DE102006003877A1

DE102006003877A1 - vibrometer

Info

Publication number: DE102006003877A1
Application number: DE102006003877A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Barenz; Rainer Baumann; Hans Dieter Dr. Tholl
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2026-01-28
Also published as: WO2007065643A1; DE102006003877B4

Abstract

Es wird ein Vibrometer (1,23) angegeben, welches eine Strahlungsquelle (z.B. 2) für kohärente Strahlung, einen Strahlteiler (4) zur Zerlegung des Ausgangsstrahls (13) der Strahlungsquelle (z.B. 2) in einen Messstrahl (14) zur Beobachtung eines schwingenden Objekts (17) und in einen Referenzstrahl (15), eine Strahlführungseinrichtung zur Überlagerung des vom schwingenden Objekt (17) rücklaufenden Messstrahls (18) mit dem Referenzstrahl (15) und einen Detektor (10) zur zeit- und/oder ortsaufgelösten Aufnahme der Überlagerungsmuster umfasst. Dabei ist ein im Strahlengang des rücklaufenden Messstrahls (18) angeordnetes Mikrospiegelraster (8), eine Empfangsoptik (7) zur Abbildung des schwingenden Objekts (17) auf das Mikrospiegelraster (8) und eine Abbildungsoptik (9) zur Abbildung des Mikrospiegelrasters (8) auf den Detektor (10) vorgesehen. Das abbildende Vibrometer (1,23) zeichnet sich durch eine geringe Messzeit aus. Weiter werden ein Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungsbilds des schwingenden Objekts (17) sowie eine Verwendung des Vibrometers (1,23) angegeben.A vibrometer (1,23) is specified, which has a radiation source (e.g. 2) for coherent radiation, a beam splitter (4) for splitting the output beam (13) of the radiation source (e.g. 2) into a measuring beam (14) for observing an oscillating one Object (17) and into a reference beam (15), a beam guiding device for superimposing the measuring beam (18) returning from the oscillating object (17) with the reference beam (15) and a detector (10) for time-resolved and / or spatially resolved recording of the superimposition pattern includes. A micromirror raster (8) arranged in the beam path of the returning measuring beam (18), a receiving optics (7) for imaging the oscillating object (17) on the micromirror raster (8) and imaging optics (9) for imaging the micromirror raster (8) the detector (10) is provided. The imaging vibrometer (1.23) is characterized by a short measuring time. A method for generating a vibration image of the vibrating object (17) and a use of the vibrometer (1,23) are also specified.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines derartigen Vibrometers sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungsbildes eines schwingenden Objekts.The The invention relates to a vibrometer according to the preamble of claim 1. The invention further relates to the use of such Vibrometer and a method for generating a vibration image a vibrating object.

Ein Vibrometer der eingangs genannten Art kann beispielsweise dem Prospekt „Möglichkeiten und Grundlagen der Vibrometrie" der Polytec GmbH, erhältlich im Download-Bereich unter www.polytec.com, entnommen werden. In einem derartigen Vibrometer wird beispielsweise mittels eines Lasers kohärentes Licht erzeugt und mittels eines Strahlteilers in einen Mess- und in einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl trifft auf ein schwingendes Objekt, läuft von diesem reflektiert zurück und wird nach dem Prinzip eines Interferometers zur Überlagerung mit dem Referenzstrahl gebracht. Aufgrund der Schwingungen des Objekts ergibt sich ein charakteristisches Überlagerungs- oder Interferenzmuster, aus welchem auf das Schwingungsverhalten des schwingenden Objekts zurückgeschlossen werden kann. Wird beispielsweise mittels eines Detektors die Intensitätsvariation des Überlagerungsmusters mit der Zeit beobachtet, so kann aus dieser Variation direkt auf die Schwingungsfrequenz des Objekts bzw. seiner angestrahlten Oberfläche zurückgeschlossen werden. Die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters ist hierbei direkt proportional zur Geschwindigkeit des schwingenden Objekts.One Vibrometer of the type mentioned, for example, the prospectus "possibilities and Basics of vibrometry "the Polytec GmbH, available in the download area at www.polytec.com. In such a vibrometer is for example by means of a laser coherent Generated light and by means of a beam splitter in a measuring and divided into a reference beam. The measuring beam hits a swinging object, running reflected back from this and is superimposed on the principle of an interferometer brought with the reference beam. Due to the vibrations of the object results in a characteristic overlay or interference pattern, from which on the vibration behavior of the vibrating object deduced can be. If, for example, by means of a detector, the intensity variation of the overlay pattern observed with time, so can from this variation directly on the Vibration frequency of the object or its illuminated surface closed back become. The modulation frequency of the interference pattern is here directly proportional to the velocity of the vibrating object.

Zur Erfassung des dreidimensionalen Schwingungsverhaltens des schwingenden Objekts ist es bekannt, die Messstrahlen aus orthogonalen Richtungen auf das Objekt zu richten, um somit Wegdifferenzen in drei Raumrichtungen beobachten zu können. Zur Erzeugung eines ortsaufgelösten Schwingungsbildes des schwingenden Objekts ist es weiter bekannt, das schwingende Objekt bzw. seine Oberfläche mit dem Messstrahl abzuscannen und somit für jeden Messpunkt das spezifische Schwingverhalten zu ermitteln. Nachteiligerweise erfordert sowohl die 3D- als auch die ortsaufgelöste Vibrometrie einen hohen Zeitaufwand bei der Ermittlung des Schwingungsverhaltens.to Recording the three-dimensional vibration behavior of the oscillating Object is known, the measuring beams from orthogonal directions to focus on the object, thus path differences in three spatial directions to be able to watch. For generating a spatially resolved oscillation image of the vibrating object, it is further known, the oscillating Object or its surface Scan with the measuring beam and thus the specific for each measurement point Determine vibration behavior. Disadvantageously requires both the 3D as well as the spatially resolved Vibrometrie a lot of time in determining the vibration behavior.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Vibrometer anzugeben, welches hinsichtlich der notwendigen Messzeit gegenüber einem Vibrometer der herkömmlichen Art verbessert ist. Weiter soll eine Verwendung für ein derartiges Vibrometer angegeben werden. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich der notwendigen Messzeit verbessertes Verfahren zur Erstellung eines Schwingungsbildes eines schwingenden Objektes anzugeben.It The object of the invention is to specify a vibrometer which, in terms of the necessary measuring time a vibrometer of the conventional Kind is improved. Next is a use for such a Vibrometer be specified. It is also an object of the invention a method improved with regard to the necessary measuring time for creating a vibration image of a vibrating object specify.

Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird für ein Vibrometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Mikrospiegelraster im Strahlengang des rücklaufenden Messstrahls angeordnet ist, wobei eine Empfangsoptik zur Abbildung des schwingenden Objekts auf das Mikrospiegelraster und eine Abbildungsoptik zur Abbildung des Mikrospiegelrasters auf den Detektor vorgesehen sind.The A device directed object is for a vibrometer according to the preamble of claim 1 according to the invention thereby solved, that a micromirror in the beam path of the returning Measuring beam is arranged, with a receiving optics for imaging the vibrating object on the micromirror and imaging optics for Illustration of the micro-mirror grid are provided on the detector.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, zur Analyse des Schwingungsverhaltens des zu untersuchenden Objektes dieses nicht mittels des Messstrahls zu scannen, sondern durch eine Abbildung des Interferenzmusters auf dem Detektor zu ersetzen. Hierdurch entfällt der aufwändige Scannvorgang, wodurch sich nicht nur die Messzeit verringert, sondern sich zudem ein einfacherer Aufbau des Vibrometers ergibt. In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich ein einfacher und schneller Detektor zur Auswertung des Interferenzmusters einsetzen lässt, wenn ein Mikrospiegelraster im Abbildungsstrahlengang verwendet wird. Ein derartiges, in Spalten und Zeilen angeordnete Mikrospiegel umfassendes Mikrospiegelraster erlaubt nämlich eine selektive Auswahl einzelner Abbildungsausschnitte, indem nur die gewünschten Mikrospiegel auf den Detektor gerichtet werden.The Invention is based on the consideration, for the analysis of the vibration behavior of the object to be examined to scan this not by the measuring beam, but by a Replacing the image of the interference pattern on the detector. hereby deleted the elaborate one Scanning process, which not only reduces the measurement time, but also results in a simpler construction of the vibrometer. In one Another step, the invention is based on the consideration that a simple and fast detector for evaluation of the interference pattern can be used, when a micromirror is used in the imaging beam path. Such a micro-mirror arranged in columns and rows Micromirror allows namely a selective selection of individual picture sections by only the desired Micromirror be directed to the detector.

Mit anderen Worten erlaubt die Erfindung, ein Schwingungsbild des zu untersuchenden Objektes aufzunehmen, in dem nicht der Messstrahl zeitaufwändig über das Objekt geführt, sondern eine selektive Abbildung des Objekts auf den Detektor erfolgt. Dabei verkürzt sich die notwendige Messzeit mindestens um diejenige Teilzeit, die zum Führen des Messstrahls über das Objekt erforderlich wäre.With In other words, the invention allows a vibration pattern of take the object to be examined, in which not the measuring beam time consuming about that Object led, but a selective mapping of the object takes place on the detector. Shortened the necessary measuring time at least around that part-time, the for guiding the Measuring beam over the object would be required.

Hinsichtlich des Aufbaus der Strahlführungseinrichtung, die zur Überlagerung des Mess- und des Referenzstrahls notwendig ist, ist die Erfindung nicht einge schränkt. Beispielsweise kann der Aufbau dem eines bekannten Michelson-Interferometers gleichen, wobei in einem Zweig der Messstrahl von dem schwingenden Objekt und in dem anderen Zweig der Referenzstrahl von einem Spiegel reflektiert wird. Die Strahlteilung kann mit herkömmlichen Strahlteilern, aber auch mit nichtlinearen optischen Elementen durchgeführt werden. Zur Strahlführung können Spiegel, Prismen und insbesondere auch Lichtleitfasern eingesetzt sein.Regarding the structure of the beam guiding device, the overlay the measuring and the reference beam is necessary, is the invention not limited. For example, the structure may be similar to that of a known Michelson interferometer, wherein in a branch of the measuring beam from the vibrating object and in the other branch, the reference beam is reflected by a mirror becomes. The beam splitting can be done with conventional beam splitters, however also be performed with nonlinear optical elements. For beam guidance can be mirrors, Be used prisms and in particular also optical fibers.

Die notwendige Messzeit des Vibrometers hängt von der angestrebten Auflösung der Schwingungsfrequenz und der Anzahl der ausgewerteten Messpunkte ab. Die Frequenzauflösung legt hierbei die Messzeit pro Messpunkt fest; die gesamte Messzeit pro Fläche hängt linear von der Anzahl der Messpunkte ab. Die Messzeit für eine gewünschte Auflösung der Schwingungsfrequenz von 1 Hz beträgt beispielsweise pro Messpunkt 1 Sekunde. Damit benötigt man zur Auswertung von N Messpunkten N Sekunden. Könnten die N Messpunkte mit einem Mosaik von Detektorelementen parallel beobachtet werden, so würde sich die benötigte Messzeit auf 1 Sekunde verringern. Für jedes Rasterelement wäre ein Wandler für optische in elektrische Energie und eine Elektronik erforderlich, die die aufgenommene Information, wie beispielsweise Intensität, Amplitude oder Frequenz, verarbeitet. Ein derart aufwändiges Element ist für eine kommerzielle Realisierung nicht geeignet.The necessary measuring time of the vibrometer depends on the desired resolution of the vibration frequency and the number of evaluated measuring points. The frequency resolution determines the measuring time per measuring point; the total measuring time per area depends linearly on the number of measuring points. The measuring time for a desired resolution of the oscillation frequency of 1 Hz is, for example, 1 second per measuring point. This makes it necessary to evaluate N measurement points N Se Customers. If the N measurement points could be observed in parallel with a mosaic of detector elements, the required measurement time would be reduced to 1 second. For each raster element, an optical-to-electrical energy converter and electronics would be required to process the recorded information, such as intensity, amplitude or frequency. Such a complex element is not suitable for commercial implementation.

Vorteilhafterweise erlaubt jedoch der Einsatz eines Mikrospiegelrasters die Verwendung eines einfachen, wenige Rasterelemente aufweisenden Detektors, und insbesondere eines Einzeldetektors. Hierzu muss lediglich mit den eingangs geschilderten Vorteilen bezüglich der Messzeit eine selektive Abbildung des Interferenzbildes auf den Detektor durch Ausrichtung einzelner Mikrospiegel erfolgen. Mit einem Mikrospiegelraster wird demnach mit vertretbarer Messzeit ein Abbilden des Vibrometers mit einem kostengünstigen Detektor möglich.advantageously, However, the use of a micromirror allows the use a simple, few grid elements detector, and in particular a single detector. For this purpose only with the At the beginning of the described advantages with respect to the measuring time a selective Illustration of the interference pattern on the detector by alignment single micromirror done. With a micromirror will be Accordingly, with reasonable measurement time mapping the vibrometer with a cost-effective Detector possible.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sendeoptik zur Ausrichtung des weglaufenden Messstrahls auf das schwingende Objekt vorgesehen. Hierdurch wird beispielsweise eine Aufweitung oder Fokussierung des Messstrahls möglich. Ebenso gut ist es jedoch auch vorstellbar, die Strahlungsquelle bereits so auszugestalten, dass der auf das Objekt treffende Messstrahl bereits eine gewünschte Querschnittsfläche aufweist.In a further advantageous embodiment of the invention is a Transmitting optics for aligning the running measuring beam on the provided swinging object. As a result, for example, a Expansion or focusing of the measuring beam possible. But it is just as good also conceivable to already design the radiation source in such a way that the measuring beam striking the object already has a desired cross-sectional area.

Zweckmäßigerweise wird im Referenzstrahlengang ein Frequenzschieber, insbesondere eine Bragg-Zelle, angeordnet. Mittels eines derartigen Frequenzschie bers, der insbesondere auch als ein nichtlineares optisches Element ausgeführt sein kann, wird die Frequenz des Referenzstrahls gegenüber der Frequenz der Messstrahls verschoben. Im Falle der Bragg-Zelle geschieht dies durch eine durcheilende akustische Welle, an der der Referenzstrahl gebeugt wird. Durch die Verschiebung der Frequenz des Referenzstrahls ist es möglich, nicht nur die Geschwindigkeit oder Frequenz des schwingenden Objekts zu analysieren, sondern zusätzlich seine Bewegungsrichtung. Die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters ist hierbei von der Bewegungsrichtung des Objektes abhängig.Conveniently, In the reference beam path is a frequency shifter, in particular a Bragg cell, arranged. By means of such a frequency shifter bers, which in particular can also be designed as a nonlinear optical element, becomes the frequency of the reference beam with respect to the frequency of the measuring beam postponed. In the case of the Bragg cell this is done by a rushing acoustic wave at which the reference beam is diffracted. By it is not possible to shift the frequency of the reference beam only the speed or frequency of the vibrating object too analyze, but in addition his direction of movement. The modulation frequency of the interference pattern is dependent on the direction of movement of the object.

Zur Detektion der Bewegungsrichtung des schwingenden Objekts kann weiter vorteilhaft auch die Polarisationsrichtung der Strahlung ausgenutzt werden. Hierzu kann der Strahlteiler als ein polarisationsempfindliches Element ausgeführt sein. Zur Strahlteilung kann der Strahlteiler generell als ein teilreflektives oder diffraktives Element ausgestaltet sein.to Detection of the direction of movement of the vibrating object can continue Advantageously, the polarization direction of the radiation are utilized. For this purpose, the beam splitter can be used as a polarization-sensitive Element executed be. For beam splitting, the beam splitter can generally be considered a partially reflecting one or diffractive element be configured.

Die Überlagerung von Mess- und Referenzstrahl kann auf dem Detektor selbst erfolgen. Ebenso gut ist es jedoch auch möglich, die Strahlführungseinrichtung derart auszubilden, dass die Überlagerung von Mess- und Referenzstrahl auf dem Mikrospiegelraster stattfindet. Im ersteren Fall interferiert ein vom Mikrospiegelraster in den Detektor abgebildeter Bildpunkt des schwingenden Objekts erst im Detektor mit dem Referenzstrahl. Im zweiten Fall ergibt sich das Interferenzmuster bereits auf dem Mikrospiegelraster, ehe es insbesondere selektiv auf dem Detektor abgebildet wird. Durch die zweite Variante ergibt sich eine vereinfachte Strahlführung, da der Meß- und der Referenzstrahl gemeinsam im optischen System geführt werden. Allerdings kann durch Interferenz Bildinformation ausgelöscht werden.The overlay Measurement and reference beam can be done on the detector itself. But it is equally possible the beam guiding device in such a way that the superposition of Measuring and reference beam on the micromirror grid takes place. In the former case, one interferes with the micromirror grid in the Detector imaged pixel of the vibrating object only in Detector with the reference beam. In the second case, the interference pattern results already on the micromirror grid, especially before it was selective is imaged on the detector. By the second variant results a simplified beam guidance, since the measuring and the reference beam are guided together in the optical system. However, image information can be canceled out by interference.

Zweckmäßigerweise ist in dem Vibrometer eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Mikrospiegelrasters und einer Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung der Detektorsignale integriert. Dabei ist in einer bevorzugten Variante die Steuereinheit dafür eingerichtet, die Mikrospiegel zeitlich nacheinander jeweils einzeln auf den Detektor auszurichten, und die Signalverarbeitungseinheit ist dafür eingerichtet, aus den derart erhaltenen Detektorsignalen ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts zu erzeugen. Auf diese Weise werden Bildpunkte des schwingenden Objekts mit der möglichen Schaltfrequenz des Mikrospiegelrasters nacheinander auf den Detektor abgebildet, so dass deren Interferenzmuster mit dem Referenzstrahl beobachtet werden kann. Bereits ge genüber einem scannenden Vibrometer ergibt sich hierbei eine Verkürzung der Messzeit, da die Verschiebung des Messstrahls entfällt.Conveniently, is in the vibrometer a control unit for controlling the micromirror grid and a signal processing unit for evaluating the detector signals integrated. Here, in a preferred variant, the control unit set up for the micromirrors one after the other one at a time on the detector align and the signal processing unit is set up to off the thus obtained detector signals a spatially resolved oscillation image of the vibrating object. In this way, pixels become of the oscillating object with the possible switching frequency of Micromirror grids are sequentially imaged on the detector, so that their interference patterns are observed with the reference beam can. Already opposite a scanning vibrometer results in a shortening of the measuring time, since the displacement of the measuring beam is eliminated.

Die Messzeit kann vorteilhafterweise weiter verringert werden, wenn die Mikrospiegel nacheinander mit einer Frequenz auf den Detektor ausgerichtet werden, die gegenüber einer zur Auflösung einer maximalen Schwingungsfrequenz erforderlichen Grenzfrequenz erhöht ist. Soll beispielsweise bei einer Auflösung von 1 Hz eine maximale Schwingungsfrequenz von 10 Hz detektiert werden, so beträgt die zur Auflösung erforderliche Grenzfrequenz nach dem Nyquist-Theorem das Doppelte der maximalen Schwingungsfrequenz, nämlich 20 Hz. Folglich muss jeder Messpunkt mit einem zeitlichen Abstand von nicht mehr als 50 Millisekunden über einen Zeitraum von 1 Sekunde auf den Detektor gerichtet werden, um für jeden Messpunkt aus dem Überlagerungsmuster die für das Schwingungsbild notwendige Information zu gewinnen. Werden die Mikrospiegel nacheinander mit einer höheren Frequenz als der erforderlichen Grenzfrequenz auf den Detektor ausgerichtet, so ermöglicht dies eine Verringerung der Messzeit. Dies gelingt dadurch, dass in der Zeit zwischen zwei Messtakten eines Messpunktes, wobei in jedem Messtakt der Mikrospiegel auf den Detektor ausgerichtet ist, weitere Mikrospiegel auf den Detektor ausgerichtet werden. Mit anderen Worten wird jeder Mikrospiegel zeitlich versetzt gegen den Detektor ausgerichtet, wobei jeder Mikrospiegel separat betrachtet mit der Taktung der Grenzfrequenz ausgerichtet wird und der zeitliche Abstand der Ausrichtung aufeinander folgender Mikrospiegel einer höheren Frequenz entspricht, deren Maximalwert durch die maximal mögliche Ansteuerfrequenz des Mikrospiegelrasters gegeben ist. Hierdurch kann die Messzeit deutlich weiter verkürzt werden.The measurement time can advantageously be further reduced if the micromirrors are successively aligned with a frequency on the detector which is increased in relation to a cutoff frequency required for the resolution of a maximum oscillation frequency. If, for example, a maximum oscillation frequency of 10 Hz is to be detected at a resolution of 1 Hz, then the Nyquist theorem required for the resolution is twice the maximum oscillation frequency, namely 20 Hz. Consequently, each measuring point must be separated by a distance of time be directed to the detector over a period of 1 second for 50 milliseconds in order to obtain from the overlay pattern the information necessary for the oscillation image for each measurement point. If the micromirrors are successively aligned with the detector at a higher frequency than the required cutoff frequency, this allows a reduction in the measurement time. This is achieved by the fact that in the time between two measuring cycles of a measuring point, wherein in each measuring cycle of the micromirrors is aligned with the detector, more micromirror on the Detek be aligned. In other words, each micromirror is aligned offset in time from the detector, each micromirror is aligned separately with the timing of the cutoff frequency and the time interval of the alignment of successive micromirrors corresponds to a higher frequency, the maximum value is given by the maximum possible driving frequency of the micromirror grid , This can significantly reduce the measuring time.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Mikrospiegelraster derart angesteuert, dass die Mikrospiegel zeitlich nacheinander in einer jeweils vorgegebenen Gruppierung auf den Detektor ausgerichtet werden, wobei die Signalverarbeitungseinheit aus den derart erhaltenen Detektorsignalen mit einer mathematischen Transformation ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts erzeugt. Bei dieser Variante werden Gruppen von Mikrospiegeln gemeinsam auf den Detektor ausgerichtet. Damit werden mehrere Bildpunkte des Überlagerungsmusters gemeinsam durch den Detektor aufgenommen. Bei entsprechender Vorgabe der gemeinsam auf den Detektor ausgerichteten Mikrospiegel kann mittels einer mathematischen Transformation aus den gesamt aufgenommenen Detektorsignalen auf den Intensitätsverlauf in jedem einzelnen Bildpunkt des Überlagerungsmusters zurückgerechnet werden. Da die Mikro spiegel gruppenweise auf den Detektor ausgerichtet werden, ist es hierdurch möglich, die zum Erzielen einer gewünschten Auflösung erforderliche Messzeit deutlich zu verringern. Zum Zurückrechnen eignet sich als mathematische Transformation insbesondere eine Hadamard-Transformation verwendet werden. Diese ist beispielsweise in M. Harwit, Hadamard Transform Optics, Academic Press, 1979, beschrieben.In A further advantageous embodiment is the micromirror grid controlled such that the micromirrors in succession aligned in a respective predetermined grouping on the detector be, wherein the signal processing unit of the thus obtained Detector signals with a mathematical transformation a spatially resolved oscillation image generated by the vibrating object. In this variant, groups of Micromirrors aligned together on the detector. With that several pixels of the overlay pattern taken together by the detector. With appropriate specification the jointly directed to the detector micromirror can using a mathematical transformation of the total recorded Detector signals on the intensity curve in each individual pixel of the overlay pattern recalculated become. Since the micro-mirror in groups aligned with the detector become, it is thereby possible, to achieve a desired resolution significantly reduce the required measuring time. To calculate back is suitable as a mathematical transformation in particular a Hadamard transformation be used. This is for example in M. Harwit, Hadamard Transform Optics, Academic Press, 1979.

Zur Erzeugung des ortsaufgelösten Schwingungsbilds des zu untersuchenden Objekts kann z.B. aus dem gewonnenen Intensitätsverlauf jedes einzelnen Bildpunkts des Überlagerungsmusters durch eine Frequenzanalyse, beispielsweise durch eine Fourier-Transformation, auf das jeweilige Schwingungsspektrum geschlossen werden. Im Falle einer linearen mathematischen Transformation zur Rückrechnung aus den Gruppeninformationen ist es unerheblich, ob die Frequenzanalyse gleich mit den erhaltenen Detektorsignalen, d.h. den Rohdaten, durchgeführt und anschließend die Transformation angewendet wird, oder ob zunächst die mathematische Transformation auf die Rohdaten angewendet und die Frequenzanalyse mit den transformierten Rohdaten durchgeführt wird.to Generation of the spatially resolved Vibration image of the object to be examined may be e.g. from the obtained intensity course every single pixel of the overlay pattern by a frequency analysis, for example by a Fourier transformation, be concluded on the respective vibration spectrum. In the event of a linear mathematical transformation for recalculation from the group information, it does not matter if the frequency analysis equal to the obtained detector signals, i. the raw data, performed and subsequently the transformation is applied, or whether first the mathematical transformation applied to the raw data and the frequency analysis with the transformed Raw data performed becomes.

Zur Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses ist es zweckmäßig, Streulicht zu unterdrücken. Hierzu sind die Mikrospiegel des Mikrospiegelrasters derart ausgestaltet, dass sie jeweils zwei Kippstellungen einnehmen können, wobei jeder Mikrospiegel eintreffende Strahlung in der ersten Kippstellung auf den Detektor und in der zweiten Kippstellung in eine Lichtfalle lenkt. Durch diese Ausgestaltung wird erzielt, dass den Detektor nur diejenige Strahlung erreicht, die von auf den Detektor ausgerichteten Mikrospiegeln stammt. Streustrahlung von nicht auf den Detektor ausgerichteten Mikrospiegeln wird durch die Lichtfalle reduziert.to Reduction of the signal-to-noise ratio makes it advisable to use stray light to suppress. For this purpose, the micromirrors of the micromirror grid are designed in such a way that that they can each take two tilt positions, each micromirror incoming radiation in the first tilted position on the detector and deflects in the second tilted position in a light trap. By this embodiment is achieved that the detector only that radiation achieved by mirror-aligned micromirrors comes. Scattered radiation from non-aligned to the detector Micromirrors are reduced by the light trap.

Hinsichtlich der Verwendungsangabe wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das beschriebene Vibrometer zur Identifizierung eines schwingenden Objekts oder einer signifikanten Eigenschaft des schwingenden Objekts anhand seiner Schwingungscharakteristik eingesetzt wird.Regarding the indication of use is the task according to the invention thereby solved, that the vibrometer described to identify a vibrating Object or a significant property of the vibrating object its vibration characteristic is used.

Beispielsweise kann durch die Vibration eines laufenden Motors ein aktives Fahrzeug von einer bloßen Attrappe unterschieden werden. Insbesondere bei einem militärischen Einsatz des Vibrometers ist es somit möglich, zur Identifizierung realer Fahrzeuge eine weitere Eigenschaft, nämlich deren Vibration, heranzuziehen.For example can be an active vehicle due to the vibration of a running engine from a mere Dummy can be distinguished. Especially in a military Using the vibrometer, it is thus possible for identification real vehicles another property, namely their vibration to use.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Schwingungscharakteristik dem zu identifizierenden Objekt insbesondere durch eine definierte Schwingungsvorrichtung vorgegeben. Hierzu kann den zu identifizierenden Objekten, wie insbesondere Fahrzeugen, Flugzeugen oder Gebäuden, eine spezifische Schwingungscharakteristik aufgeprägt werden, anhand derer diese der eigenen Seite zugehörend identifiziert werden können. Mittels einer derartigen Verwendung ist demnach eine Freund-Feind-Unterscheidung möglich.In an expedient embodiment the vibration characteristic becomes the object to be identified Specified in particular by a defined vibration device. For this purpose, the objects to be identified, in particular vehicles, Aircraft or buildings, a specific vibration characteristic is impressed, by means of which they can be identified belonging to their own page. through Such use is therefore a friend-enemy distinction possible.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das schwingende Objekt mittels des Messstrahls auf ein Mikrospiegelraster abgebildet wird, und dass das Mikrospiegelraster auf den Detektor abgebildet wird.The A task directed to a method is by a method according to the preamble of claim 14 according to the invention thereby solved that the vibrating object by means of the measuring beam on a micromirror grid is imaged, and that the micro-mirror grid imaged on the detector becomes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den auf ein Verfahren gerichteten Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are directed to a method Subclaims remove.

Die für das Vibrometer geschilderten Vorteile sind sinngemäß auf die verfahrensgemäßen Ausgestaltungen zu übertragen.The for the Vibrometer described advantages are analogous to the procedural embodiments transferred to.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:embodiments The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Showing:

1 schematisch eine erste Variante eines abbildenden Vibrometers mit Mikrospiegelraster, 1 schematically a first variant of an imaging vibrometer with micro-mirror grid,

2 schematisch eine zweite Variante eines abbildenden Vibrometers mit Mikrospiegelraster und 2 schematically a second variant of an imaging vibrometer with micromirror and

3 schematisch die Verwendung eines Vibrometers zur Identifizierung eines schwingenden Objekts. 3 schematically the use of a vibrometer to identify a vibrating object.

In 1 ist schematisch ein Vibrometer 1 dargestellt, welches als Strahlungsquelle einen Laser 2, einen Strahlteiler 4, eine Sendeoptik 5, eine Empfangsoptik 7, ein Mikrospiegelraser 8, eine Abbildungsoptik 9 und einen Detektor 10 umfasst.In 1 is schematically a vibrometer 1 represented, which as a radiation source, a laser 2 , a beam splitter 4 , a transmission optics 5 , a receiving optics 7 , a micromirror 8th , an imaging optics 9 and a detector 10 includes.

Der Laser 2 emittiert einen kohärenten Ausgangsstrahl 13, der durch den Strahlteiler 4 in einen Messstrahl 14 und in einen Referenzstrahl 15 aufgeteilt wird. Mittels der Sendeoptik 5 wird der Messstrahl 14 aufgeweitet und auf das zu un tersuchende schwingende Objekt 17 gerichtet. Das schwingende Objekt 17 führt – durch die Pfeile angedeutet – Schwingungen aus.The laser 2 emits a coherent output beam 13 passing through the beam splitter 4 into a measuring beam 14 and in a reference beam 15 is split. By means of the transmission optics 5 becomes the measuring beam 14 expanded and on the subject to be examined swinging object 17 directed. The vibrating object 17 leads - indicated by the arrows - vibrations.

An dem schwingenden Objekt 17 wird der Messstrahl 14 reflektiert. Der rücklaufende Messstrahl 18 durchläuft die Empfangsoptik 7, die die beleuchtete Oberfläche des schwingenden Objekts 17 auf das Mikrospiegelraster 8 abbildet. Das Mikrospiegelraser 8 wird mittels der Abbildungsoptik 9 auf dem Detektor 10 abgebildet. Auf dem Detektor 10 interferiert der von dem Mikrospiegelraster 8 auf den Detektor ausgerichtete Teil der Objektabbildung mit dem Referenzstrahl 15, so dass der Detektor 10 das sich bildende Interferenz- oder Überlagerungsmuster beobachtet.On the vibrating object 17 becomes the measuring beam 14 reflected. The returning measuring beam 18 goes through the receiving optics 7 representing the illuminated surface of the vibrating object 17 on the micromirror grid 8th maps. The micromirror 8th is by means of the imaging optics 9 on the detector 10 displayed. On the detector 10 that interferes with the micromirror grid 8th aligned to the detector part of the object image with the reference beam 15 so that the detector 10 the forming interference or overlay pattern is observed.

Zur Auswertung der enthaltenen Detektorsignale ist der Detektor 10 mit einer Signalverarbeitungseinheit 20 verbunden. Die Signalverarbeitungseinheit 20 ist mit einer Steuereinheit 21 kombiniert, die zur Ansteuerung mit dem Mikrospiegelraster 8 verbunden ist. Die Steuereinheit 21 steuert das Mikrospiegelraster 8 beispielsweise derart an, dass einzelne Mikrospiegel zeitlich nacheinander in einer jeweils vorgegebenen Gruppierung auf den Detektor 10 ausgerichtet werden. In einem Messzyklus werden dabei mit der durch das Mikrospiegelraser 8 möglichen Ansteuerfrequenz eine vorgegebene Anzahl von durch die jeweilige Anordnung der Mikrospiegel im Mikrospiegelraster 8 definierte Gruppen auf den Detektor 10 ausgerichtet. Aus den derart erhaltenen Detektorsignalen wird mittels einer Hadamard-Transformation in der Signalverarbeitungseinheit 20 auf den zeitlichen Intensitätsverlauf des Überlagerungsmusters jedes durch die Größe des Mikrospiegel definierten Abbildungspunktes zurückgeschlossen. Durch eine Frequenzanalyse wird ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts 17 erzeugt.To evaluate the detector signals contained is the detector 10 with a signal processing unit 20 connected. The signal processing unit 20 is with a control unit 21 combined, for driving with the micromirror grid 8th connected is. The control unit 21 controls the micromirror grid 8th For example, in such a way that individual micromirrors in succession in a respective predetermined grouping on the detector 10 be aligned. In a measuring cycle are doing with the by the micromirror 8th possible drive frequency a predetermined number of by the respective arrangement of the micromirrors in the micro-mirror grid 8th defined groups on the detector 10 aligned. From the detector signals thus obtained is by means of a Hadamard transformation in the signal processing unit 20 deduced from the temporal intensity profile of the overlay pattern of each defined by the size of the micromirror imaging point. By a frequency analysis becomes a spatially resolved vibration image of the vibrating object 17 generated.

In 2 ist schematisch ein alternatives Vibrometer 23 dargestellt. Das Vibrometer 23 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Vibrometer 1 dadurch, dass die Sendeoptik 5 im Ausgangsstrahl 13 angeordnet ist, und dass der Strahlteiler 4 den abgeteilten Referenzstrahl 15 auf das Mikrospiegelraster 8 richtet. Weiter ist in den Referenzstrahl 15 eine Bragg-Zelle 22 eingesetzt, wodurch der Referenzstrahl 15 eine Frequenzverschiebung erfährt. Hierdurch ist die Detektion der Schwingungsrichtung möglich.In 2 is schematically an alternative vibrometer 23 shown. The vibrometer 23 is different from the one in 1 shown vibrometer 1 in that the transmitting optics 5 in the output beam 13 is arranged, and that the beam splitter 4 the split reference beam 15 on the micromirror grid 8th directed. Next is in the reference beam 15 a Bragg cell 22 used, creating the reference beam 15 undergoes a frequency shift. As a result, the detection of the vibration direction is possible.

Durch diese Ausgestaltung findet in dem Vibrometer 23 die Überlagerung des rücklaufenden Messstrahls 18 und des Referenzstrahls 15 auf dem Mikrospiegel raster 8 statt. In diesem Fall wird durch selektive Ansteuerung der einzelnen Mikrospiegel des Mikrospiegelrasters 8 jeweils ein oder mehrere Bildpunkte des Interferenzmusters in den Detektor 10 abgebildet.By this configuration takes place in the vibrometer 23 the superposition of the returning measuring beam 18 and the reference beam 15 on the micromirror raster 8th instead of. In this case, by selective control of the individual micromirrors of the micromirror grid 8th one or more pixels of the interference pattern into the detector 10 displayed.

Die Detektoren 10 in den Vibrometern 1 und 23 sind jeweils als Einzeldetektoren in Form schneller Photomultiplier ausgebildet. Es wird jeweils der zeitliche Verlauf der aufgenommenen Intensität aufgenommen.The detectors 10 in the vibrometers 1 and 23 are each formed as individual detectors in the form of fast photomultiplier. In each case, the temporal course of the recorded intensity is recorded.

In 3 ist eine Verwendung des Vibrometers 1 gemäß 1 zur Gewinnung von Aufklärungsdaten dargestellt. Hierzu überfliegt eine Drohne 24 ein Gelände 26 mit offenem Bewuchs 27 sowie Bäumen 28. Weiter befindet sich in dem Gelände 26 ein Lastkraftwagen 29, von dem es unklar ist, ob er real oder eine Attrappe ist.In 3 is a use of the vibrometer 1 according to 1 for obtaining reconnaissance data. For this, a drone skims over 24 a terrain 26 with open growth 27 as well as trees 28 , Next is in the area 26 a truck 29 of which it is unclear whether he is real or a dummy.

Die das Gelände 26 überfliegende Drohne 24 ist neben einer Vielzahl anderer Sensoren, wie Kameras und Infrarotdetektoren, mit einem Vibrometer 1 gemäß 1 ausgerüstet. Über den eingezeichneten Strahlengang 30 misst das Vibrometer 1 Schwingungen des anvisierten Objekts. Vorliegend detektiert das Vibrometer 1 eine Motorschwingung des Lastkraftwagens 29, so dass nun eindeutig darauf geschlossen werden kann, dass ein realer Lastkraftwagen 29 vorliegt. Der Einsatz des Vibrometers 1 ergänzt somit die weiter von dem Lastkraftwagen 29 mit den übrigen Sensoren erhaltenen Informationen, so dass für entsprechend einzuleitende Maßnahmen die notwendigen Entscheidungsgründe vorliegen.The the terrain 26 flying over drone 24 is in addition to a variety of other sensors, such as cameras and infrared detectors, with a vibrometer 1 according to 1 equipped. About the marked beam path 30 measures the vibrometer 1 Vibrations of the targeted object. In the present case, the vibrometer detects 1 an engine vibration of the truck 29 so that now it can be clearly concluded that a real truck 29 is present. The use of the vibrometer 1 thus complements the further from the truck 29 Information obtained with the other sensors, so that the necessary reasons for taking action are available.

11: Vibrometervibrometer
22: Laserlaser
44: Strahlteilerbeamsplitter
55: Sendeoptiktransmission optics
77: Empfangsoptikreceiving optics
88th: MikrospiegelrasterMicromirror grid
99: Abbildungsoptikimaging optics
1010: Detektordetector
1313: Ausgangsstrahloutput beam
1414: Messstrahlmeasuring beam
1515: Referenzstrahlreference beam
1717: schwingendes Objektswinging object
1818: rücklaufender Messstrahlback traveling measuring beam
2020: SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
2121: Steuereinheitcontrol unit
2222: Bragg-ZelleBragg cell
2323: Vibrometervibrometer
2424: Drohnedrone
2626: Geländeterrain
2727: Bewuchsgrowth
2828: Baumtree
2929: LastkraftwagenLorry
3030: Strahlengangbeam path

Claims

Vibrometer ( 1 . 23 ) comprising a radiation source (eg 2 ) for coherent radiation, a beam splitter ( 4 ) for decomposing the output beam ( 13 ) of the radiation source (eg 2 ) into a measuring beam ( 14 ) for observing a vibrating object ( 17 ) and into a reference beam ( 15 ), a beam guiding device for superposition of the oscillating object ( 17 ) returning measuring beam ( 18 ) with the reference beam ( 15 ), and a detector ( 10 ) for time and / or spatially resolved recording of the overlay pattern, characterized by a in the beam path of the returning measuring beam ( 18 ) arranged micromirror grid ( 8th ), by a receiving optics ( 7 ) for imaging the vibrating object ( 17 ) on the micromirror grid ( 8th ), and by an imaging optics ( 9 ) for imaging the micromirror grid ( 8th ) on the detector ( 10 ).

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to claim 1, characterized in that the detector ( 10 ) is designed as a detector with a few raster elements, in particular as a single detector.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to claim 1 or 2, characterized by a transmitting optics ( 5 ) for aligning the running measuring beam with the oscillating object ( 17 ).

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to one of the preceding claims, characterized by a frequency slider arranged in the reference beam path, in particular a Bragg cell ( 22 ).

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the beam splitter ( 4 ) is designed as a partially reflective, diffractive or polarization-sensitive element.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the beam guiding device for superimposing measuring and reference beam ( 14 . 15 ) on the micromirror grid ( 8th ) is trained.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit ( 21 ) for controlling the micromirror grid ( 8th ) and a signal processing unit ( 20 ) is included for evaluating the detector signals.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to claim 7, characterized in that the control unit ( 21 ) is set up for the micromirrors one after another, one at a time, one at a time on the detector ( 10 ), and that the signal processing unit ( 20 ) is arranged to use the thus obtained detector signals a spatially resolved oscillation image of the vibrating object ( 17 ) to create.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to claim 8, characterized in that the control unit ( 21 ) is arranged, the micromirrors successively with a frequency on the detector ( 10 ), which is increased in relation to a required for the resolution of a maximum oscillation frequency limit frequency.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to claim 7, characterized in that the control unit ( 21 ) is set up for the micromirrors in succession in a respective predetermined grouping on the detector ( 10 ), and that the signal processing unit ( 20 ) is set up from the detector signals thus obtained by means of a mathematical transformation, in particular by means of a Hadamard transformation, a spatially resolved oscillation image of the oscillating object ( 17 ) to create.

Vibrometer ( 1 . 23 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the micromirrors of the micromirror grid ( 8th ) are configured such that they can each take two tilt positions, wherein each micromirror incident radiation in the first tilted position on the detector ( 10 ) and deflects in the second tilted position in a light trap.

Using a vibrometer ( 1 . 23 ) according to one of the preceding claims for identifying a vibrating object ( 17 ) or a significant property of the vibrating object ( 17 ) based on its vibration characteristics.

Using a vibrometer ( 1 . 23 ) according to claim 12, wherein the vibration characteristic of the object to be identified in particular by a defined vibration device, is specified.

Method for generating a vibration image of an oscillating object ( 17 ), - wherein an output beam of coherent radiation generated and in a measuring beam ( 14 ) and into a reference beam ( 15 ), the measuring beam ( 14 ) on a vibrating object ( 17 ), the object being ( 17 ) returning measuring beam ( 18 ) with the reference beam ( 15 ) is superimposed, and - wherein the overlay pattern temporally and / or spatially resolved by means of a detector ( 10 ) and from this the oscillation pattern is closed, characterized in that - the oscillating object ( 17 ) by means of the measuring beam ( 14 ) on a micromirror grid ( 8th ), and - that the micromirror grid ( 8th ) on the detector ( 10 ) is displayed.

Method according to claim 14, characterized in that the frequency of the reference beam ( 15 ) is moved.

Method according to claim 14 or 15, characterized in that the measuring ( 14 ) and the reference beam ( 15 ) on the micromirror grid ( 8th overlay).

Method according to one of claims 14 to 16, characterized in that the micromirrors of the micromirror grid ( 8th ) one after the other in each case individually on the detector ( 10 ), and that from the detector signals thus obtained a spatially resolved oscillation image of the oscillating object ( 17 ) is produced.

Method according to Claim 17, characterized in that the micromirrors are successively applied at a frequency to the detector ( 10 ), which is increased in relation to a cutoff frequency required to resolve a maximum oscillation frequency.

A method according to claim 14 to 16, characterized in that the micromirrors in time in a respective predetermined grouping on the detector ( 10 ), and that from the detector signals thus obtained by means of a mathematical transformation, in particular by means of a Hadamard transformation, a spatially resolved oscillation image of the oscillating object ( 17 ) is produced.

Method according to one of claims 14 to 19, characterized in that the micromirrors of the micromirror grid ( 8th ) incoming radiation in a first tilted position on the detector ( 10 ) and steer in a second tilt position in a light trap.