DE102021200679A1

DE102021200679A1 - Optomechanisches Messsystem zur räumlichen Schwingungsanalyse

Info

Publication number: DE102021200679A1
Application number: DE102021200679.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Rittmann; Yannick Bernhardt; Marc Kreutzbruck
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Optomechanisches Messsystem (110) zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers (112). Das optomechanische Messsystem (110) umfasst ein Laser-Doppler-Vibrometer (116). Das Laser-Doppler-Vibrometer (116) ist eingerichtet, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (150) zur Beleuchtung des Prüfkörpers (112) zu erzeugen, mindestens einen von dem Prüfkörper (112) gestreuten Lichtstrahl (160) zu detektieren und daraus durch Überlagerung mit mindestens einem Referenzlichtstrahl (154) mindestens eine Messgröße zu bestimmen. Das optomechanische Messsystem (110) umfasst weiterhin mindestens ein Strahlteilersystem (118). Das Strahlteilersystem (118) ist eingerichtet, um den Beleuchtungslichtstrahl (150) in eine Mehrzahl an Teilstrahlen (156) aufzuteilen und die Teilstrahlen (156) auf mindestens einen gemeinsamen Punkt (158) auf dem Prüfkörper (112) zu lenken.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optomechanisches Messsystem zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers sowie ein Verfahren zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers. Derartige Messsysteme werden beispielsweise bei der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken, im Maschinenbau, in den Materialwissenschaften oder auch in der Medizin eingesetzt. Auch andere Einsatzgebiete sind möglich.
Technischer Hintergrund
Zur Vermessung von Prüfkörpern ist in dem Gebiet der Messtechnik der Einsatz von Laser-Doppler-Vibrometern bekannt. Laser-Doppler-Vibrometer können die Schwingung von Oberflächen in Ausbreitungsrichtung des von ihnen ausgehenden Laserstrahls erfassen. Aufgrund des Doppler-Effekts verschiebt sich bei einer Bewegung der zu messenden Oberfläche die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts. Diese Frequenzverschiebung kann dann in dem Laser-Doppler-Vibrometer mittels Interferometrie ausgewertet werden. Beispielsweise wird hierzu das zurückgestreute Laserlicht in einem Interferometer mit mindestens einem Referenzlichtstrahl überlagert und mindestens ein Interferenzsignal erzeugt, welches Aufschluss über das Schwingungsverhalten des Prüfkörpers geben kann. Bei einem scannenden Laser-Doppler-Vibrometer können mehrere Punkte auf der Oberfläche des Prüfkörpers zudem in einer flächigen Schwingungsanalyse nacheinander abgerastert werden.
Trotz der Vorteile, die durch die bekannten Messsysteme mit Laser-Doppler-Vibrometern bereits erreicht werden konnten, bleiben verschiedene technische Herausforderungen nach wie vor bestehen. Ein einzelnes Laser-Doppler-Vibrometer kann die Schwingung von Oberflächen ausschließlich in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfassen. Somit ist für jeden zu vermessenden Punkt auf der Oberfläche eines Prüfkörpers lediglich eine eindimensionale Schwingungsanalyse möglich. Für eine dreidimensionale Schwingungsanalyse werden dementsprechend derzeit drei separate Laser-Doppler-Vibrometer eingesetzt, deren Laserstrahlen gleichzeitig auf einen gemeinsamen Punkt fokussiert werden müssen. Dies erhöht wiederum den Materialbedarf und die Herstellungskosten solcher Messsysteme enorm. Ferner ist bei einem scannenden Laser-Doppler-Vibrometer eine Scaneinheit zur Nachführung des Laser-Doppler-Vibrometers notwendig.
Aufgabe der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, ein optomechanisches Messsystem und ein Verfahren zur räumlichen Schwingungsanalyse eines Prüfkörpers bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Messsysteme und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll ein kostengünstiges Messsystem bereitgestellt werden, mit welchem eine räumliche Schwingungsanalyse erfolgen kann. Wünschenswert wäre es dabei insbesondere ein einzelnes Laser-Doppler-Vibrometer derart erweitern zu können, dass eine flächige dreidimensionale Schwingungsanalyse durchgeführt werden kann, insbesondere ohne zusätzliche Scaneinheit und insbesondere auch herstellerunabhängig.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird adressiert durch ein optomechanisches Messsystem und ein Verfahren zur räumlichen Schwingungsanalyse eines Prüfkörpers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optomechanisches Messsystem zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers vorgeschlagen. Das optomechanische Messsystem umfasst:

i. ein Laser-Doppler-Vibrometer, wobei das Laser-Doppler-Vibrometer eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zur Beleuchtung des Prüfkörpers zu erzeugen, mindestens einen von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahl zu detektieren und daraus durch Überlagerung mit mindestens einem Referenzlichtstrahl mindestens eine Messgröße zu bestimmen; und
ii. mindestens ein Strahlteilersystem, wobei das Strahlteilersystem eingerichtet ist, um den Beleuchtungslichtstrahl in eine Mehrzahl an Teilstrahlen aufzuteilen und die Teilstrahlen auf mindestens einen gemeinsamen Punkt auf dem Prüfkörper zu lenken.

Der Begriff „System“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung umfassend eine Mehrzahl von interagierenden oder voneinander abhängigen Komponenten oder Elementen beziehen, die ein Ganzes bilden. Die Komponenten können zumindest teilweise zusammenwirken, um mindestens eine gemeinsame Funktion zu erfüllen. Mindestens zwei Komponenten können unabhängig voneinander gehandhabt werden oder sie können verbunden werden oder verbindbar sein. Der Begriff „optomechanisch“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Kombination optischer, mechanischer und optional auch elektrischer Eigenschaften beziehen. Der Begriff kann sich insbesondere darauf beziehen, dass optische Vorrichtungen, beispielsweise Spiegel, mechanisch verstellt werden, wodurch beispielsweise Lichtstrahlen unterschiedlich abgelenkt werden können. Das mechanische Verstellen der optischen Vorrichtungen kann dabei elektrisch, beispielsweise über Aktoren, gesteuert werden. Der Begriff kann weiterhin insbesondere die Umwandlung von elektronischen Signalen in optische Signale und/oder umgekehrt betreffen wie dies beispielsweise in Lasern und Photodetektoren der Fall ist. Folglich kann sich der Begriff „optomechanisches es Messsystem“ insbesondere auf ein System beziehen, welches zu Messzwecken eingerichtet ist und dabei mindestens eine optomechanische Komponente wie beispielsweise einen mechanisch oder auch elektromechanisch verstellbaren Spiegel umfasst.
Der Begriff „Schwingungsanalyse“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Messmethode beziehen, mittels derer mindestens eine Schwingungseigenschaft mindestens eines Objekts erfasst wird. Insbesondere können mit der Schwingungsanalyse zeitliche Schwankungen einer physikalischen Größe charakterisiert werden. Die Schwankungen bzw. Schwingungen können insbesondere mechanische Schwingungen umfassen wie beispielsweise Vibrationen, welche mit der Verformung eines Körpers verbunden sind. Die Schwankungen können weiterhin periodisch und/oder angeregt und/oder gedämpft sein. Folglich kann sich der Begriff „räumliche Schwingungsanalyse“, wie er hier verwendet wird, insbesondere auf eine Schwingungsanalyse an einem bestimmten Ort und/oder über bestimmte Raumdimensionen beziehen. Beispielsweise kann bei einer eindimensionalen Schwingungsanalyse eines Punkts eine Bewegung des Punkts in einer Raumdimension charakterisiert werden. Beispielsweise kann bei einer dreidimensionalen Schwingungsanalyse eines Punkts eine Bewegung des Punkts in allen drei Raumdimensionen charakterisiert werden. Beispielsweise kann bei einer dreidimensionalen Schwingungsanalyse einer Fläche, auch flächige dreidimensionale Schwingungsanalyse genannt, die Bewegung der Fläche, insbesondere die individuelle Bewegung einer Mehrzahl an Punkten innerhalb der Fläche, in allen drei Raumdimensionen charakterisiert werden.
Der Begriff „Prüfkörper“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein beliebig geformtes, zu vermessendes Objekt beziehen. Der Prüfkörper kann insbesondere eine vibrierende Oberfläche umfassen.
Das optomechanische Messsystem umfasst ein Laser-Doppler-Vibrometer. Der Begriff „Laser-Doppler-Vibrometer“, im Folgenden kurz auch „Vibrometer“ genannt, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Messgerät zur Charakterisierung mechanischer Schwingungen beziehen, welches eingerichtet ist, um mindestens eine Frequenzverschiebung zu erfassen, die mindestens ein Lichtstrahl erfährt, der an einem bewegten Objekt, insbesondere dem oben beschriebenen Prüfkörper, reflektiert wird. Das Laser-Doppler-Vibrometer kann insbesondere zur Messung von Schwingungsfrequenzen und/oder Schwingungsamplituden eingerichtet sein.
Das Laser-Doppler-Vibrometer kann insbesondere mindestens eine Lichtquelle umfassen, beispielsweise mindestens einen Laser und/oder mindestens eine andere Lichtquelle. Die Lichtquelle kann mindestens einen Lichtstrahl, beispielsweise mindestens einen Laserstrahl, erzeugen. Das Laser-Doppler-Vibrometer kann eingerichtet sein, um diesen mindestens einen Lichtstrahl oder zumindest einen Teil dieses Lichtstrahls, direkt oder beispielsweise auch nach Durchlaufen mindestens einer Modulation, als Beleuchtungslichtstrahl zu verwenden und diesen Beleuchtungslichtstrahl selbst oder nach Durchlaufen einer zusätzlichen Optik wie beispielsweise des nachfolgend noch näher beschriebenen Strahlteilersystems, auf mindestens einen Punkt auf einer zu untersuchenden Oberfläche zu lenken, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Das Laser-Doppler-Vibrometer kann weiterhin mindestens ein Interferometer, beispielsweise ein Michelson-Interferometer und/oder Jamin-Interferometer, umfassen. Dieses mindestens eine Interferometer kann allgemein eingerichtet sein, um mindestens einen von der Oberfläche gestreuten Lichtstrahl, der sich aus dem Beleuchtungslichtstrahl nach Streuung an der Oberfläche ergibt, mit mindestens einem Referenzlichtstrahl zu überlagern, sodass ein oder mehrere überlagerte Lichtstrahlen entstehen, die jeweils Licht des Referenzlichtstrahls und Licht des gestreuten Lichtstrahls umfassen. Zum Zwecke dieser Überlagerung kann das Interferometer beispielsweise mindestens einen zusammenführenden Strahlteiler umfassen, mittels dessen der mindestens eine Referenzlichtstrahl und der mindestens eine von dem Prüfkörper gestreute Lichtstrahl überlagert werden können und direkt oder indirekt mindestens einem Fotodetektor zugeführt werden können.
Der Referenzlichtstrahl kann beispielsweise ebenfalls mittels der mindestens einen Lichtquelle, mit der der Beleuchtungslichtstrahl erzeugt wird, erzeugt werden, so dass der Referenzlichtstrahl und der Beleuchtungslichtstrahl beispielsweise kohärent sind. Der Referenzlichtstrahl kann beispielsweise moduliert sein, beispielsweise durch mindestens eine Bragg-Zelle, beispielsweise um diesem Referenzlichtstrahl ein oder mehrere Seitenbänder aufzumodulieren. So kann das Laser-Doppler-Vibrometer beispielsweise mindestens einen trennenden Strahlteiler aufweisen, welcher mindestens einen von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl aufteilt in den mindestens einen Referenzlichtstrahl und den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl. Der Referenzlichtstrahl kann beispielsweise moduliert werden. Der von dem Prüfkörper gestreute Lichtstrahl kann beispielsweise wiederum durch den oben beschriebenen zusammenführenden Strahlteiler mit dem Referenzlichtstrahl überlagert werden und direkt oder indirekt dem mindestens einen Fotodetektor zugeführt werden.
Das Laser-Doppler-Vibrometer kann weiterhin, wie oben ausgeführt, mindestens einen Fotodetektor umfassen. Beispielsweise kann der mindestens eine Fotodetektor mindestens eine Fotodiode und/oder mindestens eine andere Art eines fotosensitiven Halbleiterbauelements umfassen. Auch andere Arten von Fotodetektoren sind einsetzbar. Beispielsweise können auch mehrere Fotodetektoren vorgesehen sein, denen jeweils ein Lichtstrahl zugeführt wird, der eine Überlagerung aus dem von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahl oder eines Teils desselben und des Referenzlichtstrahls oder eines Teils desselben umfasst. Auf diese Weise können beispielsweise Differenzsignale gebildet werden, beispielsweise mittels mindestens eines Differenzverstärkers, dem die Signale der Fotodetektoren zugeführt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Rauschunterdrückung erfolgen.
Das Laser-Doppler-Vibrometer kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher umfassen. Das Laser-Doppler-Vibrometer kann mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur.
Das Laser-Doppler-Vibrometer kann insbesondere mindestens ein Gehäuse aufweisen. In dem mindestens einen Gehäuse können insbesondere die mindestens eine Lichtquelle und das mindestens eine Interferometer sowie der mindestens eine Fotodetektor vollständig aufgenommen sein, oder Teile derselben. Das Laser-Doppler-Vibrometer kann auch eine oder mehrere Lichtleitfasern umfassen, beispielsweise um mindestens einen Lichtstrahl ganz oder teilweise über mindestens eine Strecke zu führen, wobei der Lichtstrahl insbesondere ausgewählt sein kann aus der Gruppe bestehend aus dem mindestens einen von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl, dem mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl, dem mindestens einen Referenzlichtstrahl und dem mindestens einen von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahl.
Das Laser-Doppler-Vibrometer ist eingerichtet, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zur Beleuchtung des Prüfkörpers zu erzeugen. Der Begriff „Licht“, wie er hier verwendet wird, kann sich insbesondere auf elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem infraroten Spektralbereich beziehen. Der Begriff „Lichtstrahl“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder gelenkt wird. Der Lichtstrahl kann insbesondere mindestens einen Laserstrahl umfassen. Der Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“ kann sich dementsprechend insbesondere auf einen beliebigen Lichtstrahl beziehen, welcher auf ein Objekt eingestrahlt wird und/oder gelenkt wird, insbesondere auf den Prüfkörper.
Das Laser-Doppler-Vibrometer ist weiterhin eingerichtet, um mindestens einen von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahl zu detektieren. Die Begriffe „gestreut“ oder „Streuung“, wie sie hier verwendet werden, sind weite Begriffe, denen ihre gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Die Begriffe sind nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Die Begriffe können, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine gerichtete oder auch diffuse Ablenkung eines Strahls, insbesondere eines Lichtstrahls, infolge einer Wechselwirkung mit einem Objekt, insbesondere mit dem mindestens einen Prüfkörper, beziehen. Die Streuung kann eine elastische Streuung sein, bei der die Wechselwirkung ohne Energieübertragung abläuft. Die Streuung kann eine inelastische Streuung sein, bei der die Wechselwirkung mit Energieübertragung abläuft. Die Streuung kann eine kohärente Streuung sein, bei der eine feste Phasenbeziehung zwischen eintreffender Welle und gestreuter Welle besteht. Die Streuung kann eine inkohärente Streuung sein, bei der keine feste Phasenbeziehung zwischen eintreffender Welle und gestreuter Welle besteht. Die Streuung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Reflexion; einer Brechung; einer Beugung. Folglich kann sich der Begriff „gestreuter Lichtstrahl“ insbesondere auf einen Lichtstrahl beziehen, welcher nach Streuung des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls an einem Objekt, insbesondere an dem mindestens einen Prüfkörper, entsteht.
Der Begriff „detektieren“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein qualitatives und/oder quantitatives Erfassen einer physikalischen Größe, insbesondere eines optischen Signals, beziehen.
Das Laser-Doppler-Vibrometer ist weiterhin eingerichtet, um durch Überlagerung des mindestens einen gestreuten Lichtstrahls mit mindestens einem Referenzlichtstrahl mindestens eine Messgröße zu bestimmen. Der Begriff „Referenzlichtstrahl“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Lichtstrahl mit bekannten Eigenschaften, insbesondere mit bekannter Frequenz, beziehen, welcher für Vergleichszwecke geeignet ist. Der Referenzlichtstrahl kann in dem Laser-Doppler-Vibrometer erzeugt werden. Insbesondere kann der Referenzlichtstrahl mit dem mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl und/oder dem mindestens einen gestreuten Lichtstrahl in einer festen Beziehung stehen, beispielsweise indem der Referenzlichtstrahl mit dem mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl von derselben Lichtquelle oder zumindest von miteinander gekoppelten Lichtquellen erzeugt werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Lichtquelle des Laser-Doppler-Vibrometers, wie oben ausgeführt, mindestens einen Lichtstrahl erzeugen, aus welchem sowohl der mindestens eine Beleuchtungslichtstrahl als auch der mindestens eine Referenzlichtstrahl gebildet werden. So kann beispielsweise der Referenzlichtstrahl aus dem von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl, welcher auch als Primärlichtstrahl bezeichnet werden kann, erzeugt werden, beispielsweise mithilfe mindestens eines Strahlteilers. Wie oben ausgeführt, kann der Referenzlichtstrahl beispielsweise auch mindestens eine Modulationsvorrichtung durchlaufen, sodass dem Referenzlichtstrahl beispielsweise auch mindestens ein Seitenband aufmoduliert werden kann.
Der Begriff „Messgröße“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige physikalische Größe und/oder Information beziehen, welche aus einer Messung und/oder einer Untersuchung und/oder einer Beobachtung hervorgeht. Die Messgröße kann insbesondere mindestens ein elektrisches Signal umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannung und/oder mindestens einen Strom des mindestens einen Fotodetektors und/oder mindestens ein daraus gebildetes oder abgeleitetes Signal, beispielsweise mindestens ein Differenzsignal der Messsignale mindestens zweier Fotodetektoren. Die Messgröße kann auch verarbeitet werden, sodass aus der mindestens einen Messgröße eine oder mehrere abgeleitete Messgrößen ermittelt werden, beispielsweise durch mindestens ein Filterverfahren. Die Messgröße kann insbesondere mindestens eine Größe umfassen oder mindestens eine Größe beschreiben, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Bewegungsablauf mindestens eines Teils des Prüfkörpers; einer Schwingungsfrequenz; einer Schwingungswellenlänge; einer Schwingungsamplitude; einer Vibrationsgeschwindigkeit; einem Schwingungsweg; einer Schwingungsrichtung; einer Schwingungsbeschleunigung; einer Resonanzfrequenz; einer lokalen Defektresonanzfrequenz.
Das optomechanische Messsystem umfasst weiterhin mindestens ein Strahlteilersystem. Dieses Strahlteilersystem kann insbesondere außerhalb des oben beschriebenen optionalen Gehäuses des Laser-Doppler-Vibrometers angeordnet sein, beispielsweise vor einer Austrittsöffnung des Beleuchtungslichtstrahls. Der Begriff „Strahlteiler“, wie er hier verwendet wird, kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein optisches Bauelement beziehen, welches einen einzelnen eintreffenden Lichtstrahl in eine Mehrzahl an Teilstrahlen aufteilen kann. Der Strahlteiler kann eine teilreflektierende Fläche, insbesondere eine teilreflektierende Oberfläche und/oder eine teilreflektierende Beschichtung umfassen. Beispielsweise kann der Strahlteiler gemessen anhand der Intensität einen prozentualen Anteil des eintreffenden Lichtstrahls reflektieren und den übrigen Teil hindurchlassen. Folglich kann sich der der Begriff „Strahlteilersystem“ insbesondere auf ein System beziehen, welches mindestens einen Strahlteiler umfasst.
Das Strahlteilersystem ist weiterhin eingerichtet, um die Teilstrahlen auf mindestens einen gemeinsamen Punkt auf dem Prüfkörper zu lenken. Der Begriff „lenken“, wie er hier verwendet wird, kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Führen und/oder ein Leiten von mindestens einem Lichtstrahl beziehen. Zu diesem Zweck kann der Beleuchtungslichtstrahl beispielsweise einfach oder mehrfach umgelenkt werden, beispielsweise durch einen oder mehrere reflektierende und/oder brechende Elemente. Durch das Lenken des Lichtstrahls kann dem Lichtstrahl ein fester oder einstellbarer Strahlengang vorgegeben werden.
Mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems kann verstellbar sein, insbesondere elektromechanisch und/oder automatisch, beispielsweise computergesteuert, beispielsweise durch eine Steuerung des optomechanischen Messsystems. Der Begriff „verstellbar“ kann sich insbesondere darauf beziehen, dass eine Änderung einer Position und/oder einer Orientierung eines Objekts möglich ist. Die Änderung der Position kann eine Verschiebung des Objekts in eine beliebige Richtung und um eine beliebige Distanz umfassen. Die Änderung der Orientierung kann eine Drehung des Objekts um einen beliebigen Winkel und um eine beliebige Raumachse umfassen. Durch ein Verstellen mindestens einer Komponente des Strahlteilersystems kann mindestens ein Teilstrahl beispielsweise umgelenkt werden, beispielsweise auf verschiedene Punkte auf einem Prüfkörper. Der Begriff „elektromechanisch“ kann sich, ohne Beschränkung, sich insbesondere darauf beziehen, dass ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung und/oder eine Druckänderung umgesetzt wird. Das elektrische Signal kann beispielsweise über einen Aktor in eine in eine Verschiebung und/oder eine Drehung eines Objekts, insbesondere einer Komponente des Strahlteilersystems, umgesetzt werden.
Mindestens zwei Komponenten des Strahlteilersystems können unabhängig voneinander verstellbar sein, insbesondere elektromechanisch und/oder automatisch, beispielsweise computergesteuert, beispielsweise durch eine Steuerung des optomechanischen Messsystems.
Mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems kann in mindestens eine vorgeschaltete Komponente integriert sein. Der Begriff „vorgeschaltet“, wie er hier verwendet wird, kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere darauf beziehen, dass ein erstes Element derart räumlich vor einem zweiten Element angeordnet ist, dass ein Signal, beispielsweise ein optisches und/oder ein elektrisches Signal, das erste Element zeitlich vor dem zweiten Element durchläuft. Der Begriff „vorgeschaltete Komponente“, wie er hier verwendet wird, kann sich folglich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine erste Komponente beziehen, welche einer zweiten Komponente bzw. einem System, insbesondere dem Strahlteilersystem, vorgeschaltet ist. Die mindestens eine vorgeschaltete Komponente kann das Laser-Doppler-Vibrometer umfassen, d.h. mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems kann in das Laser-Doppler-Vibrometer integriert sein.
Das Strahlteilersystem kann mindestens eine Komponente aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Strahlteilerwürfel; einem Strahlteilerprisma; einem Spiegel.
Das Strahlteilersystem kann derart ausgestaltet sein, dass von den Teilstrahlen zurückgelegte optische Weglängen gleich sind. Der Begriff „optische Weglänge“ kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Distanz beziehen, welche ein Lichtstrahl zurücklegt, beispielsweise zwischen zwei Punkten und/oder zwischen seiner Emission und seiner Detektion. Die optische Weglänge kann eine Gewichtung der zurückgelegten geometrischen Distanz mit einer optischen Dichte eines durchlaufenen Mediums umfassen.
Das Strahlteilersystem kann derart eingerichtet sein, dass die Teilstrahlen zueinander symmetrisch versetzt sind, insbesondere rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse sind. Das Strahlteilersystem kann den Beleuchtungslichtstrahl insbesondere in genau drei Teilstrahlen aufteilen, die rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse verlaufen können, so dass diese beispielsweise aus drei unterschiedlichen Raumrichtungen auf den Prüfkörper auftreffen können. Bei insgesamt drei Lichtstrahlen, welche sich in einem Punkt treffen, kann beispielsweise auf einem gedachten Kreis, welcher alle drei Lichtstrahlen schneidet, alle 120° ein Lichtstrahl angeordnet sein.
Das optomechanische Messsystem kann weiterhin eine auf den Prüfkörper ausgerichtete Kamera zur Betrachtung des Prüfkörpers umfassen. Das Strahlteilersystem, insbesondere alle Komponenten des Strahlteilersystems, können außerhalb einer Sichtlinie zwischen der Kamera und dem Prüfkörper angeordnet sein. Beispielsweise können die Komponenten des Strahlteilersystems räumlich um die Sichtlinie herum angeordnet sein ohne sie zu blockieren. Als Beispiel kann die Kamera mindestens einen Kamerachip umfassen, wie z.B. mindestens einen CCD-Chip und/oder mindestens einen CMOS-Chip, der für die Aufnahme von Bildern konfiguriert ist. Die Kamera kann beispielsweise während einer räumlichen Schwingungsanalyse mindestens ein Foto und/oder mindestens einen Videofilm von dem Prüfkörper aufnehmen.
In einem zweiten Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

I. Bereitstellen mindestens eines optomechanischen Messsystems nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen und/oder nach einer der nachfolgenden ein optomechanisches Messsystem betreffenden Ausführungsformen;
II. Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls zur Beleuchtung des Prüfkörpers mittels des Laser-Doppler-Vibrometers;
III. Aufteilen und optional auch Ablenken des Beleuchtungslichtstrahls in eine Mehrzahl an Teilstrahlen und Lenken der Teilstrahlen, insbesondere in ihren jeweiligen Strahlengängen, auf mindestens einen gemeinsamen Punkt auf dem Prüfkörper mit dem Strahlteilersystem; und
IV. Detektieren mindestens eines von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahls und Bestimmen mindestens einer Messgröße durch Überlagerung des gestreuten Lichtstrahls mit mindestens einem Referenzlichtstrahl mittels des Laser-Doppler-Vibrometers.

Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Verfahrensschritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Verfahrensschritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Verfahrensschritte unabhängig davon, ob sie hier erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
Die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers kann eine dreidimensionale Schwingungsanalyse mindestens eines Punkts des Prüfkörpers umfassen. Die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers kann weiterhin eine flächige Schwingungsanalyse mindestens eines Teils des Prüfkörpers umfassen. Beispielsweise kann für mehrere Punkte auf einer Fläche einzeln nacheinander eine Schwingungsanalyse, insbesondere eine jeweils dreidimensionale Schwingungsanalyse, durchgeführt werden. Für weitere Definitionen und Ausgestaltungen des Verfahrens zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers kann auf Definitionen und Ausgestaltungen des optomechanischen Messsystems verwiesen werden. Beispielsweise kann für die flächige Schwingungsanalyse genutzt werden, dass mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems, wie z.B. ein Spiegel, elektromechanisch verstellbar sein kann, wodurch mindestens ein Teilstrahl schrittweise auf verschiedene Punkte auf einer Fläche gelenkt werden kann. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen, beispielsweise computergesteuert, beispielsweise durch eine Steuerung des optomechanischen Messsystems.
Aus dem mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl können nacheinander mehrere Teilstrahlen, beispielsweise drei Teilstrahlen, erzeugt werden. Die Teilstrahlen können auf einen gemeinsamen Punkt auf dem Prüfkörper gelenkt werden. Bei einer jeweils gleichen Schwingungsanregung des Prüfkörpers während einer Messung mit einem Teilstrahl, beispielsweise bei Sweep-Messungen, Chirp-Messungen oder CW-Messungen, kann eine dreidimensionale Schwingungsanalyse des Punktes durchgeführt werden. Liegt keine jeweils gleiche Schwingungsanregung vor, kann eine eindimensionale Schwingungsanalyse des Punktes durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf. Insbesondere bieten sie eine kostengünstige Möglichkeit dreidimensionale Schwingungsanalysen durchzuführen. Dabei kann ein einzelnes, potentiell bereits bereitstehendes, Laser-Doppler-Vibrometer herstellerunabhängig und flexibel mit einem kostengünstigen Spiegelsystem erweitert werden anstatt zwei weitere hochpreisige Laser-Doppler-Vibrometer einzusetzen. Zudem ist in der Regel keine zusätzliche Scaneinheit für eine flächige Schwingungsanalyse, insbesondere eine flächige dreidimensionale Schwingungsanalyse, notwendig, insbesondere wenn eine Scaneinheit direkt in der Spiegelapparatur integriert wird.
Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:

Ausführungsform 1: Optomechanisches Messsystem zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers, umfassend:
1. i. ein Laser-Doppler-Vibrometer, wobei das Laser-Doppler-Vibrometer eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zur Beleuchtung des Prüfkörpers zu erzeugen, mindestens einen von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahl zu detektieren und daraus durch Überlagerung mit mindestens einem Referenzlichtstrahl mindestens eine Messgröße zu bestimmen; und
2. ii. mindestens ein Strahlteilersystem, wobei das Strahlteilersystem eingerichtet ist, um den Beleuchtungslichtstrahl in eine Mehrzahl an Teilstrahlen aufzuteilen und die Teilstrahlen auf mindestens einen gemeinsamen Punkt auf dem Prüfkörper zu lenken.
Ausführungsform 2: Optomechanisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems verstellbar ist, insbesondere elektromechanisch.
Ausführungsform 3: Optomechanisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei mindestens zwei Komponenten des Strahlteilersystems unabhängig voneinander verstellbar sind, insbesondere elektromechanisch.
Ausführungsform 4: Optomechanisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems in eine vorgeschaltete Komponente integriert ist.
Ausführungsform 5: Optomechanisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die mindestens eine vorgeschaltete Komponente das Laser-Doppler-Vibrometer umfasst.
Ausführungsform 6: Optomechanisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Strahlteilersystem mindestens eine Komponente aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Strahlteilerwürfel; einem Strahlteilerprisma; einem Spiegel.
Ausführungsform 7: Optomechanisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Strahlteilersystem derart ausgestaltet ist, dass von den Teilstrahlen zurückgelegte optische Weglängen gleich sind.
Ausführungsform 8: Optomechanisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Strahlteilersystem derart eingerichtet ist, dass die Teilstrahlen zueinander symmetrisch versetzt sind, insbesondere rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse.
Ausführungsform 9: Optomechanisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Strahlteilersystem den Beleuchtungslichtstrahl in drei Teilstrahlen aufteilt.
Ausführungsform 10: Optomechanisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, weiterhin umfassend eine auf den Prüfkörper ausgerichtete optische Kamera zur Betrachtung des Prüfkörpers.
Ausführungsform 11: Optomechanisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Strahlteilersystem, insbesondere alle Komponenten des Strahlteilersystems, außerhalb einer Sichtlinie zwischen der Kamera und dem Prüfkörper angeordnet ist.
Ausführungsform 12: Verfahren zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
1. I. Bereitstellen mindestens eines optomechanischen Messsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
2. II. Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls zur Beleuchtung des Prüfkörpers mittels des Laser-Doppler-Vibrometers;
3. III. Aufteilen des Beleuchtungslichtstrahls in eine Mehrzahl an Teilstrahlen und Lenken der Teilstrahlen auf mindestens einen gemeinsamen Punkt auf dem Prüfkörper mit dem Strahlteilersystem; und
4. IV. Detektieren mindestens eines von dem Prüfkörper gestreuten Lichtstrahls und Bestimmen mindestens einer Messgröße durch Überlagerung des gestreuten Lichtstrahls mit mindestens einem Referenzlichtstrahl mittels des Laser-Doppler-Vibrometers.
Ausführungsform 13: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers eine dreidimensionale Schwingungsanalyse mindestens eines Punkts des Prüfkörpers umfasst.
Ausführungsform 14: Verfahren nach einer der vorhergehenden ein Verfahren betreffenden Ausführungsformen, wobei die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers eine flächige Schwingungsanalyse mindestens eines Teils des Prüfkörpers umfasst.

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optomechanischen Messsystems; und
2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optomechanischen Messsystems 110 zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers 112. Der Prüfkörper 112 kann ein beliebig geformtes, zu vermessendes Objekt und insbesondere mindestens eine vibrierende Oberfläche 114 umfassen.
Das optomechanische Messsystem 110 umfasst ein Laser-Doppler-Vibrometer 116 und mindestens ein Strahlteilersystem 118. Das Strahlteilersystem 118 kann insbesondere außerhalb eines optionalen Gehäuses 120 des Laser-Doppler-Vibrometers 116 angeordnet sein, beispielsweise vor einer Austrittsöffnung 122 des Gehäuses 120 des Laser-Doppler-Vibrometers 116. Damit kann ein Innenraum des Laser-Doppler-Vibrometers 116 beispielsweise vollständig geschützt sein, wohingegen das Strahlteilersystem 118 gut zugänglich sein kann, beispielsweise für eine Justage und/oder eine Anpassung an den Prüfkörper 112.
Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 kann mindestens eine Lichtquelle 124 umfassen, beispielsweise mindestens einen Laser und/oder mindestens eine andere Lichtquelle 124. Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 kann weiterhin mindestens ein Interferometer 126 umfassen. Wie in 1 gezeigt, kann das Interferometer 126 beispielsweise einen trennenden Strahlteilerwürfel 128, einen zusammenführenden Strahlteilerwürfel 130 und mindestens einen Interferometer-Spiegel 132 umfassen. Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 kann weiterhin mindestens einen Fotodetektor 134 umfassen. Beispielsweise kann der mindestens eine Fotodetektor 134 mindestens eine Fotodiode und/oder mindestens eine andere Art eines fotosensitiven Halbleiterbauelements umfassen. Auch andere Arten von Fotodetektoren 134 sind einsetzbar. Das Interferometer 126 kann auch weitere Komponenten umfassen, die nicht dargestellt sind, beispielsweise einen oder mehrere Modulatoren. Weiterhin können einer oder mehrere der Arme des Interferometers auch ganz oder teilweise als Lichtwellenleiter realisiert sein. Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 kann weiterhin mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 136 umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 136 kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher umfassen. Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle 138 umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Insbesondere die mindestens eine Lichtquelle 120, das mindestens eine Interferometer 130 und der mindestens eine Fotodetektor 138, oder Teile derselben, können in dem Gehäuse 120 vollständig aufgenommen sein.
Wie 1 zeigt, kann das Strahlteilersystem 118 insbesondere mindestens einen Strahlteiler 140 umfassen. Weiterhin kann das Strahlteilersystem mindestens einen Spiegel 142 umfassen. Mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems 118 kann verstellbar sein, insbesondere elektromechanisch und/oder automatisch, beispielsweise computergesteuert, beispielsweise durch eine Steuerung 144 des optomechanischen Messsystems 110. Weiterhin können mindestens zwei Komponenten des Strahlteilersystems 118 unabhängig voneinander verstellbar sein, insbesondere elektromechanisch und/oder automatisch, beispielsweise computergesteuert, beispielsweise durch die Steuerung 144 des optomechanischen Messsystems 110.
Wie 1 zeigt, kann das optomechanisches Messsystem 110 weiterhin eine auf den Prüfkörper 112 ausgerichtete Kamera 146 zur Betrachtung des Prüfkörpers 112 umfassen. Die Kamera 146 kann beispielsweise an dem Laser-Doppler-Vibrometer 116 angebracht sein. Das Strahlteilersystem 118, insbesondere alle Komponenten des Strahlteilersystems 118, können außerhalb einer Sichtlinie 148 zwischen der Kamera 146 und dem Prüfkörper 112 angeordnet sein. Beispielsweise können die Komponenten des Strahlteilersystems 118 räumlich um die Sichtlinie 148 herum angeordnet sein ohne sie zu blockieren. Als Beispiel kann die Kamera 146 mindestens einen Kamerachip umfassen, wie z.B. mindestens einen CCD-Chip und/oder mindestens einen CMOS-Chip, der für die Aufnahme von Bildern konfiguriert ist. Die Kamera 146 kann beispielsweise während einer räumlichen Schwingungsanalyse mindestens ein Foto und/oder mindestens ein Video des Prüfkörpers 112 aufnehmen.
Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 ist eingerichtet, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 150 zur Beleuchtung des Prüfkörpers 112 zu erzeugen. Wie 1 zeigt, kann die Lichtquelle 124 zu Beginn mindestens einen Lichtstrahl 152, beispielsweise mindestens einen Laserstrahl, erzeugen. Der Lichtstrahl 152 kann dann in dem Interferometer 126 mit Hilfe des trennenden Strahlteilerwürfels 128 in den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 150 und in mindestens einen Referenzlichtstrahl 154 aufgeteilt werden. Der mindestens eine Beleuchtungslichtstrahl 152 und der mindestens eine Referenzlichtstrahl 154 können kohärent sein. Der mindestens eine Referenzlichtstrahl 154 kann anschließend beispielsweise über die Interferometer-Spiegel 132 auf einem anderen Weg zu dem zusammenführenden Strahlteilerwürfel 130 gelenkt werden als der mindestens eine Beleuchtungslichtstrahl 150. Der mindestens eine Beleuchtungslichtstrahl 150 kann den zusammenführenden Strahlteilerwürfel 130 zumindest teilweise passieren und das Laser-Doppler-Vibrometer 116 durch die Austrittsöffnung 122 des Gehäuses 120 verlassen.
Das mindestens eine Strahlteilersystem 118 ist eingerichtet, um den Beleuchtungslichtstrahl 150 in eine Mehrzahl an Teilstrahlen 156 aufzuteilen. Wie 1 zeigt, kann der Beleuchtungslichtstrahl 150 an dem Strahlteiler 140 in eine Mehrzahl an Teilstrahlen 156, insbesondere in drei Teilstrahlen 156, aufgeteilt werden. Das mindestens eine Strahlteilersystem 118 ist weiterhin eingerichtet die Teilstrahlen 156 auf mindestens einen gemeinsamen Punkt 158 auf dem Prüfkörper 112 zu lenken. Das Strahlteilersystem 118 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass von den Teilstrahlen 156 zurückgelegte optische Weglängen gleich sind. Das Strahlteilersystem 118 kann weiterhin derart eingerichtet sein, dass die Teilstrahlen 156 zueinander symmetrisch versetzt sind, insbesondere rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse. Wie 1 zeigt, können die Teilstrahlen 156 beispielsweise mit Hilfe der Spiegel 142 auf den Punkt 158 auf der Oberfläche 114 des Prüfkörpers 112 gelenkt werden. An dem Punkt 158 können die Teilstrahlen 156 dann gestreut und insbesondere zurückreflektiert werden. Die gestreuten Lichtstrahlen 160 können in dem Strahlteilersystem 118 beispielsweise erneut über die Spiegel 142 und/oder den Strahlteiler 140 zu dem Laser-Doppler-Vibrometer 116 zurückgelangen.
Das Laser-Doppler-Vibrometer 116 ist eingerichtet, um mindestens einen von dem Prüfkörper 112 gestreuten Lichtstrahl 160 zu detektieren und daraus durch Überlagerung mit mindestens einem Referenzlichtstrahl 154 mindestens eine Messgröße zu bestimmen. Wie 1 zeigt, kann der gestreute Lichtstrahl 160 durch die Austrittsöffnung 122 des Gehäuses 120 in das Laser-Doppler-Vibrometer 116 eintreten. Mit Hilfe des zusammenführenden Strahlteilerwürfels 130 kann der gestreute Lichtstrahl 160 mit dem Referenzlichtstrahl 154 überlagert werden. Der überlagerte Lichtstrahl 162 kann dann von dem Fotodetektor 134 detektiert werden. Beispielsweise mit Hilfe der Datenverabeitungsvorrichtung 136 kann abschließend die mindestens eine Messgröße bestimmt werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers 112. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

I. (gekennzeichnet durch Bezugszeichen 164) Bereitstellen mindestens eines optomechanischen Messsystems 110 nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
II. (gekennzeichnet durch Bezugszeichen 166) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls 150 zur Beleuchtung des Prüfkörpers 112 mittels des Laser-Doppler-Vibrometers 116;
III. (gekennzeichnet durch Bezugszeichen 168) Aufteilen des Beleuchtungslichtstrahls 150 in eine Mehrzahl an Teilstrahlen 156 und Lenken der Teilstrahlen 156 auf mindestens einen gemeinsamen Punkt 158 auf dem Prüfkörper 112 mit dem Strahlteilersystem 118; und
IV. (gekennzeichnet durch Bezugszeichen 170) Detektieren mindestens eines von dem Prüfkörper 112 gestreuten Lichtstrahls 160 und Bestimmen mindestens einer Messgröße durch Überlagerung des gestreuten Lichtstrahls 160 mit mindestens einem Referenzlichtstrahl 154 mittels des Laser-Doppler-Vibrometers 116.

Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Verfahrensschritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Verfahrensschritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Verfahrensschritte unabhängig davon, ob sie hier erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
Die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers 112 kann eine dreidimensionale Schwingungsanalyse mindestens eines Punkts des Prüfkörpers 112 umfassen. Die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers 112 kann weiterhin eine flächige Schwingungsanalyse mindestens eines Teils des Prüfkörpers 112 umfassen. Beispielsweise kann für mehrere Punkte 158 auf einer Fläche einzeln nacheinander eine Schwingungsanalyse, insbesondere eine jeweils dreidimensionale Schwingungsanalyse, durchgeführt werden. Beispielsweise kann für die flächige Schwingungsanalyse genutzt werden, dass mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems 124, wie z.B. ein Spiegel 142, elektromechanisch verstellbar sein kann, wodurch mindestens ein Teilstrahl 156 schrittweise auf verschiedene Punkte 158 auf einer Fläche gelenkt werden kann. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen, beispielsweise computergesteuert, beispielsweise durch eine Steuerung 144 des optomechanischen Messsystems 110.
Bezugszeichenliste

110: Optomechanisches Messsystem
112: Prüfkörper
114: Oberfläche
116: Laser-Doppler-Vibrometer
118: Strahlteilersystem
120: Gehäuse
122: Austrittsöffnung
124: Lichtquelle
126: Interferometer
128: Trennender Strahlteilerwürfel
130: Zusammenführender Strahlteilerwürfel
132: Interferometer-Spiegel
134: Fotodetektor
136: Datenverarbeitungsvorrichtung
138: Schnittstelle
140: Strahlteiler
142: Spiegel
144: Steuerung
146: Kamera
148: Sichtlinie
150: Beleuchtungslichtstrahl
152: Lichtstrahl
154: Referenzlichtstrahl
156: Teilstrahl
158: Punkt
160: Gestreuter Lichtstrahl
162: Überlagerter Lichtstrahl
164: Verfahrensschritt I
166: Verfahrensschritt II
168: Verfahrensschritt III
170: Verfahrensschritt IV

Claims

Optomechanisches Messsystem (110) zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers (112), umfassend: i. ein Laser-Doppler-Vibrometer (116), wobei das Laser-Doppler-Vibrometer (116) eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (150) zur Beleuchtung des Prüfkörpers (112) zu erzeugen, mindestens einen von dem Prüfkörper (112) gestreuten Lichtstrahl (160) zu detektieren und daraus durch Überlagerung mit mindestens einem Referenzlichtstrahl (154) mindestens eine Messgröße zu bestimmen; und ii. mindestens ein Strahlteilersystem (118), wobei das Strahlteilersystem (118) eingerichtet ist, um den Beleuchtungslichtstrahl (150) in eine Mehrzahl an Teilstrahlen (156) aufzuteilen und die Teilstrahlen (156) auf mindestens einen gemeinsamen Punkt (158) auf dem Prüfkörper (112) zu lenken.
Optomechanisches Messsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems (118) verstellbar ist.
Optomechanisches Messsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens zwei Komponenten des Strahlteilersystems (118) unabhängig voneinander verstellbar sind.
Optomechanisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Komponente des Strahlteilersystems (118) in mindestens eine vorgeschaltete Komponente integriert ist.
Optomechanisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilersystem (118) mindestens eine Komponente aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Strahlteilerwürfel; einem Strahlteilerprisma; einem Spiegel (142).
Optomechanisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilersystem (118) derart ausgestaltet ist, dass von den Teilstrahlen (156) zurückgelegte optische Weglängen gleich sind.
Optomechanisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilersystem (118) derart eingerichtet ist, dass die Teilstrahlen (156) zueinander symmetrisch versetzt sind.
Optomechanisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilersystem (118) den Beleuchtungslichtstrahl (150) in drei Teilstrahlen (156) aufteilt.
Optomechanisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine auf den Prüfkörper (112) ausgerichtete Kamera (146) zur Betrachtung des Prüfkörpers (112).
Verfahren zur räumlichen Schwingungsanalyse mindestens eines Prüfkörpers (112), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: I. Bereitstellen mindestens eines optomechanischen Messsystems (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; II. Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls (150) zur Beleuchtung des Prüfkörpers (112) mittels des Laser-Doppler-Vibrometers (116); III. Aufteilen des Beleuchtungslichtstrahls (150) in eine Mehrzahl an Teilstrahlen (156) und Lenken der Teilstrahlen (156) auf mindestens einen gemeinsamen Punkt (158) auf dem Prüfkörper (112) mit dem Strahlteilersystem (118); und IV. Detektieren mindestens eines von dem Prüfkörper (112) gestreuten Lichtstrahls (160) und Bestimmen mindestens einer Messgröße durch Überlagerung des gestreuten Lichtstrahls (160) mit mindestens einem Referenzlichtstrahl (154) mittels des Laser-Doppler-Vibrometers (116).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die räumliche Schwingungsanalyse des mindestens einen Prüfkörpers (112) eine dreidimensionale Schwingungsanalyse mindestens eines Punkts (158) des Prüfkörpers (112) umfasst.