DE3151542A1

DE3151542A1 - Vorrichtung zum messen von deformationen

Info

Publication number: DE3151542A1
Application number: DE19813151542
Authority: DE
Inventors: Anatolij Prokop'evi&ccaron; &Zcaron;ukovskij Moskovskaja oblast' Bykov
Original assignee: BYKOV ANATOLIJ PROKOP'EVIC
Current assignee: BYKOV ANATOLIJ PROKOP'EVIC
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1981-12-28
Publication date: 1983-07-07
Also published as: FR2520499B1; US4432239A; FR2520499A1

Description

Anatoly Prokopievich BYKOV Zhukovsky Moskovskoi oblasti, UdSSR

Vorrichtung zum Messen von Deformationen

Die Erfindung bezieht sich auf die Meßtechnik, und sie betrifft insbesondere Vorrichtungen zur Messung von Deformationen .

Die Erfindung kann als ein mustergültiges Mittel bei der metrologischen Eignungsprüfung tensometrischer Deformationswandler sowie als ein Instrument für die Untersuchung der Deformationen bei Festigkeits-, Elastizitäts- und anderen Prüfungen von Probestücken eingesetzt werden.

Die ständige Vervollkommnung tensometrischer Deformationswandler erfordert die Entwicklung entsprechend präziser Mittel für ihre metrologische Prüfung. Die Entwicklung von Berechnungsmethoden in der Festigkeits- und Elastizitätstheorie erfordert ihrerseits auch die Entwicklung einer Vorrichtung für eine präzise Messung des jeweiligen Deformationsfeldes der Oberfläche eines Probestückes mit dem Ziel einer experimentellen Nachprüfung entsprechender mathematischer Modelle.

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Bekannte Verfahren und Vorrichtungen für die Messung von Deformationen beruhen auf der Registrierung der relativen Verschiebung von Markierzeichen, beispielsweise in Form von linearen Streumitteln, die an der Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes angebracht sind, beziehungsweise auf der Registrierung der Änderung der Periode eines Beugungsgitters, das auf die Oberfläche des Probestückes aufgebracht wird. Diese Vorrichtungen weisen ein Registriergerät auf, dessen Konstruktion die erforderliche Empfindlichkeit und die Genauigkeit nicht gewährleistet.

Aus der US-PS 3 628 866 ist eine Vorrichtung zur Messung der Deformation bekannt, die einen Laser, der mit einem optischen System zur Ausbildung von Lichtbündeln verbunden ist, ein Markierzeichen in Form eines Abschnittes eines Beugungsgitters, das auf die Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes aufgebracht ist, und ein Registriergerät aufweist, das aus einem Aufnahmeobjektiv und einem Leuchtschirm besteht, der in der Brennebene des Objektivs aufgestellt ist.

Bei der Messung von Deformationen wird eines von zwei Bündeln am Ausgang des optischen Systems für die Ausbildung der Bündel auf einen Abschnitt des Beugungsgitters gerichtet. Die infolge der Beugung entstandenen Bündel werden von dem Aufnahmeobjektiv auf den Leuchtschirm fokussiert. Bei einer Deformation des Probestückes erfolgt die Änderung der Periode des Beugungsgitters und dadurch eine Änderung des Winkels zwischen den gebeugten Bündeln, die ihrerseits: eine lineare Verschiebung der fokussierten Bündel am Leuchtschirm hervorruft. Aus der Größe der relativen Verschiebung der Bündel am Leuchtschirm wird die Deformation des Probestückes ermittelt.

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Diese Vorrichtung weist jedoch keine ausreichende Empfindlichkeit und Genauigkeit auf, die durch das Auflösevermögen und die Aberrationen des Aufnahmeobjektivs eingeschränkt werden.

In der US-PS 4 050 818 ist eine Vorrichtung zur Messung der relativen Verschiebung von zwei gewählten Objektpunkten beschrieben, die einen Laser, zwei Markierzeichen in Form von linearen Streuern, die an ausgewählten Punkten der Oberfläche eines Objektes aufgestellt sind und ein aus einem fotoelektrischen Detektor und einem Meßgerät bestehendes Registriergerät für ein Interferenzbild aufweist, das infolge der Interferenz des von den Markierzeichen gestreuten Lichtes entsteht= Diese Vorrichtung kann bei der Messung einer Formänderung eines Abschnittes der Oberfläche zwischen zwei Markierzeichen verwendet werden, die durch die relative Verschiebung der Markierzeichen ermittelt wird,,

Diese Vorrichtung hat folgende Funktionsweise. Die Markierzeichen werden mit einem Lichtbündel eines Lasers beleuchtet. Bei der relativen Verschiebung der Markierzeichen erfolgt eine Verschiebung des Interferenzbildes in bezug auf den Fotodetektor, dessen elektrisches Signal an das Meßgerät gelangt. Die Größe der relativen Verschiebung der Markierzeichen kann aus dem bekannten ursprünglichen Abstand zwischen den Markierzeichen, der Wellenlänge des Laserlichtes und der Anzahl der Interferenzstreifen ermittelt werden, die durch den Fotodetektor durchgegangen sind.

Diese Vorrichtung weist keine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit auf, weil bei dem angewandten Verfahren für die

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Aufzeichnung im Bereich nur eines Interferenzstreifens eine Genauigkeit von mehr als 0,1 des Streifens nicht zu gewährleisten ist. Außerdem verursachen die Außenvibrationen beziehungsweise zufällige Verschiebungen der Vorrichtung in bezug auf das zu untersuchende Objekt eine zusätzliche Verschiebung des Interferenzbildes und folglich einen Meßfehler.

Weiter sind Vorrichtungen zur Messung von Deformationen bekannt (GB-PS 1 364 607 und 1 454 340 IPC GOIB 11/16), die einen Laser und ein optisches System für die Ausbildung von Lichtbündeln, die längs der optischen Achse der Vorrichtung aufgestellt werden, Markierzeichen in Form eines Beugungsgitters, das an der Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes aufgetragen ist, und ein Registriergerät eines Interferenzbildes, das von dem vom Beugungsgitter gestreuten Licht entsteht, enthalten.

Diese Vorrichtungen haben folgende Funktionsweise. Das optis-che System bildet zwei sich überschneidende Lichtbündel eines Lasers aus. Im Schnittbereich, der Lichtbündel wird entweder ein transparenter Gitterabdruck, der im Kontaktverfahren vom Diffraktionsgitter auf der Oberfläche des Probestückes hergestellt wird, oder eine Fotoplatte mit dem Bild dieses Gitters angeordnet, das mit Hilfe eines Fotoapparates erzeugt wird. Das Registriergerät, in diesem Fall der Fotoapparat, registriert ein Interferenzbild, das infolge der Interferenz von zwei Beugungsordnungen des Lichtes entsteht, die zu den unterschiedlichen den Gitterabdruck (die Fotoplatte) beleuchtenden Lichtbündeln gehören. Die Größe der Deformation wird im Ergebnis durch Dechiffrierung eines Interferogramms ermittelt, das auf der Fotoplatte aufgezeichnet wird.

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Auch, diese bekannten Vorrichtungen weisen jedoch kein ausreichendes Auflösevermögen und Genauigkeit auf. Zum einen stellt die Herstellung von Gitterabdrücken für das deformierte Beugungsgitter auf der Oberfläche eines Probestückes einen zeitraubenden Prozeß dar. Dabei wird das Meßergebnis durch destabilisierende Faktoren wie beispielsweise die Außentemperaturen stark beeinflußt. Zum anderen wird in der Vorrichtung für die Registrierung des deformierten Beugungsgitters ein Objektiv verwendet, dessen begrenztes Auflösevermögen und dessen Abberationen die Genauigkeit der Registrierung verringern. Zum dritten wird in den genannten Vorrichtungen bei der Dechiffrierung der Interferogramme, die auf Fotoplatten aufgezeichnet sind, eine Genauigkeit erreicht, die in der Regel nicht über 0,1 des jeweiligen Interferenzstreifens beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung von Deformationen zu entwickeln, in der die Konstruktion des Registriergerätes für ein Interferenzbild, das durch die Interferenz des von den Markierzeichen gestreuten Lichtes entsteht, die Genauigkeit der Messung von Deformationen bei Gewährleistung eines hohen Auflösevermögens der Vorrichtung wesentlich erhöht.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, durch eine Vorrichtung zur Messung von Deformationen, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Das Vorhandensein eines optischen Frequenzmodulators für die Verschiebung der Lichtfrequenz vom Laser und zweier Fotodetektoren erlaubt es, eine relative Verschiebung der Markierzeichen, die auf die Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes aufgetragen sind, in eine Phasendifferenz der

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elektrischen Signale von den Fotodetektoren umzuwandeln, die mit Hilfe eines Phasenmessers mit hoher : Präzision gemessen werden kann.

Da das Registriergerät in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein fotoelektrisches ist, wird eine hohe Ansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung gewährleistet. Demzufolge können destabilisierende Faktoren binnen einer kurzen Zeit der Messung keinen spürbaren Einfluß auf die Meßergebnisse ausüben. Die hohe Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht es außerdem, die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Messung von Deformationen bei dynamischen Prozessen einzusetzen.

Die hohe Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gestattet es auch, eine gute Lokalisierung der Messungen zu sichern, weil der Abstand zwischen den Markierζeichen, der als Basis bei der Messung einer Deformation dient, ausreichend klein gewählt werden kann und auf einer kleinen Basis eine ausreichend hohe Genauigkeit ermöglicht wird. Die Lokalisierung der Messungen ist bei Prüfungen von ungleichartigen Probestücken erforderlich.

Der Anschluß eines Elektronenphasenmessers an die Ausgänge der Fotodetektoren sichert der erfindungsgemäßen Vorrichtung Unempfindlichkeit gegenüber geringen Nebenvibrationen, weil diese Vibrationen gleiche synchrone Phasenänderungen elektrischer Signale von den Fotodetektoren hervorrufen, und diese Änderungen werden gegenseitig im Elektronenphasenmesser subtrahiert.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Messung der relativen Verschiebung der Markierzeichen keine Linsenoptik eingesetzt, die die Genauigkeit der Messung einer Formänderung einschränkt.

Das fotoelektrisch^ Registriergerät gibt außerdem die Möglichkeit, die Messung zu automatisieren.

In einer Variante der Erfindung enthält der Fotoempfängerblock einen dritten Fotodetektor? der mit dem dritten Markierzeichen optisch verbunden Ist, das gegenüber dem ersten oder dem zweiten Markierzeichen in einem Abstand angebracht ist, bei dem die Änderung der Phasendifferenz der elektrischen Signale von den Fotodetektoren, die optisch mit dem dritten und dem ersten oder mit dem zweiten Markierzeichen verbunden sind, im gesamten Bereich der Messungen von Deformationen 360° nicht übersteigt, und die Ausgänge des dritten und ersten oder des zweiten Fotodetektors sind über einen Umschalter mit dem Elektronenphasenmesser verbunden.

Die Einfügung eines dritten Fotodetektors, der optisch mit dem dritten auf die Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes im obenerwähnten Verfahren aufgetragenen Markierzeichen verbunden ist, in den Fotoempfängerblock erlaubt es, die Unbestimmtheit in einer ganzen Zahl von Phasenzyklen in dem Fall zu beseitigen, wenn die Änderung der Phasendifferenz vom ersten und vom zweiten Fotodetektor 360° übersteigt, weil der Elektronenphasenmesser die Phasendifferenz lediglich im Bereich von 0 bis 360 mißt. In der Variante mit zwei Fotodetektoren ist der Einsatz eines Elektronenzählers für die Phasenzyklen möglich, es ist dabei aber notwendig, die Signale von Beginn bis zu Ende der Messungen kontinuierlich nachzuführen, was für viele Anwendungsfälle praktisch unmöglich ist.

Bei der Variante der Vorrichtung mit drei Fotodetektoren werden vor und nach einer Deformation je zwei Messungen

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- 10 -

ausgeführt: Die Messung der Phasendifferenz der Signale vom ersten und zweiten Fotodetektor (genaue Ablesung) und beispielsweise vom ersten und dem dritten Fotodetektor ("grobe" Ablesung) im Bereich von 0 bis 360 . Aus der "genauen" und der "groben" Ablesung wird die ganze Zahl der Phasenzyklen einer vollständigen Messung der Phasendifferenz vom ersten und vom zweiten Fotodetektor gefunden. Man kann sagen, daß der dritte Fotodetektor bei der Deformationsmessung eine Hilfsrolle spielt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Variante mit drei Fotodetektoren kann für die Messung verschiedener Abschnitte der Oberfläche eines Probestückes mittels einer abwechselnden Verschiebung der Vorrichtung aus einer Meß— position in eine andere eingesetzt werden. Dabei können an der Oberfläche des Probestückes Defekte beziehungsweise Löcher vorhanden sein, die das optische Signal bei der Versetzung der Vorrichtung aus der einer Meßposition in die andere unterbrechen. Bei der Variante mit zwei Fotodetektoren ist eine Unterbrechung des optischen Signals unzulässig, weil dies eine Fehlfunktion des Zählers für die Phasenzyklen verursachen würde.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ersichtlich, die in der Zeichnung veranschaulicht sind; dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 verschiedene Typen von Markierzeichen auf

der Oberfläche eines zu untersuchenden Probestückes;

Fig. 3 ein Schema der Aufnahmebaugruppe der

Vorrichtung von Fig. 1 für den Fall der

Ausbildung der Markierzeichen in Form

eines auf die Oberfläche des zu untersuchenden

Probestückes aufgetragenen Beugungsgitters

und

Fig. 4 ein Schema der Anbringung von Markierzeichen auf die Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes und des Anschlusses von Fotodetektoren für eine Ausführungsvariante der Vorrichtung von Fig« 1 mit drei Fotodetektoren.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Messung von Deformationen enthält hintereinander längs einer optischen Achse 1 einen Laser 2, einen elektrooptischen Frequenzmodulator 3 und ein optisches System 4 zur Ausbildung von zwei Lichtbündeln 5 und 6 aus dem Licht des Lasers 2, die sich in einem Schnittbereich 7 kreuzen sowie einen Fotoempfängerblock 8 und einen Elektronenphasenmesser 9.

Als Laser 2 dient ein He-Ne-Laser mit einer Leistung von 8 mW. Die Auswahl des Typs und der Leistung des Lasers 2 wird durch die Parameter einer konkreten Aufgabe bestimmt: Durch die erforderliche Genauigkeit der Messungen, den Typ der Markierzeichen, die Empfindlichkeit der Fotodetektoren und anderes mehr. Der elektrooptisch^ Frequenzmodulator 3 macht es möglich, die Lichtfrequenz des Lasers 2 um eine Größe von einigen zehn kHz bis 5 MHz zu verschieben. Möglich ist auch der Einsatz eines akustischen Modulators für die Verschiebung der Lichtfrequenz.

Das optische System 4 zur Ausbildung der Lichtbündel 5 und 6 enthält einen längs der optischen Achse 1 aufgestellten Kollimator 10, der aus einem Mikroobjektiv 11 (beispielsweise einer kurzbrennweitigen Linse oder dem Objektiv eines Mikroskops) und einem Objektiv 12 (beispielsweise einem zusammengeklebten Zweilinsen-Objektiv) besteht, einen Strahlteiler 13 zum Teilen des kollimierten Lichtbündels 14 in zwei Lichtbündel 15 und 16, der aus einem Polarisationsstrahlteiler 17 und einem Spiegel 18 zusammengesetzt ist, eine Halbwellenplatte 19, die in einem der Bündel 15 oder 16 angeordnet ist, und nach zwei Achsen justierte Spiegel 20 und 21.

Der .Fotoempfängerblock 8 weist zwei fotoelektrische Detektoren 22 und 23 (beispielsweise zwei Fotoelektronenvervielfacher) auf, vor denen Blenden 24 und 25 und ein Objektiv 26 angeordnet sind. Die Ausgänge der Fotodaiektoren 22 und 23 sind mit den Eingängen eines Elektronenphasenmessers 9 angeschlossen. Als Elektronenphasenmesser 9 kann ein beliebiger Phasen-Analog-Wandler beziehungsweise Phasen-Digital-Wandler eingesetzt werden, der ausreichende Werte für Auflösungsvermögen und Genauigkeit besitzt.

Vor dem Inbetriebsetzen der Vorrichtung werden auf die Oberfläche eines zu untersuchenden Probestückes 27 Markierzeichen 28 und 29 aufgetragen, als solche können folgende Objekte (Fig. 2) dienen:

1) Streuer in Form von dünnen Rißlinien 30 und 31, die unmittelbar auf der Oberfläche des Probestückes 27 oder auf einer aufgedampften Aluminiumschicht gezogen werden, wenn ein Probestück aus einem Material mit einer schlechten Lichtreflexion genommen wird; Streuer in Form von dünnen Glasfaden und anderes mehr;

2) kleine Abschnitte 32 und 33 eines reflektierenden Beugungsgitters, dessen Periode mit der Breite von Interferenzstreifen im Schnittbereich 7 der Lichtbündel 5 und 6 übereinstimmt;

3) mit den Fotodetektoren 22 und 23 optisch gekoppelte Abschnitte 34 und 35 eines reflektierenden Beugungsgitters 36, das auf die gesamte zu untersuchende Oberfläche des Probestückes 27 aufgetragen wird. Die Periode des Beugungsgitters 36 ist ebenfalls auf die Breite von Interferenzstreifen im Schnittbereich 7 abgestimmt=

Dann wird das zu untersuchende Probestück 27 in bezug auf das optische System 4 so aufgestellt, daß die Markierzeichen 28 und 29 sich im Schnittbereich der Lichtbündel 5 und 6 befinden« Mit Hilfe des Objektivs 26 erfolgt das Zusammenwirken der Fotodetektoren 22 und 23 mit den Markierzeichen 28 und 29» Hierfür wird durch die Versetzung des Fotoempfängerblocks 8 in bezug auf das Probestück 27 und des Objektivs 26 in bezug auf die Fotodetektoren 22 und 23 eine solche gegenseitige Lage herbeigeführt, daß das vom Objektiv 26 zu erzeugende Bild der Markierzeichen 28 und 29 auf die Blenden 24 und 25 der Fotodetektoren 22 bzw. 23 fällt.

Die Markierzeichen, beispielsweise die dünnen Rißlinien 30 und 31, können längs der Richtung der Interferenzstreifen im Schnittbereich 7 orientiert sein. Die Kontrolle der Genauigkeit der Orientierung erfolgt mit einem

Elektronenstrahl-Oszillografen, an dessen Eingang ein Signal von einem der Fotodetektoren gegeben wird. Für die Markierzeichen 32 und 33 oder 34 und 35 in Form von Abschnitten eines Beugungsgitters ist es neben der genannten Orientierung notwendig, die Periode des Gitters mit der Breite von Interferenzstreifen im Schnittbereich 7 abzustimmen. Das kann mit Hilfe einer Feinjustierung der Spiegel 20 und 21 gemacht werden, und die Kontrolle der Abstimmung erfolgt mit dem Oszillografen beziehungsweise visuell bei ausgeschaltetem Modulator 3 nach dem Interferenzbild auf den Markierzeichen 32 und 33 oder auf dem Gitter 36.

Die dargestellte Vorrichtung hat folgende Funktionsweise.

Ein Strahlenbündel des Lasers 2 wird mit dem elektrooptischen Frequenzmodulator 3 moduliert. Am Ausgang des Modulators 3 entstehen bei dessen Viertelwellenbetrieb zwei Strahlungskomponenten mit gegenseitig orthogonalen Polarisationsrichtungen und mit unterschiedlichen Frequenzen. Der Kollimator 10 erweitert ein Lichtbündel nach dem Modulator 3 bis auf den erforderlichen Durchmesser. Mit Hilfe des Polarisationsteilers 13 werden die beiden Strahlungskomponenten in zwei Bündel 15 und 16 mit gegenseitig orthogonaler Polarisation und unterschiedlichen Frequenzen geteilt.

Die Halbwellenplatte 19 verändert diePolarisationsrichtung im Bündel 16 um 90°. Die Lichtbündel 5 und 6 reflektieren an den Spiegeln 20 und 21 und kreuzen sich miteinander unter Bildung eines Interferenzbildes mit Raumund Frequenzmodulation der Beleuchtungsstärke (laufendes Beugungsbild) im Schnittbereich 7.

Das elektrisch« Feld E₅ und E ₆ der Lichtwelle in den Bündeln 5 und 6 im Koordinaten-System xoy kann in folgender Form dargestellt werden:

worin E die Spannungs-amplitude des elektrischen Feldes der Lichtwelle ,

&)- \ die Frequenz bzw. die Wellenlänge der Lichtwelle, vom Laser;

S2 die Gcöße der Verschiebung der Licht frequenz im Modulator (3) und

^ der Winkel zwischen den Bündeln 5 und 6 ist. Bei der Beugung der Lichtbündel 5 und 6 wird die Intensität des Lichtes im Schnittbereich 7 gleich:

Wenn die lineare Abmessung der Farkierzeichen in Richtung der oy-A.chse wesentlich geringer ist als die Breite A eines Interferenzstreifens im Schnittbereich 7 A = 7Γ7~·—JT/ ' dann können die Intensitäten

f/

J₄ und J* des von den Markierzeichen 28 und 29 ge-

ff ä>

streuten Lichtes in folgender Form geschrieben werden:

ΠΙ

1 + CoS(Qi₊ ψ ^i+ Cos (Qi + -ψ

worin ^₄ und W- Koordinaten der Markierzeichen land 29 sind.

Das von den Markierzeichen 28 und 29 auf die Fotodetektoren 22 und 23 gestreute Licht wird vom Objektiv 26 gesammelt. Die Fotodetektoren 22 und 23 wandeln die Lichtströme (3) in elektrische Signale um, deren Veränderliche gleich

Cos

(4)

Cos CQi+ ¹T- Ht) ^sind·

Die vollständige Differenz Δ φ₁ der Phasen der elektrischen Signale (4) infolge der Deformation des jeweiligen Probestückes ist offensichtlich gleich

und nach der Deformation

worin *i_f2. der Abstand zwischen den Markierzeichen 28 und 29 vor der Deformation und

/1 Iy 2 ^äie absolute Dehnung infolge der Deformation eines Abschnittes der Oberfläche mit einer Länge von ο I₁ a ist.

Die Änderung der Phasendifferenz A Ti 2 Signale (4) infolge der Deformation ist gleich:

und wird mitHUfedes Elektronenphasenmesser 9 gemessen Wenn ά Ψ, ~ ^271 Radian ist,muß ein Zähler für die

- 4-7

Phasenzyklen vorgesehen werden.

Aus der Formel (5) wird die relative Deformation E des zu untersuchenden Abschnittes der Oberfläche ermittelt:

^e ~ Ύ^ ⁼ Tlt* t,2 ' ^

worin A und ^^S als bekannt gelten.

Das Auflösungsvermögen 6) . der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich folgendermaßen bestimmen.
Mit ^i₁Z = 10 mm und.A = 0,001 mm (für He-Ke-Laser mit ^. =.0,63 jura ist dabei der Winkel ψαζ AO⁰) beträgt das Auflösungsvermögen des Elektronenphasenmessers 9 Ulf"* 0,1° ZU 1,7.10"^ rad. Dann

Für die Vorrichtungen, die als Prototyp gewählt folgt λ η

sind j bei den gleichen Werten, von vL und

bei £Jy 3

^-.min — ^b» J-J-U ?

was um mehr als zwei Größenordnungen schlechter ist als in der erfindungsgemäßen Vorrichtung=

Hervorzuheben ist, daß obwohl in der beschriebenen Vorrichtung für das Zusammenwirken der Fotodetektoren 22 und 23 -mit den Markierζeichen 2 8 und 29 das Objektiv 26 verwendet wird, an dessen Qualität keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Die Zweckbestimmung des Objektivs 26 besteht in diesem Fall darin, eine ausreichende Menge des von den Markierzeichen gestreuten Lichtes zu sammeln und die Lichtströme von den Markierzeichen auf die entsprechenden Fotodetektoren aufzuteilen.

In dem Fall, daß als Markierzeichen ausreichend kleine Abschnitte 32 und 33 eines reflektierenden Beugungsgitters, die nach beliebigen Verfahren auf die zu

untersuchende Oberfläche aufgetragen werden, verwendet werden, wirkt jedes Markierzeichen'als ein Satz von gleichphasigen linearen Streuern, wodurch die Leistung des optischen Nutzsignals vergrößert wird.

In Fig. 3 ist ein Schema des Empfängerteils der Vorrichtung für die Variante abgebildet, bei der als Markierzeichen genügend kleine Abschnitte 34 und 35 des reflektierenden Beugungsgitters 36 dienen, das auf die gesamte zu untersuchende Oberfläche des Probestückes 27 aufgetragen ist.

Infolge der Beugung der Lichtbündel 5 und 6 am Gitter 36 entstehen die Bündel 37, 38 39, ..., die den unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen. Immer kann man den Winkel zwischen den Bündeln 5 und 6 so wählen, daß beispielsweise das Bündel 37 für die Ordnung "+1" der Beugung des Bündels 5 und das Bündel 38 für die Ordnung "-1" der Beugung des Bündels 6 parallel zueinander verlaufen. Diese Ordnungen interferieren miteinander. Das Interferenzbild wird von zwei Fotodetektoren 22 und 23 mit ausreichend kleinen Eintrittsblenden 24 und 25 registriert, die in einem Abstand voneinander im Bereich der geometrischen Trennung der Beugungsordnungen aufgestellt sind.

Infolge einer Deformation des Probestückes 27 verändert sich die Periode des Beugungsgitters 36,wodurch ein kleiner Winkel zwischen den Bündeln 37 und 38 auftritt, was zur Entstehung eines Interferenzbildes 40 mit einer Endbreite der Interferenzstreifen in der Ebene der Blenden 24 und 25 führt.

Die Aufteilung der Lichtintensität X im Interferenzbereich wird durch eine sich etwas von der Formel (2) unterscheidende Formel ausgedrückt:

worin d die Periode des Beugungsgitters 36 ist. Wenn die Koordinaten der Zentren der Blenden 24

und 25 If₁ bzw. Ug gleich sind, so beträgt die Differenz Αφ der Phasen der elektrischen Signale von den Fotodetektoren 22 und 23 gemäss (6)

Bezeichnen W₀ und CLj die Perioden des

Beugungsgitters 36 vor baw_o nach einer Deformation des Probestückes, dann ist die Veränderung Δ ψ 12 ^der Phasendifferenz der elektrischen Signale von den Fotodetektoren 22 und 23 infolge der Deformation des Gitters 36 gleich

Die relative Deformation £. - —1-—£ wird aus

den bekannten Größe^s^ g und (Z₀ und der gemessenen Phasendifferenz Δγι% gemäß (7) aus der folgenden Formel ermittelts

Wie oben erwähnt, dienen als Marki.erzeich.en in diesem Fall kleine Abschnitte 34 und 35 des Beugungsgitters 36, von denen der Lichtstrom.zu den Fotodetektoren 22 bzw. 23 gelangt. Für das Zusammenwirken der Fotodetektoren mit den Markierzeichen wird in dieser Variante der Vorrichtung kein Objektiv eingesetzt. Die Blenden 24 und 25 sind miteinander starr zu verbinden. Dadurch wird die Unveränderlichkeit des Abstandes zwischen ihnen gesichert, der als Basis bei der Messung der Deformation dient und es wird dadurch auch die Unempfindlichkeit gegenüber geringen Nebenvibrationen und Verschiebungen der Vorrichtung in bezug auf das Probestück gewährleistet.

Bei der zu betrachtenden Variante der Vorrichtung kann ein sehr hohes Auflösungsvermögen und eine Genauigkeit bei der Messung der Deformation erreicht werden, weil die

Leistung des Uutzsignals (und das Signal-Rausch-Verhältnis) bei sonst gleichen Bedingungen in dieser Variante bedeutend höher ist als bei Ausführung der Markierzeichen beispielsweise in Form von einzelnen linearen Streuern . Diese Variante der Vorrichtung erlaubt es außerdem, das ganze Feld der Deformation eines Probestückes mittels paralleler Ablenkung der Vorrichtung in Bezug auf das zu untersuchende Probestück zu messen. In Fig. 4 ist eine AusführungsVariante der Vorrichtung abgebildet, deren Fotoempfängerblock 8 einen dritten, zusätzlichen Fotodetektor 41 mit einer Aufnahmeblende 42 enthält, der mittels des Objektivs 26 optisch mit einem dritten Markierzeichen 43 auf der Oberfläche des Probestückes 27 verbunden ist, das beispielsweise in einem Abstand ^f j von dem ersten Markierzeichen 28 angebracht ist. An die Ausgänge der Fotodetektoren 41 und 23 ist über einen Umschalter 44 jeweils einer der Eingänge des Elektronenphasenmessers 9 angeschlossen.

Als Umschalter 44 wird ein elektrischer Zweistellungskippschalter eingesetzt, möglich ist aber auch die Verwendung eines beliebigen anderen Umschalters, darunter eines Elektronenschalters.

Die Funktionsweise der Vorrichtung in der Variante mit drei Fotodetektoren ist ähnlich der Funktionsweise der Vorrichtung in der Hauptvariante mit zwei Fotodetektoren. Es ist lediglich notwendig, das Verfahren zur Beseitigung der Unbestimmtheit in einer ganzen Zahl von Phasenzyklen der Phasendifferenz von den Fotodetektoren 22 und 23 sowie die Auswahl des Abstandes zwischen dem ersten 28 und dem dritten 43 Markierzeichen zu deuten.

Wenn bekannt ist, daß die relative Deformation S des zu untersuchenden Probestückes 27 im voraus einen gewissen Wert £ ftiat nicht übersteigt, so gilt gemäß den Formel (6) bei Δ ψ £ 2 Ti

Dann wird die Veränderung der Phasendifferenz vom

ersten lind dritten Fotodetektor 22 und 41 gemäß' der Gleichung (5).

gleich- ■_

Die Veränderung άψι g. der Phasendifferenz der Signale vom ersten und zweiten Fotodetektoren 22 und 23 kann in folgender Form geschrieben werden:

worin /v eine ganze Zahl von Phasenzyklen und

Ty 2 ^-ie ^voin Phasenmesser 9 zu messende Phasen differenz ist, ^_{1 2} - 0 ±271

Unter der Annahme, daß die Deformation des Probestückes 27 am Abschnitt £I₁ ζ nicht gleichartig ist, gilt die folgende angenäherte Gleichheit:

Woraus Ai mittels Abrundung bis zur nächsten ganzen Zahl gefunden wird!

wobei LhIi [ZJ die Funktion eines ganzen Teils der Zahl 1 ist.

Hierdurch wird aus den gemessenen Werten ψι^ι und Δ ψ /,3 zuerst gemäß der Formel ( )) die Zahl

A/ der Phasenzyklen und dann gemäß der Formel (B) die vollständige Änderung der Phasendifferenz Δ γ/, 2. und zuletzt die relative Deformation B- des Abschnitts der Oberfläche mit einer Grosse £ ₁ g gemäß der Formel (G) ermittelt.

Zu bemerken ist weiter, daß die Leistung des opti-

• 11

- 22 - .

sehen Ιίιιϊ ζ signals mittels Konzentration des Lichtes eines Lasers unmittelbar auf den "Markierzeichen wesentlich vergrößert werden kann. Hierfür soll das optische System etwas abgeändert v/erden, damit anstelle von zwei' breiten Bündeln an seinem Ausgang mehrere ( je nach der Anzahl der Markierζeichen) Paare von schmalen Bündeln mit der gleichen Breite von Interferenzstreifen in allen Schnittbereichen der Bündel vorhanden sind. Bei einem relativ großen Abstand zwischen den Mnrkierzeichen kann in diesem Fall ein Leistungsvorteil des optischen Mutzsignals in Höhe von mehreren Ordnungen erreicht werden, was es ermöglicht, einen He-lJe-Laser mit einer Leistung von 1 mV/ und weniger einzusetzen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nach der entsprechenden Modifikation des optischen Systems für die Ausbildung von Lichtbündeln und der Aufstellung eines zweiten FotoempfängerbIockes 'als Zweikanal-Vorrichtung ausgeführt werden und für die Messung einer Deformation der Oberfläche eines Probestückes in zwei zueinander senkrechten Richtungen verwendet werden. Die Teilung der Kanäle erfolgt nach einer Polarisation des von Markierzeichen gestreuten Lichtes. Auf die Oberfläche des zu untersuchenden Probestückes wird dabei ein zweites System von Markierzeichen aufgetragen, die in Bezug auf die Markierzeichen des ersten Systems senkrecht orientiert sind.

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Claims

Ansprüche

Vorrichtung zum Messen von Deformationen mit einem Laser (2), mit einem in der gleichen optischen Achse (1) aufgestellten optischen System (4) für die Bildung von Lichtbündeln (5 und 6) , mit einem System von auf die Oberfläche eines zu prüfenden Probestückes (27) aufgetragenen Markierzeichen (28, 29 und 43) und einem Registriergerät für ein Interferenzbild, das infolge einer Interferenz des von den Markierzeichen (28, 29 und- 43) gestreuten Lichtes entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laser (2) und dem optischen System (4) für die Bildung von Lichtbündeln (5 und 6) in der gleichen optischen Achse (1) damit ein Modulator (3) für die Verschiebung der Lichtfreguenz des Lasers (2) aufgestellt ist, daß das Registriergerät einen Fotoempfängerblock (8) mit zwei Fotodetektoren (22 und 23), von denen der eine mit einem ersten und der zweite mit einem zweiten Markierzeichen (28 bzw. 29) optisch verbunden ist, sowie einen Elektronenphasenmesser (9) aufweist, der an die Ausgänge der Fotodetektoren (22 und 23) angeschlossen ist.

530-(P 88O26-E-61)-DfMy

9 ■ *
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Fotoempfängerblock (8) einen dritten Fotodetektor (41) enthält, der mit einem dritten Markierzeichen (43) optisch verbunden ist, das in bezug auf das erste (28) oder das zweite Markierzeichen (29) in einem Abstand ( 1-j ₃ ) angeordnet ist, das die Änderung der Phasendifferenz für die elektrischen Signale von den Fotodetektoren (22, 23 und 41), die mit dem dritten (43) und dem ersten (28) oder dem zweiten (29) Markierzeichen optisch verbunden sind, im gesamten Bereich der Messung von Deformationen 360 nicht übersteigt und daß die Ausgänge des dritten (41) und des ersten (22) oder des zweiten (23) Fotodetektors über einen Umschalter (44) mit dem Elektronenphasenmesser (9) verbunden sind.