DE2806845C2 - - Google Patents
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- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means
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Description
Die Erfindung
betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
Die Kenntnis der Verformungsmuster, die sich bei Belastung
eines Gegenstands ergeben, ist nützlich in Bereichen wie Belastungsanalyse,
Schwingungsstudien, Prüfen auf verborgene
Risse oder Blasen in Strukturen, Bewertung von Materialeigenschaften,
Geschwindigkeitsmessung, Wärmemessung und
Prüfen optischer Komponenten. Unter "Verformung" wird hier
die relative Verschiebung von Punkten auf der Oberfläche
des Gegenstandes relativ zueinander infolge der ausgeübten
Belastung verstanden, und zwar im Gegensatz zu gleichförmigen
Gesamtverschiebungen, die von der Belastung herrühren.
Das einfachste und älteste Verfahren zur Bestimmung einer
solchen Oberflächenverformung besteht darin, kartographisch
Punkt für Punkt die Oberfläche des Gegenstands vor und nach
Belastung aufzunehmen. Hierfür steht eine Vielfalt von Meßtechniken
zur Verfügung, die sich vom Kontaktflächenmessen
über Spannungsmeßvorrichtungen zu den sehr genauen optischen
Interferenztechniken erstreckt. Es ist diesen Verfahren
eigen, extrem langsam zu sein oder nur über relativ wenige
Punkte auf der Oberfläche des Gegenstandes Information zu
liefern; sie sind daher ungeeignet für irgendeine Art der
Prüfung, die regelmäßig wiederholt werden muß, wie es etwa
bei Benutzung zur Produktprüfung der Fall ist.
Die Erfindung praktisch ausführbarer Holographietechniken
in den 60er Jahren führte zur Entwicklung holographischer
Interferometrietechniken zur kartographischen Aufnahme
der von einer ausgeübten Belastung herrührenden Verformung
der gesamten Oberfläche eines Gegenstands. Der Gegenstand
wurde mit kohärentem Licht beleuchtet und eine
Fotoplatte dem Interferenzmuster ausgesetzt, das sich zwischen
dem vom Objekt reflektierten, nicht zu einer Abbildung
geformten Licht und einem Referenzlichtstrahl kohärenten
Lichts von der Lichtquelle ergab. Bei der Echtzeit-
Version dieses Prozesses wurde die Fotoplatte dann zur Bildung
eines Hologramms entwickelt, der Gegenstand belastet
und mit kohärentem Licht beleuchtet und die kohärente Rekonstruktion
des Bildes des unbelasteten Gegenstands vom
Hologramm auf dem Gegenstand selbst überlagert. Die Interferenz
zwischen vom Gegenstand reflektiertem Licht in Echtzeit
und dem rekonstruierten Bild führte zu einer Anordnung
von Interferenzstreifen auf dem Gegenstand, die als Funktion
der belastungsabhängigen Verformung des Gegenstands versetzt
waren. Bei der Doppelbelichtungsversion dieser Technik
wurde die Fotoplatte zweimal belichtet, und zwar einmal
vor und einmal nach der Belastung des Gegenstands. Bei
Rekonstruktion des Bildes des Gegenstands vom resultierenden
Hologramm unter Verwendung kohärenten Lichts ergab sich
eine Anordnung von Interferenzstreifen aus der Interferenz
zwischen den beiden Belichtungen, die als Funktion der Verformung
des Gegenstands zwischen den beiden Belichtungen
angeordnet und auf der Oberfläche des Gegenstands sichtbar
waren.
Diese Techniken zur kartographischen Aufnahme von Verformungen
bzw. Verschiebungen sind im amerikanischen Patent
35 45 259 offenbar. Ihnen war ein gewisser kommerzieller
Erfolg bei der Analyse verborgener Risse oder Blasen und
ähnlicher Fehlstellen bei hergestellten Gegenständen beschieden,
ihre Anwendung war jedoch wegen der relativ starken
Beschränkungen der Holographie begrenzt. Bei Durchführung
der Holographie müssen das Muster und das optische Gerät
mit großer Genauigkeit ausgerichtet sein und der Aufbau
sehr stabil und durch Verwendung stark gedämpfter Tische
und ähnlichem vor jeglicher möglichen Vibration geschützt
sein. Die mögliche Größe des zu untersuchenden Gegenstandes
ist durch die Kohärenzlänge des Laserlichts erheblich beschränkt.
Außerdem mußten Fotoplatten bzw. fotoempfindliche
Materialien mit extrem hoher Auflösung und niedriger Empfindlichkeit
verwendet werden. Das Verfahren mußte unter Ausschluß
jeglichen Umgebungslichts außer des vom Laser herrührenden
durchgeführt werden, und es durfte nur Licht einer
einzigen Frequenz verwendet werden.
Diese holographischen Interferometrietechniken messen nicht
die belastungsabhängig relativ gegeneinander erfolgende Verschiebung
von Punkten auf der Gegenstandsoberfläche, sondern
vielmehr die Gesamttranslationsbewegung infolge der Verformung
und der Bewegung des starren Körpers. Eine große Schwierigkeit
ergibt sich bei der Unterscheidung der Interferenzstreifen,
die verschiedenen Fehlstellen oder Ungleichförmigkeiten
im Gegenstand zuzuordnen sind, von jenen, die sich
aus der Gesamtverformung bzw. -verbiegung des Gegenstands
infolge einer Belastung ergeben. Falls beispielsweise ein
Gummireifen, der auf Ungleichförmigkeiten unter der Oberfläche
untersucht werden soll, durch Änderung des Umgebungsdrucks
auf den Reifen belastet würde, würde die untersuchte
Oberfläche insgesamt verformt werden, während der Oberflächenbereich
unmittelbar über einem Riß, einer Blase oder dergleichen
einer größeren Verformung unterliegen könnte. Bei
der Rekonstruktion des Bildes dieses Gegenstands aus dem resultierenden
Doppelbelichtungs-Hologramm wäre es schwierig,
die Interferenzstreifenfamilien, die sich aus der anomalen
Verformung ergeben, von denjenigen zu trennen, die von der
gleichförmigen Verformung herrühren. Es wurden zwar Anstrengungen
unternommen, den optischen Aufbau zwischen den
Belichtungen zu modifizieren, um die von der Gesamtverformung
herrührenden Interferenzstreifen möglichst gering zu
machen (vgl. US-Patent 38 60 346), dieses Problem wurde jedoch
nie ganz gelöst und hat die Anwendung der holographischen
Interferometrietechnik stark eingeschränkt.
Aus "Applied Optics, Vol. 14, No. 13, March 1975, S. 618-622"
ist ein interferometrisches Verfahren nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem wird zur Erzeugung der
Abbildungen des untersuchten Gegenstandes auf einer
Fotoplatte ein Abbildungssystem mit zwei Paaren von
Blendenöffnungen verwendet. Um zwei gegeneinander verschobene
Bilder eines Gegenstandes zu erzeugen, sind
die Blendenöffnungen in einem Abstand voneinander angeordnet
und relativ klein, damit sie wie Punktlichtquellen
wirken. Mittels des Abbildungssystems wird eine defokussierte
Abbildung erzeugt, bei der die zu belichtende
Fotoplatte aus der Bildebene heraus um einen bestimmten
Betrag verschoben wird, so daß sich eine Bildscherung
einstellt. Die Anordnung einer Blende mit
kleinen Öffnungen bewirkt aber, daß der größte Teil des
in Richtung Abbildungssystem am Gegenstand reflektierten
Lichts für die Abbildung des Gegenstandes nicht genutzt
wird. Demzufolge ist die Bildhelligkeit gering.
Für die fotografische Abbildung ist daher eine lange
Belichtungsdauer erforderlich, die das Verfahren für
die Praxis untauglich macht.
Aus der US 37 67 308 ist ferner ein interferometrisches
Verfahren bekannt, bei dem zum Erzeugen eines Bildes
mit Interferenzmustern zwei im Abstand voneinander angeordnete
Schlitze als Maske vor der Abbildungslinse
verwendet werden. Bei diesem Verfahren müssen das zu
prüfende Objekt und die optische Meßapparatur sehr
genau zueinander ausgerichtet werden. Die gesamte
Meßanordnung muß zudem sehr stabil aufgebaut sein,
damit ungünstige Vibrationseffekte, die das Ergebnis
verfälschen, unterbleiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein neues interferometrisches
Verfahren, das die Belichtung des
fotografischen Aufzeichnungsträgers mit hoher Intensität gestattet, sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
anzugeben.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 und für eine Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 12
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht, grob gesagt, die Erzeugung
eines fotografischen Doppelbelichtungs-Interferogramms
(Doppel-Interferogramm) einer mit kohärentem Licht beleuchteten
Oberfläche eines Gegenstands vor, wobei von den beiden
Belichtungen bzw. Aufnahmen eine vor- und eine nach Belastung
des Gegenstands erfolgen. Jede Aufnahme des Interferogramms
stellt selbst ein Interferogramm dar, das dadurch erzeugt
wird, daß ein Paar von Bildern der mit kohärentem Licht beleuchteten
Gegenstandsoberfläche mit einer leichten Versetzung
gegeneinander auf dem fotografischen Medium (im
folgenden vereinfacht als "Fotoplatte" bezeichnet) fokussiert
wird, und zwar so, daß sich die Bilder auf dem größeren
Teil ihrer Flächen überlappen, jedoch nicht zusammenfallen.
Dies führt dazu, daß auf der Fotoplatte ein etwas
verschwommenes Bild mit einem überlagerten Interferenzmuster
aufgenommen wird. Die beiden Aufnahmen werden zueinander
koinzident ausgeführt, so daß, falls der Gegenstand
zwischen den beiden Aufnahmen nicht belastet würde, die
beiden identischen Interferogramme auf der entwickelten
Fotoplatte als ein einziges erscheinen würden. Die beiden
Interferenzmuster, die während der Doppelbelichtung auf der
Fotoplatte aufgezeichnet werden, eines vor und eines nach
Belastung des Gegenstands, interferieren untereinander zur
Erzeugung eines Interferenzmusters. Dieses Interferenzmuster
erscheint zusammen mit einem leicht verschwommenen,
jedoch klar erkennbaren Bild des Gegenstands auf der entwickelten
Fotoplatte.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei der Fall betrachtet,
bei dem die auf den Gegenstand zwischen den beiden
Aufnahmen ausgeübte Belastung eine leichte gleichförmige
Translation des Gegenstands seitlich zur Mittelachse der
Optik hervorruft. Das resultierende Interferenzmuster zwischen
dem ersten und dem zweiten Interferenzmuster wäre
über den gesamten Bereich des Gegenstands gleichförmig nach
Art des gleichförmigen Musters, das sich durch Überlagerung
zweier übereinstimmender Gitter relativ zueinander ergibt.
Im praktischen Fall erzeugt die auf den Gegenstand ausgeübte
Belastung infolge des strukturellen Aufbaus des Gegenstands
und/oder verschiedener Fehlstellen im Gegenstand keine völlig
gleichförmige Spannung im Gegenstand. Folglich stimmen
die während der beiden Aufnahmen aufgezeichneten Interferenzmuster
nicht überein, so daß das endgültige, die Interferenz
zwischen diesen beiden getrennten Interferenzmustern darstellende
Interferenzmuster auf der Fotoplatte bzw. dem Film
ungleichförmig ist, d. h. daß die Frequenz der Interferenzstreifen
sich über die Gegenstandsoberfläche verändert. Die
Interferenzfrequenz an irgendeinem Punkt der Gegenstandsoberfläche
ist ein Maß für die Verformung dieser Oberfläche.
Die bei diesem endgültigen Interferogramm erzeugten Interferenzstreifen
haben im wesentlichen eine konstante Amplitude
sowie ein konstantes Tastverhältnis und sind normalerweise
ganz dünn, so daß, während in diesem entwickelten
Interferogramm ein Bild des Gegenstands erkennbar ist, die
durchschnittliche Dichte des feinen Interferenzmusters über
die Gegenstandsoberfläche gleichförmig ist. Die Auswertung
ist daher schwierig, selbst wenn das Interferogramm relativ
große Veränderungen der Interferenzstreifenfrequenz
enthält, die von unterschiedlichen Verschiebungen in der
Gegenstandsoberfläche aufgrund der ausgeübten Belastung erzeugt
werden.
Es wäre zwar möglich, die Frequenz der dünnen Interferenzstreifen
an jedem Punkt des entwickelten Bildes beim überlagerten
Interferogramm unter Einsatz geeigneter Instrumente
wie eines Mikroskops zu messen. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung werden diese Interferenzstreifen
jedoch dem bloßen Auge dadurch sichtbar gemacht,
daß das aus dem Doppelbelichtungsprozeß herrührende entwickelte
Bild-Interferogramm durch ein Interferenzstreifenfrequenz-
Diskriminatorfilter verarbeitet wird. Dieses Filter
hat vorzugsweise die Form eines Fourier-Ebenen-Filters
mit einer Blende für ein ausgewähltes Interferenzstreifenfrequenzband.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
die Fotoplatte als Transparent entwickelt oder von einem
Positivabzug ein Transparent hergestellt. Dieses Transparent
wird mit einem Lichtstrahl, der von einer Punktlichtquelle
abgeleitet wird, be- bzw. durchleuchtet und der
Strahl fokussiert. Es braucht sich dabei nicht um eine
kohärente Lichtquelle zu handeln. In der Fourier-Ebene,
d. h. der Bildebene der Punktlichtquelle ist auf der der
Lichtquelle abgewandten Seite des Transparents eine Blende
angeordnet. Diese Blende kann in bezug auf die optische
Achse zentral liegen, um Interferenzstreifen niedriger
Frequenz zu blockieren, oder es kann sich um eine ringförmige
Blende zum Blockieren von Interferenzstreifen hoher
Frequenz handeln. Die Verwendung der Blockierung niedriger
Frequenz ist vorzuziehen, da sie weniger beeinträchtigenden
Einfluß auf das resultierende Bild des Gegenstands hat. Eine
Objektivlinse fokussiert ein Bild des gefilterten Interferogramms
auf einen Schirm zur visuellen Betrachtung des endgültigen
Ergebnisses. Alternativ könnte von dem gefilterten
Bild ein Foto hergestellt werden. In diesem endgültigen
Bild sind verschiedene Interferenzstreifenanordnungen klar
erkennbar. Diese Anordnungen sind um Punkte maximaler ungleichförmiger
Spannung des Gegenstands als Folge der ausgeübten
Belastung zentriert.
Auf dem endgültigen Bild finden sich keine sichtbaren Interferenzstreifen,
die von einer gleichförmigen Verformung des
Gegenstands herrühren, da die aus der Gesamtverformung resultierenden
Interferenzstreifen konstante Frequenz haben
und durch die Fourier-Filterung entweder alle hindurchgelassen
oder blockiert werden, so daß sich schließlich eine
gleichförmige optische Dichte des endgültigen Bildes ergibt.
Nur die Interferenzstreifen, die eine anomale Bewegung eines
Abschnitts darstellen, sind sichtbar.
Diese anomale Verformung kann von der Ausführung des Gegenstands
oder anomalen Struktureigenschaften des Gegenstands wie Rissen,
Trennungen unter der Oberfläche, Blasen oder Einschlüssen
oder Bereichen ungleichförmiger Festigkeit herrühren, die
die Oberflächenverformung beeinflussen. Die Erfindung eignet
sich dementsprechend als Entwurfshilfe zur Prüfung von
Prototypen oder Produktionsteilen.
Die Erfindung kann für alle Anwendungen eingesetzt werden,
die für die holographische Interferometrie vorgeschlagen
wurden, einschließlich der Erkennung von Rissen in Schweißstellen
Blasen oder Lunkern unter der Oberfläche, Trennstellen
oder Ungleichförmigkeiten in Fahrzeugreifen, Trennstellen
in Sandwichwaben und anderen vorgefertigten Strukturen
etc. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr viel
einfacher auszuführen als die holographische Interferometrie,
da die Anforderungen hinsichtlich der Aufstellung weniger
streng sind, da zur Betrachtung kein kohärentes Licht erforderlich
ist und keine Notwendigkeit einer komplizierten
Vibrationsisolation besteht. Die mit Hilfe dieses Verfahrens
erzielten Ergebnisse sind wegen der guten Sichtbarkeit der
Interferenzstreifen, die Bereiche anomaler Verformung kartographisch
darstellen, und wegen des Fehlens von Interferenzstreifen,
die auf gleichförmiger Verformung beruhen, besser.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
die Interferogramme mit Hilfe einer Kamera erstellt, die abgesehen
von der Ausbildung ihres Objektivs einen herkömmlichen
Aufbau besitzt. Das Objektiv ist in zwei Segmente
unterteilt, die zwei getrennte Bilder der Gegenstandsoberfläche
auf der Fotoplatte fokussieren. Ein Segment kann
herkömmlich sein, während das andere in Form eines prismaähnlichen
Keils ausgebildet sein kann, um das von ihm
fokussierte Bild seitlich in eine wesentliche Überlagerung
mit dem vom regulären Segment erzeugten Bild zu verschieben.
Die Kamera kann in üblicher Weise verwendet werden und unterliegt
in ihrem Betrieb üblichen Genauigkeitsbeschränkungen.
Jegliche Gesamtbewegung des Gegenstands zwischen der Erzeugung
der beiden Bilder innerhalb relativ weiter Grenzen
führt zu einem gleichförmigen Interferenzmuster auf dem
entwickelten fotografischen Interferogramm und stört die
Ausführung der Erfindung nicht.
Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, die Neigungen
der Verformungen, denen ein vibrierender Gegenstand unterliegt,
kartographisch aufzuzeichnen. Bei dieser Ausführung
wird ein Gegenstand, der einer Vibration im
eingeschwungenen Zustand unterliegt, mit Hilfe der speziellen
Kamera über eine Belichtungszeit mehrerer
Vibrationsperioden abgebildet. Die Fotoplatte bzw. der Film
zeichnet die über die Zeit integrierten Interferenzmuster
zwischen den beiden im Zeitdurchschnitt vorherrschenden Stellungen
des Gegenstands während der Vibration auf. Dieses
Bild kann in gleicher Weise wie in Doppelbelichtungsbild
verarbeitet werden, das sich bei den anderen Ausführungsformen
ergibt, um ein sichtbares Interferenzmuster
zu erzeugen, das als die Neigungen der Vibrationsamplitude
angeordnet ist.
Die Interferenzstreifenfamilien, die anomale Verformungsmuster
darstellen, die durch Verwendung der Erfindung erhalten
werden, sind einfacher als die Interferogramme auszuwerten,
die sich bei der holographischen Interferometrie
ergeben. Dies beruht auf der Schärfe der Interferenzstreifen
und dem Fehlen jeglicher eine gleichförmige Gegenstandsbewegung
darstellender Interferenzstreifen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten
Ausführungsform unter Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung
zur Erzeugung eines Doppel-Interferogramms von
einer mit kohärentem Licht beleuchteten Oberfläche
eines Gegenstands bei zwei Werten des auf
den Gegenstand einwirkenden Umgebungsdrucks,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur
Erzeugung des Interferogramms,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Abschnitts
eines Interferogramms zur Erläuterung der Interferenzstreifen
konstanter Amplitude und veränderlicher
Frequenz auf dem nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erhaltenen Interferogramm,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Verarbeitung eines Interferogramms
mit einem Fourier-Ebenen-Filter, und
Fig. 5 eine Darstellung des resultierenden Bildes des
Gegenstands mit überlagerten Interferenzstreifenmustern,
die als Funktion der bei Belastung des
Gegenstands aufgetretenen anomalen Verformung angeordnet
sind, welches Bild nach Verarbeitung mit der
Vorrichtung von Fig. 4 erhalten wurde.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient der Untersuchung
des Spannungsmusters, das auf der Oberfläche irgendeines
untersuchten Gegenstands 10 als Folge einer Belastung auftritt,
die durch Änderung des auf den Gegenstand einwirkenden
Umgebungsdrucks auf diesen ausgeübt wird. Die Druckänderung
wird dadurch erreicht, daß der Gegenstand auf einem
Tisch 12 unter einem gewölbten Druckdeckel 14 getragen wird.
Eine Luftpumpe 16, die an einem Ende mit der Atmosphäre verbunden
ist, steht mit dem Raum zwischen dem Deckel 14 und
dem Tisch 12 über ein Ventil 18 in Verbindung. Durch Steuerung
der Pumpe 16 und des Ventils 18 kann der Druck innerhalb
des Deckels 14 gesteuert werden. Es kann gleich, größer
oder kleiner als der atmosphärische Druck gemacht werden.
Unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 1 kann eine Aufnahme
der Doppelbelichtung bei einem ersten Druck erfolgen,
der Druck dann auf einen zweiten Wert geändert werden und
danach eine zweite Aufnahme gemacht werden, so daß die von
dieser Druckänderung herrührende Spannung auf der Oberfläche
des Gegenstands untersucht werden kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann
die Belastung auf den untersuchten Gegenstand auf andere
Weise ausgeübt werden, etwa durch Änderung der Temperatur
des Gegenstands, Änderung der mechanischen Belastung des
Gegenstands etc. Die vorliegende Erfindung ist in keiner
Weise auf irgendwelche Belastungsmöglichkeiten beschränkt.
In Fig. 1 ist der Gegenstand 10 als ein sich verjüngender
Block dargestellt. Dieser Block kann beispielsweise ein
Gummiformteil sein, das auf Einschlüsse neben der untersuchten
Oberfläche 20 hin geprüft werden soll.
Der zu untersuchende Abschnitt der Oberfläche 20 wird mit
kohärentem Licht von einem Laser 22 beleuchtet. Der Laserstrahl
durchläuft eine Zerstreuungslinse 24 und eine Lochblende
26 (Pinhole-Filter). Alternativ könnte der Strahl
mit Hilfe eines geschliffenen Glasdiffusers oder ähnlichem
aufgeweitet werden. Gemäß Darstellung befindet sich diese
Beleuchtungsanordnung unter dem unter Druck stehenden Deckel
14. Bei alternativen Ausführungsformen könnte die Beleuchtungsanordnung
jedoch auch außerhalb angeordnet sein und
der Beleuchtungsstrahl durch ein geeignetes (nicht dargestelltes)
Fenster in den Deckel eintreten.
Von der Oberfläche 20 des Blocks 10 reflektiertes kohärentes
Licht wird mit Hilfe einer speziellen Linse auf eine
Fotoplatte 28 fokussiert. Diese Linse wird als Scherlinse
30 bezeichnet und nachfolgend im einzelnen erläutert.
Die Scherlinse 30 und die Fotoplatte 28 könnten sich innerhalb
einer Kamera außerhalb des Deckels 14 befinden. Der Deckel
14 müßte dann mit einem Fenster für das von der Oberfläche
zur Kamera reflektierte Licht versehen werden.
Die optische Natur des Abbildungssystems ist in der schematischen
Darstellung von Fig. 2 gezeigt.
Ein Teil 32 stellt eine gewöhnliche bikonvexe Kameralinse
dar. Ein Keil 34 aus optischem Glas bedeckt eine Hälfte
der Linse. Die unbedeckte Hälfte der Linse fokussiert in
einer üblichen Weise Licht von der beleuchteten Oberfläche
20 auf die Fotoplatte 28. Licht vom Punkt A auf der Oberfläche
20 wird beispielsweise auf einen Punkt A′ auf der
Fotoplatte 28 fokussiert, während Licht von einem Punkt B
auf der Oberfläche 20 auf den Punkt B′ fokussiert wird.
Licht, das von der Oberfläche 20 den Keil 34 durchläuft,
wird von der Linse 32 ebenfalls auf der Fotoplatte 28
fokussiert und erzeugt auf der Fotoplatte ein Bild der
Oberfläche 20, das jedoch in bezug auf das Bild leicht verschoben
ist, das vom Licht erzeugt wird, welches durch den
unbedeckten Linsenabschnitt läuft. So wird beispielsweise
vom Punkt A der Oberfläche 20 reflektiertes Licht im Punkt A′′
auf der Fotoplatte 28 fokussiert. Es fällt nicht mit
dem Licht zusammen, das vom Punkt A durch den unbedeckten
Abschnitt der Linse 32 läuft, sondern trifft vielmehr auf
den Punkt B′.
Es interferiert
Licht von den Punkten A und B auf der Oberfläche 20 miteinander
an den Punkten A′′-B′. In ähnlicher Weise interferieren
die beiden auf der Fotoplatte 28 fokussierten
Bilder von dem bedeckten und dem unbedeckten Linsenabschnitt
miteinander an den Stellen, an denen sie sich überlappen.
Die vom Keil 34 hervorgerufene Verschiebung ist vorzugsweise,
verglichen mit der Gesamtabmessung des fokussierten
Bildes, relativ gering. Falls daher die Fotoplatte entwickelt
werden sollte, wäre ein leicht verschwommenes Bild
des Gegenstands sichtbar, ganz ähnlich einem Bild, das sich
bei der Aufnahme eines während der Belichtung bewegten
Objekts mit einer herkömmlichen Kamera ergibt. Dem verschwommenen
Bild wäre auf seiner Oberfläche ein Interferenzmuster
überlagert, das aus der kohärenten Interferenz der
beiden gescherten Bilder des Gegenstands herrührte. Das
Interferenzmuster wäre gleichförmig sowohl in der Frequenz
als auch in der Amplitude.
Nach Aufnahme des ersten Bildes auf der Fotoplatte 28 und
ohne Verschieben der Fotoplatte oder Entwickeln des aufgenommenen
Bildes wird der Gegenstand belastet. Vorzugsweise
erfolgt dies durch Verwendung der Pumpe 16 zur Änderung
des Drucks innerhalb des Deckels 14. Der Druck kann bezogen
auf die erste Belichtung erhöht oder erniedrigt werden. Dann
wird der Laser 22 eingeschaltet und auf der Fotoplatte 28
eine andere Aufnahme der beleuchteten Oberfläche 20 des
Gegenstands 10 hergestellt.
Es sei angenommen, daß die Druckänderung nicht zu einer
Spannung auf der Oberfläche 20 des Gegenstands führte. Die
Fotoplatte 28 wäre dann mit zwei übereinstimmenden gescherten
Bildern belichtet worden, so daß sich nach Entwicklung
der Fotoplatte 28 ein leicht verschwommenes Bild
der Oberfläche 20 des Gegenstands mit einem regelmäßigen
Muster von Interferenzstreifen gleicher Frequenz und gleicher
Amplitude zeigen würde.
Es sei ferner angenommen, daß die Druckänderung zu irgendeiner
gleichförmigen Änderung der Lage der Oberfläche 20
des Gegenstands bezogen auf die Fotoplatte geführt hat,
beispielsweise zu einer leichten Verschiebung in Richtung
auf die Fotoplatte oder einer leichten Verschiebung seitlich
zur Fotoplatte. In diesem Fall wäre ein zweites verschwommenes
Bild der Oberfläche zusammen mit einem Interferenzmuster
auf der Fotoplatte aufgezeichnet worden, welches
von der Interferenz des ersten Satzes von Interferenzstreifen
mit dem sich aus diesem zweiten verschwommenen
Bild ergebenden Satz herrühren würde. Die beiden Interferenzmuster
würden miteinander interferieren und ein Gesamtinterferenzmuster
ergeben. Infolge der gleichförmigen
Bewegung des Gegenstands bzw. seiner Oberfläche wäre dieses
Gesamtinterferenzmuster über die gesamte Gegenstandsoberfläche
regelmäßig. Bei Entwicklung der Fotoplatte würde
sich ein verschwommenes Bild des Gegenstands ergeben, und
das regelmäßige Interferenzmuster wäre weitgehend unsichtbar,
und zwar wegen seiner geringen Größe und der Tatsache,
daß die Interferenzstreifen mit regelmäßiger Amplitude und
regelmäßigem Abstand zu einem gleichförmigen Dunkelwert
über das gesamte Bild führen würden.
Nun sei jedoch angenommen, daß, wie im praktischen Fall,
die Druckänderung eine über die Oberfläche 20 des Gegenstands
unregelmäßige Spannung hervorruft. Falls beispielsweise
eine Blase im Gegenstand an einem Punkt nahe der
Oberfläche 20 vorhanden ist, könnte eine Zunahme des Umgebungsdrucks
eine relativ große Versetzung dieses Punkts
relativ zum Rest des Gegenstands bewirken. In diesem Fall
wäre das auf der Fotoplatte als Folge der Interferenz der
beiden während der ersten und der zweiten Aufnahme gebildeten
Interferenzmuster erzeugte Interferenzmuster unregelmäßig,
d. h. die Frequenz der Interferenzstreifen würde
sich als Funktion der Verschiebung jedes Punktes der Oberfläche
des Gegenstands zwischen den beiden Aufnahmen verändern.
Das resultierendes Muster von Interferenzstreifen würde Ringe
von Interferenzstreifen abwechselnd hoher und niedriger
Frequenz aufweisen, welche Punkte anomaler Spannung umgeben.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Abschnitts
solch eines resultierenden Interferogramms. Nimmt man an,
daß der Punkt 36 eine anomale Verformung durchgemacht hat,
dann würden Ringe von Interferenzstreifen 38 diesen Punkt
umgeben. Diese Interferenzstreifenmuster wären infolge der
feinen Art der Interferenzstreifen und der Tatsache, daß
die Amplitude der Interferenzstreifen und ihr Tastverhältnis
gleich sind, so daß sich ein gleichförmiger Beleuchtungswert
ergibt, mit bloßem Auge äußerst schwierig zu erkennen.
Um die Änderungen der Frequenz der Interferenzstreifen gut
sichtbar zu machen, wird das entwickelte Doppel-Interferogramm
40 mit Hilfe der Vorrichtung von Fig. 4 verarbeitet.
Das Interferogramm 40 ist vorzugsweise in Form eines Transparents
entwickelt worden. Bei alternativen Ausführungsformen
könnte ein Positivabzug hergestellt und eine Filterung
auf andere Weise ausgeführt werden. Bei der Vorrichtung von
Fig. 4 wird das Transparent 40 mit einem konvergierenden
Lichtstrahl von irgendeiner geeigneten, nicht-kohärenten
Quelle 42 etwa durch eine Lochblende 44 be- bzw. durchleuchtet.
Der Strahl von der Lochblende wird mit Hilfe eines Objektivs
46 gesammelt und durch das Transparent 40 geleitet.
An der Fourier-Ebene 48 ist eine zentrale Blende 50 angeordnet.
Diese Blende dient als Sperre für alle Interferenzstreifen
unterhalb einer bestimmten Frequenz. Das resultierende
virtuelle Bild wird mit Hilfe einer Linse 52 auf einen
Schirm 54 projiziert. Der Schirm 54 zeigt auf diese Weise
ein verschwommenes Bild des Gegenstands mit darauf ausgebildeten
Interferenzstreifenanordnungen. Da die Interferenzstreifen
niedriger Frequenz nicht durchgelassen wurden, erscheinen
an ihrer Stelle geschwärzte Bereiche auf dem Bild.
Das erhaltene Bild ist in Fig. 5 dargestellt. Die geschwärzten
Bereiche 56 stellen die Verformungsanomalien der Gegenstandsoberfläche
20 dar.
Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung können andere
Formen der Interferenzstreifenfrequenzfilterung verwendet
werden. So könnte beispielsweise eine ringförmige Blende als
Sperre für Interferenzstreifen hoher Frequenz in der Fourier-
Ebene eingesetzt werden.
Durch das für die Interferenzstreifenfrequenz empfindliche
Fourier-Filter wird der Interferenzstreifenkontrast des
resultierenden Bildes des Gegenstands verstärkt.
Claims (12)
1. Interferometrisches Verfahren, bei dem auf einem
fotografischen Aufzeichnungsträger eine erste Abbildung
eines untersuchten, mit kohärentem Licht
beleuchteten und sich in einem ersten Zustand befindenden
Gegenstands mittels eines Abbildungssystems
erzeugt wird, der Gegenstand dann, etwa
durch Belastung, in einen zweiten Zustand gebracht
wird, dann eine zweite Abbildung des mit kohärentem
Licht beleuchteten und sich in dem zweiten Zustand
befindenden Gegenstands mit demselben Abbildungssystem
erzeugt wird und ein durch Überlagerung
beider Abbildungen erzeugtes und Interferenzstreifen
aufweisendes Interferogramm ausgewertet
wird, wobei bei der ersten Abbildung zwei geringfügig
gegeneinander versetzte Bilder des Gegenstands
erzeugt sowie bei der zweiten Abbildung auf
demselben Aufzeichnungsträger wie bei der ersten
zwei gleichermaßen gegeneinander versetzte Bilder
erzeugt werden, die mit den ersten Bildern koinzident
sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das verwendete Abbildungssystem eine Linse
(32) und einen einen Abschnitt der Linse (32) bedeckenden
Keil (34) aus optischem Glas umfaßt,
derart, daß die Linse (32) einen vom Keil (34) bedeckten
und einen unbedeckten Abschnitt aufweist,
wobei bei der Abbildung durch den bedeckten Linsenabschnitt
und den Keil (34) ein fokussiertes
Bild erzeugt wird, das gegenüber dem durch den unbedeckten
Linsenabschnitt erzeugten fokussierten
Bild geringfügig versetzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Interferogramm mit einem Interferenzstreifen-
Frequenzfilter ein Bild des Gegenstands (10)
erzeugt wird, welches überlagerte und als Funktion
der bei einer Zustandsänderung durch Belastung des
Gegenstands auftretenden Spannung angeordnete
Interferenzstreifenfamilien aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Erzeugung des Bildes aus dem Interferogramm die
Erzeugung einer Fourier-Ebenen-Projektion des Interferogramms,
die erneute Abbildung des Bildes
aus der Fourier-Ebene und das Ausblenden vorgegebener
Abschnitte des Bildes der Fourier-Ebene umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die hochfrequenten Abschnitte des Bildes ausgeblendet
werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur kohärenten Beleuchtung
des Gegenstands (10) ein Laser (22) verwendet
wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Aufzeichnungsträger
eine Fotoplatte (28) verwendet wird, die eine
mit lichtempfindlichen Chemikalien beschichtete
ebene Fläche hat.
7. Verfahren nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fotoplatte (28) als Transparent (40) entwickelt
wird und daß die Fourier-Ebenen-Projektion
mit Hilfe einer Durchleuchtung des Transparents
(40) mit einem konvergierenden Lichtstrahl erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Interferenzstreifen-Frequenzfilter ein
Fourier-Interferenzstreifenfrequenz-Diskriminatorfilter
verwendet wird, welches ein Bild des Gegenstandes
(10) mit einem hohen Kontrast zwischen Interferenzstreifen
unterschiedlicher Frequenz erzeugt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der konvergierende Lichtstrahl
dadurch gebildet wird, daß Licht von einer Punktlichtquelle
(42) durch eine Linse (46) geleitet
wird, und in der resultierenden Fourier-Ebene (48)
eine Blende (50) angeordnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (50) in der Mitte der Fourier-Ebene
angeordnet wird, um die Interferenzstreifen niedriger
Frequenz zu sperren.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das gefilterte
Interferogramm auf einem Schirm (54) wiedergegeben
wird.
12. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf
einem fotografischen Aufzeichnungsträger eine
erste und eine zweite Abbildung eines untersuchten,
mit kohärentem Licht beleuchteten und sich in zwei
verschiedenen Zuständen befindenden Gegenstands
mittels eines Abbildungssystems erzeugt wird,
wobei bei der ersten Abbildung zwei geringfügig
gegeneinander versetzte Bilder des Gegenstands erzeugbar
sowie bei der zweiten Abbildung auf demselben
Aufzeichnungsträger wie bei der ersten zwei
gleichermaßen gegeneinander versetzte Bilder erzeugbar
sind, die mit den ersten Bildern koinzident
sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das verwendete Abbildungssystem eine Linse
(32) und einen einen Abschnitt der Linse (32) bedeckenden
Keil (34) aus optischem Glas umfaßt,
derart, daß die Linse (32) einen vom Keil (34) bedeckten
und einen unbedeckten Abschnitt aufweist,
wobei bei der Abbildung durch den bedeckten Linsenabschnitt
und den Keil (34) ein fokussiertes
Bild erzeugbar ist, das gegenüber dem durch den
unbedeckten Linsenabschnitt erzeugten fokussierten
Bild geringfügig versetzt ist.
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