DE102010022641A1

DE102010022641A1 - Messeinrichtung und Verfahren zur Vermessung optischer Weglängenänderungen

Info

Publication number: DE102010022641A1
Application number: DE102010022641A
Authority: DE
Inventors: Dr. Röhle Ingo; Dr. Bake Friedrich; Holger Konle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-06-05
Also published as: DE102010022641B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von optischen Weglängenveränderungen sowie eine Messeinrichtung (1), welche umfasst: eine Lichtleitfaser (5) mit einem ersten Ende (4) und einem zweiten Ende (6), ein optisches Führungselement (18), eine photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) und eine Auswerteeinrichtung (25), wobei in die Messeinrichtung (1) kohärente Strahlung (3) einkoppelbar ist, so dass diese in das erste Ende (4) der Lichtleifaser (5) einkoppelt, und wobei das zweite Ende (6) beabstandet zu einem Reflektor (10) anordenbar ist, so dass zumindest ein Teil der aus dem zweiten Ende (6) austretenden Strahlung (7), welche an dem Reflektor (10) reflektiert ist, wieder in das zweite Ende (6) der Lichtleitfaser (5) eingekoppelt wird, und das optische Führungselement relativ zu der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) so angeordnet ist, dass der an dem Reflektor (10) reflektierte, und in die Lichtleitfaser (5) an dem zweiten Ende (6) eingekoppelte Anteil (13) und ein an einer Austrittsfläche (14) des zweiten Endes (6) der Lichtleitfaser (5) in diese zurückreflektierte Anteil (15) der Strahlung, die gemeinsam aus dem ersten Ende (4) der Lichtleitfaser (5) austreten, auf die photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) geführt werden, so dass diese sich dort überlagern, wobei eine Strahlführung so ausgeführt ist, dass sich in oder auf der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) ein örtliches Interferenzmuster (40) ausbildet und die photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) mindestens ein erstes Messelement (20-1) zum Erfassen eines ersten Intensitätssignals (51) und ein zweites Messelement (20-2) zum Erfassen eines zweiten Intensitätssignals (52) umfasst, die von der überlagerten Strahlung beleuchtet sind, und die Auswerteeinrichtung (25) ausgebildet ist, aus den zeitgleich gemessenen Intensitätssignalen (51, 52) ein Signal φ abzuleiten, das ein Maß für die optische Weglänge zwischen der Austrittsfläche (14) an dem zweiten Ende (6) der Lichtleitfaser (5) und dem Reflektor (10) repräsentiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messeinrichtung, mit denen es möglich ist, hochpräzise Änderungen einer optischen Weglänge zu vermessen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung und ein Verfahren zum Messen periodischer Veränderungen einer optischen Weglänge.
Änderungen einer optischen Weglänge treten beispielsweise in faseroptischen Mikrofonanordnungen auf. Eine solche Mikrofonanordnung ist beispielsweise in der DE 10 2008 038 883 A1 gezeigt. Hierbei wird kohärentes Licht über eine Lichtleitfaser in die Nähe einer reflektierend ausgebildeten Membran geleitet. Ein Teil der Strahlung wird an der Austrittsfläche der Lichtleitfaser in diese zurückreflektiert. Der größere Teil der Strahlung, der aus der Lichtleitfaser austritt, wird an der reflektierend ausgebildeten Membran so reflektiert, dass ein Teil der Strahlung wieder in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Die an der Austrittsfläche reflektierte Strahlung sowie die an der Membran reflektierte Strahlung werden durch die Lichtleitfaser zurückgeführt und auf einem photoempfindlichen Detektor überlagert, so dass sich dort ein Interferenzsignal ausbildet. Das sich ausbildende zeitliche Interferenzmuster ist von der optischen Weglänge zwischen der Austrittsendfläche der Lichtleitfaser und der spiegelnden Membran abhängig. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird alternierend Strahlung mit leicht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Frequenz verwendet und gemessen. Der Wellenlängenunterschied der verwendeten Strahlungen wird so gewählt, dass ein aufgrund des Frequenzunterschieds verursachter Gangunterschied entlang der zu vermessenden optischen Weglänge einer Viertelwellenlänge der verwendeten Strahlung entspricht.
Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus Systeme bekannt, bei denen eine Membranschwingung optisch abgetastet wird. Hierfür ist eine Seite der Membran reflektierend ausgeführt. Durch die Auslenkung der Membran wird ein zurückgelegter Weg verändert, der von dem an der reflektierenden Seite reflektierten Licht durchlaufen wird. Bringt man das reflektierte Licht mit Licht gleicher Frequenz und stabiler Ausgangsphasenbeziehung zur Interferenz, so kann man anhand des Interferenzmusters eine Auslenkung der Membran ableiten. Ein Wechsel von konstruktiver Interferenz zu destruktiver Interferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen entspricht einer Auslenkung der Membran um eine Wegstrecke, die einer Viertelwellenlänge des verwendeten Lichts entspricht. Eine solche Vorrichtung, die beispielsweise extrem hohe Schalldrücke messen kann, ist in einem Beitrag von Matthew E. Palmer et al. mit dem Titel" „Un-cooled Fiber-Optic Pressure Sensor for Gas Turbine Engines, Operation to 1922°F and 500 psig." 44th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit, 9. bis 12. Januar 2006, Reno, Nevada, USA beschrieben.
Aus dem Stand der Technik sind des Weiteren Sensoren mit einem Mach-Zehnder-Aufbau bekannt, bei denen erneut Licht durch eine Faser geführt wird, die beabstandet von einer reflektierenden Membran endet. In diesem Fall wird das von der Membran zurückreflektierte und durch die Faser zurückgeleitete Licht mit einem frequenzverschobenen Lichtstrahl zur Interferenz gebracht, der beispielsweise mittels eines akustooptischen Modulators erzeugt ist, der mit einem aus dem ursprünglichen Lichtstrahl ausgekoppelten Lichtanteil gespeist wird. Ein solches Interferometer ist jedoch gegenüber Vibrationen sehr anfällig, da der durch den akustooptischen Modulator erzeugte Referenzlichtstrahl einen gänzlichen anderen Lichtweg gegenüber dem Messlichtstrahl oder Abtastlichtstrahl durchläuft. Ferner sind für solche Aufbauten polarisationserhaltende Singlemode-Fasern notwendig, die nur eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 300°C aufweisen.
Wünschenswert ist es, die bestehenden Vorrichtungen zur Messung der optischen Weglänge weiter zu verbessern um zuverlässige Messungen, insbesondere bei periodischen Weglängenänderungen, welche unter ungünstigen Randbedingungen, beispielsweise hohen Temperaturen oder hohen Schalldrücken auftreten, durchführen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Messeinrichtungen und Verfahren dahingehend zu verbessern, dass eine präzise Messung der Änderung optischer Weglängen bei extremen Umgebungsbedingungen möglichst präzise und auch bei geringen räumlichen Abmessungen möglich ist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Fabry-Perot-artigen Aufbau zu nutzen, bei dem die zur Interferenz gebrachten Strahlungsanteile möglichst über eine gesamte zurückgelegte Strecke, bis auf die optische Wegstrecke, deren Änderung vermessen werden soll, von den zur Interferenz gebrachten Strahlungsanteilen gemeinsam durchlaufen wird. Um bei einer homodynen Messung, d. h. einer Interferenz zwischen Strahlungsanteilen mit derselben Frequenz, eine Auswertung zu erleichtern und zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Referenzstrahl über eine Reflexion an einer Austrittsfläche (Endfläche) einer Faser zu erzeugen, welche einen so genannten Schrägschliff aufweist. Dies bedeutet, dass eine Oberflächennormale der Austrittsfläche der zur Lichtleitung verwendeten Lichtleitfaser einen Winkel gegenüber der Lichtleitrichtung der Lichtleitfaser am Austrittspunkt aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass ein Strahlungsanteil, der an einem Austrittsende der Lichtleitfaser reflektiert wird, mit einem Strahlungsanteil, der aus der Faser austritt und eine zu vermessende optische Wegstrecke durchläuft und wieder in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird, bei einer Überlagerung auf einer photosensitiven Detektoreinrichtung nicht nur ein zeitlich variierendes Interferenzmuster, sondern zusätzlich ein räumliches Interferenzmuster erzeugt. Hierdurch wird es möglich, zeitgleich in der photoempfindlichen Detektoreinrichtung mittels mindestens zwei Messelementen zwei Intensitätssignale zu erfassen und gemeinsam auszuwerten, um ein Signal abzuleiten, welches ein Maß für die sich ändernde und zu vermessende optische Weglänge ist, die der eine Anteil der Strahlung zwischen dem Austreten aus der Austrittsfläche der Lichtleitfaser und dem erneuten Eintritt nach einer Reflexion an einem Reflektor zurückgelegt hat.
Insbesondere wird somit eine Messeinrichtung zur Vermessung sich ändernder optischer Weglängen vorgeschlagen, welche eine Lichtleitfaser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, ein optisches Führungselement, eine photoempfindliche Detektoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung umfasst, wobei in die Messeinrichtung kohärentes Licht einkoppelbar ist, so dass dieses in das erste Ende der Lichtleitfaser einkoppelt, und wobei das zweite Ende beabstandet zu einem Reflektor anordenbar ist, so dass zumindest ein Teil des aus dem zweiten Ende der Lichtleitfaser austretenden Lichts, welches an dem Reflektor reflektiert ist, wieder in das zweite Ende der Lichtleitfaser eingekoppelt wird, und das optische Führungselement relativ zu der photoempfindlichen Detektoreinrichtung so angeordnet ist, dass der an dem Reflektor reflektierte und in die Lichtleitfaser an dem zweiten Ende eingekoppelte Anteil und ein an einer Austrittsfläche des zweiten Endes der Lichtleitfaser in diese zurückreflektierte Anteil der Strahlung, die gemeinsam aus dem ersten in der Lichtleitfaser austreten, auf die photoempfindliche Detektoreinrichtung geführt werden, so dass diese sich dort überlagern, wobei zur Lösung des Problems vorgesehen ist, dass die Austrittsfläche der Lichtleitfaser an dem zweiten Ende angeschrägt ist und die photoempfindliche Detektoreinrichtung mindestens ein erstes Messelement zum Erfassen eines ersten Intensitätssignals und ein zweites Messelement zum Erfassen eines zweiten Intensitätssignals umfasst, die von der überlagerten Strahlung beleuchtet sind, und die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, aus den zeitgleich gemessenen Intensitätssignalen ein Signal φ abzuleiten, das ein Maß für die optische Weglänge zwischen der Austrittsfläche an dem zweiten Ende der Lichtleitfaser und dem Reflektor repräsentiert. Das abgeleitete Signal φ gibt keinen Absolutwert für die optische Weglänge an, die der Anteil der Strahlung zwischen dem Austreten der Austrittsfläche an dem zweiten Ende der Lichtleitfaser hin zu dem Reflektor und wieder zurück zu dem Austrittsende an dem zweiten Ende der Lichtleitfaser zurücklegt. Ändert sich jedoch die optische Weglänge, so ändert sich auch das abgeleitete Signal φ, wobei φ ein Maß für die Weglängenänderung ist, die eingetreten ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer optischen Weglängenveränderung umfasst die Schritte: Einkoppeln kohärenter Strahlung in ein erstes Ende einer Lichtleitfaser; Reflektieren eines Teils der Strahlung an einer Austrittsfläche der Lichtleitfaser an dem zweiten Ende zurück in die Lichtleitfaser und Auskoppeln eines anderen Teils der Strahlung an dem zweiten Ende der Lichtleitfaser und Führen des ausgekoppelten Teils der Strahlung auf einen Reflektor, so dass zumindest ein Teil der an dem Reflektor reflektierten Strahlung an dem zweiten Ende der Lichtleitfaser wieder in diese eingekoppelt wird; Führen des an dem Reflektor reflektierten durch die Lichtleitfaser zurückgeführten und aus dem ersten Ende austretenden Anteils der Strahlung gemeinsam mit dem an der Austrittsfläche des zweiten Endes reflektierten und aus der Lichtleitfaser an dem ersten Ende austretenden Strahlung in Überlagerung auf eine photoempfindliche Detektoreinrichtung und Erfassen mindestens eines Signals mittels der photoempfindlichen Detektoreinrichtung, aus dem mit Hilfe der Auswerteschaltung ein Signal φ abgeleitet wird, das ein Maß für die optische Weglänge zwischen dem zweiten Ende der Lichtleitfaser und dem Reflektor ist, wobei erfindungsgemäß das Reflektieren des Teils der Strahlung an der Austrittsfläche an dem zweiten Ende zurück in die Lichtleitfaser mittels einer angeschrägten Austrittsfläche ausgeführt wird und mit Hilfe von mindestens zwei Messelementen der photoempfindlichen Detektoreinrichtung an unterschiedlichen Orten in der Überlagerung der Strahlungsanteile zeitgleich mindestens zwei Intensitätssignale erfasst werden, die zur Auswertung und Ableitung des Signals φ herangezogen werden.
Durch ein Herbeiführen eines örtlichen Interferenzmusters auf der Messeinrichtung über ein Anschrägen der Austrittsfläche der Lichtleitfaser an dem zweiten Ende, an dem der Lichtaustritt in die zu vermessende optische Wegstrecke und eine Rückreflexion des quasi als Referenzstrahl verwendeten Anteils stattfindet, wird ein örtlich variierendes Interferenzsignal auf der Detektoreinrichtung bewirkt. Dadurch, dass dieses zeitgleich an unterschiedlichen Stellen hinsichtlich seiner Intensität erfasst wird, wird eine verbesserte Auswertung und Bestimmung der optischen Weglänge möglich. Das abgeleitete Signal, dessen Variable hier mit dem Buchstaben φ bezeichnet ist, ändert sich proportional zur Änderung der optischen Weglänge, die vermessen werden soll.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Messsignale einer so genannten Quadraturanalyse unterzogen werden. Die Intensitäten werden hierbei als Koordinaten bezüglich zueinander senkrecht stehender kartesischer Koordinatenachsen aufgefasst. Über die beiden gemessenen Intensitäten ist somit für jeden Zeitpunkt jeweils ein Ort in einer durch die beiden Koordinatenachsen aufgespannten Ebene festgelegt. Betrachtet man diesen Punkt in Polarkoordinaten, so lässt sich der Punkt durch einen Abstand von einem Ursprung des Polarkoordinaten-Koordinatensystems und einen Winkel in der Ebene charakterisieren. Eine Lage des Ursprungs des Polarkoordinaten-Koordinatensystems bezügliche der kartesischen Koordinaten lässt sich jeweils durch einen arithmetischen Mittelwert zwischen den bei einer Änderung der optischen Weglänge auftretenden Minimal- und Maximalwerten des jeweiligen der kartesischen Koordinatenachse zugeordneten Intensitätssignals bestimmen. Ändert sich die optische Weglänge, so ändert sich der Phasenwinkel des durch die Intensitätssignale festgelegten Punktes in der Ebene bezüglich des Ursprungs des Polarkoordinaten-Koordinatensystems.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht daher vor, dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, das die optische Weglänge repräsentierende Signal φ über eine Ermittlung eines Arkustangens eines Quotienten aus den gemessenen, jeweils hinsichtlich eines jeweiligen Mittelwertversatzes korrigierten Intensitätssignalen abzuleiten.
Vorzugsweise werden das erste und das zweite Messelement so zueinander beabstandet, dass diese bezüglich eines sich auf oder in der Detektoreinrichtung ausbildenden räumlichen Interferenzmusters um (2n + 1)·π/2 phasenverschoben sind, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich Null ist (n ≥ 0). Zwei Interferenzmaxima zueinander weisen einen Phasenunterschied von 2π auf. Wird die optimale Phasenverschiebungsdifferenz von ^π/₂, 3^π/₂, 5^π/₂ ... eingehalten, so wandert der durch die beiden gemessenen Intensitätssignale festgelegte Ort in der Ebene auf einem Kreis um den Ursprung, wird hingegen von der 90°-(^π/₂)-Phasenbeziehung der Messorte im Interferenzmuster abgewichen, entwickelt sich die von dem durch die Intensitätssignale festgelegten Punkt durchlaufene Kurve in der Ebene in eine Ellipse.
Um eine höhere Genauigkeit bei der Auswertung zu erlangen, ist es vorteilhaft, wenn die Detektoreinrichtung weitere photoempfindliche Messelemente umfasst, die jeweils so angeordnet sind, dass sie bezüglich des räumlichen Interferenzmusters jeweils gegenüber dem ersten Messelement oder dem zweiten Messelement um n·2π phasenverschoben sind, wobei n eine natürliche Zahl ist. Dies bedeutet, dass innerhalb des Interferenzmusters jeweils die Phasenlage der einzelnen Messelemente eines Typs modulo 2π übereinstimmt.
Ermittelt man die Werte für φ in zeitlich äquidistanten Abschnitten, so erhält man ein Messsignal, welches beispielsweise das Schwingungsverhalten des Reflektors widerspiegelt. Unterzieht man die Messwerte einer solchen Zeitmessreihe einer Fast-Fourier-Transformation, so erhält man die einzelnen Frequenzanteile. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst daher die Auswerteeinheit eine FFT-Einheit, um anhand eines Satzes mehrere in zeitlicher Folge ermittelter, die optische Weglänge präsentierenden Werten φ(t) eine Fast-Fouriert-Transformation auszuführen, um ein Frequenzspektrum jener Frequenzen zu ermitteln, mit denen sich die optische Weglänge verändert.
Das kohärente Licht wird bevorzugt in Form eines Lasersignals, besonders bevorzugt in Form eines Singlemode-Lasersignals, bereitgestellt.
Um eine einfache Auswertung des Signals zu ermöglichen, darf durch die Lichtleitfaser nur eine Mode eines Lasers übertragen werden, so dass die Lichtleitfaser bevorzugt eine Singlemodefaser ist.
Um eine hohe Temperaturbeständigkeit zu erlangen und hierdurch auch an Orten Weglängenänderungen vermessen zu können, an denen hohe Temperaturen auftreten, ist die Lichtleitfaser vorzugsweise eine mit Gold beschichtete Singlemodefaser.
Mit den Messeinrichtungen können sowohl Vibrationen als auch beispielsweise Schall vermessen werden. Bevorzugt ist der Reflektor auf oder an einem mechanisch auslenkbaren Element oder als mechanisch auslenkbares Element ausgebildet, wobei das auslenkbare Element um eine Ruhelage auslenkbar ist, die einen über eine Halterung festgelegten festen Abstand zu dem zweiten Ende der Lichtleitfaser aufweist. Um beispielsweise Schall zu vermessen, ist das auslenkbare Element bei einer bevorzugten Ausführungsform als Membran ausgebildet. Diese ist beispielsweise an einer Rückseite mit einem Metall, beispielsweise Gold, beschichtet, um die verwendete Strahlung zu reflektieren.
Die Messeinrichtung kann jedoch auch eingesetzt werden, um durch Schal verursachte Druckschwankungen oder andere Ursachen zu untersuchen, die eine optische Weglängenänderung verursachen. In einem solchen Fall ist es möglich, den Reflektor in einem vorgegebenen festen, d. h. in einem starren, unveränderlichen Abstand zu der Austrittsfläche des zweiten Endes der Lichtleitfaser anzuordnen. Temperatur- und Druckschwankungen zwischen dem Reflektor und dem zweiten Ende der Lichtleitfaser bewirken hierbei eine Änderung der optischen Weglänge und können so indirekt vermessen werden. Dies ist besonders einfach dann möglich, wenn diese sich periodisch ändern.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer Ausführungsform einer Messeinrichtung;
1a einen Ausschnitt der zu vermessenden optischen Weglänge;
2 eine grafische Darstellung eines Messsignals eines Messelements einer Sensoreinrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines räumlichen Interferenzmusters in oder auf der Messeinrichtung;
4 eine schematische grafische Darstellung der Messwerte zweier Messelemente einer Messeinrichtung, aufgetragen gegen die Zeit;
5 eine schematische grafische Darstellung einer Errechnung eines eine Weglänge repräsentierenden Winkels φ aus den Messsignalen zweier Messelemente;
6 eine weitere schematische Darstellung der zeitgleich erfassten Intensitätssignale von zwei Messelementen einer Messeinrichtung;
7 eine grafische Darstellung des aus den in 6 dargestellten Intensitätssignalen errechneten Winkels φ;
8 eine schematische Darstellung der gegen die Zeit aufgetragenen errechneten Membranauslenkung; und
9 ein aus den in 8 grafisch dargestellten, gegen die Zeit aufgezeichneten Winkelsignalen mittels einer Fourier-Transformation errechnetes Frequenzspektrum.
1 zeigt schematisch einen Aufbau einer Messeinrichtung 1. Die Messeinrichtung 1 ist so ausgestaltet, dass über eine erste Einkoppeloptik 2 eine kohärente Strahlung 3 in ein erstes Ende 4 einer Lichtleitfaser 5 einkoppelbar ist bzw. eingekoppelt wird. Die erste Einkoppeloptik 2 ist beispielsweise als Linse oder Linsenanordnung ausgebildet. Die Lichtleitfaser 5 ist vorzugsweise als Singlemode-Lichtleitfaser ausgebildet, so dass sich in der Lichtleitfaser 5 nur eine Mode der kohärenten Strahlung 3 ausbreiten kann. Die Lichtleitfaser 5 leitet die eingekoppelte kohärente Strahlung 3 zu einem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5.
Wie in 1a, die einen Ausschnitt der 1 vergrößert darstellt, schematisch dargestellt ist, tritt an dem zweiten Ende 6 ein Teil der in die Lichtleitfaser 5 an dem ersten Ende 4 eingekoppelten Strahlung aus dieser entlang einer Lichtleitrichtung 8 aus. Dieser ausgetretene Strahlungsanteil 7 durchläuft eine Strecke 9, die hinsichtlich ihrer optischen Weglänge zu vermessen ist.
Die Strecke 9 erstreckt sich von dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 bis zu einem Reflektor 10. Dieser ist bezüglich des zweiten Endes 6 der Lichtleitfaser 5 bzw. der Lichtleitrichtung 8 so orientiert, dass dieser zumindest einen Anteil der ausgetretenen kohärenten Strahlung 7 so reflektiert, dass ein reflektierter Strahlungsanteil 11 an dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 erneut in diese eingekoppelt werden kann. Hierfür kann eine zweite Einkoppeloptik 12 verwendet werden. Neben dem reflektierten wieder eingekoppelten Strahlungsanteil 13, der an dem Reflektor 10 reflektiert wurde, wird in der Lichtleitfaser 5 ein an einer Austrittsfläche 14 an dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 in diese zurückreflektierte Anteil 15 zurückgeleitet. Der an dem Reflektor 10 reflektierte und erneut in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelte Anteil 13 sowie der an der Austrittsfläche 14 des zweiten Endes 6 zurückreflektierte Anteil 15 treten aus dem ersten Ende 4 der Lichtleitfaser 5 aus und werden über ein als Strahlteiler ausgebildetes optisches Führungselement 18 (siehe 1) überlagernd auf eine photoempfindliche Detektoreinrichtung 19 geführt. Beispielsweise kann die photoempfindliche Detektoreinrichtung 19 in Form einer Zeilenkamera ausgebildet sein, die eine Vielzahl von Messelementen 20 umfasst. Alternativ können jedoch auch einzelne getrennt ausgebildete Messelemente zu einer Detektoreinrichtung zusammengefasst werden, beispielsweise zwei Photodioden.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung 1 einen Laser 21 zur Erzeugung der kohärenten Strahlung 3. Es sind jedoch auch Messeinrichtungen denkbar, bei denen die Strahlungsquelle separat bereitgestellt wird. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung 1 zusätzlich den Reflektor 10. Auch hier sind Ausführungsformen denkbar, bei denen der Reflektor beispielsweise eine verspiegelte Fläche eines Gegenstands ist, dessen Vibration gemessen werden soll. Bei einigen Ausführungsformen ist der Reflektor als Membran ausgeführt. Eine solche Membran kann dann beispielsweise zur Erfassung von Schallsignalen in Bereichen genutzt werden, in denen starke Störfelder auftreten.
In der Lichtleitfaser 5 erfolgt die Lichtleitung in einem Kern 22 der Lichtleitfaser. Ein Material des Kerns 22 weist einen größeren optischen Brechungsindex als jenes Material auf, welches den Kern 22 umgibt und einen Mantel 23 bildet. Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse kann die Lichtleitfaser 5 eine auf den Mantel 23 aufgebrachte Beschichtung 24 beispielsweise aus Gold umfassen.
Um das gewünschte räumliche Interferenzmuster auf der Detektoreinrichtung zu erhalten, ist bei der dargestellten Ausführungsform die Austrittsfläche 14 gegenüber der Lichtleitrichtung 8 geneigt. Dies bedeutet, wie in 1a gezeigt ist, dass eine Oberflächennormale 16 der Austrittsfläche 14 einen Anschliffwinkel α gegenüber der Lichtleitrichtung 8 aufweist, unter der die Strahlung aus der Lichtleitfaser 5 an dem zweiten Ende 6 austritt.
Eine Auswertung der Intensitätssignale erfolgt in einer Auswerteeinrichtung 25, die als Computer ausgebildet sein kann.
In 2 ist schematisch die an einem Messelement 20 der Detektoreinrichtung 19 erfasste Intensität gegenüber der Zeit aufgetragen. Die optischen Weglängen der an dem Reflektor 10 reflektierten und erneut in den Lichtleiter 5 eingekoppelten Strahlung 13 und der an der Austrittsfläche 14 der Lichtleitfaser 5 reflektierten Strahlung 15 unterscheiden sich um die optische Weglänge, die die aus der zweiten Austrittsfläche 6 der Lichtleitfaser 5 austretende Strahlung und die an dem Reflektor 10 zurückreflektierte Strahlung 11 entlang der optischen Wegstrecke 9 zurücklegen. Die auf einem Messelement überlagerten Strahlungsanteile 13, die an dem Reflektor 10 reflektiert wurden, und die Strahlungsanteile 15, die an der Austrittsfläche 14 des zweiten Endes 6 der Lichtleitfaser 5 reflektiert wurden, weisen zwar dieselbe Frequenz (bei Vernachlässigung möglicherweise aufgrund einer Bewegung des Reflektors 10 relativ zu der Austrittsfläche 14 verursachten Dopplerverschiebungen) auf, jedoch weisen diese eine Phasendifferenz auf, die durch die unterschiedlich zurückgelegten optischen Weglängen bedingt ist. Ändert sich im zeitlichen Verlauf die zu vermessende optische Weglänge, so ändert sich der Phasenversatz zwischen den über dem Detektor überlagerten Strahlungsanteilen 13, 15, so dass ein sich ergebendes Interferenzsignal im zeitlichen Verlauf hinsichtlich einer Amplitude schwankt. Geht man beispielsweise davon aus, dass die zu vermessende optische Weglänge der Strecke 9 ausschließlich von dem geometrischen Abstand des Reflektors 10 von dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 abhängig ist, so wird eine Änderung der gemessenen Amplitude zwischen konstruktiver Interferenz (maximale Amplitude 31) zu einer destruktiven Interferenz (minimale Amplitude 32) dadurch bewirkt, dass ein Abstand zwischen dem Reflektor 10 und dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 um einen Betrag geändert wird, der einem Viertel der Wellenlänge λ der kohärenten Strahlung 3 entspricht. Hierbei werden möglicherweise auftretende Frequenzänderungen aufgrund des Dopplereffekts nicht berücksichtigt. Da eine Verlängerung der optischen Weglänge entlang der Strecke 9 von einer Verkürzung der optischen Weglänge entlang der Strecke 9 in dem Messsignal 30, welches in 2 gegenüber der Zeit aufgetragen ist, nicht unterscheidbar ist, können Änderungen der relativen Bewegungsrichtung zwischen dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 und dem Reflektor 10 zumindest, wenn sie bei optischen Weglängen der zu vermessenden optischen Strecke 9 auftreten, die zu einer maximalen konstruktiven Interferenz oder zu einer maximalen destruktiven Interferenz führen, nicht ermittelt werden.
Daher können bei einer Auswertung des Intensitätssignals eines Messelements nur kleine Weglängenänderungen der zu vermessenden optischen Weglänge zuverlässig ermittelt werden, und zwar über solche Bereiche, die ein sinusförmiges Interferenzsignal liefern. Wird die optische Weglängenänderung entlang der Strecke 9 beispielsweise aufgrund einer Schwingung des Reflektors 10 relativ zu dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 verursacht, bedeutet dies, dass nur sehr kleine Amplituden zuverlässig vermessen werden können. Wesentlich für eine Verbesserung der Messung ist es, dass der an dem Reflektor reflektierte Anteil 13 und der an der Austrittsfläche 14 des zweiten Endes 6 der Lichtfaser 5 reflektierte Anteil 15 so geführt und auf der Detektoreinrichtung 19 überlagert werden, dass diese auf oder in der Detektoreinrichtung 19 zusätzlich ein räumliches Interferenzmuster ausbilden. Hierdurch wird es möglich, zeitgleich mittels zweier Messelemente 20 Intensitätssignale zu erfassen. Beide Intensitätssignale zeigen im zeitlichen Verlauf Intensitätsschwankungen, die von der sich verändernden optischen Weglänge entlang der Strecke 9 abhängig sind. In dem örtlichen Interferenzmuster werden die Messelemente 20 so angeordnet bzw. bei einer Zeilenkamera solche Messelemente 20 ausgewählt, dass diese einen Phasenversatz zueinander aufweisen, der von 180°, 360°, 540°, ... abweicht. Vorzugsweise wird ein Phasenversatz von 90°, 270°, 450°, ... angestrebt. Zum selben Zeitpunkt wird somit an den mindestens zwei Messelementen 20 eine unterschiedliche Interferenzintensität aufgrund der durch die zu vermessende optischen Weglänge verursachten Phasendifferenz zwischen der an einem Reflektor 10 reflektierten Strahlung 11, 13 und der an der Austrittsfläche 14 des zweiten Endes 6 der Lichtleitfaser 5 reflektierten Strahlung 15 gemessen. Egal an welcher Position entlang der Strecke 9 eine Änderung der Bewegungsrichtung zwischen der zweiten Austrittsfläche 6 und dem Reflektor 10 auftritt, misst immer mindestens eines der mindestens zwei Messelemente 20 eine Interferenzintensität, die weder einer maximalen Interferenzintensität noch einer minimalen Interferenzintensität entspricht.
In 3 ist schematisch das örtliche Interferenzmuster 40, welches zu einem Zeitpunkt auftritt, schematisch dargestellt. Es ist ein Zeitpunkt gewählt, an dem im Zentrum des Interferenzmusters ein Intensitätsmaximum 41 gemessen wird. Weitere Orte maximaler konstruktiver Interferenz (maximaler Intensität 41) sind durch durchgezogene Kreise schematisch dargestellt. Orte minimaler Intensität 42 (maximaler destruktiver Interferenz) sind durch gepunktete Kreise dargestellt. Entlang einer frei gewählten Achse 43, die durch einen Mittelpunkt 44 des Interferenzmusters 40 gelegt ist, sind mehrere Messelemente 20-1 bis 20-6 angeordnet. Die Messelemente 20-1, 20-3, 20-5 sind an Positionen angeordnet, die jeweils eine maximale Intensität aufweisen. Diese weisen zueinander in dem Interferenzmuster einen Phasenabstand von 360° (2π) auf. Die übrigen Messelemente 20-2, 20-4, 20-6 sind jeweils um 90° gegenüber dem benachbarten Messelement 20-1, 20-3, 20-5 versetzt angeordnet, so dass diese eine schwächere Intensität, jedoch endliche Intensität messen, während an den Messelementen 20-1, 20-3, 20-5 die maximale Intensität gemessen wird.
Um eine Statistik bei der Messauswertung zu verbessern, ist es von Vorteil, nicht nur zwei Messelemente, sondern mehrere Messelemente in der Weise auszuwerten, dass jeweils Messelemente, die einen Phasenversatz von 2π in dem örtlichen Interferenzmuster aufweisen, gemeinsam ausgewertet werden. Bei dem in 3 dargestellten Interferenzmuster 40 und den darin dargestellten Messelementen 20-1 bis 20-6 bedeutet dies, dass beispielsweise die Messelemente 20-1, 20-3 und 20-5 zusammengefasst und ausgewertet werden zur Ermittlung des einen Intensitätssignals 51 und andererseits die Messsignale der Messelemente 20-2, 20-4, 20-6 zusammengefasst werden, um das andere Intensitätssignal 52 für die Quadraturanalyse zu ermitteln. Ebenso sind Auswertungen möglich, wo die Quadraturanalyse für unterschiedliche Paare ausgeführt und anschließend eine statistische Mittelung durchgeführt wird, wobei jeweils das eine Intensitätssignal von einem der Messelemente 20-1, 20-3, 20-5 und das andere Intensitätssignal von einem der Messelemente 20-2, 20-4, 20-6 stammt. Es sind auch andere statistische Auswertungen denkbar, bei denen die Messsignale miteinander kombiniert werden.
In 4 sind exemplarisch ein Intensitätssignal 51 (durchgezogene Linie) des Messelements 20-1 und ein weiteres Intensitätssignal 52 (gestrichelte Linie) des Messelements 20-2 jeweils gegen die Zeit in einem Graphen aufgetragen. Das Intensitätssignal 51 des einen Messelements 20-1 eilt dem anderen Messsignal 52 des Messelements 20-2 jeweils um einen konstanten Phasenbetrag von annähernd 90° voraus. Dies ermöglicht es, eine hier als Quadraturanalyse bezeichnete Auswertung vorzunehmen. Betrachtet man die Intensitätssignale 51, 52, die jeweils um einen Mittelwert schwanken, der mit einer Amplitude Null assoziiert wird, als Koordinaten eines Punkts 53 in einem orthogonalen kartesischen Koordinatensystem, so wandert dieser Punkt auf einer ellipsenförmigen Bahn 54, wie dies in 5 dargestellt ist. Beträgt der Phasenversatz der beiden Intensitätssignale 51, 52, die mit den beiden kartesischen Koordinatenachsen assoziiert werden, genau 90° und wird deren jeweilige Amplitudenschwankung auf einen einheitlichen Wert normiert, so würde sich eine kreisförmige Bahn ergeben. Der durch die aktuelle optische Weglänge bestimmte Phasenversatz, welcher mit dem Polarwinkel φ des durch die beiden Intensitätssignale festgelegten Punkts assoziiert ist, ändert sich bei einer Änderung der optischen Weglänge um einen Betrag, der der Wellenlänge λ der Strahlungswellenläng entspricht, um 2π. Weisen die Messsignale 51, 52 nicht exakt einen 90°-Phasenversatz im örtlichen Interferenzmuster auf oder sind nicht beide Intensitäten 51, 52 auf dieselbe Amplitude normiert, so wird sich der Winkelbereich des Phasenwinkels Δφ in der Ebene nicht mit gleichförmiger Geschwindigkeit bei konstant gleichförmiger optischer Weglängenänderung verändern.
In 6 sind noch einmal zwei Intensitätssignale 51, 52, die jeweils zeitgleich erfasst sind, gegen die Zeit aufgetragen.
In 7 ist die Bahn 54 aufgetragen, die ein Koordinatenpunkt 53 in der Ebene durchläuft, wenn man die beiden Intensitätssignale 51, 52 nach 6 als kartesische Koordinaten auffasst. Je nachdem, in welcher Richtung die Bahn durchlaufen wird, vergrößert oder verkleinert sich die zu vermessende optische Weglänge. Dies bedeutet, bei jeder Richtungsänderung der Umlaufrichtung um einen Ursprung 55 der elliptischen oder kreisförmigen Bahn 54 tritt ein Wechsel zwischen einem Verkürzen oder Verlängern der optischen Weglänge auf. Solche Umlaufrichtungsänderungen korrespondieren jeweils mit einem Umkehrpunkt der Relativbewegung zwischen dem zweiten Ende 6 der Lichtleitfaser 5 und dem Reflektor 10. Da jeder Umlauf entlang der Ellipse einer Wegstrecke von λ (der Wellenlänge der kohärenten Strahlung 3) entspricht, kann man anhand des Winkels φ die Auslenkung des Reflektors 10, d. h. die Weglängenänderung, ermitteln. Im Prinzip ist es möglich, die Umlaufrichtung über eine Kalibration entweder einer Verkürzung der optischen Weglänge oder einer Vergrößerung der optischen Weglänge zuzuordnen. Sofern keine Phasensprünge bei der kohärenten Strahlung auftreten, ist somit prinzipiell auch eine präzise Erfassung der relativen optischen Weglängenänderung möglich.
Ist man jedoch nur an den Frequenzen interessiert, mit denen sich die optische Weglänge periodisch ändert, so ist eine Assoziation der Umlaufrichtung bzw. Durchlaufrichtung der Bahn 54 mit entweder einer Weglängenverkürzung oder Weglängenerhöhung nicht notwendig. In einem solchen Fall reicht es aus, die Auslenkungsrichtung einmal beliebig festzulegen. Trägt man dann die anhand des bestimmten Phasenwinkels φ ermittelte Auslenkung 61 gegen die Zeit auf, erhält man einen Graphen, wie dieser beispielhaft in 8 dargestellt ist. Führt man für dieses Zeitspektrum eine Fast-Fourier-Transformation aus, so erhält man ein zugehöriges Frequenzspektrum, wie dieses beispielhaft in 9 dargestellt ist.
Aufgrund der gewählten Auswertungsmethoden sind somit sehr kurze Bauformen optischer Mikrofone möglich. Dies bedeutet, eine Wegestrecke zwischen dem zweiten Ende der Lichtleitfaser und dem Reflektor kann minimal gewählt werden. In einzelnen Ausführungsformen kann sogar eine zweite Einkoppeloptik eingespart werden.
Eine andere Anwendung stellt, wie oben bereits erwähnt, eine Vibrationsanalyse von Strukturschwingungen dar. Bei Ausführungsformen, bei denen der Reflektor 10 und das zweite Ende 6 der Lichtleitfaser 5 in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind, können Dichtefluktuationen in dem Medium zwischen der Austrittsfläche 14 der Lichtleitfaser 5 und dem Reflektor 10, welche durch Temperaturschwankungen und/oder Schalldruckschwankungen verursacht sind, präzise vermessen werden.
Werden mehrere Strahlteiler, Lichtleitfasern und Reflektoren verwendet, so können auf einfache Weise Mikrofonarrays aufgebaut werden. Hierbei können auf einem Zeilenarray die Interferenzsignale mehrerer Mikrofone unabhängig voneinander ausgewertet werden. Diese erzeugen hierbei jeweils ein eigenes Interferenzmuster auf dem als Zeilensensor ausgebildeten photoempfindlichen Detektor. Werden beispielsweise mit Gold beschichtete Lichtleitfasern verwendet, so können Messungen auch in Bereichen hoher Temperaturen zuverlässig ausgeführt werden.
Die Auswertung der Messsignale kann in einem Computer oder einem speziell hierfür hergerichteten Halbleiterbauelement, beispielsweise einem programmierbaren FPGA oder einem Mikrocontroller ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, einen speziellen Mikrochip oder eine fest verdrahtete Schaltung für die Auswertung der Messsignale zu verwenden. Auf eine genaue Beschreibung der Messelemente der Detektoreinrichtung ist hier verzichtet worden. Hierfür können gewöhnliche Halbleiterbauelemente, beispielsweise Avalanche-Photodioden oder auch ein CCD-Zeilenarray, verwendet werden. Auch andere photoempfindliche Sensoren können hierbei eingesetzt werden. Werden einzelne Messelemente in eine Detektoreinrichtung eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn diese relativ zueinander justierbar sind, um die korrekte Phasenbeziehung der gemessenen Intensitätssignale in dem örtlichen Interferenzmuster einstellen zu können. Wird ein Zeilenarray verwenden, so können die entsprechenden Messelemente aus einer Gesamtheit der vorhandenen Messelemente des Arrays gezielt ausgewählt werden.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die einzelnen beschriebenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, um an die jeweilige Messsituation angepasste Ausführungsformen der Erfindung zu erstellen.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: erste Einkoppeloptik
3: kohärente Strahlteiler
4: erstes Ende
5: Lichtleitfaser
6: zweites Ende
7: austretender Strahlungsanteil
8: Lichtleitrichtung
9: Strecke (der zu vermessenden optischen Weglänge)
10: Reflektor
11: reflektierter Strahlungsanteil
12: zweite Einkoppeloptik
13: wieder eingekoppelter, am Reflektor reflektierter Anteil der Strahlung
14: Austrittsfläche
15: an der Austrittsfläche reflektierter Strahlungsanteil
16: Flächennormale
17: Anschliffwinkel α
18: optisches Führungselement
19: Detektoreinrichtung
20: Messelemente
20-1: Messelement
20-2: Messelement
20-3: Messelement
20-4: Messelement
20-5: Messelement
20-6: Messelement
21: Laser
22: Kern
23: Mantel
24: Beschichtung
25: Auswerteeinrichtung
30: Messsignal
31: maximale Amplitude
32: minimale Amplitude
40: Interferenzmuster
41: maximale Intensität
42: minimale Intensität
43: freigewählte Achse
44: Mittelpunkt
51: erstes Intensitätssignal
52: zweites Intensitätssignal
53: Punkt
54: Bahn
55: Ursprung
61: Auslenkung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008038883 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Matthew E. Palmer et al. mit dem Titel” „Un-cooled Fiber-Optic Pressure Sensor for Gas Turbine Engines, Operation to 1922°F and 500 psig.” 44th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit, 9. bis 12. Januar 2006, Reno, Nevada, USA [0003]

Claims

Messeinrichtung (1) zur Vermessung sich verändernder optischer Weglängen umfassend eine Lichtleitfaser (5) mit einem ersten Ende (4) und einem zweiten Ende (6), ein optisches Führungselement (18), eine photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) und eine Auswerteeinrichtung (25), wobei in den Messeinrichtung (1) kohärente Strahlung (3) einkoppelbar ist, so dass in das erste Ende (4) der Lichtleitfaser (5) einkoppelt, und wobei das zweite Ende (6) beabstandet zu einem Reflektor (10) anordenbar ist, so dass zumindest ein Teil des aus dem zweiten Ende (6) austretenden Licht (11, 13), welches an dem Reflektor (10) reflektiert ist, wieder in das zweite Ende (6) der Lichtleitfaser (5) eingekoppelt wird, und das optische Führungselement (18) relativ zu der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) so angeordnet ist, dass der an dem Reflektor (10) reflektierte, und in die Lichtleitfaser an dem zweiten Ende (6) eingekoppelte Anteil (15) und ein an einer Austrittsfläche (14) des zweiten Endes (6) der Lichtleitfaser (5) in diese zurückreflektierte Anteil (15) der Strahlung, die gemeinsam aus dem ersten Ende (4) der Lichtleitfaser (5) austreten, auf die photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) geführt werden, so dass diese sich dort überlagern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlführung so ausgeführt ist, dass sich in oder auf der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) ein örtliches Interferenzmuster (40) ausbildet und die photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) mindestens ein erstes Messelement (20-1) zum Erfassen eines ersten Intensitätssignals (51) und ein zweites Messelement (20-2) zum Erfassen eines zweiten Intensitätssignals (52) umfasst, die von der überlagerten Strahlung beleuchtet sind, und die Auswerteeinrichtung (25) ausgebildet ist, aus den zeitgleich gemessenen Intensitätssignalen (51, 52) ein Signal φ abzuleiten, das ein Maß für die optische Weglänge zwischen der Austrittsfläche (14) an dem zweiten Ende (6) der Lichtleitfaser (5) und dem Reflektor (10) repräsentiert.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (14) der Lichtleitfaser (5) an dem zweiten Ende (6) angeschrägt ist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (25) ausgebildet ist, das die optische Weglänge repräsentierende Signal φ über eine Ermittlung eines Arcustangens eines Quotienten aus den gemessenen, jeweils hinsichtlich eines jeweiligen Mittelwertversatzes korrigierten Intensitätssignalen (51, 52) abzuleiten.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätssignale (51, 52) jeweils hinsichtlich ihrer jeweiligen im Zeitverlauf auftretenden Amplitudenschwankungen normiert sind.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messelement (20-1) und das zweite Messelement (20-2) so zueinander beabstandet sind, dass diese bezüglich eines sich auf oder in der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) ausbildenden räumlichen Interferenzmusters um ((2n + 1)·π)/2 phasenverschoben sind, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich Null ist (n ≥ 0).
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) weitere photoempfindliche Messelemente (20-2, 20-3, 20-4, 20-5, 20-6) umfasst, die so angeordnet sind, dass bezüglich des räumlichen Interferenzmusters (40) jeweils gegenüber dem ersten Messelement (20-1) oder dem zweiten Messelement (20-2) um n·2π phasenverschoben sind, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (25) eine FFT-Einheit umfasst, um anhand eines Satzes mehrerer in zeitlicher Folge ermittelter, die optische Weglänge repräsentierender Werte φ(t), eine Fast-Fourier-Transformation auszuführen, um ein Frequenzspektrum jener Frequenzen zu ermitteln, mit denen sich die optische Weglänge verändert.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (5) eine Singlemodefaser ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (5) eine mit Gold beschichtete Singlemodefaser ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (10) auf oder an einem mechanisch auslenkbaren Element oder als mechanisch auslenkbares Element ausgebildet ist, wobei das auslenkbare Element um eine Ruhelage auslenkbar ist, die einen über eine Halterung festgelegten festen Abstand von dem zweiten Ende der Lichtleitfaser aufweist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element eine Membran ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (10) in einem vorgegebenen festen, starr unveränderlichen Abstand zu der Austrittsfläche (14) des zweiten Ende (6) der Lichtleitfaser (5) angeordnet ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) einen Laser (21), insbesondere einen Singlemode-Laser, zum Erzeugen der kohärenten Strahlung (3) umfasst.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die photoempfindliche Detektoreinrichtung (19) ein Detektorarray mit mehreren Messelementen (20-1, ... 20-6) umfasst.
Verfahren zum Messen von optischen Weglängenveränderungen, umfassend die Schritte Einkoppeln kohärenter Strahlung (3) in ein erstes Ende (4) einer Lichtleitfaser (5); Reflektieren eines Teils (15) der Strahlung an einer Austrittsfläche der Lichtleitfaser (5) an dem zweiten Ende (6) zurück in die Lichtleitfaser (5) und Auskoppeln eines anderen Teils (7) der Strahlung an einem zweiten Ende (6) der Lichtfaser und, Führen des ausgekoppelten Teils (7) der Strahlung auf einen Reflektor (10), so dass zumindest ein Teil (13) der an dem Reflektor reflektierten Strahlung (11) an dem zweiten Ende (6) der Lichtleitfaser (5) wieder in diese eingekoppelt wird, Führen des an dem Reflektor (10) reflektierten durch die Lichtleitfaser (5) zurückgeführten und aus dem ersten Ende (4) austretenden Anteils (15) der Strahlung gemeinsam mit der an der Austrittsfläche (14) des zweiten Endes (6) reflektierten und aus der Lichtleitfaser (5) an dem ersten Ende austretenden Strahlung (15) in Überlagerung auf eine photoempfindliche Detektoreinrichtung (13) und Erfassen mindestens eines Signals (51), aus dem mit Hilfe der Auswerteeinrichtung (25) ein Signal abgeleitet wird, das ein Maß für eine Änderung der optischen Weglänge zwischen dem zweiten Ende (6) der Lichtleitfaser (5) und dem Reflektor (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (3, 7, 11, 13, 15) so geführt wird, dass sich in oder auf der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) ein örtliches Interferenzmuster (40) zwischen dem an der Austrittsfläche (14) reflektierten Strahlungsanteil (15) und dem an dem Reflektor reflektierten Strahlungsanteil (13) ausbildet und mit Hilfe von mindestens zwei Messelementen (20-1, 20-2) der photoempfindlichen Detektoreinrichtung (19) an unterschiedlichen Orten in der Überlagerung der Strahlungsanteile zeitgleiche mindestens zwei Intensitätssignale (51, 52) erfasst werden, die zur Auswertung herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektieren des Teils der Strahlung an der Austrittsfläche (14) an dem zweiten Ende (6) zurück in die Lichtleitfaser (5) mittels einer angeschrägten Austrittsfläche (14) ausgeführt wird.