DE3303876A1 - Holografisches differenzverfahren - Google Patents

Description

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M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG . Aktiengesellschaft

München, 2. Februar 1983

Holografisches Differenzverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein holografisches Diffrenzverfahren zum Messen und Prüfen von Änderungszuständen von Objekten bzw. Gegenständen, bei dem Zwischenhologramme von einem fehlerfreien Referenzobjekt aufgenommen werden, von denen die rekonstruierten Objekt-

2Q wellen des Referenzobjektes verwendet werden, um das Prüfobjekt zur holografischen Aufnahme zu beleuchten.

Das übliche holografische Verfahren zum Vermessen von Objektveränderungen, wie sie beispielsweise in der Akustik, in der Schwingungstechnik, in der Verformungsmeßtechnik vorkommen, bedient sich der Speicherung von mehreren Hologrammen verschiedener Objekte oder Objektzuständen auf einer Photoplatte. Bei der Rekonstruktion ergibt die überlagerung der verschiedenen, im Regelfall 2, Objektbilder ein Interferenzbild, bei dem die Interferenzstreifen eine qualitative und quantitative Aussage über Objektveränderungen ermöglichen.

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Die Anwendung dieses Verfahrens in der zerstörungsfreien Prüfung beruht auf der Tatsache, daß Fehler in einem Objekt bzw. Abweichungen eines Prüfobjektes von einem Referenzobjekt zu Änderungen des Interferenzmusters führen. Da jedoch nur solche Fehler erkannt werden können, durch die das Interferenzmuster sichtbar gegenüber dem fehlerfreien Zustand gestört wird, ist in vielen Fällen eine sichere und ausreichende Nachweisempfindlichkeit mit dem beschriebenen holografischen Verfahren nicht gewährleistet.

Eine Verbesserung der vorstehend beschriebenen Prüfmethode kann mit einem sogenannten holografischen Differenzverfahren erreicht werden, bei dem nicht das aus den !5 beiden Objektzuständen resultierende Gesamtinterferenzbild, sondern nur die Abweichungen des Prüfobjektes von einem Referenzobjekt dargestellt wird.

Bei diesem bekannten Differenzverfahren werden zunächst die Hologramme eines Referenzobjektes in seinen ursprünglichen bzw. seinem Verformungszustand auf zwei getrennten Photoplatten erstellt. Diese, hier als Zwischenhologramme bezeichneten Hologramme werden dann nacheinander mit dem konjungierten Referenzstrahl beleuchtet. Die daraus re- ° konstruierten Objektwellen werden in einem zweiten Schritt zur Beleuchtung der jeweiligen Objektzustände des Prüfobjektes verwendet. Das rekonstruierte Bild der auf diese Weise auf einer zweiten Photoplatte erhaltenen Hologramme zeigt ein interferenzstreifenfreies Bild des Prüfobjektes in den unveränderten bzw. formgleichen Bereichen zwischen Referenz- und Prüfobjekt, und Interferenzlinienfelder, die die Abweichungen der Form bzw. der Verformung des Prüfobjektes gegenüber der des Referenzobjektes aufzeigen.

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Diese geminderte Datenwiedergabe ermöglicht eine wesentlich höhere Auflösung und damit auch die Meßbarkeit von minimalen Veränderungen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß nach der Entwicklung der beiden HoIogrammplatten, auf denen die Zwischenhologramme gespeichert sind, deren exakte Repositionierung notwendig ist, um Phasenfehler in den rekonstruierten Objektwellenfeldern zu vermeiden. Große Schwierigkeiten ergeben sich zusätzlich aus der Tatsache, daß sich im allgemeinen die optischen Dicken der beiden Hologrammplatten nach der Entwicklung nicht völlig entsprechen, wodurch ebenfalls unkontrollierbare Phasenfehler in den rekonstruierten Objektwellenfeldern entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Differenzverfahren dahingehend zu verbessern, daß unter Reduzierung von Fehlern, insbesondere durch Positionierungen eine bessere Meßqualität erreicht werden

kann.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Anwendung von zwei Referenzstrahlen zwei Zwischenhol'ogramme des Referenzobjektes auf eine Photoplatte aufgenommen werden, und daß das Prüfobjekt mit den rekonstruierten Objektwellenfeldern aus den Zwischenhologrammen unter Anwendung des zugehörigen konjungierten Referenzstrahles nacheinander beleuchtet wird.

Auf diese Weise ist es, wie beim bekannten Differenz-

verfahren möglich, die nicht benötigte Information über das Verhalten des fehlerfreien Referenzobjektes vollständig zu eliminieren und nur den zu messenden Fehler des Prüfobjektes gegenüber dem Referenzobjekt flächen-

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haft darzustellen, jedoch mit dem Vorteil, daß nur eine Zwischenhologrammplatte verwendet wird, mit der die Gewähr gegeben ist, daß die beiden Zwischenhologramme nach deren Entwicklung für die Beleuchtung des Priifobjektes genau übereinstimmen. Hiermit reduziert sich die Fehlerquelle gegenüber dem bekannten Verfahren in einem sehr wesentlichen Punkt.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verbleibenden möglichen Fehlerquellen, wie z.B. die Repositionierung der Zwischenhologrammplatte, der Objektgegenstände, lassen sich durch mechanische Begrenzungen und ähnlichen Mitteln wesentlich leichter beherrschen, als die Wellenfronten von verschiedenen Hologrammplatten in überein-¹^ Stimmung zu bringen, wie es beim bekannten Differenzverfahren der Fall ist. Insbesondere erlaubt die gleichzeitige Rekonstruktion beider Objektwellen, hervorgerufen durch Beleuchtung der Zwischenhologrammplatte mit beiden konjungierten Referenzstrahlen, eine direkte überprüfung und Justierung des Meßaufbaues anhand des dabei entstehenden Interferenzbildes.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur vergleichenden Vermessung der Verformung eines Prüfgegenstandes gegenüber der eines Referenzobjektes als auch zum Vergleich von Gegenstandsabmessungen zwischen einem Prüfling und einem Referenzgegenstand. Im ersten Fall wird die holografische Vermessung unter Anwendung von zwei Laserstrahlen als Referenzwellen gleicher Wellenlänge

durchgeführt, während im zweiten Fall das Referenz- bzw. Prüfobjekt jeweils in dessen unverändertem Zustand zweimal mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen beleuchtet wird.

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Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Objektträger, einer Objektbeleuchtungsquelle, einer ersten Photoplatten-Halterung, einer in dem rückgestrahlten

5 Objektwellengang angeordneten zweiten Photoplatten-Halterung, sowie einer den Photoplatten für die erste Halterung zugeordneten und zwei weiteren der Photoplatten für die zweite Halterung zugeordneten Referenzstrahl quell en.

IQ Um die Vorrichtung für beide Arten von Vergleichsmessungen verwenden zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Laserlicht mindestens einer Referenzstrahlenquelle für das Zwischenhologramm in Bezug auf die Wellenlänge veränderbar ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

In Fig. 1 ist ein prinzipieller Aufbau in Draufsicht einer Anordnung für holografische Aufnahmen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Auf einer Tischplatte 10 ist eine Objekthalterung 11 für einen zu vermessenden Gegenstand 12, eine Objektbestrahlungsquelle 13 mit einen auf den Gegenstand 12 gerichteten Strahlengang 14 angeordnet. Ferner ist in der Ebene der Objektbestrahlungsquelle 13 eine erste Halterung für eine Hologramm-Photoplatte vorgesehen, der eine Referenzstrahlenquelle 16 zugeordnet ist.

Im vom Objekt 12 rückgestrahlten Wellengang 17 ist eine zweite Photoplattenhalterung 18 angeordnet, der zwei um einen Winkel oC versetzte Referenzstrahlenquellen 19 und 20 zugeordnet sind. Gegebenenfalls können zu den Referenzstrahlenquellen 19 und 20 je eine konjungierte Strahlenquelle 21 bzw. 22, die gestrichelt dargestellt sind, vorgesehen sein.

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^ Anhand des Aufbaues gemäß Fig. 1 und den Fig. 2 und 3 wird anschließend das holgrafische Differenzverfahren näher beschrieben.

- Fig. 2 veranschaulicht die Anordnung für die erste Phase des Verfahrens, nämlich die Aufnahme von zwei Zwischenhologrammen auf einer Photoplatte 30 von einem Referenzobjekt vor und nach einer Verformung. Zunächst wird der Referenzgegenstand, dessen beleuchtete Fläche der Einfachheit halber mit der Geraden 31 angedeutet ist, mit der Objektbestrahlung 14' beleuchtet. Das von der Fläche 31 reflektierte Wellenfeld 17' wird mit der überlagerten Referenzwelle 32 der Referenzstrahlenquelle 19 in der Photoplatte 30 gespeichert. Auf der gleichen Photoplatte wird der Referenzgegenstand im verformten Zustand (31¹) unter Verwendung des zweiten Referenzstrahles 34 aufgenommen, die hierbei wirkenden Wellen sind gestrichelt dargestellt. Die rückgestrahlte Objektwelle 17'' erfährt durch die Verformung 33 eine entsprechende Phasen-Verschiebung gegenüber dem ursprünglichen Wellenfeld 17'. Die auf diese Weise doppelbeiichtete Hologrammplatte 30 wird aus der Halterung 18 herausgenommen und entwickelt.

Das entwickelte Zwischenhologramm 30 wird dann wieder in die Halterung 18 für die zweite Phase des Verfahrens eingelegt. Durch entsprechende in der Halterung 18 vorgesehene Einrichtungen, kann die Photoplatte 30 positionsgenau gegenüber ihrer Stellung in der ersten Verfahrensphase angeordnet werden. Das Objekt ist in diesem Fall der Prüfgegenstand, dessen beleuchtete Fläche im unverformten Zustand mit 40 bezeichnet ist. Die Objektbeleuchtung ist in diesem Fall das mit Hilfe der konjungierten Welle 41 des Referenzstrahles 32 rekonstruierte Wellenfeld 42.
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Die rückgestreute Objektwelle 43 wird in einer zweiten Hologrammplatte 44 gespeichert. Im ähnlicher Weise wird der Verformungszustand 40' des PrüfObjektes unter Verwendung des konjungierten Strahles 45 der zweiten Referenzwelle 34 beleuchtet (46) und unter Anwendung der gleichen Referenzstrahlquelle 16 auf der Hologrammplatte 44 aufgenommen.

Entspricht die Verformung 4.7 des Prüfobjektes der Verformung 33 des Referenzobjektes, so wird die Phasenverschiebung der Wellen 42 und 46, die der der Wellen 17' und 17" der ersten Phase und damit der Verformung 33 des Referenzobjektes entspricht, durch Umkehrung der optischen Weglängen in der zweiten Verfahrensphase wieder aufgehoben, so daß die rückgestrahlten Objektwellen 43 und phasengleich sind und im Hologramm entweder ein helles oder ein dunkles Feld erzeugen. Interferenzstreifen ergeben sich daher nur für die Gebiete der Vergleichsobjekte, bei denen die Verformung 47 des Prüfobjektes von der Verformung 33 des Referenzobjektes abweicht. Auf diese Weise wird die' nicht benötigte Information über das Verformungsverhalten des fehlerfreien Referenzobjektes vollständig eliminiert und nur der zu messende Fehler des Prüfobjektes flächenhaft dargestellt. Dieser ist somit nach Lage, Art und Größe auf einem Blick erkennbar, wodurch eine schnelle Qualitätsbeurteilung ermöglicht wird.

Das hier beschriebene Verfahren erlaubt weiterhin KontrolImöglichkeiten, um die Meßqualität zu optimieren.

Es ist ferner nur eine Zwischenplatte 30 zu justieren, wobei eine Störung oder ungenaue Positionierung sich in gleicher Weise auf beide Wellenfronten 42 und 46 auswirken. Da nur Differenzen in den Wellenfronten 43 und aufgezeichnet werden, tritt eine Verfälschung, oder bei großen Störungen, das völlige Verschwinden des Interferenzmusters nicht auf.

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-ΙΟΙ Sogar eine Umkopierung des Zwischenhologramms auf Platten mit höherem Beugungswirkungsgrad kann vorgenommen werden, ohne Beeinträchtung des Meßverfahrens bzw. der Meßqualität.
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Das beschriebene holografische Differenzverfahren ist auch zur Durchführung von Maßkontrollen von Prüflingen gegenüber einem Referenzgegenstand verwendbar. In diesem Fall werden in der ersten Phase von dem Referenzgegenstand mit der Objektbeleuchtungsquelle 13 zweimal hintereinander beleuchtet und mit deren rückgestreuten öbjektwellen 17 sowie den Referenzwellen aus den Quellen 19 und 20 unter Verwendung von Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge die beiden Zwischenhologramme erzeugt. In entsprechender Weise wird die Objektbeleuchtung in der zweiten Phase unter Zuhilfenahme von konjungierten Wellenfronten mit gleicher Wellenlängendifferenz durchgeführt. Auch hierbei ergibt sich ein Interferenzbild für·lediglich die Bereiche des Prüfobjektes, deren Maße von dem des Referenzobjektes abweichen.

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Claims (2)

1. gu/sd

   M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesell schaft

   München, 2. Februar 1983

   Patentansprüche 10

   Holografisches Differenzverfahren zum Messen und Prüfen von Änderungszuständen von Objekten bzw. Gegenständen, bei dem Zwischenhologramme

   von einem fehlerfreien Referenzobjekt aufgenommen werden, von denen die rekonstruierten Objektwellen des Referenzobjektes verwendet werden, um das Prüfobjekt zur holografischen .- Aufnahme zu beleuchten, dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwendung von zwei Referenzstrahlen zwei Zwischenhologramme des Referenzobjektes auf eine Photoplatte (30) aufgenommen werden, und daß das Prüfobjekt mit den rekonstruierten Objektwellenfeldern (42, 46) aus den Zwischen

   hologrammen (30) unter Anwendung der zugehörigen konjungierten Referenzstrahlen (41, 45) nacheinander beleuchtet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzstrahlen (32, 34) Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen verwendet werden.

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   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzstrahlen (32, 34) Laserstrahlen gleicher Wellenlängen verwendet

   werden.
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   4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Objektträger, einer Objektbeleuchtungsquelle, einer ersten Photoplatten-Halterung, eine fm rückgestrahlten Objektwellengang angeordnete, zweite Halterung für das Zwischenhologramm, sowie zwei, je einer den Photoplatten für die Halterungen zugeordneten Referenzstrahlquel1 en,

   dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, dem

   Zwischenhologramm (18) zugeordnete Referenz-Strahlenquelle (20) vorgesehen ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Referenzstrahlen-

   quellen (19, 20) konjungierte Referenzstrahlenquellen (21, 22) zugeordnet sind.

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