DE3720142A1 - Holographische messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine holographische Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die holographische Meßtechnik wird bisher allgemein in Hologra­ phielabors mit einem schwingungsisolierten Tisch durchgeführt, an dem ein Laser starr montiert ist, wobei bei der Pulsholographie auf die Schwingungsisolierung des Tisches verzichtet werden kann.

Die optischen Komponenten und das Meßobjekt sind auf dem Tisch angeordnet. Ungünstig ist dabei, daß das Gewicht und das Volumen des Lasers selbst und das der Versorgungs- und Steuereinrichtun­ gen die Mobilität bisher bekannter holographischer Meßeinrichtun­ gen erheblich einschränkt. Bisher ist praktisch wegen der starren Verbindung der zur holographischen Meßtechnik erforderlichen voluminösen und schweren Einrichtungen keine Mobilität gegeben, so daß stets das Meßobjekt in das Holographielabor zur Durchfüh­ rung der Messung gebracht werden muß.

Zur Durchführung der holographischen Meßtechnik, insbesondere von holographischer Interferometrie, besteht demgemäß ein Bedürfnis, die qualitativen Vorzüge derartiger Meßverfahren unabhängig von Holographielabors, insbesondere an industriellen Meßplätzen mit einfacher und problemloser Handhabung zuverlässig ausnutzen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine holographische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher Handhabung unabhängig von Holographielabors verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen genannt.

Durch die Erfindung wird in günstiger Weise ein Holographiemeß­ kopf geschaffen, der nicht wie bisher starr mit einem Laser und holographischen Aufarbeitungseinrichtungen verbunden ist, sondern von diesen körperlich unabhängig als modulare, mobile Einheit ausgebildet ist. Der Holographiemeßkopf ist lediglich über flexible optische Wellenleiter mit einer Einheit verbunden, die einen Laser und holographische Aufarbeitungseinrichtungen aufweist.

Der erfindungsgemäße Holographiemeßkopf eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten für die holographische Meßtechnik, insbesondere für die Durchführung von holographischer Interfero­ metrie, besonders im industriellen Bereich. Es wird nun möglich, berührungslose Meßverfahren mit höchster Genauigkeit unmittelbar am Meßobjektort durchzuführen, insbesondere die Messung von Meßobjektverformungen im Mikrometerbereich, ohne daß die am Meßobjektort herrschenden Bedingungen die empfindliche holo­ graphische Strahlaufbereitung beeinträchtigen.

Zur Gewährleistung der Meßgenauigkeit im Bereich des Holographie­ meßkopfes trägt vorteilhaft die vorgesehene formsteife Halte­ platte bei, auf der die Hologrammplatte und Optiken aufweisende Auskopplungshalter für optische Wellenleiter befestigt sind, wobei in günstiger Weise die Orientierung jedes Referenzstrahls auf die Hologrammplatte nach einmaliger Justierung festgelegt ist.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Konzeption lassen sich die erforderlichen Komponenten für den Meßkopf klein ausbilden und sind in der Handhabung einfach.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Hologramm auf photothermischer Grundlage unter Verwendung einer Thermoplastplatte hergestellt. Dies hat den Vorteil, daß die Holographie vor Ort sofort verarbeitet werden kann. Dabei sieht die Erfindung nach einer bevorzugten Weiterbildung statio­ näre Korona-Entladungseinrichtungen vor, die um die Hologramm­ fläche herum angeordnet sind. Diese Korona-Entladungs-Einrichtun­ gen können beispielsweise aus einem Kranz von metallischen Nadeln, die um die holographische Platte herum angeordnet sind, oder aus vor der holographischen Platte aufgespannten dünnen Drähten bestehen. Eine bevorzugte Ausführungsform der holo­ graphischen Platte besteht aus einer wiederbenutzbaren löschbaren Thermoplastschicht. Die Verwendung einer stationären Korona- Entladungseinrichtung hat gegenüber thermoplastischen Einrichtun­ gen herkömmlicher Bauart, bei denen die Sensibilisierung durch Aufsprühen von elektrischen Ladungen aus einer vor der hologra­ phischen Platte bewegten Korona-Entladungseinrichtung erreicht wird, den Vorteil, daß keine bewegten Teile nötig sind.

Für das Photothermoplast-Filmmaterial der Hologrammplatte ist es charakteristisch, daß es für einen ganz bestimmten Winkel zwischen Referenzstrahl und Objektstrahl ein Wirkungsgradoptimum gibt. Dieses Optimum ist abhängig von der Dicke der Thermoplast­ schicht und der verwendeten Wellenlänge. Übliche Photothermo­ plast-Hologramm-Materialien und verwendete Lichtwellenlängen haben ein Optimum zwischen 24 und 27 Winkelgraden zwischen Referenzstrahl und Objektstrahl. Legt man den Objektstrahl orthogonal in die Mitte der Hologrammplatte, so ist der geome­ trische Ort für Referenzstrahlen für das Wirkungsgrad-Optimum ein Kegel mit einem Kegelwinkel von ca. 2×25°=50°. Jeder Re­ ferenzstrahl, der auf Mantellinien dieses Kegels angeordnet ist, genügt der Bedingung des optimalen Wirkungsgrades.

Der mobile Holographiemeßkopf eignet sich für die Durchführung von holographischen Messungen, welche nur mit einem Referenz­ strahl auskommen. Dabei wird der unverformte Zustand eines Meßobjekts in der holographischen Platte gespeichert. Dieser Zustand wird rekonstruiert und das Rekonstruktionsbild dem tatsächlichen überlagert (klassisches Real-Time-Verfahren). Wenn jetzt das tatsächliche Objekt verformt wird, entsteht sozusagen in vivo ein diese Verformung anzeigendes Interferenzmuster. Ein solchermaßen hergestelltes Interferenzmuster kann mit einem sogenannten Phasen-Shift-Verfahren verarbeitet werden, wobei die Phase in dem einzigen Referenzstrahl, mit dem das gespeicherte unverformte Bild rekonstruiert wird, geschoben werden kann. Das tatsächlich vorhandene Objekt hat im Augenblick der Betrachtung dann eine invariante Phase.

Der mobile Holographiemeßkopf eignet sich auch hervorragend zur Durchführung von holographischer Interferometrie. Zur Auswertung von Hologramm-Interferogrammen ist das sogenannte Phasen-Shift- Verfahren bekannt, vergl. R. Dändliker, R. Thalmann, Hetero-dyne und Quasi-Heterodyne Holographic Interferometry, Optical En­ gineering, September/Oktober 1985, Vol. 24, Nr. 5 S. 824-831.

Bei diesem Zwei-Referenzstrahl-Verfahren werden mit zwei Re­ ferenzstrahlen zu zwei Zeitpunkten zwei Objektzustände auf einer Hologammplatte aufgenommen, wobei sich bei der Rekonstruktion die beiden Bilder der Objektzustände kohärent zu einem Interferogramm überlagern. Übliche Ausführungsformen dieses Auswerteverfahrens arbeiten in der Weise, daß die beiden Referenzstrahlen nach Art eines Michelsen-Interferometers erzeugt werden. Diese Verfahrens­ weise hat jedoch den Nachteil, daß bei der Auswertungsprozedur ein 50%iger Rauschanteil auftritt, der die Auswertung zum Teil erheblich erschwert. Dieser hohe Rauschanteil rührt von sich überlagernden Bildern her, d.h. von dem von einen Referenzstrahl rekonstruierten Bildern des anderen Referenzstrahls, welche von den die Meßinterferenz erzeugenden Bildern überlagert werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Holographiemeßkopfs werden störende Bilder von den Meß-Interferenzbildern total abgetrennt. Dies geschieht in der Weise, daß die beiden Referenz­ strahlen mit dem Objektstrahl einen Raumwinkel von 90° bilden, wodurch jede Überlagerung der Meßinterferenzen durch störende Bilder vorteilhaft ausgeschlossen ist.

Bei dem obigen Holographiemeßkopf werden somit in günstiger Weise durch den gewählten Kegelmantelwinkel ein optimaler Wirkungsgrad für die Thermoplastschicht der Hologrammplatte und eine optimale Auswertegenauigkeit durch nicht Überlagerung störender Bilder aufgrund des beanspruchten sphärischen Winkels von etwa 90° zwischen den beiden Referenzstrahlen erreicht. Der erfindungs­ gemäße Holographiemeßkopf vereinigt somit die Vorzüge einer kompakten Ausbildung mit denen einer hohen Meß- und Auswertege­ nauigkeit.

Der Auskopplungshalter für den Objektbeleuchtungsstrahl, der den Objektbeleuchtungsstrahl auf das Meßobjekt richtet, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schwenkbar, um eine gute Ausleuchtung des zu beobachtenden Meßbereichs zu ermögli­ chen. Die Ausleuchtung kann weiterhin in vorteilhafter Weise durch vorsetzbare Linsen noch optimiert werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Holographiemeßkopf hinter der Hologrammplatte eine auf der Halteplatte befestigte Video-Kamera mit Objektiv auf. Hierdurch lassen sich Rekonstruktionen unmittelbar für die Beobachtung auf einem Bildschirm und/oder für eine On-Line-Auswertung und/oder zu einer Magnetbandspeicherung erfassen. Die Video-Kamera besteht beispielsweise aus einer CCD-Kamera und ist starr auf der Halteplatte befestigt. Sie bildet vorteilhaft mit den übrigen auf der Platte befestigten Teilen eine mobile Einheit.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem anschließenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Holographiemeß­ kopfes ;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Hologra­ phiemeßkopf ; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kegels, auf dessen Mantel die beiden Referenzstrahlen angeordnet sind und dessen Spitze im Bereich der Hologrammplatte liegt.

In den Fig. 1 und 2 ist eine holographische Meßeinrichtung zur Verwendung bei der Durchführung von holographischer Interferome­ trie dargestellt. Die holographische Meßeinrichtung besteht aus einem mobilen Holographiemeßkopf 10, der eine formsteife Halte­ platte 11 aufweist. Auf der Halteplatte 11 sind eine Video- bzw. CCD-Kamera 12 mit zugeordneter Elektronik 13 über einer Zwischen­ platte 14 starr befestigt. Die Elektronik 13 dient zur Erzeugung der Hochspannung für die Sensibilisierung der Photothermoplast- Platte. Die schematisch dargestellte CCD-Kamera 12 ist mit einem Zoom-Objektiv 15 versehen, das auf eine Hologrammplatte 16 gerichtet ist.

Die Hologrammplatte 16 besteht aus einer Thermoplastplatte, die in einer Plattenaufnahme 17 auswechselbar und justierbar montiert ist. Die Plattenaufnahme 17 besteht aus einem U-Profil, welches senkrecht auf der Halteplatte 11 befestigt ist, siehe Fig. 2. Einzelheiten des Aufbaues der Plattenaufnahme 17 sind in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. Die Hologrammplatte 16 in eine Aufnahme 22 eingesetzt, welche von einer Montageplatte 23 gegen eine Anlageschulter 24 der Plattenaufnahme 17 gehalten wird. Vor der holographischen Platte 16 ist eine Fassung mittels einer Montage­ platte 28 befestigt, wobei in die Fassung 27 ein Nadelkranz für das gleichmäßige Überbringen der Hochspannung für die gleich­ mäßige Sensibilisierung der Thermoplastplatte mit nicht darge­ stellter elektrischer Leitung angeordnet ist. In der Platte 30 befinden sich eine nicht dargestellte Lampe zum Löschen der Thermoplastplatte sowie nicht dargestellte Sensoren zur Regelung der optischen Hologrammwerte.

Auf der Zwischenplatte 21 sind ferner ein Auskopplungshalter 31 für eine Mono- oder Multimode-Glasfaser 32 und zwei Auskopplungs­ halter 33 und 34 mit abgewinkelten Befestigungsabschnitten starr montiert. Der Auskopplungshalter 31 weist eine Optik 35 auf, die in dem gabelförmig ausgebildeten Auskopplungshalter 31 um eine Achse 36 schwenkbar ist, welche parallel zu der Halteplatte 11 und zu der Hologrammplatte 16 verläuft. Der Schwenkbereich der Optik 35 beträgt etwa 15°. Über die Optik 35 wird ein Objektbe­ leuchtungsstrahl 37 aus der Mono- bzw. Multimode-Glasfaser 32 ausgekoppelt, der von der Hologrammplatte 16 abgewandt auf ein Meßobjekt gerichtet ist und durch nicht dargestellte vorsetzbare Linsen eine optimale Ausleuchtung des Meßbereichs ermöglicht.

Der Auskopplungshalter 33 weist eine Optik 39 für die Auskopplung eines ersten Referenzstrahls 40 aus einer Monomode-Glasfaser 41 auf.

Der Auskopplungshalter 34 besitzt eine Optik 42 zur Auskopplung eines zweiten Referenzstrahls 43 aus einer Monomode-Glasfaser 44. Der erste Referenzstrahl 40, der zweite Referenzstrahl 43 und der Objektbeleuchtungsstrahl 37 bestehen aus kohärentem Licht, das von einem Laser stammt und vor Einleitung in die verschiedenen Glasfasern holographische Strahlaufbereitungseinrichtungen zur Abspaltung der beiden Referenzstrahlen von dem Objektbeleuch­ tungstrahl durchläuft.

Der erste Referenzstrahl 40 und der zweite Referenzstrahl 43 sind schräg nach oben auf die Hologrammplatte 16 gerichtet. In Fig. 3 ist die besondere räumliche Orientierung der beiden Referenz­ strahlen 40 bzw. 43 näher erläutert. Fig. 3 zeigt einen Kegel 46 mit einer Grundfläche 47, einem Mantel 48 und einer Spitze 49, die im Bereich der schematisch angedeuteten Hologrammplatte 16 liegt. Dargestellt ist ferner die Symmetrie- bzw. Mittelachse 50 des Kegels 46, die durch den Mittelpunkt 51 der Grundfläche 47 verläuft.

Der aus der Optik 39 austretende erste Referenzstrahl 40 verläuft auf dem Mantel 48 des Kegels 46 bis zu der Spitze 49 und trifft hier auf den zweiten Referenzstrahl 43, der ebenfalls auf der Mantelfläche 48 des Kegels 46 aus der Optik 42 verläuft. Zwischen dem ersten Referenzstrahl 40 und der Symmetrieachse 50 des Kegels 46 sowie zwischen dem zweiten Referenzstrahl 43 und der Symme­ trieachse 50 liegt ein Winkel α, dessen Größe abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lasers ist. Wird beispielsweise ein Argonlaser verwendet, beträgt der Winkel α etwa 24°, während bei Verwendung eines Helium-Neonlasers der Winkel etwa 27° ist. Die auf der Grundfläche 47 angeordneten Optiken 39 und 42 schließen mit dem Mittelpunkt 51 der Grundfläche 47 einen Winkel β von etwa 90° ein.

Der Holographiemeßkopf 10 eignet sich vor allem für das Erstellen und On-Line Auswerten von Interferogrammen, die nach dem Zwei- Referenzstrahlverfahren am Ort des Meßobjekts aufgrund der Mobilität des Holographiemeßkopfes 10 hergestellt werden können. Hierzu wird die Halteplatte 11 entweder in nicht dargestellter Weise auf einem Stativ oder unmittelbar im Bereich des Meßobjekts befestigt. Das von dem Meßobjekt auf die Hologrammplatte zurück­ gestreute Licht des unverformten Objekts wird dabei nur mit dem ersten Referenzstrahl 40 überlagert. Anschließend wird das von dem verformten Objekt auf die Hologrammplatte zurückgestreute Licht nur mit dem zweiten Referenzstrahl 43 überlagert. Bei jeder Beleuchtung wird in der Thermoplastplatte ein Hologramm erzeugt. Bei der Rekonstruktion kann das Bild des unverformten Meßobjekts und das Bild des verformten Meßobjekts mit dem jeweils relevanten Referenzstrahl getrennt dargestellt werden. Bei gleichzeitiger Benutzung der beiden Referenzstrahlen überlagern sich die Bilder des unverformten und verformten Meßobjekts in Echtzeit. Für die quantitative Auswertung wird mittels eines nicht darge­ stellten Phasenschiebers die Phase in einem der beiden Referenz­ strahlen verschoben. Nach bekannten Verfahren, vergleiche R. Dändliker, E. Marom und F.M. Mottie, Two-reference-beam holo­ graphic interferometry, J. Opt. Soc. Am., Vol. 66, Nr. 1, January 1976, S. 23-30, kann dadurch die durch Konturänderung hervorgeru­ fene Phasenänderung in jedem Punkt der Kontur bestimmt werden. Die CCD-Kamera erfaßt die über die Hologrammplatte 16 erzeugten Interferogramme und leitet sie zur On-line Auswertung und/oder Speicherung und/oder Beobachtung auf einem Bildschirm über eine elektrische Leitung 12 a an eine separate und damit die Mobilität des Holographiemeßkopfes nicht einschränkende Auswertungsstation weiter.

Claims (10)

1. Holographische Meßeinrichtung mit einer Hologrammplatte (16), auf welcher das von wenigstens einem Referenzstrahl (40, 43) einfallende Licht mit dem von einem Meßobjekt zurückgestreuten Licht eines auf das Meßobjekt gerichteten kohärenten Objektbeleuchtungsstrahls (37) überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung als mobiler Holographiemeßkopf (10) mit einer formsteifen Halteplatte (11) ausgebildet ist, auf der die Hologrammplatte (16) und Auskopplungsoptiken (35, 39, 42) aufweisende Auskopplungshalter (31, 33, 34) für optische Wellenleiter (32, 41, 44) befestigt sind, welche jeweils den Objektbeleuchtungsstrahl (37) und wenigstens einen Referenzstrahl (40, 43) transportieren, wobei die optischen Achsen der Auskopplungsoptiken (35) für jeden Referenzstrahl (40, 43) jeweils auf dem Mantel (48) eines mit seiner Spitze (49) in den Bereich der Hologrammplatte (16) reichenden Kegels (46) liegen und jeweils mit der Mittelachse (50) des Kegels (46) einen gleichen Winkel (α) in einem Bereich von etwa 25° bis etwa 27° einschließen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) abhängig von der Wellenlänge von Refe­ renzstrahlen (40, 43) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Referenzstrahlen (40, 43) auf dem Kegel­ mantel (48) ein sphärischer Winkel (β) von etwa 90° vorge­ sehen ist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskopplungshalter (36) für den Objektbeleuchtungs­ strahl (37) schwenkbar ist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskopplungshalter (31) für den Objektbeleuchtungs­ strahl (37) in dem Bereich zwischen den Auskopplungshaltern (33, 34) für die Referenzstrahlen (40, 43) und der Holo­ grammplatte (16) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologrammplatte (16) aus einer Thermoplastplatte besteht.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Thermoplastplatte ein Ladungsaufsprühen mittels wenigstens einer Nadelspitze oder wenigstens einem vor der Hologrammplatte (16) aufgespannten Draht vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsaufsprühen über einen Nadelkranz (29) erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Holographiemeßkopf (10) hinter der Hologrammplatte (16) eine auf der Halteplatte (11) befestigte CCD-Kamera (12) mit Objektiv (15) aufweist.

10. Holographische Meßeinrichtung mit einer Hologrammplatte (16), auf welcher das von wenigstens einem Referenzstrahl (40, 43) einfallende Licht mit dem von einem Meßobjekt zurückgestreuten Licht eines auf das Meßobjekt gerichteten kohärenten Objektbeleuchtungsstrahls (37) überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung als modularer Holographiemeßkopf (10) mit einer formsteifen Halteplatte (11) ausgebildet ist, auf der die Hologrammplatte (16) in einer Plattenaufnahme (17) mit stationären Holographiebearbeitungseinrichtungen und Auskopplungsoptiken (35, 39, 42) aufweisenden Auskopplungs­ haltern (31, 33, 34) für optische Wellenleiter (32, 41, 44) befestigt sind, welche jeweils den Objektbeleuchtungsstrahl (37) und zwei Referenzstrahlen (40, 43) transportieren, wobei die optischen Achsen von zwei Referenzstrahlen (40, 43) jeweils auf dem Mantel (48) eines mit seiner Spitze (49) in die Mitte des Bereiches der Hologrammplatte (16) reichenden Kegels (46) liegen und jeweils mit der Mittel­ achse (50) des Kegels (46) einen gleichen Winkel (α) in einen Bereich von etwa 25° einschließen, und wobei die optischen Achsen für die Referenzstrahlen (40, 43) mit der Mittelachse (50) des Kegels (46) einen räumlichen Winkel von etwa 90° bilden.