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Dokumentenidentifikation DE69934474T2 27.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001012536
Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG UND DARSTELLUNG VON SICH AUSBREITENDEN WELLEN
Anmelder Bechtel BWXT Idaho, LLC, Idaho Falls, Id., US
Erfinder Telschow, Kenneth L., Idaho Falls, Idaho 83402, US;
Deason, Vance A., Idaho Falls, Idako 83404, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69934474
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.07.1999
EP-Aktenzeichen 999337868
WO-Anmeldetag 08.07.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/15451
WO-Veröffentlichungsnummer 2000003197
WO-Veröffentlichungsdatum 20.01.2000
EP-Offenlegungsdatum 28.06.2000
EP date of grant 20.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2007
IPC-Hauptklasse G01H 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01B 9/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
VERTRAGLICHER URSPRUNG DER ERFINDUNG

Die Vereinigten Staaten besitzen Rechte an dieser Erfindung gemäß dem Vertrag Nr. DE-AC07-94ID13223 zwischen dem Ministerium für Energie und der Firma Lockheed Martin Idaho Technologies.

VERWANDTE ANMELDUNG

Diese Anmeldung beansprucht den Vorzug vor der U.S. Anmeldung S/N 09/112.075, angemeldet 8. Juli, 1998.

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung und auf Methoden, um das Materialverhalten, und genauer die Oberflächenverschiebung einer sich ausbreitenden Welle entlang einer entsprechenden Oberfläche auf einer sich fortpflanzenden Wellenfront abzubilden, die sich entlang rechtwinkeliger Richtungen innerhalb einer Ebene ausdehnt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt eine Reihe von Techniken, um Eigenschaften von Materialien zu erfassen. Allerdings sind diese Techniken im Allgemeinen begrenzt auf das Erfassen an diskreten Punkten in einem Material und sie erfordern eine zeitgerechte und manchmal zerstörerische Evaluierung eines Materials. Darüberhinaus wird eine derartige Analyse durchgeführt, wenn Materialien anistrope Eigenschaften enthalten. Deshalb gibt es einen Bedarf, die Charakteristika und die Eigenschaften von Materialien wie Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen zu ermitteln, um die Richtungsänderungen in derartigen Eigenschaften zu bestimmen. Zum Beispiel gibt es einen Bedarf, anisotrope Eigenschaften innerhalb fester Materialplatten oder -tafeln, wie z.B. in Metallblech oder Papierprodukten zu bestimmen.

Eine Technik umfasst das Überwachen sich ausbreitender elastischer Wellen, wie sie durch ein Material wandern. Solche Wellen variieren in Geschwindigkeit im Verhältnis zu den Veränderungen in den Materialeigenschaften, indem sie derartige Eigenschaften anzeigen. Zum Beispiel ist die pulsierende holografische Aufzeichnung in begrenztem Ausmaß verwendet worden, um die Bewegung synchronisierter, sich ausbreitender elastischer Wellen anzuzeigen. Eine andere Technik ist die Schlieren Fotografie, die verwendet worden ist, um die Bewegung synchronisierter sich ausbreitender elastischer Wellen in einem optisch transparenten und sich biegenden Medium anzuzeigen. Solche Technik ist jedoch zum Erfassen von Bewegung sich ausbreitender Wellen nur innerhalb eines optisch trasparenten und sich biegenden Mediums begränzt. Noch eine andere Technik umfasst elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI), die verwendet wird, große Bewegungen anzuzeigen. Solche Techniken sind kommerziell verfügbar. Allerdings ist die Bildverarbeitung relativ komplex, da sie die externe Nachbearbeitung erfordert, um die Messinformationen zu extrahieren.

Eine Technik, um nicht zerstörerische Ultraschall-Evaluierung von Materialien umzusetzen, umfasst das Testen einer Materialplatte oder -tafel mit einem Impulsgeber und einem Detektor. Der Impulsgeber, ein piezoelektrisches Kontaktgerät, ist bezüglich dem Detektor angeordnet, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit, oder die Geschwindigkeit der elastischen Wellen entlang einer bestimmten Richtung in einem Material, das sich zwischen dem Impulsgeber und dem Detekor ausdehnt, zu messen. Der Impulsgeber ist an einer zentralen Stelle auf dem Material angebracht, und der Detektor ist an einer von mehreren diskreten Stellen entlang des Kreises, der sich über den Impulsgeber ausdehnt, plaziert. Die Messungen werden an jeder diskreten Stelle vorgenommen, indem der Detektor an jede Stelle bewegt und die Ausbreitungszeit berechnet wird, um die Geschwindigkeit in jede Richtung zu bestimmen. Dementsprechend können die Geschwindigkeitsunterschiede in bestimmten Richtungen mit anisotropen Materialeigenschaften korrelliert werden. Zum Beispiel sind Metallplatten in einem Wasserbad untersucht worden, indem ein akustischer Generator verwendet wurde, um die Ausbreitungsgeschwindikeit in einer vorgegebenen Richtung an einem Punkt auf der Platte zu bestimmen. Ein luftgekoppelter Wandler oder ein Laserultraschallgerät ermöglicht die Bestimmung von Anisotropie in Materialien ohne Kontakt. Allerdings sind solche Punktmessungstechniken langsam und schwierig zu automatisieren, weil der Detektor an jeder von einer Anzahl diskreter Stellen über dem Impulsgeber positioniert oder bewegt werden muss, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang aller Richtungen in dem getesteten Material zu erfassen.

Eine andere Technik, um eine nicht zerstörerische Evaluation von Materialien auszuführen, umfasst das Verwenden eines kohärenten Lasers, um ein Objekt zu beleuchten und ein Interferenzmuster bezüglich der Veränderungen auf der Oberfläche des Objekts zu bilden. Variationen beinhalten das Verwenden von Holographie, Elektronischer Specklemusterinterferometrie (ESPI) und Sheagrografie. Das Interferenzmuster wird dann mit einer Kamera, wie z.B. einer ladungsgekoppelten Speicherkamera (CCD-Kamera) aufgenommen. Das daraus resultierende Bild wird dann aufgenommen und verarbeitet, um ein Bild der Oberflächenverschiebung zu erzeugen. Allerdings betragen die mindestens erfassbaren Verschiebungen typischerweise 10–100 Nanometer. Darüberhinaus setzen derartige Techniken das Verwenden von externer Bildbearbeitung voraus, um eine verwendbare Ausgabe zu erzeugen.

Während die oben beschriebenen Techniken ein gewisses Maß an Erfolg vorweisen, gibt es einige Schwächen, die einer Lösung bedürfen. Zum Beispiel gibt es den Bedarf, eine Abbildung von Bewegungen sich synchron ausbreitender Wellen bei willkürlichen Frequenzen innerhalb von Feststoffen, Gasen oder Flüssigkeiten zu liefern, so dass die Materialeigenschaften bestimmt werden können. Es gibt also den Bedarf ein schnelles, alle Bereiche abdeckendes Abbildungsverfahren für die Verschiebungsweite sich ausbreitender Wellen gleichermaßen für alle Punkte, die sich über eine Materialoberfläche ausbreiten, anzubieten. Schließlich gibt es den Bedarf, die Bewegung sich ausbreitender Wellen abzubilden, die bei kleinen Ultraschallverschiebungen (z.B. weniger als ein (1) Nanometer in Weite) auftreten.

Deswegen ist es wünschenswert, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, um die Bewegungen sich ausbreitender Wellen innerhalb von Materialien abzubilden. Es ist ferner wünschenswert, eine derartige Abbildung auszudehnen, um Materialeigenschaften zu bestimmen, die sich auf die Geschwindigkeit beziehen, mit der sich solche Wellen durch ein Material ausbreiten. Darüberhinaus gibt es den Bedarf, für solche Vorrichtungen und Verfahren eine vereinfachte Bauart und eine Ausführung bereitzustellen, die eine prompte, oder rapide Vollfeldansichtsabbildung über alle Bereiche ermöglicht, relativ kostengünstig ist, und nicht zerstörerische Abbildungsverfahren und Testen der Materialien mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine erheblich verbesserte Vorrichtung zur Abbildung sich ausbreitender Wellen und ein Verfahren bereitzustellen, das entsprechend passend für das Verwenden mit diffus reflektierenden Oberflächen ist, eine bedeutend verbesserte Empfindlichkeit besitzt und einen linearen Ausgang für kleine Schwingungsweiten (proportional zu der Besselfunktion ersten Grades), während es gleichzeitig eine rapide Vollfeldabbildung der Verbreitung sich ausbreitender Wellen über die Oberfläche des Probestücks liefert, während es die Abbildung der Oberfläche und Charakterisierung der Materialeigenschaften ermöglicht.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren angeboten, um sich ausbreitende Wellen abzubilden, wie in Anspruch 1 definiert, und eine Vorrichtung zur Abbildung sich ausbreitender Wellen wie in Anspruch 19 definiert.

In Ausführungsformen der Erfindung ist eine Vorrichtung angeboten, um die sich in einem Medium ausbreitenden Wellen abzubilden. Die Vorrichtung beinhaltet eine Vibrationserregungsquelle, die zum Übertragen sich ausbreitender Wellen in einem Medium konfiguriert ist. Ein optischer Emitter ist zum Erzeugen von zwei oder mehr optischen Wellenfronten konfiguriert, wobei mindestens eine Wellenfront von einem vibrierenden Medium moduliert wird. Ein Modulator ist zum Modulieren einer anderen Wellenfront in Synchronisation mit dem vibrierenden Medium konfiguriert. Ein Abtastmedium ist konfiguriert, um die modulierte eine Wellenfront und die andere Wellenfront in Kombination zu empfangen und hat eine Erfassungsauflösung innerhalb einer begrenzten Bandbreite. Die andere Wellenfront wird bei einer Frequenz moduliert, so dass eine Differenzfrequenz zwischen der einen Wellenfront und der anderen Wellenfront innerhalb des Ansprechbereichs des Abtastmediums liegt. Eine solche Anordnung erzeugt ein Bild der Vibration, die eine Intensität besitzt, die im Wesentlichen linear mit kleinen physikalischen Variationen innerhalb des vibrierenden Mediums ist. Ein Detektor ist zum Erfassen eines Bilds sich ausbreitender Wellen im vibrierenden Medium konfiguriert, das aus der Interferenz zwischen der modulierten einen Wellenfront und der anderen Wellenfront resultiert, wenn diese in Assoziation mit dem Abtastmedium kombiniert werden. Darüberhinaus wird ein übereinstimmendes Verfahren nach der Erfindung angeboten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden bezüglich der beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche unten kurz beschrieben sind.

1 ist eine vereinfachte diagrammatische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die eine Vorrichtung darstellt, um Materialeigenschaften zu charakterisieren und die Bewegung sich synchron ausbreitender Wellen innerhalb eines Materials abzubilden, das entweder fest, flüssig oder gasförmig ist.

2 ist eine vereinfachte diagrammatische Ansicht eines bevorzugten Einseitenbandgenerators, der mit der Vorrichtung von 1 verwendet wird und mittels Einseitenerregungselektronik konfiguriert wird.

3 ist eine vereinfachte Bilddarstellung der aufgezeichneten Verlagerungsamplituden der sich ausbreitenden Welle einer im Wesentlichen isotropen Materialbahn, hier Pergament oder Mylar, wie sie von einer Kontaktpunktvibrationsquelle erregt wird.

4 ist eine vereinfachte Bilddarstellung von aufgezeichneten Verlagerungsamplituden sich ausbreitender Wellen einer anisoptropen Materialbahn, hier Papier, wie sie von einer Kontaktpunktvibrationsquelle erregt wird.

5 ist ein computergeneriertes Bild eines berechneten theoretischen Kurvendiagramms einer gebogenen Welle in einer dünnen Platte eines anisotropen Materials, das von einer zentralen Stelle mit einer oszillierenden vertikalen Verschiebung erregt worden ist.

6A–H ist ein individueller aufeinanderfolgender Rahmen einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isoptropen Edelstahlblechs entwickelt.

7 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isotropen bei 13 kHz vibrierenden Edelstahblechs entwickelt.

8 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isotropen bei 18 kHz vibrierenden Edelstahlblechs entwickelt.

9 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isotropen bei 30 kHz vibrierenden Edelstahblechs entwickelt.

10 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isotropen bei 60 kHz vibrierenden Edelstahlblechs entwickelt.

11 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isotropen bei 122 kHz vibrierenden Edelstahlblechs entwickelt.

12 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines hauptsächlich isotropen bei 218 kHz vibrierenden Edelstahlblechs entwickelt.

13 ist eine vereinfachte Bilddarstellung einer sich ausbreitenden Welle, die sich aus dem Zentrum eines anisotropen Blatts Kopierpapier entwickelt, die eine Ausrichtung bei einem Winkel von ungefähr 5 Grad gegen den Uhrzeigersinn von der Vertikalen bei 100 kHz hat.

14 ist ein computergeneriertes Bild einer Fourier-Feldtransformation eines spatialen Bilds einer sich bei 100 kHz in einem Kopierpapier ausbreitenden Welle, wie in 13 abgebildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Diese Beschreibung der Erfindung ist unter Förderung der verfassungsmäßigen Zweckbestimmung der U.S. Patentgesetze "um den Fortschritt von Wissenschaft und nützlichen Fachgebieten zu fördern" (Artikel 1, Abschnitt 8) angemeldet.

Vorrichtung und Verfahren sind beschrieben, um Materialeigenschaften durch direktes Messen und Abbilden sich an der Oberfläche eines Materials ausbreitender Ultraschallwellen zu erfassen. In einem Fall charakterisieren die Messungen die Oberflächenwellen an der Oberfläche des Materials zum dem Zweck, um die Materialeigenschaften durch die Fortpflanzungscharakteristika der Wellen zu messen. In einem anderen Fall charakterisieren die Messungen sich ausbreitende Wellen in Platten oder Bahnen von festem Material. In wieder einem anderen Fall charakterisieren die Messungen akustische sich ausbreitende Wellen in Gasen oder Flüssigkeiten, sich ausbreitende Wellen auf der Oberfläche von Flüssigkeiten und sich ausbreitende Wellen an der Oberfläche von festen Materialien, die längsverlaufende und transversale Rayleigh-Wellenformen innerhalb eines Feststoffes umfassen.

Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, akustische sich ausbreitende Wellen, die aus Lautsprechern und aus der Abstrahlung eines Signalgebers, oder von akustischer Strahlung schwingungsfähiger Oberflächen resultieren, zu erfassen und anzuzeigen. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, sich ausbreitende Wellen auf der Oberfläche eines Ozeans oder Flusses zu erfassen. In wieder anderen Fällen kann es wünschenswert sein, sich ausbreitende Wellen in Objekten aus festem Material, wie z.B. Platten und Bahnen von Papierprodukten und Blechobjekten, zu erfassen. Überwachen des Musters, das durch die Ausbreitung von sich innerhalb eines Materials ausbreitenden Wellen produziert wird, kann dann benutzt werden, um die Materialeigenschaften bezüglich der Ausbreitungsrichtung solcher sich ausbreitender Wellen zu charakterisieren.

Ein Weg, um Materialeigenschaften mittels Überwachen sich innerhalb eines Materials fortpflanzender ausbreitender Wellen zu charakterisieren, bedingt das Überwachen bzw. Messen der Entfernungs- bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit solcher Wellen, wie sie sich von einem Ursprungspunkt fortpflanzen. Höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten in bestimmte Richtungen können Uneinheitlichen innerhalb des Materials anzeigen. Zum Beispiel kann ein festes Material bestimmt sein, anisotrope Materialeigenschaften zu besitzen, wo die Fortpflanzung solcher sich ausbreitender Wellen von einem einzelnen Ursprungspunkt ein elliptisches Wellenmuster erzeugt. Ein solches elliptisches Wellenmuster zeigt eine höhere Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit an, wenn sie sich in eine Richtung entlang der Hauptachse der Ellipse ausdehnt, und eine niedrigere Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit, wenn sie sich in eine Richtung entlang der Nebenachse der Ellipse ausdehnt.

Die Vorrichtung und das Verfahren dieser Erfindung verwendet ein Anregungsmodell und ein Modulationsmodell, die synchronisiert sind. Das Anregungsmodell betreibt einen Laser, einen piezoelektrischen Kontakt, eine akustische, elektrostatische, magnetische, Ultraschall-, oder andere amplitudenmodulierende und verlagerungsinduzierende Quelle, die fähig ist, ein synchronisiertes Wellenausbreitungsmuster in einem Material zu generieren.

Das Modulationsmuster verwendet eine Quelle von kohärentem Licht, das in zwei Strahlen aufgespalten ist, einen Objektstrahl und einen Referenzstrahl. Der Objektstrahl wird von der vibrierenden Oberfläche weg reflektiert, wo er von der vibrierenden Oberfläche mit der mechanischen Vibrationsfrequenz und -phase phasenmoduliert wird. Der Referenzstrahl wird optisch von einem passenden elektrischen, akustischen, magnetischen oder einem anderen optischen Mittel, bei einer festen zu messenden Modulationstiefe und -frequenz, phasenmoduliert. Die modulierten Objekt- und Referenzstrahlen interferieren innerhalb eines fotorefraktiven Materials, wobei sie ein dreidimensionales Interferenzmuster erzeugen. Dieses Interferenzmuster bildet ein Volumenhologramm, indem es einen Raumladungselektrikfeldverlauf induziert. Ein derartiger Verlauf erzeugt einen Index eines Lichtbrechungsvolumenhologramms eines Braggschen Gitters durch elektro-optische Effekte in direkter Übereinstimmung mit der Vibrationsverlagerungsamplitude und -phase des Probestücks. Der Index des Lichtbrechungsvolumengitters variiert bei einer festen Differenzfrequenz zwischen der Objektfrequenz und der modulierten Referenzfrequenz. Da der Index des Lichtbrechungsvolumengitters von interferierenden Strahlen erzeugt wird, deren Frequenzen variieren können, während die Differenz zwischen den Frequenzen fixiert aufrechterhalten wird, ist das Gitter innerhalb der fotorefraktiven Antworttrennfrequenz immer von nutzbarer spatialer und temporaler Form.

Es können entweder Vierwellen- oder Zweiwellen-Koppelungsverfahren verwendet werden, um das induzierte Gitter zu lesen, indem ein Ausgangsstrahl erzeugt wird, dessen Intensität eine Funktion der mechanischen Vibrationsverlagerung und mechanischen Phase des Probestücks erzeugt. Anisotrope Selbstdiffraktion mit oder ohne Polarisationsdrehung, ist innerhalb des fotorefraktiven Materials einer der möglichen Mechanismen, die verwendet werden können, um hohen optischen Durchlauf und -Trennschärfe für die Vibrationssignalkomponente des Ausgangsstrahls zu liefern.

Diese Vibrationskomponente des Ausgangsstrahls besteht aus einem Produkt der null- und erstrangigen Bessel Funktionen der Objektvibrationsverlagerungsamplitude, die alle mit dem Cosinus der Phasenverschiebung zwischen den Objekt- und Referenzstrahlmodulationen multipliziert werden. Diese Implementierung erzeugt ein Ergebnis, das in der Vibrationsverlagerungsamplitude für Amplituden, die verglichen mit den optischen Wellenlängen klein sind, linear ist.

Auf diese Weise wird ein Vibrationsspektrumsdetektor erzeugt, der ein Bild sich ausbreitender Wellen simultan über die gesamte Oberfläche des Objekts aufzeichnet, ohne die Notwendigkeit des Scannens eines Punktmessungsstrahls. Derartige simultane sich ausbreitende Wellen können über die gesamte Oberfläche des Objekts beobachtet werden, was die Bestimmung von Variationen in der Geschwindigkeit der sich ausbreitenden Wellen ermöglicht. Derartige Variationen der Wellengeschwindigkeit können mit Variationen in den Materialeigenschaften entlang übereinstimmender Richtungen des Materials innerhalb der Oberfläche zusammenhängen.

Es ist zu verstehen, dass der Objektstrahl eine Objektwellenfront umfasst und der Referenzstrahl eine Referenzwellenfront umfasst. Dementsprechend kooperiert die Objektwellenfront und die Referenzwellenfront, um das Erzeugen eines Bildes eines vibrierenden Mediums, das sich mindestens in zwei Dimensionen ausdehnt, zu ermöglichen. Nach einer Ausführung, die im Folgenden beschrieben wird, ermöglicht ein Strahlenexpander das Generieren einer von dem Objektstrahl ausreichend ausgedehnten Wellenfront.

Einzelheiten der Vorrichtung und des Verfahrens in einer verwandten Technik, um eine Verlagerungsamplitude und -phase von vibrierenden Oberflächen zu messen, miteinbezogen ein optisches Vierwellen-Mischeinschlussverfahren in der einstweiligen Anmeldung des Anmelders mit der Serien Nr. 06/039.171, eingereicht am 26. Februar 1997, und der damit verbundenen U.S. Patentanmeldung des Anmelders mit der Serien Nr. 08/787.073, eingereicht am 22. Januar 1997.

Details einer anderen Vorrichtung und Verfahren in einer verwandten Technik zur Anzeige der fotorefraktiven optischen Vibration sind in der U.S. Patentanmeldung des Anmelders mit der Serien Nr. 09/031.613 beschrieben, eingereicht am 25. Februar 1998.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, die im Wesentlichen eine Vorrichtung zeigen, um sich synchron ausbreitende Wellen innerhalb eines Objekts von Interesse zu messen und anzuzeigen, was mit der Nummer 10 in 1 bezeichnet ist. Nach einer Beschreibung umfasst eine solche Vorrichtung 10 ein Gerät zur Anzeige von Vibrationen, oder einen Spektrumanalysierer sich ausbreitender Wellen, der fähig ist, sich ausbreitende Wellen in einem Medium anzuzeigen. Nach einer anderen Beschreibung umfasst eine solche Vorrichtung 10 ein Gerät zur Darstellung der Oberflächenverlagerung. Nach wieder einer anderen Beschreibung umfasst eine solche Vorrichtung 10 ein Gerät, um ein Bild von sich ausbreitenden Wellen und basierend auf den abgebildeten sich ausbreitenden Wellen ein Bild der charakterisierenden Materialeigenschaften zu generieren.

In einer Ausführung verwendet eine solche Erfindung eine Zweiwellen-Mischkonfiguration, um ein vibrationsinduziertes Phasengitterbild auszulesen, das das Verwenden anisotroper Selbstdiffraktion beinhalten könnte, mit oder ohne Polarisationsdrehung, um das Signal in Bezug auf den Störungsgrad zu verbessern. Verbesserte Empfindlichkeit gibt es für diffus reflektierende Oberflächen, wobei es einen sehr stark erhöhten optischen Durchfluss verglichen mit einem Vierwellen-Verfahren liefert. Es ist zu verstehen, dass das Objekt von Interesse 12 alle Arten von Gas, Flüssigkeit oder Feststoff sein kann und die zu erfassende Vibration die akustische oder Ultraschallbewegung des Gases, der Flüssigkeit oder des Feststoffes umfasst.

Es ist ebenfalls zu verstehen, dass die Ausführung der Vorrichtung ein Verfahren umfasst, um sich ausbreitende Wellen in einem Objekt von Interesse nach einem anderen Aspekt dieser Erfindung zu erfassen und bildlich darzustellen. Nach einer Ausführung umfasst die Erfindung ein Verfahren, um sich ausbreitende Wellen, die in oder auf einem Objekt von Interesse generiert sind, zu beschreiben. Genauer umfasst die Erfindung ein Verfahren, um periodische physische Variationen in einem Objekt von Interesse, zu generieren, wobei es fähig ist, Materialeigenschaften innerhalb des Objekts von Interesse anzuzeigen.

Dementsprechend kann eine direkte Messug und Bilddarstellung von sich ausbreitenden Ultraschallwellen nach dieser Erfindung erzeugt werden. Genauer ermöglichen solche bildlich dargestellten sich ausbreitenden Wellen die Beschreibung und das Messen von Materialeigenschaften, durch welche die Wellen sich ausbreiten. Ein Verfahren zur fotorefraktiven Vibrationsspektralanalyse wie hierin beschrieben, ist in einem Medium mit synchronisierter Vibrationserzeugung eingebunden, um Bilder der Oberflächenverlagerung von sich ausbreitenden Wellen, die sich durch das Medium ausdehnen, zu erzeugen. In einer Form umfasst das Medium die Oberfläche eines festen Objekts.

Als Ergebnis kann ein Bild einer sich fortpflanzenden Wellenfront in orthogonalen Richtungen innerhalb des Objekts erzeugt werden. Die Gegenwart von anisotropen Materialeigenschaften kann leicht in der Form eines elliptischen Wellenmusters, das in dem Bild beobachtet werden kann, als Ergebnis gezeigt werden. Eine derartige Beobachtung ergibt eine quantitative Messung der Geschwindigkeit, Amplitude und Dämpfung, verbunden mit spezifischen Richtungen der Fortpflanzung.

Daten von Ultraschallbildern können mittels einer Fourier-Transformation invertiert werden, um quantitative elastische, mikrostrukturelle und dimensionale Materialeigenschaften von einem schnellen Bild der Vollfeldansicht derartiger sich fortpflanzender Wellen zu gewinnen. Nach einer solcher Ausführung ist es nicht notwendig, ein Gebiet zu scannen, um einen großen Bereich abzudecken. Eine derartige Ausführung unterscheidet sich von Ausführungen des Standes der Technik darin, dass die Messung und Bilddarstellung von sich ausbreitenden Wellen schnell und effizient durchgeführt werden kann. Als Kontrast besteht bei Techniken auf dem gegenwärtigen Stand der Technik die Notwendigkeit, Vibrationen von resonanter Art zu verwenden, was die Analyse und Datenerfassung verkompliziert.

Dementsprechend führen die besonderen Merkmale von dieser Erfindung dazu, fotorefraktive Materialien zur optischen Bearbeitung, die eine konventionelle Interferometrievorrichtung ersetzt, zu verwenden. Zusätzlich führt eine solche Neuheit dazu, synchrone optische Erfassung in einer Weise einzusetzen, die ein Bild einer Vibrationsverlagerungsamplitude liefert, die sich über die Oberfläche eines Materials ausdehnt, auf welchem sich eine Ultraschallwelle ausbreitet. Darüberhinaus führt eine solche Technik dazu, eine Ausführung zu verwenden, die optische Interferenz in fotrefraktiven Materialien benutzt, um eine Ausgangsstrahlintensität zu liefern, die direkt proportional zu einer Verlagerungamplitude von sich ausbreitenden Wellen ist. Eine solche Ausgangsstrahlintensität dehnt sich über alle Punkte auf einer Materialoberfläche aus, und wird gleichzeitig erzeugt, indem sie den Bedarf eliminiert, eine optische Interferenz auf einer Bildebene eines optischen Detektors zu erzeugen. Zum Beispiel wird ein solcher Bedarf notwendig, um mittels einer CCD Kamera auf dem gegenwärtigen Stand der Technik erzeugt zu werden. Selbst darüberhinaus führt eine solche Technik dazu, sich ausbreitende Wellen auf einer Oberfläche in einer Art darzustellen, die keine resonante Methode oder Randreflektionen benötigt. Schließlich kann eine solche Technik mit synchronen Anwendungen sich ausbreitender Wellen in jeder Anzahl in einem Medium ausgeführt sein, wobei sie die Wellentransmission der Akustik in Gasen und Flüssigkeiten, ebenso wie die Ultraschallbewegung auf Oberflächen von Objekten, umfasst.

Wie in 1 dargestellt, ist die vorliegende Erfindung nach der Erfassungsvorrichtung sich ausbreitender Wellen 10 so konfiguriert, um sich ausbreitende Wellen an einer Oberfläche 14 eines Materials so wie einem Objekt von Interesse 12 zu messen und bildlich darzustellen. Die sich ausbreitenden Wellen sind zum dem Zweck gemessen und bildlich dargestellt, um die Materialeigenschaften zu beschreiben, indem die Fortpflanzungscharakteristiken der sich ausbreitenden Wellen beobachtet werden. Die sich ausbreitenden Wellen werden bildlich dargestellt, indem eine Technik zur fotorefraktiven Vibrationsspektralanalyse verwendet wird, um Bilder der Oberflächenverlagerung einer sich ausbreitenden Welle entlang der Oberfläche 14 eines Objekts von Interesse 12 zu liefern.

Desweiteren vibriert ein vibrierendes Medium so wie eine Oberfläche 14 eines Objekts von Interesse 12 auf einer vorgegebenen Frequenz, wenn es von einer Erregungsvorrichtung angetrieben ist, die eine extern angewandte Vibrationskraft erzeugt. Eine Technik, um ein Probestück so wie ein Objekt von Interesse 12 in Vibration zu versetzen, ist es, eine Erregungskraft mittels eines amplitudenmodulierten Wellenausbreitungsultraschallgenerierungslaser 54 anzuwenden. Der Laser 54 oder irgendeine andere synchronisierte Generierungsquelle, ist so konfiguriert, um Vibrationsverfahren in einem Objekt von Interesse 12 zu induzieren. Eine andere Erregungstechnik ist es, einen piezoelektrischen Signalumwandler mit weiter Bandbreite anzuwenden, der luftgekoppelt oder in Kontakt mit dem Probestück, oder dem Objekt von Interesse 12 plaziert ist.

Ein synchronisierter Modulationsmechanismus, der eine Vorrichtung zur fotorefraktiven Vibrationsspektralanalyse umfasst, liefert Bilder der Oberflächenverlagerung der generierten sich ausbreitenden Wellen entlang der Oberfläche 14. Eine solche Vorrichtung umfasst einen Emitter aus kohärentem Licht 16, in einer Konfiguration einen Laser, so wie einen Argon-Laser. Der Laser 16 emittiert Licht, das eine im Wesentlichen feste Wellenlänge und einen vorbestimmten Lichtausstoss besitzt. Zum Beispiel kann ein Lichtausstoss von 514 Nanometer und 200 mW von dem Laser 16 emittiert werden.

Der Lichtemitter, oder Laser 16 generiert Licht, das entlang eines ersten Strahlenwegs gesendet wird, wobei es von einer Referenzziffer 20 angezeigt wird. Ein Strahlenspalter 18, der in konventioneller Bauart konstruiert ist, wohl bekannt im Fachgebiet, wird entlang des ersten Strahlenwegs 20 angebracht und ausgerichtet, um so jeweils die Objekt- und Referenzstrahlen 22 und 24 zu generieren. Objektstrahl 22 und Referenzstrahl 24 sind innerhalb einer fotorefraktiven Substanz 26 kombiniert, um so eine fotorefraktive Vibrationsspektralanalyseeinheit zu liefern.

Der Objektstrahl 22, der sich entlang des ersten Strahlenwegs 20 ausbreitet, besitzt zwei Bahnen. Ein solcher erster Strahlenweg 20 beinhaltet eine erste Bahn 28 und eine zweite Bahn 30. Der Referenzstrahl 24, der sich entlang eines zweiten Strahlenwegs 32 ausbreitet, hat ebenfalls zwei Bahnen. Ein solcher zweiter Strahlenweg 32 beinhaltet eine erste Bahn 32 und eine zweite Bahn 36. Ein Emitter 16ist so konfiguriert, um zwei oder mehrere Wellenfronten zu erzeugen, wobei die eine Wellenfront einen Objektstrahl 22 umfasst und die andere Wellenfront einen Referenzstrahl 24 umfasst. Es ist zu verstehen, dass der Objektstrahl 22 eine Objektwellenfront umfasst, die von einem vibrierenden Medium, oder einer Oberfläche 14 moduliert ist.

Wie in 1 dargestellt sind Strahlensplitter 18 und Strahlenexpander 42 entlang der ersten Bahn 28 eingesetzt. Der Strahlensplitter 18 ist nach konventioneller Bauart, die zum gegenwärtigen Stand der Technik zu verstehen ist, konstruiert. Der Strahlensplitter 18 ist so angebracht, um einen Lichtstrahl, der von dem Lichtemitter 16 emittiert ist, um so den ersten Strahlenweg 20 und den zweiten Strahlenweg 32 zu bilden, aufzuspalten. Die erste Bahn 28 des ersten Strahlenwegs 20 dehnt sich zwischen dem Lichtemitter 16 und dem vibrierenden Probestück 12 aus. Die erste Bahn 28 des zweiten Strahlenwegs 32 dehnt sich zwischen dem Lichtemitter 16 und dem Strahlensplitter 18 aus. Folglich wird der erste Strahlenweg 20 und der zweite Strahlenweg 32 von dem Strahlensplitter 18 gespalten. Die erste Bahn 34 des zweiten Strahlenwegs 32 wird mittels des Strahlensplitters 18 reflektiert, um die zweite Bahn 36 zu bilden.

Dementsprechend liefert der erste Strahlenweg 20 einen Objektstrahl 22 und der zweite Strahlenweg 30 liefert einen Ausstossstrahl 24. Ein dritter Strahlenweg 38 liefert einen Ausstossstrahl 40, der aus einem Zweiwellen-Mischprozess dieser Erfindung erzeugt wird, der mittels anisotroper Selbstdiffraktion mit einer Polarisationsdrehung unterdrückt wird, die eine Drehung in der linearen Polarisation des gebeugten Referenzstrahls bezüglich der des übertragenen Objektstrahls erzeugt. Optional kann anisotrope Selbstdiffraktion ohne Polarisationsdrehung implementiert werden.

Der Strahlenexpander 42 wird entlang der ersten Bahn 28 gesetzt und ist betriebsbereit, um den Objektstrahl 22 auszudehnen, bevor er auf die Oberfläche des vibrierenden Probestücks des Objekts von Interesse 12 gerichtet worden ist. Das Objekt von Interesse 12 reflektiert den ausgedehnten Objektstrahl 22, der sich entlang der ersten Bahn 28 von einer diffus reflektierenden Oberfläche auf dem Probestück ausdehnt, wobei er fortlaufende Vibration zur zweiten Bahn 30 durchläuft. Der Strahlenexpander 42 ist nach konventioneller Bauart, wie sie auf dem gegenwärtigen Stand der Technik zu verstehen ist, konstruiert.

Wie in 1 dargestellt ist das Objekt von Interesse 12 an einer vorbestimmten Stelle angebracht, um den Objektstrahl 22 zu reflektieren, der sich entlang der ersten Bahn 28 in Richtung der zweiten Bahn 30 ausbreitet. Der ausgedehnte Objektstrahl 22 breitet sich entlang der zweiten Bahn 30 aus, reflektiert weg von den vibrierenden Oberflächen 14, und breitet sich entlang der zweiten Bahn 30 aus. Eine Sammellinse 44 und ein Polarisierer 46, die zusammenwirken, um das Bildlicht, das von dem Probestück in ein Abtastmedium, das eine fotorefraktive Substanz, in einer Bauart eine fotorefraktive Substanz oder einen Kristall 26 umfasst, zu fokussieren und zu unterscheiden, sind ebenfalls entlang der zweiten Bahn 30 eingesetzt. Das Abtastmedium der fotorefraktiven Substanz 26 ist so konfiguriert, um in Kombination den Objektstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 aufzunehmen. Der Objektstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 werden in der Form einer reflektierten Objektwellenfront und einem modulierten Strahl aufgenommen, wie z.B. einer modulierte Referenzwellenfront.

Nach einer Ausführung umfasst die Sammellinse 44 eine optische Linse, die so konfiguriert ist, um den Objektstrahl entlang der zweiten Bahn 30 auf einer gewünschten Stelle des fotorefraktiven Kristalls 26 zu fokussieren. Dementsprechend ist die Sammellinse 44 zu dem Bildlicht, das von der Oberfläche 14 des Probestücks 12 in den fotorefraktiven Kristall 26 zerstreut wird, positioniert. Die Sammellinse 44 ist nach konventioneller Bauart nach dem Stand der Technik, wie er gegenwärtig zu verstehen ist, konstruiert.

Nach einer Ausführung umfasst der Polarisierer 46 einen Eingangshochabsorptionsmaßpolarisierer, der so konfiguriert ist, um eine Polarisationskomponente des Objektstrahls 22, der von der Oberfläche 14 des Probestücks 12 reflektiert wird, auszuwählen oder zu unterscheiden. Der Polarisierer 46 ist nach konventioneller Bauart, wie sie gegenwärt auf dem Stand der Technik zu verstehen ist, konstruiert. Der Polarisierer 46 ist so konfiguriert, um eine Komponente des Objektstrahls 22, der von dem Probestück 12 reflektiert wird, auszuwählen.

Darüberhinaus ist der Objektstrahl 22 mit Informationen geprägt worden, die die vorhandene Vibrationsverlagerungsamplitude und Vibrationsphase des Objekts 12 definiert, um von der Oberfläche 14 des vibrierenden Objekts von Interesse 12 weg reflektiert zu werden. Ein solcher Objektstrahl 22 ist kombiniert, um mit dem Referenzstrahl 24 innerhalb der fotorefraktiven Substanz 26, hier ein Bismut-Siliziumoxid (BSO) Kristall, mittels einer anisotropen Zweiwellen-Selbstdiffraktionsannäherung, mit oder ohne Polarisationsdrehung, zu interferieren. Es ist zu verstehen, dass die Objekt- und Referenzstrahlen beiderseits kohärent sind, um so innerhalb des fotorefraktiven Materials zu interferieren. Ein elektrooptischer Phasenmodulator 43 bearbeitet den Referenzstrahl 24, um einen modulierten Referenzstrahl zu erzeugen. Der phasenmodulierte Referenzstrahl und der reflektierte Objektstrahl 22 interferiert innerhalb und geht durch die fotorefraktive Substanz 26, um ein Raumladungsfeld zu erschaffen, das eine Magnitude besitzt, welche bei kleinen Amplituden direkt proportional zu der Vibrationsverlagerungsamplitude des Objekts 12 und zu einer Kosinusfunktion der Vibrationsphase ist. Das Raumladungsfeld erzeugt einen Index des Refraktionsgitters des elektrooptischen Effekts, der Informationen über den Vibrationsstatus der Oberläche enthält.

Es ist zu verstehen, dass die fotrefraktive Substanz 26 eine vorgegebene Reaktionszeit hat, wobei das induzierte Gitter innerhalb der Substanz 26 den reflektierten Objektstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 durchdringt. Der Objektstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 interferieren innerhalb der fotorefraktiven Substanz 26, um ein Raumladungsfeld und ein resultierendes induziertes Gitter zu erzeugen, das sich innerhalb der Reaktionszeit der fotorefraktiven Substanz ausbildet. Der Objektstrahl 22 wird von dem vibrierenden Objekt von Interesse 12 weg reflektiert, wobei er eine Vibrationsverlagerungsamplitude und eine Vibrationsphase hat. Die fotorefraktive Substanz 26 durchdringt den reflektierten Objektstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 so, dass deren Interferenz darin ein Raumladungsfeld induziertes Gitter erzeugt, das eine Diffraktionseffizienz hat, die bei kleinen Amplituden direkt proportional zu der Vibrationsverlagerungsamplitude und einer Kosinusfunktion der Vibrationsphase ist.

Dementsprechend umfasst die fotorefraktive Substanz 26 ein Abtastmedium, das eine Erfassungsauflösung innerhalb einer begrenzten Bandbreite besitzt, wobei der Referenzstrahl 24 bei einer Frequenz moduliert ist, so dass eine Differenzfrequenz zwischen dem Objektstrahl 22 und dem Referenzstrahl 24 innerhalb einer Reaktionsspanne des Abtastmediums liegt. Als Solches erzeugt das Abtastmedium ein Bild der vibrierenden Oberfläche 14, das eine Ausgangsintensität hat, die im Wesentlichen linear mit kleinen physischen Veränderungen der vibrierenden Oberfläche 14 ist.

In der Praxis sind Kalibrierungsmessungen durchgeführt worden, wobei ein piezoelektrischer Übersetzungsspiegel verwendet wurde. Die angeregten Vibrationswerte des Probestücks bestimmen die frequenzsabhängige Verlagerungsamplitude der Oberfläche, die in die Phasenmodulation &dgr;1 des Objektstrahls übertragen ist. Der Referenzstrahl wird von einem elektrooptischen Modulator 43 bei einer festen Modulationstiefe &dgr;2 phasenmoduliert. Modulierte Strahlen werden dann kombiniert und interferieren innerhalb eines Bismut-Silikonoxid (BSO) fotorefraktiven Kristalls 26 bei einem externen Winkel zwischen den Strahlen von ungefähr 45 Grad. Eine Zweiwellen-Mischkonfiguration ist verwendet worden, um aus dem fotorefraktiven Indexgitter, das innerhalb des Kristalls 26 erzeugt ist, auszulesen.

Ein Messgerät oder Abbildungsgerät in der Art eines Fotodetektors, so wie eine CCD Kamera 52 werden verwendet, um einen nach vorn gebeugten Strahl zu erfassen, der mittels der Verstärkung des Zweiwellen-Mischungsprozesses gesteigert worden ist. Bevor ein solcher nach vorn gebeugter Strahl erfasst wird, unterdrückt und fokussiert ein Analysierer (Polarisierer) 48 und eine Abbildungslinse 50 einen solchen nach vorn gebeugten Strahl.

Nach einer Ausführung umfasst das Messgerät 52 eine CCD Kamera oder ein anderes Abbildungsgerät, das betrieben werden kann, um den nach vorn gebeugten Strahl zu zeigen. Das Gerät 52 kann einen Anzeigebildschirm beinhalten, um die Bilder zu betrachten.

Der Polarisierer 48 und die Bildlinse 50 sind jeweils in der gleichen Art konstruiert wie der Polarisierer 46 und die Sammellinse 44. Genauer umfasst der Polarisierer 48 einen Ausgangspolarisierer mit hohem Absorptionsmaß, der konfiguriert ist, um die gebeugte Wellenfront bei dem Austritt aus dem Kristall 26 von der nach vom übertragenen Objektwelle zu selektieren oder zu unterscheiden (indem er eine anisotrope Selbstdiffraktionseigenschaft mit oder ohne Polarisationsdrehung verwendet). Der Polarisierer 48 ist nach konventioneller Bauart konstruiert, die zum gegenwärtigen Stand der Technik zu verstehen ist. Der Polarisierer 48 ist so konfiguriert, um eine Komponente der gebeugten Wellenfront zu selektieren. Gleichermaßen umfasst die Bildlinse 50 eine optische Linse, die so konfiguriert ist, um die gebeugte Wellenfront, die von der fotorefraktiven Substanz 26 über die CCD Kamera 52, wo sie erfasst ist, zu fokussieren. Dementsprechend ist die Sammellinse 44 so angebracht, um das Licht, das von der Substanz 26 auf den Detektor 52 gebrochen ist, abzubilden. Die Sammellinse 44 ist nach konventioneller Bauart konstruiert, wie sie zum gegenwärtigen Stand der Technik zu verstehen ist.

Ebenfalls in 1 dargestellt, ist ein elektrooptischer Modulator 43 entlang der zweiten Bahn 36 eingesetzt. Der Modulator 43 ist so konfiguriert, um den Referenzstrahl 24 zu modulieren. Das Licht aus dem Referenzstrahl 24, das sich entlang der zweiten Bahn 36 ausbreitet, richtet sich nach einem elektrooptischen Modulator (EOM) oder einem anderen passenden Phasenmodulator 43 nach konventioneller Bauart, wie sie zum gegenwärtigen Stand der Technik zu verstehen ist. Der elektrooptische Phasenmodulator 43 ist so positioniert, um den Referenzstrahl bei einer im Wesentlichen festen Modulationstiefe zu modulieren, wie es im Folgenden noch detaillerter beschrieben ist. Der Referenzstrahl 24, der nach dem elektrooptischen Phasenmodulator 43 ausgerichtet worden ist, entwickelt sich als ein modulierter Referenzstrahl, der in einem Winkel zu der fotorefraktiven Substanz oder dem Kristall 26 gerichtet ist.

Die fotorefraktive Substanz 26 ist an einer vorgegebenen Stelle sowohl entlang der zweiten Bahn 30 des ersten Strahlenwegs 20, als auch der zweiten Bahn 36 des zweiten Strahlenwegs 32 positioniert, wo der erste Strahlenweg 20 und der zweite Strahlenweg 32 zusammen kommt. Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst die fotorefraktive Substanz 26 einen Kristall aus Bismut-Siliziumoxid, der fähig ist, ein fotorefraktives Gitter nach einem vorbestimmten Bragg Winkel zu erzeugen. Andere fotorefraktive Substanzen können auch mit gleichem Erfolg eingesetzt werden, nach einem anderen Aspekt der Erfindung.

Der modulierte Referenzstrahl 24 interferiert mit dem Objektstrahl 22 innerhalb des Bismut-Silizium-Kristalls 26 bei einem äußeren Winkel von ungefähr 45 Grad. Diese optische Interferenz erzeugt ein Raumladungsfeld, das innerhalb der Reaktionszeit desselben einen Index des Refraktionsgitters entwickelt. Der Index des Refraktionsgitters erzeugt durch die Zweiwellen-Mischung einen Ausgangsstrahl 40, der sich entlang des dritten Strahlenwegs 38 ausdehnt. Der resultierende Ausgangsstrahl 40 ist auf einen Fotodetektor 52 in der Art einer CCD Kamera gerichtet, wo er erfasst wird und mittels grafischer Darstellung als ein grafisches Bild auf einem Bildschirm (nicht dargestellt) charakterisiert ist.

Die CCD Kamera 52 erzeugt ein Signal, das mittels einer Kommunikationsleitung gekoppelt ist, um ein grafisches Bild zur Ansicht für einen Benutzer auf dem grafischen Bidlschrim zu liefern. Optional kann ein solches grafisches Bild an einen Computer geliefert werden, der eine Bildbearbeitungssoftware besitzt, die fähig ist, um gewünschte Bilder wahlweise zu erhalten und zu speichern.

Wie in 1 dargestellt, wird ein optisches Zweiwellen-Mischausschaltssperrenmodulationsmodell mittels der Vibrationserfassungs- und Abbildungsvorrichtung 10 umgesetzt, wobei die anisotrope Selbstdiffraktion so eingesetzt ist, um so einen verbesserten optischen Durchfluss und Trennschärfe zu liefern. In einem Fall kann die anisotrope Selbstdiffraktion mit Polarisationsdrehung umgesetzt sein. In einem anderen Fall kann die anisotrope Selbstdiffraktion ohne Polarisationsdrehung umgesetzt sein. Um eine maximale Trennschärfe zu erreichen, muss eine bezeichnende Komponente des direkt übertragenen Objektstrahls 22 unterschiedlich behandelt werden.

Zweiwellen-Mischen umfasst das Verwenden eines optisch aktiven fotorefraktiven Materials oder einer Substanz 26, so wie einem Bismut-Siliziumoxid (BSO) Kristall, die das Unterscheiden mittels anisotroper Selbstdiffraktion ermöglicht. Anisotrope Selbstdiffraktion, wie sie im Fachgebiet der Optik zu verstehen ist, erzeugt eine Drehung in der linearen Polarisierung des gebeugten Referenzstrahls 24 bezüglich derjenigen des übertragenen Objektstrahls 22.

Wenn eine Zweiwellen-Mischung nach der Vorrichtung 10 von 1 umgesetzt wird, kann die Dicke des fotorefraktiven Kristalls (PRC) 26 so angepasst werden, um eine Polarisationsverlagerung von 90 Grad zwischen dem gebeugten Referenzstrahl 24 und dem übertragenen Objektstrahl 22 zu erhalten. Eine solche Polarisationsverlagerung ermöglicht die Eliminierung des direkt übertragenen Objektstrahls 22 mittels der Verwendung von Polarisierern mit hoher Absorptionsrate 46 und 48.

Als Ergebnis des Unterscheidens des übertragenen Objektstrahls ist der gebeugte Referenzstrahl mit einer Intensität übermittelt, die von der Vibrationsverlagerung abhängig ist und temporär auf der Frequenzdifferenz zwischen den mischenden Wellen moduliert ist. Eine solche temporäre Modulation ist analog zu dem Fall der Vierwellen-Mischung, der in der gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldung Nr. 08/787.073 des Anmelders beschrieben ist. Ebenfalls nach dem Fall des Vierwellen-Mischens, erfordert der Fall des Zweiwellen-Mischens, dass nur die Ausgangsintensität des Ausgangsstrahls 40 gemessen werden muss, um sowohl die Vibrationsamplitude als auch die Phase zu erhalten. Folglich kann direkte Abbildung mit Intensitätsgraden passend für industrielle Anwendungen ausgeführt werden.

Es ist zu verstehen, dass das Signal des Fotodetektors mit einem konventionellen elektrischen Ausschaltsperrenverfahren durchgeführt werden kann, das auf eine Bandbreite von ungefähr 1 Hz gesetzt ist. Details eines Ausschaltsperrenmodells können entwickelt werden, wobei eine auf der eindimensionalen Ebene wellengekoppelte Verfahrensanalyse verwendet wird. Derartige Details sind im Fachgebiet zu verstehen und sind in der einstweiligen Anmeldung mit der Serien Nr. 60/039.171 des Anmelders beschrieben worden, eingereicht am 26. Februar 1997, und sind hierein als Anlage eingefügt.

Nach einer solchen Konstruktion agiert der fotorefraktive Kristall 26 als ein mischendes und Tiefpassfilterelement, das die Vorteile einer Ausschaltsperrenerfassung bietet. Folglich reagiert das Raumladungsfeld nur auf langsam variierende Phasenmodulationen, die innerhalb der Materalreaktionszeit konstant erscheinen, wobei sie nur Bedingungen erlauben, die um die Differenzfrequenz existieren, um eine wesentliche Auswirkung auf die Quantität zu haben. Das Raumladungsfeld moduliert den lokalen refraktiven Index durch den linearen elektrooptischen Effekt. Ein solcher Effekt erschafft ein Diffraktionsgitter innerhalb des Kristalls, das die niederfrequente Phaseninformation enthält, die gewünscht ist. Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um das Diffraktionsgitter auszulesen, die Vierwellen-Mischungstechnik eingeschlossen, die in der anhängigen U.S Patentanmeldung mit der Serien Nr. 08/787.073 des Anmelders beschrieben ist, eingereicht am 22. Januar 1997, so wie die Anmeldung der Zweiwellen-Mischung mit Polarisationsauswahl, die hierin erklärt ist. Darüberhinaus kann die elektrische Messung durch die Ableitung von fotoangeregten Trägern ausgeführt werden. Selbst darüberhinaus kann die isotrope Selbstdiffraktion innerhalb des fotorefraktiven Materials verwendet werden, um das Vibrationssignal innerhalb eines Ausgangsstrahls zu erkennen.

Ein passender experimenteller Aufbau zur Vibrationserfassung und Abbildungsvorrichtung 10 von 1, der Selbstdiffraktion verwendet, bedingt einen Emitter 16, der eine Argon-Laserquelle bei 514 nm, 500 mW umfasst. Eine derartige Laserquelle ist in zwei Stränge gespalten, Objektstrahl 22 und Referenzstrahl 24. Ebenfalls nach einem derartigen Aufbau umfasst das Objekt von Interesse 12 ein Stück einer Materialbahn. Der Objektstrahl 22 ist ausgedehnt und von einer diffus reflektierenden Oberfläche 14 des Probestücks, oder einer an den Rändern eingespannten Materialbahn 12 reflektiert, während er gezwungen ist, fortdauernder Vibration ausgesetzt zu sein.

Gemäß eines solchen oben beschriebenen experimentellen Aufbaus wurde die eingespannte Materialbahn von einem piezoelektrischen Breitbandsignalgeber, der in Kontakt mit einem zentralen Punkt der Materialbahn plaziert wurde, in Vibration gebracht. Das von dem Probestück zerstreute reflektierte Licht wurde dann auf einer Ebene im fotorefraktiven Kristall 26 mittels einer Sammellinse 44 abgebildet. Ein derartiger modulierter Referenzstrahl wurde ebenfalls ausgedehnt und innerhalb des fotorefraktiven Kristalls 26 abgebildet, um ein volumenholografisches Gitter zu erzeugen, das einen externen Winkel zwischen den Objekt- und Referenzstrahlen 22 und 24 von ungefähr 45 Grad besitzt. Der fotorefraktive Kristall 26 hatte die Größe 10 mm mal 10 mm mal 2,25 mm, wobei der Kristall entlang der <001> und <110> Richtung geschnitten war.

Es ist zu verstehen, dass die fotorefraktive Substanz 26 als Ergebnis der Reaktionszeit eine vorgegebene Absperrfrequenz besitzt und dass der modulierte Referenzstrahl 24 eine Frequenzdifferenz besitzt, die weniger als ungefähr die Absperrfrequenz der fotorefraktiven Substanz 44 beträgt. Darüberhinaus ist das Messgerät oder der Fotodetektor 52 so positioniert, um sowohl die Vibrationsamplitude als auch die Phase des Objekts von Interesse 12 zu messen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 10 hat der Objektstrahl 22, der sich entlang der zweiten Bahn 30 ausbreitet, eine vorgegebene Frequenz und der modulierte Referenzstrahl 24, der sich entlang der zweiten Bahn 36 ausbreitet, hat eine Frequenz, die sich aus einem Wert von ungefähr 25 Hz aus der vorgegebenen Frequenz des reflektierten Objektstrahls errechnet. In dem Fall, dass die fotorefraktive Substanz 26 ein Material so wie Bismut-Siliziumoxid umfasst, ist die errechnete Frequenz von derartigem Bismut-Siliziumoxid ungefähr 70 Hz und die Reaktionszeit liegt ungefähr bei 0,015 Sekunden.

In Betrieb bestimmen die hervorgerufenen Vibrationsverfahren des Objekts von Interesse 12 die frequenzabhängige Verlagerungsamplitude der Probestückoberfläche 14, welche dagegen in die Phasenmodulation des Objektstrahls 22, der sich entlang der zweiten Bahn 30 ausbreitet, übermittelt ist. Wie zuvor beschrieben wird er Referenzstrahl 24 von dem elektrooptischen Phasenmodulator 43 bei einer festen Modulationstiefe moduliert.

Dann ist der Referenzstrahl und der reflektierte Objektstrahl kombiniert und interferiert innerhalb der fotorefraktiven Substanz, wie z.B. Bismut-Siliziumoxid 26, bei einem Winkel von ungefähr 45 Grad. Die Interferenz generiert eine Streuung des Raumladungsfelds, die das Interferenzmuster spiegelt. In der vorliegenden Erfindung 10 ist eine Zweiwellen-Mischungskonfiguration verwendet, um das innerhalb der fotorefraktiven Substanz 26 erzeugte fotorefraktive Interferenzgitter zu demodulieren. Der Referenzstrahl 24 ist in die fotorefraktive Substanz 26 gerichtet, wo er mit dem ausgedehnten, reflektierten, fokussierten (mittels der Linse 44) und polarisierten (mittels Polarisierer 46) Objektstrahl 22 interferiert. Der resultierende Ausgangsstrahl 40 bewegt sich entlang des dritten Strahlenwegs 38 und wird dann beim Polarisierer 48 analysiert und von der Abbildungslinse 50 fokussiert und von dem Fotodetektor der CCD Kamera 52 abgebildet.

Die fotorefraktive Substanz 26 agiert als ein Mischungs- und Tiefpassfilterelement. Die gemessene Signalintensität, die für jedes dieser Verfahren berechnet werden kann, ist eine zeitabhängige fotorefraktive erstreihige Reaktionstheorie in der Einzelgitterabschätzung. Die Ergebnisse einer solchen Berechnung, die nur die dominantesten Ausdrücke beibehält, ist in der folgenden Gleichung beschrieben und, wobei &dgr; gleich der Phasenmodulation des Objektstrahls ist; ist &dgr;2 die feste Modulationstiefe des modulierten Referenzstrahls 24; &tgr; ist die fotorefraktive Zeitkonstante und &OHgr; = &ohgr;2 – &ohgr;1; tan(&PSgr;) = &OHgr;&tgr;; und (&phgr;1 – &phgr;2) ist die relative Phasendifferenz zwischen der vibrierenden Oberfläche des Probestücks und dem elektrooptischen Frequenzmodulators 43:

Nach der Erfindung 10 werden die Signalerregung und Referenzmodulationen synchronisiert, und die Messung ist auf eine feste Ausgleichsfrequenz (&OHgr; < 1/&tgr;) angehoben. In diesem Betriebsmodus wird die Signalerregung und die Referenzmodulation kohärent bei einer festen Frequenzdifferenz (&OHgr;/2&pgr;) aufrechterhalten. Dieser Betriebsmodus stellt sicher, dass das AC oder die Taktkomponente der Signalstrahlintensität ständig beim Fotodetektor 52 vorhanden ist. Unter Verwendung dieser Annäherung kann sowohl die Vibrationsamplitude, als auch die Phase des vibrierenden Objekts von Interesse 12 direkt von der Lilchtintensität bei dem Fotodetektor 52 gemessen werden. Es ist zu erkennen, dass dieses Verfahren statische oder zeitvariierende Phasenverschiebungen ausserhalb der vorgegebenen Bandbreite unterscheidet und auf alle Vibrationsfrequenzen über den Kehrwert der fotorefraktiven Reaktionszeit (67 Hz für BSO) ausgedehnt werden kann.

Zusammengefasst beschreibt die erste bevorzugte Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur bildlichen Darstellung von Vibrationen, umfassend sich über eine Objektoberfläche durch sammelndes Laserlicht, das von der Oberfläche zerstreut wird, ausbreitende Wellen. Indem das zerstreute Licht von dem Objekt mit einem modulierten Referenzstrahl innerhalb eines fotorefraktiven Materials gemischt wird, ist eine optische Ausschaltsperrenerfassungstechnik erzielt, die hohe Störsicherheit durch Signalverarbeitung in engen Bandbreiten bietet. Eine solche Vorrichtung und Verfahren erzielt eine Subnanometer-Oberflächenverlagerungsemfindlichkeit in einer Weise, die Spektralanalyse von sich ausbreitenden Wellen innerhalb von Strukturen oder Materialien erlaubt. Die Neuheit dieser Vorrichtung und des Verfahrens beinhaltet das Verwenden eines synchronisierten Erregungsmodells und Modulationsmodells. Darüberhinaus beinhaltet die Neuheit den Einsatz von synchroner optischer Erfassung in der Art, dass sie ein Bild von sich ausbreitenden Wellen liefert, wie sie sich über die Oberfläche eines vibrierenden Probestücks fortpflanzen.

Darüberhinaus beinhaltet die Neuerung eine Ausführung, die die optische Interferenz innerhalb des fotorefraktiven Materials verwendet, um eine Ausgangsstrahlintensität zu liefern, die im Wesentlichen direkt proportional zur Vibrationsverlagerungsamplitude über der Oberfläche des Probestücks ist. Folglich ist damit die Notwendigkeit eliminiert, optische Interferenz auf der Oberfläche der Bildebene zu erzeugen. In der ersten Ausführungsform umfasst die Oberfläche der Bildebene eine ladungsgekoppelte Gerätekamera.

2 stellt die Quellelektronik 68 dar, die eine Einseitenband-Erregungsquellenelektronik umfasst. Nach einer Bauart beinhaltet die Quellelektronik 68 einen Erregungssignalgenerator, einen Signalmischer 62, einen Ausgleichsignalgenerator 64 und einen Signalkombinierer 66. Die Quellelektronik 68 umfasst Signalgeneratoren 60 und 64, welcher jeder einen Oszillator umfasst, der fähig ist, simultan sowohl eine Sinus- als auch Cosinusausgabe zu generieren. Der Erregungssignalgenerator 60 umfasst einen Sinuswellenoszillator, der auf einer willkürlichen Frequenz (&ohgr;/2&pgr; > 67 Hz) konfiguriert ist. Der Ausgleichssignalgenerator 60 umfasst einen Sinuswellenoszillator, der auf einer festen niederen Frequenz (&OHgr;/2&pgr; ~ 25 Hz) konfiguriert ist. Dementsprechend ist eine Einseitenband-Sinuswellenausgabe erforderlich, die entweder bei &ohgr; + &OHgr;, oder &ohgr; – &OHgr;, zu erzeugen ist, aber nicht bei beiden. Alle derartigen Ausgaben sind an eine 50 Ohm Ladung gekoppelt.

Nach einer Anweisung ist die Quellelektronik 68 aus Komponenten von Minicircuits, Inc. konstruiert, die bei hohen Frequenzen ausgeführt werden können. Optional kann eine derartige Quellelektronik 68 für niederfrequenten Betrieb konfiguriert werden, um andere Elektronikquellen zu verwenden.

Die Quellelektronik von 2 kann auch ausgeführt in Zusammenhang mit Generator 60 und 64 von 1 gezeigt werden. Dementsprechend ist ein Mischer 62 in Zusammenhang mit Generator 60 und 64 ausgeführt, um so eine synchronisierte Generierungsquelle, oder eine Referenzmodulation, die mit dem Vibrationseingangssignal synchronisiert ist, mittels Laser 54 entlang des Erregungsstrahls 58 und entgegen der Zieloberfläche 14 zu gewährleisten.

3 stellt ein Muster einer sich ausbreitenden Wellenverlagerungsamplitude aus einem Material 70 eines Blattes Pergament 9 (oder Mylar) dar. Ein dunkler Kreismarker 72 ist auf das Material 70 gedruckt, um die Visualisierung derartiger sich ausbreitender Wellen zu ermöglichen, um die Richtung und Variationen aus der kreisförmigen Fortpflanzung derartiger Wellen zu bestimmen. Der Marker 72 bildet einen Kreis und ein paar radial sich ausbreitende Arme, die sich in einem 45 Gradwinkel im Uhrzeigersinn von der Horizontale ausdehnen. Ein solches Mylarblattmaterial wurde an einer am Kontaktpunkt vibrierenden Quelle erregt, wie z.B. einem piezoelektrischen Signalgeber, der im Mittelpunkt des Markers 72 positioniert ist.

Der Vergleich zwischen dem kreisförmigen Abschnitt des Markers 72 und der umgebenden sich ausbreitenden Wellen ermöglicht einen Vergleich, um zu bestimmen, ob die Wellengeschwindigkeit mit Richtung oder Ausrichtung variiert. Die Arme des Markers 72 ermöglichen den Vergleich der gerichteten Ausrichtung, wo die Wellengeschwindigkeitsvariationen elliptische sich ausbreitende Wellen erzeugen. Eine solche gerichtete Ausrichtung wird verwendet, um die anisotropen Materialeigenschaften zu bestimmen. Es ist zu verstehen, dass die Ausrichtung der Arme auf dem Marker 72 nicht wichtig ist. Allerdings sollte eine solche Ausrichtung mit der Ausrichtung von Verarbeitungsmaschinen/-Schritten verwendet werden, um ein Material zu produzieren. Zum Beispiel sollte die Richtung der Bewegung eines Blattes beachtet werden, wo das Material auf einer Profilierungsanlage produziert wird, so dass der Marker 72 relativ zu der Richtung der Ausbreitung während der Blattformung angeordnet ist. Der Marker 72 ist über dem Punkt der Entstehung der sich ausbreitenden Wellen zentriert. Folglich kann das Überwachen anisotroper Charakteristiken relativ zu dem Marker 72 beachtet werden.

Die visuelle Betrachtung von 3 zeigt, dass Pergament ein im Wesentlichen isotropes Material ist, da die sich ausbreitenden Wellen nach aussen gerichtet in alle Richtungen mit im Wesentlichen der gleichen Wellenbgeschwindigkeit strahlen. Eine solche im Wesentlichen gleiche Wellengeschwindigkeit wird eingehalten, um ein kreisförmiges Wellenmuster zu erzeugen. Die Anlayse der Daten der sich ausbreitenden Wellen kann ausgeführt werden, um Wellengeschwindigkeiten in alle Richtungen vom Marker 72 zu erhalten.

Die visuelle Betrachtung von 4 stellt ein Muster einer Verlagerungsamplitude sich ausbreitender Wellen aus einem Blatt Papiermaterial 74 dar. Der Marker 72 ist auf das Papiermaterial 74 in der gleichen Art wie auf das Pergament in 3 gedruckt, um das Visualisieren und Charakterisieren sich ausbreitender Wellen zu ermöglichen. Folglich kann die Ausrichtung und Variation derartiger sich ausbreitender Wellen, die sich von einem Punkt eines im Marker 72 zentrierten Ursprungs ausdehnen, bestimmt werden. Die Materialeigenschaft von Papiermaterial 74 kann bestimmt werden, indem der Marker mit der sich ausbreitenden Wellenfortpflanzung über dem Marker 72 verglichen wird.

4 zeigt sich ausbreitende Wellen, die ein quasi-elliptisches Wellenfortpflanzungsmuster aufweisen, das charakterstisch ist für Material, das anisotrope Materialeigenschaften besitzt. Die Hauptachse der Ellipse ist entlang der Achse des Arms auf dem Marker 72 ausgerichtet. Ferner kann das elliptische Muster sich ausbreitender Wellen klar gesehen werden.

Die Analyse eine solchen Musters sich ausbreitender Wellen; zum Beispiel durch Messen der Ausbreitungsdistanz einer Welle bei jeder von mehreren Winkelpositionen über dem Ursprungspunkt, kann verwendet werden, um Wellengeschwindigkeiten für besondere Richtungen in einem Material zu bestimmen. Folglich können anisotrope Muster charakterisiert und mit dem verwendeten Prozess zum Herstellen des Materials in Verbindung gebracht werden. Dementsprechend können Bestimmungen auf die Tauglichkeit von Materialcharakteristiken gemacht werden. Darüberhinaus können solche Bestimmungen verwendet werden, um einen Materialherstellungsprozess zu überwachen und zu modifizieren, um die Einheitlichkeit eines Materials zu verbessern und anisotrope Charakteristika zu reduzieren. Sogar darüberhinaus kann das Material eingestuft werden, um das Material so auszurichten, damit die Materialeigenschaften nach einer gewünschten Konfiguration ausgerichtet sind. Zusammengefasst ist das Überwachen solcher Informationen wertvoll für Industrien, die derartige Materialien produzieren.

Zusätzlich kann die Analyse der sich ausbreitenden Wellen entweder optisch oder durch Postprocessing durchgeführt werden, um mathematische Transformationen, wie die Fourier-Transformation, auszuführen, um Materialeigenschaften zu bestimmen. Die transformierten Daten liefern ein Bild der Verteilung spatialer Frequenzen (d.h. Wellenlängen) in alle Richtungen gleichzeitig. Folglich wird zum Beispiel die Wellenlänge und die Phasengeschwindigkeit von dem Bild quantitativ sofort in alle Richtungen bestimmt. Optisches Ausführen würde das Verwenden von Linsen oder anderen optischen Komponenten einbeziehen, wie Transformationsgeräte, die ein rein optisches Gerät erzeugen könnten. 5 stellt ein computergenertiertes Bild theoretischer sich ausbreitender Wellen für eine gebogene Welle dar, die sich in einer dünnen Scheibe bildet, die von einer zentralen Stelle erregt wird. Die vertikale Verschiebung, die senkrecht zur Bildebene verläuft, wurde geformt, um im Zeitablauf zu oszillieren. Das Material wurde geformt, um anisotrope Materialeigenschaften zu besitzen. Wie in 5 zu sehen, haben die elliptischen Wellen eine Hauptachse, die sich in horizontaler Richtung ausdehnt.

6A–H stellt acht individuelle aufeinanderfolgende Bilder dar, die mit einer sich ausbreitenden Welle übereinstimmen, die vom Zentrum eines hauptsächlich isotropen Edelstahlmaterials 78 entsteht. Das Blattmaterial 78 umfasst ein Edelstahlmetallblatt von 0,005 Inch Dicke. Die Fortpflanzung der sich ausbreitenden Wellen kann aufeinanderfolgend von 6A bis 6H gesehen werden, die die Bewegung der sich ausbreitenden Wellen weg von einem zentralen Ursprungspunkt zeigt. Ein zentraler Spot, der sich an dem zentralen Punkt befindet, vergrößert sich wechselhaft, dann bildet er einen neuen kleinen Spot vom zentralen Punkt, der sich gleichermassen vergrößert. Ein Abbildungsgerät, wie z.B. eine CCD Kamera 52 (siehe 1) kann verwendet werden, um jedes Bild einzufangen. Wenn die Zeit zwischen den Bildern ausreichend kurz ist, können solche Bilder auf einem Ausgabegerät oder Anzeigebildschirm abgebildet werden. Eine solche Anzeige erschafft den visuellen Eindruck von Bewegung der sich ausbreitenden Wellen in Echtzeit, was verwendet werden kann, um Wellen in einem Bild eines vibrierenden Materials oder einer Scheibe zu erkennen.

712 zeigt Bilder von sich ausbreitenden Wellen in einer Scheibe von Edelstahlmaterial 78, die jeweils bei Frequenzen von 13, 18, 30, 60, 122 und 218 kHz erzeugt wurden. Das Material 78 ist das gleiche Material, das in dem Bild von 6 dargestellt ist, das eine Dicke von 0,005 Inch hat und ein hauptsächlich isotropes Edelstahlblatt, oder -Scheibe umfasst. Bilder der resultierenden, sich bei unterschiedlichen Frequenzen ausbreitenden Wellen zeigen ein Vermindern der Wellenlänge der Welle, so wie die Frequenz erhöht wird. Solche Bilder können verwendet werden, um die Wellenlänge zu quantifizieren und die Phasengeschwindigkeit derartiger sich ausbreitender Wellen einfach durch Messen der Distanz zwischen benachbarten Wellen zu quantifizieren. Darüberhinaus können Materialeigenschaften, wie z.B. Elastizitätskonstante, Dichte, Anisotropie und Dicke aus den Werten der Phasengeschwindigkeit bestimmt werden.

13 stellt ein Bild mit sich ausbreitenden Wellen dar, die in Papier bei 100 kHz gebildet wurden. Typisches Kopierpapier ist anisotrop, was aus der Art, in welcher solches Papier verarbeitet wird, resultiert. Zum Beispiel ist ein Papierschlamm typischerweise auf einer sich bewegenden durchgehenden Linie angeordnet, mit Roll- und Hitzevorgängen, die direktionale Eigenschaften bis zum endgültigen, fertigen Papier gewährleisten. Die Papierprobe, die in 13 getestet und dargestellt ist, stellt klar eine anisotrope Eigenschaft dar, die bei einem Winkel von ungefähr 5 Grad gegen den Uhrzeigersinn von der vertikalen Achse gerichtet ist. Ein solcher Winkel bildet die Hauptachse einer Ellipse, die anzeigt, dass die sich ausbreitende Welle sich bei höchster Geschwindigkeit in eine Richtung bewegt, die sich entlang einer derartigen Achse ausdehnt. Begleitend zeigt die senkrechte Nebenachse, dass die sich ausbreitende Welle sich bei der geringsten Geschwindigkeit entlang einer derartigen senkrechten Nebenachse bewegt.

14 stellt eine Fourier-Bereichstransformation spatialer Bilder sich ausbreitender Wellen dar, wie z.B. diejenigen, die in 13 dargestellt sind. Eine solche Fourier-Bereichstransformation enthält eingebundene Informationen über die sich ausbreitenden Wellen, die sich durch das Papier bei 100 kHz bewegen. Ein resultierender Plan für eine zentrale quasi-elliptische Kurve ist ein direktes Ergebnis der sich ausbreitenden Natur der Welle, und zeigt unmittelbar die verschiedenen Wellenlängen der Welle in verschiedenen Richtungen. Aus derartigen Daten werden die Wellengeschwindigkeiten in alle Richtungen, Elastizitäskonstanten, Ansotropie und Ausrichtungen hinsichtlich der Maschinenrichtung (Zeichnung) sofort erkannt.

Es ist ferner zu verstehen, dass eine Anzahl von Modulationsschemen mit dieser Erfindung bezüglich eines Referenzbilds verwendet werden können. Dementsprechend kann ein Bild unmittelbar aus einem Objekt als Referenzbild abgeleitet werden. Alternative Wege, um ein derartiges Referenzbild zu modulieren, beinhalten Phasenmodulation, Amplitudenmodulation, Polarisation und spatiale oder temporale Modulation derartiger Referenzbilder. Darüberhinaus kann die Änderungsrate des Interferenzmusters innerhalb eines Abtastmediums innerhalb der Reaktionfähigkeit des Abtastmediums, unabhängig von Objektbild- und Referenzbildmodulationen aufrechterhalten werden. Eine derartige Charakteristik erlaubt das Abtasten solcher Modulationen über eine große spektrale Bandbreite hinweg, um so eine Abbildungsspektralanalyse der Vibrationen eines Objekts eines Abtastmediums, oder Mediums zu liefern, ohne die Reaktionsfähigkeit zu überschreiten. Nach solchen Ausführungen ist die Intensität des Ausgangsbilds an jedem Punkt im Wesentlichen linear, bezogen auf die Vibrationsamplitude beim korrespondierenden Punkt des vibrierenden Mediums, für kleine Bewegungen, oder niedrige Amplituden.

Nach den Verfahren dieser Erfindung können periodische physische Variationen in einem Objekt gemessen und abgebildet werden, eingeschlossen aber nicht begrenzt auf Schall- oder Ultraschallvibrationen, wo der Grad der erfassten Signalmodulation innerhalb einer festen Bandbreite unter passender Modulationskontrolle der Abtastwellenfronten oder -Strahlen aufrechterhalten wird. Dementsprechend beinhalten die oben beschrieben Ausführungen jeweils zwei oder mehrere getrennte Wellen, die gegenseitig ausreichend kohärent sind, um Interferenzen zu erzeugen. Die interferierenden getrennten Wellen sind innerhalb eines passenden Abtastmediums überlagernd oder gemischt.

Ein Abbildungsgerät, wie z.B. eine Objektstrahlsammellinse, werden verwendet, um ein Bild des Objekts auf, oder innerhalb des Abtastmediums zu erzeugen, um ein Mittel zu liefern, um die abgetasteten Daten abzubilden. Mindestens einer der Strahlen oder Wellenfronten wird moduliert, indem er mit einem Objekt interagiert, das einiger oszillatorischer Veränderung in physischem Zustand ausgesetzt ist.

Gegenwärtig wird ein Referenzstrahl synchron oder asynchron in ähnlicher Weise moduliert. In bestimmten Fällen ist ein derartiger Referenzstrahl mit einem festen Abstand gewährleistet. Das Abtastmedium ist dann einer erfassbaren Modifikation seiner Eigenschaften ausgesetzt, indem es auf das Interferenzmuster reagiert, das durch Mischen des Objekt- und Referenzstrahls generiert wird. Das Interferenzmuster generiert dann ein Bild des vibrierenden Mediums.

Die Differenz in der Modulationsrate zwischen den Referenz- und Objektstrahlen wird kontrolliert und fixiert, so dass die Strahlen ein Interferenzmuster erzeugen, dessen spatiale Verteilung im Abtastmedium bei einer Rate innerhalb der Reaktionszeit des Mediums variiert. Folglich zeichnet das Abtastmedium immer ein Signal innerhalb seiner Bandbreite auf, unabhängig vom aktuellen Modulationsgrad der Objekt- oder Referenzstrahlen.

Schließlich bestehen die resultierenden Daten aus einem vollständigen Bereich einer zweidimensionalen Abbildung der Verteilung der physischen Variation im Objekt, das gemessen worden ist, so wie das Abtastmedium ein Bild des gesamten sichtbaren Objekts enthält. Dementsprechend erzeugt das Abtastmedium einen Ausgangsstrahl, der die Vibration des Objekts anzeigt. In bestimmten Ausführungen wird ein Bild innerhalb des Abtastmediums erzeugt.

In Übereinstimmung mit der Satzung ist die Erfindung in einer mehr oder weniger spezifischen Sprache, bezüglich struktureller und methodischer Merkmale beschrieben worden. Es ist zu verstehen, dass die Erfindung allerdings nicht auf die spezifischen Merkmale, die gezeigt und beschrieben sind, begrenzt ist, da die hierin beschriebenen Mittel bevorzugte Ausführungen, um die Erfindung in Wirkung zu setzen, umfassen. Die Erfindung ist daher nach einer seiner Ausführungen oder Modifizierungen innerhalb angemessenem Umfang der beigefügten Ansprüche angefordert.


Anspruch[de]
Verfahren zur Darstellung von sich ausbreitenden Wellen, die sich durch ein Medium erstrecken, umfassend:

Bereitstellen eines Abtastmediums (26), das eine Erfassungsauflösung innerhalb einer begrenzten Bandbreite hat;

Bereitstellen eines Mediums (12);

Bereitstellen einer Objekt-Wellenfront und einer Referenz-Wellenfront;

Vibrieren des Mediums (12);

Modulieren der Objekt-Wellenfront durch Interagieren der Objekt-Wellenfront mit dem vibrierenden Medium (12);

Modulieren der Referenz-Wellenfront in Synchronisation mit dem vibrierenden Medium (12) derart, dass eine Differenzfrequenz zwischen der Objekt-Wellenfront und der Referenz-Wellenfront innerhalb eines Ansprechbereichs des Abtastmediums (26) liegt;

Kombinieren der modulierten Objekt-Wellenfront und der Referenz-Wellenfront in Assoziation mit dem Abtastmedium (26), um zu interferieren und gleichzeitige Messungen, die über das Objekt verteilt sind, zu erzeugen, um ein Bild einer sich ausbreitenden Welle in dem vibrierenden Medium (12) zu erzeugen, das eine Ausgangsintensität hat, die im Wesentlichen linear ist mit kleinen physikalischen Variationen innerhalb des vibrierenden Mediums und gleichzeitig im Wesentlichen proportional ist mit einer Verlagerungsamplitude der sich ausbreitenden Welle über das Medium; und

Erfassen eines Bilds sich ausbreitender Wellen, das mit dem vibrierenden Medium (12) assoziiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Objektstrahl und der Referenzstrahl kohärent sind. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vibrierende Medium (12) einen Festkörper umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vibrierende Medium (12) eine Flüssigkeit umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vibrierende Medium (12) ein Gas umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Medium (12) ein Objekt umfasst, das eine Oberfläche (14) hat, und der Schritt des Erfassens des Bilds sich ausbreitender Wellen Generieren einer räumlichen Abbildung einer sich ausbreitenden elastischen Welle umfasst, die sich entlang der Oberfläche des Objekts oder durch das Objekt fortpflanzt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abtastmedium (26) eine fotorefraktive Substanz umfasst und die fotorefraktive Substanz ein Interferenzmuster aufzeichnet. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Interferenzmuster eine Änderungsrate innerhalb der Ansprechkapazität der fotorefraktiven Substanz hat. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Interferenzmuster eine Änderungsrate hat, die unabhängig ist von den jeweiligen Modulationsfrequenzen für die Objekt-Wellenfront und die Referenz-Wellenfront. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Objektstrahl mit dem Medium interagiert, durch das oder auf dem die sich ausbreitende Welle sich fortpflanzt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erfassungsmedium (26) eine fotorefraktive Substanz umfasst und der Schritt des Kombinierens der modulierten Referenz-Wellenfront und der modulierten Objekt-Wellenfront Interferieren der Referenz-Wellenfront und der Objekt-Wellenfront innerhalb der fotorefraktiven Substanz umfasst, um ein Gitter zu generieren, das ein optisch erfassbares Bild erzeugt, das sich ausbreitende Wellen anzeigt, die innerhalb des vibrierenden Mediums (12) vorhanden sind. Verfahren nach Anspruch 1 zur Verwendung bei der Charakterisierung von Materialeigenschaften eines Mediums, wobei:

das Erfassungsmedium (26) eines fotorefraktive Substanz ist;

der Schritt des Modulierens der Objekt-Wellenfront Reflektieren der Objekt-Wellenfront von dem vibrierenden Medium (12) umfasst;

in dem Schritt des Modulierens der Referenz-Wellenfront die Differenzfrequenz zwischen der modulierten Objekt-Wellenfront und der modulierten Referenz-Wellenfront innerhalb der Ansprechzeit der fotorefraktiven Substanz liegt;

der Schritt des Kombinierens der modulierten Objekt-Wellenfront und der Referenz-Wellenfront ein Raumladungsfeld erzeugt, das über das Medium verteilte sich ausbreitende Wellen charakterisiert,

das Bild der sich ausbreitenden Wellen über das Raumladungsfeld erzeugt wird;

und weiter umfassend den Schritt der Charakterisierung der abgebildeten sich ausbreitenden Wellen, um Materialeigenschaften des Mediums zu bestimmen, die mit den abgebildeten sich ausbreitenden Wellen korrelieren.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter enthaltend Bereitstellen einer Referenzmarkierung (72) auf dem Medium, die konfiguriert ist zum Vergleichen mit den sich ausbreitenden Wellen und wirksam ist, um Charakterisierung der abgebildeten sich ausbreitenden Wellen zu ermöglichen. Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt des Übertragens einer Polarisierungsverschiebung, um das Bild des vibrierenden Mediums (12) zu unterscheiden. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Kombinierens des modulierten Objektstrahls und des modulierten Referenzstrahls optisches Interferieren des modulierten Objektstrahls und des modulierten Referenzstrahls innerhalb des fotorefraktiven Materials umfasst, um einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der eine Intensität hat, die direkt proportional zur Vibrationsverlagerung über dem vibrierenden Medium (12) für alle Vibrationsfrequenzen oberhalb der fotorefraktiven Grenzfrequenz ist. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Abbildens der sich ausbreitenden Wellen optisches Betrachten eines Ausgangsstrahls gebeugt von dem Raumladungsfeld mit einer optischen Kamera (52) umfasst. Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt des Anzeigens des erfassten Bilds auf einer visuellen Anzeige. Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt des Bestimmens von Materialeigenschaften des Mediums durch optische Erzeugung einer Fourier-Transformation der abgebildeten sich ausbreitenden Wellen, um ein Bild von räumlichen Frequenzen, die mit der sich ausbreitenden Welle in Beziehung stehen, zu generieren, das Materialeigenschaften des Mediums, die mit Wellenlänge, Wellendämpfung und Wellengeschwindigkeit in Beziehung stehen, charakterisiert. Vorrichtung (10) zum Abbilden von sich ausbreitenden Wellen in einem Medium, umfassend:

eine Vibrationserregungsquelle (54), konfiguriert zum Übertragen von sich ausbreitenden Wellen in einem Medium;

einen Emitter (16), konfiguriert zum Erzeugen von zwei oder mehr Wellenfronten, wobei mindestens eine Wellenfront angepasst ist, um durch ein vibrierendes Medium (12) moduliert zu werden;

einen Modulator (43), konfiguriert zum Modulieren einer anderen Wellenfront in Synchronisation mit dem vibrierenden Medium (12);

ein Abtastmedium (26), konfiguriert zum Empfangen der modulierten einen Wellenfront und der anderen Wellenfront in Kombination und habend eine Erfassungsauflösung innerhalb einer begrenzten Bandbreite, wobei die andere Wellenfront bei einer Frequenz moduliert wird, so dass eine Differenzfrequenz zwischen der einen Wellenfront und der anderen Wellenfront innerhalb eines Ansprechbereichs des Abtastmediums (26) liegt, um ein Interferenzprodukt der modulierten Objekt-Wellenfront und modulierten Referenz-Wellenfront zu demodulieren und ein Bild des vibrierenden Mediums (12) zu erzeugen, das eine Ausgangsintensität hat, die im Wesentlichen linear ist mit kleinen physikalischen Variationen innerhalb des vibrierenden Mediums für alle Vibrationsfrequenzen oberhalb der Ansprechbandbreite des Abtastmediums; und

einen Detektor (52), konfiguriert zum Erfassen eines Bilds von sich ausbreitenden Wellen in dem vibrierenden Medium, das aus Interferenz zwischen der modulierten einen Wellenfront und der anderen Wellenfront resultiert, wenn diese in Assoziation mit dem Abtastmedium (26) kombiniert werden.
Vorrichtung von Anspruch 19, wobei das Abtastmedium (26) eine fotorefraktive Substanz umfasst, die eine Wellenfront und die andere Wellenfront innerhalb der fotorefraktiven Substanz interferieren, um ein Raumladungsfeld innerhalb der Ansprechfähigkeit des fotorefraktiven Substanz zu erzeugen. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Raumladungsfeld ein Bild erzeugt, das Oberflächenvibration auf dem vibrierenden Medium (12) anzeigt. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Emitter (16) einen Lichtemitter umfasst, die eine Wellenfront eine Objekt-Wellenfront umfasst und die andere Wellenfront eine Referenz-Wellenfront umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Objekt-Wellenfront einen Objektstrahl umfasst und die Referenz-Wellenfront einen Referenzstrahl umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Modulator (43) einen Phasenmodulator umfasst, der zum Empfangen der einen Referenz-Wellenfront konfiguriert ist. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Detektor (52) eine Bildaufnahmekamera umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Emitter (16) einen Referenzstrahl und einen Objektstrahl erzeugt, wobei der Referenzstrahl und der Objektstrahl jeweils konfiguriert sind, um ein Interferenzmuster innerhalb des Abtastmediums (26) zu erzeugen, das ein zweidimensionales Vibrationsbild der sich ausbreitenden Wellen repräsentiert. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Detektor (52) eine grafische Anzeige umfasst, die konfiguriert ist, um ein grafisches Bild des erfassten Bilds des vibrierenden Mediums anzuzeigen. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die andere Wellenfront einen Referenzstrahl umfasst und weiter einen Strahlenaufweiter (42) umfasst, der konfiguriert ist, um die andere Wellenfront zu empfangen und eine aufgeweitete andere Wellenfront zu emittieren. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die eine Wellenfront einen Objektstrahl umfasst und die andere Wellenfront einen Referenzstrahl umfasst und das Abtastmedium (26) eine fotorefraktive Substanz umfasst, die Selbstdiffraktionseigenschaften hat, so dass ein Raumladungsfeld innerhalb der fotorefraktiven Substanz entwickelt wird, das mit einem Ausgangsstrahl assoziiert ist, der das von der fotorefraktiven Substanz emittierte Raumladungsfeld charakterisiert. Vorrichtung nach Anspruch 19 zur Verwendung in einer Vibrationsabbildungsvorrichtung,

wobei die Vibrationserregungsquelle (54) mit dem Medium (12) gekoppelt ist, um die sich ausbreitenden Wellen innerhalb des Mediums zu erzeugen;

der Emitter (16) ein Lichtemitter ist, wobei die Wellenfronten einen Objektstrahl und einen Referenzstrahl umfassen, der Objektstrahl eine Objekt-Wellenfront enthält, die konfiguriert ist, um von einer Oberfläche (14) des vibrierenden Mediums (12) reflektiert zu werden;

der Modulator (43) konfiguriert ist zum Modulieren des Referenzstrahls;

das Abtastmedium (26) konfiguriert ist zum Empfangen der reflektierten Objekt-Wellenfront und des modulierten Referenzstrahls in Kombination, wobei das Abtastmedium eine Erfassungsauflösung innerhalb einer begrenzten Bandbreite hat, der Referenzstrahl in Synchronisation mit der Vibrationserregungsquelle und bei einer Frequenz derart moduliert wird, dass eine Differenzfrequenz zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl innerhalb eines Ansprechbereichs des Abtastmediums liegt, um ein Vollfeldbild der sich ausbreitenden Wellen zu erzeugen; und

der Detektor (52) konfiguriert ist, um die sich ausbreitenden Wellen als eine sich fortpflanzende Wellenfront zu erfassen.
Vibrationsabbildungsvorrichtung nach Anspruch 30, wobei der Detektor (52) wirksam ist, um ein Bild der sich ausbreitenden Wellen zu erzeugen, das imstande ist, Materialeigenschaften-Charakteristika des Mediums (12) zu charakterisieren. Vibrationsabbildungsvorrichtung nach Anspruch 30, weiter umfassend einen Strahlteiler (18), der mit dem Emitter (16) assoziiert ist und der konfiguriert ist zum Erzeugen des Objektstrahls und des Referenzstrahls von einem einzelnen, gemeinsamen Quellstrahl.






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