JPS597924B2 - ホログラフイ−による非破壊材料試験を行うための方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１つのレーザーと該レーザーの光路中に設け
られている写真用シャッター並びに該光路を対象物光路
と参照光路とに分割するための光線分割器並びに対象物
光路および参照光路に夫々設けられている光線拡張光学
系並びに、対象物の熱的又は張力又は圧力の状態の変化
によつて発生する対象物の変形を探索するための感光層
から成わ立つているホログラフイー装置を用いて対象物
の不規則な変形を選択的に測定するための装置に関する
。

上記した不規則な変形とは、測定すべき対象物の表面の
すべての点がそれらの位置を規則正しく変位するのでは
なく、該表面にあるこれらの個々の点の集合又は領域の
うちの唯１つの点又は領域のみが変位することである。

規則的な変形の例は熱膨脹によつて生ずる如き金属の対
象物の体積の増加であわ、１方不規則な変形の例は、例
えば金属の対象物の鋳造の際の欠点即ち空洞によつて特
定の位置に発生する変形である。生産物の材料試験又は
出荷検査の際１定の条件のもと、例えば加熱することに
よつて生ずる不規則な変形を確認することができ、その
際従来の試験の方法では不可能でありそのため多量の完
全な生産物が破壊された様な破壊試験によつて対象物が
破壊されることがなければ該試験方法は経済的に高い価
値を有する。

上記の如き非破壊試験に対してホログラフイ一干渉計に
よる測定の方法を利用することはすでに公知となつてい
る。

この場合対象物の変形されない状態のホログラムが撮影
されそして該ホログラムは、該対象物が同じ位置にある
がそれの表面が変位を惹起した状態で撮影されたホログ
ラムと重ね合わせて比較される。この際干渉図形が生じ
、該図形の中で変形、特に不規則な変形が読み取られ計
測されることが可能である。ドイツ特許公報第１９０６
５１１号には空気タイヤの欠点を倹査するに役立つ方法
と装置が記載されている。該方法によれば空気を充填し
たタイヤにおいて、充填直後および暫く後で夫々ホログ
ラムを撮影し、これらのホログラムを重ね合わせて比較
するのである。この様にして生ずる干渉図形からタイヤ
の構造の欠点が、出張ジとして目に見える様にされたも
のとなつて示される。ホログラフイ一の干渉によＱて３
次元の対象物の変形を測定することの可能性はすでに（
ＨｉｌｄｅｂｒａｎｄｕｎｄＨａｉｎｅｓ）ヒルデプラ
ンド及びハーネスによつて（Ｃｐｔｉｃｓ）オブテイツ
クス５号、１９６６、頁１７２〜１７３に述べられて｝
Ｄ更に同じ著者によリ（４）Ｐｔｉｃｓ）オプテイツク
ス５号、１９６６、頁５９５〜６０２にも述べられてい
る。上記の方法では、規則正しい変形も不規則な変形も
干渉縞を発生し、これらの縞がどちらのものに付設され
るかを定めるのは困難である。

即ち目的とする欠点の場所又は欠点の原因は上記の如き
干渉図形によつては確認し測量することがむづかしい。
本発明の目的は、規則正しい変形によつて生ずる干渉縞
を消去し、かくして干渉図形上には不規則な変形に付設
される干渉縞のみが見えるようにすることである。

上記の目的は本発明によジ次の様にして達成される。

即ち冒頭に述べた種類のホログラフイ一装置を用いて対
象物の不規則な変形を選択的に探索するため、虚光源と
対象物との間の光路に、対象物の表面に対し簡単な形状
で適合している反射率の高い面が設けられて卦ジ、該反
射率の高い面は、虚光源から対象物の表面に入射し、該
表面から反射して観察点で交叉する光線の方向を変化す
るためのものであり、この際上記反射率の高い面による
これらの光線の反射点の虚像は１つの楕円面上に位置し
、該楕円面の焦点は虚光源と観察点に合致している。光
源と観察点とは楕円体の形の面から成る群の焦点となり
１該楕円体の形の面は、光源から対象物の面で反射して
観察点に到る等しい光路長を有する幾何学的位置となつ
ている。即ちすべての点又は該点の反射像が同じ楕円体
面上に位置し、該楕円体面はそれの焦点が光源と観察点
の位置にあシそして該楕円体面の短軸によシ定められる
頂点は対象物の方向にある。この様な配置によつて規則
正しい変形は干渉縞を比較ホログラム上に全くあられさ
ないか僅かにあられすのみとな）、不規則な変形のみが
干渉縞として観察可能となる。光源と観察点とが合致す
れば、光路長の等しい面は球面となる。試験される面が
円筒形又は近似的な円筒形、円錐形又は近似的な円錐形
であるとき、光線を方向変換させる要素は内面が反射面
となつている円錐形とすることができる。

更に、試験される対象物の面が中空な円筒状又は近似的
な中空円筒状の物体の内面、円錐状又は近似的に円錐状
物体の内面である時外面が反射面となつている円錐形と
することができる。

光線を方向変換させる要素と対象物の表面とが゜非常に
高い精度で合致していることが必要ではなく、対象物の
規則正しい変形によつて生ずる干渉縞が僅かの数、例え
ば１乃至３本の縞が干渉図形の中にあられれるか或いは
、不規則な変形による縞の１義的な区別が困難なく行わ
れる程度にあられれる程度の合致で充分である。

本発明によるホログラフイ一装置は効果的に非破壊材料
試験に応用され、例えば高い教育を受けていない人々に
よシ適合した装置を用い連続的に試験が実施されている
。

非常に大なる空間が使゛用可能になつているから、対象
物の表面を変形させるほとんどあらゆる方法が適用可能
であ只例えば対象物とその周囲の媒質との間で熱を使用
すること或いは圧力の状態を変化させることが自由であ
わ更に大なる対象物を試験することも可能である。更に
上記した如き中空反射面を有する装置は、対象物をあら
ゆる方面から１つのホログラムで観察することを可能に
する。本発明の１つの実施例が添附図に示されそして次
の記述において詳細に説明される。

５例えばヘリウム・ネオンレーザー１から
６３２８ｎｍの波長で射出される光線は、写真用シヤツ
タ一２を通過しその後で光線分割器３の中で対象物光線
ａと参照光線ｂに分割される。対象物光線は、対物レン
ズ４によシ拡げられた後で、反射鏡５で１・方向変換さ
れそして、僅かに凸状になつた反射鏡６を介して対象物
７を照明する。対象物７から散乱して反射される光線（
そのうちの１つの光線をａ′で示す）は乾板９の感光層
８に到達する。参照光線ｂは反射鏡１０で方向変換され
そしてその１次にレンズ系１１，１２によ）平行又は発
散する光束に拡げられる。この光線は反射鏡１３で方向
変換した後で直接感光層８を照明する。該感光層には干
渉図形が記録され、該干渉図形は参照光線と対象物７か
ら散乱して反射された光によつて生２じたものである。
感光層８の露光は写真用シヤツタ一２によつて時間的に
制御される。感光層８は高い、１０００本／ｍｌ以上の
解像力を有している。該層中に固定された像の中には、
対象物から出て来る光学情報が干渉図形として蓄積され
る。即ち２対象物７のホログラムとして蓄積される。上
記のホログラムを参照光線ｂのみで照明するならば、参
照光線ｂが干渉図形の処で回折し、対象物７の虚像が元
の対象物の位置に観察される。

反射鏡６によつて方向変換された対象物光線Ａ３を逆方
向に延長した交点１４に光源の虚像がある。乾板９の背
後には観察点１５が位置する。照明光線ａと観察光線ａ
′との間の角の２等分線は対象物７の位置を定める。図
の実施例では上記２等分線は、虚光源１４と観察点１５
とを結合する線 ３１７の垂直２等分線１６に等しい。
この場合対象物は楕円体面の殼１８の頂点にあシ、該楕
円体の焦点は虚光源１４と観察点１５であ）、光源１４
から対象物７の表面の点１９を経て観察点１５に到る等
しい光路の幾何学的位置となつている。対ク象物の点１
９の代シに、第１図に示された場合には虚像点１９′が
示されている。光源１又は虚光源１４から対象物点１９
又は１９′に到る光路および該対象物から散乱して反射
する光線ａ′の観察点１５に到る光路は虚像点１９′に
よる光路に等しい。図の例では対象物は１つの円筒形の
物体であシ、該円筒軸が垂直２等分線１６と合致してい
る対象物７をとシ巻いて、同軸的に、内面が反射する開
放された中空な円錐体２０がそれの底面を１４，１５の
方向に向けて配置されている。

第２図から判明する如く、虚光源１４から入射する対象
物光線Ａ，，ａ２は、反射鏡６から観察点に到る途中に
おいて、中空円錐体の内壁と対象物の表面で反射し、そ
の際該光線は円錐体の内壁で２回反射して等しい光路を
経る。

第２図は中空円錐体２０を断面図で示し、その内部に配
置された対象物７は外観図で示されている。

対象物光線ａの２つの部分光線ａ１｝よびＡ２が虚光源
１４から出発するものとして示され、これらの光線は円
錐体の内壁反射面に衝き当たジそして該内壁から対象物
７の表面の点２１，２２に向つて方向変換され、そして
該対象物表面から散乱光線として、該図面ではＡ３およ
びＡ４として示されている如く反射される。これらの光
線は観察点１５に位置する観察者の眼に入る。光線ａ１
およびＡ２の反射点の虚像２１′および２２′は同一の
楕円面体２３上に位置し、１該楕円体面の焦点は虚光源
１４と観察点１５である。それ故に点１４から点２１又
は２１′を経て点１５に到る光路と、点１４から点２２
又は２２′を経て点１５に到る光路は等しい。上記の如
く円錐体内壁面は、光源１４から対象物点２１又は２２
を経て観察点１５までの光路を一定にするものであるか
ら、対象物の円筒形の面又は円筒面が規則正しく変形す
る場合にも対象物の円筒形の面の形状変化を調べるのに
適合している。

対象物７の表面の点が、変位が対象物の面内において生
ずる場合を除外して変位した場合、点１４からこの対象
物点を経て点１５に到る光路長の変化が生じ、この変化
は規則正しい光路長の変化とは異なるものである。

この場合変化しない状態のホログラムと変化した状態の
ホログラムとの間に干渉が生じ、該干渉は対応する干渉
縞となつてあられれ、その機該干渉縞のみが干渉図形に
あられれる。従つて、対象物の不規則な変化が規則的な
変位による干渉縞をともなわずにホログラム干渉によジ
見得る様になる。規則的な変位による干渉縞は円錐状反
射鏡を用いなければあられれそして部分的な不規則な対
象物表面の変位を示す干渉槁を乱すものである。従つて
、本発明の装置は点又は点の集合の不規則な変位が対象
物の表面に生じた時にそのことの認識を容易にし且つ変
位の測定も容易にするのである。対象物７の規則正しい
変化、即ち対象物の全表面が一様に変位する熱膨脹又は
周囲の圧力の変化による体積の変化の如き変位は、対象
物の表面の個々の点の位置の変位又は微少部分の変位と
して干渉図形に変化を与えない。

何故ならばこの様な変位は対象物表面のすべての点の変
位が惹起され、この変位に対し光源から対象物面を経て
観察点までの光路長はすべて等しく、又はほぼ等しい変
化をうけるからである。その結果該変位干渉縞は全くあ
られれないか又はごく僅かの数だけ生起する。対象物７
として示されている物体は例えば金属鋳物の円筒である
ことができ、隠れた鋳造上の欠点を検査されることがで
きる。該鋳物を先づ冷たい状態でそれのホログラムを、
対象物光線卦よび参照光線を写真感光層８に当てること
によつて撮影する。次に該鋳物は、例えば熱を加えるか
輻射線で加熱される。その様にして感光層に撮影された
ホログラムと、対象物の冷たい状態で撮影されたホログ
ラムとの干渉図形は、鋳物の欠点がない場合には干渉縞
が全くないか又は僅かの干渉縞を生ずるにすぎない。鋳
物の欠点がある場合にはその場所と拡がジが干渉縞によ
つて明らかに示される。形の変化は更に対象物の機械的
な負荷の変化又は振動を与えること又はクリーブによつ
て惹起される。

第２ａ図は第２図の円錐体の作用を詳細に説明するため
のものである。

この際同一部材には等しい記号が付けられている。楕円
面体２３の代ｖに、互に平行な楕円面体が表現されてお
シ、これらの楕円面体は小さな記号１乃至６で示され、
これらの焦点は虚光源１４と観察点１５である。

記号２４は円錐体で反射した対象物７を示すものであＶ
１該対象物の表面が検査されようとしている。記号２５
は対象物の膨脹の反射像を示している。これは例えば加
熱による通常の膨脹である。記号２６は対象物７の表面
における隆起の反射を示すもので、この隆起は、例えば
鋳物の中の空洞の如き欠点のために加熱の際に生ずるも
のである。変形されない対象物の反射像、即ち例えば冷
たい対象物７の反射像の表面は上記楕円面体４に接触し
ている位置にある。

対象物が膨脹する際、該対象物の反射像の長手方向は楕
円面体５および６と交叉するけれども結像視野の範囲に
入つて来ない。半径方向の膨脹は図では省略されている
。この膨脹の量はせいぜい楕円面体４と交叉する程度で
ある。しかし不規則的な変形は図に示した楕円面体２お
よび３の範囲にまで到達する。対象物７の反射像は円錐
体２０によつてリング状に変形される。

上記の楕円面体群は使用されているレーザー光線の１４
λの間隔になつている。

それ故に一つの楕円面体と交叉した場合にはホログラム
に一本の干渉縞が生じ、それは例えば地図上の同じ高さ
の線に対応するものである。隆起２６が楕円面体と交叉
することによつて生ずる線は大体において同心的な干渉
縞となる。これに反して対象物の軸方向の規則的な変形
は、この実施例の場合視野中には何等の干渉縞を発生し
ない。半径方向の規則的な変形は、該変形が楕円面体４
に到達すれば１本、楕円面体を超えれば２本の干渉縞を
発生し、該縞は直線でホログラムを横断するものとなる
。従つて変形２６は干渉ホログラム上で慣れていない観
察者にとつても直ちに認識可能であ沢更に自動的な認知
方法によつても認識可能であう、更に僅かな数の直線状
の干渉縞とも区別可能である。更に直線状の干渉縞は次
の様にして発生する。即ち対象物の反射像はリング状に
変形されそしてこの場合、楕円面体との交叉線が一つの
楕円面体の全表面にあられれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるホログラフイ一装置の略図を示し
、該図では対象物が透視図的に示され、第２図は対象物
に衝き当たる光線の通路を示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １つのレーザーと該、レーザーの光路中に設けられ
   ている写真用シャッター並びに該光路を対象物光路と参
   照光路とに分割するための光線分割器並びに対象物光路
   および参照光路に夫々設けられている光線拡張光学系並
   びに、対象物の熱的又は張力又は圧力の状態の変化によ
   つて発生する対象物の変形を探索するための感光層から
   成り立つているホログラフイー装置において、対象物７
   の不規則な変形を選択的に探索するため、虚光源１４と
   対象物７との間の光路に、対象物７の表面に対し簡単な
   形状で適合している反射率の高い面２０が設けられてお
   り、該反射率の高い面は、虚光源１４から対象物７の表
   面に入射し、該表面から反射して観察点１５で交叉する
   光線ａ、ａ′、ａ＿１、ａ＿２、ａ＿３、ａ＿４の方向
   を変化するためのものであり、この際上記反射率の高い
   面によるこれら光線の反射点の虚像１９′、２１′、２
   ２′は１つの楕円面１８、２３上に位置し、該楕円面の
   焦点は虚光源１４と観察点１５に合致していることを特
   徴とする装置。 ２ 特許請求の範囲１記載のホログラフイー装置におい
   て、光線の方向変換のための要素２０が一個の円錐であ
   ることを特徴とする装置。