DD270144A1 - Anordnung zur bewertung der reflexionseigenschaften im innern von elliptisch-zylindrischen laserreflektoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die besonders zur Bestimmung der regulaeren und/oder diffusen Reflexionseigenschaften sowie der Lokalisierung und Erkennung von Defekten in der Rueckflaechenverspiegelung von Laserreflektoren sowie zur Bestimmung von mit der Reflexion verknuepften Eigenschaften geeignet ist. Mittels zwei lichtfuehrenden optischen Elementen von der Lichtquelle zur Rueckflaechenverspiegelung und von dieser zum photoelektrischen Strahlungsempfaenger wird eine Intensitaetsmessung realisiert. Die Erfindung ist auf allen Gebieten der Technik anwendbar, wo es um eine lichtoptische Bewertung der Innenflaechen von elliptischen Hohlzylindern geht. Fig. 5

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur Bewertung der Reflexionseigensohaften im Inneren von elliptisoh-zylindrisohen Laserreflektoren

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bewertung der Reilexionseigenschaften innerhalb elliptisch-hohlzylindrisoher Laserreflektoren mittels Einstrahl- oder Zweistrahl-Intensitätsmessung. Die Anordnung ist insbesondere zur Bestimmung der regulären und oder diffusen Reflexionseigenschaften einschließlich der Lokalisierung und Erkennung von Defekten in der Hückflächenverspiegelung derartiger Laserreflektoren sowie zur Bestimmung von mit der Reflexion verknüpften Eigenschaften geeignet. Bei Gewährleistung konstanter Reflexionseigenschaften der RUckfläohenverspiegelung ist auch eine Kontrolle der Ellipsenform des Laserreflektors möglich. Die Erfindung ist p.af allen Gebieten der Technik anwendbar, wo es um eine lichtoptische Bewertung der Innenflächen von elliptischen Hohlzylindern geht. Denkbar sind aber auoh spezielle Ausführungsforiudn zur lichtoptischen Bewertung der inneren Oberflächen von komplizierter geformtem Hohlkörpern oder Hohlzylindern ohne optische Funktionsflächen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Reflexionsgrad als Verhältnis der reflektierten Intensität zur auftreffenden Intensität ist eine v/ichtige Größe zur Bewertung der Güte oder zur Ermittlung von mit der Reflexion verknüpften Eigenschaften insbesondere von hochreflektierenden optischen Funktionsflächen. Dabei sind sowohl die reguläre als auch die diffuse Reflexion spektral und/oder winkelaufgelöst von Interesse.

Zur Bestimmung der Reflexion von ebenen oder schwach gekr*'-.«iuten Flächen mittels Intensitätsmessung sind eine Vielzhal

6221

270i44

von Anordnungen als Absolut- oder Vergleiohsmethode zur Realisierung von Einstrahl- oder Zweistrahlverfahren bekannt. Bei diesen Anordnungen wird das von einer Lichtquelle mit unterschiedlichsten Strahlungscharakteristiken ausgehende Licht ggf. mit Spektralapparaten monochromacisiert und zur Verbesserung der Meßgenauigkeit zwecks Anwendung von Lock-in- oder frequenzselektiven Techniken moduliert. Das so behandelte Licht wird danach mit Hilfe konventioneller optischer Bauelemente (Linsen, Spiegel, Faseroptiken) unter einem zweckmäßigen Inzidenzwinkel auf die Probenoberfläche und ggf. bei Realisierung eines Zweistrahlverfahrens simultan auf einen Referenz-Strahlungsempfänger oder nacheinander auf die Probe und einen Strahlungsempfänger geführt.

Zur Erfassung der regulären Reflexion (Spifgelreflexion) wird der Strahlungsempfänger unter dem Reflexionswinkel angeordenet (GB 2 177 793, DE-OS 2 823 912, DE-OS 2 438 869) bzw. mittels Lichtleitertechnik auf den Detektor geführt (Appl. Opt. 23 (1984) 4054).

Zur Erfassung der azimutalen und radialen Verteilung der diffusen Reflexion ist es prinzipiell möglich, weitere Empfänger lter anderen Winkeln anzuordnen (GB 2 177 793, DE-OS 2 438 869) oder eine winkelaufgelöste Messung (Indikatrix) vorzunehmen (Appl. Opt. 21 (1982) 1824, US 4 192 995, GB 2 067 748, DE-OS 3 426 332, SU 117 629, SU 121 090). Die diffuse Reflexion kann aber auch als totale integrale Streuung (TIS) mittels Coblentz-Kugel (Αρρ^Ί.. Opt. 22 (1983) 3207) oder Ulbricht'scher Kugel (US 3 862 804, SU 1 193 543, Aypl. Opt. 26 (1987) 583) erfaßt werden.

Für geringere Anforderungen an die Meßgenauigkeit wurde zur Registrierung der diffusen Reflexion eine Anordnung mit einem ebenen, großflächigen Strahlungsempfänger vorgeschlagen (GB 2 1C3 359). Anordnungen zur Bewertung der Reflexion in Bezug auf Vergieichsprcben sind auf cer Grundlage der bereits genannten Meßprinzipien aus den Schriften US 3 862 804 und US 4 555 178 bekannt.

6221

Weitverbreitet sind Reflexionsmessungen naoh der Ausschlag- oder Abgleichmethode, die mit kommerziellen Zweistrahlspektrometern für Transmissionsmessungen mit Hilfe lichtumlenkender Einsätze realisiert sind. D irtige Anordnungen sind z. B. in A. Vapko, "Infrared Radiation", Iliffe Books Ltd., London 1968, Seite 228 oder G. Kortuem, "Kolorimetrie, Photometrie und Spektrometrie", Springer Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg, Seite 345 ff. und 404 ff. näher beschrieben. Eine auf Fahrenford, Spectrochim, Acta 17 (1961) 698 zurückgehende Variante der Reflexionsspektroskopie ist die Messung der abgeschwächten Totalreflexion, bei der unter Anwendung von Mehrfachreflexion über die gedämpfte Welle, die bei Totalreflexion an der Phasengrenze zwischen Medien mit verschiedenen Brechzahlen auftritt, die Absorption im optisch dünneren Medium erfaßt wird. Diese Methode ist jedoch an spezielle Substanzkombinationen aus schwach absorbierenden Medier gebunden und nicht universell anwendbar.

In der Schrift DE-OS 2 205 632 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächendefekten in metallisierten Grundschichten unter Verwendung polarisierter Lichtstrahlen beschrieben, die nach den bereits dargelegten Prinzipien unter Hinzufügen polarisierender optischer Elemente im Beleuchtungs- und Empfängerstrahlengang arbeitet.

Neben den bereits genannten Mangeln der einzelnen o. g. Anordnungen und Methoden zur Bestimmung der Reflexion besteht der allgemeine Nachteil in der Notwendigkeit eliener Prüflinge. Für schwach gekrümmte Oberflächen wurden zur Reflexionsgradbestimmung Anordnungen vorgeschlagen, die prinzipiell nicht von den bereits beschriebenen Anordnungen abweichen (SU 1 193 542, DD 227 795).

Zur Bewertung der Oberflächen im Inneren von geschlossenen, stark gekrümmten Flächen (Hohlkörpern) sind speziell für Anordnungen zum Feststellen vor. Fehlern in Flaschen oder dergleichen Lösungen bekannt geworden, bei denen ein Lichtstrahl durch eine Öffnung in den Hohlkörper geführt und der reflektierte Strahl mittels Strahlungsempfänger außerhalb

6221

des Hohlkörpers registriert wird, wobei die Innenwandung kreis- oder spiralförmig durch Realisierung einer Relativbewegung beispielsweise durch Drehung des Körpers (DE-AS 1 020 812) oder durch geeignete Spiegelanord.nungen (DE-OS 2 910 516) abgetastet wirr*. Diese Anordnung ist jedoch insbesondere wegen der sich ändernden Bestrahlungsbedingungen infolge unterschiedlicher Inzidenzwinkel nicht für optische ^Or."zisionsmessungen geeignet.

Speziell für Präzisionsbestimmungen der Reflexion im Inneren von rückflächerverspiegelten hohlzylindrischen Laserreflektoren sind keine Anordnungen bekannt geworden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zur Bewertung der Reflexionseigenschaften innerhalb elliptisch-hohlzylindrischer Laserreflektoren mittels Einstrahl- oder Zweistrahl-Intensitätsmessung, die zur Bestimmung von räumlich aufgelösten regulären und/oder diffusen Reflexionseigenschaften einschließlich der Lokalisierung und Erkennung von Defekten sowohl axial als auch radial geeignet ist.

Die Anordnung soll einfach aufgebaut und automatisierbar sein und eine routinemäßige Bewertung mit hinreichender Genauigkeit gestattetl*

Wesen der Erfindung

Der Erf-'iiuung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungsmöglichkeiten für eine Anordnung zur Bewertung der Reflexionseigenschaften innerhalb rückfIachenverspiegelter elliptisch-hohlzylindrischer Laserreflektoren mittels Intensitätsmessung anzugeben, die neben der Bestimmung der regulären Reflexion auch die Lokalisierung und Erkennung von Defektstrukturen in der Rückflächenverspiegelung ohne Auswertung der diffusen Reflexionseigenschaften mittels winkelaufgelöster Messungen (Indikatrix) gestattet und weitgehend konstante Bestrahlungsbedin^ungen gewährleistet .

Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zur Bewertung der Reflexionseigenschaften von RUckflächenverspiegelungen innerhalb elliptisch-hohlzylindrisoher Laserreflektoren, in der mittels einer modulierten Lichtquelle und mindestens eines photoelektrischen Strahlungsempfängers eine Intensitätsr.iessung realisiert ist, bei der die Liohtführung von der Lichtquelle zur Rüokflächenverspiegelung mit einem ersten liohtführenden optischen Element und die Lichtführung von der Ruckflächenverspiegelung zum photoelektrischen Empfänger mit einem zweiten licht führenden optischen Element erfolgt, dadurch gelöst, daß das erste lichtführende optische Element eine in unmittelbarer Nähe der einen Brennpunktachss des Laserreflektors angordnjte ebene Lichtaustrittsfläche aufweist, deren Flächennormale im Mittelpunkt sxets eine Senkrechte zur Brennpunktachse bildet, und das zwoite lichtführende optische Element eine in unmittelbarer Nähe der anderen Brennpunktachse des Laserreflektors angeordnete ebene Lichteintrictsfläche aufweist, deren Flächennormale im Mittelpunkt ebenfalls eine Senkrechte zur Brennpunktachse bildet, wobei die Flächennormalen der Lichtaustritts- und Lichteintrittsfläche in einer Ebene liegen, in der für den durch die F"ächennormale der Lichtaustrittsfläche und der Verbindungsgeraden der beiden Brennpunkte gebildete Winkel β und den durch die Flächennor— male der Lichteintrittsfläche und der Verbindungsgeraden der beiden Brennpunkte gebildete Winkel«6 bei frei wählbaren Winkel ß die Beziehung

sinoZ = (1 - e²) sin/?/ (1 - 2e cos/3 + e²)

mit der Exzentrizität der Ellipce e erfüllt ist. Es ist zv/eckdienlich, wenn die Lichtaustritts- und Lichteintrittsflächen von gleicher Größenordnung und klein gegen die Laaerreflektorabmessungen·sind, so daß eine punktförmige Strahlungs- bzw. Empfangscharakteristik der Lichtaustrittsbzv/. Lichteintrittsfläche erreicht wird. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen für die Li.chtaustritts- und Llchteintrittsflächei? ergeben sich, wenn diese Flächen jeweils Stirnflächen von Lichtleitkabeln und/oder Flächen von Prismen sind. Zur Erfassung der axialen und radialen Reflexionseigenschaften

6221

einschließlich Lokalisierung und Erkennung von Defektstrukturen in der RUckflächenverspiegelung ist es zweckmäßig, wenn die lichtaustrittsfli'.che des ersten lichtführenden optischen Elementes und die Lichteintrittsfläche des zweiten ÜchtfUhrenden optischen Elementes entlang der Brennpunktaohsen verschiebbar und um die Brennpunktachsen drehbar angeordnet sind, wobei die Drehachsen in der Lichtaustritts- bzw. Liohteintrittsfläche liegen und mit den jeweiligen Brennpunktachsen zusammenfallen. Dabei ist es zur Erfassung der regulären Reflexion bei Einhaltung der o. g. Beziehung für die Winkel und erforderlich, daß die Lichtaustntts- und Lichteintrittsfläche in einer Ebene verschiebbar angeordnet sind. Die diffusen Reflexionsei&enschaften können mit Hilfe davon abweichender Geometrien bescimmt v/erden.

Mit der eifindungsgemäßen Anordnung ist es prinzipiell möglich, Intensitätomeesungen als Eins t;rahl- oder Zwei3trahlmessungen auszuführen.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn als Lichtquelle eine Laserlichtquelle verwendet wird, wobei das Laserlicht durch die lichtführenden optischen Elemente zur bzw. von der Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsfläche geführt v/ird. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich, wenn die Lichtaustrittsfläche selbst ein Bestandteil der Lichtquelle ist, die beispielsweise eine Lumineszenzdiode, eine Laserdiode, eine speziell ausgeführte konventionelle Lichtquelle o. ä. sein kann undggf. mit monochromatisierenden Bauelementen o. ä. versehen ist. Besonders einfache und vorteilhafte Ausführungsform&^ ergeben sich, wenn die Lichteintrittsfläche selbst ein Bestandteil des photoelektrischen Strahlungsempfängers, vorzugsweise die Wandlerflache des Empfängers ist.

Durch Anwendung der erfindungsgemüßen Lösung kann in einer festen axialen Position von Lichtaustritts- und Lichteintrittsfläche bei einem frei wählbaren Winkel die reguläre Reflexion der Rücklaufverspiegelung eines elliptisch-hohlzylindrischen Laserreflektors erfaßt werden. Dabei kann die Realisierung der erfindungsgemäß geforderten Beziehung zwischen dem Winkel und dem Winkel kontinuierlich oder inkremental mii Hilfe an sich bekannter technischer Einrichtungen wie beispielweise Mikrorechener, rotatorischer Stellglieder, Analogsteuerung

6221

ο. dgl. erfolgen. Eine axiele Abtastung des Laserreflektormantels in Richtung der Brennachsen kann dabei unter Verwendung entsprechender translatorischer Baugruppen ggf. mit Rechnersteuerung erfolgen.

Die Lokalisierung von Defektstrukturen wie Risse, Poren und Schichtablösungen erfolgt in dieser Anordnung durch Ermittlung von punkttuellen bzw. lateral ausgedehnten Abweichungen von Sollwerten der Reflexion, die mittels Rechnerstützun^ auch kartiert v/erden können. Eire Erkennung der Defektstrukturen ist auf einfache Weise durch einen Vergleich mit Modelldefektstrukturen möglich. Die vorgeschlagene Anordnung gestattet aber auch bei Anordnung d?r Lichtaustritts- und Lichteintrittsfläche in verschiedenen Eber.en senkrecht zu den Brennachsen und/oder bei Abweichungen vou der geforderten Beziehung zwischen den Winkeln X und β eint Bestimmung der diffusen Reflexionseigenschaften, die durch Anwendung an sich bekannter Algorithmen zur Erkennung von Defektstrukturen bzw. zur Ermittlung von mit der Reflexion verknüpften Eigenschaften herangezogen werden könr-en. Bei Gewährleistung konstanter Reflexionseigensuhaften der Rückf läc'aenverspiegelung ist mit der vorgeschlagenen Anordnung auch eine Kontrolle der Ellipoenform des Laserreflektors möglich.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Beispiels und fünf Zeichnungen näher erläutert w "den

Es zeigen schematisch

Fig. 1 einen elliptisch-hohlzylindrischen Laserresonator

Fig. 2. die Anordnung zur Bewertung der Reflexionseigenschaften 3, 4 der auf die Mantelfläche dec Laserreflektors aufgebrachten Rückfläohenverspiegelung irittels Intensitätsmessung (Fig. 2) mi'b verschiedenen AusfUhrungsformen der Lichtaustritts- und Lichteintrittsflächen (Fig. 3) und einer beispielhaften funktionellen Abhängigkeit des Winkels c*^ zwischen der Liohteintrittsflächennor-

6221

270Ua

malen und der Verbindnngsgeraden der Brennpunkte und dem

Winkel β zwischen der Mohtaustrittsflächennormalen und der Verbindungsgeraden der Brennpunkte in einer Ebene senkrecht zur Brennpunktachse (Fig. 4)

Fig. 5 ein mögliches Blockschaltbild zur Realisierung einer Zwei strahl-Intensitätsmessung.

In Fig. 1 ist ein elliptisch-zylindrischer Laaerresonator mit der Kantelfläche M und den beiden elliptischen Stirnflächen T. und Tp dargestellt, durch deren Brennpunkte die beiden Brennpunktachsen B. und Bp verlaufen. Entlang α. eser Brennpunktachsen B. und Bp kann· der Laserresonator die beiden Bohrungen H.. und Hg zur Aufnahme d^s nicht dargestellten aktiven Laserelementes und einer ebenfalls nicht dargestellten Pumplampe aufweisen oder aber vollständig hohl sein. 2a ist die kleine und 2b die große Halbachse der Stirnflächen-Ellipse. Der Laserresonator besteht vorzugsweise aus Quarzglas, wobei die Mantelfläche M und die Stirnflächen T^ und T₂ mit einer breitbandig wirkenden Verspiegc]vngsschicht versehen sind, die als RUckflächenverspiegelung das Pumplampenlicht in das aktive Laserelement reflektiert. Piese Rückfläuhenverspiegelung irt hinsichtlich ihrer Reflexion einschließlich der Lokalisierung und Erkennung von Defektem wie z. B. Ablösungen der Rückflächenverspiegelungsschicht, Fehlstellen, Poren, Kratzer, Risse . u. dgl. durch eine als Einjoder Zweistrahlmessung ausführbare Intensitätsmessung zu bewerten.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der in Fig. 2 in einer Schnittebene paraülel zu den elliptischen Stirnf .ächen T. bzw. Tp dargestellten Anoic ung einer ebenen Lichtaustrittfläche F. und einer ebenen Lichteintrittsfläche Fp, wobei die Flächen F, und Fp klein gegen die Abmessungen des Laserreflektors R sind, so daß punktförmige Strahlungs- und Empfangscharakteristiken erreicht werden.

Die Lichtaustrittsfläche F^ bzw. Lichteintrittsfläche F_g sind in unmittelbarer Nähe der Brennpunktachsen B. bzw. Bp vorzugsweise so angeordnet, äaß die Brennpunktachsen B, und Bp in den

6221

270 M

Lichtaustritts- bzw. Liohteintrittsfläohen F,. bzw. Pp liegen und die Fläohennormalen in den jeweiligen Mittelpunkten der Fläohen F,. und. F₀, die vorzugsweise eine einfaohe geometri oohe Form besitzen, stets einen reohton Winkel zur jeweiligen Brennpunktaohse B^ oder B^ bilder.

Zur Ermittlung der regulc en Reflexion ist es erforderlioh, daß das von der Lichtaustri tsfläche F. senkreoht ausgehende Heßlicht senkrecht auf die L chteintrittsfläche Fg auftrifft, wobei diese Bedingung beim Abtasten des gesamten Perimeters der Ellipse einzuhalten ist. Wählt man die Verbindungsgerade der beiden Brennpunkte der Ellipse, die sich im Abstand 2c befinden, als Bezugslinie, so ist zur Realisierung der o. g. Bedingung die Einhaltung einer von den Ellipsenparametern abhängigen definierten Beziehung zwischen dem durch die Flächennormale im Mittelpunkt der Lichtaustrittsfläche F. und der Verbindungslinie der beiden Brennpunkte gebildeten Winkel^ und dem durch die Flächennormale im Mittelpunkt der Lichteintrittsfläohe F^ und der Verbindungslinie der beiden Brennpunktachsen B^ und B₀ ge-

bildeten Winkel *> erforderlich.

In Fig. 4 sind die geforderten funktionalen Abhängigkeiten sin*6 von β beispielhaft für Ellipsen mit einem Brennpunktabstand 2c mit 4 Längeneinheiten und großen Halbaohsen 2a mit 20 bzw. 6 Längeneinheiten dargestellt.

Für beliebige Ellipsenparameter ist erf indungsgem?ß für die Winkel oL und pdie Beziehung:

sin X = (1 - e^C) sin/?/ (1 - 2e cos β + e²)

einzuhalten; e ist hierbei die Exzentrizität der Ellipse: e = c/a. Pie Einstellung dieser Winkel kann kontinuierlich oder inkremental erfolgen, wobei die Anv/endung einer Mikrorech' ιτ-steuerung zweckmäßig ist. Die Drehachsen sind hierbei die in der Lichtaustrittsfläche F. und Lichteintrittsfläche F_g liegenden Brennpunktachsen des Laserreflektors. Bei Einhalten des angegebenden funktionalen Zusammenhangs der Winkel«^ und β ist die Bestimmung der regulären Reflexion möglich. Signifikante Abv/eichungen von einem mit einer bestimmten Toleranz behaftteten Erwartungswert der Reflexion können als Defekte gedeutet

6221

it

werden, deren laterale Konfiguration duroh entsprechende Variation der Winkel^ und $ sowie durch eine vorzugsweise inkrementale Abtastung der gesamten Mantelfläche M des Laserreflektors R durch Anordnung der Liohtaustrittsfläche F,. und Lichteintrittsfläche Fp in einheitlichen aber verschiedenen Ebenen parallel zu den elliptischen Strinflächen T., Tp des Laserreflektors R ermittelt werden kann. Eine Erkennung der Defektstrukturen kann dabei durch Vergleiche mit Modelldefektstrukturen erfolgen. Günstig ist dabei eine rechnergestützte Kartierung der gesamten Mantelfläche M. Durch diese Verfahrensweise kann sov/ohl die Reflexion als auch das Defektstrukturbild der zu bewertenden Rückflächenverspiegelung ohne Notwendigkeit der Ermittlung der diffusen Reflexionseingenschaften bestimmt werden. Eine Bestimmung der diffusen Reflexionseigenschaften ist ebenfalls möglich; dazu ist die Anordnung der Lichtaustrittsfläche F.. und Lichteintrittsfläche Fp in verschiedenen Ebenen parallel zu den elliptischen Stirnflächen T., Tp und/ oder eine entsprechende Abweichung von der oben eingegebenen Winkelbeziehung erforderlich. Für die technische Ausführung der Lichtaustrittsfläche F. und der Lichteintrittsfläche P„ ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Flächen Betsandteile von lichtfUhrenden optischen Elementen E, ,„ sind. Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung verschiedene vorteilhafte Anordnungen der Lichtaustrittsfläche F. und Lichteintrittsfläche Fp an den lichtführenden optischen Elementen E. /p einschließlich der Lichtführung der beleuchtenden Strahlung L. und der reflektierten Strahlung Lp. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, lassen sich ebene Lichtaustrittsflächen F. bzw. Lichteintrittsflächen Fp vorteilhaft mittels abgewinkelter Lichtleitkabel oder mittels Prismen als jeweils eine Endseite der lichtführenden optischen Elemente E. ,p realisieren, v/obei in einer Meßanordnung verschiedene Kombinationen dieser Ausführungsformen anwendbar sind. Zur Realisierung des Meßverfahrens ist es erfoderlich, daß die lichtfUhrenden optischen Elemente E. /p unabhängig voneinander sowohl radial als auch

6221

axial (längsverschiebbar) positionierbar sind, wozu an sioh bekannte technisohe Baugruppen verwendet werden können. In dieser Ausführungsj'orm ist als Lichtquelle (J₁ eine Laserlichtquelie besonders vorteilhaft. Zweckmäßig sind aber auch nicht dargestellte AusfUhrungsformen, in denen die Lichtaustrittsfläche F. selbst ein Bestandteil der Lichtquelle Q ist, die beispielsweise eine Lumineszenzdiode, eine Laserdiode oder eine speziell ausgeführte thermische oder Gasentladungs-Lichtquelle sein kann, die ggf. mit monochromatisierenden Bauelementen versehen ist. Besonders einfache, ebenfalls nicht dargestellte Ausführungsformen ergeben sich für die Lichteintrittsfläche Fp, wenn diese selbst ein Bestandteil des photoelektrischen Strahlungsempfängers D, vorzugsweise dessen Wandlerflache ist. Die vorgeschlagene Anordnung kann prinzipiell ohne oder mit Verzweigung des Lichtweges zwischen der Lichtquelle Q und dem photoelektrischen Strahlungsempfänger D, d. h. als Einstrahloder Zweistrahlanordnung realisiert werden. Eine mögliche Anordnung für das hinsichtlich der Meßgenauigkeit günstigere Zweistrahlverfahren zeigt Fig. S in einem schematischen Blockschaltbild.

In Fig. 5 ist R der hinsichtlich seiner inneren Reflexionseigenschaften zu bev/ertende Laserreflektor mit der verspiegelten Mantelfläche M. Alle v/eiteren, den Laserreflektor R betreffenden Symbole v/erden bereits in Fig. 1 erläutert. Innerhalb der Bohrungen U. bzw. Hp sind die Lichtaustrittsfläche F,. bzw. die Lichteintrittsfläche F-^ entsprechend den zu Fig. 2, 3, 4 bereits gegebenen Erläuterungen als Endflächen von abgev/inkelten Lichtleitkabeln angeordnet. Diese Lichtleitkabel ragen einerseits aus dem Laserreflektor R heraus und können mit Hilfe der jeweiligen Stelleinheit AR unabhängig voneinander axial und rotatorisch entsprechend den angegebenen Bewegungseinrichtungen positioniert werden. In Fig. 5 sind weiterhin eine Lichtquelle Q, die vorzugsweise eine Laserlichtquelle mit der Gesamtstrahlung L_Q sowie ein Chopper C, ein Teiler P, ein photoelektrischer Strahlungsempfänger D und ein Referenzstrahlungsempfänger RD angeordnet. Die Elemente AR, D, RD, Q und C sind elektrisch mit einer Steuer- und Auswerteeinheit S verbunden.

6221

Der von der Laserlichtquelle Q ausgehende Lichtstrahl L

wird mit einem mechanischen Chopper C moduliert und mittels Teiler P, vorzugsweise Teilerplatte oder-,/Würfel P, in die be leuchtende Stiahlung L. und die Referenzstrahlung L~ geteilt, wobei die Referenzstrahlung L- auf den Referenz-Strahlungsempfänger RD gelenkt wird und das von ihm erzeugte elektrische Signal der Steuer- und Auswerteeinheit S zur Verfügung steht. Die durch den Teiler P gehende beleuchtende Strahlung L. wird mit Hilfe nicht dargestellter Elemente in das lichtfUhrende optische Element E, vorzugsweise ein Lichtleitkabel. eingekoppelt und zur Lichtaustrittsfläche F. geführt. Die radiale und axiale Positionierung des in den Laserreflektor R ragenden Abschnittes des Lichtleitkabels mit der Lichtaustrittsfläche F., der mit Hilfe nicht dargestellter technischer Hilfsmittel besonders starr ausgeführt ist, erfolgt mit der translatorischen und rotatorischen Stelleinheit AR, die zweckmäßigerweise von der Auswerte- und Steuereinheit S gesteuert v.ird. Das von der Lichtaustrittsfläche F. ausgehende Ljcht bildet zur Verbindungslinie der beiden Brennpunkte den Winkel ß, der entsprechend, den Erfordernissen der Messung frei wählbar ist. Dieses Licht v/ird durch die auf die Mantelfläche M aufgebrachte Rückflächenverspiegelung regulär und diffus reflektiert. Zur Erfassung der regulären Reflexion ist es erforderlich, daß der durch die Flächennormale im Mittelpunkt der Lichteintrittsfläche Fp und die Verbindungslinie der beiden Brennpunkte gebildete Winkelnder Beziehung:

^/ = aresin [ (1 - e²) sin/?/ (1 - 2e cos/5+ e²) J

mit der Exzentrizität der Ellipse e = c/a genügt und die Mittelpunkte der Flächen F. und Fp in einer Ebene liegen, die parallel zu den Stirnflächen des Laserreflektors angeordnet ist.Zur Bewertung der diffusen Reflexion sind verschiedene Ebenen und/oder von der oben angegebenen Beziehung abweichende Werte für den WinkelaZ» zu wählen. Die axiale und radiale Positionierung der Liohteintrittsflache Fp erfolgt mit dem jeweiligen lichtführenden optischen Element E. /p und AR analog zu der bereits erläuterten Positionierung

6221

der Liohtaustrittsfläche F^.

Das auf die zweckmäßigerweise entspiegelte Liohteintrittsfläohe Fp auftreffende, von der zu bewertenden Rückflächenverspiegelung auf der Mantelfläohe M kommende Licht wird mit Hilfe .js jeweiligen Iijhtführenden optischen Elementes S, /p sowie nicht dargestellter Auskoppelelemente auf den photoelektrischen Strahlungsdetektor D geführt und dessen entstehendes elektrisches Signal zur Steuer- und Auswerteeinheit S geleitet.

In der Steuer- und Auswerteeinhei fc S v/erden die Signale von D. RD und C vorteilhaft mittels Lock-in-oder frequenzselektiver Technik ausgewertet. Vorteilhafterweise erfolgt die Steuerung der axialen und radialen Stelleinheit AR durch einen in die Steuer- und Auswerteeinheit S integrierten Mikrorechner, dar ebenfalls die Kartierung, d. h. Zuordnung der Meßwerte zur geometrischen Position des Meßortes auf der Mantelfläche M des Laserreflektors R ausführt und ggf. Vergleichskurven von Modelldefekten enthält.

Das in Fig. 3 dargestellte Zweistrahlverfahren, bei dem die beleuchtende Strahlung L. und die Referenzstrahlung L« den photoelektrischen Strahlungsempfänger U und Refeienz-Strahiungsempfänger RD gleichzeitig zugeführt v/erden, läßt sich prinzipiell durch entsprechende Gestaltung des Choppers C ggf. unter Zuhilfenahme v/eiterer lichtumlenkender optischer Eierente durch ein Zweistrahlverfahren ersetzen, bei dem die reflektierte Strahlung L~ und die Raferenzstrahlung L- '.: nacheinander dem Strahlungsempfänger D zugeführt wird. Dadurch kann der Referenz-Strahlungsempfänger RD entfallen.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, die reguläre und/oder diffuse Reflexion im Inneren von elliptisch-zylindrischen Laserreflektoren mittels Einstrahl- oder Zweistrahl-Intensitätsmessung ggf. als Relativmessung gegen ein Verglcichsnormal bc.v. Modell räumlich auflösend zu bewerten und Defekstellen, wie Risse, Kratzer, Poren, Schichtablösungen usw. sov/ohl axial als auch lateral zu lokalisieren und zu erkennen. Die Aoleitung von mit der Reflexion verknüpften Parametern der reflektiertenden Fläche ist durch geeignete Meßmethodiken und Berechnungen möglich. Die Anordnung ist einfach aufgebaut und leicht automatisierbar.

6221

Claims (6)

1. Anordnung zur Bewertung der Reflexionseigensohaften einsohließlioh FehlStellennachweis vorzugsweise von RÜokfläohenverspiegelunf.en innerhalb elliptisoh-zylindrisoher Laserreflektoren durch eine mittels einer modulierten Lichtquelle und einem photoelektrisohen Strahlungsempfänger realisierte Intensitätsmessung mit einem ersten lichtführenden optisohen Element von der Lichtquelle zur Rüokflächenverspiegelung und einem zweiten liohtführenden optisohen Element von der Rückfläohenverspiegelung zum photoelektrisohen Strahlungsempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß das erste liohtführende optische Element (E₁) eine in unmittelbarer Nähe der einen Brennpunktachse (B₁) des Laserreflektors (R) angeordnete ebene Liohtaustrittsfläche (F₁) aufweist, deren Flächennormale im Mittelpunkt eine Senkrechte zur Brennpunktaohse (B₁) bildet, und das zweite lichtführende optische Element (E₁) eine in unmittelbarer Nähe der anderen Brennpunktachse (Bp) pngeordnete ebene Lichteintrittsfläche (Fp) aufweist, deren Flächennormale im Mittelpunkt eine Senkrechte zur Brennpunktachse (Bp) bildet, wobei die Normale der Lichtaustrittsfläche (F₁) und die Normale der Lichteintriitsfläche (Fp) in einer Ebene liegen, in der für den durch die Normale der Lichtausti 2ttsfläche (F₂) und der Verbindungsgeladen der beiden Brennpunkte gebildeten Winkel bei frei wählbaren Winkel die Beziehung

sin/'= (1 - e²) sin β / (1 - 2e cos β + e²) mit der Exzentrizität der Ellipse e erfüllt ist.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrir,tsfläohe (F₁) und die Lichteintrittsfläche (F_g) jeweils elliptische Sternflächen (T₁, T₂) von Lichtleitkabeln und/oder Flächen von Prismen sind.

6221

2 7 O 14 4

Patentansprüche

3· Anordnung naoh Punkt 1, daduroh gekennzeichnet, di.ß die Liohtaustrittsfläohe (F^) und.die Lichteintrittsfläohe (Fg) entlang der Brennpunktaohsen (B.; Bg) verschiebbar und um die Brennpunktachsen (B.; Bp) drehbar angeordnet sind, wobei die Drehachsen in der Liohtaustritts- bzw. Lichteintrittsfläche (F.; Fp) liegen und mit den jeweiligen Brennpunktaohsen (B.; Bp) zusammenfallen.

4. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmessung als Einstrahlmessung oder als Zweistrahlmessung realisiert ist.

5. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (Q) eine Laserliohtquelle ist.

6. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfläche (F^) Bestandteil der Lichtquelle (Q) ist und/oder die Lichteintrittsfläche (Fg) Bestandteil des photoelektrischen Strahlungsempfängers (D .) ist.

- Hierzu 4 Blatt Zeichnungen -

6221