste Lage bezüglich der Lichtquellen besitzt. Die Grundplatte 17 ist mit Einstellschrauben 47 und 24 versehen, wobei die letztere zur Aufstützung der Grundplatte 17 gegen eine bewegliche Platte 19 und die erste zur Aufstützung deren gegen eine Einspannplatte 20 sichern. Die Grundplatte 17 und die bewegliche Platte 19 sind miteinander auch durch eine Feder 25 und flache nachgiebige Elemente, z.B. durch Blattfedern 18 verbunden, die in gekreuzten Ebenen angeordnet sind. Die Einstellschraube 24 stützt sich gegen eine Hebeplatte 21, die in der Ebene der Grundplatte 17 angeordnet und damit durch eine Blattfeder 22 verbunden ist. Die Hebeplatte 21 ist durch eine Blattfeder 23 mit der beweglichen Platte 19 verbunden. Die Einspannplatte 20 ist mit der beweglichen Platte 19 durch weitere in gekreuzten Ebenen angeordnete Blattfedern verbunden, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die derart ausgebildeten Aufnahmeeinheiten erlauben es, die Elemente des optischen Systems mit hoher Genauigkeit der Einstellung zu bestimmen - die Einstellschraube 24 kann nicht die Be-

wegung der beweglichen Platte entlang des ganzen Weges erzwingen, der zu den Windungen gehört, weil die Drehung der Einstellschraube 24 zu der beweglichen Platte 19 durch die Hebeplatte 21 übergeben ist. Die angewendeten Blattfedern ermöglichen die eingestellte Position der Elemente mit hoher Stabilität und Genauigkeit zu halten.

Jede Holokamera 4 enthält eine holographische lichtempfindliche Platte 26, die auf einer Grundplatte 27 angeordnet ist. Vor der holographischen Platte 26 sind in der Richtung des Pfeils in Fig. 7, der die Richtung des Einfaliens des Lichtbündels bedeutet, Lamellen 29 angeordnet, die mit einem Verschlußmechanismus 30 beweglich geführt sind, und dadurch ermöglichen, den Weg des Lichtbündels zur lichtempfindlichen Platte 26 freizumachen. Hinter den Lamellen 29 ist ein Hocftpaß-Lichtfilter 28 angeordent, der auf einem Träger 31 gemeinsam mit dem Verschlußmechanismus 30 angeordnet ist. Der Träger 31 ist mit der Grundplatte 27 durch Gummifedern 32 verbunden=

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Interferometers spielt die in Fig. 11 schematisch dargestellte Steuereinheit 37 eine sehr wichtige Rolle. Sie ist mit einem ersten Steuerausgang 44 versehen, wodurch die zur Betätigung der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 notwendigen Signale weitergeleitet werden können. Die Steuereinheit ist mit einem ersten Steuereingang 48 und mit einem zweiten Steuereingang 45 ausgebildet. Der erste Steuereingang 48 ist vorteilhaft mit einem Umschalter verbunden, zu dessen Eingängen ein Meßkopf 39 und ein Ausgang 38 eines Vibrators zugeführt sind. Der Meßkopf 39 ist zur Erfassung von Schwingungen der bewegten Oberfläche vorgesehen. Der Vibrator bildet keinen Teil des erfindungsgemäßen Interferometers; er kann

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z.B. ein akustische?!: Generator oder eine Rüt teemaschine sein, wobei nur dar, wichtig ist, daß er über einem Ausgang 38 zur Weiterleitung von Signalen zum Umschalter und dadurch zur Steuereinheit 37 geeignet ist. Auf solche Weise können die Signale des Meßkopfes 39 oder des die S^'iwingung der bewegten Oberfläche erzwingenden Vibrators in der Steuereinheit verarbeitet werden, und zwar praktisch gleichzeitig mit dem Schwingungsvorgang. Die Steuereinheit 37 ist vorteilhaft als eine anpassende Auslöserschaltung

TO ausgebildet, die in einer Reihenschaltung eine Siebeinheit und einen Analog-Verstärker enthält, wobei der Analog-Verstärker am Steuerausgang 44 liegt. Der Eingang der Reihenschaltung ist mit dem ersten Steuoreingang 48 verbunden. Die Steuereinheit enthält einen zweiten Steuereingang, der mit einem Detektor 45 verbunden ist, welcher zur Erfassung der durch die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 ausgestrahlten Lichtimpulse vorgesehen ist. Die Parameter der Siebeinheit der anpassenden Auslöserschaltung können durch ein Regelglied 40 reguliert werden. Die Steuereinheit 37 kann mit einem Oszilloskop 41 zur Beobachtung der verarbeiteten Signale versehen werden, wobei die charakteristischen Parameter der Signale mittels der Regelglieder 42 und 4 3 zu regulieren sind.

Die Steuereinheit 37 ist derart aufgebaut, daß die Auslösung der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 aufgrund von individuellen Befehlen oder in zwei Arten von automatischem Be- ■ trieb ermöglicht werden. Gemäß dieser Zielsetzung kann die Steuereinheit 37 den wiederholten Impulsbetrieb und den Doppelimpulsbetrieb gewährleisten. Der letztere ist an sich wohl bekannt und bedeutet, daß in erregtem Zustand dos Rubinlasers zwei Impulse nacheinander erzeugt werden. Der erregte Zustand deu Rubinlasers dauert manchmal Millisekunden und· während dieser Zeitdauer: sollen zwei Impulse

mit Zeitabstand von 1 bis με erzeugt werden.Dieser Betrieb ermöglicht die Analyse von Schwingungen, deren Periode praktisch kürzer als 1 ms ist, d.h. deren Frequenz höher als 1 kHz ist. Die obere Grenzfrequenz beträgt bei der Analyse etwa 10 kHz. Der andere Betrieb, der hier als wiederholter Impulsbetrieb benannt worden ist, ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Zeitdauer des erregten Zustandes des Rubinlasers zu kurz ist, um eine ganze Schwingungsperiode zu umfassen, d.h. die Periode der Schwingungen von mehr als 1 ms, und daher die Frequenz weniger als 1 kHz beträgt. Die die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 einschaltenden Impulse sollen der Phasenstelle der bewegten Oberfläche entsprechend in gut bestimmten Zeitpunkten erzeugt werden.

Vor den Messungen ist die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 genau zu justieren. Zu diesem Zweck wird durch die Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 in den Fig. 8 und 9 ein Justierbündel erzeugt. Im Strahlengang des Justierbündels sind Spiegel 34 und 46, eine Blende 35 und ein Pentaprisma 36 angeordnet. Durch diese Elemente kann das optische System, die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 und die Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 genau eingestellt werden.

In dem erfindungsgemäßen Interferometer ist es am günstigsten, als Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 einen Rubinlaser anzuwenden, der bekannterweise einen Oszillator und einen Verstärker umfasst. Die Wellenlänge des emittierten Lichtes beträgt 649,3 nm, die Energie der Lichtimpulse etwa 200 bis 300 mJ und die Leistung der Impulse manchmal 10 mW. Die kurzen Lichtimpulse dauern lediglich einige Nanosekunden und sind im Q-gekoppelten Operationsbetrieb generiert, wobei im Doppelimpulsbetrieb die Pausen zwischen ihnen etwa 1 bis 800 us betragen.

Die Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 strahlt vorteilhaft ein Licht aus, dessen Wellenlänge nahe der des Lichtes der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 liegt. Es ist z.B. >_ ^r He-Ne-Laser günstig, dessen Licht mit Wellenlänge 632,8nm zu kennzeichnen. Das kontinuierliche Lichtbündel wird mit einer Leistung von etwa 10 mW emittiert.

Das erfindungsgemäße Interferometer arbeitet auf folgende Weise:

An der Stelle der Messung ist das tragbare und bewegliche Gestell und das Interferometer in der gewünschten räumlichen Position aufzustellen. Anschliessend werden die Lichtquellen und die Elemente des optischen Systems justiert. Zu diesem Zweck ist die Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 einzuschalten und ihr Licht mittels der Spiegel 34 gemäß den Fig. 8, 9 und 10 durch die Blende 35 auf das Pentaprisma 36 zu richten. Das Pentaprisma 36 nimmt eine Lage ein, in der das Lichtbündel zum Justieren der Elemente der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 ausgenutzt werden kann. Zur Einstellung der Elemente der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 ist das Pentaprisma 36 aus dem System wegzunehmen und der Oszillator der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 einzuschalten. Vor dem Verstärker soll ein lichtempfindlicher Schirm angeordnet werden und darauf wird ein Fleck durch das Licht verursacht. Anschliessend soll das Pentaprisma 36 wieder eingelegt werden und in einer im Vergleich zu der in Fig. gezeigten Lage um 90° verdreht angeordnet werden. In dieser Lage ist durch das Pentaprisma 36 zu gewährleisten, daß das Justierbündel der Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs den Fleck der Schirmoberfläche erleuchtet. Nach der Entfernung des lichtempfindlichen Schirmes können die Elemente des optischen Systems entlang des aus dem Verstärker der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 ausgestrahlten Lichtbündels

justiert werden. Dieses Lichtbündel dient als Basis zum Justieren aller Elemente des optischen Systems, wie der Strahlenteiler 11, 14 der Spiegel 13, 15 usw. Nach der Entfernung des Pentaprismas 36 ist das Interferometer zur Messung fertig. Mittels der Kontrollkamera 9 kann ein thermoplastischer Film beleuchtet werden. Die so vorbereitete Aufnahme kann in 20 bis 30 Sek. entwickelt werden und ist daher geeignet, schnelle qualitative Messungen durchzuführen. Die Aufnahmen können zur Feststellung der obigen angewendet werden: ob das Auflösungsvermögen des Interferogramms genügend hoch ist, ob die Belastung von der erlaubten nicht größer ist, ob die Amplitude der Schwingungen nicht zu hoch ist. Falls die Bedingungen der Messungen nicht entsprechend sind, können sie aufgrund der Kontrollaufnahmen, z.B. durch Änderung des optischen Systems, der Lage der Spiegel 13 usw. korrigiert werden.

Zur Vorbereitung des Interferogramms soll die Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 an der Stelle angeordnet und die Lichtquelle kontinuierlichen Betriebs 33 ausgeschaltet werden. Die Holokameras 4 sind gleichzeitig mit holographischen Platten gefüllt.

Die Arbeit des erfindunsggemäßen Interferometers hängt immer von der Bewegung des zu beobachtenden Objektes ab. Falls statische Deformationen zu prüfen sind, soll der Laser der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 zweimal nacheinander in von der Geschwindigkeit der Deformation abhängigen Zeitmomenten eingeschaltet werden. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 37 mit einem handbetätigten Schalter gekoppelt werden. Zu interferographischen Untersuchungen von schwingenden Objekten ist der Doppelimpulsbetrieb im Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz vorzuziehen, wobei zwi-

sehen den Impulsen eine Pause von 1 bis 800 με zu sichern ist. Wenn die Frequenz der Schwingungen unter 1 kHz liegt, ist es zweckmäßig, den wiederholten Impulsbetrieb zu benutzen / weil hier die Lichtimpulse mit einer Pause einer von der Frequenz abhängigen Zeitdauer einander folgen.

Für Untersuchungen von schwingenden Objekten soll der Laser in vorbestimmten Phasen der Schwingungen eingeschaltet werden. Dazu ist die Steuereinheit 37 anzuwenden, die

-JO mittels des ersten Steuereingangs 48 die notwendigen Informationen enthält. Im Moment des Anlassens der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 bewirkt die Steuereinheit 37 das öffnen der Lamellen 29 der Holokameras 4 und so die öffnung des Lichtweges. Diese Lösung mit der Anwendung des Hochpaß-Lichtfilters 28 kombiniert, ist sehr vorteilhaft, weil derart die Aufnahmen auch bei Tageslicht durchführbar sind. Der Hochpaß-Lichtfilter siebt den am meisten störenden Teil des Tageslichtes aus. Deswegen bewirkt das Tageslicht nur Störungen von vernachlässigbarem Ausmaß der Aufnähme. Nach den Impulsen der Impulsbetrieb-Lichtquelle 1 sollen die Lamellen der Holokameras 4 so schnell wie möglich geschlossen werden. Wie erwähnt, kann es auch vorteilhaft sein, elektronische Kameras anzuwenden, falls sie eine genügend hohe Auflösung gewährleisten, d.h. einen Wert von 2000 bis 3000 Linien/mm.

Das Auswerten des Interferogramms kann nach bekannten Methoden numerisch durchgeführt werden.

Das erfindunsggemäße Verfahren und das entsprechende Interferometer sind geeignet, holographische Interferogramme unter industriellen Bedingungen auch bei Tageslicht aufzunehmen. Es können die Bestandteile der Licht-

quellen und des optischen Systems mit hoher Genauigkeit justiert, die störenden Einwirkungen der Schwingungen ausgeschlossen werden und deswegen ist eine Analyse des Verschiebungsvektors mit hoher Genauigkeit in allen Fällen durchführbar, wenn die zu beobachtende Oberfläche des zu prüfenden Objektes unter entsprechendem Winkel sichtbar ist, d.h. wenn das Interferometer so eingestellt werden kann, daß die zu beobachtende Oberfläche durch das Objektstrahlenbündel und die Teilstrahlenbündel ausreichend ausgeleuchtet werden können.

Es ist offensichtlich, daß das optische System, die anderen Hauptelemente des Interferometers auf verschiedene, hier nicht angeführte Weise aufgebaut werden können, wobei es wichtig ist, daß die Bedingungen der doppelten Beleuchtung und die Verteilung des Interferogramms in vier Teile, gewährleistet sind.

Claims

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Verfahren und Interferometer zur holographischen Messung von Komponenten eines Verschiebungsvektors

Patentansprüche

Verfahren zur holographischen Messung von Komponenten eines Verschiebungsvektors, wobei ein kohärentes Lichtbündel durch eine Impulsbetrieb-Lichtquelle erzeugt wird, das kohärente Lichtbündel in ein Objektstrahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbündel geteilt wird, das Objektstrahlenbündel auf eine bewegte Oberfläche eines zu beobachten-

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den Objektes geworfen wird, und ein holographisches Interferogramm aufgrund des durch die bewegte Oberfläche gestreuten Objektstrahlenbündels und des Referenzstrahlenbündels aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbetrieb-Lichtquelle in zwei Zeitmomenten nacheinander, entsprechend der Bewegung der bewegten Oberfläche eingeschaltet wird, das Referenzstrahlenbündel in zumindest vier Teilbündel geteilt wird, und das holographische Interferogramm den Teilbündeln entsprechend in zumindest vier holographischen Bildern aufgenommen wird, wobei in den holographischen Bildern die bewegte Oberfläche in zwei Zeitmomenten abgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das kohärente Lichtstrahlenbündel durch die Impulsbetrieb-Lichtquelle in zwei Zeitmomenten synchron mit der Bewegung der bewegten Oberfläche erzeugt wird.
3. Interferometer zur holographischen Messung von Komponenten eines Verschiebungsvektors, insbesondere zur industriellen Anwendung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, das eine ein kohärentes Lichtstrahlenbündel erzeugende Impulsbetrieb-Lichtquelle, eine ein kohärentes Justierstrahlenbündel erzeugende kontinuierliche Lichtquelle, ein das kohärente Lichtbündel in ein Objektstrahlenbündel und ein Referenzstrahlenbündel teilendes das Justierstrahlenbündel gestaltendes optisches System und eine ein Interferogramm aufgrund des durch die bewegte Oberfläche des zu beobachtenden Objekts gestreuten Objektstrahlenbündels und des Referenzstrahlenbündels aufnehmende Erfassungseinheit enthält, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß das optische System mit dem kohärenten Justierstrahlenbündel in mindestens fünf Teilstrahlenbündel und das kohärente Lichtstrahlenbündel in das Objekt strahlenbündel und als Referenzbündel in zumindest vier . "»i!strahlenbündel teilenden optischen Bauteilen gemeinsamen Strahlengangs versehen ist, daß eine Steuereinheit (37) vorgesehen ist, die durch einen Steuerausgang (44) mit der Impulsbetrieb-Lichtquelle (1) verbunden ist, und daß die Erfassungseinheit zumindest vier Holokameras (4) enthält, die mit der Steuereinheit (37) auf mit der Impulsbetrieb-Lichtquelle (1) synchrone Betätigung sichernde Weise verbunden sind.
4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Steuereinheit (37) über einen ersten Steuereingang (48) mit einem der bewegten Oberfläche angepaßten und Schwingungen erfassenden Meßkopf (39) versehen' ist.
5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßkopf (39) einen piezoelektrischen Kristall enthält.
6. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinheit (37) mit einem Ausgang (38) eines Vibrators gekoppelt ist.
7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch g e k e η nzeichnet, daß der Ausgang (38) des Vibrators über einen Umschalter mit dem ersten Steuereingang (48) der Steuereinheit (37) verbunden ist, und daß über den Umschalter

wahlweise auch der Meßkopf (39) mit der Steuereinheit (37) verbindbar ist.
8. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (37) durch einen zweiten Steuereingang mit einem Lichtimpulse der Impulsbetrieb-Lichtquelle (1) erfassenden Detektor (45) verbunden ist.
■jO 9 · Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 8 / dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinheit (37) eine anpassende Auslöserschaltung enthält, die mit einer mit dem ersten Steuereingang (48) verbundenen Siebeinheit und einem der Siebeinheit nachgeschalteten Analog-Verstärker versehen ist, wobei der Analog-Verstärker mit dem Steuerausgang (44) verbunden ist.
10o ' Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System einen das kohärente Lichtstrahlenbündel in das Objektstrahlenbündel und ein zweites Strahlenbündel teilenden ersten Strahlteiler (11) und das zweite Strahlenbündel in zumindest vier Teilbündel teilenden zweiten Strahlteiler (14), sowie zwischen den ersten und zweiten Strahlteilern (11, 14) die optische Länge einstellende Spiegel (13) enthält₇ sowie eine dem ersten Strahlteiler (11) nachgeordnete Bündelverbreitereinheit (49) , sowie den zweiten Strahlteilem(14) nachgeordneten Bündelverbreitern (49) versehen ist, wobei nach den Bündelverbreitern (49) die die Referenzstrahlenbündel bildenden Teilbündel auf die Holokameras (4) mittels der einrichtenden Spiegel (15) gerichtet sind.
11. Interferometer nach Anspruch 10, dadurch g e k e η n-

die
zeichnet, daß die optische Länge einstellenden Spie-

gel (13) entlang des Strahlenganges des zweiten Bündels beweglich angeordnet sind.
12. Interferometer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch Gekennzeichnet , daß die Bündelverbreitereinheit eine Zerstreuungslinse (12) ist.
13. Interferometer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die im Weg der Teilbündel angeordneten Bündelverbreiter Planwellen erzeugende Raumfilter-Bündelverbreiter (49) sind.
14. Interferometer nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß vor dem ersten Strahlteiler (11) im Strahlengang ein Pentaprisma (36) angeordnet ist.
15. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß jede HoIokamera (4) einen Hochpaß-Lichtfilter (28) und mit einem Verschlußmechanismus (30) verbundene Lamellen (29) enthält.
16. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Elemente des optischen Systems in einer Einspannplatte (20) angeordnet sind, die auf einer beweglichen Platte (19) und einer Grundplatte (17) mittels Einstellschrauben (24, 47), nachgiebigen plattenförmigen Elementen und einer Feder (25) gelagert ist, wobei die Grundplatte (17) in ihrer Ebene mit einer Hebeplatte (21) durch ein nachgiebiges plattenförmiges Element, z.B. eine Blattfeder (23) verbunden ist, die Hebeplatte (21) mit einer Einstellschraube (24) aufgestützt und durch eine Blattfeder (23) mit der beweglichen

Platte (19) verbunden ist, wobei die Grundplatte (17) und die bewegliche Platte (19) durch in kreuzenden Ebenen angeordneten Blattfedern verbunden sind.
17. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 16,

dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbetrieb-Lichtquelle (1), die kontinuierliche Lichtquelle (33), die Erfassungseinheit und das optische System an einem gemeinsamen Rahmen (2) angeordnet sind.
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18. Interferometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (2) aus steif miteinander verbundenen Elementen besteht.
19. Interferometer nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (2) auf einem in der Stellung arretierbaren und die Bodenschwingungen dämpfenden mit Rädern (8) versehnen Gestell angeordnet ist.
20. Interferometer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß das Gestell einen in vertikaler Richtung beweglichen Arbeitszylinder enthält, der mit einem Panoramakopf (7) verbunden ist, wobei der Panoramakopf (7) in horizontaler Ebene verdrehbar ist und mit einer den Rahmen (2) durchdringenden und seine Verdrehung ermöglichenden Achse versehen ist.