DE19512445A1 - Vorrichtung und Verfahren zur differentiellen Entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und Verfahren zur differentiellen Entfernungsmessung bei dem Laserstrahlen mit extrem kurzen Impulsweiten zur Messung einer Entfernung zu einem Objekt oder einer sonstigen Objekteigenschaft verwendet werden.

Es sind bereits ultraschnelle Laseroszillatoren bekannt, mittels denen Impulsweiten der Größenordnung 1/10 einer Femtosekunde mit Impulsenergien im Nanojoule-Bereich bei Impulsfrequenzen, die höher als 100 MHz sind, erzeugt werden können. Im Zuge dieser Entwicklung sind Korrelationstechniken aufgekommen, mittels denen eine Diagnose der ultrakurzen Laserimpulse möglich wurde. Siehe beispielsweise E.P. Ippen und C.V. Shank in "Ultrashort Light Pulses", e.d. S.L. Shapiro; J.A. Armstrong; J. Appl. Phys., 38 2231 (1967); M. Maier, W. Kaiser und J.A. Giordmaine; Phys. Rev. Lett., 17 1275 (1966); E.P. Ippen und C.V. Shank; Appl. Phys. Lett., 27 488 (1975); K.L. Sala, G.A. Kenney-Wallace und G.E. Hall; IEEE J. Quantum Electron. 16(9) 990 (1980); J.J. Fontaine, J.-C. Diels, C-Y Wang und H. Sallaba; Opt. Lett., 6(9) 405 (1981). In diesen Bezugsdokumenten stellt natürlich der Impuls selbst das Ziel der Untersuchung dar.

Da das Gebiet der Laser im Femtosekundenbereich selbst relativ neu ist, wurden erste Anwendungen solcher Laser erst jetzt entwickelt. Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, die Femtosekundenlasertechnologie und damit verbundene Korrelationstechniken im Bereich der Abstandsmessung (differentiellen Entfernungsmessung) und in verwandten Anwendungsbereichen einzusetzen.

Gemäß dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, deren Ziel es ist, die Entfernung zwischen einem Beobachter und einem entfernten Objekt oder zwischen zwei entfernten Objekten zu messen. Mittels gepulster Mikro­ wellenverfahren wurden Vorrichtungen geschaffen, die eine Genauigkeit von einigen Zentimetern über beachtliche Entfernungen ermöglichten. Gepulste Laser-Radar-Verfahren im Nanosekundenbereich führten zu einer leichten Verbesserung der Entfernungsauflösung bis hinab zu einigen Millimetern. Diels und weitere demonstrierte in Opt. & Laser Eng., 4 145 (1983) die Möglichkeit der Verwendung von optischen Impulsen im Subpikosekundenbereich zur Abstandsmessung mittels optischer Zeitbereichsreflektometrie. Andere haben diese und ähnliche Verfahren zur Lösung des Bildaufnahmeproblems bei Objekten, die sich in trüben oder hochstreuenden Medien befinden, eingesetzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, basierend auf einer Autokorrelationstechnik mit ultrakurzen Impulsen, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Entfernungsmessung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1, 12, 17, 18 und 21 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 19.

Gemäß der Erfindung wird der Abstand eines Meßobjekts in bezug auf ein weiteres Meßobjekt mittels einer Vorrichtung, in der ultrakurze optische Impulse eingesetzt werden, von einer von beiden Objekten abgesetzten Position aus gemessen. Dies wird in folgender Weise erreicht. Der Impuls des ultrakurzen Lasers wird in zwei Amplitudenkomponenten aufgespalten. Eine dieser Komponenten wirkt als Zeitreferenz und wird einer wiederholten festgelegten optischen Wegverzögerung unterzogen.

Die andere Komponente wird weiter aufgespalten in eine den zu untersuchenden Objekten entsprechende Zahl von Komponenten. Jede Komponente wird zum selben Zeitpunkt erzeugt, oder wird derart erzeugt, daß die Zeitverzögerungen zwischen der Erzeugung einer jeden Komponente bezüglich den anderen zeitpräzise gerastert sind. Jede Komponente wird in Richtung des Meßobjekts abgestrahlt und das zurückkommende Signal wird gesammelt und einer Zeitfensterung in bezug auf den Zeitreferenzstrahl unterworfen. Der Zeitfensterungs-Prozeß ruft für jede Komponente eine Autokorrelationsspitze hervor; die Laufzeitverzögerung zwischen jeder der Komponenten erscheint als eine Verzögerung bei der Zeitfensterung einer jeden Komponente. Da die Impulsweite der Quelle sehr präzise bekannt ist, kann jede der Zeitverzögerungen gegenüber dieser Impulsweite sehr genau kalibriert werden.

Die Impulsweitenmessung kann zeitgleich mit der Abstandsmessung durchgeführt werden, ohne daß dafür eine getrennte Messung erforderlich ist. Die Laufzeitverzö­ gerungen zwischen den betreffenden gemessenen optischen Wegen ermöglicht eine präzise Messung des differentiellen Abstandes zwischen den untersuchten Objekten. Die Zeitfensterung wird durch Erzeugung einer zweiten Harmonischen in einem nicht linearen Kristall durchgeführt, wobei das Ausgangssignal in einem üblichen Photodetektorelement wie beispielsweise einem Photovervielfacher erfaßt wird. Da das nichtlineare Frequenzverdopplungsverfahren von dem Produkt der Intensitäten des Meß- und Referenzsignals abhängig ist, kann der Signalverlust aufgrund eines schwachen von dem Objekt zurückkehrenden Strahls durch einen (hinsichtlich der Intensität) starken Referenzstrahl kompensiert werden. Aus diesem Grund weist das System eine hohe Empfindlichkeit auf. Aufgrund der Verwendung von ultrakurzen Impulsen ergibt sich ein extrem kurzer Arbeitszyklus des Zeitfensterungsprozesses wodurch eine Unterdrückung von Falschsignalen sichergestellt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines üblichen Autokorrelators mit einem einzelnen Meßzweig, wobei die Sende- und Empfangsfunktionen in verschiedenen Zweigen untergebracht sind;

Fig. 2 Ausführungseinzelheiten eines Autokorrelators;

Fig. 3 die Entstehung des Autokorrelationsverlaufs eines Systems mit bewegtem Referenzzweig;

Fig. 4 eine schematische Konzeptdarstellung eines allgemeinen Autokorrelators zur differentiellen Entfernungsmessung;

Fig. 5A eine schematische Ausführung des Strahlaufteilungs­ protokolls in dem differentiellen Autokorrelator;

Fig. 5B typische Autokorrelationssignale, wobei die vertikale Achse die Autokorrelationsintensität angibt;

Fig. 6A einen Lageplan der Bauelemente zur Messung von Drehmoment und Leistung unter Verwendung eines Autokorrelators mit einem Strahlteiler der veränderbare Referenz- und Meßzweige speist;

Fig. 6B Signalbeispiele, die von Zahnrädern G1 und G2 empfangen wurden;

Fig. 7A eine Spannungsverformung einer Werkzeugschneidekante;

Fig. 7B Meßstrahlen, die auf ein unter Spannung stehendes Objekt gerichtet sind;

Fig. 7C Meßstrahlen, die auf ein unter Spannung stehendes Objekt gerichtet sind;

Fig. 7D eine exemplarische Skizze des differentiellen Autokorrelationsbereichs in Abhängigkeit der Innenspannung gemäß der Bestimmung durch die in Fig. 7B und 7C gezeigten Meßstrahlen;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Oberfläche deren Form durch maschinelle Bearbeitung verändert wurde und bei der eine Echtzeitmessung des lokalen Oberflächenprofils durchgeführt wird;

Fig. 9A die Messung einer lateralen Geschwindigkeit und eines Oberflächenprofilpaars, wobei ein Prinzip der repetierenden Profilierung der Meßoberfläche unter Verwendung der differentiellen Autokorrelation angewandt wird;

Fig. 9B ein weiters erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur Echtzeitmessung der lateralen Geschwindigkeit mit dem Ziel, ein Oberflächenprofil eines Objekts zu bestimmen.

Fig. 9C Zeitgebung und Datenerfassung gemäß dem in Fig. 9B gezeigten Ausführungsbeispiel;

Fig. 9D Oberflächenprofildaten T1, die durch das in Fig. 9B gezeigte Ausführungsbeispiel erfaßt wurden;

Fig. 9E Oberflächenprofildaten T2, die durch das in Fig. 9D gezeigte Ausführungsbeispiel erfaßt wurden;

Fig. 10A ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kontaktlosen Oberflächenprofilmeßvorrichtung;

Fig. 10B Autokorrelationsdaten die mittels der in Fig. 10A gezeigten Vorrichtung erhalten wurden; und

Fig. 10C dreidimensionale Autokorrelationsdaten, die von der in Fig. 10A gezeigten Vorrichtung erhalten wurden.

Der Zweck einer Entfernungsmeßvorrichtung ist die hochpräzise und genaue Messung einer Entfernung zwischen einem im Raum festgelegten Punkt und einem Meßobjekt. Bei der Entfernungsmessung können ultraschmale Impulsweiten einer Laserquelle in effektiver Weise zur Gewinnung einer räumlichen Auflösung bis hinab zu einem Bruchteil der Impulsweite genutzt werden, wobei die der zu messenden Entfernung entsprechende Laufzeit mittels einer Zeitfensterung bestimmt wird.

In Fig. 1 ist eine konzeptionelle Darstellung eines Laserent­ fernungsmeßsystems mit Autokorrelationsverfahren dargestellt. Dieses System ist zusammen mit dessen Ausführung gemäß Fig. 2 und 3 Gegenstand einer Anmeldung desselben Anmelders, die am 1. April 1994 in USA eingereicht wurde, und die bezugnehmend hier eingearbeitet wurde. Dieses System wird detailliert beschrieben, da sowohl das Konzept als auch die physikalischen Ausführungsbestandteile denen der vorliegenden Erfindung entsprechen. Dabei wird eine von einer Quelle 101 erzeugte und durch einen Teiler/Vereiniger 102 in einen Referenz- und einen Meßimpuls aufgeteilte elektromagnetische Strahlung von einer Einrichtung 103 abgestrahlt, um einen optischen Weg d1+d2+d3+d4+d5 zu durchlaufen, wobei sie von einem Strahlsender 103 austritt, an dem Meßobjekt 100 reflektiert/gestreut wird, einen Kollektor 104 durchlaufend zurückkehrt und in einem Vereiniger 106 mit dem abgespaltenen Referenzstrahl zusammengeführt wird. Die Zeitverzögerung zwischen der Amplitudenteilung am Teiler 102 und der Zusammenführung/Zeitfensterung am Vereiniger 106 und einem nichtlinearen Zeittor 107 kann bei exakter Bestimmung als Meßwert für die Entfernung Δd verwendet werden, die aus der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung entlang des optischen Meßweges errechnet werden kann. Ist die (durch die Einrichtung 105 bewirkte) Zeitverzögerung exakt gleich der Laufzeit des Impulses entlang des optischen Entfernungsweges, so erreichen die Impulse den Amplitudenvereiniger 106 zeitgleich. Daher wird das Zeittor 107 geöffnet und ein Signal wird von einem Detektorelement 108, das integrierende optische Filter enthalten kann, aufgezeichnet. Zu allen übrigen Zeitpunkten ist der verzögerte Impuls nicht zeitgleich mit dem Signalimpuls und das Zeittor bleibt geschlossen, wobei sich kein Ausgangssignal an dem Detektorelement 108 ergibt. Das über viele Impulse aufgezeichnete Signal ergibt eine Autokorrelationsfunktion des Impulses. Das Hauptinteresse liegt natürlich in der Zeitverzögerung zwischen dem Signalimpuls und dem Referenzimpuls.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist das System eine Quelle 101 (200 in Fig. 2) zur Erzeugung von extrem kurzen Impulsen elektromagnetischer Energie auf, die vorzugsweise durch einen ultraschnellen gepulsten Laseroszillator gebildet wird. Die Quelle kann aus vielen verschiedenen bekannten Typen ausgewählt werden; eine bevorzugte Quelle stellt beispielsweise ein modenverriegelter titandotierter Saphirlaser dar, der die Erzeugung von transformationsbegrenzten Impulsen einer Dauer von 60fs (Halbwertsbreite) bei einer Wiederholfrequenz von 100 MHz und einer Wellenlänge von 800 nm ermöglicht. Das Laserausgangssignal ist horizontal polarisiert und weist eine mittlere Leistung von ungefähr 100 mW auf. Andere Quellen zur Erzeugung von Impulsen im Femtosekundenbereich, die in vorliegender Erfindung eingesetzt werden können, sind unter anderem (a) modenverriegelte Kerrlinsen-Laser, (b) RPM-, APM- Laser, (c) modenverriegelte polarisationsempfindliche Glasfaser-Laser, (d) aktive modenverriegelte Laser, (e) Glasfaser-, Glasfasergitter- und Glasfaserprisma- Impulskompressoren, die die Bandbreite von im Pikosekundenbereich arbeitenden Impulsquellen erhöhen, (f) Dipolantennen im Terahertz-Bereich, (g) Kontinuum-erzeugende Quellen, (h) Synchrotronquellen, (i) Teilkohärente Röntgenstrahlenquellen, (j) Mikrowellen und Hochfrequenzoszillatoren, (k) aktive oder passive elektrooptische Wellenleiterschalter.

Die Ausgangswellenlänge der Quelle ist relativ frei wählbar, wobei allerdings die Grenze der Impulsweite durch die Wellenlänge der Quelle bestimmt wird. Die empfohlene Ausgangs-Wellenlänge wird auch durch Faktoren wie beispielsweise Absorption und zeitliche Dispersion der Impulse in dem von der elektromagnetischen Energie zu durchdringenden Medium bestimmt. Die Impulse brauchen nicht transformationsbegrenzt sein, d. h. das Produkt aus Impulsweite und Energiebandbreite braucht nicht, wie durch die Heisenberg′sche Unschärferelation vorgegeben, mininmal zu sein. Die Größe und der Funktionsverlauf der bei einem nicht Transformationsgrenzen Impuls auftretenden Frequenzänderung (sweep) wirkt sich auf die Auflösung der gemessenen Entfernung sowie auf das Signalrauschverhältnis des Systems aus. Die Auflösung und/oder das Signalrauschverhältnis sinken mit steigender Frequenzänderung des Impulses.

Die Amplitudenteilung- und/oder Vereinigungselemente 102 und 106 sind auf vielfältige Weise realisierbar: Strahlteiler mit Polarisierplatten, Strahlteiler mit Polarisierwürfeln, Polarisierprismen wie beispielsweise Wollaston-Prismen oder Glan-Prismen, -3dB-Glasfaserkoppler usw. In der nachstehend beschriebenen Fig. 2 wird die Funktion beider Elemente mittels eines nicht polarisierenden Strahlteilers 202 verwirklicht.

Das variable Zeitverzögerungselement 105 ist typischerweise eine optische Verzögerungsleitung und kann in vielfältiger Weise realisiert werden. Der Strahl kann direkt an einem zurückreflektierenden Bauteil (203 in Fig. 2) wie beispielsweise einem Würfel oder einem rechtwinkligen Prisma zurückreflektiert werden, um dadurch einen optischen Referenzweg festzulegen. Das zurückreflektierende Bauteil kann auf einer Translationsbewegungsstufe befestigt sein, die durch eine sich wiederholende dreieckförmige oder andere Signalform angesteuert wird. Mechanische Aktoren, die die Translationsbewegung hervorrufen, können beispielsweise durch elektromechanische oder piezoelektrische Wandlerelemente gebildet sein. Dies führt dazu, daß die optische Weglänge um einen Mittelweg oszilliert. Den gleichen Zweck erfüllen Glasscheiben, die in den und aus dem Weg des optischen Referenzstrahl gedreht werden. Ebenso kann eine optische Glasfaser mit einer Krümmung anstelle des zurückreflektierenden Würfels/Spiegels als Verzögerungsleitung eingesetzt werden. Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel der Verzögerungsleitung wie es beispielsweise von K. F. Kwong et al in Opt. Lett., 18(7) 558 (1993) offenbart ist, besteht aus einem Beugungsgitter und einem Spiegel, der einem Winkelzittern unterworfen ist.

Um den Autokorrelationsverlauf zu erhalten, wird der optische Weg des Referenzzweiges wiederholt oszilliert; ein Servosystem wird zur Echtzeitverfolgung des Meßzweigs verwendet, um eine Rückkopplung zu dem Translationsbewegungs- Bauelement zu erhalten, das daraufhin die Länge des optischen Referenzweges derart einstellt, daß das Korrelationssignal ein Maximum aufweist.

Eine Ausführung des in Fig. 1 schematisch gezeigten Systems ist in Fig. 2 dargestellt. Der Autokorrelator enthält veränderbare Referenz- und Meßzweige 220 und 230 und einen nicht polarisierenden dünnen Strahlteiler 202 mit einer Dicke von 0,5 mm, mittels dem der Laserstrahl (ungefähr 100 mW Durchschnittsleistung) in zwei senkrecht zueinander verlaufende Komponenten mit gleicher Amplitude aufgeteilt wird. Das Licht im Referenzzweig 220 wird an einem rechtwinkligen BK-7 Prisma 203 zurückreflektiert, das auf einem mechanischem Stellglied mit einem maximalen Nennweg von 4 cm angeordnet ist. Die Schwingspule eines Lautsprechers kann beispielsweise als geeignetes Stellglied dienen. Das Prisma wirft den einfallenden Strahl zurück und versetzt ihn gleichzeitig bis zu 10 mm in lateraler Richtung. Der Versatz wird dadurch variabel gestaltet, daß die gesamte Stellgliedanordnung auf einer (nicht gezeigten) Translationsbewegungsstufe angebracht ist. Eine sinus- oder dreieckförmige Spannung mit einer Frequenz von ungefährt 20 Hz wird an das Stellglied angelegt, was eine Auslenkung der optischen Weglänge von ungefähr 2 cm zur Folge hat, wodurch sich der optische Weg des Referenzzweiges sinusförmig um ca. 4 cm um einen Mittelwert verändert.

Die andere Hälfte des Laserstrahls dringt durch den Strahlteiler 202 und wird unter Verwendung eines durch eine konvexe Linse (f = 20 cm) 204 gebildeten Strahlerzeugers/ Kollektors auf die Meßoberfläche 205 fokussiert. Reale Meßoberflächen sind nicht immer hochreflektierend, so daß ein hoher Streugrad und damit eine Dämpfung zu erwartet ist. Eine Lambert′sche Steueroberfläche beispielsweise würde einen Strahl, der innerhalb eines konischen Winkels von 2Θ begrenzt ist, in einen Raumwinkel von fast 2π sr (Sterad) streuen, wodurch sich ein Signalverlust von mehr als einer Größenordnung ergibt. Durch eine Linse mit relativ geringer Brennweite könnte dieser Verlust minimiert werden, wobei allerdings die Wahl einer zu geringen Brennweite zu einem sehr kleinen Konfokalparameter führt, so daß sich ein geringer Bereich entlang der optischen Achse ergibt, innerhalb dem der Strahl schmal fokussiert bleibt. In Anbetracht des elementaren Meßziels, Veränderungen der Oberflächenpositionen bezüglich dem Beobachter in vernünftiger Größe zu messen, und der Anforderung an das Objekt sich über dem gesamten Positionsbereich im Brennpunkt gehalten zu befinden, muß ein Kompromiß zwischen der Sammeleffizienz und der Brennweite erzielt werden. Die zurückkehrenden Signale der beiden Zweige 220, 230 werden aufgrund der Zusammenführung im Strahlteiler 202 parallel gleichgerichtet wobei sich ein lateraler Versatz zwischen den Strahlen ergibt. Danach werden sie mittels einer Linse 206 mit geringer Brennweite (f = 3 - 10 cm) fokussiert und in das Zeittorelement 207 weitergeleitet, das im vorliegenden Fall durch einen nichtlinearen frequenzverdoppelnden Kristall gebildet wird, wie nachstehend detailliert beschrieben. Die Linsen 204 und 206 bilden praktisch ein Bildaufnahmesystem dergestalt, daß aus dem gestreuten Signal ein in dem Kristall befindlicher schmaler Brennpunkt erzeugt wird.

Bei der üblichen Reflektometrie führt das Vorhandensein einer Streuung und Absorption in dem zwischen dem Meßobjekt und dem Entfernungsmeßgerät befindlichen Medium zu Falschsignalen und einer Verschlechterung der Funktionsweise. Durch die Zeit­ fensterung im Subpikosekundenbereich werden solche durch Streuung erzeugte Falschsignale eliminiert, da das Zeittor die Hintergrundsignale blockiert, sobald kein Torimpuls vorhanden ist. Dies ist von entscheidendem Vorteil für ein praktisches Abstandsmeßgerät und ist besonders vorteilhaft bei Signalabtastintervallen (d. h., Impulswiederholfrequenzen), die typischerweise 6 oder mehr Größenordnungen größer als die Impulsweite sind. Zudem ist das Verfahren aufgrund der nicht-linearen Natur der Zeitfensterung extrem signalempfindlich. Das zeitgefensterte Signal ist nicht nur zum von dem Meßobjekt zurückkehrenden Signal I(t) proportional, sondern auch zur Korrelationsfunktion ∫I(t)_*I′(t+τ)dτ, die ein Zeitkorrelationsprodukt des Meßsignals und des Zeittor- Impulses darstellt, anstelle einer unabhängigen Funktion des einen oder des anderen. Dies bewirkt, daß ein starker Referenzpuls die gesamte Photonenenergie eines schwachen Impulses zeitfenstern kann. Der Zeittor-Impuls weist eine um viele Größenordnungen größere Intensität als das zurückkehrende Signal auf, wodurch eine hohe Empfindlichkeit sichergestellt ist. Aufgrund dieser Empfindlichkeit ist der Streugrad der Meßoberfläche ausreichend, um ein zeitgefenstertes Signal zu erhalten. Somit ist eine spezielle Ummantelung oder Behandlung der reflektierenden Oberfläche des Ziels 205 zur Sicherstellung eines hohen Reflexionsgrades überflüssig. Oberflächenrauhigkeiten und Verschmutzungen sind tolerierbar.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des nicht-linearen Zeittors gemäß vorliegendem System ist ein Kristall zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen. In diesem Bauteil können zwei Photonen gleicher Frequenz als Eingangssignal dem nicht-linearen Aufwärtskonverter zugeführt werden. Das aufgrund der Erzeugung der zweiten Harmonischen entstehende Signal ist proportional zur Gleichung:

wobei Δk die Wellenvektorabweichung zwischen den beiden Eingangssignalstrahlen, L die Wechselwirkungslänge und I(t) die Hüllkurvenverlauf der Impulsintensitäten kennzeichnet.

Der erfindungsgemäße bevorzugte nichtlineare Frequenz­ verdopplungskristall besteht aus einem 1,0 mm Kristall aus Beta-Bariumborat (BBO). Dieser spezielle Kristall wurde aufgrund seiner hohen Verdopplungseffizienz, seiner großen Winkelbandbreite, seiner relativ hohen Beschädigungsschwelle, seiner UV-Transparenz und seiner geringen Impulsver­ breiterung aufgrund der Gruppengeschwindigkeitsdispersion gewählt. Der BBO-Kristall wird in einem 28°-Winkel bezüglich der c-Achse und in einem 90°-Winkel bezüglich der a-Achse geschnitten. Die Ausrichtung des Kristalls entlang der optischen Achse und senkrecht dazu erfolgt derart, daß die Erzeugung der zweiten Harmonischen maximiert wird. Durch Drehungen des Kristalls entlang einer sowohl senkrecht zum Kristall als auch in einer beide Eingangsstrahlen enthaltenden Ebene liegenden Achse, kann die Orientierung des Kristalls bezüglich der Polarisation der Eingangsstrahlen optimiert werden. Aufgrund der nachstehend erläuterten Phasenanpaßbedingungen tritt das Signal der zweiten Harmonischen entlang der Winkelhalbierenden des von den beiden auf den Kristall auftreffenden Strahlen eingeschlossenen Winkels aus. In dem Kristall wird ein Teil des Eingangsstrahls von 800 nm Wellenlänge frequenzverdoppelt auf 400 nm. BBO ist ein von sich aus doppelbrechendes Material: In dem Kristall gibt es nur eine einheitliche Richtung bezüglich der optischen Achse entlang der die Phasengeschwindigkeit der beiden Grundschwingungsstrahlen gleich der des frequenzverdoppelten Strahls ist. Diese Strahlorientierungsbedingung muß erfüllt sein, damit die Intensität von blauem (frequenzverdoppeltem) Licht entlang dem Kristall erhöht wird. Entlang jeder anderen Achse führt die Abweichung der Brechzahl zu einem in dem blauen Strahl auftretenden Phasenfehler, wobei sich die an jedem beliebigen Punkt erzeugten Photonen in abschwächender Weise mit den an einem vorherigen Punkt erzeugten überlagern und somit auslöschen. Die Phasenanpaßbedingung der drei Strahlen lautet:

c/n_ω(+Θ₁) = c/n_ω(-Θ₁) = c/n₂_ω(0),
wobei c/n(±Θ₁) die Lichtgeschwindigkeit im Kristall bei der Grundwellenfrequenz und dem Winkel ±Θ₁ kennzeichnet, c/n₂_ω(0) die Lichtgeschwindigkeit im Kristall bei doppelter Frequenz und einem der winkelhalbierenden zwischen ±Θ₁ entsprechendem Winkel.

Eine Öffnung oder Irisblende wird zur Selektion dieses Strahls gegenüber anderem Fremdlicht verwendet. Es sollte speziell beachtet werden, daß eine gewisse Menge Licht der zweiten Harmonischen auch kollinear zu jedem der auf den Kristall einfallenden Strahlen erzeugt wird. Dieses wird sorgfältig mittels der Öffnung zurückgehalten. Je kürzer die Brennweite der vor dem Kristall befindlichen Linse ist, desto höher ist die Trennung des kollinearen frequenzverdoppelten Lichts von dem interessierenden nichtkollinearem Signal. Daher wird eine Linse mit kurzer Brennweite bevorzugt, vorausgesetzt die beiden Strahlen überlappen sich noch entlang dem Kristall. Die Verringerung des von den kollinearen Komponenten herrührenden Signals ist wichtig, da dies eine Störquelle für das Autokorrelationssignal selbst darstellt. Wie vorstehend erwähnt, werden in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die den zentralen Strahl begleitenden peripheren blauen Lichtpunkte mittels einer Irisblende 208 entfernt und der Zentralstrahl wird durch ein Farbglasfilter BG 23, 209 gefiltert, um die Grundwellenstrahlkomponenten zurückzuhalten. Der gefilterte Strahl wird anschließend in einem Photovervielfacher (PMT) 210 erfaßt. Der Photovervielfacher 210 kann ein Vielzweckbauteil mit begrenzter Anstiegszeit sein, das nicht nötigerweise rauscharm sein muß. Zum Zwecke der Anzeige kann das PMT-Ausgangssignal mit einem Digitaloszilloskop und einem Zeitintervall-Zähler direkt angezeigt werden. Die Signalleitung wird mit einem Widerstand von 1 MΩ abgeschlossen. Sind die beiden von dem Referenz- und dem Meßzweig herrührenden Strahlen nicht nur parallel sondern vollständig kollinear, so bildet der Autokorrelator ein interferometrisches System, bei dem eine schnell oszillierende "Trägerfrequenz" hervorgerufen wird, die mit einer sich langsam ändernden Hüllkurve moduliert ist. In dieser Betriebsart ist eine Auflösung von 1/50 der Wellenlänge der Grundwelle (ca. 800/50 nm) möglich. Dieses interferometrische System kann alternativ zu der vorstehend offenbarten Parallelstrahlanordnung angewandt werden, wenn die daraus resultierende höhere Auflösung für eine spezielle Anwendung erforderlich ist. Da jedoch interferometrische Messungen für die meisten Anwendungsfälle zu restriktive Systemtoleranzen erfordern (d. h., da das interferometrische System nicht sehr robust ist), stellt eine derartige Anordnung nicht die erfindungsgemäß bevorzugte Meßbetriebsart dar. Da weiterhin die kollinearen Strahlen eines interferometrischen Systems eine Autokorrelationsspitze mit einem hohen Hintergrund-Gleichanteil hervorrufen, ist die Autokorrelation gestört, so daß eine höhere Unterscheidungsfähigkeit der Erfassungs- und Meßsysteme erforderlich ist. Daher dringen die Strahlen bei der erfindungsgemäß bevorzugen Betriebsart nicht kollinear in den Kristall ein, wobei sie im Kristall fokussiert sind und sich überlappen. Sind die Zweiglängen perfekt angepaßt, so können drei (frequenzverdoppelte) blaue Lichtpunkte, die aus dem Kristall austreten, beobachtet werden: Der mittlere Lichtpunkt enthält die gewünschte Intensitäts- Autokorrelation; daher werden die äußeren Lichtpunkte, wie vorstehend erwähnt, abgedeckt. Die meisten Bestandteile des in vorstehender Weise realisierten Systems können in rauher Umgebungen eingesetzt werden. Da keinerlei Anforderungen hinsichtlich interferometrischer Ausrichtung der Komponenten gestellt werden, ist es unempfindlich gegenüber Vibrationen, Stößen und thermischen Spannungen. Die Ausrichtung ist einfach und intuitiv und die Daten sind in bequemer Weise und in einem brauchbaren Format abrufbar.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Entstehung eines Autokorrelationsverlaufs und dessen Verhalten aufgrund eines oszillierenden Referenzzweiges erläutert. In Fig. 3 entspricht die vertikale Achse der Lage des Rückreflektors 203 in bezug auf die absolute Länge des Referenzzweigs, wobei die horizontale Achse der Zeit entspricht. Es sind drei Fälle (a) (b) und (c) dargestellt, die drei verschiedenen Längen des Meßzweigs (d. h. drei verschiedenen Lagen des Meßobjekts) entsprechen. Der untere Verlauf entspricht der zeitabhängigen Lage des Rückreflektors und ist dreieckförmig, da die Ansteuerspannung des elektromechanischen Stellglieds (z. B. einer Schwingspule) dreieckförmig ist. Die gestrichelte Linie kennzeichnet die Lage des Meßzweigs relativ zum Referenzzweig. Im Fall (a) sind beide Zweige exakt gleich. Die quadratischen Markierungen mit der Bezeichnung "q" auf der Sinuswelle sind stark vergrößerte Markierungen zur Darstellung der Zeitpunkte während denen die optischen Längen der beiden Zweige genau gleich sind und somit sich ein Referenzimpuls mit einem von dem Objekt 205 reflektierten Signalimpuls überlagert. Jedes "Quadrat" führt zu einer Spitze im Ausgangssignal des PMT: Diese stellt die gewünschte Autokorrelation dar. Die vertikale Länge der Quadrate in dem Diagramm repräsentiert die Laserimpulsweite. Ein Impuls von 100 fs Dauer belegt ungefähr 30 µm linearen Raums. Die Stellgliedbewegung beträgt 2 cm und somit beträgt die gesamte Schwingungsamplitude der in der Figur dargestellten Sinuswelle 2 cm. Daher ist die Überlappungsdauer der Impulse um 3 Größenordnungen kleiner als die für die Auslenkung des Stellglieds benötigte Zeit.

Dies ist der Grund für den Autokorrelationsverlaufs gemäß (a). Entfernt sich das Meßobjekt beispielsweise vom Gerät, so wandert die gestrichelte Linie zu einer neuen relativen Lage auf der Sinuswelle, wie in (b) dargestellt. Die Quadrate verschieben sich entsprechend, wodurch sich der Autokorrelationsverlauf gemäß (b) ergibt. Obwohl der Abstand "t" zwischen benachbarten Autokorrelationsspitzen sich verändert, bleibt die dem Abstand zwischen jeder zweiten Spitze entsprechende Zeit "T" konstant. Dies liegt darin begründet, daß "T" der konstant gehaltenen Ansteuerfrequenz des Stellglieds entspricht. Bei noch weiterer Entfernung des Meßobjekts wachsen die beiden benachbarten Autokorrelationsspitzen, wie in (c) dargestellt, zusammen und verschwinden letztlich, da sich keine Überlappung mehr zwischen dem Meß- und dem Referenzimpuls ergibt. Das Verhältnis zwischen "t" des Autokorrelationsverlaufs und der aktuellen Länge des Meßzweigs wird durch Verwendung eines dreieckförmigen Signalverlaufs zur Ansteuerung des Stellglieds linear gehalten. Durch Vergrößerung der Auslenkung des Referenzzweigs vergrößern sich die Entfernungsmeßgrenzen, was zu offensichtlichen Vorteilen führen kann.

Bei einer Wiederholfrequenz der Laserquelle von 100 MHz rührt das von dem PMT empfangene Signal nicht von einem einzigen Impuls her, sondern entspricht einem Mittelwert von Tausenden von Laserimpulsen. Dies liegt darin begründet, daß der Rückreflektor bei einer Wiederholfrequenz von 20 Hz während 25 ms eine Strecke von 2 cm zurücklegt, d. h. 30 µm in 24 µs. Da vom Laser alle 10 ns ein Impuls ankommt, bilden 2400 Laserimpulse die Überlappungsdauer von 24 µs. Mit anderen Worten, während der Zeitdauer die der Rückreflektor benötigt, um die einem Laserimpuls entsprechende physikalische Distanz zurückzulegen, werden 2400 Laserimpulse ausgesendet. Eine Verringerung der Wiederholfrequenz des Stellglieds führt zu einer Erhöhung des Signalrauschverhältnisses, da über eine größere Anzahl von Laserimpulsen gemittelt wird. Dies würde ebenso zu einer Erhöhung der Gesamterfassungsdauer führen und damit das Verhalten des Gesamtsystems hinsichtlich Veränderungen des Meßobjekts beeinflussen. Die von den Erfindern erreichte Erfassungsgrenze liegt bei 10 Photonen pro Impuls, wobei eine äquivalente Rauschleistung in der Größenordnung von 1 pW(Hz)½ gemessen wurde. Der Unterschied zwischen dem vorstehend detailliert beschriebenen Entfernungsmeßverfahren mit ultrakurzen Impulsen und dem erfindungsgemäßen differentiellen Entfernungsmeßverfahren stellt sich wie folgt dar. Das von dem Differenzkorrelator gemessene Signal ist proportional zur Differenz zwischen dem Abstand des Beobachters von dem ersten Objekt einerseits und dem des Beobachters von dem zweiten Objekt andererseits. Anstelle der Messung der optischen Wege der beiden einzelnen Abstände und des anschließenden Subtrahierens des einen von dem anderen wird die aktuelle Differenz direkt gemessen.

Der optische Weg wird gegenüber der Impulsweite der Laserquelle kalibriert. Ist die Laserimpulsweite exakt bekannt, so kann die Differenzentfernung berechnet werden. Somit braucht die absolute optische Verzögerung des Referenzzweigs nicht kalibriert zu sein.

Ein einfachstes Ausführungsbeispiel des differentiellen Auto­ korrelators ist derart vorstellbar, daß der aus dem Meßzweig eines üblichen Autokorrelators kommende Strahl nach der Wellenfrontaufteilung einer weiteren Aufteilung in zwei gleiche Komponenten mittels eines Wellenfrontaufteilers unterzogen wird. Das Ergebnis ist ein üblicher Autokorrelator mit einem zusätzlichen Zweig. Daher wird wie in Fig. 4 dargestellt ein Strahl von einem Laserbauteil 501 oder dergleichen erzeugt und durch einen Strahlteiler 502 aufgeteilt. Ein Teil des Strahls wandert entlang eines Referenzwegs d3, wobei er von einem Rückreflektor 503 reflektiert wird. Die Strahlen der beiden anderen Wege (d1) und (d4) werden zum gleichen Zeitpunkt von dem Strahlteiler 502 ausgesendet. Danach werden die in den Wegen d2 und d5 befindlichen Strahlen von Strahlsendebauteilen (Linsen) 504 bzw. 505 abgestrahlt. Daher ist es jetzt möglich, anstelle einer Rasterung der Wege (d1 + d2) und (d4 + d5) gegenüber dem Weg d3 des Referenzzweigs, (d1 + d2) direkt gegenüber (D4 + d5) zu rastern. Die Strahlenteile d2 und d5, die von den Oberflächen S1 und S2 reflektiert wurden, werden mittels Linsen 504 bzw. 505 gesammelt und einem Zeittorelement 506 über eine Einrichtung 502 (Vereiniger) zugeführt. Das resultierende Signal wird einem Detektorelement 507 zugeführt.

Fig. 5 zeigt eine Verwirklichung des in Fig. 4 schematisch dargestellten Systems. Das Amplitudenteilungselement 502 in Fig. 4 wird in Fig. 5A mittels eines Paars nichtpolarisierter ebener Strahlteiler 612 und 613 und ebener Spiegel 6f4, 615 und 616 realisiert. Eine der vom Element 612 abgespaltenen Komponenten wird von einem Würfeleck oder Rückreflektor 611 auf das Element 612 zurückreflektiert. Bei diesem Vorgang wird der Strahl einem lateralen Versatz bezüglich dem einfallenden Laserstrahl unterzogen, wenn er am Element 612 ankommt. Der Rückreflektor 611 wird auf einem mechanischen Stellglied einer Zitterbewegung ausgesetzt, so daß die optische Referenzweglänge bezüglich der mittleren Referenzlage oszilliert. Die andere Strahlkomponente wird an einem Element 613 nochmals geteilt und die resultierenden geteilten Strahlen werden getrennt in Richtung der Meßobjekte abgestrahlt. Die Strahlsendeelemente 504 und 505 weisen konvexe Linsen 617 und 618 mit einer Brennweite von jeweils 14 cm auf, die die Meßstrahlen auf die Meßoberflächen S1 und S2 fokussieren, deren Lageunterschied gemessen werden soll. Die Anzahl der zu messenden Objekte muß nicht auf zwei beschränkt sein. Weitere Amplitudenteilungen können durchgeführt werden, um so viele räumlich getrennte Komponenten zu erhalten, wie praktikabel ist, solange die räumliche Trennung der Komponenten ausreichend definierbar und die individuellen Komponenten identifizierbar sind. Die Vereinigung der gesammelten Signale geschieht am Element 613 und die Zusammenführung mit dem Referenzstrahl am Element 612. Mit einer Linse 621 einer Brennweite von 2.8 cm werden die gestreuten Signale beider Zweige auf ein nichtlineares Zeittor 619 abgebildet, um dadurch darin einen so eng wie möglich fokussierten Lichtpunkt zu erhalten. Wie vorstehend erwähnt wird das Element 619 bevorzugt als ein frequenzverdoppelndes SHG-Kristall realisiert und das Element 620, das Detektorelement, als eine Photovervielfacherröhre der entsprechende Filter 622 vorgeschaltet sind. Der differentielle Autokorrelationsverlauf ist in Fig. 5B dargestellt.

Fig. 6A zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem das vorstehend beschriebene Entfernungsmeßverfahren zur Messung eines auf eine drehende Welle einwirkenden Drehmoments verwendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel der differentiellen Korrelation wird das Drehmoment anhand der axialen Verwindung der das Drehmoment übertragenden Welle gemessen. Die Verdrehung wird in einen Bogenversatz eines auf der Welle angebrachten Objekts wie beispielsweise eines Zahnrads umgewandelt. Die Differenzmessung der Versätze zweier Zahnräder an zwei unterschiedlichen Punkten ergibt ein Maß für das anliegende Drehmoment. Das Verfahren ist insbesondere nützlich zur kontaktlosen Echtzeitmessung an einer sich gerade drehenden und gleichzeitig ein Drehmoment übertragenden Welle.

Der Autokorrelator enthält einen Strahlteiler 601 für einen veränderlichen Referenzzweig 602 und Meßzweige 603, 604, eine ultraschnelle Laserquelle 600 zur Erzeugung von Impulsen einer Dauer von typischerweise Zehntel-Femtosekunden und einem nichtpolarisierenden Strahlteiler BS1 zum Aufteilen des Laserstrahls in zwei Komponenten gleicher Amplitude. Das Licht im Referenzzweig 602 wird zum Strahlteiler BS1 zurückreflektiert. Die optische Weglänge des Referenzzweigs 602 kann zur Erzeugung von Wegverzögerungsabweichungen, die größer als die Differenzversätze der Meßobjekte sind, entsprechend einer periodischen Funktion verändert werden. Die andere Hälfte des Laserstrahls durchläuft den Strahlteiler BS1 und wird danach mittels einem Strahlteiler BS2 in zwei Strahlen b1 und b2 aufgeteilt. Jeder der Strahlen b1 und b2 trifft auf jeweils eines der beiden Zahnräder G1 und G2, die zur Übertragung des Drehmoments auf der Welle angebracht sind. Das von der Vorderseite eines auf dem Zahnrad befindlichen Zahns gestreute Licht wird von Linsen L1 und L2 einer Brennweite f gesammelt und in die Wege b1 und b2 zurückgekoppelt.

Der auftreffende Strahl erreicht die Vorderseite eines Zahns auf dem Zahnrad bei einer optimalen Höhe bezüglich der Wellenachse, so daß das in L1 und L2 rückgestrahlte Signal maximal ist. Das gestreute Signal wird im Element BS2 zusammengeführt und zurück zum Element BS1 geführt. Die rück­ kehrenden Signale der beiden Zweige werden daher gegenseitig parallelisiert, wobei sich zwischen den Strahlen ein lateraler Versatz ergibt. Danach werden die auf ein nichtlineares Kristall 609 fokussiert, das eine nichtlineare Frequenzverdopplung des einfallenden Lichts bewirkt. Die zeitliche Verlaufsform der Intensität des verdoppelnden Lichts entspricht der Autokorrelation der Hüllkurven der zur Lichtverdopplung beitragenden Impulse. Sind alle drei Zweiglängen perfekt angepaßt und das nichtlineare Kristall zur Verdopplung in angemessener Weise phasenangepaßt, so treten drei blaue Lichtpunkte aus dem Kristall aus: Der mittlere Lichtpunkt enthält die gewünschte Intensitäts- Autokorrelation und wird mittels eines Photovervielfachers erfaßt. Die Linsen L1 und L2 weisen ausreichend lange Brennweiten auf, so daß die Brennweite den geschätzten Versatzbereich der Meßoberflächen umfaßt. Um ein optimales Autokorrelationssignal zu erhalten, muß folgende Bedingung erfüllt sein, damit eine enge Fokussierung in das nichtlineare Kristall sicher gestellt ist:

a + b1(2) + c ≈ f + f2,

wobei f2 die Brennweite der Linse 620 kennzeichnet.

Der Zeitabstand zwischen den Autokorrelationssignalen eines jeden der zwei Meßzweige 603, 604 ist ein Differenzmaß ihrer relativen Lage entlang der Ausbreitungsrichtung der beiden Laserstrahlen. Diese Messung kann elektronisch mittels eines Zeitverzögerungszählers durchgeführt werden, der die zwei Spitzen erfaßt und die Zeitverzögerung zwischen den beiden Impulsen ausgibt. Diese Zeitverzögerung dividiert durch die Autokorrelationsweite des Laserpulses ergibt den relativen Abstand in Bezug auf die Impulsweite des Lasers.

Eine Messung der Autokorrelationsweite eines der Signale spezifiziert den relativen Abstand zwischen den Zähnen auf den beiden Zahnrädern G1, G2 in Bezug auf die bekannte Laserpulsweite. Zwei lose Bedingungen müssen erfüllt sein, damit die Autokorrelationssignale auftreten:

b1 ≈ b2, und d ≈ a + b1.

Da dies eine relative Messung ist, ist der absolute Wert des Zweigs d unbedeutend.

Der gemessene Winkelabstand zwischen den Zahnrädern zu jedem Zeitpunkt ist ein Maß für das durch die Welle übertragene Drehmoment. Unter der Annahme, daß der Abstand bei nicht vorhandenem Drehmoment gleich Null ist, stehen der gemessene Versatz bei Einwirkung eines Drehmoments und die Stärke des Drehmoments in folgendem Zusammenhang:

wobei Δ den tangentialen Versatz des Zahns auf einem Zahnrad bezüglich dem entsprechenden Zahn auf dem anderen Zahnrad kennzeichnet, T das Drehmoment, l den axialen Abstand zwischen den beiden Zahnrädern, d den Radius des Zahnrads, D den Durchmesser der Welle, und G das Torsionselastizitätsmodul des Wellenmaterials. Alle Einheiten sind im englischen Foot-Pound-Second-Maßsystem (FPS) angegeben.

Das erfindungsgemäße System kann auch zur Messung der augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit und Leistung verwendet werden. Der Autokorrelationsverlauf wird fortlaufend hinsichtlich einiger periodischer Referenzpunkte überwacht. Der geeignetste Synchronisationsparameter ist die den Referenzzweig ansteuernde Wellenform. Die Änderungsrate der Signalposition eines der Zahnräder, beispielsweise G1, in Bezug auf diese Synchronisationsreferenz ist ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit. Diese Änderungsrate kann ständig durch Messen der Änderung des Winkelversatzes und anschließendes Teilen dessen durch das Zeitintervall berechnet werden. Bei jedem Durchlaufen des Referenzzweigs kann dieser Wert erneuert werden, so daß eine simultane Messung des Drehmoments und der Winkelgeschwindigkeit möglich ist. Das Produkt aus dem augenblicklichen Drehmoment und der augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit ergibt die augenblickliche Leistung. Eine Vorrichtung gemäß vorstehender Beschreibung, die passend beispielsweise in ein Fahrzeug eingebaut ist, kann somit dazu verwendet werden, dem Fahrer zu jedem Zeitpunkt die Ausgangsleistung anzuzeigen oder diese Variable automatischen Steuereinrichtungen des Fahrzeugs zuzuführen. Aufgrund der Empfindlichkeit des Autokorrelationsverfahrens ist die Streuung der untersuchten "natürlichen" Oberfläche ausreichend um ein Autokorrelationssignal zu erhalten. Daher sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine reflektierende Oberfläche, eine spezielle reflektierende Ummantelung oder rückreflektierende Elemente, die auf der Oberfläche angebracht sind, überflüssig. Selbst Oberflächenrauhheit ist tolerierbar. Eine saubere Oberfläche ist nicht erforderlich, so daß Fett, Schmutz, Ölfilme usw. auf der Oberfläche zulässig sind, was natürlich im Falle des vorstehend beschriebenen Getriebesystems der Fall wäre. Da es keine Anforderungen hinsichtlich einer interferometrischen Ausrichtung der Komponenten gibt, ist das System unempfindlich gegenüber Vibrationen, Stößen und thermischen Spannungen. Die Ausrichtung ist einfach und intuitiv, und die Daten sind in einem nützlichen Format bequem zugänglich.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann die auf ein elastisch verformbares Objekt einwirkende Spannung durch eine differentielle Messung der Verformung gemessen werden. Fig. 7A zeigt beispielsweise eine Verformung der Schneidekante eines Werkzeugs aufgrund einer Spannungseinwirkung; während Fig. 7D eine Spannungskurve des in Fig. 7A gezeigten Objekts darstellt. Ist die Geometrie des Teils sowie das Elastizitäts-/Shear-/Biegemodul des Materials bekannt, so können mittels einer Echtzeitmessung der Verformung Informationen über Materialermüdung und bevorstehenden Materialausfall bereitgestellt werden. Beispielsweise führen ermüdete Rotorblätter von Dampfturbinen, Strahltriebwerken, Drehmomentwandlern in Automatikgetrieben oder Turboladern in Fahrzeugeinlaßkrümmern zu katastrophalen Situationen. Ein weiterer solcher Fall entsteht bei einem ermüdeten oder überlasteten Hochgeschwindigkeitsmaschinenwerkzeug. Ein zuverlässiger Einsatz üblicher Spannungssensoren für Rotorblätter ist jedoch aufgrund der bei diesen vorherrschenden aggressiven Umweltbedingungen schwer erreichbar. Das Anbringen eines Spannungssensors an jedem Blatt und das Multiplexen der Ausgangssignale einer Gruppe von Sensoren zu einer Meßeinheit kann sich als unerschwinglich teuer herausstellen. Konventionelle optische Verfahren wie beispielsweise Interferenzmessung scheiden aufgrund der bei diesen Bedingungen vorherrschenden hohen Streuung und Dämpfung aus. Holographieverfahren erfordern gepulste Hochleistungslaser mit exakt gesteuerten Modenprofilen, wobei die von diesen Messungen erhaltenen Daten photographisch erfaßt werden, so daß die Brauchbarkeit dieses Verfahrens zur Echtzeitdiagnose eingeschränkt ist. Zudem sind diese Verfahren nicht unempfindlich gegenüber Streuung und zeitvarianten Brechzahlgradienten wie sie typischerweise im Brennraum eines Turbinenmotors auftreten.

Das differentielle Korrelationsverfahren ist aufgrund seiner hohen räumlichen Auflösung, seiner hohen Empfindlichkeit und seiner Unempfindlichkeit gegenüber Streuung im optischen Weg in idealer Weise für derartige Einsätze geeignet.

Der grundlegende Aufbau der Optik ist in Fig. 6A dargestellt. Zwei Meßstrahlen 151 und 152, wie beispielsweise in Fig. 7B und 7G dargestellt, werden von den beiden differentiellen Meßzweigen des Korrelators auf den Werkzeugkörper gerichtet. Im Falle des Maschinenwerkzeugs ist dies der dargestellte Körper des Schneidezahns. P1 und P2 stellen die gemessenen oder erfaßten Punkte auf dem spannungslosen Körper dar. Das Streusignal wird in üblicher Weise gesammelt. Unter Spannungseinwirkung wandert der auf dem Zahn befindliche Punkt P2 in eine neue Lage P3, so daß der Strahl 152 jetzt an dieser Position auf den Zahn auftrifft. P1-P2 und P1-P3 sind in den beiden Zuständen proportional zur Spannung, die somit entsprechend vorstehender Erläuterung aufgrund des Bekanntseins anderer Werkzeugparameter direkt gemessen werden kann. Die Fig. 7B und 7C zeigen zwei unterschiedliche Orientierungen der Meßstrahlen, um dadurch Informationen in zwei Richtungen zu erhalten. Mittels dieses Verfahrens kann ein Maß der augenblicklich im Werkzeug vorhandenen Spannung erhalten werden, und mit vorgegebenen Werten, die einen bevorstehenden Werkzeugdefekt anzeigen, verglichen werden, um eine vorzeitige Fehleranzeige zu ermöglichen.

Fig. 7D zeigt einen typischen Verlauf des differentiellen Autokorrelationsbereichs in Abhängigkeit der internen Spannung.

In den Fig. 8 und 9 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt. In diesem Ausführungs­ beispiel wird das erfindungsgemäße System zur Echtzeitmessung des lokalen Profils einer Oberfläche, deren Form durch einen Maschinenprozeß verändert wurde, eingesetzt. Dieses Verfahren ist nützlich bei der Herstellung verschiedenster Objekte wie beispielsweise Spezialoptiken, Präzisionsnocken, usw. Die Verfügbarkeit eines genauen Repetierprozesses ermöglicht die gerasterte Abtastung der Oberflächencharakteristik eines Objekts zur Erzeugung eines Oberflächenprofils. In den Fig. 8, 9A, 9B, 9C, 9D und 9E ist dieses Prinzip dargestellt.

In Fig. 9A ist eine Meßoberfläche 900 gezeigt, deren Profil gemessen werden soll. Die beiden Untersuchungsstrahlen der beiden Meßzweige des in Fig. 6A gezeigten Differenzkorre­ lators werden auf die Oberfläche 900 gerichtet. Durch die Abmessungen des Korrelators ist die in Fig. 8 gezeigte Abtastverschiebungsdistanz ΔX bekannt. Der Wert Δz1 wird mittels differentieller Autokorrelation gemessen. Danach werden die Untersuchungsstrahlen um die gleiche Distanz ΔX verschoben, so daß der erste Strahl in der neuen Position die vorherige Position des zweiten Strahls einnimmt und der zweite Strahl, der sich zuvor in der zweiten Position befand, eine dritte Position (siehe Fig. 8) einnimmt. Δz2 wird gemessen usw., bis die gewünschte Oberfläche abgetastet ist der Verlauf des Differenz-Versatzes über dem horizontalen Versatz ergibt das Oberflächenprofil.

Fig. 9A zeigt die Verwendung des Systems bei einer repetierenden Profilgewinnung einer Meßoberfläche unter Verwendung der differentiellen Autokorrelation. Ein Wollaston-Prisma 910 teilt den einfallenden Strahl in 2 Strahlen auf, deren räumlicher Abstand durch die Abmessungen des Prismas festgelegt ist. Typischerweise beträgt der Abstand ungefähr 2 mm. Das Strahlenpaar wird durch den Strahlteiler 912 und eine Fokussierlinse 911 auf die Oberfläche gerichtet. Das Streusignal der beiden Lichtpunkte wird mittels des Abbildungslinsenpaares 911, 914 in das nichtlineare Zeittor, wie beispielsweise ein Verdopplungskristall 915, abgebildet. Jeder auf die Linse fokussierter Lichtpunkt wird in dem Verdopplungskristall als unabhängiger Strahl zurückfokussiert. Danach wird dieses Signal mit Impulsen von einer Referenzquelle, die eine Zeitverzögerung mittels eines rechtwinkligen Prismas 919 beinhaltet, gemischt. Aus den vorstehend beschriebenen Gründen ist die bevorzugte Frequenzverdopplungsgeometrie eine nicht kollineare Kreuzung des Referenz- und der Signalstrahlen. Das frequenzverdoppelte Signal erscheint entlang der Winkelhalbierenden des Winkels zwischen dem Signalstrahl und dem Referenzstrahl. Im vorliegenden Fall offenbart es sich in Form von zwei Strahlen verdoppelten Lichts die gemeinsam mit kollinearen frequenzverdoppelten Restkomponenten auftreten. Diese werden mittels scharf begrenzenden Farbglasfiltern 916 zur Eliminierung des Grundwellenlichts gefiltert und mittels einer Photover­ vielfacherröhre oder eine Lawinenfotodiode 917 erfaßt. Die Zeitdifferenz zwischen den Signalen den beiden Strahlen ist ein differentielles Maß des Abstands eines Punktes auf der Linse bezüglich dem anderen, senkrecht zur Oberfläche gemessen.

In einem der beiden Zweige wurde ein Stück eines Materials 920 mit einer relativ hohen Brechzahl eingefügt. Dadurch werden die Signale der beiden Lichtpunkte zeitlich getrennt und der entsprechende optische Weg wird von dem gemessenen Differenzsignal abgezogen. Diese Maßnahme verhindert eine mögliche Zweideutigkeit hinsichtlich des Vorzeichens der differentiellen Entfernung. Da der Abstand der beiden Strahlen parallel zur Meßoberfläche bekannt ist, kann mittels einer repetierenden Abtastung der Oberfläche in der Weise, daß die Größe der Abtastschritte gleich dem lateralen Abstand zwischen den beiden Strahlen ist, ein Oberflächenprofil bezüglich eines ursprünglichen Punktes auf der Oberfläche erzeugt werden.

Eine weitere Verwirklichung dieses Prinzips ermöglicht die Echtzeitmessung einer Lateralgeschwindigkeit. Durch Bewegung der Meßoberfläche und Erfassung der Tiefendaten kann mittels eines Autokorrelators ein Oberflächenprofil erstellt werden. Der optische Weg des Referenzzweigs wird bei Erfassen eines einem Punkt auf der Oberfläche entsprechenden Signals gewobbelt. Die Oberfläche wird daraufhin um eine bekannte Distanz lateral zur Abfragerichtung fortbewegt, und der Ablauf wird wiederholt. Eine Reihe derartiger Punkte ergibt ein Oberflächenprofil. In diesem Ausführungsbeispiel ist die interessierende Größe die Oberflächengeschwindigkeit senkrecht zur Meßrichtung, wenn sich die Oberfläche in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung bewegt.

Ein differentieller Autokorrelator mit zwei Meßzweigen gemäß Fig. 6A wird für eine solche Messung verwendet. Dabei wird ein Vergleich der an beiden Meßzweigen zu verschiedenen Zeitpunkten erzeugten Oberflächenabbildungen durchgeführt:
Der Zeitunterschied zwischen der Erfassung eines Datenpunkts an einem Zweig und der Erkennung desselben Punkts am anderen Zweig wird gemessen. Der laterale Abstand zwischen den Meßstrahlen der beiden Autokorrelatoren ist sehr genau bekannt, so daß die Lateralgeschwindigkeit des Objekts berechnet werden kann.

In Fig. 9B ist das Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Element 901 ist eine ultraschnelle Laserquelle und die Elemente 902 und 904 stellen Strahlteiler dar. Element 903 ist ein Rückreflektor zur Veränderung der optischen Verzögerung im Referenzzweig. Die Elemente 905 und 906 sind Spiegel und 909 kennzeichnet die Meßoberfläche. Das Streusignal der Meßstrahlen wird von den Linsen eingefangen und mit dem Strahl des Referenzzweigs in einem Kristall in der im vorstehenden Ausführungsbeispiel erläuterten Weise korreliert, um dadurch zwei Signalspitzen zu erhalten, die von einem Detektor 908 erfaßt werden.

Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Ablauf wird der vom Meßzweig kommende Strahl in zwei Komponenten (PQR und PST in Fig. 9B) zur Messung der Lateralgeschwindigkeit aufgespalten. Die optische Weglänge der einen Komponente ist größer als die der anderen, d. h. PQR < PST. Der Auslenkungsbereich des Referenzzweiges NO ist allerdings größer als entweder OPQR oder OPST. Auf diese Weise erhält man zwei Signale von jedem der Zweige in einem zeitlichen Abstand von (PQR - PST)/c.

Dadurch kann eine Verwechslung bezüglich des Herkunftszweiges der Signale vermieden werden. Die beiden Signale können elektronisch aufgezeichnet und unabhängig voneinander beeinflußt werden. Die Zeitsteuerung erfolgt in nachstehend beschriebener Weise.

Wie in Fig. 9C dargestellt, beginnt die Zeitsteuerung zu Beginn der Datenerfassung. Nach Verstreichen eines Zeitintervalls hat sich die Oberfläche vorwärts bewegt und der erste Zweig hat ein Oberflächenprofil (τ1) gemäß Fig. 9D erfaßt, das einer festen Zahl von Abfragepunkten der Oberfläche entspricht. Dieses Profil wird in einem Speicher festgehalten. Gleichzeitig erfaßt der zweite Autokorrelator seine eigenen Oberflächenprofildaten (τ2) gemäß Fig. 9E. Die von den Abbildungen zwischen den beiden Autokorrelatoren aufgezeichneten Oberflächenmerkmale werden mittels einer elektronischen Einrichtung ständig verglichen.

Nach einer Zeitdauer T wird eine starke Übereinstimmung zwischen der Zieloberflächenabbildung und der durch den zweiten Autokorrelator erzeugten Abbildung entdeckt. Durch Bestimmung von T kann die Lateralgeschwindigkeit der Oberfläche berechnet werden.

Eine Gruppe von großen FIFO-(First-In-First-Out)Speicher­ zellen mit passender Wortlänge kann zur Durchführung des Vergleichsprozesses eingesetzt werden. Die Daten des ersten Zweigs werden einer Zelle mit fester geringer Größe beispielsweise "m-Wörtern" zugeführt. Nach der Erfassung wird das aus "m-Abtastpunkten" bestehende Oberflächenprofil in einer Zelle Nr. 1 bis zum nächsten Rücksetzimpuls gespeichert. Gleichzeitig werden Datenpunkte des anderen Zweigs in einer Zelle Nr. 2 gespeichert. Mit jedem Datenpunkt wird eine FIFO-Operation von "m-Wörtern" durchgeführt, wobei die zweite Speicherzelle von der Zelle Nr. 1 subtrahiert wird.

Sind die subtrahierten Wörter in jeder der Zellen gleich Null, oder von einer beliebig kleinen Größe, so liegt eine Korrelation zwischen den beiden Datengruppen vor. Das entsprechende Zeitintervall wird ausgelesen und zur Berechnung der Lateralgeschwindigkeit herangezogen. Alternativ dazu können auch unterscheidungskräftige Merkmale auf Abschnitten der Oberfläche gesucht werden, wie beispielsweise eine scharfe Kante, ein punktweiser Anstieg des Profils, usw., die als elektronisch zu vergleichende Variablen dienen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können präzise Messungen einer Differenzgröße auf einem Objekt, das unerwünschte Bewegungen entlang einer Entfernungsmeßrichtung ausführt, durchgeführt werden. Die differentielle Natur des erfindungsgemäßen Meßverfahrens bewirkt, daß derartige Bewegungen ausgelöscht werden. Die meisten spanabhebenden Verfahren, beispielsweise, werden unter Verwendung einer Dimensionierung, die auf einen auf dem Werkstück selbst befindlichen Ursprung bezogen ist, durchgeführt. In spanab­ hebenden Präzisionsverfahren werden meist Entfernungs­ meßgeräte (wie beispielsweise GW-Laser usw.) verwendet, die extern am Werkstück angebracht sind, und daher auf einen in Bezug auf das Werkstück feststehenden Punkt im Raum Bezug nehmen. Ein Entfernungsmeßgerät mittels dem Echtzeit- Dimensionsinformationen einem automatischen spanabhebenden Werkzeug zugeführt werden, ist somit den Vibrationen des bearbeitenden Werkstücks ausgesetzt. Durch das erfindungsgemäße differentielle Entfernungsmeßverfahren kann dieses Problem verhindert werden. Bei diesem Verfahren wird einer der Zweige des differentiellen Korrelators auf einen vorbestimmten Ursprung auf dem Werkstück bezogen. Der andere Zweig führt eine Abfrage der bearbeiteten Oberfläche durch. Der gemessene Differenzabstand entspricht der gewünschten Größe. Vibrationen längs der Ausbreitungsrichtung der Meßstrahlen beeinflussen die optische Weglänge beider Zweige in gleicher Weise und heben sich daher auf.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des differentiellen Entfernungsmeßgeräts kann die Dicke von Dünnfilmen aus teilweise oder vollständig durchsichtigen Flüssigkeiten auf einer Oberfläche mit einer Präzision im Submikrometer-Bereich gemessen werden. Mit diesem Prinzip ist auch die Messung der Dicke mehrerer durchsichtiger Schichten verschiedener nicht mischbarer Flüssigkeiten möglich. Hierbei benötigt der Meßzweig nur eine Abzweigung. Meßlaserimpulse werden in Richtung des zu untersuchenden Flüssigfilms abgestrahlt. Streuungen und Reflexionen ergeben sich beide aufgrund der Flüssigkeitsoberfläche und je nach Anwendungsfall aufgrund der Flüssigkeits-Feststoff-Grenzfläche oder der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten.

Jede Reflexion kann zeitgefenstert und deren Signal erfaßt werden. Ein geringer Korrekturfaktor muß zu der auf diese Weise berechneten Dicke einer jeden Flüssigkeitsschicht hinzuaddiert werden, da die Brechzahlen der Flüssigkeiten unterschiedlich sein können. Die Reflexion an der festen Oberfläche ist schwächer als die an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft. Dies kann in effektiver Weise zur Messung der Dicke von beispielsweise einem Wasser- oder Eisfilm auf Asphalt verwendet werden.

Die Erfindung kann auch als kontaktloses Oberflächenprofil- Meßgerät ausgeführt sein. In üblichen Oberflächenprofil- Meßgeräten werden Berührungssensoren zur Positionserfassung der Oberfläche bezüglich dem Meßkopf verwendet. Die Abtastbewegung des Berührungssensors auf der Oberfläche wird mittels Schrittmotoren mit Auflösungen im Mikrometerbereich durchgeführt, wobei diese Bewegungen bezüglich mechanischer Positionsgeber mittels Drehcodierern mechanisch gerastert werden. Das hierin vorgestellte Verfahren ermöglicht im Vergleich zu Berührungssensor-Profilmeßgeräten eine verbesserte Auflösung und darüberhinaus vergleichbare Auflösungen entlang den senkrecht zur Meßoberflächenrichtung verlaufenden Koordinatenachsen. Aufgrund der kontaktlosen Natur dieser Meßsonde treten allerdings keine Oberflächenbeschädigungen aufgrund des Meßprozesses auf.

Fig. 10A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen kontaktlosen Oberflächenprofil-Meßgeräts. Bei gegebenem festen Bezugsrahmen ist die Bestimmung der kartesischen Koordinaten einer großen Anzahl von Punkten auf dieser Oberfläche innerhalb dieses festen Bezugsrahmens erwünscht. Durch Rasterabtastung der Werte der anderen beiden senkrecht zur z-Richtung verlaufenden Achsen und fortlaufendem Erfassen und Speichern von Daten kann eine dreidimensionale Oberfläche abgebildet werden. Gemäß Fig. 10A stellt ein Element 1201 das zu profilierende Objekt dar; und ein Rahmen 1202 wird als fester Bezugsrahmen über dem Objekt angeordnet. Dieser Rahmen besteht aus einer transparenten präzisen optischen Planfläche 1203 und zwei halbverspiegelten Flächen 1204 und 1205, wobei alle Oberflächen senkrecht zueinander verlaufen.

Ultrakurze optische Impulse treffen auf einen Dreiwege­ Strahlteiler 1206, der drei senkrecht zueinander verlaufende Strahlen a, b und c von nahezu gleicher Intensität erzeugt. Die Reflexionen von jeder der Bezugsoberflächen 1203 bis 1205 als auch die Streuung an der Oberfläche werden gesammelt und zusammengeführt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel führt der Strahlteiler auch die Zusammenführung durch. Das so erhaltene Signal eines einzelnen Punkts auf der Meßoberfläche ist in Fig. 10B dargestellt. Unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit und des hohen Signalrauschverhältnisses des Zeitfensterungskorre­ lationsverfahrens ist die Rückstreuung der Meßoberfläche ausreichend um eine Autokorrelationssignal zu erzeugen. Da c eine optische Planfläche ist, ist der Unterschied zwischen c und d ein Maß für das Oberflächenprofil. Die Werte a und b, die aus den Computersteuersignalen der Translationsbewegungs­ stufen verfügbar sind, stellen die Informationen der kartesischen x- und y-Koordinatenachsen zur Verfügung. Diese Informationen können in ein dreidimensionales Oberflächen­ gitter, wie in Fig. 10C, gezeigt umgesetzt werden.

Diese auf der Bezugsebene sitzende Einheit bildet den Meßkopf. Der Meßkopf dient sowohl als Abstrahlbasis für die ultrakurzen Meßimpulse als auch als Vorrichtung zum Sammeln des Streusignals. Es sollte allerdings darauf hingewiesen werden, daß die Auflösung der motorisierten Translationsbewe­ gungsstufen nicht im Mikrometerbereich liegen muß. Durch die von den x- und y-Strahlen erhaltene hochauflösende Rasterung werden präzise Positionsinformationen bereit gestellt, die mit üblichen Translationsbewegungsstufen und Rasterungsköpfen nicht erreichbar sind. Die Genauigkeit der Abtastung wird nicht durch Vibrationen und Verbiegungen der Translations­ bewegungsstufen und der angebrachten Bedienungshardware beeinflußt, da alle Bewegungen bezüglich einem starren Referenzrahmen, der mechanisch vollständig von dem Meßsystem isoliert ist, gerastert sind.

Die Abmessungen der in dem Aufbau verwendeten optischen Planflächen sind größer als die Auslenkungen der Transla­ tionsbewegungsstufen. Die Quelle der ultrakurzen Impulse und die Korrelatoreinheit können physikalisch auf den Transla­ tionsbewegungsstufen befestigt sein. Alternativ dazu kann die Impulsfolge von der Quelle auf externe Weise durch eine Spiegelanordnung in den Korrelator eingebracht werden. Die Autokorrelationseinheit (der nichtlineare Kristall, die Fokussieroptik und das Detektorelement) sind derart kompakt ausführbar, daß sie auf dem Abtastkopf befestigt werden können.

Wie bereits vorstehend erwähnt, sind die dem Aufbau der Signalsammeloptik innewohnenden Kompromisse auch hier gültig.

Durch sorgfältigen Aufbau des "passiven Bildaufnahmesystems" kann eine Brennweite im Bereich von 1 cm erreicht werden. Alternativ kann auf Kosten der Datenerfassungsgeschwindigkeit ein Linsensystem mit elektronisch gesteuerter Brennweite zum Erzielen von beachtlichen Brennweiten eingesetzt werden. Eine größere Brennweite führt zu verringerten Einschränkungen hinsichtlich der Größe des Meßobjekts und damit zu einem vielseitigeren Objektprofil.

Es wird ein optischer Korrelator offenbart, der in Verbindung mit einer ultraschnell gepulsten optischen Quelle zur Berechnung der Differenzposition entfernter Objekte im Submikrometerbereich verwendet wird, im Gegensatz zur Messung der absoluten Distanz. Das System enthält eine ultraschnell gepulste Laserquelle, die ein amplitudenaufteilendes Element speist, wobei jede Amplitudenkomponente zu einer Einheit zum Abgeben einer auf das Ziel gerichteten Strahlung geführt wird, die gemeinsam mit einer Einheit zum Sammeln der von der Oberfläche des Objekts zurückgestreuten oder -reflektierten Strahlung aufgebaut ist, einem nichtlinearen Bauteil zur Zeitfensterung des gesammelten Signals mit dem amplituden­ geteilten Quellsignal und einem Detektorbauteil zur Messung des zeitgefensterten Signals. Das Gerät weist eine beachtliche räumliche Auflösung und Empfindlichkeit auf. Als Anwendungen des Verfahrens werden die Messung eines Drehmoments, einer Winkelverformung sowie eine zwei- oder dreidimensionale Oberflächenprofilmessung vorgestellt.

Claims (26)

1. Vorrichtung zur Messung einer differentiellen Positionsabweichung zwischen zumindest einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt von einer entfernten Position aus, mit:
einer Vorrichtung (501) zur Erzeugung eines ultrakurz gepulsten Lichtstrahls,
einer Vorrichtung (502) zur Aufteilung des Lichtstrahls in eine Vielzahl von Lichtstrahlen, die einen Referenzstrahl enthalten,
einer Einrichtung (504, 505) zum Richten der vom Referenzstrahl verschiedenen Lichtstrahlen auf das Objekt, einer Einrichtung (503) zum Richten des Referenzstrahls entlang einem festgelegten optischen Weg,
einer Einrichtung (502, 504, 505) zum Sammeln der an dem Objekt reflektierten Teile der Lichtstrahlen und zum gemeinsamen Zusammenführen der reflektierten oder gestreuten und des Referenzstrahls an einem Zeittor (506),
wobei mittels des Zeittors (506) eine Autokorrelationsfunktion der Impulse erzielt wird, die an zeitdiskreten Positionen Maximas aufweist, die den Laufzeitdifferenzen zwischen den reflektierten Strahlen entsprechen, und
einer Erfassungseinrichtung (507) zur Bestimmung eines Differenzabstands zwischen den Objekten in Abhängigkeit der Autokorrelationsfunktion.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Zeittor einen nichtlinearen frequenzverdoppelnden Kristall (619) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der festgelegte optische Weg einen Weg mit variierbarer Länge aufweist, dessen absolute Länge um einen Mittelwert oszilliert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signal­ zusammenführungseinrichtung (502) die Strahlen in paralleler Weise zu dem Zeittor (506) führt, und eine Einrichtung (621) aufweist zur Überlappung der Strahlen innerhalb des Zeittors.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Zeittor (506) einen nichtlinearen frequenzverdoppelnden Kristall (619) aufweist, der bei Einwirkung des Referenzstrahls und der reflektierten Strahlen eine Autokorrelationsfunktion der Strahlen erzeugt, die Maximas an den Stellen aufweist, an denen die reflektierten Strahlen mit dem Referenzstrahl zeitlich übereinstimmen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Referenzstrahl entlang eines Referenzweges mit fester Länge wandert und wobei die reflektierten Strahlen entlang eines Meßwegs wandern, dessen Länge sich zeitabhängig verändert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Objekt sich drehende Elemente (G1, G2) sind, und wobei die Erfassungseinrichtung einen relativen Drehphasenunterschied zwischen den sich drehenden Elementen (G1, G2) bestimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die sich drehenden Elemente gemeinsam auf einer sich drehenden Welle angeordnete Zahnräder (G1, G2) sind, und wobei die Erfassungseinrichtung (PMT) ein an der Welle angreifendes augenblickliches Drehmoment anhand des relativen Drehphasenunterschieds ermittelt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Erfassungs­ einrichtung (PMT) eine augenblickliche Winkelgeschwindigkeit eines der Zahnräder bestimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei mittels der Erfassungseinrichtung (PMT) eine augenblickliche Leistung einer die Welle antreibenden Energiequelle aus dem Drehmomentswert und dem Winkelgeschwindigkeitswert errechnet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Objekt Abschnitte eines ganzheitlich deformierbaren Körpers, auf den eine Spannung einwirkt, darstellen und wobei mittels der Erfassungseinrichtung (PMT) eine relative Positionsveränderung zwischen den beiden Abschnitten bestimmt wird, um ein Maß der augenblicklich in dem deformierbaren Körper vorliegenden Spannung zu erhalten.

12. Vorrichtung zur Profilmessung einer Objektoberfläche mit:
einer Einrichtung (901) zur Erzeugung eines gepulsten Lichtstrahls,
einer Einrichtung (902) zum Aufteilen des Lichtstrahls in eine Vielzahl von räumlich getrennten parallel verlaufenden Meßlichtstrahlen und einen Referenzstrahl,
einer Einrichtung (906) zum Richten der Meßstrahlen auf die Oberfläche,
einer Einrichtung zur abtastenden Ablenkung der Meßlichtstrahlen über der Oberfläche,
einer Einrichtung (911) zum Sammeln von an der Oberfläche reflektierten Teilen der Meßlichtstrahlen und zum Zusammenführen der Meßlichtstrahlen und des Referenzstrahls an einem Zeittor (907), das eine Autokorrelationsfunktion der Strahlen erzeugt, und
einer Einrichtung (908) zur Messung eines Distanzunterschieds zwischen den von den Meßlichtstrahlen durchlaufenen optischen Wegen, um dadurch Profildaten der Oberfläche zu erhalten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 mit einer Einrichtung (920) zur zeitweisen Verzögerung eines der Meßstrahlen vor Erreichen der Meßeinrichtung zur Beseitigung einer Vorzeichen-Vieldeutigkeit des Distanzunterschieds.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Abtasteinrichtung eine Stufengröße aufweist, die dem lateralen Abstand zwischen den Meßstrahlen entspricht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Meßeinrichtung (908) eine Bewegungsgeschwindigkeit der Oberfläche bestimmt, indem sie den Zeitunterschied zwischen den Zeitpunkten zu denen der erste und der zweite Meßstrahl die gleiche Position überstreichen, bestimmt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Meßeinrichtung (908) eine Speichereinrichtung aufweist, zum Speichern eines von einem ersten der beiden Meßstrahlen erfaßten Oberflächenprofils und eine Vergleichseinrichtung zur Feststellung einer Übereinstimmung zwischen dem ersten Oberflächenprofil und einem zweiten von einem zweiten der Meßstrahlen erfaßten Oberflächenprofil.

17. Vorrichtung zur Untersuchung einer Laminaroberfläche, mit:
einer Einrichtung (200) zur Erzeugung eines gepulsten Lichtstrahls,
einer Einrichtung (202) zur Aufteilung des Lichtstrahls in zumindest einen Meßlichtstrahl und einem Referenzstrahl, einer Einrichtung (204) zum Richten des Meßlichtstrahls auf die Oberfläche,
einer Einrichtung (202, 204) zum Sammeln von an verschiedenen Schichten der Oberfläche reflektierten Teilen des Meßlichtstrahls und zum Zusammenführen der reflektierten Teile des Meßlichtstrahls und des Referenzstrahls an einem Zeittor (207), das eine Autokorrelationsfunktion der Strahlen erzeugt, und
einer Einrichtung (210) zur Messung eines Distanzunterschieds zwischen den verschiedenen optischen Wegen, die von dem Meßlichtstrahl durchlaufen wurden, um dadurch Daten von zumindest der Dicke der Oberflächenschicht zu erhalten.

18. Vorrichtung zur Messung einer differentiellen Positionsabweichung zwischen zumindest einem ersten und einem zweiten Abschnitt eines Objekts von einer entfernten Position aus, mit:
einer Einrichtung zur Erzeugung eines ultrakurz gepulsten Lichtstrahls,
einer Einrichtung zur Aufteilung des Lichtstrahls in zumindest einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl, einer Einrichtung zum Richten des Referenzstrahls auf den ersten Abschnitt des Objekts, der einen Referenzabschnitt darstellt,
einer Einrichtung zum Richten des Meßstrahls auf den zweiten Abschnitt des Objekts,
einer Einrichtung zum Sammeln von an dem ersten und zweiten Abschnitt reflektierten Teilen der Lichtstrahlen und zum Zusammenführen der reflektierten Strahlen an einem Zeittor, wobei das Zeittor eine Autokorrelationsfunktion der Strahlen erzeugt, die Maximas an zeitverschiedenen Punkten die der Laufzeitdifferenz zwischen den reflektierten Strahlen entsprechen aufweis, und
einer Erfassungseinrichtung zur Bestimmung eines Differenzabstands zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt unabhängig von einer gemeinsamen Bewegung des ersten und zweiten Abschnitts.

19. Verfahren zur Messung einer Entfernung zu einem Objekt mit den Schritten:
Erzeugen eines ultrakurz gepulsten Lichtstrahls, Aufteilen des Lichtstrahls in eine Vielzahl von Lichtstrahlen mit zumindest zwei Meßstrahlen und einem Referenzstrahl, Richten des Meßstrahls auf das Objekt, und
Sammeln von an dem Objekt reflektierten Teilen des Meßstrahls und Zusammenführen der reflektierten Strahlen und des Referenzstrahls an einem Zeittor, das eine Autokorrelations­ funktion der Strahlen erzeugt, und
Messen eines Distanzunterschieds der von den entsprechenden Lichtstrahlen durchlaufenden optischen Wegen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Zusammenführungs­ schritt das Zusammenführen und gleichzeitige Fokussieren der Teile des reflektierten Lichtstrahls und des Referenzstrahls in einem nichtlinearen frequenzverdoppelnden optischen Kristall umfaßt.

21. Vorrichtung zur Bestimmung der Koordinaten eines Punkts auf einem Objekt (1201) in einem vorgegebenen kartesischen Referenzrahmen von einer entfernten Position aus mit:
einer Einrichtung zur Erzeugung eines ultrakurz gepulsten Lichtstrahls,
einer Einrichtung (1206) zur Aufteilung des Lichtstrahls in eine Vielzahl von Meßstrahlen und einem Referenzstrahl,
einer Einrichtung zum Richten der entsprechenden Strahlen auf Koordinatenreferenzebenen und auf das Objekt,
einer Einrichtung zum Sammeln von an dem Objekt und an den Referenzebenen reflektierten Teilen der Lichtstrahlen und zum Zusammenführen der reflektierten Strahlen an einem Zeittor,
wobei das Zeittor eine Autokorrelationsfunktion der Strahlen erzeugt, die Maximas an zeitdiskreten Positionen aufweist, die Laufzeitunterschieden zwischen den reflektierten Strahlen entsprechen, und
einer Erfassungseinrichtung zur Bestimmung von X- und Y- Koordinaten aus zumindest den an den Koordinatenreferenz­ ebenen reflektierten Strahlen und zur Bestimmung einer Z- Koordinate aus zumindest dem am Objekt reflektierten Strahl.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21 mit einer Einrichtung zum abtastenden Verschieben von zumindest der Aufteilungsein­ richtung (1206) in der x- und y-Richtung, so daß die Erfassungseinrichtung eine Vielzahl von Messungen der z- Koordinaten durchführt, um dadurch eine Abbildung der Oberfläche des Objekts (1201) zu bewirken.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Abtastverschiebung unter Verwendung von zumindest einer Komponente der Autokorrelationsfunktion optisch gerastert ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Zeittor einen frequenzverdoppelnden nichtlinearen optischen Kristall aufweist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Sammeleinrichtung eine brennweitenverstellbare Linse mit großer Brennweite aufweist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 21, einer optischen Planfläche (1203), die zwischen dem Strahlaufteiler (1206) und dem Objekt (1201) angeordnet ist, wobei der auf das Objekt gerichtete und reflektierte Strahl durch die optische Planfläche (1203) hindurchdringt und an dieser ebenfalls reflektiert wird, und wobei die z-Koordinate durch Unterscheidung der Komponenten der Autokorrelationsfunktion bestimmt wird, die von dem an dem Objekt (1201) reflektierten Strahl und dem an der optischen Planfläche (1203) reflektierten Strahl abgeleitet werden.