DE3623265A1 - Verfahren und anordnung zur faseroptischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung - Google Patents
Verfahren und anordnung zur faseroptischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein interferometrisches
Verfahren zur Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung,
bei dem das Licht einer Weißlichtquelle
mittels eines ersten Lichtleiters in ein als
Wegaufnehmer dienendes erstes Interferometer eingekoppelt
wird und dort in Teillichtstrahlen zerlegt
wird, die nach Durchlaufen unterschiedlicher Wege, von
denen wenigstens einer die zu messende Weglänge oder
Weglängenänderung enthält, zur Interferenz gebracht und
anschließend mittels eines zweiten Lichtleiters zur
Auswertung zu einem zweiten Interferometer weitergeleitet
werden. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf
eine Interferometer-Anordnung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
Die Messung physikalischer Größen, wie z. B. Druck,
Temperatur, Position, ist in der industriellen Regelungs-
und Automatisierungstechnik ein zentrales
Problem. Die zu messende Größe wird hierzu mit einem
geeigneten Sensor aufgenommen und in ein Signal umgewandelt,
das zur elektronischen Weiterverarbeitung oft
über größere Entfernungen weitergeleitet werden muß.
Sogenannte faseroptische Sensoren, die den zu messenden
Parameter in ein optisches Signal umwandeln, sind
für derartige Aufgaben aus mehreren Gründen besonders
geeignet. Die Vorteile faseroptischer Sensoren bestehen
im wesentlichen darin, daß keine elektrischen Leitungen
zur Strom- und Spannungsversorgung des Aufnehmers sowie
zur Signalübertragung zwischen verarbeitender Elektronik
und Sensorelement erforderlich sind. Sensorelement
und Auswerteeinheit sind somit galvanisch
getrennt und können ohne besondere Schutzmaßnahmen
beispielsweise in der Hochspannungstechnik oder in der
Medizin eingesetzt werden. Da nur kleine optische
Leistungen zum Betrieb der faseroptischen Sensoren
erforderlich sind, ist auch ihre Verwendung in
explosionsgefährdeten Umgebungen möglich. Außerdem sind
faseroptische Sensoren auch bei größeren Übertragungsstrecken
unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder.
Viele physikalische Meßgrößen, wie z. B. Druck und
Temperatur lassen sich durch geeignete Meßwertaufnehmer
in eine Positionsänderung umwandeln. Diese Positionsänderung
kann beispielsweise durch die Auslenkung einer
druckempfindlichen Membran oder durch die thermische
Dehnung eines Bimetallkörpers hervorgerufen werden.
Mittels einer im Meßwertaufnehmer untergebrachten
optischen Vorrichtung wird dann bei faseroptischen
Wegaufnehmern die Information über die räumliche Lage
beispielsweise durch eine Veränderung der Intensität
oder der spektralen Zusammensetzung des in den Meßwertaufnehmer
über einen Lichtleiter eingekoppelten
Lichtes dem sich vom Aufnehmer zur Auswerteeinheit
ausbreitenden Lichtstrom aufgeprägt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 30 44 183
ist ein faseroptischer Sensor zur optischen Messung von
Längen und Längenänderungen bekannt, der zwei fasergekoppelte
Interferometer, beispielsweise Michelson-
Interferometer enthält, bei denen jeweils der Spiegel
eines Interferometerarmes linear verschiebbar angeordnet
ist. Der verschiebbar angeordnete Spiegel des
ersten Interferometers dient dabei als Wegaufnehmer,
während der im zweiten Interferometer beweglich angeordnete
Spiegel, dessen Lage mittels einer geeigneten
Antriebsvorrichtung zwischen zwei Umkehrpositionen
verändert werden kann, zum Dekodieren des
vom ersten Interferometer modulierten optischen Signals
dient. Der Eingang des ersten Interferometers ist über
einen Lichtwellenleiter mit einer Weißlichtquelle verbunden.
Der Ausgang des ersten Interferometers ist
faseroptisch mit dem Eingang des zweiten Interferometers
gekoppelt. Der Ausgang dieses Interferometers
ist mit einem Lichtempfänger verbunden. Das erste
Interferometer stellt dabei das eigentliche Sensorelement
dar, das über zwei Lichtleiter mit einer Auswerteeinheit,
die neben dem Lichtempfänger und der
Weißlichtquelle auch das zweite Interferometer enthält,
verbunden ist. In einer sogenannten reziproken
Ausführungsform sind das als Sensorelement dienende
erste Interferometer und das zweite Interferometer bezüglich
ihrer Anordnung zur Lichtquelle und zum Lichtempfänger
vertauscht. In beiden Fällen zeigt die
Intensität des am Lichtempfänger gemessenen Lichtes in
Abhängigkeit von der Position des beweglich angeordneten
Spiegels des zweiten Interferometers charakteristische
Maxima, bei deren Auftreten die Lage des beweglich angeordneten
Spiegels im ersten Interferometer aus der
Lage des beweglichen Spiegels im zweiten Interferometer
ermittelt werden kann. Die Information über die
Position des im ersten Interferometer beweglich angeordneten
Spiegels ist dabei dem Spektrum der breitbandigen
Lichtquelle entsprechend der Transmissionscharakteristik
des ersten Interferometers aufgeprägt
und liegt spektral kodiert vor. Die am Lichtempfänger
gemessene Lichtintensität ist bei gegebener Lage des
beweglich angeordneten Spiegels des ersten Interferometers
vom Gangunterschied des zweiten Interferometers
abhängig. Es ergeben sich in Abhängigkeit von diesem
Gangunterschied drei charakteristische Intensitätsmaxima,
die auch als Signaturen bezeichnet werden. Das
mittlere Maximum entspricht dem Gangunterschied 0 und
die beiden äußeren Maxima entsprechen dem Gangunterschied,
dessen Absolutbetrag dem Absolutbetrag des Gangunterschiedes
im ersten Interferometer gleich ist. Beim
Auftreten der beiden äußeren Maxima sind die beiden als
spektrale Filter wirkenden Interferometer einander angepaßt
("matched filters"). Um diese Filteranpassung
zu erreichen, wird der Gangunterschied des zweiten Interferometers
zwischend zwei Extrempositionen hin- und hergefahren.
Aus dem zu den Intensitätsmaximas gehörenden
Gangunterschied des zweiten Interferometers erhält man
somit den Gangunterschied des ersten Interferometers
und somit auch die Information über die Lage oder
Lagenänderung des dort beweglich angeordneten Spiegels.
Diese bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß
im zweiten Interferometer ein Spiegel mechanisch bewegt
werden muß, um eine kontinuierliche Gangunterschiedsänderung
zu erzeugen und eine Filteranpassung
herbeizuführen. Da diese mechanische Spiegelverschiebung
zur Aufrechterhaltung der zur Interferenz erforderlichen
Kohärenzbedingungen sehr präzise sein muß,
ist das zur spektralen Dekodierung verwendete Interferometer
besonders verschleißanfällig. Außerdem sind
dem zeitlichen Auflösungsvermögen durch die für jede
Messung erforderliche Hin- und Herbewegung des Spiegels
Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein
interferometrisches Verfahren zur Messung einer Weglänge
oder einer Weglängenänderung anzugeben, bei dem
zum Dekodieren des Ausgangssignals des als Wegaufnehmer
dienenden ersten Interferometers eine durch eine
mechanische Spiegelbewegung erfolgende Filteranpassung
des als Empfänger dienenden zweiten Interferometers
nicht mehr erforderlich ist. Außerdem liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Interferometer-Anordnung
zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
Die genannten Aufgaben werden jeweils gelöst mit den
kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2. Die
Information über die zu messende Weglänge ist dem Leistungsdichtespektrum
des optischen Signals, das am Ausgang
des ersten Interferometers entnommen werden kann,
eingeprägt. Diese spektrale Kodierung ergibt sich durch
die für die verschiedenen Frequenzanteile des Lichtes
unterschiedliche optische Transparenz des als Filter
wirkenden ersten Interferometers. Mittels eines zweiten
Interferometers wird das Leistungsdichtespektrum des
Ausganggssignals des ersten Interferometers in ein
räumlich ausgebreitetes Interferogramm transformiert.
Interferometrische Verfahren und Interferometer-Anordnungen,
mit deren Hilfe ein räumlich ausgebreitetes
Interferogramm erzeugt werden kann, sind zwar in der
Literatur bekannt und werden dort als holographische
Spektroskopie bzw. holographische Spektrometer bezeichnet
(Handbook of Optical Holography, H.J. Caulfield,
Academic Press 1979, S. 587-594). Sie werden
aber nur für spektroskopische Zwecke eingesetzt. Dabei
wird mittels einer Fourier-Transformation des
räumlich ausgebreiteten Interferogramms die spektrale
Zusammensetzung eines optischen Signals rekonstruiert
(Applied Optics, Vol. 24, No. 22, November 1985, S.
3702-3706; US 45 23 846). Der Erfindung liegt nun die
Erkenntnis zugrunde, daß die Information über den Gangunterschied
des ersten Interferometers mittels einer in
einem zweiten Interferometer durchgeführten Ort-Ortsfrequenz-
Fourier-Transformation erhalten werden kann.
Das vom zweiten Interferometer erzeugte räumlich
ausgebreitete Interferogramm enthält dabei den Gangunterschied
in Gestalt des räumlichen Abstandes der
Signaturen. Damit ist die mit aufwendigen konstruktiven
Maßnahmen verbundene Bewegung eines Interferometer-Spiegels
im zweiten Interferometer mit Toleranzen im
Mikrometerbereich nicht mehr erforderlich. Zur Messung
des räumlich ausgebreiteten Interferogramms kann beispielsweise
ein Lichtempfänger mechanisch hin- und
herbewegt werden. Die Anforderung an die Genauigkeit
dieser Linearverschiebung ist dabei weitaus geringer
als bei einer Bewegung eines Interferometer-Spiegels.
In einer vorteilhaften Anordnung enthält das zweite
Interferometer ein lineares Array aus Photodioden und
das räumlich ausgebreitete Interferogramm kann rein
elektronisch abgetastet werden. In dieser Anordnung
enthält das zweite Interferometer keine beweglichen
Teile mehr. Außerdem ermöglicht die Verwendung eines
Photodiodenarrays eine schnelle Auswertung des Interferogramms
und eine somit höhere zeitliche Auflösung
bei der Messung der Weglänge.
Da das Ende des Lichtleiters im zweiten Interferometer
eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle darstellt,
kann in einer besonders vorteilhaften Anordnung als
zweites Interferometer ein Interferometer-Typ eingesetzt
werden, der mit einer Quellenverdopplungs-
Anordnung arbeitet, wie sie beispielsweise in Applied
Optics, Vol. 23, Nr. 2, Januar 1984, S. 269-273 offenbart ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die
Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 eine fasergekoppelte interferometrische Anordnung
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt
ist. In
Fig. 2 und 4 ist die spektrale Leistungsdichte des
Eingangs- bzw. des Ausgangssignals des ersten
Interferometers und
Fig. 3 und 5 die spektrale Filtercharakteristik des
ersten bzw. des zweiten Interferometers, gegen
die Wellenzahl jeweils in einem Diagramm aufgetragen.
In
Fig. 6 ist das vom zweiten Interferometer erzeugte
räumlich ausgebreitete Interferogramm schematisch
dargestellt. In
Fig. 7 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des
als Aufnehmer dienenden Interferometers und in
Fig. 8 eine vorteilhafte Spiegelanordnung für das als
Empfänger dienende Interferometer zusammen mit
dem jeweils zugehörigen Strahlengang veranschaulicht.
Fig. 9 zeigt die bevorzugte Ausgestaltung eines
ersten Interferometers nach dem Prinzip eines
Michelson-Interferometers im Schnitt und in
Fig. 10 ist eine weitere Ausgestaltung eines zweiten
Interferometers mit einer Quellenverdoppelungs-
Anordnung ebenfalls im Schnitt schematisch
dargestellt.
Gemäß Fig. 1 enthält eine faseroptische Interferometeranordnung
eine Weißlichtquelle 2, die mittels eines
ersten Lichtleiters 4 mit dem Eingang eines als Wegaufnehmer
dienenden ersten Interferometers 10, beispielsweise
eines Michelson-Interferometers, optisch
verbunden ist. Die Weißlichtquelle 2 emittiert spektral
breitbandiges Licht und ist beispielsweise eine Glühlampe
oder eine Leuchtdiode. Der in das erste Interferometer
10 eingekoppelte Lichtstrahl 5 wird von einem
Strahlteiler 12 in zwei zueinander senkrecht stehende
Teillichtstrahlen 6 und 7 zerlegt. Der Teillichtstrahl
6 wird an einem unbeweglich angeordneten Spiegel 14,
dessen Flächennormale parallel zur Ausbreitungsrichtung
des Teillichtstrahles 6 ist, zum Strahlteiler 12 zurückreflektiert.
Der Teillichtstrahl 7 wird an einem beweglich
angeordneten Spiegel 16 der parallel zu seiner
Flächennormalen und zur Ausbreitungsrichtung des Teillichtstrahles
7 in Richtung des Doppelpfeils linear
verschoben werden kann, ebenfalls zum Strahlteiler 12
zurückreflektiert. Die an den Spiegeln 14 und 16 reflektierenden
Strahlen interferieren am Ort des Strahlteilers
12 und ein Interferenzlichtstrahl 8 wird in
einen zweiten Lichtleiter 18 eingekoppelt. Die Verschiebung
x des beweglich angeordneten Spiegels 16 aus
der Lage, in der die beiden Interferometerarme des
Michelson-Interferometers gleich lang sind, ist dem
Interferenzlichtstrahl 8 spektral einkodiert. Über den
zweiten Lichtleiter 18 wird der Interferenzlichtstrahl
8 in ein zweites Interferometer 20 eingekoppelt, das
als Empfänger-Interferometer zum Dekodieren der dem
Interferenzlichtstrahl 8 spektral einkodierten Weginformation
dient. Ein Strahlteiler 24 zerlegt den aus
dem Lichtleiter 18 austretenden Lichtstrahl 19 in
zwei zueinander senkrechte Teillichtstrahlen 25 und 27,
die beispielsweise mittels zueinander geneigten Spiegeln
26 und 28 zum Strahlteiler 24 zurückreflektiert
werden. Im Beispiel der Fig. 1 ist das zweite Interferometer
20 mit einer Spiegelanordnung versehen,
bei der die Teillichtstrahlen 25 und 27 einen Weg in
Gestalt eines Dreiecks zurücklegen. Diese einfache ringförmige
Spiegelanordnung kann durch Hinzunahme zusätzlicher
Spiegel beliebig erweitert werden, so daß der
Weg, den die Teillichtstrahlen 25 und 27 zurücklegen,
die Gestalt eines Polygons hat, das einen Kreisring
approximiert. Die reflektierenden Oberflächen der
beiden Spiegel 26 und 28 bilden dann untereinander
einen Winkel von 45°. Der Spiegel 26 ist in Richtung
des Teillichtstrahls 25 derart parallel verschoben, daß
die Wegstrecke des Teillichtstrahls 25 bis zum Spiegel
26 um die Strecke a größer ist als die Wegstrecke des
Teillichtstrahls 27 zum Spiegel 28. Die beiden Teillichtstrahlen
25 und 27 bilden dann nach Durchlaufen
des dreieckigen Weges zueinander annähernd parallele
Strahlenbündel 21 und 22, denen zwei identische
virtuelle, räumlich getrennte Lichtquellen zugeordnet
werden können. Die räumlich ausgedehnte Lichtquelle in
Gestalt des Austrittsendes des Lichtleiters 18 wird
somit im zweiten Interferometer 20 in zwei identische
räumlich ausgedehnte virtuelle Lichtquellen verdoppelt,
deren jeweils zueinander korrespondierenden Punkte der
Leuchtfläche untereinander kohärentes Licht emittieren.
Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin,
daß keine Maßnahmen zur Erhöhung der Kohährenzeigenschaften,
wie z. B. das Einfügen von Blenden in den
Strahlengang, erforderlich sind, die zu einer Verringerung
der verfügbaren Lichtintensität führen würden.
Mittels einer Sammellinse 30 werden dann die beiden
Strahlenbündel 21 und 22 in einer Hologramm-Ebene 32
fokussiert und zur Interferenz gebracht. In der Hologramm-
Ebene 32 befindet sich beispielsweise ein Lichtempfänger,
der parallel zur Richtung z bewegt werden
kann, um das in der Hologramm-Ebene 32 erzeugte Interferogramm
aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform
befindet sich in der Hologramm-Ebene 32 eine
Bildwandler-Anordnung 34 in Gestalt eines linearen
Arrays aus Photodioden, beispielsweise ein CCD-Array,
das mittels einer elektronischen Auswertevorrichtung 36
rein elektronisch abgetastet werden kann. Die Auswertevorrichtung
36 ermittelt aus den Lagekoordinaten z der
Signaturen des in der Hologramm-Ebene 32 erzeugten
Interferogramms die Verschiebung x des beweglichen
Spiegels 16. Die Verschiebung x kann beispielsweise mit
Hilfe eines Displays 38 optisch angezeigt werden. Für
die Lichtleiter 4 und 8 eignen sich sogenannte Multimode-Fasern,
wobei je nach Länge der Übertragungsstrecke
dämpfungsärmere Glasfaser-Lichtwellenleiter
oder billigere, dafür aber verlustreichere Plastik-
Lichtwellenleiter eingesetzt werden können.
In Fig. 2 ist die Leistungsdichte B₀ des am Eingang
des ersten Interferometers 10 eingekoppelten Lichtes
gegen die optische Wellenzahl σ aufgetragen. Dieses
Leistungsdichtespektrum stellt bereits unter Berücksichtigung
der von der Wellenzahl σ abhängigen Übertragungsfunktion
des ersten Lichtleiters 4 das
Leistungsdichtespektrum der Weißlichtquelle 2 dar.
In Fig. 3 ist das Betragsquadrat |H A |² der Übertragungsfunktion
H A eines als erstes Interferometer 10
dienenden Michelson-Interferometers gegen die Wellenzahl
σ aufgetragen. Die Lage der Transmissionsbänder
des ersten Interferometers, d. h. die Wellenzahlen
maximaler Transmission, hängen vom Gangunterschied
x und somit von der Position des beweglichen
Spiegels 16 ab und es gilt die Proportionalität
|H A ( σ)|² α1+cos 2π x σ
Mit dem Betragsquadrat dieser Übertragungsfunktion wird
das Leistungsdichtespektrum B₀( σ) moduliert und das
Interferenzlicht am Ausgang des ersten Interferometers
hat die spektrale Dichteverteilung B A ( σ) gemäß Fig.
4, die sich durch die Beziehung
B A ( s) = |H A ( σ)|² · B₀( σ)
ergibt. Die Postitionsinformation über die Lage des
Spiegels 16 ist somit über die Übertragungsfunktion des
ersten Interferometers 10 dem Spektrum des am Ausgang
des ersten Interferometers 10 entstehenden Lichtes
eingeprägt. Diese Modulation bleibt nach Durchlaufen
der Übertragungsstrecke im zweiten Lichtleiter 18 in
ihrer periodischen Struktur erhalten.
Das Betragsquadrat |H E |² der Übertragungsfunktion H E
des als Empfänger dienenden zweiten Interferometers 20
ist in Fig. 5 ebenfalls gegen die Wellenzahl σ aufgetragen
und es gilt die Beziehung
wobei f die Brennweite der Sammellinse 30 ist. In der
Hologrammebene 32 wird eine von z abhängige Intensitätsverteilung,
ein Interferogramm
erzeugt. Dieses Interferogramm ist in Fig. 6 aufgetragen.
Es enthält drei charakteristische Gruppen maximaler
Intensität, sogenannte Signaturen. Der räumliche
Abstand z₀ dieser Gruppen beträgt
und erlaubt somit direkt die Bestimmung des Gangunterschiedes
x im ersten Interferometer. Dieses Verfahren
hat somit den Vorteil, daß keine durch mechanische
Spiegelbewegung bewirkte Abstimmung der Filtercharakteristik
des zweiten Interferometers auf die
Filtercharakteristisch des ersten Interferometers
erforderlich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann als erstes
Interferometer auch ein Mehrstrahlinterferometer, beispielsweise
ein Fabry-Perot-Interferometer 102, verwendet
werden, dessen Funktionsprinzip in Fig. 7 veranschaulicht
ist. Ein in das Interferometer 102 eingekoppelter
Lichtstrahl 60 durchläuft einen ersten
teilsdurchlässigen Spiegel 62 und wird an einem zweiten
teildurchlässigen Spiegel 64 teilweise reflektiert.
Der durch den teildurchlässigen Spiegel 64 hindurchtretende
Lichtstrahl 68 interferiert dann mit den an
den teildurchlässigen Spiegeln 62 und 64 mehrfach
reflektierten Strahlen und enthält ebenfalls die Lageinformation
des in Richtung des Doppelpfeils verschiebbar
angeordneten Spiegels 64 spektral kodiert. Der
Vorteil eines derartigen Interferometers besteht im
wesentlichen darin, daß damit eine Miniaturisierung des
Wegaufnehmers möglich ist.
Gemäß Fig. 8 enthält ein zweites Interferometer 202
drei zueinander geneigte Spiegel 78, 80 und 82, die
derart zueinander angeordnet sind, daß die aus
dem einfallenden Lichtstrahl 70 durch einen Strahlenteiler
72 erzeugten Teilstrahlen 74 und 76 ohne Zwischenschaltung
einer Sammellinse in einer Interferenzebene
84 überlagert werden. Auch bei diesem Interferometer-Typ
handelt es sich um eine Quellenverdoppelungs-
Anordnung mit der die Interferenz von Licht, das von
einer räumlich ausgedehnten Strahlungsquelle ausgeht,
ermöglicht wird.
Gemäß Fig. 10 hat die vorteilhafte Ausgestaltung eines
ersten Interferometers 10 ein zylindrisches Gehäuse
104, in dem ein Spiegel 16 am Ende einer Führungswelle
162 angeordnet sind, die in einer in das Gehäuse 104
eingesetzten ebenfalls zylindrischen Lagerbuchse 7 geführt
wird. Mit dem zylindrischen Gehäuse 104 fest verbunden
ist ein würfelförmiger Strahlteiler 12, dessen
eine Seitenfläche mit Aluminium bedampft ist und zugleich
als zweiter Spiegel 14 dient. Die der Lagerbuchse
17 gegenüberliegende Stirnfläche des zylindrischen
Gehäuses 104 ist mit einem Einsatz 106 versehen,
der zwei Bohrungen enthält, welche die beiden
Lichtleiter 4 und 18 aufnehmen. Gegenüber den Enden der
Lichtleiter 4 und 18 befindet sich eine Sammellinse 11,
deren Abstand zu den Lichtleiter-Enden ihrer Brennweite
entspricht. Ein auf der dem Spiegel 14 gegenüberliegenden
Seitenfläche des Strahlteilers angeordnetes Umlenkprisma
13 bewirkt eine rechtwinklige Umlenkung des Interferenzlichtes,
die dessen stirnseitiges Auskoppeln in
den mit dem zweiten Interferometer verbundenen Lichtleiter
18 ermöglicht.
Das zweite Interferometer 20 gemäß Fig. 10 enthält
in einem quaderförmigen Gehäuse 204 gegenüber der Eintrittsöffnung
für den Lichtleiter 18 einen würfelförmigen
Strahlteiler 24, dem zwei zueinander um einen
45°-Winkel geneigte Spiegel 26 und 28 zugeordnet sind.
Die beiden Spiegel 26 und 28 sind beispielsweise direkt
auf die Innenwand des Gehäuses 204, beispielsweise als
Aufdampf-Schicht, aufgebracht. Gegenüber der dem Spiegel
28 abgewandten Seitenfläche des Strahlteilers 24
befindet sich eine Sammellinse 30, in deren Brennebene
in einer bevorzugten Ausführungsform ein lineares Array
aus Photodioden 34 angeordnet sind.
Claims (8)
1. Interferometrisches Verfahren zur Messung einer
Weglänge oder einer Weglängenänderung, bei dem das
Licht einer Weißlichtquelle (2) mittels eines ersten
Lichtleiters (4) in ein als Wegaufnehmer dienendes
erstes Interferometer (10) eingekoppelt wird und dort
in Teillichtstrahlen (6, 7) zerlegt wird, die nach
Durchlaufen unterschiedlicher Wege, von denen wenigstens
einer (7) die zu messende Weglänge oder Weglängenänderung
(x) enthält, zur Interferenz gebracht
und anschließend mittels eines zweiten Lichtleiters
zur Auswertung (18) zu einem zweiten Interferometer
(20) weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß im zweiten Interferometer
(20) das Leistungsdichtespektrum des Ausgangssignals
vom ersten Interferometer in ein räumlich
ausgebreitetes Interferogramm fouriertransformiert
wird.
2. Faseroptische Interferometer-Anordnung zur Messung
einer Weglänge oder einer Weglängenänderung mit
- a) einer Weißlichtquelle (2),
- b) einem ersten Interferometer (10), das mit der Weißlichtquelle (2) über einen ersten Lichtleiter (4) optisch verbunden ist,
- c) einen im ersten Interferometer (10) verschiebbar angeordnetem Spiegel (16), dessen Position den Gangunterschied (x) der sich im Wegaufnehmer-Interferometer (10) überlagernden Teillichtstrahlen (6,7) bestimmt,
- d) einem zweiten Interferometer (20), dessen Eingang mit dem Ausgang des Wegaufnehmer-Interferometers (10) mittels eines zweiten Lichtleiters (18) optisch gekoppelt ist,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale
- e) das zweite Interferometer (20) ist ein holographisches Spektrometer,
- f) am Ausgang des zweiten Interferometers (20) ist eine optische Empfangsvorrichtung (34) zur Aufnahme des räumlich ausgebreiteten Interferogramms vorgesehen.
3. Interferometer-Anordnung zur Messung einer Weglänge
oder einer Weglängenänderung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die
optische Empfangsvorrichtung (34) ein lineares Array
aus Photodioden ist.
4. Interferometer-Anordnung zur Messung einer Weglänge
oder einer Weglängenänderung nach Anspruch 2 oder
Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das holographische Spektrometer (20) eine
Quellenverdopplungs-Anordnung enthält.
5. Interferometer-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das
holographische Spektrometer (20) ein ringförmig angeordnetes
Spiegelsystem hat.
6. Interferometer-Anordnung nach einem der Ansprüche 2
bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Interferometer (10) ein Zwischenstrahl-
Interferometer ist.
7. Interferometer-Anordnung nach einem der Ansprüche 2
bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Interferometer (10) ein Mehrstrahl-
Interferometer (102) ist.
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---|---|
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Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3720142A1 (de) * | 1987-06-16 | 1988-12-29 | Rottenkolber Holo System Gmbh | Holographische messeinrichtung |
WO1989008238A1 (en) * | 1988-02-24 | 1989-09-08 | Hughes Aircraft Company | Comb filter pressure/temperature sensing system |
FR2641861A1 (fr) * | 1989-01-18 | 1990-07-20 | Photonetics | Dispositif de mesure opto-electronique |
FR2643145A1 (fr) * | 1989-02-14 | 1990-08-17 | Bertin & Cie | Procede et dispositif de detection et de mesure d'une grandeur physique |
WO1990009557A1 (en) * | 1989-02-18 | 1990-08-23 | Cambridge Consultants Limited | Interferometry |
WO1991004489A1 (en) * | 1989-09-20 | 1991-04-04 | The Royal Institution For The Advancement Of Learning (Mcgill University) | A homogeneous interferometric immunoassay system |
WO1991016597A1 (en) * | 1990-04-23 | 1991-10-31 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Interferometry systems and methods |
DE4213602A1 (de) * | 1992-04-24 | 1993-10-28 | Alexander W Dr Ing Koch | Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung |
WO1993022637A1 (de) * | 1992-05-05 | 1993-11-11 | Tabarelli, Werner | Interferometer |
WO1994011708A1 (en) * | 1992-11-06 | 1994-05-26 | Martin Marietta Corporation | Interferometric optical sensor read-out system |
AU658824B2 (en) * | 1990-04-23 | 1995-05-04 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Interferometry systems and methods |
FR2765964A1 (fr) * | 1997-07-08 | 1999-01-15 | Bertin & Cie | Dispositif optique de mesure de distance avec une grande precision |
GB2347209A (en) * | 1999-02-22 | 2000-08-30 | Univ Cranfield | Fibre optic sensing |
DE4309056B4 (de) * | 1993-03-20 | 2006-05-24 | Häusler, Gerd, Prof. Dr. | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Entfernung und Streuintensität von streuenden Punkten |
DE102007030814A1 (de) * | 2007-07-03 | 2009-01-08 | Universität Stuttgart | Optisches Verfahren mittels Vielstrahlinterferenz |
DE102008020902A1 (de) | 2008-04-18 | 2009-10-29 | Universität Stuttgart | Anordnung und Verfahren zur konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie |
DE102008062879A1 (de) | 2008-10-10 | 2010-05-12 | Universität Stuttgart | Verfahren und Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3044183A1 (de) * | 1980-11-24 | 1982-06-24 | Reinhard Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Ulrich | Verfahren zur optischen messung von laengen und laengenaenderungen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens |
US4523846A (en) * | 1982-09-10 | 1985-06-18 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Integrated optics in an electrically scanned imaging Fourier transform spectrometer |
-
1986
- 1986-07-10 DE DE19863623265 patent/DE3623265C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3044183A1 (de) * | 1980-11-24 | 1982-06-24 | Reinhard Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Ulrich | Verfahren zur optischen messung von laengen und laengenaenderungen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens |
US4523846A (en) * | 1982-09-10 | 1985-06-18 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Integrated optics in an electrically scanned imaging Fourier transform spectrometer |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Applied Optics, Vol. 23, Nr. 2, Januar 1984, S. 269-273 * |
Applied Optics, Vol. 24, Nr. 22, November 1985, S. 3702-3706 * |
Handbook of Optical Holography, H.J. Caulfield, Academic Press 1979, S. 587-594 * |
Cited By (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3720142A1 (de) * | 1987-06-16 | 1988-12-29 | Rottenkolber Holo System Gmbh | Holographische messeinrichtung |
GR1000329B (el) * | 1988-02-24 | 1992-06-25 | Hughes Aircraft Co | Αισθητηρας πιεσεως/θερμοκρασιας με φιλτρο στενης ζωνης. |
WO1989008238A1 (en) * | 1988-02-24 | 1989-09-08 | Hughes Aircraft Company | Comb filter pressure/temperature sensing system |
AU606798B2 (en) * | 1988-02-24 | 1991-02-14 | Hughes Aircraft Company | Comb filter pressure/temperature sensing system |
FR2641861A1 (fr) * | 1989-01-18 | 1990-07-20 | Photonetics | Dispositif de mesure opto-electronique |
FR2643145A1 (fr) * | 1989-02-14 | 1990-08-17 | Bertin & Cie | Procede et dispositif de detection et de mesure d'une grandeur physique |
WO1990009564A1 (fr) * | 1989-02-14 | 1990-08-23 | Bertin & Cie | Procede et dispositif de detection et de mesure d'une grandeur physique |
EP0387115A1 (de) * | 1989-02-14 | 1990-09-12 | Bertin & Cie | Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren und Messen einer physikalischen Grösse |
US5200796A (en) * | 1989-02-14 | 1993-04-06 | Bertin & Cie | Method and apparatus for detecting and measuring a physical magnitude |
US5301010A (en) * | 1989-02-18 | 1994-04-05 | Cambridge Consultants Limited | Interferometer having a short coherence length light source and means for identifying interference fringes |
WO1990009557A1 (en) * | 1989-02-18 | 1990-08-23 | Cambridge Consultants Limited | Interferometry |
WO1991004489A1 (en) * | 1989-09-20 | 1991-04-04 | The Royal Institution For The Advancement Of Learning (Mcgill University) | A homogeneous interferometric immunoassay system |
US5617207A (en) * | 1990-04-23 | 1997-04-01 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Appartatus and method for measuring a change in an energy path length |
AU658824B2 (en) * | 1990-04-23 | 1995-05-04 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Interferometry systems and methods |
WO1991016597A1 (en) * | 1990-04-23 | 1991-10-31 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Interferometry systems and methods |
DE4213602A1 (de) * | 1992-04-24 | 1993-10-28 | Alexander W Dr Ing Koch | Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung |
WO1993022637A1 (de) * | 1992-05-05 | 1993-11-11 | Tabarelli, Werner | Interferometer |
WO1994011708A1 (en) * | 1992-11-06 | 1994-05-26 | Martin Marietta Corporation | Interferometric optical sensor read-out system |
US5477323A (en) * | 1992-11-06 | 1995-12-19 | Martin Marietta Corporation | Fiber optic strain sensor and read-out system |
DE4309056B4 (de) * | 1993-03-20 | 2006-05-24 | Häusler, Gerd, Prof. Dr. | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Entfernung und Streuintensität von streuenden Punkten |
FR2765964A1 (fr) * | 1997-07-08 | 1999-01-15 | Bertin & Cie | Dispositif optique de mesure de distance avec une grande precision |
GB2347209B (en) * | 1999-02-22 | 2004-02-25 | Univ Cranfield | Fibre optic sensing |
GB2347209A (en) * | 1999-02-22 | 2000-08-30 | Univ Cranfield | Fibre optic sensing |
DE102007030814A1 (de) * | 2007-07-03 | 2009-01-08 | Universität Stuttgart | Optisches Verfahren mittels Vielstrahlinterferenz |
DE102007030814B4 (de) * | 2007-07-03 | 2010-02-11 | Universität Stuttgart | Optisches Detektionsverfahren mittels Vielstrahlinterferenz |
DE102008020902A1 (de) | 2008-04-18 | 2009-10-29 | Universität Stuttgart | Anordnung und Verfahren zur konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie |
DE102008020902B4 (de) * | 2008-04-18 | 2010-07-29 | Universität Stuttgart | Anordnung und Verfahren zur konfokalen, spektralen Zweistrahl-Interferometrie |
DE102008062879A1 (de) | 2008-10-10 | 2010-05-12 | Universität Stuttgart | Verfahren und Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie |
US8605289B2 (en) | 2008-10-10 | 2013-12-10 | Universitaet Stuttgart | Method and apparatus for interferometry |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3623265C2 (de) | 1994-11-03 |
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