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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vorrichtungen und Verfahren zur interferometrischen Vermessung eines Objekts sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt: So ist beispielsweise ein typischer Aufbau als Laser-Doppler-Vibrometer bekannt, welcher einen Laser als Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls umfasst, eine Strahlteilervorrichtung zur Aufteilung des Ausgangsstrahls in einen Mess- und einen Referenzstrahl, eine optische Überlagerungsvorrichtung und einen ersten Detektor.
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Der Messstrahl wird auf einen Messpunkt auf dem Objekt geleitet und der zumindest teilweise reflektierte Messstrahl („Empfangsstrahl” genannt) wird zusammen mit dem Referenzstrahl auf einer Detektorfläche des Detektors überlagert, sodass durch Auswertung des Interferenzsignals, beispielsweise auf eine Bewegung der Objektoberfläche am Messpunkt in Richtung der optischen Achse des Messstrahls rückgeschlossen werden kann.
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Die Strahlungsquelle muss hierbei monochromatische Strahlung erzeugen oder zumindest Strahlung mit einer hinreichend großen Kohärenzlänge. Typischerweise werden Laser als Strahlungsquellen verwendet.
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Darüber hinaus sind Anordnungen bekannt, welche einen heterodynen Aufbau aufweisen. Hierbei wird typischerweise mittels einer Braggzelle eine Frequenzverschiebung zwischen Referenz- und Messstrahl bewirkt. Grundsätzlich entsteht durch die Interferenz der überlagerten Mess- und Referenzstrahlen eine Intensitätsmodulation mit der Frequenz der Differenzfrequenz der beiden Strahlen. Bei einem heterodynen Aufbau setzt sich die Differenzfrequenz auf der mit der Braggzelle eingebrachten Frequenzverschiebung und der Dopplerverschiebung durch Bewegung des Objekts zusammen. Die bei dem heterodynen Aufbau eingebrachte Frequenzverschiebung dient im elektrotechnischen Sinne als Trägerfrequenz, welche durch die Geschwindigkeit des Objekts frequenzmoduliert wird bzw. durch Entfernungsänderungen des Objekts phasenmoduliert wird. Durch Phasendemodulation des modulierten Trägersignals lässt sich die Bewegung des Objekts somit in der Entfernungskoordinate zurückgewinnen. Durch Frequenzdemodulation des modulierten Trägersignals lässt sich die Geschwindigkeit des Objekts zurückgewinnen.
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Weiterhin ist es bekannt, im Strahlengang des Messstrahls eine Abbildungsoptik anzuordnen, mittels derer der Messstrahl auf den Messpunkt auf dem Objekt fokussiert wird. Die Abbildungsoptik wirkt somit als Fokussiereinrichtung.
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Desweiteren ist aus
DE 11 2012 002 316 T5 eine Anordnung eines Schwarzschild/Cassegrain-Objektivs, welches mit einem sichtbaren Ferndfeldbildgebungssystem gekoppelt ist und das nicht mit dem Abfrage-(IR)-Strahlenbündel interferiert, bekannt.
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Aus
US 7 933 067 B1 ist ein Flat-Field Schmidt Teleskop bekannt, welches über einen erweiterten Gesichtsbereich verfügt.
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Aus
DE 10 2009 049 932 A1 ist eine Vorrichtung zur interferometrischen Schwingungsmessung an einem Objekt bekannt, welche einen Messstrahl im IR-Bereich mit einer Wellenlänge größer 1.100 nm aufweist. Hierdurch ergeben sich die Vorteile, dass Messungen an einem Objekt von dem menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden und dass hohe Intensitäten des Messstrahls bei verglichen mit der Verwendung von Messstrahlen im sichtbaren Bereich geringeren Sicherheitsvorkehrungen möglich sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anwendungsbereich der vorbekannten Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts zu erweitern, indem die Signalqualität verbessert und die mögliche Reichweite vergrößert wird.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in Ansprüchen 2 bis 12. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung aufgenommen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur interferometrischen Vermessung eines Objekts, insbesondere zur Schwingungsmessung an dem Objekt ausgebildet.
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Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls auf, eine Strahlteilervorrichtung zur Aufteilung des Ausgangsstrahls in einen Mess- und einen Referenzstrahl, eine optische Überlagerungsvorrichtung und einen ersten Detektor.
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Wie bei interferometrischen Aufbauten an sich bekannt, sind Überlagerungsvorrichtungen und erster Detektor derart zusammenwirkend ausgestaltet, dass der von dem Objekt zumindest teilweise reflektierte Messstrahl als Empfangsstrahl und der Referenzstrahl auf mindestens einer Detektorfläche des ersten Detektors zumindest teilweise überlagert sind. Empfangsstrahl und Referenzstrahl erzeugen somit ein Interferenzsignal, mittels dessen eine Vermessung des Objekts erfolgen kann, insbesondere eine Schwingungsmessung an dem Objekt.
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Weiterhin weist die Vorrichtung einen Bilddetektor zur Abbildung eines flächigen Bildbereiches auf dem Objekt auf. Im Gegensatz zu dem ersten Detektor ist die Funktion des Bilddetektors somit nicht das Messen eines Interferenzsignals, sondern die optische bildgebende Abbildung eines flächigen Bildbereiches auf dem Objekt, beispielsweise zur Anzeige mittels einer bildgebenden Einheit wie einem Bildschirm.
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Wesentlich ist nun, dass die Abbildungsoptik einen optischen Primärspiegel und einen optischen Sekundärspiegel aufweist, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Strahlengang des Empfangsstrahls von dem Objekt über den Primärspiegel zu dem Sekundärspiegel verläuft und der Strahlengang des Messstrahls über den Sekundärspiegel zu dem Primärspiegel und dem Objekt verläuft.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit bereits dadurch von vorbekannten Vorrichtungen, dass die Abbildungsoptik nicht oder zumindest nicht ausschließlich durch optische transmittierende Linsen ausgebildet ist, sondern zumindest einen optischen Primärspiegel und einen optischen Sekundärspiegel in der zuvor genannten Anordnung im Strahlengang von Mess- und Empfangsstrahl aufweist. Durch Verwendung dieser Spiegel ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits möglich, eine Fokussierung des Messstrahls über große Distanzen auf einen Messpunkt eines weit entfernten Objekts durchzuführen, so dass der Anwendungsbereich der vorbekannten Vorrichtung erweitert wird.
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Weiterhin ist der Sekundärspiegel der erfindungsgemäßen Vorrichtung als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet und auf der dem Primärspiegel abgewandten Seite des Sekundärspiegels ist der Bilddetektor zur zumindest teilweisen Detektion der von dem Sekundärspiegel transmittierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere bevorzugt von Licht im sichtbaren Bereich vorgesehen.
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Der Sekundärspiegel ist derart ausgebildet und im Strahlengang der Vorrichtung angeordnet, dass die von dem Sekundärspiegel reflektierte Strahlung zumindest teilweise als Empfangsstrahl mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor überlagert ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit weiterhin dadurch von vorbekannten Vorrichtungen, dass mittels des Sekundärspiegels eine Auftrennung der auf den Sekundärspiegel auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, insbesondere von Licht erfolgt, derart, dass die von dem Sekundärspiegel transmittierte Strahlung zumindest teilweise auf den Bilddetektor auftrifft und die reflektierte Strahlung zumindest teilweise als Empfangsstrahl mit dem Referenzstrahl auf dem ersten Detektor überlagert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit den Vorteil auf, dass hinsichtlich der Abbildung des Messpunktes auf dem Objekt auf den ersten Detektor eine Optimierung des Zusammenwirkens von Primärspiegel und der spiegelnden Oberfläche des Sekundärspiegels sowie gegebenenfalls weiterer optischer Komponenten erfolgen kann, insbesondere eine Optimierung hinsichtlich des Fokussierens auf weit entfernte Messobjekte. Unabhängig hiervon kann durch Zusammenwirkung des Primärspiegels mit der optisch transmittierenden Eigenschaft des Sekundärspiegels und gegebenenfalls weiterer optischer Komponenten eine Optimierung der Abbildung des Bildbereiches auf den Bilddetektor erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit insbesondere den Vorteil auf, dass nur ein Teil der Abbildungsoptik mit gemeinsamen Strahlengängen von Mess- und Empfangsstrahl einerseits und dem Strahlengang der Abbildung des Bildbereiches auf dem Bilddetektors andererseits vorliegen, da eine Trennung der Strahlenwege an dem Sekundärspiegel aufgrund dessen teildurchlässiger Ausbildung erfolgt.
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Hierdurch lassen sich insbesondere unabhängige Optimierungen der beiden vorgenannten optischen Aufgaben vornehmen. Insbesondere können unterschiedliche Brennweiten zur Fokussierung des Messstrahls einerseits und zur Abbildung des Bildbereiches auf dem Bilddetektor andererseits realisiert werden.
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Vorzugsweise sind daher Primärspiegel und Sekundärspiegel, gegebenenfalls mit weiteren optischen Elementen zusammenwirkend ausgebildet, den Messstrahl auf einen Messpunkt des Objekts mit einer Messstrahl-Brennweite zu fokussieren.
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Primärspiegel, Sekundärspiegel und gegebenenfalls vorhandene nachfolgende Linsenoptiken sind vorzugsweise derart zusammenwirkend ausgebildet, den Bildbereich auf dem Messobjekt mit einer Bild-Brennweite auf dem Bilddetektor abzubilden.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der vorzugsweisen Ausführungsform realisiert, indem Messstrahl-Brennweite und Bild-Brennweite unterschiedlich sind. Insbesondere können, die optische Abbildung des Messstrahls und die optische Abbildung des Bild vollkommen unterschiedliche Abbildungstypen haben können. Insbesondere ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Strahlengang der Strahlenquelle, insbesondere eins Lasers als Strahlenquelle, als eine afokale Abbildung ausgebildet.
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Vorzugsweise Brennweite bei der Abbildung des Bildbereiches auf den Bilddetektor im Bereich 100 mm bis 600 mm, bevorzugt 200 mm bis 400 mm, insbesondere etwa 300 mm, um ein ausreichend großes Bildfeld auf dem Bilddetektor zu erzielen.
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Es hat sich insbesondere als Vorteilhaft gezeigt, für die Abbildung auf den Bildetektor, der vorzugsweise als Kamera ausgebildet ist, mit dem Primärspiegel eine Brennweite von 300 mm zu realisieren, um beispielsweise bei einem 1/3-Zoll-Kamerachip ein optimales Bildfeld zu erzielen, bei dem die Auflösung hoch genug ist, um Details zu erkennen, und das Bildfeld groß genug ist, um Orientierung zu bieten.
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Für die Messstrahlabbildung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Messstrahl geräteseitig nach unendlich abgebildet wird, also kollimiert das Spiegelobjektiv verlässt. In diesem Fall entspricht die Gesamtbrennweite des Spiegelobjektivs genau dem aktuellen Arbeitsabstand. Messstrahl-Brennweite und Arbeitsabstand werden dann vorzugsweise über die Position des Sekundärspiegels eingestellt. Der kollimierte Messstrahl wird vorzugsweise über ein Teleskop auf den Durchmesser des Referenzstrahls gebracht.
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Zur Abbildung des Bildbereiches auf dem Bilddetektor weist die Vorrichtung vorzugsweise mindestens eine optische Linse für den Bilddetektor auf, welche bevorzugt im Strahlengang zwischen Sekundärspiegel und Bilddetektor angeordnet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Sekundärspiegel in seiner transmittierenden Eigenschaft als optische Linse für den Bilddetektor ausgebildet ist. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, die optische Linse für den Bilddetektor aus mehreren optischen Elementen, insbesondere mehreren optischen Elementen mit unterschiedlichen Brechungsindices, beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Gläser zu realisieren. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die optische Linse für den Bilddetektor als System von verkitteten Linsen auszubilden. Besonders vorteilhaft ist es, bei Vorsehen eines mehrlinsigen Systems für den Bilddetektor eine Strahlteilerschicht vorzusehen, insbesondere die Strahlteilerschicht an einer Fläche einer der optischen Linsen anzuordnen.
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Der Sekundärspiegel ist daher in einer vorzugsweisen Ausführungsform mit einer speziellen Beschichtung versehen (insbesondere eine an sich bekannte dichroitische Beschichtung), welche das Messlicht reflektiert und das sichtbare Licht für die Abbildung durchlässt.
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Eine vorteilhafte räumlich kompakt realisierbare Ausgestaltung ergibt sich, indem der Primärspiegel eine Öffnung, vorzugsweise eine mittige Öffnung aufweist, durch welche Öffnung der Messstrahl zu dem Sekundärspiegel geführt wird und durch welche Öffnung der Empfangsstrahl von dem Sekundärspiegel zu dem ersten Detektor geführt wird.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, Primärspiegel und Sekundärspiegel nach Art eines Cassegrain-Teleskops auszubilden, mit dem Primärspiegel als Hauptspiegel und dem Sekundärspiegel als Fangspiegel. Besonders vorteilhaft ist der Grundaufbau eines Schmidt-Cassegrain-Teleskops oder eines Maksutov-Teleskops mit jeweils einer entsprechenden optischen Korrekturplatte. Es kann hierbei somit auf grundsätzliche vorbekannte optische Teleskopaufbauten zurückgegriffen werden.
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Vorzugsweise ist zur Realisierung eines technisch unaufwändigen Aufbaus der Primärspiegel als konkav sphärischer oder parabolischer Spiegel, ausgebildet. Der Sekundärspiegel ist vorzugsweise als asphärischer Spiegel, insbesondere konvex-elliptischer-Spiegel ausgebildet.
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Primär- und Sekundärspiegel sind vorzugsweise mit einander zugewandten spiegelnden Flächen angeordnet, wie beispielsweise bei einem Cassegrain-Teleskop realisiert. Bei dieser Anordnung deckt somit der Sekundärspiegel einen Teilbereich des Primärspiegels ab, welcher nicht als Einstrahlfläche des Primärspiegels für den Empfangsstrahl oder zur Abbildung des Bildbereiches verwendet werden kann. Wie bereits bei Cassegrain-Teleskopen bekannt, weist der Primärspiegel vorzugsweise in diesem abgedeckten Bereich eine Öffnung auf, durch welche bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung die Strahlengänge von Mess- und Empfangsstrahl geführt sind. Diese Öffnung kann eine Ausnehmung im Primärspiegel sein. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass diese Öffnung als nicht spiegelnde Fläche des Primärspiegels, d. h. zumindest für Mess- und Empfangsstrahl transmittierender Bereich des Primärspiegels ausgebildet ist.
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Wie zuvor beschrieben, weist der Primärspiegel bevorzugt eine Öffnung zum Durchführen von Mess- und Empfangsstrahl auf. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, einen für Mess- und Empfangsstrahl optisch im transparenten Bereich im Primärspiegel auszubilden. Beispielsweise kann der Primärspiegel als Glasspiegel ausgebildet sein, welcher spiegelnd, insbesondere mittels einer spiegelnden Beschichtung ausgebildet ist, in dem vorgenannten Durchlassbereich für Mess- und Empfangsstrahl jedoch nicht spiegelnd ausgebildet ist, insbesondere dort keine spiegelnde Beschichtung aufweist. Vorzugsweise ist der Bilddetektor derart ausgebildet und angeordnet, dass in Projektion auf den Primärspiegel der Außenumfang des Bilddetektors den Außenumfang des Sekundärspiegels nicht überragt. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt somit durch den Bilddetektor keine über die bereits durch den Sekundärspiegel erfolgte Abschottung des Primärspiegels hinausgehende Abschattung.
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Zur Einstellung des Fokuspunktes des Messstrahls ist vorzugsweise der Abstand zwischen Sekundärspiegel und Primärspiegel veränderbar. Hierdurch kann eine Fokussierung des Messstrahls auf Messobjekte in unterschiedlicher Entfernung zu der Vorrichtung erfolgen. Insbesondere ist es vorteilhaft, einen motorischen Fokussierantrieb vorzusehen, mittels dessen der Abstand zwischen Sekundärspiegel und Primärspiegel veränderbar ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine an sich bekannte Fokussiersteuervorrichtung zur bevorzugt motorisierten, weiter bevorzugt automatisierten Fokussierung vorgesehen.
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Vorzugsweise sind Bilddetektor und Sekundärspiegel ortsfest zueinander angeordnet, so dass bei konstanter räumlicher Anordnung zwischen Bilddetektor und Sekundärspiegel diese gemeinsam als räumliche Einheit relativ zu dem Primärspiegel verschiebbar angeordnet ist. Ein Verschieben des Sekundärspiegels relativ zu dem Primärspiegel führt in dieser vorzugsweisen Ausführungsform somit automatisch zu einem Verschieben des Bilddetektors relativ zu dem Primärspiegel, wobei die räumliche Anordnung zwischen Bilddetektor und Sekundärspiegel vorzugsweise unverändert bleibt. Auch hier wird vorteilhafterweise ein motorischer Fokussierantrieb vorgesehen und insbesondere bevorzugt eine Steuervorrichtung zur automatischen Fokussierung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Laserstrahlen über die beiden Spiegel (Primär- und Sekundärspiegel) nach unendlich abgebildet, also kollimiert, so dass die gemeinsame Fokussierung von Laserstrahlen und Kamerabild auf die gleiche Entfernung sichergestellt ist. Der von den abbildenden Spiegeln erzeugte Strahldurchmesser wird hierbei weiter bevorzugt mit einem weiteren Linsenteleskop auf den Wert des Strahldurchmessers im Interferometer reduziert.
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Die Strahlungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise als Laser ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls im IR-Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge größer 1.100 nm ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Messstrahl für das menschliche Auge nicht sichtbar ist und somit Messungen an einem Objekt von dem menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden und höhere Intensitäten des Messstrahles. verglichen mit der Verwendung eines Messstrahles im sichtbaren Bereich, wegen der geringeren Schädigungswirkung bei geringeren Sicherheitsvorkehrungen verwendet werden können.
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Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Sekundärspiegel entsprechend für elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich reflektierend und bevorzugt für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich transmittierend ausgebildet ist. Hierdurch wird in einfacher Weise eine Auftrennung des sichtbaren Spektralbereiches zur Detektion durch den Bilddetektor und des IR-Bereichs zur Ausbildung eines Interferenzsignals bewirkt.
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Insbesondere bei Erzeugen eines Ausgangsstrahls im IR-Bereich ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass sich mittels der Abbildungsoptik der Fokuspunkt des Messstrahls und die Fokusebene zur Abbildung des Bildbereiches auf dem Bilddetektor gleichzeitig und identisch verschieben. Hierdurch kann durch Fokussieren, d. h. „Scharfstellen” des mittels des Bilddetektors aufgenommen optischen Bildes des Bildbereiches gleichzeitig ein Fokussieren des Messstrahls auf den Messpunkt auf dem Messobjekt erfolgen.
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Es ist daher insbesondere vorteilhaft, dass der Bildbereich den Messpunkt umgibt, insbesondere, dass der Messpunkt in etwa mittig in dem Bildbereich angeordnet ist.
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Die gleichzeitig und gemeinsame Änderung von Fokuspunkt und Bildebene wird insbesondere in einfacher Weise realisiert, in dem wie zuvor beschrieben Sekundärspiegel und Bilddetektor als gemeinsame räumliche Einheit relativ zu dem Primärspiegel verschiebbar angeordnet sind, insbesondere mittels eines motorischen Fokussierantriebs verschiebbar. Insbesondere ist es vorteilhaft, Bilddetektor und Sekundärspiegel auf einem motorisch verschiebbaren Schlitten anzuordnen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise als Vibrometer ausgebildet, in dem eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche aus dem Interferenzsignal Schwingungsdaten des Objekts ermittelt. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, die Vorrichtung als heterodyne interferometrische Vorrichtung auszubilden, in dem, wie eingangs beschrieben, mittels eines Frequenzschiebers, wie beispielsweise einer Braggzelle, zwischen Referenz- und Messstrahl eine Frequenzverschiebung bewirkt wird. Hierdurch lässt sich zusätzlich zu einer Messung der Bewegungsgeschwindigkeit der Oberfläche des Objekts auch die Bewegungsrichtung ermitteln.
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Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher ein Bilddetektor und ein Sekundärspiegel gemeinsam auf einem verfahrbaren Schlitten angeordnet sind und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher ein Primärspiegel verfahrbar angeordnet ist.
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In den Figuren sind schematische, nicht maßstabsgetreue Teildarstellungen gezeigt. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts in Teildarstellung gezeigt.
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Die Vorrichtung weist ein als Vibrometer ausgebildetes Interferometer auf. Dieses ist grundsätzlich gemäß vorbekannten Vibrometern ausgebildet, um mittels eines auf ein Objekt auftreffenden Messstrahls eine Schwingungsmessung der Oberfläche des Objekts vorzunehmen. Insbesondere kann das Interferometer analog zu dem interferometrischen Aufbau gemäß
DE 10 2009 049 932 A1 ausgebildet sein, wobei jedoch vorliegend eine besonders ausgebildete Abbildungsoptik und eine besondere Anordnung einer Kamera zur Bilddetektion vorliegt, wie nachfolgend näher erläutert wird:
Die Vorrichtung weist ein Vibrometer
1 auf. Dieses umfasst eine als Laser ausgebildete Strahlungsquelle, welche einen Ausgangsstrahl mit einer Wellenlänge von 1550 nm erzeugt. Das Vibrometer weist einen an sich bekannten optischen Aufbau eines Zweistrahl-Interferometers auf, indem der Ausgangsstrahl mittels eines Strahlteilers in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird. Der Messstrahl
2 tritt aus dem Vibrometer
1 aus und wird – wie nachfolgend näher erläutert – auf das zu vermessende Objekt
7 abgebildet. Der zumindest teilweise an dem Objekt
7 reflektierte oder gestreute Messstrahl
2 wird – wie ebenfalls nachfolgend näher erläutert – wieder zu dem Vibrometer
1 geleitet und tritt als Empfangsstrahl
3 wieder in den Strahlengang des Vibrometers
1 ein. In an sich bekannter Weise wird der Empfangsstrahl
3 in dem Vibrometer
1 mit dem Referenzstrahl auf einem Detektor überlagert, um mittels einer Auswerteeinheit Schwingungsdaten der Oberfläche des vermessenen Objekts
7 zu ermitteln.
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Das Vibrometer 1 ist hierbei als heterodynes Vibrometer ausgebildet, indem mittels einer optischen Frequenzsschiebekomponente, vorliegend eine Braggzelle, in an sich bekannter Weise eine Frequenzverschiebung zwischen Messstrahl und Referenzstrahl erzeugt wird. Die heterodyne Ausführung stellt eine vorteilhafte Alternative zur homodynen Ausfürhung dar, bei welcher typischerweise die Signale auf einer Trägerfrequenz beobachtet werden. Hierdurch ist in einfacher Weise eine richtungsabhängige Bewegungsmessung realisierbar. Darüber hinaus ist typischerweise eine genauere Messung möglich, da störende Rauschprozesse im Vergleich zu einer homodynen Messung einen geringeren Einfluss aufweisen.
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Der Messstrahl 2 durchläuft nach Austritt aus dem Vibrometer 1 eine erste optische Linse 4a und tritt anschließend durch einen Primärspiegel 5 hindurch. Der Primärspiegel 5 weist hierzu in etwa in einem Scheitelpunkt des Primärspiegels eine Ausnehmung auf. Nach Durchlaufen einer zweiten optischen Linse 4b trifft der Messstrahl 2 auf einen Sekundärspiegel 6. Der Sekundärspiegel 6 ist für die Wellenlänge des Messstrahls 2 reflektierend ausgebildet. Weiterhin ist der Sekundärspiegel als asphärischer Spiegel, vorliegend als konvex-elliptischer Spiegel ausgebildet und der Primärspiegel als konkav-sphärischer Spiegel ausgebildet. Primärspiegel und Sekundärspiegel stellen somit einen optischen Aufbau analog zu einem Cassegrain-Teleskop dar. Insbesondere weisen Primärspiegel und Sekundärspiegel einander zugewandte Spiegelflächen auf.
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Der von dem Sekundärspiegel 6 reflektierte Messstrahl 2 trifft somit auf den Primärspiegel 5 auf und wird von diesem auf das zu vermessende Objekt 7 abgebildet.
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Durch diesen Aufbau ist es möglich, ein Objekt in großer Entfernung zu vermessen. Daher ist das zu vermessende Objekt lediglich schematisch als Objekt 7 dargestellt und die beispielhaft dargestellten Strahlverläufe sind zwischen Objekt und Primärspiegel 5 teilweise gestrichelt darstellt, um die große Entfernung zwischen Objekt 7 und Primärspiegel 5, verglichen mit der Entfernung zwischen Primärspiegel 5 und Sekundärspiegel 6, zu verdeutlichen.
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Wesentlich ist nun, dass auch Licht im sichtbaren Bereich von dem Objekt 7 über den Primärspiegel 5 auf den Sekundärspiegel 6 abgebildet wird. Der Sekundärspiegel 6 ist jedoch transparent für Licht im sichtbaren Bereich ausgebildet, vorliegend in einem Wellenlängenbereich 300 nm bis 800 nm. Licht im sichtbaren Bereich, welches ausgehend von dem Objekt 7 von dem Primärspiegel 5 auf den Sekundärspiegel 6 abgebildet wird, durchdringt somit den Sekundärspiegel 6 und wird über eine dritte optische Linse 4c auf einen als Kamera mit CCD-Chip ausgebildeten Bilddetektor 8 abgebildet.
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Im Gegensatz zu vorbekannten Aufbauten und insbesondere auch unterschiedlich zu dem Aufbau der
DE 10 2009 049 932 A1 (beispielsweise Bildeinheit
12 gemäß
1 dort) ist der Bilddetektor
8 vorliegend somit hinter einem für sichtbares Licht durchlässigen Sekundärspiegel
6 angeordnet.
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Mittels des Bilddetektors 8 kann somit in an sich bekannter Weise, beispielsweise über eine Bilddarstellung auf einem Bildschirm dem Benutzer das Objekt 7 und insbesondere die Umgebung um den mittels des Messstrahls 2 vermessenen Messpunkt auf der Oberfläche des Objekts 7 dargestellt werden, so dass der Benutzer in einfacher Weise eine Auswahl des Messpunktes auf dem Objekt 7 anhand der Bilddarstellung basierend auf den Messdaten der Kamera 8 vornehmen kann.
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Weiterhin sind Sekundärspiegel 6, dritte optische Linse 4c und Bilddetektor 8 ortsfest zueinander auf einem gemeinsamen Schlitten angeordnet, welcher gemäß der mit V in 1 gekennzeichneten Verfahrrichtung auf den Primärspiegel 5 zubewegt und von dem Primärspiegel 5 wegbewegt werden kann. Die Bewegungsrichtung V des vorgenannten Schlittens ist somit parallel zur optischen Achse des Primärspiegels 5. Hierdurch kann in einfacher Weise eine Fokussierung vorgenommen werden, wobei gleichzeitig das Kamerabild des Bilddetektors 8 und der Messstrahl fokussiert werden.
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Die Linsen 4a und 4b bilden ein Strahlaufweitungsteleskop, um einen geringeren Strahldurchmesser im Interferometer an einen größeren Strahldurchmesser im Spiegelteleskop anzupassen. Zwischen Sekundärspiegel 6 und Linse 4b verläuft somit ein kollimierter Strahl, so dass eine Verschiebung des Sekundärspiegels 6, der dritten optische Linse 4c und des Bilddetektors 8 in Richtung V relativ zu der Linse 4b keine Veränderung im Strahlenverlauf zwischen Linse 4b und Bilddetektor 8 bewirkt, so dass bei einer Verschiebung keine Korrektur dieses Strahlengangs notwendig ist.
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Die in 1 dargestellten Komponenten (abgesehen von dem Objekt 7) sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse mit entsprechenden Öffnungen zum Austreten des Messstrahls 2 sowie Eintreten des Empfangsstrahls 3 und der Lichtstrahlen im sichtbaren Bereich angeordnet. Bei ortsfestem Gehäuse verbleibt somit auch bei einer Fokussierung der Primärspiegel 5 ortsfest, wohingegen der vorgenannte Schlitten mit Bilddetektor 8, dritter Linse 4c und Sekundärspiegel 6 relativ zu Primärspiegel 5 und somit auch relativ zu dem Gehäuse bewegt werden.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, welches einen alternativen Aufbau zu dem in 1 dargestellten Aufbau zeigt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen:
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Primärspiegel 5 verfahrbar entlang einer Verfahrrichtung V angeordnet. Auch diese Verfahrrichtung V ist parallel zur optischen Achse des Primärspiegels 5. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Fokussierung somit dadurch, dass der Primärspiegel 5 relativ zu Bilddetektor 8, dritter Linse 4c und Sekundärspiegel 6, ebenso aber auch relativ zur zweiten Linse 4b, ersten Linse 4a und Vibrometer 1 bewegt wird.
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Auch hier sind die gezeigten Komponenten (abgesehen von Objekt 7) vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Bei ortsfesten Gehäusen wird bei Fokussierung somit der Primärspiegel 5 gemäß der Verfahrrichtung V auf den Sekundärspiegel 6 zubewegt oder von diesem wegbewegt und bewegt sich somit auch relativ zu dem Gehäuse, wobei die anderen dargestellten Komponenten ortsfest verbleiben.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel verläuft zwischen Linse 4b und Sekundärspiegel 6 ein kollimierter Strahl. Da jedoch in diesem Ausführungsbeispiel der Primärspiegel 5 bewegt wird und somit der Abstand zwischen Linse 4b und Sekundärspiegel 6 konstant bleibt, könnte auch auf einen kollimierten Strahl zwischen Linse 4b und Sekundärspiegel 6 verzichtet werden, ohne dass bei einem Verfahren des Primäspriegels eine Neujustierung dieser Komponenten notwendig wird.
