🔬 optics

Mach-Zehnder based Rotational Shearing Interferometer for Non-destructive Testing using Spatial Phase-Shifting Shearography

Dit artikel presenteert een nieuwe op een Mach-Zender gebaseerde rotatie-afschuivingsinterferometer die gebruikmaakt van ruimtelijke faseverschuiving en Dove-prisma's om snelle, veldbrede destructieve tests van rotatiesymmetrische componenten mogelijk te maken door de afschuivingsinstelling te ontkoppelen van de dragerfrequentiegeneratie en het detecteren van tangentiële verplaatsingsgradiënten.

Oorspronkelijke auteurs: Valentin-Johannes Bastgen, Michael Schuth, Georg von Freymann

Gepubliceerd 2026-06-01

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Valentin-Johannes Bastgen, Michael Schuth, Georg von Freymann

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je onzichtbare barsten of zwakke plekken wilt vinden in een kwetsbaar, rond object, zoals een rubberen afdichting of een metalen ring, zonder het aan te raken of te breken. Dat is de taak van Niet-Destructief Onderzoek (NDO). Het artikel dat je deelde beschrijft een nieuwe, hoogtechnologische "magische oog" die dit werk veel beter doet dan de oude methoden, vooral voor ronde objecten.

Hier is de onderverdeling van hoe het werkt, met behulp van eenvoudige analogieën:

1. Het probleem met de oude "zaklamp"

Denk aan traditionele testmethoden als het schijnen van een zaklamp op een ronde bal. Als je de hele bal wilt zien, moet je de zaklamp blijven bewegen of de bal steeds ronddraaien.

De beperking: De oude manier van doen (genoemd "Lineaire Shearografie") is als het gebruiken van een liniaal om een cirkel te meten. Je kunt tegelijkertijd slechts een rechte lijn meten. Om de hele cirkel te zien, moet je veel foto's maken, stoppen, het object draaien en meer foto's maken. Dit is traag en log.
Het trillingsprobleof: Sommige oudere hogesnelheidsmethoden zijn als het proberen te maken van een foto van een kolibrie terwijl je op een wiebelende boot staat. Als de fabrieksvloer ook maar een beetje trilt, wordt de foto wazig.

2. De nieuwe oplossing: De "Roterende Camera"

De auteurs hebben een nieuwe machine gebouwd op basis van een Mach-Zehnder interferometer. Dat is een chique naam voor een apparaat dat een laserstraal in twee paden splitst en ze vervolgens weer samenvoegt om een patroon van licht- en donkere lijnen te creëren (interferentie).

Hier is het slimme deel:

De "Virtuele Dubbele Spleet": Stel je voor dat je door een raam kijkt met twee kleine gaatjes. In de oude opstelling veranderde het bewegen van de gaatjes om het zicht te veranderen ook het lichtpatroon op de muur, wat het moeilijk maakte om controle te houden. In deze nieuwe opstelling hebben de auteurs een "Virtuele Dubbele Spleet" (VDS) gecreëerd.
De analogie: Denk aan de oude methode als het proberen te zoomen op een camera door fysiek de lens te bewegen, wat per ongeluk ook het beeld zijwaarts verschuift. De nieuwe methode is als een camera waarbij je kunt in- en uitzoomen (gevoeligheid aanpassen) zonder dat het beeld ooit zijwaarts verschuift. Dit geeft hen totale controle.

3. Het geheime wapen: De "Dove Prism"

Om het systeem te laten werken voor ronde objecten, hebben ze speciale glasblokken gebruikt die Dove-prisma's worden genoemd.

De metafoor: Stel je voor dat je een foto van een klok vasthoudt. Als je de foto 10 graden draait, bewegen de wijzers. Maar als je een Dove-prisma gebruikt, werkt het als een magische spiegel die de afbeelding binnen de machine met dubbel de hoek draait die jij de prisma laat draaien.
Het resultaat: In plaats van de laser in een rechte lijn (links naar rechts) te bewegen, laat de laser het beeld nu in een cirkel "schuren" (shear). Het is als het draaien van een plaat op een draaitafel in plaats van een boek over een tafel schuiven.

4. Waarom "draaien" beter is voor ronde dingen

Het artikel legt uit dat deze nieuwe "Rotational Shear" een game-changer is voor ronde objecten (zoals afdichtingsringen).

De oude manier (Lineair): Als je een liniaal over een ronde band schuift, zie je alleen het deel van de band waar de liniaal de band raakt. De rest mis je.
De nieuwe manier (Rotatie): Omdat de laser in een cirkel rond het centrum draait, ziet hij het gehele ronde object in één enkele opname. Het is gevoelig voor barsten die vanuit het midden naar de rand lopen (radiale barsten), wat veel voorkomt bij deze onderdelen.
Snelheid: Omdat het de hele afbeelding in één keer vastlegt (op de snelheid van een camera die een foto maakt), kan het onderdelen controleren zo snel als een fabrieksproductielijn beweegt. Er is geen noodzaak om het onderdeel te stoppen en te draaien.

5. Het experiment: De "Zwitserse Kaas" test

Om te bewijzen dat het werkte, testte het team een metalen blok met gaten erin geboord (als Zwitserse kaas) om defecten te simuleren.

Ze pompten luchtdruk in het blok om het licht te laten bollen.
Ze vergeleken de oude "rechte lijn" laser methode met hun nieuwe "draaiende" lasermethode.
De uitkomst: Beide methoden vonden de gaten. Echter, de nieuwe draaiende methode vond ze net zo betrouwbaar, maar met een uniek voordeel: het benadrukte de richting van de spanning perfect rond het centrum. Het bewees dat de machine minuscule gebreken in ronde onderdelen kan detecteren in één enkele, snelle actie.

Samenvatting

Het artikel introduceert een nieuw optisch instrument dat een draaiend lazereffect (rotational shear) gebruikt in plaats van een schuivend effect.

Oude manier: Traag, vereist het bewegen van het object, heeft moeite met ronde vormen.
Nieuwe manier: Snel, legt het hele ronde object in één keer vast, en is immuun voor trillingen in de fabriek.

De auteurs concluderen dat dit perfect is voor het controleren van veiligheidskritische ronde onderdelen, zoals de afdichtingen die gebruikt worden in vliegtuigen, kerncentrales of olieplatforms, om ervoor te zorgen dat ze geen verborgen barsten hebben zonder ze uit elkaar te halen.

Technische Samenvatting: Mach-Zehnder gebaseerde Rotatie-afschuivingsinterferometer voor Niet-destructief Onderzoek met behulp van Ruimtelijke Faseverschuivende Shearografie

Probleemstelling
Huidig industrieel niet-destructief onderzoek (NDO) met behulp van shearografie (elektronische speckle-patroon shearografie) leunt zwaar op lineaire afschuivingsconfiguraties (x, y, of xy-richtingen). Hoewel ruimtelijke faseverschuivende (SPS) shearografie snelle, full-field metingen heeft mogelijk gemaakt op de framerate van camera's, vertoont lineaire afschuiving aanzienlijke beperkingen voor rotatiesymmetrische componenten, zoals dunwandige afdichtringen. Specifiek beperken lineaire afschuivingsinstellingen het bruikbare meetgebied op dergelijke geometrieën sterk, wat meerdere metingen en het rotatiegewijs herpositioneren van ofwel het object of de sensor noodzakelijk maakt om het gehele oppervlak te inspecteren. Bovendien leden bestaande opstellingen die gebruikmaken van rotatie-afschuiving historisch gezien aan een lage lichtefficiëntie bij de meting of vereisten zij temporele faseverschuiving (TPS), wat zeer gevoelig is voor trillingen en ongeschikt is voor industrieel in-line onderzoek.

Methodologie
De auteurs stellen een nieuwe optische opstelling voor gebaseerd op een Mach-Zehnder interferometer die rotatie-afschuiving integreert met ruimtelijke faseverschuivende shearografie. De kerninnovatie ligt in de implementatie van een Virtual Double Slit (VDS) configuratie. In deze opstelling zijn spleetopeningen geplaatst in elk interferometerarm dicht bij de camera-zijde beam splitter (BS2), waarbij één spleet lateraal is verschoven ten opzichte van de optische as.

Belangrijke methodologische kenmerken zijn:

Ontkoppelingsmechanisme: De VDS-configuratie genereert een ruimtelijke draaggolf frequentie door de off-axis verplaatsing van de spleten. Dit ontkoppelt de vorming van de ruimtelijke draaggolf frequentie van de aanpassing van de afschuivingshoeveelheid, wat een flexibele gevoeligheidsafstemming mogelijk maakt die onafhankelijk is van de draaggolf frequentie.
Generatie van Rotatie-afschuiving: Rotatie-afschuiving wordt bereikt met behulp van Dove-prisma's als beeldrotatoren. Het roteren van een Dove-prisma met een hoek $\psi$ resulteert in een beeldrotatie van $2\psi$ .
Signaalverwerking: Het systeem maakt gebruik van de Takeda-methode voor signaalverwerking. Theoretische analyse toont aan dat, in tegen tegenstelling tot conventionele opstellingen waar het ruimtelijke draaggolf spectrum met het beeld meedraait, de VDS-configuratie een constant ruimtelijk draaggolf-frequentiespectrum behoudt, ongeacht de rotatiehoek van het prisma.
Meetprincipe: Het systeem is gevoelig voor tangentiële (azimutale) verplaatsingsgradiënten rond het rotatiecentrum. De lokale afschuivingshoeveelheid is positieafhankelijk en neemt lineair toe met de afstand van het beeldcentrum ( $r$ ), terwijl lineaire afschuiving een constante afschuivingshoeveelheid biedt over het gehele veld.

Experimentele Validatie en Resultaten
Het voorgestelde systeem is experimenteel gevalideerd met behulp van een kalibratiespecimen bestaande uit een aluminium lichaam met acht circulaire kunstmatige defecten (flat-bottom holes) van variërende diameters en resterende wanddiktes. Het specimen werd blootgesteld aan pneumatische overdruk-excitatie ( $\Delta p = 3$ bar).

Detectie van Defecten: Het systeem detecteerde succesvol alle defecten, ongeacht hun diameter of resterende wanddikte.
Vergelijking: De resultaten werden vergeleken met conventionele lineaire afschuivingsconfiguraties (x, y en xy-richtingen). Zowel lineaire als rotatie-afschuivingsconfiguraties identificeerden de defecten betrouwbaar, waarbij deze verschenen als karakteristieke "vlinder"-patronen.
Gevoeligheidskarakteristieken: De rotatie-afschuivingsconfiguratie vertoonde een duidelijke gevoeligheid voor vervormingsgradiënten in de tangentiële richting. Bij consequent toonde het systeem een verhoogde gevoeligheid voor defecten die radiaal voortplanten (van het centrum naar de buitenste diameter).

Belangrijkste Bijdragen

Nieuwe Optische Architectuur: Introductie van een Mach-Zehnder interferometer met een Virtual Double Slit (VDS) die rotatie-afschuiving mogelijk maakt terwijl de voordelen van ruimtelijke faseverschuiving behouden blijven.
Ontkoppelde Controle: Bereiking van onafhankelijke controle over de afschuivingshoeveelheid en de ruimtelijke draaggolf frequentie, wat ongebreidelde gevoeligheidsinstelling mogelijk maakt zonder de meet snelheid of stabiliteit in gevaar te brengen.
Industriële Bruikbaarheid: Demonstratie dat rotatie-afschuiving kan worden uitgevoerd op de framerate van de camera, waarmee de trillingsgevoeligheidsproblemen van eerdere rotatie-afschuivingsopstellingen die gebruikmaken van temporele faseverschuiving worden overwonnen.
Full-Field Efficiëntie: De methode maakt volledige evaluatie van rotatiesymmetrische componenten mogelijk in een enkele acquisitie ("one-shot"), wat de noodzaak voor meerdere metingen en herpositionering die bij lineaire afschuivingsmethoden vereist is, elimineert.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat deze aanpak aanzienlijk potentieel biedt voor industrieel NDO, met name voor de inspectie van rotatiesymmetrische componenten en veiligheidskritische afsluittechnologie (bijv. in de luchtvaart, nucleaire sector en olie- en gassector). De auteurs benadrukken dat de methode de beperking van beperkte meetgebieden op dunwandige onderdelen aanpakt, waardoor de inspectietijd aanzienlijk wordt verkort.

De auteurs merken echter bescheiden specifieke beperkingen en gebieden voor toekomstig werk op:

Oriëntatiegevoeligheid: De rotatie-afschuivingsaanpak vertoont een verminderde gevoeligheid voor defecten die georiënteerd zijn in de circumferentiële (tangentiële) richting, aangezien deze uitlijnen met de afschuivingsrichting.
Toekomstige Richtingen: De auteurs geven aan dat toekomstig werk zich zal richten op het aanpassen van de opstelling voor barre industriële omgevingen, het onderzoeken van aanvullende toepingsscenario's en het uitbreiden van de methode van defectdetectie naar defectdiepte-karakterisering. Ze suggereren ook dat een combinatie van rotatie- en radiale afschuivingsconfiguraties verdere studie verdient om de gevoeligheidsbeperkingen met betrekking tot circumferentiële scheuren aan te pakken.