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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Interferometer gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Interferometer
sind interferometrische Messeinrichtungen, die für Präzisionsmessungen,
beispielsweise für Längenmessungen, Brechzahlmessungen,
Winkelmessungen und zur Spektroskopie eingesetzt werden. Dabei wird üblicherweise
eine Lichtemission einer Lichtquelle in zwei kohärente Teilstrahlen
aufgespalten, die später wieder überlagert werden. Üblicherweise
ist in einem der Teilstrahlen ein Messobjekt angebracht. Die überlagerten
Teilstrahlen werden auf eine Kamera (Sensor) geleitet, wobei auf
dem Kamera-Chip ein Interferenzmuster abgebildet wird. Das Interferenzmuster
wird dabei durch die Differenz der optischen Wege bestimmt, die
die beiden Teilstrahlen bis zur Vereinigung zurückgelegt
haben. Interferometer sind hochsensible Anordnungen, die anfällig
gegenüber äußeren Störeinflüssen
in Form von Schwingungen sind, wodurch Interferometer in der Praxis
mit entsprechenden mechanischen Schwingungsdämpfern versehen sind.
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Bekannte
Interferometer werden üblicherweise mit konstant arbeitenden
Lichtquellen, wie Lasern, Halogen-Lampen oder LEDs betrieben. Aus
der
DE 103 21 887
A1 ist ein Interferometer mit einer mit einem konstanten
Strom betriebenen Lichtquelle bekannt, wobei die ausgesendete Lichtemission
extrem kurzpulsig (0,1 μs–1000 μs) ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer vorzuschlagen,
das weniger störanfällig gegenüber Schwingungen
ist.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Interferometer mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung
fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei
von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren
offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die mindestens eine Lichtquelle
des, insbesondere flächig messenden, Interferometers gepulst
zu betreiben, d. h. zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtimpulsen
eine Lichtpulspause vorzusehen. Durch eine geeignete Wahl der Pulsfrequenz
kann dabei die Anfälligkeit des Interferometers gegenüber äußeren
Störeinflüssen in der Form von Schwingungen minimiert
werden. Insbesondere kann eine Abschwächung des Interferenzkontrastes
vermieden werden, wie dieser bei unmodulierten Lichtquellen aufgrund
von (externen) Schwingungen unvermeidlich ist, da sich bei unmodulierten
Lichtquellen verschiedene Signalteile untereinander ausmitteln. Durch
die bevorzugt kurze Pulsdauer der Vielzahl von nacheinander ausgesendeten
Lichtpulsen wird dieses Ausmitteln bei einem nach dem Konzept der Erfindung
ausgebildeten Interferometer mit Vorteil verhindert. Darüber
hinaus steigt die Lebensdauer der Lichtquelle, da deren Temperaturentwicklung
aufgrund des gepulsten Betriebs geringer ist. Insbesondere dann,
wenn die einzelnen Lichtimpulse jeweils mittels eines konstanten
Versorgungsstroms erzeugt werden, wird darüber hinaus eine
höhere Wellenlängenstabilität erhalten.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
nacheinander, vorzugsweise mit zeitlichem Abstand ausgesendeten
Lichtimpulse mit Triggersignalen synchronisiert sind. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung ist der Interferometer hierzu mit, beispielsweise
einen Transistor umfassenden, Synchronisationsmitteln versehen,
die die Lichtquelle in Abhängigkeit eines Triggersignals
ansteuern. Anders ausgedrückt, sind die Synchronisationsmittel
derart ausgebildet, dass sie das Aussenden eines Lichtimpulses durch
die Lichtquelle mit einem Triggersignal synchronisieren. Insbesondere durch
eine geschickte Wahl des Triggersignals ist es möglich,
die Störanfälligkeit des Interferometers gegenüber
Schwingungen weiter zu reduzieren. Durch die Wahl eines geeigneten
Triggersignals kann insbesondere eine Abschwächung des
Interferenzkontrastes vermieden werden, wie dieser bei unmodulierten
Lichtquellen auftritt. Darüber hinaus eliminiert das synchronisierte
Pulsen der Lichtquelle die bei Interferometern mit unmodulierter
Lichtquelle durch das Kamera-Interlacing auftretenden Artefakte.
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Im
Hinblick auf eine kostengünstige und robuste Ausbildung
des Interferometers sowie im Hinblick auf die Bereitstellung einer
Möglichkeit zur Erzeugung von Lichtimpulsen mit minimaler
Pulslänge ist eine Ausführungsform von Vorteil,
bei der die Lichtquelle mindestens eine LED umfasst. Dabei kann
die Lichtquelle als einzelne LED oder als Ansammlung von LEDs ausgebildet
werden.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Interferometers,
bei der die Synchronisationsmittel die Stromversorgung für
die mindestens eine Lichtquelle immer dann freigeben, sobald die
Synchronisationsmittel ein Triggersignal detektieren. Anders ausgedrückt
umfassen die Synchronisationsmittel einen elektronischen Schalter,
der geschlossen wird, sobald ein Triggersignal detektiert wird.
Das Triggersignal bildet also ein Start- oder Freischaltsignal für
die elektrische Stromversorgung der Lichtquelle. Dabei können
die Synchronisationsmittel eine integrierte Schaltung oder einen
Transistor umfassen, wobei im Falle des Vorsehens eines Transistors
bevorzugt die Basis des Transistors mittels des Triggersignals ansteuerbar
ist. Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung der Synchronisationsmittel
als Operationsverstärker.
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Im
Hinblick auf eine optimierte Minimierung der Schwingungsempfindlichkeit
des Interferometers ist eine Ausführungsform von Vorteil,
bei der die Synchronisationsmittel derart ausgebildet sind, dass
zu Beginn jedes Bildframes (Vollbild oder Halbbild) ein Lichtimpuls
von der Lichtquelle ausgesendet wird. Hierdurch wird das Pulsen
der Lichtquelle von der Kamera, d. h. dem Kamera-Chip, insbesondere
einem CCD-Chip, nicht registriert.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das
Triggersignal integraler Bestandteil des Videosignals ist oder auf
Basis des Videosignals erzeugt wird. Zum Detektieren eines Triggersignals
im Videosignal sind die Synchronisationsmittel das Videosignal überwachend
ausgebildet. Es ist auch möglich, dass das Triggersignal
nicht oder nicht unmittelbar im Zusammenhang mit dem Videosignal
generiert wird. Durch die Synchronisation mit einem externen Triggersignal
ist der insbesondere flächenhaft messende Interferometer
für weitere Anwendungen, wie beispielsweise das Messen
von Schwingungen oder von bewegten Bauteilen einsetzbar.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Triggersignal
von einem Bildframe-Synchronisationsimpuls des Videosignals gebildet,
oder auf Basis des Bildframe-Synchronisationsimpulses erzeugt. Der
Bildframe-Synchronisationsimpuls signalisiert (kodiert) dabei den
Beginn eines neuen Bildes (Bildframe).
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der die Pulsdauer des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtimpulses und/oder
die Pulspausenlänge nicht fest vorgegeben, sondern einstellbar
sind/ist. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform mit fest
vorgegebener Pulsdauer realisierbar. Bevorzugt ist die Pulspause
zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen deutlich
länger als der eigentliche Lichtimpuls.
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Bevorzugt
beträgt die Pulsdauer (Pulslänge) des Lichtimpulses
zwischen etwa 0,5 ms und etwa 2 ms. Vorzugsweise ist die Pulsdauer
aus einem Wertebereich zwischen etwa 0,8 ms und etwa 1,3 ms gewählt
bzw. wählbar.
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Zur
Realisierung einer definierten Pulslänge umfassen die Synchronisationsmittel
bevorzugt einen Zähler, der durch das Triggersignal gestartet bzw.
mit einem definierten Wert geladen wird. Bei Überlauf des
Zählers, d. h. bei Erreichen eines vorgegebenen oder vorgebbaren
Wertes, wird der Zähler sowie der Lichtimpuls gestoppt/beendet.
Bevorzugt erfolgt das Stoppen/Beenden des Lichtimpulses durch Unterbrechen
der Stromversorgung der mindestens einen Lichtquelle.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
einen schematischen Aufbau eines Interferometers mit gepulst synchronisierter
Lichtquelle und
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2:
einen Michelson-Interferometer mit gepulst synchronisierter Lichtquelle.
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Ausführungsform der
Erfindung
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In 1 ist
ein möglicher Aufbau eines flächig messenden Interferometers 1,
umfassend eine als LED ausgebildete Lichtquelle 2, gezeigt.
Die Lichtquelle 3 strahlt Lichtimpulse 3 ab, wobei
die Lichtimpulse 3 mit einem Video-Signal 4 einer
Kamera 5 (Sensor) synchronisiert sind. Bei der eingesetzten
Kamera handelt es sich um eine CCD-Kamera mit einer Bildfrequenz
von 25 Hz, also mit 25 Bildframes pro Sekunde. Die Pulsdauer der
Lichtimpulse beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
etwa 1 ms, wohingegen die Bilddauer eines Bildframes der Kamera 5 etwa
40 ms dauert. Die Pulspausen zwischen zwei Lichtimpulsen dauern
also etwa 39 ms. Ein von der Lichtquelle 2 ausgesendeter
Lichtimpuls 3 trifft auf einen Strahlenteiler 6,
der den Lichtimpuls 3 in zwei kohärente Teillichtimpulse 7, 8 aufspaltet, wobei
im in der Zeichnungsebene oberen Teillichtimpuls 7 ein
zu vermessendes, lichtdurchlässiges Messobjekt 9 angeordnet
ist.
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Die
Teillichtimpulse 7, 8 werden über Spiegel 10, 11 umgeleitet
und an einen Strahlenteiler 12 vereinigt und auf eine als
Digitalkamera ausgebildete Kamera 5 geleitet, welche ein
Videosignal 4 ausgibt. Das Videosignal 4 wird
mit Hilfe von Synchronisationsmitteln 14 überwacht,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Funktion eines
elektronischen Schalters aufweisen. Wird von den Synchronisationsmitteln 14 ein
dem Videosignal 4 integrales Triggersignal detektiert,
wird eine Stromversorgung 13 für die Lichtquelle 2 für
eine vorgegebene oder vorgebbare Zeit freigegeben, d. h. ein Stromkreis
wird (zeitlich begrenzt) geschlossen, so dass von der Lichtquelle 2 ein
(zeitlich begrenzter) Lichtimpuls 3 ausgesendet wird. In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Bildframe-Synchronisationsimpuls des
Videosignals 4, der den Beginn eines neuen Bildframes kennzeichnet,
als Triggersinal zum Freigeben der Stromversorgung 13 genutzt.
Bei dem gezeigten Interferometer werden bei einer erwähnten
Bildframefrequenz von 25 Hz in der Folge 25 Lichtimpulse pro
Sekunde von der Lichtquelle 2 ausgesendet. Aufgrund der
Synchronisation der Lichtimpulse 3 mit den Bildframes des
Videosignals 4 werden einzelne Lichtimpulse 3 durch
die Kamera 5 nicht registriert und stören in der
Folge die Auswertung des erfassten Interferenzmusters nicht. Vielmehr
verhindern die kurzen, synchronisierten Lichtimpulse eine Abschwächung
des Interferenzkontrastes. Das erhaltene Interferometer 1 ist
wenig anfällig gegenüber äußeren Störeinflüssen
in der Form von Schwingungen. Daher kann auf eine mechanische Schwingungsdämpfung
verzichtet werden, oder die Schwingungsdämpfung kann zumindest
einfacher und damit kostengünstiger ausgeführt
werden als bei bekannten Interferometern mit durchgängig
betriebener Lichtquelle.
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In 2 ist
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Michelson-Interferometers 1 gezeigt.
Der Aufbau unterscheidet sich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen dadurch, dass lediglich ein einziger Strahlenteiler 6 vorgesehen
ist, der den Lichtimpuls 3 in zwei kohärente Teillichtimpulse 7, 8 aufteilt
und auch wieder vereinigt und der Kamera 5 zuleitet. Der
Teillichtimpuls 8 trifft hinter dem Strahlenteiler 6 auf
einen Spiegel 10, der den Teillichtimpuls 8 zurück
auf den Strahlenteiler 6 reflektiert, der den Teillichtimpuls 8 um
90° zur Kamera 5 umgelenkt. Der Teillichtimpuls 7 wird
von dem zu vermessenden Messobjekt 19 zurück auf
den Strahlenteiler 6 gespiegelt und strahlt durch diesen
geradlinig hindurch auf die Kamera 5. Wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind auch bei dem gezeigten
Michelson-Interferometer die Synchronisationsmittel 14 und
das Videosignal 4 gekoppelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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