DE69937237T2

DE69937237T2 - Verfahren und gerät für ultraschall-laseruntersuchungen

Info

Publication number: DE69937237T2
Application number: DE69937237T
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Fort Worth DRAKE; Mark A. Fort Worth OSTERKAMP
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: CA2651611A1; SE0004702L; CA2335338C; CA2651611C; EP1092124A4; KR20010053281A; DE69937237D1; SE0004702D0; EP1092124B1; WO2000000783A1; EP1092124A1; SE524550C2; CA2335338A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung und ein Verfahren der zerstörungsfreien Bewertung von Materialien und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren der Verarbeitung optischer Informationen, um Ultraschall-Oberflächenversetzungen durch die Verwendung mindestens eines Lasers zu erfassen, um eine zerstörungsfreie Bewertung eines Materials durchzuführen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren hat der Gebrauch von weiterentwickelten Verbundstrukturen enormes Wachstum in der Luftfahrt, dem Automobilbau und vielen anderen kommerziellen Industrien erfahren. Zwar bieten zusammengesetzte Materialien bedeutende Verbesserungen in der Leistung, sie erfordern jedoch strenge Qualitätskontrollverfahren in den Herstellungsprozessen. Insbesondere werden zerstörungsfreie Auswertungsverfahren ("NDE") gefordert, um die strukturelle Unversehrtheit zusammengesetzter Strukturen zu beurteilen, z. B. um Einschlüsse, Abblätterungen und Porositäten zu ermitteln. Herkömmliche NDE-Methoden sind jedoch sehr langsam, arbeitsintensiv und teuer. Infolgedessen erhöhen Testverfahren nachteilig die Herstellungskosten, die mit zusammengesetzten Strukturen verbunden sind.

Verschiedene Methoden und Vorrichtungen sind vorgeschlagen worden, um die strukturelle Unversehrtheit zusammengesetzter Strukturen zu beurteilen. Eine Methode, Ultraschall unter Verwendung von Lasern zu erzeugen und zu ermitteln, ist im US-Patent 5,608,166 , ausgegeben am 4. März 1997 an Monchalin et al. (das "166-Patent"), beschrieben. Das '166-Patent offenbart den Gebrauch eines ersten modulierten, gepulsten Laserstrahls zum Erzeugen von Ultraschall auf einem Werkstück und eines zweiten gepulsten Laserstrahls zum Ermitteln des Ultraschalls. Phasenmoduliertes Licht von dem zweiten Laserstrahl wird dann demoduliert, um ein Signal zu erhalten, das repräsentativ für die Ultraschallbewegung an der Oberfläche des Werkstückes ist. Ein mit diesem Ansatz verbundener Nachteil ist, dass der erste gepulste Laserstrahl moduliert werden muss. Andere an Monchalin et al. ausgegebene US-Patente, die sich mit dem Thema Ultraschallmaterialprüfung befassen, sind folgende:

US-Patent-Nr.	Titel	Ausgabedatum
5,608,166	Erzeugung und Erfassung von Ultraschall mit Langpuls-Laser	4. März 1997
4,966,459	Optische Breitbanderfassung vorübergehender Bewegung von einer streuenden Oberfläche	30. Oktober 1990
5,131,748	Optische Breitbanderfassung einer Wanderbewegung von einer streuenden Oberfläche mit Zwei-Wellen-Mischen in einem photorefraktiven Kristall	21. Juli 1992
5,402,235	Abbildung von Ultraschall-Oberflächenbewegung durch optisches Multiplexing	29. März 1995
4,633,715	Laserüberlagerungsinterferometrisches Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Ultraschallversetzung	6. Januar 1987
5,080,491	Laseroptische Ultraschallerfassung unter Verwendung von zwei interferometervorrichtungen	14. Januar 1992
5,137,361	Optische Erfassung einer Oberflächenbewegung eines Objektes unter Verwendung eines stabilisierten interferometrischen Hohlraums	11. August 1992
4,426,155	Verfahren und Vorrichtung für die interferometrische Wellenlängenmessung von frequenzabstimmbaren Dauerstrichlasern	17. Januar 1984
4,820,981	Verfahren und Vorrichtung zur Messung magnetischer Verluste in ferromagnetischen Materialien basierend auf Temperaturmodulationsmessungen	11. April 1989
4,659,224	Optische interferometrische Aufnahme von Ultraschallenergie	21. April 1987
4,607,341	Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften von Materialien aus einer Messung der Ultraschallabsorption	19. August 1986

Obgleich diese Patente ausführbare Techniken zum optischen Erfassen einer Wanderbewegung an einer streuenden Oberfläche beschreiben, wobei diese Techniken für zerstörungsfreie Ultraschalltests und Auswertung der Verbundmaterialien nützlich sind, haben diese Techniken zahlreiche Schwächen.
Zunächst verfügt keine der bekannten Techniken von Monchalin und anderen über die Fähigkeit, mit hohen Signal-Rauschverhältnissen (SNR) in großen Abständen von typischerweise sehr dunklen zusammengesetzten Materialien mit kleiner Blendenöffnung optische Hochgeschwindigkeitsabtastungen durchzuführen. Die Fähigkeit, in solch einer Weise zu arbeiten, hat den eindeutigen Vorteil der Erhöhung der optischen Abtastflächenabdeckung und der Lieferung von wesentlich verbesserter Tiefenschärfe, so dass die Notwendigkeit aktiver Fokussiereinheiten beseitigt wird.
Andere bekannte Techniken besitzen nicht die wünschenswerte Eigenschaft des Entfernens von Grundrauschen vom Lasersignal unter Verwendung einer sich selbst referenzierenden interferometrischen Konfiguration, die alles vorhandene Licht ohne den Gebrauch von unterschiedlichen Ausgleichungsmessungen benutzt.
Eine andere Beschränkung, die mit den bekannten Vorrichtungen von Monchalin und anderen verbunden ist, bezieht sich auf ihre Unfähigkeit, mit sehr hoher Abtastrate zu arbeiten und Ultraschalldaten in Realzeit zu verarbeiten. Diese Beschränkung macht solche Vorrichtungen nur am Rande nützlich für das Prüfen und Auswerten zusammengesetzter Materialien.
Andere Beschränkungen, die mit vorhandenen Vorrichtungen verbunden sind, beziehen sich auf allgemeine Inflexibilität solcher Vorrichtungen, die alle Abstände niedrig halten können, was geringe Tiefenschärfen-Leistung und nur minimale Extraktion von Informationen aus den zurückgestreuten Signalen ergibt. Diese Beschränkungen machen die industrielle Anwendung der Ultraschalltestverfahren im Allgemeinen unmöglich.
WESEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Generieren und Detektieren von Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf einem entfernten Ziel zur Verfügung, das im Wesentlichen die Nachteile und Probleme beseitigt oder verringert, die mit bisher entwickelten Laser-Ultraschallsystemen und -methoden verbunden sind.
Genauer stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Generieren und Detektieren von Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf einem entfernten Ziel zur Verfügung, wie in Anspruch 1 bzw. 7 definiert.
Die vorliegende Erfindung liefert schnelle, berührungsfreie und zerstörungsfreie Inspektionstechniken, die an komplizierten zusammengesetzten Strukturen angewendet werden können. Die vorliegende Erfindung stellt ein flexibles, genaues und kosteneffektives Verfahren zur Verfügung, um komplizierte zusammengesetzte Strukturen zu untersuchen. Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, großformatige zusammengesetzte Strukturen schnell abzutasten und zu prüfen. Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, in von der Normalen abweichenden Winkeln (d. h. bis ± 45 Grad) zu untersuchen. Die vorliegende Erfindung erfordert kein kostspieliges Fixieren, um zusammengesetzte Strukturen zu prüfen. Die vorliegende Erfindung erfordert nicht, dass die Form des Teils vor der Prüfung bekannt ist. Die vorliegende Erfindung erfordert keinen beidseitigen Zugang zu einer zusammengesetzten Struktur, um sie auf Defekte zu prüfen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung, deren Ziele und Vorteile, wird jetzt auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, wie folgt:
1 veranschaulicht den Gebrauch eines Generierungslaserstrahls und eines dazu koaxialen Detektionslaserstrahls;
2 ist ein Blockdiagramm, das die grundlegenden Bestandteile einer Vorrichtung für die Durchführung einer Ultraschall-Laserprüfung zeigt;
3 stellt einen optischen Scanner mit großer Blendenöffnung dar;
4 stellt einen optischen Scanner mit kleiner Blendenöffnung dar;
5A stellt eine auf einem Gerüst angebrachte optische Testvorrichtung mit einer internen Kalibrierungseinheit dar;
5B stellt eine auf einem Gerüst angebrachte optische Testvorrichtung mit einer internen Kalibrierungseinheit dar;
6 ist ein Zeitdiagramm für einen nicht-flachen Detektionsimpuls und einen Erzeugungsimpuls;
7 ist ein Zeitdiagramm für einen flachen Detektionsimpuls und einen Erzeugungsimpuls;
8 ist ein modifiziertes konfokales Einzelhohlraum-Interferometer des Fabry-Perot-Typs;
9 ist ein modifiziertes konfokales Doppelhohlraum-Interferometer des Fabry-Perot-Typs;
10 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem reflektierten und übertragenen Licht im Verhältnis zu der Gesamtmenge des Lichtes, das einen Hohlraum erreicht;
11 ist eine graphische Darstellung des Störsignalverhältnisses als Funktion der optischen Energie;
12A ist eine Signalansprechanalyse als Funktion der Frequenz;
12B ist eine Phasenansprechanalyse für das Signal, das in 12A dargestellt ist;
13A ist eine Rauschansprechanalyse als Funktion der Frequenz;
13B ist eine Phasenansprechanalyse zu der in 13A dargestellten Information;
14 (A und B) sind eine Ansprechanalyse und der Phasengang für ein Signal, das geändert worden ist, um das Löschen des Grundmoduslaserrauschens zu ermöglichen;
15 stellt ein optisches Interferometer mit getrennten Detektoren und Prozessoren dar;
16 ist ein elektrisches Diagramm für einen verbesserten Detektor; und
17 ist ein Frequenzgang für das elektrische Diagramm von 16.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in 1 bis 17 der Zeichnungen veranschaulicht, wobei gleiche Bezugszeichen für ähnliche und entsprechende Bauteile der verschiedenen Zeichnungen verwendet werden.
1 veranschaulicht einen ankommenden Laserstrahl, der einen Generierungslaserstrahl 111 und einen koaxialen Detektionslaserstrahl 121 auf ein entferntes Ziel 150 darstellt. Der Generierungslaserstrahl 111 verursacht eine thermoelastische Expansion im Ziel 150 in Form von Ultraschall-Oberflächendeformationen, wobei die Deformationen den Detektionslaserstrahl 121 modulieren, streuen und reflektieren, wie dies durch das phasenmodulierte Licht 131 dargestellt ist, das vom Ziel 150 weggerichtet ist.
2 veranschaulicht in Blockdiagrammform die grundlegenden Bestandteile einer Vorrichtung 200 für das Durchführen der Ultraschall-Laserprüfung. Das Gerät 200 enthält einen Generierungslaser 210, einen Detektionslaser 220, ein Interferometer 230, einen optionalen optischen Prozessor 235, einen optischen Scanner 240, eine Sammeloptik 250, ein Systemsteuerpult 260 und ein Datenerfassungs- und Verarbeitungsgerät 270. Der Generierungslaser 210 und der Detektionslaser 220 erzeugen einen Generierungslaserstrahl 111 bzw. einen Detektionslaserstrahl 121, die durch den optischen Scanner 240 auf ein Ziel 150 gerichtet werden, das gewöhnlich ein Verbundmaterial ist. Der Generierungslaser 210 produziert im Material normal zur Oberfläche des Ziels 150 eine Kompressionsultraschallwelle. Die Kompressionsultraschallwelle ist das Resultat der thermoelastischen Expansion des zusammengesetzten Materials, da es den Generierungslaserstrahl 111 absorbiert.
Der Generierungslaser 210 muss von einer Frequenz sein, die in die Oberfläche des Ziels 150 gut absorbiert wird, ohne Ablösungen oder Ausbrüche im Zielmaterial zu verursachen, und er muss von der passenden Impulsdauer sein, um Ultraschall-Oberflächendeformationen zu verursachen. Beispielsweise kann ein transversal angeregter atmosphärischer ("TEA") CO₂-Laser verwendet werden, um einen Strahl mit 10,6 μm Wellenlänge für einen 100-Nanosekunden-Impuls zu produzieren. Die Energie des Lasers muss ausreichend sein, um z. B. einen Impuls mit 0,25 Joule an das Ziel zu liefern, was einen 100-Watt-Laser erfordern kann, der mit einer mittleren Impulsfolgefrequenz von 400 Hz arbeitet. Der Generierungslaserstrahl sollte als Wärme in die Zieloberfläche absorbiert werden, um dadurch thermoelastische Expansion ohne Ablösungen zu bewirken.
Der Detektionslaser 220 muss von ausreichender Impulsdauer sein, um keine Ultraschall-Oberflächenversetzungen zu verursachen. Beispielsweise kann ein Nd:YAG-Laser verwendet werden. Die Energie dieses Lasers muss ausreichend sein, um z. B. einen Impuls mit 100 Milli-Joule und 100 Mikrosekunden zu liefern, was einen Laser mit einem Kilowatt erfordern kann.
3 veranschaulicht eine optische Abtastkonfiguration mit großer Blendenöffnung und einer integrierten Abstandsmesseinheit. Der Generierungslaserstrahl 111 wird durch die Generierungslaser-Fokusoptik 310 durch eine erste optische Linse 315 fokussiert, die für den Generierungslaserstrahl 111 durchlässig ist. Die reflektierende Oberfläche 335 richtet dann den Generierungslaserstrahl 111 auf den Scanner 340 mit großer Blendenöffnung, der dann den Lichtstrahl 111 zu einer Oberfläche des Ziels 150 richtet, um darin eine Ultraschallwelle zu verursachen.
Wie in 3 gezeigt, wird der Detektionslaserstrahl 121 durch Faseroptik in die Detektionslaser-Fokusoptik 320 gerichtet, die den Laserstrahl 121 durch eine zweite optische Linse 325 fokussiert, die für den Detektionslaserstrahl 121 durchlässig ist. Der Detektionslaserstrahl 121 wird von der ersten optischen Linse 315 reflektiert und tritt koaxial mit dem Generierungslaserstrahl 111 aus. Die erste Optikbaugruppe 315 und die zweite Optikbaugruppe 325 wirken zusammen, um einen Strahlkombinator oder Strahlmischer zu bilden. Der Detektionslaserstrahl 121 wird dann zusammen mit dem Generierungslaserstrahl 111 auf einen Drehspiegel oder eine reflektierende Oberfläche 335 reflektiert, die den Detektionslaserstrahl 121 dann auf den Scanner 340 mit großer Blendenöffnung richtet, der den Lichtstrahl 121 wiederum auf die Oberfläche des Ziels 150 richtet. Der Detektionslaserstrahl 121 wirkt auf die Ultraschallwellen ein, die in der Oberfläche des Ziels 150 vorhanden sind, und wird als phasenmoduliertes Licht 131 reflektiert. Ein Teil des phasenmodulierten Lichtes wird vom Scanner 340 mit großer Blendenöffnung eingefangen und zum Kollektor 350 mit großer Blendenöffnung verwiesen. Der Scanner 340 mit großer Blendenöffnung besitzt im Allgemeinen einen Einzelspiegel-Zweiachsen-Kardanringaufbau, wobei jede Achse über einen Motor und Getriebe angetrieben wird. Der Kollektor 350 mit großer Blendenöffnung kann eine reflektierende Optik vom Cassegrain-Typ sein, gebildet von einer reflektierenden Hauptoberfläche 355, die Licht auf einer reflektierenden Sekundäroberfläche 345 fokussiert, die dann das Licht sammelt und es in einem Faseroptikträger fokussiert.
3 veranschaulicht auch die integrierte optische Abstandsmesseinheit 330, die einen Abstandslaserstrahl 331 zur optischen Linse 325 ausrichtet, die den Laserstrahl 331 zur ersten optischen Linse 315 reflektiert. Der Abstandslaserstrahl 331 tritt koaxial mit dem Generierungslaserstrahl 111 und dem Detektionslaserstrahl 121 aus. Der Abstandslaserstrahl 331 wird dann entlang dem gleichen Weg wie der Detektionslaserstrahl 121 reflektiert und auch von der Oberfläche des Ziels 150 reflektiert. Ein Teil von dem reflektierten Abstandslaser wird durch den Scanner 340 mit großer Blendenöffnung eingefangen und rückwärts auf den gleichen Weg verwiesen, auf dem er sich zum Erreichen des Ziels 150 bewegte. Der Scanner 340, die Sammeloptiken 345 und 355 werden allgemein als Typ mit großer Blendenöffnung für freie Strahlblendenöffnungen definiert, die größer als ungefähr 75 mm für Abstände zum Ziel im 1000-mm- bis 4000-mm-Bereich sind. Die optische Abstandsmesseinheit 330 ist in der Lage, aus dem reflektierten Licht den Abstand zwischen der belichteten Oberfläche des Ziels 150 und dem Abtastgerät zu bestimmen. Da die optische Abstandsmesseinheit 330 Licht der gleichen Frequenz sowohl empfängt als auch durchlässt, wird sie als selbständiges Abstandsmessgerät beschrieben. Es ist wichtig, den Abstand zu kennen, in dem sich die gerade belichtete Oberfläche vom Scanner befindet, damit eine topographische Form für das Ziel 150 erzeugt und mit den gerade gesammelten optischen Daten korreliert werden kann. Im Allgemeinen wird diese Wechselbeziehung Punkt für Punkt aufgenommen.
4 veranschaulicht eine optische Abtastkonfiguration mit kleiner Blendenöffnung mit einer integrierten Abstandsmesseinheit. Kleine Blendenöffnung ist in dieser Anmeldung allgemein für freie Blendenöffnungen mit weniger als 75 mm für Zielabstände zwischen 1000 mm und 4000 mm definiert. Der Betrieb der Konfiguration mit kleiner Blendenöffnung ist dem der optischen Abtastkonfiguration mit großer Blendenöffnung ähnlich, die vorstehend besprochen wurde, außer einer geringfügigen Umordnung der optischen Elemente, um die Laserstrahlen durch die kleineren Blendenöffnungen aufzunehmen. Der Generierungslaserstrahl 111 wird durch die Generierungslaser-Fokusoptik 310 durch ein erstes optisches Element 415 auf einen Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung fokussiert, wobei das optische Element 415 für den Generierungslaserstrahl 111 durchlässig ist. Der Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung richtet dann den Lichtstrahl 111 auf eine Oberfläche des Ziels 150, um darin eine Ultraschallwelle zu verursachen. Der Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung besitzt allgemein einen Zweispiegel-Aufbau, wobei jeder Spiegel an orthogonal orientierten Schnellgalvanometern angebracht ist.
Wie in 4 gezeigt, wird der Detektionslaserstrahl 121 durch Faseroptik in die Detektionslaser-Fokusoptik 320 hineingerichtet, die den Laserstrahl 121 auf einen kleinen reflektierenden Drehspiegel 445 und durch ein optisches Element 435 verweist, das für den Detektionslaserstrahl 121 durchlässig ist. Der Detektionslaserstrahl 121 wird vom ersten optischen Element 415 wegreflektiert und tritt koaxial mit dem Generierungslaserstrahl 111 aus. Der reflektierende Drehspiegel 455 besitzt im Allgemeinen ein elliptisches Profil, um einen kleinen kreisförmigen Durchmesser zu produzieren, der genau mit dem Detektionslaserstrahl 121 übereinstimmt, wenn er bei 45 Grad Einfallswinkel arbeitet und dadurch einen minimalen Bereich der Sammeloptik 450 abdunkelt. Das erste optische Element 415, das zweite optische Element 425 und das dritte optische Element 435 wirken zusammen, um einen Strahlkombinator oder Strahlmischer zu bilden. Der Detektionslaserstrahl 121 wird dann zusammen mit dem Generierungslaserstrahl 111 auf den Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung reflektiert, der seinerseits den Strahl 121 auf die Oberfläche des Ziels 150 richtet. Der Detektionslaserstrahl 121 wirkt mit den Ultraschallwellen zusammen, die in der Oberfläche des Ziels 150 vorhanden sind, und wird als phasenmoduliertes Licht 131 reflektiert. Ein Teil des phasenmodulierten Lichtes 131 wird durch den Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung eingefangen und vom ersten optischen Element 415 weg durch das dritte optische Element 435 reflektiert sowie vom zweiten optischen Element 425 weg in den Kollektor 450 mit kleiner Blendenöffnung reflektiert. Das optische Element 445 wird durch passende Auslegung einen minimalen Teil des Lichtes abdunkeln, das durch den Scanner 440 eingefangen wurde.
4 veranschaulicht auch die integrierte optische Abstandsmesseinheit 330, die einen Abstandslaserstrahl 331 auf das dritte optische Element 435 richtet, das den Laserstrahl 331 zum ersten optischen Element 415 reflektiert. Der Abstandslaserstrahl 331 tritt koaxial mit dem Generierungslaserstrahl 111 und dem Detektionslaserstrahl 121 aus. Der Abstandslaserstrahl 331 wird dann entlang dem gleichen Weg reflektiert wie der Detektionslaserstrahl 121 und wird auch von der Oberfläche des Ziels 150 reflektiert. Ein Teil von dem reflektierten Abstandslaser wird durch den Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung eingefangen und rückwärts auf den gleichen Weg verwiesen, auf dem er sich zum Erreichen des Ziels 150 bewegte. Die optische Abstandsmesseinheit 330 ist in der Lage, aus dem reflektierten Licht den Abstand zwischen dem Abtastgerät und der Oberfläche des Ziels 150 festzustellen, das belichtet wird. Der Abstand zwischen dem Abtastgerät und der bestrahlten Oberfläche wird verwendet, um eine topographische Form des abgetasteten Ziels 150 zu erzeugen, und wird mit den gesammelten optischen Daten korreliert. Im Allgemeinen wird diese Wechselbeziehung Punkt für Punkt aufgenommen.
5A veranschaulicht einen Teil einer Laser-Abtast- und -Testvorrichtung 500, bezeichnet als "Scan-Kopf 500", der üblicherweise, obgleich nicht ausschließlich, an einem Gerüst-Positioniersystem (GPS) angebracht ist, das zur Indexierung des Geräts in einem kartesischen, durch {x, y, z} definierten Arbeitraum fähig ist. Der Generierungslaser 110 kann auch entfernt am GPS montiert sein oder wahlweise am Boden angebracht und entlang der x- und y-Achse sowie ggf. konzentrisch mit der z-Mastanordnung zum Gerüstflansch 510 ausgerichtet sein. Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung würde die Abgabe des Laserstrahls 111 des Generierungslasers 210 durch eine optische Faser erlauben. Die Abgabe des Laserstrahls 111 durch Faseroptik würde zulassen, dass der Generierungslaser 210 entfernt angeordnet oder beliebig innerhalb des Scan-Kopfes 500 angebracht sein kann. Der Scan-Kopf 500 kann zur z-Achse konzentrisch gedreht werden, die als theta-1 definiert wird, um die Ausrichtung der Optiktisch-Haltewinkel 530 und des Optiktisches 535 zu repositionieren. Ein Kabelträger 520 liefert elektrische, optische und andere Anschlüsse an 500, wobei eine 360-Grad-Drehung um theta-1 möglich ist. Ein Haltewinkel 540 befestigt einen Motor 550 am Optiktisch 535. Der Motor 550 dreht den optischen Scanner 440 über ein Drehkraftrohr 555, das mit der optischen Achse konzentrisch ist, definiert als theta-2-Achse. Ein Schleifring 560 stellt elektrische Anschlüsse zwischen einem VME-Chassis 590 und an der theta-2-Achse montierten Bauteilen bereit, einschließlich des optischen Scanners 440, eines Scanner-Blendenverschlusses 565 und einer Fern-Videokamera 570. Der Scanner-Blendenverschluss 560 schützt den optischen Scanner 440 vor Staubverschmutzung, wenn dieser nicht in Betrieb ist. Die Fern-Videokamera 570 stellt der Bedienperson an einer entfernten Position eine Ansicht zur Verfügung, die ungefähr mit der Mittelansicht des Scanners 440 ausgerichtet ist. Das Detektionslaserlicht 121 wird von einer entfernten Verbundoberfläche gesammelt, die mit gewissem Abstand D vom optischen Scanner 440 mit kleiner Blendenöffnung angeordnet ist, und wird vom Element 415 reflektiert, durch das Element 435 übertragen und durch den Spiegel 445 minimal abgedunkelt. Dann wird 121 durch den Spiegel 425 und andere Drehspiegel auf den Kollektor 450 mit kleiner Blendenöffnung gerichtet und nachher in die Sammelfaseroptik eingekoppelt. Diese Sammelfaser wird gewöhnlich mit einem optischen Nachsammel-Verstärker 235 (2) gekoppelt, bevor die Verarbeitung durch das Interferometer 230 erfolgt.
Eine motorisierte Spiegeleinfassung 580 liefert ein Verfahren, um den optischen Weg für alle Laserstrahlen über das optische Element 415 hinaus, aber vor dem optischen Scanner 440 umzuleiten. Die umgeleiteten Strahlen folgen einem Weg entlang einer Reihe von reflektierenden Drehspiegeln 581, 582, 583, 584, 585 und 586 zu einem internen Fernfeld-Kalibrierungsmodul 587, wobei die Anzahl der Drehspiegel nur von der gewünschten Funktion abhängt und in der tatsächlichen Anzahl mehr oder weniger sein könnte. Ein Abstimmspiegel 581 würde z. B. eine integrierte Nahfeld-justierbare Blendenöffnung aufweisen, um eine dauerhafte Ausrichtposition herzustellen, die in Verbindung mit dem internen Fernfeld-Kalibrierungsmodul 587 verwendet wird. Das Fernfeld-Kalibrierungsmodul 587 ist mit Abstand vom optischen Element 415 angeordnet, um einen typischen Abstand zu einem Ziel darzustellen, der dem Standardweg durch den optischen Scanner 440 folgt. Das interne Fernfeld-Kalibrierungs- und -Diagnostikmodul 587 kann zum Beispiel Vorrichtungen enthalten, die die Energie und Ausrichtung jedes Lasers, kleine Zieldarstellungen der typischen Prüfmaterialien und Vorrichtungen überwachen, um die Kennzeichnung neuer Materialien über eine Vielzahl von Auftreffwinkeln zu unterstützen. Beispielsweise können Informationen, die vom internen Fernfeld-Kalibrierungs- und Diagnostikmodul 587 abgeleitet werden, dazu benutzt werden, den Generierungslaserstrahl 111 mit der gewünschten Optikachse über motorisierte, reflektierende Abstimmspiegel 588 und 589 auszurichten. Solch ein Betrieb kann notwendig sein, um kleine Strahlabgabefehler zu beheben, die durch die entfernte Abgabe des Strahls 111 über freiem Raum entlang der beweglichen Achse {x, y, z, theta-1} erzeugt werden. Andere Drehspiegel, die nicht ausdrücklich in 5a beschrieben sind, können auch motorisierte Positioniereigenschaften ähnlich zu 588 und 589 enthalten, wie dies erforderlich ist, um ein völlig automatisiertes Ausricht- und Kalibrierungsverfahren unter Computersteuerung durchführen zu können. Alle Ausrichtungsvorgänge werden dadurch generalisiert, dass der dem Fernfeld-Kalibrierungsmodul nächste motorisierte Spiegel auf korrekte Ausrichtung eingestellt wird, dann der von der Nahfeld-Blendenöffnung entfernteste motorisierte Spiegel auf Ausrichtung eingestellt wird. Dieses Verfahren wird in einer wiederholenden Weise fortgesetzt, bis ein zulässiger Betrag des Positionierungsfehlers erreicht ist.
5B veranschaulicht den Scan-Kopf 500 in einer Perspektivansicht mit der Hinzufügung des Detektionslasers, der an der hinteren Oberfläche des Optiktisches 535 angebracht ist. In dieser Konfiguration kann der Detektionslaserstrahl 121 optional mit Faseroptik an die Vorderseite des Optiktisches 535 gekoppelt oder über Drehspiegel direkt verbunden sein. Die Bereitstellung mit Faseroptik über die Detektionslaser-Fokussieroptik 320 hat den Vorteil der verbesserten Punktstrahlstabilität aufgrund der Entkoppelung aller kleinen Punktstrahlfehler im Laser 220. Die Spitzenleistung des Lasers 220 begrenzt den Abstand, in dem Faseroptik zur Lieferung des Strahls 121 verwendet werden kann, aufgrund von angeregten Brillouin-Streueffekten (SBS). Die SBS-Schwelle ist vom Faserdurchmesser, von der Faserlänge, von der Laserpulsdauer und der Laserspitzenleistung abhängig. Beispielsweise würde ein Nd:YAG-Laser mit einer Pulsdauer von 100 Mikrosekunden, der Hunderte von Watt Spitzenleistung produziert, bei 100 Mikrometer Faserdurchmesser auf Faserlängen unter 10 Meter begrenzt sein.
6 veranschaulicht das Zeitverhältnis zwischen den Erzeugungs- und den Detektionslaserpulsen. Der Detektionslaserstrahl 121 wird bei t = t₀ abgegeben. Die Stärke des Detektionslaserstrahls 121 steigt bis zu einem Maximum, bevor sie abfällt. Die Impulsdauer von Detektionslaserstrahl 121 und Generierungslaserstrahl 111 werden in 6 mit 100 Mikrosekunden bzw. 100 ns veranschaulicht, obwohl die Impulsdauer verändert werden kann. Der Generierungslaserstrahl 111 wird idealerweise dann abgegeben, wenn der Detektionslaserstrahl 121 an oder nahe seiner maximalen Spitze ist, wobei diese Verzögerung nach t₀ durch t_DELAY dargestellt ist. Wenn ein Ziel 150 geprüft wird, werden die Abfrage- und Erzeugungspulse gewöhnlich auf einer periodischen Grundlage wiederholt, z. B. mit einer Frequenz von 100 Hz oder sogar 1000 Hz, wobei der optische Scanner 440 den Laserstrahl zwischen jedem Impuls in einer neuen Position indexiert. In idealer Weise ist die Zeitverzögerung Δ zwischen folgenden Impulsen ausreichend, um die Ultraschallaktivität abklingen zu lassen, damit es keine Überdeckung zwischen folgenden Tests gibt.
7 veranschaulicht, dass der Detektionslaserstrahl 121 auch ein flacher Impulsstrahl sein kann, wie in 7 gezeigt. Durch Verwendung eines Flachimpuls-Detektionslasers kann die Zeitverzögerung t_DELAY zwischen Detektionslaserstrahl 121 und Generierungslaserstrahl 111 verringert werden, weil ein flacher Impulslichtstrahl weniger Zeit erfordert, seine maximale Intensität zu erreichen.
8 veranschaulicht ein konfokales Fabry-Perot-Interferometer, das nur mit dem Eingangssignal stabilisiert wird. Die selbstreferenzierende Eigenschaft ist anders als mancher Aufbau des Standes der Technik, der einen Teil des Generierungslaserstrahles für die Ausgleichung verwendet. In 8 wird ankommendes Licht von einem Faseroptikeingang durch eine erste Linse 810 auf eine erste reflektierende Oberfläche 850, weg von einer zweiten reflektierenden Oberfläche 860, durch einen ersten polarisierten Strahlteiler 840, durch eine Viertelwellenlänge-Platte 870 und in einen ersten Hohlraum 895 geleitet. Der erste Hohlraum 895 hat eine konfokale Linsenstruktur, die einen ersten kugelförmigen Spiegel 875 und einen zweiten kugelförmigen Spiegel 885 aufweist. Wenn das ankommende Licht den ersten polarisierten Strahlteiler 840 durchquert, wird nur der horizontal polarisierte Bestandteil hindurchgelassen, wobei dieser Bestandteil kreisförmig polarisiert wird (p-Zustand), sobald er die Viertelwellenlänge-Platte 870 passiert.
Die konfokale Linsenstruktur ist so entworfen, dass das ankommende Licht nach vier Durchläufen durch den Hohlraum auf sich selbst fällt. Der erste kugelförmige Spiegel 875 und der zweite kugelförmige Spiegel 885 haben je den gleichen Krümmungsradius "r" und wenn die zwei Spiegel durch diesen Radius "r" voneinander beabstandet sind, werden die Spiegel als in einer konfokalen Position bezeichnet, und das Licht wird als "wieder eintretendes Licht" bezeichnet, weil es nach vier Durchläufen über die Spiegel auf sich selbst zurückfällt. Der erste kugelförmige Spiegel 875 und der zweite kugelförmige Spiegel 885 sind teilweise durchlässig, was bedeutet, dass sie Licht sowohl durchlassen als auch reflektieren. Beispielsweise können die besagten Spiegel zu 95% reflektierend sein und zu 57% durchlässig, wobei Absorption und Streuverluste vernachlässigt sind (d. h. 55% des Lichtes wird ermöglicht, den Spiegel zu durchqueren).
Ein Teil des ankommenden Lichtes wird durch den zweiten kugelförmigen Spiegel 885 durchgelassen. Eine dritte Linse 830 fokussiert das Licht, das durch den zweiten kugelförmigen Spiegel 885 zum Transmissionsmodus-Detektor 890 oder optional zu einer optischen Faser übertragen wird, die am Transmissionsmodus-Detektor 890 angebracht ist, wo es quantitativ als Variable V_T1 bestimmt werden kann. Der zweite kugelförmige Spiegel 885 reflektiert auch einen Teil des Lichtes zurück zum ersten kugelförmigen Spiegel 875, wo wieder ein Teil des Lichtes durch den kugelförmigen Spiegel 875 und durch die Viertelwellenlänge-Platte 870 geführt wird. Wenn das reflektierte Licht die Viertelwellenlänge-Platte 870 zum zweiten Mal durchquert, wird die Polarisation des Lichtes wieder geändert und in diesem Fall vertikal polarisiert (s-Zustand). Das vertikal polarisierte, reflektierte Licht wird dann durch den ersten polarisierten Strahlteiler 840 zurückgewiesen und zur zweiten Linse 820 reflektiert, die das reflektierte Licht zu einem Reflexionsmodus-Detektor 880 oder optional zu einer optischen Faser fokussiert, die am Reflexionsmodus-Detektor 880 angebracht ist, wo es quantitativ als Variable V_R1 bestimmt werden kann.
Es ist möglich, die Lichtmenge, die durch den Hohlraum übertragen wird, im Vergleich zu der Lichtmenge, die durch den Hohlraum zurückreflektiert wird, zu verändern, das heißt, V_T1 relativ zu V_R1 zu variieren. Ein Weg, dieses Verhältnis zu variieren, ist es, die Frequenz des ankommenden Lichtes zu ändern. Eine alternative Weise, das Verhältnis zu verändern, ist es, den Abstand zwischen dem ersten kugelförmigen Spiegel 875 und dem zweiten kugelförmigen Spiegel 885 zu justieren. In einem konfokalen Verhältnis ist dieser Abstand nominal der Krümmungsradius "r". Ein Weg, diesen Abstand zu verändern, ist es, mindestens einen der kugelförmigen Spiegel an justierbaren Einfassungen anzubringen. In 8 ist der erste kugelförmige Spiegel 875 an piezoelektrischen Einfassungen 876 angebracht, was die direkte Versetzung des ersten kugelförmigen Spiegels auf eine kontrollierte Weise mit einer piezoelektrischen Vorrichtung ermöglicht. Der Aufbau der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, den Abstand zwischen dem ersten kugelförmigen Spiegel 875 und dem zweiten kugelförmigen Spiegel 885 um einen zusätzlichen Betrag "n" zu vergrößern, was eine kleine, direkte Versetzung des ersten kugelförmigen Spiegels 875 unterhalb einer Wellenlänge mit der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt. So kann der Abstand zwischen den kugelförmigen Spiegeln durch die Formel r + n ausgedrückt werden. In 8 ist der zweite kugelförmige Spiegel 885 an manuellen Einfassungen 886 angebracht, um eine manuelle Justage zu ermöglichen. Manuelle Einfassungen 886 ermöglichen es, den Hohlraum während der Einstellung einer "groben" Justage zu justieren, um die korrekte konfokale Länge herzustellen, wo zum Beispiel die Länge r innerhalb 200 μm der gewünschten Länge für einen 1000-mm-Hohlraum sein muss. Diese Eigenschaft, wenn sie mit der Feinabstimmung durch die piezoelektrische Vorrichtung kombiniert wird, versieht die Erfindung mit bedeutender Flexibilität.
9 veranschaulicht ein konfokales Fabry-Perot-Interferometer mit zwei Hohlräumen, das wiederum nur mit dem Eingangslicht stabilisiert wird. Der erste Hohlraum 895 in dieser Konfiguration arbeitet auf dieselbe Weise wie der im Zusammenhang mit 8 beschriebene Hohlraum und folglich werden hier nur die Unterschiede beschrieben.
In 9 ankommendes Licht wird auf den ersten polarisierten Strahlteiler 840 gerichtet, wo das Licht in seinen horizontal polarisierten (p-Zustand) Bestandteil und in seinen vertikal polarisierten (s-Zustand) Bestandteil aufgeteilt wird. Eine Polarisation des Lichtes wird in den ersten Hohlraum 895 gerichtet, während die andere Polarisation in einen zweiten Hohlraum 995 verwiesen wird. Um mit 8 übereinzustimmen, wird der horizontale Bestandteil in den ersten Hohlraum 895 verwiesen, während der vertikale Bestandteil aufwärts reflektiert wird, wo er schließlich in den zweiten Hohlraum 995 umgeleitet wird. Das vertikal polarisierte Licht bewegt sich vom ersten polarisierten Strahlteiler 840 zu einem zweiten polarisierten Strahlteiler 940, wo das Licht durch eine Viertelwellenlänge-Platte 970 reflektiert wird. Das vertikal polarisierte Licht wird kreisförmig polarisiert, sobald es die Viertelwellenlänge-Platte 970 durchquert. Das Licht wird anschließend in den zweiten Hohlraum 995 gelenkt, wo wie im ersten Hohlraum 895 ein Teil des Lichtes durchgelassen wird, während ein Teil zurückreflektiert wird.
Wie im ersten Hohlraum haben der erste kugelförmige Spiegel 975 und der zweite kugelförmige Spiegel 985 je den gleichen Krümmungsradius "r" (was der gleiche Krümmungsradius wie im ersten Hohlraum 995 ist), so dass die zwei Spiegel bei Beabstandung voneinander durch diesen Radius "r" ankommendes Licht wieder auf sich selbst fokussieren, nachdem es vier Durchläufe durch die Hohlräume vollzogen hat (d. h. zwei Rundumläufe).
Das Licht, das den zweiten kugelförmigen Spiegel 985 passiert, wird durch eine dritte Linse 930 zu einem Transmissionsmodus-Detektor 990 oder optional zu optischen Fasern fokussiert, die am Transmissionsmodus-Detektor 990 angebracht sind, wo es als Variable V_T2 quantitativ bestimmt werden kann. Der zweite kugelförmige Spiegel 985 reflektiert auch einen Teil des Lichtes zurück zum ersten kugelförmigen Spiegel 975, wo wieder ein Teil des Lichtes den kugelförmigen Spiegel 975 und die Viertelwellenlänge-Platte 970 durchquert. Wenn das reflektierte Licht die Viertelwellenlänge-Platte 970 zum zweiten Mal passiert, wird die Polarisation des Lichtes wieder geändert und in diesem Fall horizontal polarisiert. Das horizontal polarisierte, reflektierte Licht durchläuft dann den polarisierten Strahlteiler 940 und wird durch eine zweite Linse 920 zu einem Reflexionsmodus-Detektor 980 oder optional zu optischen Fasern fokussiert, die am Reflexionsmodus-Detektor 980 angebracht sind, wo das reflektierte Licht als Variable V_R2 quantitativ bestimmt werden kann.
Es ist möglich, die Lichtmenge, die durch jeden der Hohlräume durchgelassen wird oder diese passiert, im Vergleich zu der Lichtmenge, die durch jeden der Hohlräume reflektiert wird, zu verändern, das heißt, V_T1 relativ zu V_R1 und V_T2 relativ zu V_R2 zu variieren. Ein Weg, diese Verhältnisse zu variieren, ist es, die Frequenz des ankommenden Lichtes zu ändern. Eine alternative Weise, das Verhältnis zu verändern, ist es, die Abstände zwischen den ersten kugelförmigen Spiegeln 875 und 975 beziehungsweise den zweiten kugelförmigen Spiegeln 885 und 985 zu justieren. In einem konfokalen Verhältnis ist jeder dieser Abstände nominal der Krümmungsradius "r". Ein Weg, diesen Abstand zu verändern, ist es, mindestens einen jedes Paars kugelförmiger Spiegel an justierbaren Einfassungen anzubringen. In 9 ist jeweils der erste kugelförmige Spiegel 875 und 975 an piezoelektrischen Einfassungen 876 bzw. 976 angebracht, was eine direkte Versetzung der ersten kugelförmigen Spiegel 875, 975 unterhalb einer Wellenlänge auf kontrollierte Weise mit piezoelektrischen Vorrichtungen ermöglicht. Der Aufbau der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, die Abstände zwischen ersten kugelförmigen Spiegeln 875, 975 beziehungsweise zweiten kugelförmigen Spiegeln 885, 985 um zusätzliche Beträge "ε₁" und "ε₂" zu erhöhen, die die direkten Versetzungen von jedem der ersten kugelförmigen Spiegel 875, 975 mit piezoelektrischen Mitteln darstellen. So können die Abstände zwischen den kugelförmigen Spiegeln innerhalb jedes Hohlraums durch die Formeln r + ε₁ und r + ε₂ ausgedrückt werden. In 9 ist jeder der zweiten kugelförmigen Spiegel 885, 985 an manuellen Einfassungen 886 bzw. 986 angebracht, um eine manuelle Justage zu ermöglichen. Die manuellen Einfassungen 886, 986 ermöglichen es, den Hohlraum während der Einstellung einer "groben" Justage bis auf wenige hundert Mikrometer genau auf die zutreffende konfokale Länge zu justieren, was die Erfindung bei Kombination mit der Feineinstellung durch die piezoelektrischen Mittel mit bedeutender Flexibilität versieht.
10 zeigt das Verhältnis zwischen der von einem konfokalen Hohlraum durchgelassenen Lichtmenge ("V_T"), der durch den Hohlraum zurückreflektierten Lichtmenge ("V_R") und der Feinabstimmung, dargestellt durch ε. Die normalisierte Intensität des übertragenen und reflektierten Lichtes kann in Gleichungsform beschrieben werden, indem man zuerst zwei allgemeine komplexe (d. h. Imaginärausdrücke enthaltende) Funktionen definiert, wie folgt:
γ(x) = 1 – Rβ(x)e–ix wobei R das Spiegelreflexionsvermögen und T die Spiegeldurchlässigkeit ist, die üblicherweise durch T = 1 – R angegeben ist, wenn Absorption und Streueffekte ignoriert werden. Jetzt kann die Intensität des Lichtes wie folgt geschrieben werden:
wobei Epsilon die Änderung der Hohlraumlänge von der konfokalen Länge r und Lambda die Laser-Wellenlänge ist, wobei die Magnitudenoperationen der komplexen Funktion als Resultate reale Ausdrücke bilden. Diese zwei Gleichungen ergeben 10, wobei die Kurve 1020 des reflektierten Lichtes den Anteil am Gesamtlicht darstellt, das durch den Hohlraum zurückreflektiert wird (normalisierte Reflexion = V_R/(V_R+V_T)), wobei der Wert immer zwischen 0,5 und 1,0 liegt. Die Kurve 1080 des durchgelassenen Lichtes stellt den Anteil am Gesamtlicht dar, das den Hohlraum passiert (normalisierte Transmission = V_T/(V_R+V_T)), wobei der Wert immer zwischen 0,0 und 0,5 liegt. Die Summe von V_R und von V_T stellt den Gesamtbetrag an Licht dar, das den Hohlraum erreicht. Die Kurve 1020 des reflektierten Lichtes und die Kurve 1080 des durchgelassenen Lichtes sind jeweils als Funktion von ε/S aufgetragen, und V_R und V_T sind jeweils gleich, wenn ε/S gleich 0, 0,25 und 0,5 ist, oder allgemeiner ausgedrückt, wenn ε/S = n/4, wobei n eine ganze Zahl ist. So ist es offensichtlich, dass die piezoelektrischen Spiegeleinfassungen 876 und 976 sich um ein Minimum von λ/4 verschieben müssen, um eine ausreichende Abstimmstrecke zur Verfügung zu stellen.
Während 10 für V_R und V_T aufgetragen ist (selbstverständlich normalisiert in Bezug auf die Gesamtmenge an Licht), gilt ein ähnliches Verhältnis für die Variablen V_R1, V_T1 V_R2 und V_T2, die in Zusammenhang mit 8 und 9 besprochen wurden. Während ε₁ und ε₂ in den zwei konfokalen Hohlraum-Auslegungen im Allgemeinen unabhängig voneinander sind, werden ε₁ und ε₂ im Allgemeinen so justiert, dass sie in jedem der Hohlräume die gleichen Verhältnisse zwischen reflektiertem und übertragenem Licht beibehalten. Zum Beispiel können die Hohlräume auf einer Impuls-zu-Impuls-Basis justiert werden, um das folgende Verhältnis beizubehalten:
wobei die Konstante η eine reale Zahl zwischen 0,0 und 0,5 ist. Durch Festlegung des Verhältnisses zwischen dem reflektierten Licht und dem übertragenen Licht in jedem Hohlraum in den zwei Hohlraumauslegungen kann das ankommende Licht quantitativ verarbeitet werden, indem das bekannte Verhältnis zwischen den Signalen jedes Hohlraums verwendet wird. Ein typischer Arbeitspunkt wäre bei η = 0,25, wodurch 25% des Lichtes durch das Interferometer durchgelassen und 75% reflektiert würden und ein Arbeitspunkt in der Mitte entlang jeder Resonanzkurve dargestellt würde. Aus 10 ist offensichtlich, dass das oben genannte Verhältnis für zwei eindeutige Fälle erfüllt werden kann: entweder unterhalb der Resonanzspitze oder über ihr, wodurch die Polarität der ermittelten Signale geändert wird.
Die vorliegende Auslegung ermöglicht, dass das Interferometer selbst-stabilisiert ist, wobei ausschließlich das Licht verwendet wird, das an das Interferometer geliefert wird. Schwankungen der Intensität des ankommenden Lichtes, die gewöhnlich mit jeder minuziösen Änderung der Positionierung der geprüften Oberfläche verbunden sind, haben wenig oder keine Auswirkung auf die Funktionalität des Interferometers, weil die Signale auf den Prozentsätzen des reflektierten oder durchgelassenen Lichtes in Bezug auf die Gesamtmenge von Licht basieren und folglich in Wirklichkeit für die Intensität des ankommenden Lichtes normalisiert werden. Es kann möglicherweise nicht notwendig sein, die Abstimmungsposition des Hohlraums auf jedem Laserimpuls abhängig von der Driftrate des Lasers und der thermischen Stabilität des Interferometers zu justieren. Zum Beispiel könnten, abhängig von der Umgebung und Auslegung, bei jedem zehnten Impuls oder sogar weniger häufig 400-Hz-Pulsratenanpassungen vorgenommen werden. Die vorliegende Erfindung verwendet auch Algorithmen, die auf absoluter Lichtintensität basieren, um die Einstellvorgänge zu verschieben, wenn der Lichtpegel zu niedrig ist, wodurch fehlerhafte Justagen verhindert werden, wenn die Laserstrahlen weg vom Ziel sind und das Abstimmen unmöglich ist. Wenn der Betrieb in Verbindung mit gepulsten Detektionslasern erfolgt, ist es typisch, dass irgendeine Form eines Spitzenabfragungs-Schaltkreises eingesetzt wird, um die Peakwerte konstant zu halten, während ein langsamer Analog-Digitalkonverter die zwei oder vier Datenkanäle abtastet. Die Antriebspannung zu jeder der piezoelektrischen Spiegeleinfassungen 876 und 976 wird justiert, um jede mögliche Störung zu kompensieren, die auf dem vorhergehenden Impuls basiert. Das Zurückstellen der Spitzendetektoren tritt vor dem folgenden Impuls auf. Ein elektro-optischer Intensitätscontroller (nicht gezeigt) wird gewöhnlich benutzt, um das maximale Lichtniveau zu begrenzen, das zur Linse 810 und nachher zu den Detektoren 880, 890, 980 und 990 geschickt wird, um dadurch eine Beschädigung der Detektoren oder der Signalelektronik zu verhindern. Die Informationen, die verwendet werden, um das Lichtniveau zu steuern, werden von den gleichen Daten extrahiert, die verwendet werden, um das Interferometer zu stabilisieren. Wieder wird die passende Spannung für den folgenden Impuls basierend auf den Resultaten des vorherigen Impulses angelegt.
In der vorliegenden Erfindung mit einer Auslegung mit zwei Hohlräumen wird im Wesentlichen alles ankommende Licht sowohl für die Stabilisierung als auch die Detektion verwendet. Zusätzlich ermöglicht der zweite Hohlraum einen zweiten Signalsatz, der benutzt werden kann, um die Signalstärke zu verbessern.
Das Ausgangssignal von einem Interferometer in Zusammenhang mit der Detektion von Ultraschall-Oberflächenversetzungen, wo die Versetzung u « Lambda ist, kann mit der folgenden Gleichung dargestellt werden: s(t) = u(t)·r(t) + a(t)·r'(t) + n(t),wobei "s" das gesamte Signal darstellt, das durch das Interferometer produziert wird; "k" ist der Wellenvektor, definiert als
"u" stellt die gemessenen Ultraschall-Oberflächenversetzungen dar, (d. h. das gewünschte Signal); "r-prime" stellt die Resonanzfunktion des Interferometers dar; "a" stellt das Laserrauschen dar (z. B. Amplitudenfluktuation); "r" stellt die Resonanzfunktion des Interferometers zum Laserrauschen dar, die zur Resonanz auf ein Eingangssignal unterschiedlich sein kann; und "n" stellt das Rauschen im Detektionsprozess dar (z. B. Schrotrauschen, elektronisches thermisches Rauschen usw.).
Die komplexen Resonanzfunktionen eines konfokalen Fabry-Perot-Interferometers zu einem Ultraschallsignal mit einer Frequenz ω_u = 2πƒ_u oder Amplituden-Rauschfluktuation ω_n = 2πƒ_n kann mit den folgenden Gleichungen definiert werden:
wobei die gleichen Substitutionen für die vorher definierten Beta- und Gamma-Funktionen benutzt worden sind, um die Gleichungen zu vereinfachen. In den oben genannten Gleichungen ist τ = 4r_mirror/c die Hohlraumumlauf-Verzögerung für Spiegel mit dem Radius "r_mirror" und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Schließlich wird die Raumabstimmposition definiert durch:
wobei η die lineare Abstimmposition zwischen 0 und 0,5 ist, wie vorher eingeführt, wobei 0,25 eine Position in der Mitte entlang der Resonanzkurve darstellt.
Wenn ein Signal sowohl für die reflektierten als auch die durchgelassenen Bestandteile eines konfokalen Hohlraums erzeugt wird, können die zwei Signale dargestellt werden, wie folgt: S1(t) = U1(t)·r1(t) + a1(t)·r1'(t) + n1(t) S2(t) = U2(t)·r2(t) + a2(t)·r2'(t) + n2(t) wobei z. B. S₁ das Licht darstellt, das durch den Hohlraum hindurch übertragen worden ist und S₂ das Licht darstellt, das durch den Hohlraum hindurch zurückreflektiert worden ist.
Da das Eingangssignal bei jeder Formel gleich ist, folgt U₁ = U₂ und a₁ = a₂. Diese Verhältnisse sind zutreffend, weil die Ultraschall-Oberflächenversetzungen und das Laserrauschen unabhängig von den Reflexions- und Durchlassmoden sind. Folglich können die zwei Gleichungen umgeschrieben werden, wie folgt: S1(t) = U(t)·r1(t) + a(t)·r1'(t) + n1(t) S2(t) = U(t)·r2(t) + a(t)·r2'(t) + n2(t)In idealer Weise haben die zwei Moden des Hohlraums die gleichen Resonanzfunktionen in Bezug auf das Signal "u", aber die Antworten sind Negative voneinander, weil die Durchlass- und Reflexionsmoden entgegengesetzte Resonanzsteigungen haben. Daraus folgt r₁ + r₂ = 0. Idealerweise ist in Bezug auf das Laserrauschen r₁' = r₂'. Jede Resonanzfunktion muss hinsichtlich der Abstimmposition des Interferometers normalisiert werden und wird implizit berichtigt, um eine ausgeglichene Resonanz zwischen den zwei Moden anzuzeigen. Wenn zum Beispiel die Durchlass-Abstimmposition bei 25% ist, dann liegt die Reflexion bei 75% und ein 3x-Korrekturfaktor der Normalisierung wird verwendet. Und wenn die Signale zur Bildung eines Differentials benutzt werden, ergibt sich das folgende Verhältnis (unter Vernachlässigung der Zeitdarstellung): S2(t) = U(t)·r2(t) – a(t)·r2'(t) – a(t)·r1'(t) + n2(t) – n1(t)
Unter Vernachlässigung des Zeitaspekts zur Vereinfachung der Darstellung und mit Vornehmen der Substitutionen ergibt sich: S2 – S1 = u·r2 – u·r1 + a·r2' – a·r1'+ n2 – n1 = u·r1 – u·r1 + a·r1' – a·r1' + n2 – n1 = –2u·r1 + n2 – n1
Folglich kann durch das Verwenden eines differentialen Signalisierungsschemas das Gleichtakt-Laserrauschen beseitigt werden. Selbst wenn die angegebenen Bedingungen bezüglich {r₁, r₂} und {r₁', r₂'} nicht perfekt getroffen werden, hat das differentiale Signalisierungsschema den Effekt, im Wesentlichen alles Gleichtaktrauschen "a(t)" zu entfernen.
Wenn n₂ ferner nicht mit n₁ korreliert ist, dann werden sich die zwei Störfluktuationen inkohärent addieren, und wenn die Größen der zwei im Wesentlichen ähnlich sind, |n₁| = |n₂| = |n| erhält man: S2 – S1 = 2(2k)u·r2 + √2n
Dieses ist das gleiche Resultat, zu dem man gelangen würde, wenn das Verfahren der Mittelwertbildung von zwei Signalen mit unverbundenen Rauschbezeichnungen gleicher Größen in Betracht gezogen wird, wobei das Rauschen um die Quadratwurzel der Zahl von Durchschnittswerten zunimmt und das Signal sich in einer linearen Weise um das 1,4-fache erhöhen würde, zusätzlich zum Abbau des Gleichtakt-Laserrauschens. Jedes Paar Signale für die zwei Hohlräume wird in einer im Wesentlichen ähnlichen Weise verarbeitet, um Gleichtakt-Rauschen zu entfernen, und dann können die zwei restlichen Signale weiter kombiniert werden, was eine weitere 1,4-fache SNR-Zunahme erbringt.
Gewöhnlich stammt die beherrschende Rauschquelle von Laser-Relaxationsschwingungen in Festkörperlasern und ist durch das "relative Intensitätsrauschen" oder "RIN" des Detektionslasers gekennzeichnet. Die Verkleinerung oder Beseitigung von Laser-RIN ist für eine hohe SNR-Leistung wesentlich. In Systemen, die nachgeschaltete optische Verstärkungsschemata verwenden, kann sich Überlagerungsmischrauschen vom Signal und verstärkte spontane Emission ("ASE") auch als eine Gleichtakt-Rauschquelle zeigen. Wieder kann der Gebrauch des selbstreferenzierenden, differentialen konfokalen Fabry-Perot-Interferometers verwendet werden, um solche Rauschzustände zu minimieren oder zu beseitigen.
11 zeigt die bedeutende SNR-Verbesserung. In 11 veranschaulicht die graphische SNR-Darstellung 1120 die verbundenen Begrenzungen, wenn vom Gleichtakt-Laser produziertes Rauschen "RIN" nicht entfernt wird. Im Allgemeinen, wenn sehr wenig Licht an das Interferometer geliefert wird, dominiert thermisches Rauschen und begrenzt folglich das SNR, wobei die Beschränkung durch den unteren Teil des Einzelhohlraum-SNR-Plots 1120 veranschaulicht wird. Während das Licht, das an das Interferometer geliefert wird, erhöht wird, kippt die SNR-Zunahme um und wird zum Laserrauschen, das aufgrund von "RIN"-Effekten begrenzt ist, wobei diese Beschränkung durch den oberen Teil des Einzelhohlraum-SNR-Plots 1120 veranschaulicht wird. Folglich kann das SNR in einem typischen konfokalen Hohlraum-Interferometer mit Einzelmodus-Betrieb bestenfalls 75 dB sein. Außerdem werden über ungefähr 1 Milliwatt weitere Zunahmen der an das Interferometer gelieferten Lichtmenge vergeudet, weil das Laserrauschen vorherrscht.
11 veranschaulicht auch einen Differential-SNR-Plot 1160, der als Funktion der optischen Energie aufgetragen ist. Während das Licht, das an das Interferometer geliefert wird, erhöht wird, nimmt der Differential-SNR-Plot 1160 im Allgemeinen zu und wird nur durch die Schrotrauschengrenze 1140 begrenzt (d. h. das interne, mit den Detektoren verbundene Rauschen). Schrotrauschen 1140 erscheint als lineare Funktion auf der logarithmischen Skala von 11. Wie der Differential-SNR-Plot 1160 zeigt, ergibt die Fähigkeit, das Gleichtakt-Laserrauschen zu verringern, eine bedeutende SNR-Zunahme in der Größenordnung von 30 dB. Wenn man außerdem die Lichtmenge erhöht, die an das Interferometer geliefert wird, kann das SNR erheblich verbessert werden.
12A und 12B stellen eine Signalresonanzanalyse für das reflektierte Signal, das übertragene Signal und eine Kombination der zwei dar. 12A ist eine graphische Darstellung des SNR dieser Signale als Funktion der Frequenz, während 12B die relativen Phasendiagramme für jeweils das reflektierte Signal und das übertragene Signal darstellt, wiederum als Funktion der Frequenz. Diese Signale hängen mit r₁(t) und r₂(t) zusammen, wie oben besprochen. Diese Plots wurden unter Verwendung eines konfokalen Hohlraums erzeugt, der kugelförmige Spiegel hat, die zu 95% reflektierend und einen (1,0) Meter beabstandet sind. 12A zeigt, dass das SNR des kombinierten reflektierten und übertragenen Signals im Allgemeinen höher ist als jeder Bestandteil alleine. 12B veranschaulicht, dass sich über dem Frequenzbereich auf der Abszisse die Phasendifferenz zwischen dem übertragenen Signal und dem reflektierten Signal allmählich von ungefähr 180 Grad (d. h. vollständig aus der Phase) ändert und sich auf ungefähr 90 Grad ausgleicht. Unterschiede bezüglich der Phase müssen in Betracht gezogen werden, wenn die übertragenen und reflektierten Signale von den Hohlräumen kombiniert werden. Dies zeigt das erwartete Resultat, wo bei Niederfrequenz die Signalresonanz der Gleichstrom-Resonanzkurve in 10 folgt, die offenbar eine 180-Grad-Phasenverschiebung zwischen den zwei Moden darstellen würde. Die Hochfrequenz-Resonanz ist ein wenig komplizierter, ist aber eine bekannte Funktion, wie vorher definiert, und kann von den gemessenen Signalen zur optimalen Verarbeitung der Resultate abgeleitet werden.
13A und 13B stellen eine Rauschresonanzanalyse für die Resonanz des Interferometers auf Laserrauschen dar. 13A ist eine Plotdarstellung der Größe der reflektierten Rauschresonanz und der übertragenen Rauschresonanz als Funktion der Frequenz, während 13B die relativen Phasendiagramme für das reflektierte Rauschen und transmittierte Rauschen darstellt, wieder als Funktion der Frequenz. Diese Plots wurden unter Verwendung eines konfokalen Hohlraums erzeugt, der kugelförmige Spiegel hat, die zu 95% reflektierend sind und einen (1,0) Meter auseinanderliegen. 13A zeigt, dass bei den meisten Frequenzen mehr Rauschen durch den Hohlraum reflektiert als übertragen wird. 13B veranschaulicht, dass sich die Phasendifferenz über dem Frequenzbereich auf der Abszisse zwischen dem übertragenen Rauschen und dem reflektierten Rauschen stufenweise von ungefähr 0 Grad (d. h. vollständig in Phase) ändert und auf ungefähr 90 Grad ausgleicht. Unterschiede bezüglich der Phase müssen betrachtet werden, wenn man diese Ausgänge von den Hohlräumen kombiniert.
14A stellt eine veränderte Signalanalyse dar, worin die übertragenen und reflektierten Bestandteile verändert worden sind, um eine Beseitigung des Rauschens zu ermöglichen, wenn die zwei Bestandteile subtrahiert werden. 14B veranschaulicht, dass über die meisten Frequenzen die Phasendifferenz zwischen dem modifizierten übertragenen Signal und dem reflektierten Signal verhältnismäßig konstant bei ungefähr 180 Grad bleibt (d. h. vollständig außer Phase). Dieses erlaubt, dass die zwei Komponenten für optimale Rauschverminderung unter Beibehaltung eines bedeutenden Signalpegels subtrahiert werden. Diese Plots zeigen, dass Umwandeln der Daten für maximale Rauschunterdrückung den zusätzlichen Nutzen hat, dass das Signal auch verbessert wird.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die zwei konfokalen Fabry-Perot-Hohlräume vollkommen selbstreferenzierend mit dem Licht stabilisiert werden, das auf den Signaldetektoren vorhanden ist, so dass das entsprechende Paar von übertragenen und reflektierten Intensitäten umgekehrte Resonanzen auf Signale darstellt und dennoch zum Amplitudenrauschen in Phase bleibt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil des Entfernens von Gleichtaktrauschen ohne detaillierte Kenntnis der Signal- oder Rauschresonanzfunktionen aufgrund der im Wesentlichen zusammengebrachten Resonanzen zwischen der Reflexion und der Transmission für jeden Hohlraum. Wiederum kann das resultierende SNR-verbesserte Signalpaar mit den passenden Korrekturen zum optimalen Kombinieren der bearbeiteten, reflektierten und übertragenen Signale zu einem Signal kombiniert werden.
In einer Ausführungsform des Interferometers der gegenwärtigen Vorrichtung werden die Detektoren und der elektronische Schaltkreis, die benutzt werden, um die Hohlräume zu überwachen und zu justieren, in das Interferometer integriert. Wenn die Detektoren in das Interferometer integriert werden, gibt es ein Potential für das Auftreten von Rauschen, weil die Grundfläche für den Detektorschaltkreis getrennt von der Grundfläche für das Datenerfassungsgerät ist, und obwohl die zwei Flächen verbunden werden können, kann der Abstand zwischen ihnen die Einleitung von unerwünschtem Rauschen zulassen.
15 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Interferometers, die rein optisch ist, wobei die Detektoren und der Steuerschaltkreis extern sind und eine Grundfläche mit dem Datenerfassungsapparat teilen. In 15 wird das phasenmodulierte Licht vom Ziel gesammelt und über Faseroptik in die elektro-optische Anordnung 1500 eingegeben, die einen optischen Verstärker 1510, ein optisches Interferometer 1520 und Steuerelektronik 1580 enthält. Das optische Interferometer 1520 ist durch einen optischen Eingang und eine Vielzahl optischer Ausgänge gekennzeichnet, obwohl in 15 zur Einfachheit der Darstellung nur einer gezeigt ist.
Der Ausgang vom optischen Interferometer 1520 wird in eine Vielzahl von Detektoren 1540 eingegeben, die den optischen Eingang in analoge Signalgebung umwandeln. Die analoge Signalgebung wird durch den Analogsignal-Conditioner 1550 bearbeitet und dann eingefangen und durch eine digitale Signalaufbereitungseinheit 1560 ("DSP") verarbeitet. Die DSP-Einheit 1560 vergleicht V_R1 relativ zu V_r1 + V_T1 und V_R2 im Verhältnis zu V_R2 + V_T2 und stellt fest, ob Justagen in den Hohlräumen des optischen Interferometers 1520 erforderlich sind, um die gewünschten Verhältnisse beizubehalten, wie vorstehend diskutiert. Wenn Justagen erforderlich sind, dann kann ein digitaler Ausgang von der DSP-Einheit 1560 durch eine D/A-Einheit 1570 in einen analogen umgewandelt und zu einer elektronischen Steuereinheit 1580 gesendet werden, die beispielsweise durch Justieren der piezoelektrischen Vorrichtungen innerhalb des Interferometers die angemessenen Justagen an dem optischen Interferometer 1520 vornimmt.
Der optische Verstärker 1510 arbeitet auf einer Impuls-für-Impuls-Basis, und von daher wird im Betrieb ein Triggersignal verwendet. Das Triggersignal kann z. B. indirekt durch eine Leistungsquelle 1590 bereitgestellt werden, oder es kann direkt an den optischen Verstärker 1510 bereitgestellt werden. Die Elektronik verarbeitet das optische Signal in einer Art Echtzeit, um die Lichtmenge zu bestimmen, die an das Interferometer geliefert wurde. Wenn das Interferometer gesättigt ist, dann wird die Verstärkung innerhalb des optischen Verstärkers 1510 heruntergefahren und das Interferometer so eingestellt, dass es in einem optimaleren Bereich arbeitet. Wenn das Interferometer unterhalb einer optimalen Lichtstärke arbeitet, dann wird die Verstärkung innerhalb des optischen Verstärkers 1510 hinaufgefahren und das Interferometer wieder so eingestellt, dass es in einem optimaleren Bereich arbeitet. Wie in 11 vorher veranschaulicht, kann das SNR in der vorliegenden Auslegung durch die Erhöhung des an das Interferometer gelieferten Lichtes verbessert werden. Die Erhöhung des SNR ist normalerweise wünschenswert. Weil außerdem das Stabilisierungsschema des Interferometers unabhängig von der Lichtintensität ist, hat das Verändern der optischen Verstärkung wenig oder keinen Effekt auf das Stabilisierungsverfahren des Interferometers.
16 veranschaulicht ein elektrisches Diagramm für einen verbesserten Detektor. Der Detektor muss zwei ganz unterschiedliche Eingänge unterbringen: 1) den großen Detektionsimpuls; und 2) die kleinen Modulationen, die auf dem besagten Impuls reiten und Informationen über die Ultraschall-Oberflächenversetzungen enthalten. Der große Detektionsimpuls muss in ein Gleichstromsignal umgewandelt werden, damit das Interferometer stabilisiert werden kann, während die kleinen Modulationen zur Demodulation getrennt werden müssen. Der verbesserte Detektor von 16 beherbergt diese zwei unterschiedlichen Signale durch den Gebrauch einer "T-Rückkoppelungs"-Schleife mit einem einzigen Stromkreis, wobei "T" durch Widerstände R1, R2 und R3 gebildet wird. Dieser Stromkreis liefert einen niedrigen Amplitudengang zum großen Impuls und einen hohen Amplitudengang zu den Modulationen.
17 veranschaulicht den Frequenzgang der T-Rückkoppelungsschleife.
Obwohl andere Stromkreise als die durch 16 veranschaulichten benutzt werden können, um diese Notwendigkeiten zu erfüllen, ist der Stromkreis in 16 eine Einzel-Stromkreislösung des Problems.

Claims

Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen, zum Messen von Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf einer Oberfläche eines entfernten Ziels, umfassend: – einen Detektionslaser (220) zum Generieren eines Impulslaserstrahls zum Detektieren der Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf der Oberfläche des entfernten Ziels (150); – eine Sammeloptik zum Sammeln von phasenmoduliertem Licht von dem Impulslaserstrahl, das von dem entfernten Ziel (150) entweder reflektiert oder gestreut wurde; – ein Interferometer (230) zum Verarbeiten des von der Sammeloptik gesammelten phasenmodulierten Lichtes; wobei das Interferometer umfasst: – einen ersten Hohlraum (895) mit einer ersten konfokalen Linsenstruktur; – einen zweiten Hohlraum (995) mit einer zweiten konfokalen Linsenstruktur; – eine Vorrichtung zum Aufteilen von ankommendem depolarisiertem Licht in einen ersten polarisierten Lichtbestandteil und einen zweiten polarisierten Lichtbestandteil, wobei die Vorrichtung den ersten und den zweiten polarisierten Lichtbestandteil auch in den ersten und den zweiten Hohlraum lenkt; – ein Steuersystem (260) zum Einstellen des ersten und des zweiten Hohlraums (895, 995) derart, dass ein Verhältnis der Intensität von durch jeden Hohlraum hindurch übertragenem Licht zur Intensität von durch jeden Hohlraum hindurch zurückreflektiertem Licht im Wesentlichen konstant bleibt; und – einen Prozessor zum Verarbeiten des durch den ersten Hohlraum hindurch übertragenen Lichtes, des durch den ersten Hohlraum hindurch zurückreflektierten Lichtes, des durch den zweiten Hohlraum hindurch übertragenen Lichtes und des durch den zweiten Hohlraum hindurch zurückreflektierten Lichtes der Reihe nach, um Daten zu erhalten, die repräsentativ für die Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf der Oberfläche des entfernten Ziels (150) sind.
Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Intensitätssteuereinheit, welche die Intensität des Impulslaserstrahls im Verhältnis zur Intensität des von der Sammeloptik gesammelten phasenmodulierten Lichtes auf einer Impuls-für-Impuls-Basis einstellt.
Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Positioniervorrichtung zum Bewegen des Detektionslasers (220) über die Oberfläche des entfernten Ziels (150) und dann Aufzeichnen und Indizieren der von der Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen erfassten Daten.
Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen nach Anspruch 1, wobei die Positioniervorrichtung eine Gerüst-Positioniervorrichtung ist.
Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Generierungslaser (111) zum Generieren eines Impulslaserstrahls zum Detektieren-Generieren der Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf der Oberfläche des entfernten Ziels (150).
Inspektionsvorrichtung für großflächige Zusammensetzungen nach Anspruch 1, wobei der Generierungslaser (111) und der Detektionslaser (220) Laserstrahlen koaxial an die Oberfläche des entfernten Ziels (150) anlegen.
Verfahren zum Generieren und Detektieren von Ultraschall-Oberflächenversetzungen in einem entfernten Ziel, umfassend die Schritte: – Generieren von Ultraschall-Oberflächenversetzungen in dem entfernten Ziel (150); – Richten eines Impulslaserstrahls (121) zum Detektieren der Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf der Oberfläche des entfernten Ziels (150); – Sammeln von Licht von dem Impulslaserstrahl, das von dem entfernten Ziel (150) entweder reflektiert oder gestreut wurde; – Verarbeiten des von dem entfernten Ziel ausgehenden gesammelten Lichtes unter Verwendung eines Interferometers (230), wobei das Interferometer umfasst: – einen ersten Hohlraum mit einer ersten konfokalen Linsenstruktur; – einen zweiten Hohlraum mit einer zweiten konfokalen Linsenstruktur; – eine Vorrichtung zum Aufteilen von ankommendem depolarisiertem Licht in einen ersten polarisierten Lichtbestandteil und einen zweiten polarisierten Lichtbestandteil, wobei die Vorrichtung den ersten und den zweiten polarisierten Lichtbestandteil auch in den ersten und den zweiten Hohlraum lenkt; – ein Steuersystem zum Einstellen des ersten und des zweiten Hohlraums (895, 995) derart, dass ein Verhältnis der Intensität von durch jeden Hohlraum hindurch übertragenem Licht zur Intensität von durch jeden Hohlraum hindurch zurückreflektiertem Licht im Wesentlichen konstant bleibt; und – eine Vielzahl von Detektoren zum Detektieren des durch den ersten Hohlraum hindurch übertragenen Lichtes, des durch den ersten Hohlraum hindurch zurückreflektierten Lichtes, des durch den zweiten Hohlraum hindurch übertragenen Lichtes und des durch den zweiten Hohlraum hindurch zurückreflektierten Lichtes der Reihe nach, um Daten zu erhalten, die repräsentativ für die Ultraschall-Oberflächenversetzungen auf der Oberfläche des entfernten Ziels (150) sind.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den Schritt Einstellen der Intensität des Impulslaserstrahls im Verhältnis zur Intensität des von dem entfernten Ziel (150) ausgehenden gesammelten Lichtes auf einer Impuls-für-Impuls-Basis.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den Schritt Indizieren des Detektionslasers (320) über eine Oberfläche des entfernten Ziels (150) und dann Aufzeichnen der Daten auf einer Punkt-für-Punkt-Basis.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt Generieren von Ultraschall-Oberflächenversetzungen in dem entfernten Ziel (150) durch einen Generierungslaserstrahl bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Impulslaserstrahl (121) und ein Strahl des Generierungslasers (111) koaxial an die Oberfläche des entfernten Ziels (150) angelegt werden.