DE2312435C3 - Holographische Anordnung zur Ermittlung unregelmäßiger Verformungen durch zerstörungsfreie Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine holographische Anordnung zur Ermittlung unregelmäßiger Verformungen durch zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.

Unter unregelmäßigen Verformungen sind solche zu verstehen, die nicht eine gleichmäßige Veränderung der Lage aller Punkte der Oberfläche des zu messenden Objektes sind, sondern nur eine solche einzelner Punkte 3^ oder Bereiche dieser Oberfläche. Ein Beispiel einer regelmäßigen Verformung ist die durch Wärmedehnung entstehende Vergrößerung des Körpervolumens eines z. B. metallischen Objektes, während eine unregelmäßige Verformung eine solche ist, die z. B. durch einen Gußfehler oder Lunker eines solchen Metallgegenstandes an einer begrenzten einzelnen Stelle hervorgerufen wird.

Es besteht ein erhebliches wirtschaftliches Interesse, bei Werkstoffprüfungen oder bei der Ausgangskontrol-Ie fertiger industrieller Erzeugnisse solche unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. bei Erhitzung, auftretende unregelmäßige Verformungen festzustellen, ohne dabei das Objekt zu beschädigen oder zu zerstören, wie dies bei herkömmlichen Werkstoffprüfverfahren unumgänglich ist und wodurch in größerem Umfang auch an sich einwandfreie Werkstücke oder Erzeugnisse vernichtet werden.

Es ist bekannt, zu solchen zerstörungsfreien Prüfungen Verfahren der holographischen Interferometrie zu verwenden. Es wird hierbei von dem Objekt in seinem unveränderten Ausgangszdstand ein Hologramm aufgenommen und dieses mit einem solchen unter Überlagerung verglichen, daß vom gleichen Objekt in gleicher Stellung, aber in einem seine Oberflächenänderung bewirkenden Zustand aufgenommen wurde. Es ergibt sich dann ein Interferenzmuster, in dem die Veränderung und insbesondere die unregelmäßigen Veränderungen abgelesen und vermessen werden können. In DAS 19 06 511 wird ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, die zur Prüfung von Luftreifen auf Fehler dienen soll. Dabei wird von einem aufgepumpten Reifen kurz nach dem Aufpumpen und einige Zeit später je ein Hologramm aufgenommen und diese durch Überlagerung verglichen. Aus dem sich ergebenden Interferenzmuster lassen sich Fehler in der Struktur des Reifens, die sich in Form von sonst nicht sichtbaren Ausbeulungen anzeigen, sichtbar machen. Die Möglichkeit, mit Hilfe holographischer Interferometrie die Formänderungen dreidimensionaler Objekte zu messen, wurde erstmals von Hildebrand und Haines ir. Optics 5 (1966, Seite 172/173) und von den gleichen Verfassern in Optics 5 (1966, Seite 595 bis 602) beschrieben.

Bei diesen genannten Verfahren ist es jedoch sehr störend, daß sowohl die regelmäßige, wie die unregelmäßige Verformung Interferenzlinien hervorrufen, die meist nur schwer zugeordnet werden können. Das heißt, die gesuchte Fehlerstelle oder -Quelle läßt sich auf Grund solcher Interferenzbilder nur schwer identifizieren und vermessen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die durch die regelmäßige Verformung hervorgerufene Interferenzlinien zu unterdrücken, so daß im Interferenzbild im wesentlichen nur diejenigen Linien sichtbar werden, die einer unregelmäßigen Verformung zugeordnet sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Anordnung nach Anspruch 1 ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Die Elemente zur Umlenkung der Lichtstrahlen können dabei nur der Komponente der regelmäßigen Verformung in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen Beleuchtungs- und Betrachtungsstrahl zwischen Lichtquelle, dem Objektpunkt und dem Beobachtungspunkt angepaßt sein.

Diese Winkelhalbierende kann bestimmt sein durch die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie zwischen Lichtquelle bzw. virtueller das Objekt beleuchtenden Lichtquelle und dem Beobachtungspunkt. Lichtquelle und Beobachtungspunkt sind die Brennpunkte einer Schar von Flächen in Form von Ellipsoiden, die der geometrische Ort für gleich lange Wegstrecken zwischen Lichtquelle—Punkt auf der Oberfläche des Objektes- Bt;obachtungspunkt sind. Das heißt, daß alle Punkte bzw. ihre Spiegelung auf der gleichen Fläche des Ellipsoids liegen, das seine Brennpunkte in Lichtquelle und Beobachtungspunkt hat und dessen durch seine kurze Achse bestimmter Scheitelpunkt in Richtung auf das Objekt liegt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die regelmäßige Verformung keine oder kaum Interferenzlinien im Vergleichshologramm erzeugen kann und nur die unregelmäßigen Verformungen in Interferenzlinien beobachtbar sind. Fallen Lichtquelle und Beobachtungspunkt zusammen, so sind die Flächen gleicher optischer Weglänge Sphären.

Der Rotationskörper zur Umlenkung des Objektstrahles kann ein Kegel oder eine Anordnung mehrerer koaxialer Kegel sein. Diese Kegelanordnung ist, wenn sie vom Objekt umgeben wird, außenverspiegelt, wenn sie das Objekt umgibt, innenverspiegelt.

Es ist nicht erforderlich, daß ein sehr hoher Anpassungsgrad zwischen Element zur Umlenkung und Objektoberfläche erzielt wird, sondern es genügt, daß die durch die regelmäßige Verformung des Objekts erzeugten Interferenzlinien so weit unterdrückt werden, daß nur wenige, z. B. ein bis drei im Interferenzbild erscheinen oder nur so viele, daß eine mühelose und eindeutige Zuordnung der Linien unregelmäßiger Verformung möglich ist.

Die erfindungsgemäße holographische Anordnung kann erfolgreich für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung angewendet werden, z. B. serienmäßig durch weitgehend ungeschultes Personal mit Hilfe fest eingerichteter Vorrichtungen. Da ein sehr großer ObjeiUraum zur Verfügung steht, können nahezu beliebige Verfahren zur Erzeugung der Oberflächenverfornung, z. B. Anwendung von Hitze oder Veränderung der Druckverhältnisse zwischen Objekt und umgebenden Medium herangezogen und auch Objekte größeren AusmaPes untersucht werden. Die Anordnung der Rund- oder Hohlspiegel ermöglicht zudem, das Objekt allseitig mit einem einzigen Hologramm zu erfassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen. erläutert und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine holographische Anordnung in schematischer Darstellung, wobei das Objekt perspektivisch wiedergegeben ist,

F i g. 2 eine Darstellung des Strahlenganges am Objekt.

Der aus dem Laser 1, z. B. einem He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm, austretende Lichtstrahl durchläuft einen Photoverschluß 2 und wird darauf in dem Strahlenteiler 3 in einen Objektstrahl a und in einen Referenzstrahl b aufgespalten. Der Objektstrahl wird, nach dem er durch d;.<■■ Objektiv 4 aufgeweitet wurde, am Spiegel 6 umgelenkt und beleuchtet über den leicht konvexen Spiegel 6 das Objekt 7. Das vom Objekt 7 diffus reflektierte Licht, dargestellt in einem ausgewählten Strahl a', gelangt zur Photoschicht 8 auf der Platte 0. Der Referenzstrahl öwird am Spiegel 10 umgelenkt und anschließend durch das Linsensystem 11, 12 parallel oder aufgespreizt aufgeweitet. Es beleuchtet nach Umlenkung am Spiegel 13 unmittelbar die Photoschicht 8. Auf dieser wird das Interferenzfeld aufgezeichnet, das vom Referenzstrahl b und dem vom Objekt 7 diffus einfallenden Licht erzeugt wird. Die Belichtung der Photoschicht 8 wird durch den Photoverschluß 2 zeitlich gesteuert. Die Photoschicht 8 weist ein hohes Auflösungsvermögen von mehr als 1000 Linien/mm auf. In dem in ihr fixiertem Bild ist die vom Objekt ausgehende optische Information als !nterferenzfeld gespeichert, das heißt, als Hologramm des Objektes 7.

Beleuchtet man dieses Hologramm nur mit dem Referenzstrahl b, so kann das virtuelle Bild des Objektes 7, das aus der Beugung des Referenzstrahles b an dem Interferenzfeld entsteht, an seinem ursprünglichen Ort beobachtet werden.

Auf dem Schnittpunkt des rückwärts verlängerten Strahlenganges des vom Spiegel 6 umgelenkten Objektstrahles a befindet sich die virtuelle Lichtquelle in Punkt 14. Hinter der Platte 9 kann sich der Beobachtungspunkt 15 befinden. Die Winkelhalbierende zwischen Beleuchtungsstrah! a und Betraclitungsstrahl a' bestimmt die Lage des Objektes 7. Im Ausführungsbeispiel ist die Winkelhalbierende gleich der Miltelsenkrechten 16 auf der Verbindungslinie 17 zwischen der virtuellen Lichtquelle 14 und dem Beobachtungspunkt 15. Das Objekt liegt dann im Scheitelpunkt einer Schar von Elipsoiden 18, deren Brennpunkte die Lichtquelle 14 und der Beobachtungspunkt 15 sind und die geometrischer Ort für gleich lange Wegstrecken Lichtquelle 14- Punkt 19 auf der Oberfläche des Objektes 7 — Beobachtungspunkt 15 sind. An Stelle des Objektpunktes 19 tritt in dem in Fig. 1 dargestellten Fall der virtuelle Punkt 19'. Der Weg des Strahls a von der Lichtquelle 1 bzw. von der virtuellen Lichtquelle 14 zum Objektpunkt 19 bzw. 19' und dessen diffuse Reflexion als Strahl a'zum Beobachtungspunkt 15 beschreibt diese Weglänge.

Um das Objekt 7, das in diesem Fall einzylindrischer Körper ist, der mit seiner Achse in der Mittelsenkrechten 16 liegt, isi koaxial ein offener innenverspiegelter und gerader Hohlkegelstumpf 20 mit seiner Grundfläche in Richtung auf die Punkte 14 und 15 zu angeordnet. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die in Richtung von der

ίο virtuellen Lichtquelle 14 einfallenden Objektstrahlen 18, 19 auf ihrem Weg vom Spiegel 6 zum Beobachtungspunkt über die Innenwandung des Hohlkegelstumpfes und die Oberfläche des Objektes, wobei sie zwischen letzteren zweimal reflektiert werden, die gleiche Weglänge zurücklegen.

Fi£. 2 zeigt den Hohlkegelstumpf 20 im Schnitt mit dem darin angeordneten Objekt 7. Es sind zwei Teilstrahlen ai und a₂ des Objektstrahles a als von der virtuellen Lichtquelle 14 ausgehend dargestellt, die auf die verspiegelte Innenfläche des Kegelstumpfes auftreffen und von dieser auf die Punkte 21 und 22 auf der Oberfläche des Objektes 7 umgelenkt und von diesem wiederum als diffuses Licht, in diesem Falle dargestellt als Strahlen a^ und a« reflektiert werden. Diese Strahlen gehören zu den vom Auge des Beobachters ausgewählten, das sich im Beobachtungspunkt 15 befindet. Die virtuelle Reflexionspunkte 21' und 22' der Strahlen a\ und a2 liegen auf dem gleichen Elipsoid 23, dessen Brennpunkte die virtuelle Lichtquelle 14 und der Beobachtunspunki 15 sind. Sie legen demnach von Punkt 14 über Punkt 21 bzw. 2Γ zu Punkt 15 und von Punkt 14 über Punkt 22 bzw. 22' zu Punkt 15 die gleiche Weglänge zurück.

Damit sind die Flächen, für welche die optische Weglänge des Lichtstrahls von der Lichtquelle 14 über den Objektpunkt 21 oder 22 bis zum Beobachtungspunkt 15 konstant sind, der untersuchten Fläche des Objektes bzw. bei gleichmäßiger zylindrischer Verformung auch die Formänderung der untersuchten Fläche des Objektes angepaßt.

Wenn sich jedoch ein Oberflächenpunkt des Objektes 7 unregelmäßig verschiebt, mit Ausnahme des Falles, in dem diese Verschiebung innerhalb der Oberfläche des Objektes 7 erfolgt, ergibt sich eine Änderung der optischen Weglänge von Punkt 14 über diesen Objektpunkt zum Punkt 15, die von der regelmäßigen Änderung der optischen Weglänge abweicht. Dann tritt eine Interferenz zwischen dem Hologramm des unveränderten und dem des veränderten Zustandes auf, die sich in entsprechenden Interferenzlinien ausdrückt, wobei nur diese im Interferenzbild erscheinen. Es werden also unregelmäßige Objektveränderungen ohne die regelmäßige Interferenzlinien im Hologramm sichtbar, die sonst bei Weglassen des Kegeispiegels 20 erscheinen und die die partielle unregelmäßige Veränderung des Objektes 7 anzeigenden Interferenzlinien stören würden. Das Erkennen von unregelmäßiger Veränderung der Lage von Punkten oder Gruppen von Punkten in der Oberfläche des Objektes und deren Vermessung ist daher ohne Schwierigkeiten möglich.

Normale Veränderungen des Objektes 7, das heißt solche, die seine ganze Oberfläche gleichmäßig erfassen, wie sie z. B. bei Wärmedehnung des Objektes oder seiner Volumenänderung in Folge Veränderung des Druckverhältnisses zu seiner Umgebung auftreten, führen zu keiner Störung der Aufzeichnung der besonderen Lageänderung einzelner Punkte oder kleiner Bereiche in der Oberfläche des Objektes im

Interferenzbild, da die allgemeine Formänderung eine Lage aller Oberflächenpunkte erzeugt, für die die Änderung der optischen Weglänge Lichtquelle—Oberflächenpunkt—Beobachtungspunkt entweder gleich oder nahezu gleich ist, so daß keine oder nur sehr wenige Interferenzlinien entstehen.

Der als Objekt 7 dargestellte Körper kann z. B. ein Zylinder aus Metallguß sein, der auf Vorhandensein von verdeckten Gußfehlern geprüft werden soll. Sein Hologramm wird zunächst im kalten Zustand unter Belichtung der Photoschicht 8 mit Objekt- und Referenzstrahl festgehalten. Sodann wird er, z. B. durch Wärmeleitung- oder Strahlung erhitzt. Das Interferenz bild seines sodann aufgenommenen Hologramms in dei Photoschicht 8 mit dem im Ausgangszustand de; Objektes Aufgenommenen zeigt bei Nichtvorhanden sein von Gußfehlern keine oder nur eine ganz geringe Zahl von Intcrferenzlinicn. Gußfehler werden deutlich in Lage und Ausdehnung durch Intcrferenzliiiier angezeigt.

Die Formänderung kann ferner durch Änderung dei mechanischen Belastung des Objektes oder durch Schwingungsanregung oder durch Kriechen des Objek tes hervorgerufen werden.

Iülm/li 2 Bhitl Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Holographische Anordnung zur Ermittlung unregelmäßiger Verformungen durch zerstörungs- s freie Werkstoffprüfung, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Objekt (7) umgebender oder von diesem umgebener Rotationskörper (20) mit verspiegelter, der Oberfläche des Objektes (7) in vereinfachter Form entsprechender Oberfläche zur Umlenkung der von einer virtuellen Lichtquelle (14) auf dem Objekt (7) einfallenden, von diesem reflektierten und den Beobachtungspunkt schneidenden Lichtstrahlen (a, a', la, 2a,3a,4a)vorgesehen ist, deren virtuellen Reflektionspunkte (19', 2V, 22') auf einem Ellipsoid (18, 23) liegen, dessen Brennpunkte mit der virtuellen Lichtquelle (14) und dem Beobachtungspunkt (15) zusammenfallen und daß das Objekt (7) auf der Mittelsenkrechten (16) der Verbindungslinie (17) zwischen Lichtquelle (14) und Beobachtungspunkt (15) angeordnet ist

2. Holographische Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (20) ein Kegel oder eine Anordnung mehrerer koaxialer Kegel ist.