DE2420732C3 - Anordnung zur Untersuchung der Bewegung eines festen Körpers mit einer kohärenten Lichtquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Untersuchung der Bewegung eines festen ivörpers mit einer kohärenten Lichtquelle, die ein Meßlichtbündel und ein Referenzlichtbündel erzeugt, bei der ferner das Meßlichtbündel zum Körper gelenkt ist und das vom Körper zurückgestrahlte Meßlichtbündel am Empfangsort einer einen ersten fotoelektrischen Wandler umfassenden Meßwerteiririchtung mit dem vom Körper unbeeinflußten Referenzlichtbündel zur Interferenz kommt.

Bekanntlich hat das insbesondere bei Interferenzmessungen störende sog. »Speckle«-Phänomen seine Ursache darin, daß der Körper, dessen Vibrationen punktweise untersucht werden sollen, keinen idealen Spiegel darstellt, so daß bei der Reflexion kohärenten Lichts an einem solchen Körper auch eine gewisse Streuung, d. h. Diffusion, stattfindet, welche bei der Abbildung durch ein optisches System unregelmäßige Intensitätsverteilungen des Lichts auftreten läßt.

Bei einer bekannten Anordnung zur Untersuchung bewegter Objekte unter Verwendung von kohärentem Licht wird der zu untersuchende Körper nicht direkt mit kohärentem Licht, sondern mit diffusem Licht beleuchtet, welches durch eine Mattscheibe erzeugt wird, so daß bereits ein bestimmtes, von der Mattscheibe selbst herrührendes Speckle-Muster in Erscheinung tritt, das optisch wahrnehmbar und fotografisch abbildbar ist. Eine Interferenzsmessung ist jedoch mit dieser bekannten Methode nicht möglich. Außderdem können mit diesem Verfahren immer nur größere Flächen beobachtet werden. Eine punktförmige Untersuchung von Vibrationen eines Körpers labt diese bekannte Methode nicht zu. Das an sich störende Speckle-Phänomen wird dabei nicht ausgeschaltet, sondern anstelle eines kohärenten Meßlichtbündels zur Beleuchtung des zu untersuchenden Körpers benutzt Präzisionsmessungen sind mit dieser bekannten Methode nicht durchführbar.

Nach einem anderen bekannten Verfahren zur Messung mechanischer Schwingungen mit Hilfe eines Interferometers (DE-AS 15 48 394); das die mechanischen Schwingungen in Intensitätsschwankungen eines kohärenten Lichtstrahls umwandelt und nach Umwandlung dieser Intensitätsschwankungen in -elektrische Signale Frequenz, Amplitude und Verlauf der mechanischen Schwingungen durch Auswertung der elektrischen Signale bestimmt werden, wird durch gleichförmiges Bewegen des den Umweg des einen Teilstrahls bestimmenden Spiegels des Interferometers zu der sich ändernden Frequenz der intensitätsschwankungen eine konstante Frequenz hinzuaddiert.

Voraussetzung für die einwandfreie Funktionsweise dieses bekannten Verfahrens ist jedoch, daß das sog. Speckle-Phänomen dabei gar nicht auftritt. Voraussetzung dafür ist jedoch, daß der zu untersuchende Körper zumindest an den zu untersuchenden Punkten mit einer möglichst idealen Spiegelfläche versehen wird, die das Meßlichtbündel störungsfrei reflektiert Somit ist dieses Verfahren grundsätzlich nur dort anwendbar, wo der zu untersuchende Körper mit einer entsprechenden Spiegelfläche versehen ist bzw. versehen werden kann, die gewährleistet, daß das Speckle-Phänomen nicht störend in Erscheinung tritt Dasselbe gilt auch für eine andere bekannte Einrichtung zur Weg- und/oder Geschwindigkeitsmessung bei Werkstücken, die insbesondere für die Steuerungen automatischer Werkzeugmaschinen geeignet sein soll (DE-AS 12 58612). Auch hierbei muß das zu überwachende Werkstück mit einem Spiegel des Interferometers versehen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Untersuchtung der Bewegung eines festen Körpers mit einer kohärenten Lichtquelle zu schaffen, mit der es möglich ist, das bei Interferenzmessungen störende Speckle-Phänomen hinsichtlich seines Störeffekts unwirksam zu machen, um dadurch einwandfreie Präzisionsmessungen zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß im Strahlenpfad des vom Körper zurückgestrahlten Meßlichtbündels eine teildurchlässige Platte derart angeordnet ist, daß am Empfangsort eines zweiten fotoelektrischen Wandlers ein durch den Körper geprägtes Speckle-Muster erscheint, welches mit demjenigen am Empfangsort des ersten fotoelektrischen Wandlers identisch ist, und daß der Ausgang des zweiten fotoelektrischen Wandlers über einen in einer Rückkopplungssch'.eife liegenden Verstärker auf einen im Strahlenpfad des Meßlichtbündels zwischen Lichtquelle und Körper angeordneten elektrooptischen Modulator geschaltet ist.

Dabei kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Körper mit einer retroreflektierenden Beschichtung versehen und senkrecht zu dieser Beschichtung bestrahlt ist. Der besondere Vorteil, der durch die Erfindung erzielt wird, besteht im wesentlichen darin, daß das bei Interferenzmessungen störende Speckle-Muster praktisch durch sich selbst kompensiert und somit eliminiert wird, so daß sein störender Effekt völlig verschwindet; daß dies mit verhältnismäßig einfachen Mitteln erreicht wird, ist ein weiterer Vorteil.

Anhand der Zeichnung wird nun im folgenden die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Untersuchung der Bewegung eines festen Körpers,

Fig.2 schematisch eine andere Ausführungsform einer Anordnung zur Untersuchung der Bewegung eines festen Körpers.

Eine kohärente Lichtquelle S ist entlang einer ersten Prüfstrecke T\ auf die Stelle P eines festen Körpers M\ gerichtet, dessen geringe Lageveränderungen, die durch Vibrationen hervorgerufen werden, zu untersuchen sind. Ein Teil des Lichtes, nämlich das Meßlichtbündel 71, das von der Stelle P des Körpers Mi in Richtung des Bebobachtungspunktes O ausgeht, fällt auf einen ersten fotoelektrischen Wandler A₁, der einen Fotoverstärker PM\ enthält und mit einer Blende D\ ausgerüstet ist, welche, sich vor der lichtempfindlichen Fläche befindet Zuvor durchdringt das Lichtbündel 71 eine teildurchlässige Platte L Am Empfsjigsort O fällt außderdem ein Referenzlichtbündel auf, das direkt von der Lichtquelle S ausgestrahlt wird und nach der Reflexion an einem Spiegel M₂ entlang einer Bezugsstrecke Tz verläuft

Während der Vibrationsbewegungen des Körpers Mi zeigen sich am Empfangsort O Interferenzstreifen, aus denen sich die Charakteristiken der Vibrationen bestimmen lassen, jedoch ist die Auswertung dieser Interferenzstreifen schwierig wegen der S^örungaerscheinungen, die unter dem Namen »Speckle« bekannt sind, und die von der Tatsache herrühren, daß der diffundierende Bereich des Körpers M\ nicht punktförmig ist, sondern aus mehreren beweglichen Punkten besteht, die von dem kohärenten Licht bestrahlt werden.

Aus diesem Grund wird ein Teil des Lichtbündels 7* durch die teildurchlässige Platte L(F i g. 1) in Form eines Lichtbündels T"\ abgelenkt, welches im Punkt O' ein Störphänomen erscheinen läßt, welches identisch ist mit demjenigen, das am Empfangsort O erscheint

Im Punkt O' ist ein zweiter fotoelektrischer Wandler Ri angeordnet, der einen Fotoverstärker PMi umfaßt Der Wandler R₂ ist ferner mit einer Blende Di ausgerüstet Das Signal, das vom Fotoverstärker PMi ausgesandt wird, gelangt nach einer Verstärkung durch einen Verstärker C zu einem elektrooptischen Modulator K, der aus einer Pockels- oder Kerr-Zelle besteht. Dieser Modulator K wird vom kohärenten und auf die Stelle P des Körpers M, gerichteten Meßlichtbündel T₁ durchsetzt. Die Funktionsweise des Modulators K ist durch die Leitungsschleife B, welche den Verstärker G für das Störphänomen enthält, derart gesteuert, daß die Wirkung des Störphänomens völlig kompensiert wird. Diese Kompensation wirkt sich auf cen Fotoverstärker PM\, der im Punkt Odes Empfängers R\ angeordnet ist, so aus, daß die Untersuchung der Interferenzstreifen, die aus der Interferenz zwischen den Lichtstrahlen des Bündels 71, und den Lichtstrahlen des Bezugslichtbündels Ti entstehen, durchgeführt werden kann, ohne daß diese durch das sog. »Speckle«-Phänomen behindert wird.

Bei der Ausführungsform gem. Fig.2 schickt eine Laser-Lichtquelle S' ein kohärentes Lichtbündel mif eine Stellt P eines Körpers M₁, auf welcher retroreflek tierendes Material in Form einer Beschichtung ange bracht ist Solches Material hat die Eigenschaft, das Licht in der Richtung zurückzuwerfen, in welcher es auftritt Das Strahlenbündel Ti trifft normalerweise auf der

ίο Beschichtung E auf, nachdem es zuvor eine erste teildurchlässige Platte Li und eine zweite teildurchlässige Platte L', die zur Richtung des Strahlenbündels 71 einen Winkel von 45° aufweisen, durchlaufen hat Das sich aus der Diffusion des Strahlenbündels T₁ auf dem Element E des Körpers Mi ergebende Strahlenbündel 7"'t gelangt in einen ersten Wandler R_x, der im Beobachtungspunkt O angeordnet ist und einen Fotoverstärker PM₁ sowie eine Blende A umfaßt Ein Teil des vom Element E diffundierten MeSlichtbündeis 71 wird an der Platte L' reflektiert und gelangt in Form des Strahfenbündels Ti" im Punkt O auf einen zweiten Empfänger Äj. der einen Fotoverstärker PMi und eine Bende D₂ umfaßt Das vom Empfänger A₂ gelieferte Signal wird nach der Verstärkung in einem Verstärker G auf die Elektrode ei und d einer Pockels oder Kerr-Zelle K geleitet welche vom Strahlenbündel T, durchsetzt ist

Eine dritte teildurchlässige Platte / liefert, abgeleitet von dem Strahlenbündel der Laser-Lichtquelle S, das Referenzlichtbündel Ti, welches nach zweimaliger Ablenkung auf den Spiegeln Mj und M» und dem Durchsetzen einer Zerstreuungslinse d sowie der Platte Li im Fotoverstärker PM\ Interferenzen mit dem Meßlichtbündel T'\ erzeugt

Die Zerstreuungslinse d fächert das Referenzlichtbündel Ti in Richtung des Empfangsortes O auf, so daß dort ein Interferenzbild entsteht, das auf das diffundierte bzw. vom Körper zurückgestrahlte Meßlichtbündel abgestimmt ist.

Die Linse c/ist vom Empfänger R\ gleich weit entfernt

angeordnet wie die bestrahlte Zone P des Körpers Mi (dr = PR\), damit in der Ebene des Empfangsortes ein ebenes Interferenzbild entsteht.

Die Pockels- bzw. Kerr-Zelle K, die in Abhängigkeit

des sog. »Speckle«-Phämomens gesteuert wird, das im Punkt O' vorhanden ist, welcher durch die Platte L dem Punkt O zugeordnet ist, eliminiert den Einfluß dieses Störphämomens am Empfangsort O und erlaubt so eine Auszählung der Interferenzstreifen, welche Auskunft über die Lageveränderung der Stelle P des Körpers Mi in Richtung des Doppelpfeiles /'gibt. Die Richtung von f stimmt mit derjenigen des Meßlichtbündels 71 überein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Untersuchung der Bewegung eines festen Körpers mit einer kohärenten Lichtquelle, die ein Meßlichtbündel und ein Referenzlichtbündel erzeugt, bei der ferner das Meßlichtbündel zum Körper gelenkt ist und das vom Körper zurückgestrahlte Meßlichtbündel am Empfangsort einer einen ersten fotoelektrischen Wandler umfassenden Meßwerteinrichtung mit dem vom Körper unbeeinflußten Referenzlichtbündel zur Interferenz kommt, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlenpfad des vom Körper (M_x) zurückgestrahlten Meßlichtbündels (T_x; T_x) eine teildurchlässige Platte (L, L') derart angeordnet ist, daß am Empfangsort (O') eines zweiten fotoelektrischen Wandlers (Ri) ein durch den Körper (M_x) geprägtes Speckle-Muster erscheint, welches mit demjenigen am Empfangsort (O) des ersten fotoelektrischen Wandlers (ΤϊΊ/identisch ist, und daß der Ausgang des zweiten fotoelcktrischcn Wandlers (R2) über einen in einer Rückkopplungsschleife liegenden Verstärker (G) auf einen im Strahlenpfad des Meßlichtbündels zwischen Lichtquelle (S, S') und Körper (M_x) angeordneten elektrooptischen Modulator (K) geschaltet ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (M_x) mit einer retroreflektierenden Beschichtung (E) versehen und senkrecht zu dieser Beschichtung bestrahlt ist.