SE524550C2 - Sätt och apparat för att alstra och detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett avlägset mål samt interferometrisk apparat - Google Patents

Description

524 550 . . . . -~ US-Patent nr Titel Utgivningsdatum 5 608 166 Alstrande och detektering av ultraljud med lasrar med lång puls 4 mars 1997 4 966 459 Optisk bredbanksdetektering av transient rörelse från en spridande yta 30 oktober 1990 5131748 Optisk bredbanksdetektering av transient rörelse från en spridande yta medelst tvåvågsblandning i en fotorefraktiv kristall 21 jun 1992 5 402 235 Avbildning av ultraljud-ytörelse medelst optiskt multiplexering 29 mars 1995 4633 715 Laserheterodyn-interferometrisk metod och anordning fór mätning av ultraljudfórskjutriirxgar 6januari 1987 5 080 491 Optiskt laserultraljud-detektering användande två interferometer- anordningar 14januari 1992 5137361 Optisk detektering av en ytrörelse av ett objekt användande en stabiliserad interferometrisk kavitet 11 augusti 1992 4 426155 Sätt och anordning för mätning av interferometrisk våglängd hos frekvensavstärnda C.W.-lasrar l7januari 1984 5 608 166 Alstrande och detektering av ultraljud med långpulslasrar 4 mars 1997 4 820 981 Sätt och anordning för att mäta magnetiska förluster i ferro- magnetiska material baserat på temperaturmodulationsmätningar 11 apfii 1989 4 659 224 Optisk interferometrisk mottagning av ultraljudenergi 21 april 1987 4 607 341 Anordning för bestämning av egenskaper hos material från en mätning av ultraljudabsorption 19 augusti 1986 1 lOO50900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . . - .. 524 550 3 Fastän dessa patent beskriver driftsdugliga tekniker för att optiskt detektera transient rörelse från en spridande yta, vilka tekniker är användbara för icke-destruktiv test och utvärdering av sammansatta material med ultraljud har dessa tekniker flera svagheter.

Till att börja med ger ingen av teknikerna från Monchalin och andra som är kända förmågan att utföra optiska avsökningsmetoder, med höga signal-till-brus-förhållanden (SNR) på stora avstånd från i typiska fall mycket mörka sammansatta material, användande hög hastighet och liten apertur. Förmågan att verka i ett sådant tillstånd har den distinkta fördelen med att öka det optiska avsökningsornrådets täckning och ger väsentligen förbättrat fåltdjup för att därigenom eliminera behovet av aktiva fokuserande mekanismer.

Andra kända tekniker har inte det önskvärda särdraget att ta bort CM-brus från lasersignalema användande en helt självrefererad interferometrisk konfiguration som använder hela det tillgängliga ljuset utan användning av separata stabiliseringsmätningar.

En annan begränsning associerad med Monchalins anordningar och andra kända anordningar relaterar till deras oförmåga att verka vid mycket höga avsökningshastigheter och behandla utraljud-data i realtid. Denna begränsning gör sådana anordningar endast mariginellt användbara för testning och utvärdering av sammansatta material.

Andra begränsningar associerade med existerande anordningar relaterar till allmän inflexibilitet hos sådana anordningar, vilken kan hålla alla avstånd låga, resultera i små fältdjup och endast minimalt inforrnationsutdrag från de tillbakaspridda signalerna. Dessa begränsningar gör industriell tillämplighet av ultraljudtestmetoden allmänt opraktisk.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning tillhandahåller en anordning och ett sätt att alstra och detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett avlägset mål som väsentligen eliminerar eller reducerar olägenhetema och problemen associerade med tidigare framställda laserultraljudsystem och -sätt.

Specifikt tillhandahåller föreliggande uppfinning ett sätt och ett system för att alstra och detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett avlägset mål. Systemet innefattar en första pulsad laser för att alstra ett första pulsat laserknippe. Det första pulsade laserknippet producerar ultraljud-ytförskjutningar på en yta av det avlägsna målet. En andra pulsad laser alstrar ett andra pulsat laserknippe koaxialt med närrmda första pulsade laserknippe för att detektera ultraljud-ytförskjutningarna på ytan av det avlägsna målet. Samlingsoptik finns för att samla fasmodulerat ljus från det andra pulsade laserknippet som antingen är reflekterat eller spritt av det avlägsna målet och valfritt optiskt bearbetat för att öka ljusintensiteten. En interferometer ñnns för att bearbeta det fasmodulerade ljuset och alstra åtminstone en ll0050900/KR.ASH 10 15 20 25 30 524 550 4 utmatningssignal. En processor för att behandla åtminstone en utmatningssignal erhåller data representativa för ultraljud-ytförskj utningarna på ytan av det avlägsna målet.

I en annan utföringsform omfattar ett sätt för ultraljudlasertestning enligt uppfinningen användning av ett första pulsat laserknippe för att alstra ultraljud- ytförskjutningar på en yta hos ett avlägset mål. Ett andra pulsat laserknippe som är koaxialt används med det första pulsade laserknippet för att detektera ultraljud-ytförskjutningama på ytan av det avlägsna målet, samling av fasmodulerat ljus från det andra pulslaserknippet antingen reflekterat eller spritt medelst det avlägsna målet inträffar även, liksom behandling av det fasmodulerade ljuset för att erhålla data representativa för ultraljud-ytförskjutningarna påytan av det avlägsna målet.

En teknisk fördel enligt föreliggande uppfinning är att ett sätt för ultraljud- lasertestning tillhandahålls. Uppfinningen tillhandahåller snabb, kontaktfri, och icke- destruktiv inspektionstekniker som kan appliceras till komplexa sammansatta strukturer.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller ett flexibelt, exakt och kostnadseffektivt sätt för att inspektera komplexa sammansatta strukturer. Föreliggande uppfinning kan även snabbt avsöka och testa stora sammansatta strukturer. Föreliggande uppfinning kan inspektera vid vinklar som inte är normala mot ytan (dvs upp till i 45 grader). Föreliggande uppfinning kräver inte dyr fastsättning för att testa sammansatta strukturer. Föreliggande uppfinning kräver inte att formen av delen är känd innan testningen. Föreliggande uppfinning kräver inte tillträde till båda sidor om en sammansatt struktur för att testa den för att finna defekter.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA För en fullständig förståelse av föreliggande uppfinning, ändamålen och fördelarna därav, refereras nu till den följande beskrivningen tagen i samband med den åtföljande ritningarna i vilka: fig. 1 illustrerar användningen av ett genererings-laserknippe och ett detekterings- laserknippe koaxialt därmed; fig. 2 är ett blockdiagram visande baskomponentema av en anordning för att utföra ultraljudlasertestning; fig. 3 uppvisar en optisk scanner med stor apertur; fig. 4 uppvisar en optisk scanner med liten apertur; fíg. SA uppvisar en ställningsmonterad optisk testanordning med en intem kalibreringsenhet; fig. SB uppvisar en ställningsmonterad optisk testanordning med en intern kalibreringsenhet; l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 5 fig. 6 är ett tidsdiagram för en icke-platt detekteringspuls och en alstringspuls; fig. 7 är ett tidsdiagram för en platt detekteringspuls och en alstringspuls; ñg. 8 är en modifierad, konfokal enkelkavitetsinterferometer av Fabry-Perot-typ; fig. 9 är en modifierad, konfokal dubbelkavitetsinterferometer av Fabry-Perot-typ; ñg. 10 illustrerar sambandet mellan reflekterat och transmitterat ljus, relativt den totala mängden ljus som når en kavitet; fig. 11 är ett signal-till-brus-förhållande som en funktion av optisk energi; fig. 12A är en signalsvarsanalys som en funktion av frekvens; fig. 12B är en fassvars-analys för signalen presenterad i fig. 12A; fig. 13A är en brussvars-analys som en funktion av frekvens; lig. 13B är en fassvars-analys för informationen presenteradi fig. 13A; fig. 14 (A och B) är en svarsanalys och fassvaret för en signal som har modifierats för att tillåta kancellering av CM-laserbrus; fig. 15 uppvisar en optisk interferometer med separata detektorer och processorer; fig. 16 är ett elektriskt schema för en förbättrad detektor; och fig. 17 är ett frekvenssvar för det elektriska schemat i fig. 16.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föredragna utföringsforrner av föreliggande uppfinning illustreras i figurerna 1 till 17 på ritningama, varvid samma beteckningar används för samma och motsvarande delar hos de olika ritningarna.

Fig. 1 illustrerar ett inkommande laserknippe som representerar ett alstrings- laserknippe lll och ett koaxialt detekteringslaserknippe 121 på ett avlägset mål 150.

Altringslaserknippet lll åstadkommer termoelastisk expansion i målet 150 i fonnen av ultraljud-ytdeformationer, vilka deformationer modulerar, sprider och reflekterar detekteringslaserknippet 121, representerat av det fasmodulerade ljuset 131 riktat bort från målet 150.

Fig. 2 illustrerar i blockdiagramform baskomponenterna hos en anordning 200 för utförande av ultraljudlasertestning. Anordningen 200 omfattar en alstringslaser 210, en detekteringslaser 220, en interferometer 230, en valfri optisk processor 235, en optisk scanner 240, samlingsoptik 250, systemkontroller 260, och dataförvärv- och behandlingsanordning 270. Alstringslaser 210 och detekteringslaser 220 alstrar ett alstringslaserknippe 111 och ett detekteringslaserknippe 121, resp., vilka riktas medelst optisk scarmer 240 på ett mål 150, vilket i typiska fall är ett sammansatt material. Alstringslasem 210 producerar en tryckultravåg i materialet normalt mot ytan av målet 150. Tryckultraljudvågen är resultatet av l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . . . .- 524- 550 6 terrnoelastisk expansion av det sammansatta materialet då det absorberar alstringslaserknippet 1 1 1.

Alstringslasem 210 måste ha en frekvens som lätt absorberas i ytan av målet 150 utan att förorska ablation eller nedbrytning av målmaterialet och den måste ha en lämplig pulsvarighet för att inducera ultraljud-ytdefonnationer. T ex kan en tvärexciterad atmosfär- ("TEA")-CO2-laser användas för att producera ett knippe med 10,6 mikron våglängd under en 100 nanosekunds puls. Energin hos lasem måste vara tillräcklig för att leverera t ex en 0,25 joule-puls till målet vilket kan kräva en 100 watt-laser verkande vid ett 400 Hz- pulsrepetitionsförhållande. Alstringslasem bör absorberas som värme i målytan för att därigenom åstadkomma termoelastisk expansion utan ablation.

Detekteringslasem 220 måste ha tillräcklig pulsutsträckning för att inte inducera ultraljud-ytförskjutningar. T ex kan en Nd:YAG-laser användas. Energin hos denna laser måste vara tillräcklig för att leverera t ex en 100 milli-joule, 100 mikrosekund-puls vilket kan kräva' en kilowatt-laser.

Fig. 3 illustrerar en optisk avsökningskonfiguration med stor apertur med en integrerad distansavståndsenhet. Alstringslaserkriippet 111 fokuseras medelst alstringslaser- fokusoptik 310 via en första optisk linssammansättning 315 som är genomtränglig för alstringslaserknippet 111. Den reflekterande ytan 335 riktar sedan alstringslaserknippet 111 på scarmern 340 med stor apertur som i sin tur riktar nämnda knippe 111 på en mâlyta 150 som inducerar en ultraljudvåg däri.

Såsom visat i fig. 3 riktas detekteringslaserknippet 121 medelst ñberoptik in i detekteringslaserfokusoptiken 320 som fokuserar laserknippet 121 via en andra optisk lins 325 som kan släppa igenom detekteringslaserstrålen 121. Detekteríngslaserstrålen 121 reflekteras av den första optiska linsen 315 och utgår koaxialt med alstringslaserstrålen 111.

Första optisk sammansättning 315 och andra optisk sammansättning 325 verkar kollektivt för att bilda en strålkombinerare eller en strålblandare. Detekteríngslaserstrålen 121 reflekteras sedan längs med alstringslaserstrålen 111 på en vridande spegel eller en reflekterande yta 335 som sedan riktar detekteringslaserstrålen 121 på scannem 340 med stor apertur som i sin tur riktar nämnda knippe 121 på målytan 150. Detekteringslaserstrålen 121 samverkar med ultraljudvâgorna som finns i målytan 150 och reflekteras som fasmodulerat ljus 131. En del av det fasmodulerade ljuset fångas av scannem 340 med stor apertur och riktas på kollektom 350 med stor apertur. Scannern 340 med stor apertur är allmänt av konstruktionen med en enda spegel med kardansk tvåaxelkonstruktion med varje axel driven via en motor och en drivhjulsammansättning. Kollektom med stor apertur 350 kan vara en reflekterande optik av l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . . . .s 524 550 7 Cassegrain-typ, som innefattar en primär reflekterande yta 355 som fokuserar ljus på en sekundär reflekterande yta 345 som i sin tur samlar ljuset och fokuserar det på en fiberoptisk bärare.

Fig. 3 illustrerar även den integrerade optiska avståndsenheten 330 som riktar en avståndslaserstråle 331 på den optiska linsen 325 som reflekterar nämnda laserstråle 331 på den första optiska linsen 315. Avståndslaserknippet 331 utgår koaxialt med alstrings- laserknippet 111 och detekteringslaserknippet 121. Avståndslaserknippet 331 reflekteras sedan längs samma väg som detekteringslaserknippet 121 och reflekteras även från målytan 150. En del av det reflekterande avståndslaserknippet fångas av scannern 340 med stor apertur och riktas bakåt på samma väg som det färdades för att nå målet 150. Scannern 340, samlingsoptik 345 och 355 definieras i allmänhet som av typen med stor apertur för strålfria aperturer som är större än approximativt 75 mm för avstånd till målet i området 1000 mm till 4000 mm. Den optiska avståndsenheten 330 kan bestämma av det reflekterande ljuset avståndet mellan ytan av målet 150 som belyses och avsökningsapparaturen. Eftersom den optiska avståndsenheten 330 både transmitterar och mottar ljus av samma frekvens beskrivs den som en självinnehållande avståndsanordning. Det är viktigt att känna till avståndet med vilket ytan belyses från scannern så att en topografisk kontur kan skapas för målet 150 och korreleras till de optiska data som insamlas. Allmänt registreras denna korrelation på en punkt-för-punkt-basis.

Fig. 4 illustrerar en optisk avsökningskonfiguration med liten apertur med en integrerad avståndsmätanordning. Liten apertur definieras i allmänhet i denna ansökan för fria aperturer som är mindre än 75 mm för målområden mellan 1000 mm och 4000 mm.

Funktionen av konfigurationen med liten apertur är liknande den hos den optiska avsökningskonfigurationen med stor apertur som tidigare diskuterats med mindre omarrangemang av de optiska elementen for att inhysa laserknippet genom de mindre aperturerna. Alstringslaserknippet 111 fokuseras medelst alstringslaserfokusoptik 310 via ett första optiskt element 415 till en scanner 440 med liten apertur där det optiska elementet 415 är genomsläppligt för alstringslaserknippet l 1 1. Scannern 440 med liten apertur i sin tur riktar nämnda knippe lll på målytan 150 som inducerar en ultraljudvåg däri. Scannern 440 med liten apertur är i allmänhet av tvåspegelkonstruktion med varje spegel anordnad på ortogonala orienterade höghastighetsgalvanometrar.

Såsom visat i fig. 4 är detekteringslaserknippet 121 riktat medelst fiberoptik till detekteringslaserfokusoptiken 320 som riktar laserknippet 121 till en liten reflekterande vridande spegel 445 och via det optiska elementet 435 som är genomsläppligt för ll00S0900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . . . .- 524 550 detekteringslaserknippet 121. Detekteringslaserknippet 121 reflekteras av det forsta optiska elementet 415 och utgår koaxialt med alstringslaserknippet lll. Den reflekterande vridande spegeln 455 har allmänt elliptisk profil for att producera en liten cirkulär diameter som exakt matchar detekteringslaserknippet 121 när den drivs med 45 graders infallsvinkel och skymmer därigenom en minimal del av sarnlingsoptiken 450. Det första optiska elementet 415, det andra optiska elementet 425 och det tredje optiska elementet 435 verkar kollektivt för att bilda en strålkombinerare eller strålblandare. Detekteringslaserknippet 121 reflekteras sedan längs med alstringslaserknippet lll på scannem med liten apertur 440 som i sin tur riktar nämnda knippe 121 på målytan 150. Detekteringslaserknippet 121 samverkar med de ultraljudvågor som finns i målytan 150 och reflekteras såsom fasmodulerat ljus 131. En del av det fasmodulerade ljuset 131 fångas av scannem med liten apertur 440 och reflekteras av det första optiska elementet 415 via det tredje optiska elementet 435 och reflekteras av det andra elementet 425 till kollektom med liten apertur 450. Det optiska elementet 445 kommer med riktigjutformning skymma en minimal del av ljuset fångat av scannem 440.

Fig. 4 illustrerar även den integrerade optiska avståndsenheten 330 som riktar en avståndslaserstråle 331 på det tredje optiska elementet 435 som reflekterar laserknippet 331 på det första optiska elementet 415. Avståndslaserknippet 331 utgår koaxialt med alstringslaserknippet 111 och detekteringslaserknippet 121. Avståndslaserknippet 331 reflekteras sedan längs samma väg som detekteringslaserknippet 121 och reflekteras även från målytan 150. En del av den reflekterade avståndslaserknippet fångas av scarmem med liten apertur 440 och riktas bakåt på samma väg som det färdades for att nå målet 150. Optisk avståndsenhet 330 kan bestämma av det reflekterade ljuset avståndet mellan avsökningsapparaten och ytan hos målet 150 som belyses. Avståndet mellan avsökningsapparaten och ytan som belyses används for att skapa en topografisk kontur av målet 150 som skall avsökas och korreleras med optiskt data som insamlas. I allmänhet registreras denna korrelation punkt för punkt.

Fig. 5A illustrerar en del av en laseravsöknings- och testapparat 500, refererad till såsom "avsökningshuvud 500", som i typiska fall, fastän inte exklusivt, är anordnat på ett ställningspositioneringssystem (GPS) som kan ge index via en kartesisk arbetsvolym definierad av {x, y, z}. Alstringslasem 110 kan vara anordnad på avstånd på GPS, eller altemativt markanordnad och riktad längs x- och y-axeln, och eventuellt riktad koncentriskt med z-mastanordningen genom ställningsmonteringsringen 510. En annan utföringsform av nämnda uppfinning tillåter leverans av alstringslasem 210 med laserstrålen lll via en optisk fiber. Fiberoptisk leverans av laserknippet 111 kan tillåta alstringslasem 210 att vara placerad 1 l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 9 på avstånd eller valfritt anordnad inuti avsökningshuvudet 500. Avsökningshuvudet 500 kan roteras koncentriskt med z-axeln definierad som teta-1 för återpositionering av orientering av den optiska bordets monteringskonsol 530 och det optiska bordet 535. Kabelfack 520 ger elektriska, optiska och andra anslutningar till 500 tillåtande 360 graders rotation av teta-1.

Konsol 540 fäster motorn 550 till det optiska bordet 535. Motorn 550 roterar den optiska scannern 440 via kardanröret 555 koncentriskt med den optiska axeln, definierat såsom teta-2- axeln. Släpring 560 ger elektriska anslutningar mellan VME-chassit 590 och komponenterna monterade på teta-2-axeln, innefattande den optiska scannern 440, scannerslutaren 565, och den avlägsna videokameran 570. Scannerslutaren 560 skyddar den optiska scannem 440 från damrnförorening när den inte används. Den avlägsna videokameran 570 ger operatören på en plats på avstånd en vy nästan i linje med centrumvyn för scannern 440. Detekteringslaser- ljuset 121 samlas från avlägsen sammansatt yta anordnad på avståndet D från den optiska scannem med liten apertur 440 och reflekteras av elementet 415, transmitteras medelst elementet 435, och skyms minimalt av spegeln 445. Härnäst riktas 121 medelst spegeln 425 och andra vridande speglar, på kollektom 450 med liten apertur, och kopplas därefter till den samlande fiberoptiken. Denna samlingsfiber är i typiska fall kopplad till en optisk post- sainlingsfórstärkare 235 (fig. 2) innan den bearbetas av interferometem 230.

Den motordrivna spegelmonteringen 580 ger ett sätt att återrikta den optiska vägen för alla laserknippen utom det optiska elementet 415 men innan den optiska scannern 440.

Nämnda återriktade knippen följer en väg längs en serie med reflekterande vridande speglar 581, 582, 583, 584, 585 och 586 till en intem kalibreringsmodul för avlägset fält 587, varvid antalet vridande speglar endast är representativa för den önskade funktionen där det verkliga antalet kan vara fler eller färre. Vändande spegel 581 t ex kan ha en integrerad nära-fält- apertur som är justerbar för att upprätthålla en pennanent inriktningsposition att användas i samband med den interna kalibreringsmodulen för fjärr-fält 587. Fj ärr-fált-kalibrerings- modulen 587 är placerad ett avstånd från det optiska elementet 415 för att vara representativt för ett typiskt avstånd till ett mål följ ande standardvägen via den optiska scannem 440. Den interna fjärrfalt-kalibrerings- och diagnostikrnodulen 587 kan innehålla som exempel anordningar för att övervaka energin och inriktningen för varje laser, små mål representativa för typiska testmaterial, och anordningar för att assistera vid karakteriseringen av nya material över olika infallningsvinklar. Som ett exempel kan information härledd från den interna fjärrfált-kalibrerings- och diagnostikrnodulen 587 användas för att inrikta alstringslaserstrålen lll till den önskade optiska axeln via motordrivna reflekterande avståmningsspeglar 588 och 589. En sådan operation kan vara nödvändig för att korrigera leveransfel för ett litet knippe 1 l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 .... .- 524 550 10 ,. ..- skapat av den avlägsna leveransen av knippet lll i fritt utrymme längs den rörliga axeln {x, y, z, teta-1}. Andra vändande speglar som inte explicit specificerade i fig. 5a kan också innefatta motordrivna positioneringsdrag liknande 588 och 589 såsom krävs för att tillåta en helt automatiserad inriktnings- och kalibreringsprocedur att utföras under datorkontroll. Alla inriktningsprocedurer generaliseras genom att den motordrivna spegeln närmast fjärrkalibreringsmodulen justeras för exakt inriktning, sedan justeras den motordrivna spegeln som ligger längst bort från närfältsaperturen för inriktning. Denna procedur fortsätts på ett interaktivt sätt tills en tillåten mängd positioneringsfel nås.

Fig. 5B illustrerar avsökningshuvud 500 i en perspektivvy med tillägget av detekteringslasem monterad på den bakre ytan av det optiska bordet 535. l denna konfiguration kan detekteringslaserknippet 121 vara valfritt fiberoptiskt kopplat till fiontsidan av det optiska bordet 535 eller direkt kopplat via vändande speglar. Fiberleverans via detekteringslaser-fokuserande optik 320 har fördelen med förbättrad strålpeknings-stabilitet beroende på fi-ånkopplingen av alla små strålpekande fel i lasem 220. Toppenergin hos lasern 220 kommer att begränsa avståndet som fiberoptiken kan användas för för att leverera knippe 121 beroende på stimulerad Brillouin-spridningseffekter (SBS). SBS-tröskelvärdet är beroende på huvuddiametem, fiberlängden, laserpulsvaraktigheten, och lasertoppenergin. T ex, en Nd:YAG-laser med en 100 mikrosekund lång puls producerande hundratals Watt av toppenergi kan begränsas till fiberlängder under 10 meter för 100 mikron fiberdiameter.

Fig. 6 illustrerar tidssambandet mellan alstrings- och detekteiingslaserpulser.

Detekteringslaserknippet 121 levereras vid t = to. Magnituden hos detekteringslaserknippet 121 ökar till ett maximum innan den faller. Pulsbredden hos detekteringslaserknippet 121 och alstringslaserknippet 111 illustreras i fig. 6 såsom 100 mikrosekunder resp. 100 ns, fastän pulsbredden kan varieras. Alstringslaserknippet 110 levereras i ideala fall när detekterings- laserknippet 121 har sitt maximum eller är nära sitt maximum, vilken tidsfördröjning efter to representeras av tfönhöjning. Vid testning av ett mål 150 är detekterings- och alstringspulser i typiska fall repeterade på en periodisk basis, t ex med en frekvens av 100 Hz eller till och med 1000 Hz där den optiska scannem 440 ger index åt laserknippet till en ny position mellan varje puls. I ideala fall är tidsfördröjningen A mellan följande pulser tillräcklig för att tillåta ultraljudaktivitet att försvinna så att det inte finns någon överlappning mellan följande tester.

Fig. 7 illustrerar att detekteringslaserknippet 121 även kan vara ett platt pulsknippe såsom visat i fig. 7. Genom att använda en detekeringslaser för platt puls kan l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 11 tidsfördröjningen tmdföjning mellan detekteringslaserknippet 121 och alstringslaserknippet 111 reduceras eftersom ett platt pulsknippe kräver mindre tid för att nå sin maximala intensitet.

Fig. 8 illustrerar en konfokal Fabry-Perot-interferometer som är stabiliserad användande endast inmatningssignalen. Det självrefererade särdraget är olikt många utforrnningar enligt känd teknik som använder en del av alstringslaserknippet för Stabilisering.

I ñg. 8 riktas inkommande ljus från en fiberoptisk inmatning genom en första lins 810 på en första reflekterande yta 850, bort från en andra reflekterande yta 860, genom en första polariserad stråldelare 840, via en kvartsvåglängdplatta 870 och in i en första kavitet 895. Den första kaviteten 895 har en konfokal linsstruktur omfattande en första sfarisk spegel 875 och en andra sfárisk spegel 885. När det inkommande ljuset passerar genom den första sträldelaren 840 passeras endast den horisontellt polariserade komponenten vilken komponent blir cirkulärt polariserad (p-tillstånd) då den passerar genom kvartsvåglängdplattan 870.

Den konfokala linsstrukturen är avpassad så att det inkommande ljuset faller på sig själv 'efter fyra passeringar genom kaviteten. Den första sfáriska spegeln 875 och den andra sfäriska spegeln 885 har var och en samma kurvradie "r", och när de två speglama är åtskilda från varandra med denna radie "r", sägs speglarna vara i en konfokal position, och ljuset sägs vara "återinträdande ljus" eftersom det går i retur på sig själv efter fyra passeringar över speglarna. Den första sfariska spegeln 875 och den andra sfäriska spegeln 885 är delvis genomsläppliga, betydande att de låter ljus passera liksom de reflekterar ljus. T ex kan nämnda speglar vara 95% reflekterande och 57% ignorerande absorption och spridningsförluster, genomsläppliga (dvs tillåta 55% av ljuset att passera genom spegeln).

En del av det inkommande ljuset transmitteras via den andra sfariska spegeln 885. En tredje lins 830 fokuserar ljuset som transmitteras via den andra sfäriska spegeln 885 på transmissíons-tillståndsdetektom 890 eller valfritt en optisk ñber fast till transmissions- tillståndsdetektorn 890 där den kan kvantifieras medelst variabeln Vn. Den andra sfariska spegeln 885 reflekterar även en del av ljuset tillbaka på den första sfariska spegeln 885, där återigen, en del av ljuset passeras genom den sfäriska spegeln 875, och genom kvartsvågplattan 870. När det reflekterade ljuset passerar genom kvartsvåglängdplattan 870 den andra gången ändras polarisationen av ljuset igen och i detta fall blir det vertikalt polariserat (s-tillstånd). Det vertikalt polariserade reflekterade ljuset tillbakavisas sedan medelst den första polariserade stråldelaren 840 och reflekteras på den andra linsen 820 som fokuserar det reflekterade ljuset på en reflektionstillståndsdetektor 880 eller valfritt en optisk fiber fäst till reflektionstillståndsdetektom 880 där det kan kvantifieras medelst variabeln Vm. 1 l0050900/KR,ASH Il on 10 15 20 25 30 n » . . .- 524 550 12 Q . . - . » ~ » -fl Det är möjligt att variera mängden ljus som transmitteras via kaviteten relativt mängden ljus som reflekteras tillbaka genom kaviteten, dvs variera Vn relativt VRl. Ett sätt att variera detta samband är genom att ändra frekvensen av det inkommande ljuset. Ett alternativt sätt att variera sambandet är genom att justera avståndet mellan den första sfäriska spegeln 875 och den andra sfäriska spegeln 885. I ett konfokalt samband är detta avstånd nominellt kurvradien "r". Ett sätt att variera detta avstånd är att montera åtminstone en av de sfariska speglama på justerbara anordningar. I fig. 8 är den första sfäriska spegeln 875 monterad på piezoelektriska anordningar 876 som tillåter linjär förskjutning av den första sfariska spegeln på ett kontrollerat sätt användande en piezoelektrisk anordning.

Utformningen av föreliggande uppfinning tillåter avståndet mellan den första sfariska spegeln 875 och den andra sfäriska spegeln 885 att ökas genom en ytterligare mängd "n", representerande en liten subvåglängd linjär förskjutning av den första sfäriska spegeln 875 medelst den piezoelektriska anordningen. Således kan avståndet mellan de sfäriska speglama representeras av formeln r+n. I fig. 8 är den andra sfariska spegeln 885 anordnad på manuella anordningar 886 för att tillåta manuell justering. Manuella anordningar 886 tillåter att kaviteten justeras under uppställningen för en "grov" justering för att etablera den korrekta konfokala längden där t e x längden måste ligga inom 200 mikron av den önskade längden för en 1000 mm lång kavitet. Detta särdrag, när det kombineras med finavstämning användande den piezoelektriska anordningen, ger uppfinningen signifikant flexibilitet.

Fig. 9 illustrerar en konfokal Fabry-Perot-interferometer med två kaviteter, återigen som stabiliseras användande endast det inkommande ljuset. Den första kaviteten 895 i denna konfiguration fungerar på samma sätt som kaviteten beskriven i anslutning med fig. 8, och därför kommer endast skillnadema att beskrivas här.

I flg. 9 riktas inkommande ljus på den första polariserade stråldelaren 840, där ljuset delas i dess horisontellt polariserade komponent (p-tillstånd) och dess vertikalt polariserade komponent (s-tillstånd). En polarisation av ljuset riktas in i den första kaviteten 895 under det att den andra polarisationen riktas in i den andra kaviteten 995. För att överensstämma med fig. 8 riktas den horisontella komponenten in i den första kaviteten 895 under den att den vertikala komponenten reflekteras uppåt där den till sist avleds in i den andra kaviteten 995.

Det vertikalt polariserade ljuset går från den första polariserade stråldelaren 840 till en andra polariserad stråldelare 940, där ljuset reflekteras genom en kvartsvåglängdplatta 970. Det vertikalt polariserade ljuset blir cirkulärt polariserat då det passerar genom kvartsvåglängd- plattan 970. Ljuset levereras därefter in i den andra kaviteten 995 där såsom i den första kaviteten en del av ljuset släpps igenom under det att en del reflekteras tillbaka. l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 '''' " .a n. 13 Som i den första kaviteten har den första sfäriska spegeln 975 och den andra sfäriska spegeln 985 samma kurvradie "r" (som är samma kurvradie som i den första kaviteten 995), så att när de två speglama är åtskilda från varandra med denna radie "r", återfokuserar speglarna inkommande ljus på sig själva efter att det gått fyra passager genom kavitetema (dvs två hela gånger).

Ljuset som överförs via den andra sfäriska spegeln 985 fokuseras av den tredje linsen 930 på transmissionstillståndsdetektom 990 eller valfritt en optisk fiber fäst till transmissionstillståndsdetektorn 990 där det kan kvantiñeras medelst variabeln VTZ. Den andra sfariska spegeln 985 reflekterar även en del av ljuset tillbaka på den första sfäriska spegeln 975 där återigen en del av ljuset passeras genom den sfáriska spegeln 975 och genom kvartsvåglängdplattan 970. När det reflekterade ljuset passerar genom kvartsvåglängdplattan 970 den andra gången ändras polarisationen hos ljuset igen och i detta fall blir det horisontellt polariserat. Det horisontellt polariserade reflekterade ljuset passerar sedan via den polariserade stråldelaren 940 och fokuseras medelst den andra linsen 920 på reflektions- tillståndsdetektom 980 eller valfritt en optisk fiber fast till reflektionstillståndsdetektom 980 där det reflekterade ljuset kan kvantifieras medelst variabeln VR; Det är möjligt att variera mängden ljus som transmitteras eller passerar genom var och en av kavitetema relativt mängden ljus som reflekteras tillbaka genom var och en av kaviteterna, dvs variera Vn relativt Vm, och variera VT; relativt VR2. Ett sätt att variera detta samband är genom att ändra frekvensen hos det inkommande ljuset. Ett alternativt sätt att variera sambandet är att justera avstånden mellan de första sfäriska speglama 875 resp. den andra sfáriska spegeln 885 och 985. I ett konfokalt samband är var och ett av dessa avstånd nominellt kurvradien "r". Ett sätt att variera dessa avstånd är att anordna åtminstone ett av varje par sfäriska speglar på justerbara anordningar. I fig. 9 är var och en av de första sfäriska speglarna 875 och 975 anordnade på piezoelektriska anordningar 876 resp. 976, vilket tillåter den direkta undervåglängdsförskjutningen av de första sfäriska speglama 875, 975 på ett kontrollerat sätt användande piezoelektriska anordningar. Utformningen av föreliggande uppfinning tillåter att avstånden mellan de första sfäriska speglarna 875, 975 och de andra sfäriska speglama 885, 985, resp. kan ökas med ytterligare mängder "s1", och "s2", representerande de direkta förskjutningama hos var och en av de första sfäriska speglarna 875, 975 medelst piezoelektriskt medel. Således kan avstånden mellan de sfariska speglarna inuti kaviteten representeras av formeln r+s1 och r+e2. I fig. 9 är var och en av de andra sfäriska speglama 885, 985 anordnade på manuella anordningar 886, 986, resp. för att tillåta manuell justering. Manuella anordningar 886, 986 tillåter kaviteten att justeras under l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 .s u»- 14 uppsättningen för en "grov" justering till inom några hundra mikron av den riktiga konfokala längden, vilket, när det kombineras med den första avstämningen användande de piezoelektriska medlen ger uppfinningen signifikant flexibilitet.

Fig. 10 demonstrerar sambandet mellan mängden ljus överíört via en konfokal kavitet ("Vq~"), mängden ljus reflekterad tillbaka genom kaviteten ("VR") och finavstämnings- justeringen representerad av s. Den norrnaliserade intensiteten av det transmitterade och reflekterade ljuset kan beskrivas i ekvationsfonn genom att först definiera två allmänna komplexa funktioner (dvs innehållande imaginära termer) enligt följ ande: ß=1 T __R2e-íx 7(X) = 1 _ RßOÛe-i' där R är spegelreflektiviteten och T är spegeltransmissionen vanligen given medelst T = 1-R om absorption och spridningseffekter ignoreras. Nu kan intensiteten för ljuset skrivas som: ßLZns z reflektion z R 2 .i 2 i [Iyí m' Ä) ßí nal 2 transmission = (1 - Rz) + il där epsilon är ändringen i kavitetslängden från den konfokala längden r och lambda är lasems våglängd, och magnitudoperationerna på den komplexa funktionen gör resultaten till rejäla uttryck. Dessa två ekvationer kommer att producera fig. 10. Den reflekterade ljusa kurvan 1020 presenterar proportionen av totalt ljus som reflekteras tillbaka via kaviteten (normaliserad reflektion = VR/ (VR+V-f)), vilken siffra alltid ligger mellan 0,5 och 1,0. Kurvan för transmitterat ljus 1080 representerar proportionen av totalt ljus som transmitteras via kaviteten (nonnaliserad transmission = VT/(VR+VT)), vilket tal alltid ligger mellan 0,0 och l l0050900/KR,ASH o v: 10 15 20 25 30 . . . . _» 524 550 15 0,5. Summan av VR och VT representerar den totala mängden ljus som når kaviteten. Kurvan med reflekterat ljus 1020 och kurvan med transmitterat ljus 1080 ritas som en funktion av s/S och VR, och VT är båda lika när e/ S är lika med 0, 0,25 och 0,5 eller mer generiskt, när s/S = n/4 varvid n är ett heltal. Således är det uppenbart att de piezoelektriska spegelanordningarna 876 och 976 måste flyttas ett minimum M4 för att ge ett tillräckligt avstämningsområde.

Medan fig. 10 är markerad för VR och VT (nonnaliserad naturligtvis med avseende på den totala mängden ljus) håller ett liknande samband med avseende på variablema VRT, VTT, Vm, och VT; som diskuterades i samband med fig. 8 och 9. Medan 81 och s; är allmänt oberoende av varandra i utformningen med två konfokala kaviteter är 91 och s; allmänt justerade for att upprätthålla samma samband mellan reflekterat och transmitterat ljus i var och en av kaviteterna. T ex kan kaviteterna justeras puls for puls för att upprätthålla följ ande samband: V11 _ Vr: -í-l- _ = | k VRl + VTI VRZ + VTI n ( onstant) där konstanten 11 är ett reellt tal mellan 0,0 och 0,5. Genom att fixera sambandet mellan det reflekterade ljuset och det transmitterade ljuset i varje kavitet i utforrnningama med två kaviteter kan det inkommande ljuset kvantitativt behandlas användande det kända sambandet mellan signalerna hos varje kavitet. En typisk verkande punkt skulle vara för n = 0,25 varvid 25% av ljuset skulle transmitteras genom interferometern och 75% reflekteras och skulle representera en verkande punkt halvvägs längs varje resonanskurva.

Det är uppenbart från fig. 10 att det ovan angivna sambandet kan satisfieras för de två distinkta fallen: antingen under resonanstoppen eller ovan den för att därigenom ändra polariteten av de detekterade signalerna.

Föreliggande utformning tillåter interferometern att självstabiliseras användande exklusivt ljuset som levereras till interferometem. Variationer i intensiteten av det inkommande ljuset, vilka i typiska fall är associerade med varje liten ändring i positionering av ytan som testas, har liten eller ingen påverkan på funktionaliteten av interferometern eftersom signalerna baseras på procentsatser av ljus som reflekteras eller transmitteras med avseende på den totala mängden ljus och sålunda faktiskt är norrnaliserade för intensiteten av 1 lO050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . . - .- 524 550 16 det inkommande ljuset. Det kanske inte är nödvändigt att justera kavitetens avstämmande position på varje laserpuls beroende på drifthastigheten av lasem och den terrniska stabiliteten hos interferometem. T ex, kan vid en 400 Hz pulshastighet justeringar göras var tionde puls eller till och med i mindre frekvens beroende på omgivningen och utformningen.

Föreliggande uppfinning använder även algoritmer baserade på intensitet med absolut ljus för att stänga av justeringsoperationer om ljusnivån är alltför låg, därigenom förhindrande farliga justeringar när laserknippena är från målet och avstämning är omöjlig. Vid drift i samband med pulsade detekteringslasrar är det typiskt att någon form av toppdetekter-ingskrets kan användas för att hålla toppvärdena konstanta under det att en analog-till-digital låghastighetsomvandlare samplar de två eller fyra kanalerna med data. Drivspärmingen till var och en av de piezoelektriska spegelmonteringama 876 och 976 justeras för att kompensera för varjes fel baserat på den föregående pulsen. Återställning av toppdetektorema inträffar innan nästa puls. En elektrooptisk intensitetskontroller (ej visad) används i typiska fall for att begränsa den maximala ljusnivån sänd till lins 810 och därefter till detektorer 880, 890, 980 och 990 för att därigenom förhindra skada på detektorema eller signalelektroniken. Den använda informationen för att kontrollera ljusnivån utvinns från samma data som används för att stabilisera interferometern. Återigen, baserat på resultaten för en föregående puls, planeras den lämpliga spänningen för nästa puls.

I föreliggande uppfinning med en utformning med två kaviteter används väsentligen allt inkommande ljus för både Stabilisering och detektering. Dessutom tillåter den andra kaviteten en andra uppsättning av signaler som kan användas för att förbättra signalstyrkan.

Utmatningssignalen från en interferometer i anslutning med detekteringen av ultraljud-ytförskjutningar, där förskjutningen u << lambda kan representeras med följande ekvation: S0) = 110) * f0) + 210) * r'0) + H0) där "s" representerar den totala signalen som produceras av interferometem; "k" är vågvektom definierad såsom k = å; ; "u" representerar ultraljud-ytförskjutningarna som mäts (dvs den önskade signalen); "r-prim" representerar svarsfunktionen hos interferometern; "a" representerar laserbruset (t ex arnplitudfluktuation); "r" representerar svarsfunktionen hos interferometem till laserbruset som kan skilja sig från svaret till en inmatningssignal; och "n" representerar brus i detekteringsprocessen (t ex hagelbrus, elektroniskt värmebrus, etc.). l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 17 .. ..- De komplexa svarsfunktionema hos en konfokal Fabry-Perot-interferometer till en ultraljudssignal med en frekvens (nu = 21tfu eller amplitudbrusfluktuation con = 21rfn kan definieras med följande ekvationer: = _. ß (arr + mur) _ ß(arr -co,,r) -ffl-.š 1 -fwf-f 1 rr-mm (my) lí ßwn) ßwn) Ie + R e Ju + Rz) _ ,T-_m°de( mn) = íßßå: i 3,1) + ß(fll;Éa-):«)>.r))[e_fa§ + Rïfaåïl +1R2 J [y(a>r)y(wr + av) + ß(a>r)ß(mr + azvzfie-må - y(mr)y(mr + mur) - ß(an')ß(wr + murym' Nta m; irl-lmdc(wu) = -í +lß(wr)|1] [y(cor)y(wr + wnf) + ß(mr)ß(mr + :unde-Må + y(mr)y(wr + mur) - ß(cur)ß(wr + mur-km' rIl-nndr(wn) = i ' I ironi' + |ß|'J där samma substitutioner för beta och gamma-funktioner såsom deñnierats tidigare har använts for att förenkla ekvationema. I de ovan ekvationema r = 4rminor/c är kavitetens rundgångsförskjutning for speglar med radien "rminor" och c är ljusets hastighet. Slutligen definieras kavitetens avstämningsposition medelst där n är den linjära avstämningspositionen mellan O och 0,5 såsom introducerats tidigare, med 0,25 representerande en position halvvägs längs resonanskurvan. l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 5124 550 18 Om en signal alstras for både de reflekterade och transmitterade komponenterna hos en konfokal kavitet kan de två signalerna representeras enligt nedan: S1(t) U1(t) * r1(t) + a1(t) * r1'(t) + nllt) S,(t) U,(t) * r,(t) + a,('c) * r,'(t:) + n,(t) ll där, t ex S1 representerar ljuset som har transmitterats genom kaviteten, och S2 representerar ljuset som har reflekterats tillbaka genom kaviteten.

Eftersom inmatningssignalen är densamma gäller för varje formel U; = U; och a) = ag. Dessa samband är sanna eftersom ultraljud-ytfórskjutningarna och laserbruset är oberoende av reflektions- och transmissionsmoder. Därför kan de två ekvationema skrivas enligt nedan: sm) ute) * rat) + att) * rflt) + HJU sm) me) * rm) + att) * rfifl) + Mt) I ideala fall har de två moderna hos kaviteten samma svarsfunktioner med avseende II H på signal u , men svaren är negativ av varandra eftersom transmissions- och refiektionsmoder har motsatta svarsljudningar. Således gäller r1+r2 = O. I ideala fall, med avseende på laserbruset gäller r'1 = r'2. Varje svarsfunktion måste normaliseras med avseende på den avstämda positionen hos interferometem och korrigeras implicit för att indikera ett balanserat svar mellan de två moderna. T ex om transmissionens avstämningsposition är 25% så är reflektionen 75% och en 3x-norrnaliseringskorrigeringsfaktor används. Och om signalema används for att skapa ett differentialt samband enligt nedan (släppande tidsnoteringeny s,(t)=U(c)*r,(c)-a(c)*r,'(t)-a(t)*r1'(t)+n,(c)-n1(c) Att släppa tidsaspekten för att underlätta representationen och göra att substitutionema resulterar i: l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 19 sfsz = u*r -u*r + a*r'-a* ' _ 2 1 2 rl + n: nl _ ui-rl-uikrl + a*r1,'a*r1, + nrni = -2u*r, + nz-nl Således, genom att använda ett differentialt signaleringsschema kan laserbrus för gemensam mod elimineras. Även om de angivna förhållandena relaterande till {r1, r2}, och {r'1, r'2} inte uppfylls perfekt har differentialsignaleringsschemat effekten att ta bort väsentligen allt brus för gemensam mod "a(t)".

Ytterligare, om n; är okonigerad med nl så kommer de två brusfluktuationema adderas inkoherent och om magnituderna hos de två är väsentligen lika får vi |~.I=|~.|=|~|, S; -S. = 2<2k>u win Detta är samma resultat som vi skulle komma till om vi beaktar processen med medelvärdesberäkning av de två signalerna med icke-korrigerade brustermer med lika magnituder, där bruset kommer att öka med kvadratroten av antalet medelvärden och signalen skulle öka på ett linjärt sätt. 1.4 Förutom borttagningen av laserbrus vid gemensam mod. Varje par av signaler for de två kaviteterna behandlas på ett väsentligen liknande sätt för att ta bort CM-brus och sedan kan de två återstående signalema ytterligare kombineras och ger ytterligare 1,4 ökning i SNR.

I typiska fall är den dominerande bruskällan från laserrelaxationsoscillationer i fasta tillståndets lasrar och kännetecknas av "den relativa intensitetsbruset" eller "RIN" hos detekteringslasern. Reduktion eller eliminering av laser RIN är väsentlig för hög SNR- prestation. I system användande optiska postinsamlingsförstärkningsscheman, kan heterodyn- blandande brus från signal och förstärkt spontan emission ("ASE") även manifesteras som en CM-bruskälla. Återigen kan användning av den differentiala sj älvrefererade konfokala Fabry- Perot-interferometern användas för att minimera eller eliminera sådana brustermer.

Fig. 11 demonstrerar den signifikanta förbättringen i SNR. I fig. 11 illustrerar SNR- diagrammet 1120 gränserna associerade när CM-laser-producerat brus "RIN" inte tas bort. I 1 l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . - . -- 524 550 20 .» ..- allmänhet, när mycket litet ljus levereras till interferometem dominerar värmebrus och begränsar sålunda SNR, vilken begränsning illustreras av den nedre delen av enkelkaviteten SNR-diagrammet 1120. Eftersom ljuset som levereras till interferometern ökas rullar ökningen i SNR bort och blir laserbrus begränsat beroende på "RlN"-effekter vilken begränsning illustreras av den övre delen av enkelkavitet-SNR-diagrammet 1120. Sålunda, i en typisk interferometer med enkelrnod-behandlad konfokal kavitet kan SNR som bäst vara 75 dB. Dessutom, över omkring 1 milliwatt, förstörs ytterligare ökningar i mängden ljus som levereras till interferometern eftersom laserbruset dominerar.

Fig. ll illustrerar även en differential-SNR-diagram 1160, ritat som en funktion av optisk effekt. Då ljuset som levereras till interferometern ökas ökar differential-SNR- diagrammet 1160 allmänt och är endast begränsat medelst hagelbrusgräns 1140 (dvs det intema bruset associerat med detektorerna). Hagelbrus 1140 framträder som en linjär funktion på den logaritmiska skalan i fig. ll. Såsom differential-SNR-diagrammet 1160 demonstrerar resulterar förmågan att reducera CM-laserbrusresultaten i en signifikant ökning i SNR och kan vara så mycket som 30 dB. Dessutom, genom att öka mängden ljus som levereras till interferometem kan SNR signifikant förbättras.

Fig. 12A och 12B presenterar en signalsvarsanalys för reflekterad signal, transmitterad signal, och en kombination av de två. Fig. 12A är ett diagram representativt for SNR av dessa signaler som en funktion av frekvens, under det att ñg. 12B presenterar de relativa fasdiagrammen för varje reflekterad signal och transmitterad signal, återigen som en funktion av frekvens. Dessa signaler är relaterade till r1(t) och r2(t), resp., såsom diskuterats ovan. Dessa diagram alstrades användande en konfokal kavitet med sfäriska speglar som är 95% reflekterande åtskilda en (1,0) meter från varandra. Fig. 12A demonstrerar att SNR hos den kombinerade reflekterade och transmitterade signalen allmänt är högre än vardera komponent ensam. F ig. 12B illustrerar att över frekvensområdet på abskissan ändras fasdifferensen mellan den transmitterade signalen och reflekterade signalen gradvis från approximativt 180 grader (dvs helt utanför fas) och planas ut till approximativt 90 grader.

Skillnader i fas måste beaktas när man kombinerar de transmitterade och reflekterade signalerna från kaviteterna. Detta visar det förväntade resultatet där vid låg frekvens svaret till signalerna följer DC-svarskurvan i ñg. 10, som klart kunde representera en 180 graders fasförskjutning mellan de två moderna. Svaret vid höga frekvenser är något mer komplicerat_ men är en känd funktion såsom definierat tidigare och kan utvecklas från de uppmätta signalema för optimala behandlingsresultat. l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 524 550 21 Fig. 13A och 13B presenterar en brussvarsanalys för interferometerns svar till laserbruset. Fig. 13A är ett diagram representativt för magnituden av reflekterat brussvar och transmitterat brussvar som en funktion av frekvens, under det att flg. 13B presenterar de relativa fasdiagrammen för det reflekterade bruset och transmitterade bruset, återigen som en funktion av frekvens. Dessa diagram alstrades användande en konfokal kavitet med sfäriska speglar som är 95% reflekterande och är åtskilda en (1,0) meter från varandra. Fig. 13A demonstrerar att för de flesta frekvenser reflekteras mer brus än transmitteras genom kaviteten. Fig. 13B illustrerar att över frekvensområdet på abskissan ändras fasskillnaden mellan det transmitterade bruset och reflekterade bruset gradvis från approximativt 0 grader (dvs helt i fas) och planar ut till approximativt 90 grader. Skillnader i fas måste beaktas när man kombinerar dessa utmatningar från kavitetema.

Fig. 14A representerar en modifierad signalanalys där de transmitterade och reflekterade komponenterna har modiñerats för att ge annulering av bruset när de två komponenterna subtraheras. Fig. 14B illustrerar att över de flesta frekvenser förblir fasskillnaden mellan den modifierade transmitterade signalen och den reflekterade signalen relativt konstant vid approximativt 180 grader (dvs helt ur fas). Detta tillåter att de två komponenterna subtraheras för optimal brusreduktion under det att de upprätthåller en signifikant signalnivå. Dessa diagram visar att transformering av data för maximal brusannulering har den ytterligare fördelen att signalen även förbättras.

I en annan utföringsforrn enligt föreliggande uppfinning kan de två konfokala Fabry- Perot-kaviteterna vara självrefererade stabiliserade helt med ljuset som finns på signaldetektorema så att det motsvarande paret av transmitterade och reflekterade intensiteter representerar inverterade svar på signalema och förblir ändå i fas för amplitudbrus. Detta har den ytterligare fördelen med att ta bort CM-brus utan detaljerad kunskap om varken signalen eller brussvarfunktionerna beroende på de väsentligen matchade svaren mellan reflektionen och transmissionen för varje kavitet. Återigen kan det resulterande SNR-ökade paret av signaler ytterligare kombineras till en signal användande de lämpliga korrigeringama för att optimalt kombinera de behandlade reflekterade och transmitterade signalema.

I en utföringsforrn av interferometem av den aktuella apparaten integreras detektorema och elektronikkretsen som används för att övervaka och justera kavitetema i interferometem. När detektorerna integreras i interferometem finns en potential för att införa brus beroende på att jordningsplanet för detektorkretsen är skild från jordningsplanet för dataakvisitionsapparatur, och fastän de två planen kan anslutas till varandra, tillåter avståndet mellan dem införandet av oönskat brus. l 10050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 .... »- 524 550 22 Fig. 15 illustrerar en altemativ utföringsform av en interferometer som är helt optisk, och detektorerna och kontrollkretsen är extema, delande ett gemensamt grundplan med dataakvisitionsapparatur. I fig. 15 är det fasmodulerade ljuset samlat från målet och matat via fiberoptik till elektrooptisk sammansättning 1500 bestående av optiska förstärkare 1510, optisk interferometer 1520 och kontrollelektronik 1580. Optisk interferometer 1520 kännetecknas av optisk inrnatning och ett flertal optiska utmatningar fastän endast en visas i ñg. 15 för enkelhets skull.

Utmatningen från den optiska interferometern 1520 matas till ett flertal detektorer 1540 som omvandlar den optiska inmatningen till analog signal. Den analoga signalen konditioneras medelst analog signalkonditionerare 1550 och infångas sedan och behandlas medelst digital Signalbehandling ("DSP")-enhet 1560. DSP-enhet 1560 kommer att jämföra VR1 relativt V,1+Vn och VR; relativt VR2+VT2 och bestämma huruvida justeringar krävs i kavitetema hos den optiska interferometem 1520 för att upprätthålla de önskade sambanden såsom diskuterats tidigare. Om justeringar krävs så kan en digital utmatning från DSP-enheten 1560 omvandlas till analog utmatning medelst D/A-enheten 5070 och sändas till den elektroniska kontrollern 1580 som gör de riktiga justeringarna till den optiska interferometern 1520 t ex genom att justera de piezoelektriska anordningar-na inuti interferometern.

Optisk förstärkare 1510 fungerar på en puls-för-puls-basis och således används en triggsignal vid funktion. Triggsignalen kan tillhandahållas indirekt t ex via energitillförsel 1590 eller kan tillhandahållas direkt till den optiska förstärkaren 1510. På ett realtidsliknande sätt behandlar elektroniken den optiska signalen för att bestämma mängden ljus som har levererats till interferometern. Om interferometem mättas så vänds ökningen ned inuti den optiska förstärkaren 1510 och interferometern justeras för att drivas i ett mer optimalt område.

Om interferometem verkar under en optimal ljusnivå så vänder ökningen upp inuti den optiska förstärkaren 1510 och interferometem justeras igen för att verka i ett mer optimalt område. Såsom tidigare illustrerats i fig. 11 kan SNR i föreliggande utformning förbättras genom att öka ljuset som levereras till interferometem. Ökande SNR är vanligen önskvärt.

Dessutom, eftersom stabiliseringsschemat hos interferometern är oberoende av ljusintensiteten, varierande den optiska ökningen har variation av den optiska ökningen liten eller ingen effekt på stabilisationsprocessen hos interferometern.

Fig. 16 illustrerar ett elektriskt schema för en förbättrad detektor. Detektorn måste inhysa två mycket olika inmatningar: 1) den stora detekteringspulsen; och 2) de svaga modulationerna som glider på toppen av varje puls, innehållande information om ultraljud- ytförskjutningama. Den stora detekteringspulsen måste omvandlas till en likströmsignal så att l 10050900/KR,ASH 10 . . . . .- 524 550 23 . . . . - ø ~ ^ fl* interferometem kan stabiliseras under det att de svaga modulationerna måste separeras for demodulation. Den förbättrade detektorn i fig. 16 inhyser dessa två olika signaler med en enda krets genom användningen av en "T-återkoppling"-slinga, varvid nämnda "T" formas av resistorema Rl, R2 och R3. Denna krets ger en låg ökning till en stor puls och en hög ökning till modulationema.

Fig. 17 illustrerar frekvenssvaret hos T-återkopplingsslingan.

Under det att kretsar andra än de illustrerade medelst fig. 16 kan användas for att uppfylla dessa behov är kretsen tillhandahållen i fig. 16 en enda kretslösning för problemet.

Fastän föreliggande uppñnning har beskrivits i detalj inses att olika ändringar, ersättningar och alternativ kan göras därtill utan att frångå uppfinningens anda och omfattning såsom definierad av de åtföljande kraven. l l0050900/KR,ASH

Claims (32)

10 15 20 25 30 524 550 24 Patentkrav

1. Sätt att alstra och detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett avlägset mål omfattande stegen: att använda en första pulsad laserstråle for att alstra ultraljud-ytförskjutningar på en yta av det avlägsna målet; att använda en andra pulsad laserstråle som är koaxial med den första pulsade laserstrålen för att detektera ultraljud-ytforskjutningarna på ytan hos det avlägsna målet; att samla fasmodulerat ljus från den andra pulsade laserstrålen som antingen är reflekterat eller spritt av det avlägsna målet; och att behandla det fasmodulerade ljuset för att erhålla data som är representativa för ultraljud-ytförskjutningarna på ytan av det avlägsna målet.

2. Sätt enligt krav l, där steget att behandla det fasmodulerade ljuset dessutom omfattar stegen: att använda en interferometer for att demodulera det fasmodulerade ljuset för att skapa åtminstone en optisk signal; att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en digital signal; och att använda en digital signal-processor för att behandla nämnda åtminstone en digitala signal.

3. Sätt enligt krav 2, där steget att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en digital signal dessutom omfattar stegen: att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en analog signal; och att omvandla nämnda åtminstone en analoga signal till åtminstone en digital signal.

4. Apparat för att alstra och detektera ultraljud-ytíörskjutningar på ett avlägset mål omfattande: en första pulsad laser för att alstra en första pulsad laserstråle för att producera ultraljud-ytförskjutningar på en yta av det avlägsna målet; en andra pulsad laser för att alstra en andra pulsad laserstråle som är koaxial med nämnda första pulsade laserstråle för att detektera ultraljud-ytförskjutningama på ytan av det avlägsna målet; samlingsoptik for att samla fasmodulerat ljus från den andra pulsade laserstrålen som antingen är reflekterat eller spritt av det avlägsna målet; l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . . - n ~- 524 550 25 en interferometer för att behandla det fasmodulerade ljuset och alstra åtminstone en utmatningssignal; och en processor för att behandla nämnda åtminstone en utmatningssignal för att erhålla data som är representativa för ultraljud-ytförskjutningama på ytan av det avlägsna målet.

5. Apparat enligt krav 4, dessutom omfattande en intensitetskontroller för att justera intensiteten hos den andra pulsade laserstrålen på puls-för-puls-basis i proportion till intensiteten hos det fasmodulerade ljuset som är samlat av samlingsoptiken.

6. Apparat enligt krav 4, där den första pulsade lasern emitterar en laserstråle med koherent ljus av omkring 10 mikron i våglängd.

7. Apparat enligt krav 4, där interferometem är självstabiliserad användande väsentligen 100% av det fasmodulerade ljuset levererat till interferometern medelst samlingsoptiken.

8. Apparat enligt krav 4, dessutom omfattande en optisk avståndsbestämningsenhet för att beräkna ett avstånd medelst vilket det avlägsna målet är separerat från apparaten.

9. Sammansatt inspektionsapparat för stort område för att mäta ultraljud- ytförskjutningar på en yta av ett avlägset mål omfattande: en detekteringslaser för att alstra en pulsad laserstråle för att detektera ultraljud- ytförskjutningarna på ytan av det avlägsna målet; samlingsoptik för att samla fasmodulerat ljus från den pulsade laserstrålen som antingen är reflekterat eller spritt av det avlägsna målet; en interferometer för att bearbeta det fasmodulerade ljuset samlat av samlingsoptiken; varvid nämnda interferometer omfattar: en första kavitet som har en första konfokal linsstruktur; en andra kavitet som har en andra konfokal linsstruktur; en anordning för att dela inkommande depolariserat ljus i en första polariserat ljus-komponent och andra polariserat ljus-komponent där nämnda anordning även riktar nämnda första och andra polariserade ljuskomponenter till de första och andra kavitetema; ett kontrollsystem för att justera nämnda första och andra kaviteter så att ett förhållande av ljus transmitterat genom varje kavitet till ljus reflekterat tillbaka via varje kavitet förblir väsentligen konstant; och en processor för att behandla ljuset som är transmitterat genom den första kaviteten, ljuset som är reflekterat tillbaka genom den första kaviteten, ljuset som är transmitterat genom den andra kaviteten, och ljuset som är reflekterat tillbaka genom den andra kaviteten, allt i l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 .... w. 524 ss o ' 26 ordning för att erhålla data som är representativa för ultraljud-ytförskjutningarna på ytan av det avlägsna målet.

10. Sammansatt inspektionsapparat för stort område enligt krav 9, dessutom omfattande en intensitetskontroller som justerar på puls-för-puls-basis intensiteten hos den pulsade laserstrålen i proportion till intensiteten hos det fasmodulerade ljuset samlat av sarnlingsoptiken.

11. Sammansatt inspektionsapparat för stort område enligt krav 9, dessutom omfattande en positioneringsapparat för att flytta detekteringslasem över ytan av det avlägsna målet och sedan registrera och indexförse data detekterat av den sammansatta inspektionsapparaten för stort område.

12. Sammansatt inspektionsapparat för stort område enligt krav 9, där positioneringsapparaten är en ställningspositioneringsapparat.

13. Sarnrnansatt inspektionsapparat för stort område enligt krav 9, dessutom omfattande en alstringslaser för att alstra en pulsad laserstråle för att detektera de alstrade ultraljud-ytförskjutningarna på ytan av det avlägsna målet.

14. Sammansatt inspektionsapparat för stort område enligt krav 9, där alstringslasern och detekteringslasern koaxialt applicerar laserstrålar till ytan av det avlägsna målet.

15. Sätt att alstra och detektera ultraljud-ytförskjutníngar i ett avlägset mål omfattande stegen: att alstra ultraljud-ytförskjutningar i det avlägsna målet; att rikta en pulsad laserstråle för att detektera ultraljudförskj utningarna på ytan av det avlägsna målet; att samla in ljus från den pulsade laserstrålen som antingen är reflekterat eller spritt av det avlägsna målet; att behandla ljuset som år insamlat från det avlägsna målet användande en interferometer; varvid nämnda interferometer omfattar: en första kavitet som har en första konfokal linsstruktur; en andra kavitet som har en andra konfokal linsstruktur; en anordning för att dela inkommande depolariserat ljus i en första polariserat- ljuskomponent och en andra polariserat- ljuskomponent där nämnda anordning även riktar nämnda första och andra polariserade lj uskomponenter till första och andra kaviteter; ett kontrollsystem för att justera nämnda första och andra kaviteter så att ett förhållande av ljus transmitterat genom varje kavitet till ljus reflekterat tillbaka via varje kavitet förblir väsentligen konstant; och ett flertal detektorer för att detektera ljuset som är transmitterat genom den första kaviteten, ljuset som är reflekterat l lO050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 - . . . .o 550 27 524 tillbaka genom den första kaviteten, ljuset som är transmitterat genom den andra kaviteten, och ljuset som är reflekterat tillbaka genom den andra kaviteten, allt för att erhålla data representativa för ultraljud-yttörskj utningama på ytan av det avlägsna målet.

16. Sätt enligt krav 15, dessutom omfattande steget att justera på puls-för-puls-basis intensiteten hos den pulsade laserstrålen i proportion till intensiteten av ljuset insamlat från det avlägsna målet.

17. Sätt enligt krav 15, dessutom omfattande steget att indexförse detekteringslasem över en yta av ett avlägset mål och sedan registrera data på en punkt-för-punkt-basis.

18. Sätt enligt krav 15, där steget att alstra ultraljud-ytförskjutningar i det avlägsna målet åstadkoms av en alstringslaserstråle.

19. Sätt enligt krav 15, där den pulsade laserstrålen och en stråle av alstringslasern är koaxialt applicerade till ytan av det avlägsna målet.

20. Optisk interferometrisk apparat för mätning av inkommande depolariserat ljus omfattande: en första kavitet som har en första konfokal linsstruktur; en andra kavitet som har en andra konfokal linsstruktur; en stråldelare för att dela inkommande depolariserat ljus till en första polariserat ljus- komponent och en andra polariserat ljus-komponent och för att rikta nämnda första och andra polariserade ljuskomponenter till första och andra kaviteter; en första samlingsoptik för att samla ljus transmitterat genom den första konfokala linsstrukturen där nämnda insamlade ljus representeras av variabeln Vn; en andra samlingsoptik för att samla ljus reflekterat tillbaka via den första konfokala linsstrukturen där nämnda insamlade ljus representeras av variablen Vm; en tredje samlingsoptik för att samla ljus transmitterat genom den andra konfokala linsstrukturen där nämnda insamlade ljus representeras av variabeln VTZ; en fjärde samlingsoptik för att samla ljus reflekterat tillbaka genom den första konfokala linsstrukturen där nämnda insamlade ljus representeras av variabeln VTZ; ett kontrollsystem för att justera den första kaviteten för att variera en mängd ljus transmitterat genom den första kaviteten i samband med en mängd ljus reflekterat tillbaka genom den första kaviteten; och ett andra kontrollsystem för att justera den andra kaviteten för att variera en mängd ljus transmitterat genom den andra kaviteten i samband med en mängd ljus reflekterad tillbaka via den andra kaviteten.

21. Optisk interferometer enligt krav 20 dessutom omfattande: 1 10050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 5 2 4 5 5 0 28 en första detektor för att kvantifiera Vn; en andra detektor för att kvantifiera Vm; en tredje detektor for att kvantifiera VU; och en fjärde detektor för att kvantifiera VM.

22. Apparat enligt krav 20, där den första och andra kaviteten justeras for att upprätthålla följ ande samband: Vm VRz ------------- -- = ------------------- = en konstant VR1+ Vri VR2 + Vrz där konstanten är ett realt tal mellan 0,5 och 1,0.

23. Interferometrisk apparat för att mäta ljus, omfattande: en forsta kavitet som har en första konfokal linsstruktur; en andra kavitet som har en andra konfokal linsstruktur; en polariserad stråluppdelande sammansättning för att dela inkommande depolariserat ljus till en första polariserat ljus-komponent och en andra polariserat ljus- komponent där nämnda polariserade strålsuppdelande sammansättning riktar nämnda första och andra polariserade ljuskomponenter in i den första och den andra kaviteten; en första detektor anordnad for att detektera en forsta mängd ljus transmitterad genom den första konfokala linsstrukturen där nämnda första mängd representeras av variabeln VU; en andra detektor anordnad för att detektera en andra mängd ljus transmitterad genom den andra konfokala linsstrukturen där nämnda andra mängd representeras av variabeln VU; en tredje detektor anordnad för att detektera en första mängd ljus reflekterad tillbaka via den första konfokala linsstrukturen där nämnda första mängd representeras av variabeln Val; en fjärde detektor anordnad för att detektera en andra mängd ljus reflekterad tillbaka genom den andra konfokala linsstrukturen där nämnda andra mängd representeras av variabeln VRZ; ett första kontrollsystem för att justera och avstämma den första kaviteten för att justera VR; relativt VU; ett andra kontrollsystem för att justera och avstämma den andra kaviteten för att justera VR; relativt Vn. l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 30 . - . . a. 524 55Û . - | « ~ - . . .- 29

24. Apparat enligt krav 23, där den första och den andra kaviteten justeras för att upprätthålla följande samband: ------------- -- = ------------------- = en konstant VR1+ V11 Vkz + Vrz där konstanten är ett reellt tal mellan 0,5 och 1,0.

25. Apparat enligt krav 23, där konstanten är 0,75.

26. Apparat enligt krav 23, där närnnda första och andra konfokala linsstruktur var och en omfattar: en första delvis reflekterande sfärisk spegel; en andra delvis reflekterande sfarisk spegel; varvid var och en av nämnda delvis reflekterande sfäriska speglar har en kurvradie Rl; varvid nämnda första och andra delvis reflekterande sfäriska speglar vetter mot varandra och är åtskilda från varandra med ett avstånd som approximativt är lika med Rl.

27. Apparat enligt krav 23, där var och en av de första partiellt reflekterande sfáriska speglama är glidbart monterad på piezoelektriska monteringar för att tillåta att avståndet mellan den första delvis reflekterande sfariska spegeln och den andra delvis reflekterande sfariska spegeln blir justerat.

28. Apparat enligt krav 23, där var och en av den första och den andra konfokala linsstrukturen har åtminstone en av de delvis reflekterande sfariska speglama glidbart monterad för att ge justering i avståndet mellan den första delvis reflekterande sfariska spegeln och den andra delvis reflekterande sfäriska spegeln.

29. Apparat enligt krav 23, där nämnda åtminstone en av de partiellt reflekterande sfåriska speglama är glidbart justerad användande en piezoelektrisk anordning.

30. Apparat enligt krav 23, dessutom omfattande: en första kvartsvåglängdplatta relativt våglängden av det inkommande depolariserade ljuset, där nämnda första kvartsvåglängdplatta placeras mellan nämnda första polariserade stråldelare och den första kaviteten; och en andra kvartsvåglängdplatta relativt våglängden av det inkommande depolariserade ljuset, där nämnda andra kvartsvåglängdplatta placeras mellan den andra polariserade stråldelaren och den andra kaviteten. l l0050900/KR,ASH 10 15 20 25 524 550 ---- ~ e ' I ~ ~ u . p.. .. 30

31. Apparat enligt krav 23, där den polariserade stråldelande sammansättningen omfattar en polariserad stråldelare för att separera ut den första polariserade ljus-komponenten och för att rikta nämnda första polariserat ljus-komponent in i den första kaviteten där nämnda första polariserade stråldelare även transmitterar nämnda andra polariserat ljus-komponenten till en andra polariserad ljusdelare som riktar nämnda andra polariserat ljus-komponent till den andra kaviteten.

32. Interferometrisk apparat för att mäta ljus, omfattande: en första kavitet som har en första konfokal ljusstruktur; en andra kavitet som har en andra konfokal ljusstruktur försedd med ett medel för att dela inkommande dcpolariserat ljus till en första polariserat ljus-komponent och en andra polariserat ljus-komponent och för att rikta nämnda första och andra polariserat ljus- komponenter till en första och andra kavitet tillhandahållande ett flertal detektorer för att mäta mängden ljus som är transmitterad genom den första konfokala ljusstrukturen relativt mängden ljus som är reflekterad tillbaka genom den första konfokala linsstrukturen tillhandahållande ett samband som uttrycks av formeln (VR, / (VRI + V1~1)); en detektor för att mäta mängden ljus som är transmitterad genom den andra konfokala ljusstrukturen relativt mängden ljus som är reflekterad tillbaka genom den andra konfokala ljusstrukturen tillhandahållande ett samband som uttrycks av formeln (VM / (VRZ + Vn)); och ett kontrollsystem för att justera den första och den andra kaviteten för att upprätthålla följande samband trots en variation i intensitet hos det inkommande depolariserade ljuset: VR1 Vkz ------------- -- = ------------------- = en konstant VRI + VT1 Vnz + Vrz l l0050900/KR,ASH