DE3114355A1 - Optical arrangement for measuring the vibrations of an object having a reflecting surface - Google Patents
Optical arrangement for measuring the vibrations of an object having a reflecting surfaceInfo
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Abstract
Description
"optische Anordnung zum Messen der Schwingungen eines Geen-"optical arrangement for measuring the vibrations of a ge
standes mit reflektierender Oberfläche" Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen der Vibartionen eines Gegenstandes mit reflektierender Oberfläche.Standes with reflective surface "The invention relates to to an arrangement for measuring the vibration of an object with reflective Surface.
Genauer gesagt befaßt sich die'Erfindung mit einer optischen Anordnung, die es ermöglicht, mit sehr guter Auflösung die Vibrationsamplitude zu messen, der ein Gegenstand ausgesetzt izil., wobei die Vibrationen eine sehr geringe Amplitude besitzen, und zwar unterhalb der Wellenlänge des verwendeten Lichtes, dieser Gegenstand jedoch eine Oberfläche aufweist, die das Licht ref:lektiert. Diese Anordnung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich anwendbar bei der Kontrolle von Kenngrößen bei Quarze für elektronische Uhren. More precisely, the'invention is concerned with an optical arrangement, which makes it possible to measure the vibration amplitude with very good resolution an object exposed izil., the vibrations having a very small amplitude own, below the wavelength of the light used, this object however, has a surface that reflects the light. This arrangement is particularly, but not exclusively, applicable to the control of parameters in the case of crystals for electronic clocks.
Zunächst ist zu präzisieren, daß unter einem reflektierenden Gegenstand einerseits ein Gegenstand verstanden werden soll, der selbst eine reflektierende Oberfläche besitzt, d.h. eine solche, die eine sehr geringe Rauhtiefe aufweist,andererseits sollen-jedoch auch solche Gegenstände darunter verstanden werden, deren Oberflächen selbst nicht reflektierend sind (beisnielsweise ein Quarzkristall), auf die man jedoch eine Beschichtung aufgebracht hat, mittels der der Gegenstand reflektierend wird. Die Erfindung läßt sich demgemäß tatsächlich bei allen Gegenständen anwenden. First of all, it should be specified that under a reflective object on the one hand an object is to be understood that is itself a reflective one Surface, i.e. one that has a very low surface roughness, on the other hand should, however, also include such objects, their surfaces themselves are not reflective (for example a quartz crystal), on which one however, has applied a coating that makes the article reflective will. Accordingly, the invention can actually be applied to all objects.
Es sind bereits optische Meßanordnungen für Vibrationen eines reflektierenden Gegenstandes bekannt, bei denen interftuometrische Techniken eingesetzt werden.Je nach Fall eryibt sich eine Interferenz zwischen zwei Lichtstrahlen gleicher Frequenz, so daß man ein homodynes Systemierhält, oder es liegen Interferenzen zweier Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz vor, wobei es sich dann um ein heterodynes System handelt.Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den zweitgenannten Typ von Meßverfahren. There are already optical measuring arrangements for vibrations of a reflective Known subject in which interftuometric techniques are used.Je according to the case there is interference between two rays of light same frequency, so that a homodyne system is obtained, or there is interference two light beams of different frequencies, whereby it is then a heterodyne The present invention relates to the second type mentioned of measuring methods.
Wenn ein Gegenstand zu Vibrationen angeregt wird, wird die Amplitude der Vibrationen an jedem Punkt der Gegenstandsoberfläche durch einen Vektor repräsentiert.Um diese Amplitude vollständig zu bestimmen, muß man demgemäß die drei. Komponenten des Vektors bestimmten. Ein einfaches Bezuqssystem besteht darin, daß man als Bezugsachsen die Normale auf die Oberfläche in dem betreffenden Punkt wählt sowie zwei zueinander senkrechte Achsen in der Tangentialebene an die Oberfläche in dem betreffenden Punkt. Die Messung der Vibrationskomponente in Richtung der Normalen wird als Messung "aus der Ebene" bezeichnet, während die Messung der Komponenten in der Tangentialebene als "in der Ebene" bezeichnet werden soll. Es versteht sich, daß die Tangentialebene an die Gegenstandsoberfiäche in einem Punkt definiert ist, ohne Berücksichtigung der Rauhigkeit; die Definition ist makroskopisch zu verstehen. When an object is excited to vibrate, the amplitude becomes of the vibrations at each point on the object surface represented by a vector. Um To determine this amplitude completely, one must accordingly use the three. Components of the vector determined. A simple reference system consists in using as reference axes selects the normal to the surface in the point in question and two to each other perpendicular axes in the tangent plane to the surface at the point in question. The measurement of the vibration component in the direction of the normal is called the measurement "off the plane "denotes while measuring the components in the tangential plane should be referred to as "in the plane". It goes without saying that the tangential plane to the object surface is defined in a point, without consideration the roughness; the definition is to be understood macroscopically.
In der Druckschrift "Proceeding of the IEEE, März 1976, Seiten 386-387" ist eine heterodyn interferometrische Meßanordnung beschrieben zum Messen der Vibrationen "in der Ebene" eines reflektierenden Gegenstandes. Man richtet auf ein-und denselben Punkt der Gegenstandsoberflächc zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz in Richtungen symmetrisch bezüglich der Normalen auf die Oberfläche des Gegenstandes in diesem Punkt. In the publication "Proceeding of the IEEE, March 1976, pages 386-387" describes a heterodyne interferometric measuring arrangement for measuring the vibrations "in the plane" of a reflective object. One aims at one and the same Point of the object surface two light beams of different frequencies in Directions symmetrical with respect to the normal to the surface of the object in this point.
Mit einem Detektor erfaßt man das Licht, das in Richtung der Normalen auf die Oberfläche reflektiert wird. Die elektronische Verarbeitung der von dem Detektor aufgefangenen Signale erlaubt es t die Amplitude der Vibration "in der'Ebene" zu bestimmen.With a detector one detects the light that is in the direction of the normal is reflected on the surface. The electronic processing of the Detector captured signals allows t the amplitude of the vibration "in the plane" to determine.
Es gibt auch Meßverfahren für die Vibration "aus der Ebene". There are also methods of measuring out-of-plane vibration.
Sie bestehen darin, daß auf einen Oberflächenpunkt des Gegenstandes ein Lichtstrahl mit einer ersten Frequenz gerichtet wird, daß man das Licht auffängt, das reflektiert wird in einer Richtung symmetrisch zur Richtung des auftreffenden Lichtstrahls bezüglich der Normalen, daß man das reflektierte Licht mit einem Lichtstrahl kombiniert, welcher eine zweite Frequenz besitzt,und daß man mit einem Detektor diesen kombinierten Lichtstrahl auffängt.They consist in that on a surface point of the object a beam of light is directed at a first frequency so that the light is intercepted, that is reflected in a Direction symmetrical to the direction of the incident light beam with respect to the normal that it was reflected Light combined with a light beam which has a second frequency, and that one catches this combined light beam with a detector.
Sobald es wünschenswert ist, die Vibrationseigenschaften eines zu Vibrationen angeregten Gegenstandes vollständig zu bestimmen, so erkennt man, daß es.wichtig ist, die Komponenten der Vibration zu bestimmen, ohne daß man den Gegenstand zwischen diesen Messungen bewegt. Man kann außerdem leicht einsehen, daß es wenig wünschenswert ist, die Einstellungen der Meßanordnung zu modifizieren zwischen der Messung "in der Ebene" einerseits und der Messung "aus der Ebene" andererseits. Es ist wünschenswert, diese beiden Messungen gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig durchzuführen. Mit den bekannten Vorrichtungen jedoch läßt sich jeweils nur eine dieser Messungen vornehmen. Once it is desirable, the vibration properties of one too To determine vibrations excited object completely, one recognizes that It is important to determine the components of the vibration without looking at the object moved between these measurements. It is also easy to see that there is little it is desirable to modify the settings of the measuring arrangement between the Measurement "in the plane" on the one hand and the measurement "out of the plane" on the other. It is desirable to have these two measurements simultaneously or quasi-simultaneously perform. With the known devices, however, only one at a time make these measurements.
Um diesen Nachteil zu beheben, ist die Aufgabe der Erfindung die Schaffung einer optischen Meßanordnung für Vibrationen eines Gegenstandes mit reflektierender Oberfläche, die es qestattet, quasi-simultan eine Messung der Amplitude von Vibrationen "in der Ebene" und eine Messung der Amnltiude-von Vibrationen "aus dr Ebene" durchzuführen, ohne daß dabei eine Veränderung an den Einstellungen der Anordnung vorzunehmen ist. In order to remedy this disadvantage, the object of the invention is that Creation of an optical measuring arrangement for vibrations of an object with reflective Surface that allows a quasi-simultaneous measurement of the amplitude of vibrations "in the plane" and to carry out a measurement of the amplitude of vibrations "from the plane", without having to change the settings of the arrangement.
Bevorzugt ist dabei, die beiden Messungen unmittelbar qleichzeitig auszuführen. It is preferred that the two measurements be performed simultaneously to execute.
Die Anordnung gemäß der Erfindung erlaubt es, gleichzeitig oder quasi-qleichzeitig eine Messung "aus der Ebene" und zwei Mssunqen in der Ebene" in zwei festqeleqten Richtungen vorzunehmen, wenn eine so genaue Erfassunq des Schwingungsvektors notwendig ist. The arrangement according to the invention allows simultaneous or quasi-simultaneous one measurement "out of the plane" and two measurements in the plane "in two fixed elements To undertake directions if such a precise recording of the vibration vector is necessary is.
Mit der Anordnung gemäß der Erfindung ist es möglich, Probleme dr eektromagnetischen Kopplung zwischen den Mitteln (beispielsweise Modulatoren) zum Erzeugen der Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen und den Detektoren der Lichtstrahlen nach Interferenz zu beheben. With the arrangement according to the invention it is possible to solve problems dr electromagnetic coupling between the means (e.g. modulators) for Generate the light beams with different frequencies and the detectors of the Rays of light to fix after interference.
Die Anordnung ermöglicht ferner bestimmte Probleme zu beheben, die infolgeher Tatsache auftreten, daß das kohärente Licht, welches auf das Meßobjekt, dessen Schwinqungen zu bestimmen sind, auftrifft, von einer rauhen Oberfläche reflektiert wird. Diese Probleme, wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird, beruhen auf dem Phänomen der "Granulation", auch bekannt unter der angelsächsischen Wortschöpfung "Speckles". The arrangement also enables certain problems to be overcome occur as a result of the fact that the coherent light, which is incident on the measurement object, whose vibrations are to be determined, is reflected from a rough surface will. These problems, as will be explained in detail below, are based on the phenomenon of "granulation", also known under the Anglo-Saxon word creation "Speckles".
Um die oben angegebenen Ergebnisse zu erzielcnlumfaßt die optische Meßanordnung für die Vibrationen oder Schwingunqen eines Gegenstandes eine Kombination des Meßsystems "aus der Ebene" und mindestens eines Meßsystems "in der Ebene" derart, daß man das Minimum an optischen Bauteilen verwendet, und derart, daß man entweder von einem Meßvorgang zum anderen übergehen kann,ohne die Einstellung der optischen Bauteile der Anordnung zu modifizieren,oder diese Messungen gleichzeitig ausführen kann, wobei die Unterscheidung zwischen den Messungen im Bereich der elektronischen Verarbeitungsschaltkreise für die von den Detektoren gelieferten Signalen erfolgt, welche die Lichtinformationen, die auftreffen1 in elektrische Signale umformen. In order to achieve the results given above, the optical Measuring arrangement for the vibrations or Schwingunqen an object a combination of the measuring system "out of the plane" and at least one measuring system "in the plane" in such a way, that one uses the minimum of optical components, and such that one either can go from one measuring process to another without adjusting the optical Modify components of the arrangement, or carry out these measurements at the same time can, making the distinction between measurements in the field of electronic Processing circuitry for the signals provided by the detectors, which convert the incident light1 into electrical signals.
Die oben kurz zusammenqaßtcn Merkmale sind qenauer in den Patentansprüchen definiert. The features briefly summarized above are detailed in the claims Are defined.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, welche verschiedene Ausführungsformen der erfindunasqemäßen Anordnung darstellen. The subject matter of the invention is described in detail below Reference to the accompanying drawings explains which various embodiments represent the arrangement according to the invention.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer ersten Ausführunqsform der Anordnung gemäß der Erfindung, die eine quasi-simultane Messung "in der Ebene" und "aus der Ebene" ermöglicht. 1 shows a simplified diagram of a first embodiment the arrangement according to the invention, which allows a quasi-simultaneous measurement "in the plane" and "out of the plane" allows.
Fig. 2 zeigt ein mehr ins einzelne qehendes Schema der Ausführunqsform gemäß wiq. 1. Fig. 2 shows a more detailed scheme of the embodiment according to wiq. 1.
Fig. 3 stellt ein vereinfachtes Schema einer zweiten Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung dar, bei welcher eine gleichzeitige Messung "in der Ebene" und "aus der Ebene" erfolgt. Fig. 3 shows a simplified scheme of a second embodiment the arrangement according to the invention, in which a simultaneous measurement "in the level "and" from the level "takes place.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Signalspektrums am Ausgang der Detektoren zur Bestimmung der Vibrationsamplitude in der betrachteten Richtung. 4 shows a diagram of the signal spectrum at the output of the detectors to determine the vibration amplitude in the considered direction.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht der auftreffenden Lichtstrahlen für eine Ausführungsform der Anordnung, die zwei Messungen in der Tangentialebene ermöglicht. Fig. 5 is a perspective view of the incident light rays for one embodiment of the arrangement, the two measurements in the tangential plane enables.
Fig. 6 stellt ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dar, die es erlaubt, quasi-simultan eine Messung"aus der Ebene" und zwei Messungen "in der Ebene" durchzuführen, und Fiq. 7 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, die es ermöglicht, gleichzeitig eine Messung "aus der Ebene" und zwei Messungen "in der Ebene" durchzuführen. FIG. 6 depicts a simplified schematic of an embodiment of FIG arrangement according to the invention, which allows a quasi-simultaneous measurement "from of the plane "and two measurements" in the plane ", and Fig. 7 shows a simplified scheme of an embodiment of an arrangement according to the invention, the it enables one measurement "out of plane" and two measurements "in." of the level ".
in Fig. 1 ist in vereinfachter Form die Gesamtheit der Anordnung dargestellt zum Ausführen einer quasi-simultanen Messung von Vibrationen im Punkte P des Gegenstandes O in einer Richtung "in der Ebene" und "aus der Ebene". Die Anordnung umfaßt eine Quelle 2 für kohärentes Licht, vorzugsweise gebildet von einem He1ium-NeLaser mit einer Wellenlänge von 6328 2 und einer Leistung von 5 mW. Der Hauptlichtstrahl ,fO, der von der Quelle 2 ausgeht, wird in einen Meßlichtstrahl f1 und einen Meßlichtstrahl f2 aufgeteilt mittels eines an sich bekannten Strahlteiler SF1. Der erste Strahl f1 folgt einem ersten optischen Ifad1 der einen akusto-optischen Modulator 4 enthält, an dessen Ausgang der Strahl f1 eine erste Frequenz F1 aufweist, sowie einen ersten Spiegel M1 umfaßt, der den Strahl F1 auf einen Punkt P des Geqenstandes 0 richtet, dessen Schwinqungen bestimmt werden sollen. Der Strahl f2 folgt einem zweiten optischen pfad, der einen zweiten akusto-optischen Modulator 6 enthält, welcher dem Strahl f2 eine zweite Frequenz F 2 vermittelt derart, daß F2 = F1 +Jt (dt ist demgemäß der Frequenzversatz), und dieser zweite optische Pfad enthält ferner einen zweiten Spiegel M21 der den Strahl f2 auf den Punkt P des Gegenstandes 0 richtetunter einem Auftreffwinkel, der symmetrisch ist zum Auftreffen des Strahles f1 bezüglich der Normalen N, errichtet auf der Oberfläche des Gegenstandes O im Punkte P. in Fig. 1 is in simplified form the entirety of the arrangement shown for performing a quasi-simultaneous measurement of vibrations in the point P of the object O in an "in-plane" and "out-of-plane" direction. The order comprises a source 2 for coherent light, preferably formed by a He1ium-Ne laser with a wavelength of 6328 2 and a power of 5 mW. The main ray of light , fO emanating from the source 2 is converted into a measuring light beam f1 and a measuring light beam f2 divided by means of a known beam splitter SF1. The first ray f1 follows a first optical Ifad1 which contains an acousto-optical modulator 4, at the output of which the beam f1 has a first frequency F1 and a first Includes mirror M1, which directs the beam F1 to a point P of the subject 0, whose vibrations are to be determined. The beam f2 follows a second optical one path containing a second acousto-optic modulator 6, which the beam f2 mediates a second frequency F 2 such that F2 = F1 + Jt (dt is accordingly the frequency offset), and that second optical path also includes a second Mirror M21 which directs the ray f2 to the point P of the object 0 directs at an angle of incidence that is symmetrical about the incidence of the beam f1 with respect to the normal N, established on the surface of the object O im Points P.
Beispielsweise hat der Modulator 4 eine Erregerfreguenz von 40 MHz, die zwischen Eingang und Ausgang einen optischen Frequenzversatz von 40 MHz bewirkt. In ähnlicher Weise hat der Modulator 6 eine Erregerfrequenz von 41 MHz mit der Folge eines optischen Freguenzversatzes von 41 MHz zwischen Eingang und Ausgang. Bei diesem Exempel besitztrfZdemgemäß den Wert von 1 MHz. Anstelle eines akusto-optischen Modulators könnte man irgendeine andere Anordnung verwenden, die zu einem optischen Frequenzversatz führt. For example, the modulator 4 has an excitation frequency of 40 MHz, which causes an optical frequency offset of 40 MHz between input and output. Similarly, the modulator 6 has an excitation frequency of 41 MHz with the result an optical frequency offset of 41 MHz between input and output. With this one Accordingly, example has a value of 1 MHz. Instead of an acousto-optic modulator some other arrangement that results in an optical frequency offset could be used leads.
Die Anordnung umfaßt ferner einen ersten Lichtdetektor 8, der in Richtung der Normalen N auf den Gegenstand 0 angeordnet ist. Der zweite optische Pfad umfaßt einen zweiten Strahltrenner SF2' der es erlaubt, aus dem Strahl f2 einen Bezugsstrahl fr abzuleiten, welcher einem dritten optischen Pfad folgt. Dieser dritte optische Pfad umfaßt einen Spiegel M3, einen anderen Spiegel M4, einen Strahltrenner SF7, dessen Aufgabe später erläutert wird und der in dem Schnittpunkt des zweiten optischen Pfades entsprechend dem Strahl f2 und dem dritten optischen Pfad entsprechend dem Bezugsstrahl zur angeordnet ist, und ein zweiter Lichtdetektor 10 ist gegenüber dem Strahltrenner 5F7 angeordnet, welcher den Meßstrahl f2 passieren läßt. Schließlich dient ein Spektralanalysator 12 zur-Verarbeitung der elektrischen Signale, die von den Detektoren 8 bzw. 10 geliefert werden. Diese Detektoren sind beispielsweise Photo-yervielfacher. The arrangement further comprises a first light detector 8 shown in FIG Direction of the normal N to the object 0 is arranged. The second optical Path includes a second beam splitter SF2 'which allows one of the beam f2 Derive reference beam fr which follows a third optical path. This third one optical path includes one mirror M3, another mirror M4, a beam splitter SF7, the task of which will be explained later and that in the intersection of the second optical path corresponding to beam f2 and the third optical path corresponding to the reference beam is located at, and a second light detector 10 is opposite the beam splitter 5F7, which allows the measuring beam f2 to pass. In the end a spectrum analyzer 12 is used to process the electrical signals transmitted by the detectors 8 and 10, respectively. These detectors are for example Photo-yer multiplier.
Wie bereits angedeutet, erlaubt die insoweit beschriebene Anordnung die Messung "in der Ebene" und "aus der Ebene". Um die Messung "in der Ebene" durchzuführen,verwendet man die Strahlen f1 und f2, die auf den Gegenstand O im Punkt P unter symmetrischen Winkeln relativ zur Normalen N auftreffen. Diese beiden Signale interferieren im Punkte P, und der Interfer-enzstrahl wird moduliert durch die Vibrationen des Gegenstandes O. As already indicated, the arrangement described so far allows the measurement "in the plane" and "out of the plane". Used to measure "in the plane" one the rays f1 and f2, which on the object O at point P under symmetric Meet angles relative to the normal N. These two signals interfere in the Points P, and the interfering beam is modulated by the vibrations of the object O.
Mit Hilfe des Detektors 8, der in der Normalen N auf die Taiiqentialebene in P angeordnet ist, fängt man einen Teil des reflektierten Interferenzlichtes f'2 2 auf und erhält am Ausgang des Detektors 8 ein Signal, das nach Verarbeitung durch den Spektralanalysator 12 ermöglicht, die Amplitude der Vibrationen zu berechnen in einer Richtung in der Tangentialebene, d.h. "in der Ebene". Bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist angegeben, daß der Detektor 8 für die Messung "in der Ebene" in der Normalen N auf die Tangentialfläche angeordnet ist. Es ist jedoch anzumerken, daß diese Positionierung keinesweqs zwingend ist. Es genügt, daß der Detektor 8 einen Teil des reflektierten Lichtes auffängt, resultierend aus der Interferenz der Strahlen f1 und f2. Die Normalposition ist jedoch diejenige, bei der der Detektor die maximale Lichtintensität erfaßt.With the help of the detector 8, which is in the normal N to the Taiiqentialebene in P is arranged, one catches part of the reflected interference light f'2 2 and receives a signal at the output of the detector 8, which after processing by enables the spectrum analyzer 12 to calculate the amplitude of the vibrations in one direction in the tangent plane, i.e. "in the plane". In the case of the above described preferred embodiment is specified that the detector 8 for the measurement "in the plane" is arranged in the normal N to the tangential surface is. It should be noted, however, that this positioning is by no means mandatory. It suffices that the detector 8 collects part of the reflected light, as a result from the interference of rays f1 and f2. However, the normal position is that at which the detector detects the maximum light intensity.
Um die Messung "aus der Ebene" durchzuführen, verwendet man einerseits den Strahl f1 und andererseits fr. r Der Strahl f1 folgt dem optischen Pfadlder bereits definiert wurde>und trifft auf das Objekt O im Punkt P unter einem bestimmten Winkel auf. In order to carry out the measurement "from the plane", one uses on the one hand the ray f1 and on the other hand fr. The beam f1 follows the optical path has already been defined> and meets the object O at point P under a certain Angle on.
Das reflektierte Licht f' wird unter einem symmetrischen Winkel zu dem des Strahls f1 erfaßt. Es wird moduliert durch die Vibrationen des Gegenstandes O. Der Strahl f'1 1 wird wieder mit lem Strahl fr kombiniert in lIöhe des Strahltrenners SF7, was zu einer Interferenz zwischen den beiden Signalen führt. Dieser rekombinierte Strahl ('r r wird von dem Detektor 10 erfaßt, der es auf diese Weise ermöglicht, die Amplitude der.Schwingunq "aus der Ebene" zu bestimmen. Um zu vermeiden, daß der Strahl f2 t verwendet während der Messung "in der Ebene"1 nicht gleichfalls auf den Gegenstand O im Punkte P während der Messung "aus der Ebene" auftrifft, wird eine bewegliche Blende 14 zwischen den Strahltrenner SF2 und den Strahltrenner SF7 qeschaltet. Mit dieser Meßanordnung ist die Zeit zwischen der Vibrationsmessung "in der Ebene" und der Vibrationsmessunq "aus der Ebene" geknüpft an die Betätigungsgeschwindigkeit der beweglichen Blende 14.The reflected light f 'is at a symmetrical angle to that of the beam f1 is detected. It is modulated by the vibrations of the object O. The beam f'11 is again combined with a beam fr at the level of the beam splitter SF7, which leads to interference between the two signals. This recombined Ray ('r r is detected by the detector 10, which in this way enables to determine the amplitude of the oscillation “out of the plane”. To avoid that the beam f2 t does not also use 1 during the "in-plane" measurement hits the object O at point P during the measurement "out of plane", becomes a movable diaphragm 14 between the beam splitter SF2 and the beam splitter SF7 switched. With this measuring arrangement, the time between the vibration measurements is "in the plane" and the vibration measurement "out of the plane" linked to the operating speed the movable shutter 14.
Um die Auswahl des Auftreffens der Meßstrahlen und der Ebene zum Erfassen des reflektierten Strahles für die Messung "aus der l*bene" verständlich zu machen, ist es vielleicht zweckmäßig, die folgenden Punkte in Erinnerung zu rufen: Die Modulation des Interferenzstrahls, repräsentativ für eine Komponente der Schwingung, läßt sich zurückführen auf die Modifikation der Länge des optischen Pfades, hervorgerufen durch die entsprechende Ortsveränderung der Mikro-Feinstruktur in der Oberfläche des Prüfobjektes. Für die Messung "in der Ebene" erfolgt die Interferenz auf dem Gegenstand zwischen zwei Strahlen. Die Veränderung der Länge des optischen Pfades für den Interferenzstrahl rührt demnach her von der vektoriellen Differenz der Längenänderungen des optischen Pfades beider Strahlen. Damit die Modulation wirksam repäsentativ ist für eine Ortsveränderung in der einzigen Tangentialebene, ist es erforderlich, daß dieser Vektor in der Tangentialebene liegt, d.h. daß seine Komponente in Richtung der Normalen bei 0 liegt. Wenn die beiden Strahlen den gleichen Auftreffwinkel mit der Normaleneinschließen, sind die Komnonenten der Längenänderunq des optischen Pfades in Richtung der Normalen gleich. Ihre Differenz ist demgemäß Null, und die Modulation des Lichtinterferenzsignals ist repräsentativ für die Komponente der Schwingung in der Tangentialebene. Für die Messung "aus der Ebene" erfolgt die Interferenz außerhalb des Gegenstandes. Die Länqenänderung des optischen Pfades beeinflußt demgemäß einen einzigen Strahl, Diese Längenänderung resultiert aus der Vektorsumme der Längenänderungen des optischen Pfades des auftreffenden Strahles und des reflektierten Strahles. Für eine Ortsveränderung, die ausschließlich in der Tangentialebene erfolgt, sind die Längenänderungen des optischen Pfades für den auftreffenden Strahl und für den reflektierten Strahl gleich und einander entgegen gerichtet, falls der auftreffende Strahl und der reflektierte Strahl in derselben, die Normale enthaltenden Ebene liegen. Wenn demgemäß der reflektierte Strahl in der Ebene des auftreffenden Strahles erfaßt wird, ist die Komponente der Gesamtverlängerung des optischen Pfades des Strahls in der Tangentialebene Null. Die Modulation des erfaßten Strahl ist demgemäß repräsentativ allein für die Ortsveränderung "aus der Ebene". To the selection of the incidence of the measuring beams and the plane for Detection of the reflected beam for the measurement "from the plane" understandable it may be useful to do that following points in Reminder to call: The modulation of the interference beam, representative of one Component of the oscillation, can be traced back to the modification of the length of the optical path, caused by the corresponding change in location of the Micro-fine structure in the surface of the test object. For the measurement "in the plane" the interference occurs on the object between two rays. The change the length of the optical path for the interference beam is therefore due to the vectorial difference in length changes in the optical path of both beams. So that the modulation is effectively representative of a change in location in the only one Tangent plane, it is necessary that this vector lies in the tangent plane, i.e. that its component in the direction of the normal is zero. When the two Rays enclosing the same angle of incidence with the normal are the components equal to the change in length of the optical path in the direction of the normal. Your difference is accordingly zero and the modulation of the light interference signal is representative for the component of the oscillation in the tangential plane. For the measurement "from the Level "occurs the interference outside of the object. The change in length of the optical path accordingly affects a single beam, this change in length results from the vector sum of the changes in length of the optical path of the incident Ray and the reflected ray. For a change of location that is exclusively takes place in the tangential plane, the changes in length of the optical path are for the incident beam and for the reflected beam are the same and opposite to each other directed, if the incident beam and the reflected beam are in the same, the plane containing the normals lie. Accordingly, when the reflected beam in the plane of the incident beam is detected, is the component of the total elongation of the optical path of the ray in the tangent plane zero. The modulation of the detected beam is accordingly representative only for the change in location "from the Level".
In Fig. 2 ist mit mehr Einzelheiten eine konkrete Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 1, die gerade beschrieben wurde, dargestellt. Bei dieser Ausführungsform findet sich am Ausgang jedes akusto-optischen Modulators 4 bzw. 6 ein Graufilter 16 bzw. 18, und diese Filter ermöglichenldie Lichtintensität für beide optischen Pfade einzustellen,d.h. für die Strahlen 51 und f2 Die Anordnung umfaßt ferner am Ausgang des akusto-optischen Modulators 6 zwei Linsen L1 und L2, die divergierend bzw. konvergierend sind und ermöglichen)dençvom Laser 2 erzeugten Lichtstrahl parallel zu machen. Diese Anordnung ist für den Strahl f2 erforderlich, weil, wie man erkennt, die Linse L3, die dazu dient, den Strahl f2 im Punkt P konvergieren zu lassen, gleichermaßen in der anderen Richtung verwendet werden muß für die Messung "aus der Ebene", um den reflektierten Strahl im wesentlichen parallel zu richten. Im optischen Pfad des Strahls f1 erkennt man in symmetrischer Anordnung die Linse L4 zum Fokussieren des Strahls in den Punkt P.Da diese Linse nur in einer Richtung benutzt wird, braucht man die für den Strahl f2 getroffenen Maßnahmen hier nicht vorzusehen. Für den Strahl frer sind die konvergierenden Linsen L5 und L6 vorgesehen mit Aufgabe, einen breiten Parallelstrahl zu erzeugen. Schließlicii sind für den kombinierten Strahl der Messung "in der Ebene" konvergierende Linsen L7 und L8 vorgesehen. Darüber hinaus befinden sich am Eingang der Detektoren 8 und 10 Blenden 21, die es insbesondere ermöglichen, die für die Messung verwendete Anzahl von "Speckles" oder "Granulationen"zu bestimmen und anzupassen. Die Linsen L7 und L8 erfassen einen Teil des vom Objekt reflektierten Lichtes und bilden auf der Blende 21 den Beobachtungspunkt des Gegenstandes ab. In Fig. 2 is a concrete embodiment in more detail the arrangement of FIG. 1, which has just been described, shown. At this Embodiment is found at the output of each acousto-optical modulator 4 or 6 a neutral density filter 16 and 18 respectively, and these filters enable the light intensity for set both optical paths, i.e. for the rays 51 and f2 the arrangement further comprises at the output of the acousto-optic modulator 6 two lenses L1 and L2, which are diverging or converging and enable) the generated by the laser 2 To make light beam parallel. This arrangement is required for the beam f2, because, as can be seen, the lens L3, which serves to converge the beam f2 at the point P. to let it be used equally in the other direction for the measurement "out of plane" to make the reflected beam substantially parallel. The lens can be seen in a symmetrical arrangement in the optical path of the beam f1 L4 to focus the beam in point P. Because this lens is only in one direction is used, the measures taken for beam f2 are not required here to be provided. The converging lenses L5 and L6 are provided for the beam frer with the task of generating a wide parallel beam. Finally, are for the combined beam of measurement "in-plane" converging lenses L7 and L8 are provided. In addition, there are at the entrance of the detectors 8 and 10 diaphragms 21, the make it possible in particular to determine the number of "speckles" used for the measurement or to determine and adjust "granulations". Lenses L7 and L8 capture you Part of the light reflected from the object and form the observation point on the diaphragm 21 of the object.
ts ist zu erläutern, was man unter "Speckles" oder "Granulationen" versteht, um diesen Aspekt der Erfindung zu verdeuPlichen. Da die Oberfläche des Gegenstandes 0 nicht glatt ist, sondern rauhRverhält sich die dem vom Laser emittierten kohärenten Lichtstrahl ausgesetzte Oberfläche wie eine Vielzahl von Lichtquellen, entsprechend den verschiedenen Mikrokavitäten der Oberfläche. In einer Ebene senkrecht zum reflektierten Strahl rekombinieren sich die Einzellichtstrahlen, reanittiert von jeder dieser Quellen, teilweise und ergeben demgemäß Zonen, wo die Lichtintensität höher ist als jene, di man in den benachbarten Zonen findet. Die Amplituden-und Phasnvcteilung dieser "Speckles" entsprechend verschiedenen reemittierenden Ouellen ist aleatorisch. Um ein Signal zu erhalten, das hinreichend unabhängig ist von lokalen Veränderungen,deh, da eine hinreichende Lichtenergie enthält,ist es wünscheswert,für den vom Detektor aufgefangenen Strahl eine hinreichende Anzahl von "Speckles" auszunutzen, um einen Kompensationseffekt zwischen den Zonen hoher Lichtintensität und mehr abgeschatteten Zonen zu erzielen. Es läßt sich zeigen, daß es wünschenswert wäre, einige hundert "Speckles" zu verwenden. Auf diese Weise hebt sich das aufqéfangene Signal gut vom Hintergrundrauschen ab. ts is to explain what is called "speckles" or "granulations" understands to defeat this aspect of the invention. Since the surface of the Object 0 is not smooth, but rather rough to that emitted by the laser surface exposed to a coherent light beam such as a variety of light sources, according to the different microcavities of the surface. In a plane perpendicular The individual light rays recombine to form the reflected beam, reanimated from each of these sources, in part, and accordingly give zones where the light intensity is higher than that found in the neighboring zones. The amplitude and Phase division of these "speckles" according to different re-emitting sources is aleatoric. To get a signal that is sufficiently independent of local ones Changes, that is, since it contains sufficient light energy, it is desirable for to utilize a sufficient number of "speckles" of the beam captured by the detector, a compensation effect between the zones of high light intensity and more shaded areas Zones to achieve. It can be shown that it would be desirable to have a few hundred "Speckles" to use. In this way, the signal picked up stands out well Background noise.
Die Öffnung der Blende hänyt natürlich von der Geometrie und den optischen Kennwerten des Systems ab, das zwischen der Oberfläche des Gegenstandes und der Eintrittsfläche des Detektors angeordnet ist. Man kann immerhin angeben, daß durch Auslegung der Blende mit einer Öffnung, die dem Zehnfachen der entsprechenden Öffnung einer reami.ttierenden Quelle entspricht (Diffrationswinkel) sich wirksam eine Berücksichtigung von einigen hundert "Speckles erzielen läßt. The opening of the aperture depends of course on the geometry and the optical characteristics of the system from that between the surface of the object and the entrance surface of the detector is arranged. At least one can state that by designing the aperture with an opening ten times the corresponding Opening of a reami.ttierenden source corresponds (angle of difference) itself effectively allows a few hundred "speckles to be taken into account.
Es ist darüber hinaus anzumerken, daß die Längen der optischen Pfade für die Strahlen f und f von dem Aufbau her gleich sind. It should also be noted that the lengths of the optical paths for the rays f and f are identical in structure.
1 2 Hinsichtlich des Strahles fr gilt dies jedoch nicht. Man kann die Länge dieses optischen Pfades anpassen, indem man den Spiegel M3 versetzt. Es ist jedoch anzumerken, daß dank dem verwendeten Laser die Einstellunq der optischen Pfade auf ungefähr 5 cm zu erfolgen hat. Bei anderen Lasertypen ist die Einstellung noch weniger genau vorzunehmen. Es ist demgemäß möglich, den Strahltrenner SF2 vor dem Spiegel M2 anzuordnen und den Spieqel M3 wegzulassen. 1 2 However, this does not apply to the beam fr. One can adjust the length of this optical path by moving mirror M3. It However, it should be noted that thanks to the laser used, the setting of the optical Paths to be made to about 5 cm. For other laser types, the setting is to be even less precise. It is accordingly possible to use the beam splitter SF2 the mirror M2 and omit the mirror M3.
Es ist noch anzumerken, daß die Frequenzversetzung ß zwischen den Strahlen f1 und f2 qrößer sein muß als die Frequenzcoder Schwingungen, denen der Gegenstand unterworfen ist. It should also be noted that the frequency offset β between the Rays f1 and f2 must be larger than the frequency encoder vibrations to which the Subject is subject.
Fiq.4 zeigt ein Beispiel des Spektrums,aufgefangen vom Detektor 10 oder vom Detektor 8. Man erkennt den Träger 1 0 entsprechend der Frequenzverstzung##zwischen den Strahlen f1 und f2 und die Seitenbänder I1, I'1,I2, I'2, usw. FIG. 4 shows an example of the spectrum collected by detector 10 or from the detector 8. One recognizes the carrier 1 0 according to the frequency offset ## between the rays f1 and f2 and the sidebands I1, I'1, I2, I'2, etc.
symmetrisch bezüglich des Trägers, und entsprechend den Frequenzen+4? , - ,Jl , + , , - 2W , usw. ... wobei # die Frequenz der Schwingung des Prüfgegenstandes ist. Die Information bezüglich der Schwingungsamplitude in der betrachteten Richtung ist enthalten in der Modulationstiefe, d.h. sie ergibt sich aus dem Verhältnis der Intensitäten der Seitenbänder Ii oder 1' 1 und des Trägers 1 0 Die Verarbeitung des aufgefangenen Signals zum Ableiten der Schwingungsamplitude in der betrachteten Richtung ist dem Fachmann geläufig und braucht deshalb hier nicht beschrieben zu werden. Es genügt darauf hinzuweisen, daß diese Amplitude gegeben ist durch die Beziehung: J1 (x) =Ii, wobei x die Schwingungsamplitude enthält J (x) 7 0 und J1 und J die entsprechenden Besselschen Funktionen sind.symmetrical with respect to the carrier, and corresponding to the frequencies + 4? , -, Jl, +,, - 2W, etc. ... where # is the frequency of the vibration of the test object is. The information regarding the oscillation amplitude in the considered direction is included in the modulation depth, i.e. it results from the ratio of the Intensities of the sidebands Ii or 1'1 and the carrier 1 0 The processing of the captured signal to derive the oscillation amplitude in the considered Direction is familiar to the person skilled in the art and therefore does not need to be described here will. Suffice it to say that this amplitude is given by the Relationship: J1 (x) = Ii, where x contains the vibration amplitude J (x) 7 0 and J1 and J are the corresponding Bessel functions.
0 Im Falle großer Schwingungsamplituden kann die Bestimmung dieser Amplitude auch die Bänder I2, I'2 berücksichtigen, wie dies dem Fachmann geläufig ist. 0 In the case of large oscillation amplitudes, the determination of this Amplitude also take into account the bands I2, I'2, as is known to the person skilled in the art is.
Darüber hinaus ist es, Anstatt daß dem Spektrumanalysator 12 Signale entsprechend einem breiten Frequenzspektrum, zentriert auf die Frequens#,zugeführt werden möglich, zwischen den Detektor und den Analysator Filter einzuschalten, die nur ein enges Band rings um die Frequenzwerte #-#,# 1 und #+# durchlassen, da# und o genau bekannt sind. Man erhält auch direkt die Amplituden Io, I1 und 1 In der insoweit beschriebenen Ausführungsform werden zwei Modulatoren verwendet, um die Signale der Frequenzen F1 und F2 zu bilden. Es wäre natürlich möglich, nur einen einzigen Modulator in einem der optischen Pfade zu verwenden. Die Frequenz F1 wäre beispielsweise durch den Laser 2 gegeben, und der einzige Modulator würde die Frequenz F2 liefern mit F2 F1 +JZ . Die beschriebenc Lösung weist jedoch einen großen Vorteil auf. Die akusto-optischen Modulatoren benötigen ein kräftiges Steuersignal, das die Erregerfrequenz liefert. Die Modulatoren und die Detektoren sind darüber hinaus notwendigerweise relativ nahe an einander angeordnet, damit die Gesamtanordnung nicht zu voluminös wird. Daraus ergibt sich eine elektromagnetische Kopplung zwischen Modulator und Detektor. In addition, instead of giving the spectrum analyzer 12 signals corresponding to a wide frequency spectrum, centered on the Frequens #, supplied will be possible to insert filters between the detector and the analyzer only allow a narrow band around the frequency values # - #, # 1 and # + # to pass, since # and o are known exactly. The amplitudes Io, I1 and 1 In der are also obtained directly So far described embodiment, two modulators are used to the To form signals of frequencies F1 and F2. It would of course be possible just one to use a single modulator in one of the optical paths. The frequency would be F1 given for example by the laser 2, and the only modulator would deliver the frequency F2 with F2 F1 + JZ. However, the solution described shows a big advantage. The acousto-optic modulators need a powerful one Control signal that supplies the excitation frequency. The modulators and the detectors are also necessarily arranged relatively close to each other so that the overall arrangement does not become too bulky. This results in an electromagnetic one Coupling between modulator and detector.
In dem Falle der Verwendung von zwei Modulatoren arbeiten diese mit Erregerfrequenzen, die abweichen von dem Versatz der Frequenz . Die elektromagnetische Kopplung ist deshalb bei der Messung nicht störend. Wenn im Gegensatz dazu ein einzige Modulator verwendet wird, arbeitet dieser mit der Erregerfrequenz und die Kopplung kann die Messung verfälschen.If two modulators are used, they work with them Excitation frequencies that deviate from the offset of the frequency. The electromagnetic Coupling is therefore not disruptive during the measurement. If, on the contrary, a single Modulator is used, this works with the excitation frequency and the coupling can falsify the measurement.
Mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es möglich,die beiden Messungen quasi-simultan dank der beweglichen Blende 14 auszuführen. Bei einer zweiten Ausführunqsform ist es möglich, beide Messungen genau gleichzeitig durchzuführen. Zu diesem Zweck enthält die Meßanordnung nach Fig. 3 weder den Modulator 6 noch die bewegliche Blende 14. Dafür weist die Anordnung jedoch zusätzlich einen Modulator 6' auf, angeordnet in dem dritten optischen Pfad (Strahl ,fr)beispielsweise zwischen den Spiegeln M3 und M4, sowie einen Modulator 6t', angeordnet im zweiten optischen Pfad (Strahl f2) zwischen den Strahltrennern SF2 und SF7 zur Erzeugung der Frequenz F2. With the embodiment described above, it is possible to use the to carry out both measurements quasi-simultaneously thanks to the movable diaphragm 14. at In a second embodiment it is possible to take both measurements exactly at the same time perform. For this purpose, the measuring arrangement according to FIG. 3 contains neither the modulator 6 nor the movable diaphragm 14. However, the arrangement also has one for this purpose Modulator 6 'arranged in the third optical path (beam, fr) for example between the mirrors M3 and M4, as well as a modulator 6t ', arranged in the second optical path (beam f2) between beam splitters SF2 and SF7 for generation the frequency F2.
Der Modulator 6' liefert an seinem Ausgang eine Frequenz Fr = F1 + #' mit # # #' Für die Messung "in der Ebene" beträgt der Versatz der Frequenzen F1 - F2 immer noch#. Für die Messung "aus der Ebene" ergibt sich die Nutzinterferenz zwischen zwei Strahlen, deren Frequenzen F1 und Fr sich um #' unterscheiden. Wenn und t/t' hinreichend unterschiedliche Werte aufweisen, empfängt der Spektralanalysator ein erstes Spektrum mit einem Träqer bei Frequenz und Seitenbändern bei #-#,# + ... (Messung "in der Ebene) sowie ein zweites Spektrum mit einem Träger bei der Frequenz8b' und Seitenbändern bei den Frequenzen #' -#,#' +#.... Diese beiden Spektren werden analysiert zum Ableiten der Schwingungsamplituden entsprechend den beiden Meßrichtungen. Um optische Kopplungen zu vermeiden, muß man 4 und 4 ' unterschiedlich wählen von den Erregerfrequenzen der Modulatoren 4, 6' und 6''.The modulator 6 'supplies a frequency Fr = F1 + at its output # 'with # # #' For the measurement "in the plane" the offset of the frequencies is F1 - F2 still #. The useful interference results for the measurement "out of the plane" between two rays whose frequencies F1 and Fr differ by # '. if and t / t 'have sufficiently different values, the spectrum analyzer receives a first spectrum with a carrier at frequency and sidebands at # - #, # + ... (measurement "in the plane) as well as a second spectrum with a carrier at the Frequency8b 'and sidebands at the frequencies #' - #, # '+ # .... These two spectra will be analyzed to derive the oscillation amplitudes accordingly the two measuring directions. To avoid optical coupling, you have to use 4 and 4 ' choose different from the excitation frequencies of the modulators 4, 6 'and 6' '.
Entsprechend den insoweit beschriebenen Ausführungsformen mißt die Anordnung nur zwei Schwingungskomponenten. Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform der Anordnung erläutert, die es ermöglicht, eine Messung "aus der Ebene" und zwei Messungen "in der Ebene" vorzunehmen. According to the embodiments described so far, the measures Arrangement of only two vibration components. Another embodiment is shown below the arrangement explained, which allows one measurement "out of plane" and two Take measurements "in the plane".
Die beiden oben beschriebenen Anordnungen verwenden zwei Meßstrahlen f1 und f2 und einen Bezugsstrahl fr wobei der Bezugsstrahl fr nur für die Messung "aus der Ebene" verwendet wird. The two arrangements described above use two measuring beams f1 and f2 and a reference beam fr where the reference beam fr is only for the measurement "out of plane" is used.
Um zwei Messungen "in der Ebene" zu realisieren, verwendet man einen dritten Meßstrahl 3. Die Strahlen f1 und f2 liegen noch immer in derselben Ebene, welche die Normale N auf die Oberfläche des Gegenstandes enthält, doch ist der Strahl 3 aus dem Punkt P in einer Ebene fokalisiert, welche die Normale N enthält, jedoch nicht zusammenfällt mit der Ebene der Meßstrahlen f1 und f;2. Der foktalisierte Strahl 3 schließt denselben Auftreffwinkel mit der Normalen N ein wie die Strahlen f1 und f2. Der Detektor 8 empfängt Signale, resultierend aus der Interferenz der auftreffenden Meßstr:ahlen f11 f2 und f3. One is used to carry out two measurements "in the plane" third measuring beam 3. The beams f1 and f2 are still in the same plane, which contains the normal N to the surface of the object, yet is the ray 3 focussed from point P in a plane containing normal N, however does not coincide with the plane of the measuring beams f1 and f; 2. The foctalized Ray 3 includes the same angle of incidence with the normal N as the rays f1 and f2. The detector 8 receives signals resulting from the interference of the impinging measuring lines: f11, f2 and f3.
Durch Verwertung einerseits der Interferenz zwischen den Strahlen f1 und f3 und andererseits der Interferenz zwischen den Strahlen f2 und f3 erhält man zwei Komponenten der Schwingung in der Tangentialebene. Durch entsprechende Auswahl der Auftreffebene des Strahls f bezüglich der gemeinsamen Ebene 3 der Strahlen f1 und f2 erhält man zueinander senkrechte Komponenten der Vibration in der Tangentialebene.By utilizing the interference between the beams on the one hand f1 and f3 and, on the other hand, the interference between beams f2 and f3 we have two components of the oscillation in the tangential plane. Through appropriate Selection of the plane of incidence of the ray f with respect to the common plane 3 of the rays f1 and f2 one obtains mutually perpendicular components of the vibration in the tangential plane.
Die Fig. 5 zeigt die verschiedenen auftreffenden Strahlen, fok,alisiert auf den Bereich des Punktes P des Gegenstandes O. Fig. 5 shows the various incident rays, focused, alized on the area of the point P of the object O.
In dieser Figur ist mit P die Tangentialebene an den Gegenstand im Punkte P bezeichnet, und mit N die Normale. Die beiden ersten Meßstrahlen f1 und f2 liegen in ein-und derselben Ebene N1, welche die Normale N enthalt. Die beiden Strahlen f1 und f2 schließen den gleichen Winkel imit der Normalen ein. Der dritte Meßstrahl f3 liegt in einer Ebene N2, welche die Normale N enthält und senkrecht steht auf der Ebene N1. Der foka sierte Strahl f3 schließt ebenfalls einen Winkelmit der Normalen ein. Da die Ebene N2 senkrecht auf der Ebene N1 steht, ist die Interferenz zwischen den Strahlen f1 und f3 repräsentativ für die Schwingungskomponente,in der Richtung X1 der Tangentialebene, während die Interferenz zwischen den Strahlen f2 und f3 repräsentativ ist für die Schwingungskomponente in der Richtung X2 der Tangentialebene, wobei X1 und X2 die Winkelhalbierenden der Intersektionen der Ebene N1 und der Halbebene N2 mit der Tangentialebene T sind. Die Richtungen X1 und X2 sind demgemäß zueinander senkrecht.In this figure, P is the plane of tangency to the object in Points P denotes, and N denotes the normal. The first two measuring beams f1 and f2 lie in one and the same plane N1, which contains the normal N. The two rays f1 and f2 enclose the same angle with the normal. The third measuring beam f3 lies in a plane N2 which contains the normal N and is perpendicular to the plane N1. The focused beam f3 also includes one Angle with the normal. Since the plane N2 is perpendicular to the plane N1, is the interference between rays f1 and f3 representative of the vibration component, in the direction X1 of the tangent plane, while the interference between the rays f2 and f3 is representative of the vibration component in the direction X2 of the Tangential plane, where X1 and X2 are the bisectors of the intersections of the plane N1 and the half-plane N2 with the tangential plane T are. The directions X1 and X2 are accordingly perpendicular to each other.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung, welche eine quasi-simultane Messung beider zueinander senkrechten Komponenten der Vibration in der Ebene und der Vibrationskomponente in Richtung der normalen N ermöglicht. Der Strahl fO,emittierts vom Laser 2, trifft auf einen Strahlteiler SF3 der einen dritten Meßstrahl f3 ergibt und einen Zwischenmeßstrahl f'O. Der Modulator 20 verleiht dem Strahl f3 eine Frequenz F3. Der Modulator 22 verleiht dem Zwischenmeßstrahl f'O eine Frequenz F1. Am Ausgang des Modulators 20 durchsetzt der Strahl f3 den Strahlteiler SF5, der einen Teil des Meßstrahles f3 abzweigt zur Ausbildung des Bezugsstrahls fr. Der Zwischenmeßstrahl f'O trifft auf den Strahlteiler SF4 zum Erzeugen einer-0 seits des ersten Meßstrahls f1 und andererseits des zweiten Meßstrahls f . Der Strahl f wird danach gerichtet und fokali-2 1 siert zum Auftreffen auf den Punkt P des Gegenstandes unter dem Winkek# mit der Normalen N. Gleichermaßen wird der Strahl f geführt und fokgalisiert zum Auftreffen auf den Punkt P des Gegenstandes unter dem Winkel mit der Normalen.Wie in Fiq. 5 angedeutet, liegen die Strahlen £1 und f2 in derselben Ebene N, welche die Normale enthält. Der Strahl f3 jedoch wird gerichtet und fokÆalisiert zum Auf treffen auf den Punkt P in der Ebene N2 der Fig. 5, und deshalb wurde der Strahl f3 gestrichelt angedeutet, weil er nicht in der Ebene der Fig. 6 verläuft. Der Strahl f2 durchsetzt, bevor er auf den Punkt P auftrifft, die optische Anordnung SF7, identisch mit der bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene gleicher Bezeichnung. Der Bezugsstrahl zur wird, ausgehend vom Strahlteiler SF5, auf die optische Einrichtung SF7 gerichtet. Der Strahl zur wird kombiniert mit dem reflektierten Strahl f'1 in der Anordnung SF7 zum Erzeugen des kombinierten Strahls f'r der dem Detektor 10 zugeführt wird, um die Komponente "aus der Ebene" zu ergeben, wie dies bereits oben erläutert wurde. Fig. 6 shows an embodiment of the arrangement, which is a quasi-simultaneous Measurement of both mutually perpendicular components of the vibration in the plane and the vibration component in the direction of normal N allows. The beam fO emits it from laser 2, hits a beam splitter SF3 which results in a third measuring beam f3 and an intermediate measuring beam f'O. The modulator 20 gives the beam f3 a frequency F3. The modulator 22 gives the intermediate measuring beam f'O a frequency F1. At the exit of the modulator 20, the beam f3 passes through the beam splitter SF5, which is a part of the measuring beam f3 branches off to form the reference beam fr. The intermediate measuring beam f'O strikes the beam splitter SF4 for generating on the one hand the first measuring beam f1 and on the other hand the second measuring beam f. The ray f is then directed and foci-2 1 siert to hit the point P of the object under the angle # with the normal N. In the same way, the ray f is guided and focalized to the Hitting the point P of the object at the angle with the normal. How in Fiq. 5 indicated, the rays £ 1 and f2 lie in the same plane N, which contains the normal. The beam f3, however, is directed and focused to the up meet point P in plane N2 of Figure 5, and therefore the ray became f3 indicated by dashed lines because it does not run in the plane of FIG. The beam f2 enforces the optical Arrangement SF7, identical to that already described with reference to FIG same name. The reference beam to, starting from the beam splitter SF5, directed at the optical device SF7. The beam for is combined with the reflected beam f'1 in the arrangement SF7 for generating the combined beam for which is fed to the detector 10 in order to produce the component "out of the plane", as already explained above.
Die Fiq. 6 deutet nur symbolisch die Mittel zum Richten der Strahlen fr und f3 außerhalb der Ebene der Figur an. Diese Mittel sind dem Fachmann bekannt. In ähnlicher Weise sind die fokalisierungsoptiken nicht dargestellt, weil sie von gleichem Aufbau sind wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. The Fiq. 6 only symbolically indicates the means of directing the rays fr and f3 outside the plane of the figure. These agents are known to the person skilled in the art. Similarly, the focusing optics are not shown because they are of the same structure are as already explained with reference to FIG.
Wie oben erwähnt, haben die Strahlen zur und f3 einen Frequenz f3, während die Strahlen f1 und f2 eine Frequenz F1 aufweisen, jeweils bewirkt durch die Modulatoren 20 bzw. 22. Beispielsweise gilt F3 = F1 +#''. Die Strahlen f1 und f haben die gleiche 2 Frequenz, und es ist erforderlich, bewegliche Blenden vorzusehen, um alternierend den Strahl f oder f zu unterbrechen, .1 2 damit die Signale,repräsentativ für die Interferenzen f - f3 bzw. f2 - f3lunterschieden werden können.Diese beweglichen Blenden tragen in Fig. 6 die Bezugszeichen 14 bzw. 24. As mentioned above, the rays to and f3 have a frequency f3, while beams f1 and f2 have a frequency F1, each caused by the modulators 20 and 22. For example, F3 = F1 + # "applies. The rays f1 and f have the same 2 frequency, and it is necessary to provide movable diaphragms, to alternately interrupt the beam f or f, .1 2 thus the signals, representative for the interferences f - f3 or f2 - f3l can be differentiated. These movable ones In FIG. 6, diaphragms have the reference symbols 14 and 24, respectively.
Für die Messung der beiden Komponenten in der Ebene fängt der Detektor 8 nacheinander zwei Signale auf,deren Träger der Frequenz#'' entspricht und deren Seitenbänder den Frequenzen #'' - # bzw.#'' +# ,#'' - 2# und#''+ 2# ... entsprechen. The detector starts to measure the two components in the plane 8 successively two signals whose carrier corresponds to the frequency # ″ and whose Sidebands correspond to the frequencies # '' - # or # '' + #, # '' - 2 # and # '' + 2 # ...
Für die Messung "aus der Ebene" empfängt der Detektor 10 die Interferenz des reflektierten Strahls f'1 1 und des Strahls der die ic Frequenz F1 +Jb' hat. Damit das aufgefangene Signal tatsächlich repräsentativ ist für die Vibrationskomponente "aus der Ebene",ist es erforderlich, während dieser Messung die Strahlen 2 und f3 zu unterbrechen. Dies erfolgt mit Hilfe der beweglichen Blende 14 und der beweglichen Blende 26,angeordnet in dem optischen Pfad des Strahls f hinter dem Strahltrenner SF5. For the "out of plane" measurement, the detector 10 receives the interference of the reflected beam f'1 1 and the beam which has ic frequency F1 + Jb '. So that the captured signal is actually representative of the vibration component "out of plane", it is necessary during this measurement to detect beams 2 and f3 to interrupt. This is done with the aid of the movable diaphragm 14 and the movable one Aperture 26 arranged in the optical path of the beam f behind the beam splitter SF5.
3 Darüber hinaus ist, wie bereits angedeutet wünschenswert, daß die Frequenz#'' unterschiedlich sein sollte von den Erregerfrequenzen der Modulatoren 20 und 22, um eine elektro-maqnetische Kopplung zwischen den Modulatoren und den Detektoren zu vermeiden. 3 In addition, as already indicated, it is desirable that the frequency # '' should be different from the excitation frequencies of the modulators 20 and 22 to establish an electro-magnetic coupling between the modulators and the Avoid detectors.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung, die es ermöglicht, gleichzeitig eine Messung aus der Ebene" und zwei Messungen "in der Ebene" durchzuführen. Die Fiq. 7 zeigt, daß diese Anordnung sehr ähnlich der nach Fig. 3 ist. Der einziqe Unterschied liegt in der Verarbeitung des dritten Meßstrahls f3. Fig. 7 shows a further embodiment of the arrangement which makes it possible Carry out a measurement from the plane "and two measurements" in the plane at the same time. The Fiq. 7 shows that this arrangement is very similar to that of FIG. The only one The difference lies in the processing of the third measuring beam f3.
Für diesen Zweck umfaßt die Anordnung einen zusätzlichen. Strahlteiler SF6, der es ermöglicht, den Meßstrahl f3 aus dem Strahl fO zu entnehmen. Dieser Strahlteiler ist zwischen dem Strahlteiler SF1 und dem Modulator 4 dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß dieser Strahlteiler zwischen SF1 und dem Laser 2 angeordnet sein könnte, oder zwischen SF und dem Strahlteiler Es ist zu berücksichtigen, daß SF und SF gemeinsam einen kom-6 o plexen Strahlteiler bilden, der es ermöglicht, die Strahlen f.1, f2 und f3 ausgehend von dem Strahl o auszubilden. Der Strahl durchsetzt einen Frequenzmodulator 28, der ihm die Frequenz F3 vermittelt. Vom Ausgang des Modulators 28 wird der Strahl f 3 gerichtet und folalisiert, um auf den Gegenstand im Punkt P in der Ebene N2 der Fig. 5 aufzutreffen unter dem gemeinsamen Einfallswinkel α. Der optische Pfad des Strahls f3 liegt nicht in der Ebene der Zeichnung und wurde deshalb nur gestrichelt dargestellt.For this purpose the arrangement includes an additional one. Beam splitter SF6, which makes it possible to take the measuring beam f3 from the beam fO. This The beam splitter is shown between the beam splitter SF1 and the modulator 4. It goes without saying that this beam splitter is between SF1 and the laser 2 could be arranged, or between SF and the beam splitter It must be taken into account that SF and SF together form a complex beam splitter that enables to form the beams f.1, f2 and f3 starting from the beam o. The beam penetrates a frequency modulator 28 which gives it the frequency F3. From the exit of the Modulator 28, the beam f 3 is directed and folalized in order to focus on the object at point P in the plane N2 of FIG. 5 at the common angle of incidence α. The optical path of the beam f3 is not in the plane of the drawing and was therefore only shown in dashed lines.
Bei dieser Ausführungsform haben die Meßstrahlen F1 f2 und f3 sowie der Bezugsstrahl fr sämtlich unterschiedliche Frequenzen. In this embodiment, the measuring beams F1 have f2 and f3 as well the reference ray for all different frequencies.
Aus diesem Grunde ist die gleichzeitige Messung möglich. Wie für Fig. 3 angegeben, gibt: F2 = F1 +#; Fr = F1 + #' Darüber hinaus qilt F3 = F1 + #''. Selbstverständlich sind die Frequenzen, 4 und Jw'' unterschiedlich.For this reason, simultaneous measurement is possible. As for Fig. 3 gives: F2 = F1 + #; Fr = F1 + # 'In addition, F3 = F1 + #' '. Of course the frequencies, 4 and Jw '' are different.
Es ist anzumerken, daß zwar nur die Interferenzen f1 - f3 und 2 - F3 für die Messungen "in der Ebene verwendet werden, es -3 außerdem eine Interferenz zwischen a1 und f2 gibt. Es ist deshalb erforderlich, daß die Frequenz#,# und-c4'' entsprechend den Trägern der Interferenzstrahlunq, verwendet für die Messungen "in der Ebene", sämtlich voneinander getrennt liegen. It should be noted that although only the interferences f1 - f3 and 2 - F3 can be used for the measurements "in the plane, there -3 also an interference between a1 and f2. It is therefore necessary that the frequency #, # and -c4 '' according to the Carriers of the interference radiation, used for the measurements are "in the plane", all separated from one another.
Es ergibt sich demgemäß, daß für die Messung "in der Ebene" der Spektralanalysator 12 zwei Durchlaßbänder entsprechend den Trägern<ftI'' undJ- #'' auswählt und daß für die Messung "aus der Ebene" der Analysator 12 ein Durchlaßband entsprechend dem Träger#' wählt. It follows accordingly that for the measurement "in the plane" the spectrum analyzer 12 selects two passbands corresponding to the carriers <ftI "and J- #" and that for the measurement "out of plane" the analyzer 12 has a passband accordingly the carrier # 'selects.
Um darüber hinaus elektromagnetische Kopplungen zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Werte vondl' -dt'' und vonJb unterschiedlich zu wählen von den Erreqerfreauenzen der Modulatoren 4, 6', 6'' und 28,wie wie oben erläutert. In addition, in order to avoid electromagnetic coupling it is desirable to choose the values of dl '-dt' 'and of Jb different from the exciter frequencies of the modulators 4, 6 ', 6 "and 28, as explained above.
Aus vorstehender Beschreibung ergibt sich, daß dank den unterschiedlichen Ausführungsformen der Meßanordnung es möglich ist, mit sehr guter Genauigkeit eine Messung der Amplitude von Schwingungen zu erzielen, denen irgendein Gegenstand unterworfen wird. Darüber hinaus erfolgen die Messungen der Vektorkomponenten dtr Schwingungen, ohne daß eine Veränderung der Einstellungen an der Anordnung vorzunehmen ist oder das Prüfobjekt zu beweqen ist. From the above description it follows that thanks to the different Embodiments of the measuring arrangement it is possible with a very good accuracy Measure the amplitude of vibrations to which any object is subjected will. In addition, the measurements of the vector components dtr vibrations, without having to change the settings on the arrangement or the test object is to be moved.
Schließlich wird selbst bei der einfachsten Ausführunqsform die Zeit zwischen der Messung von zwei Komponenten des Vektors erheblich verringert, was es gestattet, die Gefahr zufäl]-iger zeitlicher Änderungen der Schwingungen, denen der Prüfgegenstand unterworfen ist,als vernachlässigbar anzusehen.Eventually, even with the simplest embodiment, time is running out between the measurement of two components of the vector significantly reduced what it allows the risk of accidental changes in the vibrations over time, which the test item is subject to be regarded as negligible.
Als Beispiel kann man anqeben, daß mit den beschriebenen Anordnungen die Möglichkeit besteht, Amnlituden zu messen, aus-»ellend von der Größenordnung von 1 nm mit einer räumlichen Aufiösun<j oberhalb 10 /um (d.h. für zwei Punkte, die voneinander etwa 10 /um auseinanderlieqen), was es ermöglicht, eine "Karte" des Ansprechens des Prüfgegenstandes auf Schwingungen, denen der C,egenstand unterworfen wird, mit hoher Genauiqkeit zu entwerfen. Für diesen Zweck wird natürlich der Gegenstand auf einen Träqer montiert, der mikrometischen Bewegungen unterworfen werden kann. As an example one can indicate that with the described arrangements there is the possibility of measuring amnlitudes from »the order of magnitude of 1 nm with a spatial resolution <j above 10 / µm (i.e. for two points, which are about 10 / µm apart), which makes it possible to create a "card" the response of the test item to vibrations to which the C item is subject is to design with high accuracy. For this purpose, of course, the subject is made Mounted on a carrier that can be subjected to micrometical movements.
Die Anordnung ist insbesondere interessant bei der Kontrolle von Quarzen, die als Zeitbasis für elektronische Uhren verwendet werden, doch ist die Erfindung keineswegs auf diesen Anwendungsfall beschränkt. In dem erwähnten Fall jedoch muß natürlich zuvor die Fläche des Quarzkristalls mit einer Beschichtunq versehen werden. Die Beschichtunq kann Magnesium-Oxyd sein. Sie kann auch aus einem bestimmten Netzwerk bestehen, das auf der Quarzoberfläche gleichzeitig mit den Quarzelektroden aufgebracht wird. The arrangement is of particular interest when controlling Crystals that are used as a time base for electronic clocks, however, is the The invention is by no means restricted to this application. In the case mentioned however, of course, the surface of the quartz crystal must first be coated with a coating be provided. The coating can be magnesium oxide. It can also consist of one certain network exist that is on the quartz surface at the same time as the quartz electrodes is applied.
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Claims (10)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH302880 | 1980-04-18 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3114355A1 true DE3114355A1 (en) | 1982-05-27 |
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ID=4247014
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19813114355 Withdrawn DE3114355A1 (en) | 1980-04-18 | 1981-04-09 | Optical arrangement for measuring the vibrations of an object having a reflecting surface |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS56164930A (en) |
| DE (1) | DE3114355A1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4106572A1 (en) * | 1991-03-01 | 1992-09-03 | Fraunhofer Ges Forschung | Contactless measuring equipment using laser beam to measure vibrations of object - assigns evaluating unit to receiver modulating frequency shifted reference laser beam by dispersed laser beam from object intercepted by measuring head |
| DE19707109C1 (en) * | 1997-02-22 | 1998-06-25 | Bosch Gmbh Robert | Optical vibrometer for measuring object oscillation in perpendicular directions |
| DE19841947C2 (en) * | 1998-09-14 | 2003-02-06 | Mu Sen Mikrosystemtechnik Gmbh | Method of measuring structure-borne noise for use in technical diagnostics |
| DE102010033951A1 (en) * | 2010-08-10 | 2012-02-16 | Universität Paderborn | Arrangement for multidimensional measurement of oscillations of object, has deflecting units for deflecting beam such that measuring point of object is detectable with beam from spatial directions or one of spatial directions |
| DE102021200679A1 (en) | 2021-01-26 | 2022-07-28 | Universität Stuttgart | Opto-mechanical measuring system for spatial vibration analysis |
-
1981
- 1981-04-09 DE DE19813114355 patent/DE3114355A1/en not_active Withdrawn
- 1981-04-17 JP JP5837981A patent/JPS56164930A/en active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4106572A1 (en) * | 1991-03-01 | 1992-09-03 | Fraunhofer Ges Forschung | Contactless measuring equipment using laser beam to measure vibrations of object - assigns evaluating unit to receiver modulating frequency shifted reference laser beam by dispersed laser beam from object intercepted by measuring head |
| DE19707109C1 (en) * | 1997-02-22 | 1998-06-25 | Bosch Gmbh Robert | Optical vibrometer for measuring object oscillation in perpendicular directions |
| DE19841947C2 (en) * | 1998-09-14 | 2003-02-06 | Mu Sen Mikrosystemtechnik Gmbh | Method of measuring structure-borne noise for use in technical diagnostics |
| DE102010033951A1 (en) * | 2010-08-10 | 2012-02-16 | Universität Paderborn | Arrangement for multidimensional measurement of oscillations of object, has deflecting units for deflecting beam such that measuring point of object is detectable with beam from spatial directions or one of spatial directions |
| DE102010033951B4 (en) | 2010-08-10 | 2019-05-29 | Universität Paderborn | Arrangement and method for multi-dimensional measurement of vibrations of an object |
| DE102021200679A1 (en) | 2021-01-26 | 2022-07-28 | Universität Stuttgart | Opto-mechanical measuring system for spatial vibration analysis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56164930A (en) | 1981-12-18 |
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|---|---|---|---|
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