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Diese Erfindung bezieht sich auf ein hochempfindliches
Positionsmeßverfahren und im besonderen auf ein faseroptisches
interferometrisches Meßverfahren zum Nachweis geringfügiger
Bewegungen eines beweglichen Teils, wie etwa einer schwingenden
Zunge in einem Raster-Sonden-Mikroskop (atomic force
microscope).
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Faseroptische Positions- oder Verschiebungssensoren sind
nützlich für die Fernmessung einer Bewegung, wie etwa in
Raster-Sonden-Mikroskopen, oder für den Nachweis akustischer Wellen oder
die Messung von Schwingungen. Bis heute wurden verschiedene
faseroptische Sensoren, die optische Interferenzeffekte nutzen,
vorgeschlagen.
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Die US-Patentschrift 4 652 744 von Bowers u. Mitarb. beschreibt
einen Verschiebungssensor, der für den Nachweis akustischer
Wellen verwendet wird. Er nutzt die Interferenz zweier vom gleichen
Punkt auf einer Probe reflektierter Komponenten von Licht, von
denen eine Komponente durch eine faseroptische
Verzögerungsleitung zeitverzögert wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß
es langsam sich ändernde Verschiebungen nicht nachweisen kann.
Die niedrigste Frequenz, die nachgewiesen werden kann, ist durch
die Zeitverzögerung in der faseroptischen Verzögerungsleitung
festgelegt.
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In Appl. Phys. Lett. 53, 12 (1988) wird ein
Raster-Sonden-Mikroskop beschrieben, das in einem Vakuum angeordnet ist und eine
schwingende Zunge aufweist, die eine nahe einer Probe
angeordnete Spitze und an ihrer Rückseite einen Spiegel befestigt hat,
um die Reflexion eines Laserstrahls von der schwingenden Zunge
auf einen positionsempfindlichen Detektor zu ermöglichen.
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Obgleich diese Anordnung in vielen Fällen annehmbar arbeitet,
erfordert sie eine hochreflektierende Oberfläche auf der
schwingenden Zunge und ist beispielsweise nicht brauchbar, wenn die
schwingende Zunge aus einem feinen Draht o. ä. gemacht ist.
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In Rev. Sci. Instr. 55, 162 (1984) und einer in Rev. Sci. Instr.
59, 2337 (1988) veröffentlichten Abwandlung davon ist ein
faseroptisches Interferometer beschrieben, das langsam sich ändernde
Verschiebungen nachweisen kann und für Schwingungsmessungen
verwendet werden wird. Diese Geräte weisen einen Gaslaser mit
großer Kohärenzlänge und eine polarisationsempfindliche Optik
auf. Horizontal polarisiertes Licht vom Gaslaser wird durch
einen polarisierenden Strahlteiler übertragen und in die
optische Faser geleitet. Das Licht durchläuft eine Faserschleife,
die analog einer optischen λ/4-Platte wirkt. Die Faserschleife
wandelt das horizontal polarisierte Licht in zirkular
polarisiertes Licht um, das dann zum Ende der Faser läuft. Licht, das
vom Ende der Faser reflektiert wird, interferiert entweder
auslöschend oder verstärkend mit durch das Objekt reflektiertem
Licht. Die relative Phase der beiden Reflexionskomponenten
bestimmt den Gesamtbetrag des zirkular polarisierten Lichts, das
sich durch die Faser zurück fortpflanzt. Die Faserschleife wirkt
auf das zirkular polarisierte Licht so, daß es in vertikal
polarisiertes Licht umgewandelt wird. Dieses vertikal polarisierte
Licht verläßt die Faser und wird durch den polarisierenden
Strahlteiler zu einem Photodioden-Detektor reflektiert.
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Die in diesen Literaturstellen beschriebene Apparatur hat die
folgenden Nachteile:
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1) Es werden unhandliche Komponenten wie der Gaslaser, eine
Objektivlinse und der Strahlteiler verwendet. Zwischen
den Komponenten pflanzt sich das Licht durch Luft,
Luftströmungen und akustisches Rauschen fort.
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2) Es ist eine manuelle Ausrichtung der verschiedenen
Komponenten erforderlich. Es ist eine routinemäßige
Neujustierung erforderlich, um das Licht genau in den Kern der
Monomodefaser zu fokussieren, der sehr klein ist.
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3) Das Nachweisverfahren beruht auf der Polarisation des
Lichts und hängt in der Funktion vom polarisierenden
Strahlteiler ab, der das Licht, das durch das Objekt
reflektiert wird, vom Licht trennt, das vom Laser einfällt.
Um diese Arbeit exakt zu verrichten, müssen die Größe und
Orientierung der Faserschleife justiert werden, um zu
gewährleisten, daß das aus der Faser zurückkehrende Licht
die korrekte vertikale Polarisation hat.
Unglücklicherweise stören andere zufällige Biegungen in der Faser die
Polarisation. Außerdem ist die Polarisation
temperaturabhängig, da die Doppelbrechung der Faser
temperaturabhängig ist.
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4) Da ein Helium-Neon-Gaslaser mit großer Kohärenzlänge
verwendet wird, können Streureflexionen von anderen Teilen
der Apparatur entweder verstärkend oder auslöschend mit
dem vom Ende der Faser kommenden Licht interferieren. Die
Phase der Streureflexionen bestimmt, ob die Interferenz
verstärkend oder auslöschend ist. Da die Phase der
Streureflexionen sich mit der Temperatur usw. ändert, führt
dies zu einem instabilen Signal (niederfrequenten
Rauschen).
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In SPIE Proceedings, Bd. 838, pp. 288-291 ist ein optischer
Faser-Verschiebungssensor beschrieben, der eine frequenzmodulierte
Laserdiode und einen Wellenleitungskoppler verwendet.
Frequenzmoduliertes Licht wird über einen Faserkoppler in eine optische
Multimodefaser eingekoppelt, und das Licht wird durch eine Linse
auf das Objekt gerichtet. Der Frequenzunterschied zwischen vom
Objekt reflektiertem Licht und vom Ende der Faser reflektiertem
Licht bewirkt ein Schwingen der optischen Leistung bei einer
Überlagerungsfrequenz, die durch den Abstand zwischen dem Objekt
und dem Ende der Faser bestimmt ist. Diese Überlagerungsfrequenz
wird mit einem Frequenzzähler gemessen. Dieses Verfahren hat die
folgenden Nachteile:
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1) Die Frequenzmodulation der Laserdiode hängt kritisch von
der exakten Wahl des Vorspannungsstromes ab und ist eine
Funktion der Temperatur und individueller
Diodencharakteristiken.
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2) Die genaue Messung der Überlagerungsfrequenz ist ein
langsames Verfahren, daher ist die Bandbreite der Messung
begrenzt.
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3) Der Durchmesser des von der Linse ausgehenden optischen
Strahls ist in der Größenordnung von 1 mm. Daher ist das
Verfahren nicht zum Messen kleiner Objekte, wie
schwingender Sondenmikroskopzungen, geeignet, die Abmessungen in
der Größenordnung von einigen Mikrometern haben können.
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In SPIE Proceedings Bd. 514, S. 71-74 wird ein optisches Faser-
Absorptionsspektrometer beschrieben. Es verwendet Licht, das
über eine Monomodefaser und einen Faserkoppler zu einer Meßzelle
übertragen wird. Die Meßzelle besteht aus einem Gebiet, wo der
Faserkern der Flüssigkeit ausgesetzt ist, deren
Absorptionsspektrum zu messen ist. Ein Spiegel am Ende der Faser in der
Meßzelle reflektiert das Licht zurück durch den Koppler zum
Photodetektor. Die durch den Photodetektor nachgewiesene Lichtmenge
hängt vom Absorptionsspektrum der Flüssigkeit ab. Das Gerät ist
kein Positions- oder Verschiebungssensor und verwendet - obwohl
es im Aufbau einige Gemeinsamkeiten hat - keine
interferenzeffekte zum Messen.
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Die deutsche Patentanmeldung DE-A-3 311 809 offenbart ein
interferometrisches Fabry-Perot-Sensorsystem, das beispielsweise zum
Messen von Temperatur, elektrischem Strom und magnetischen oder
akustischen Erscheinungen verwendet werden kann.
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Es gibt einen Bedarf an einer hochempfindlichen
Positionsmeßapparatur vom faseroptischen Interferometertyp, die die
folgenden höchst wünschenswerten Merkmale beinhaltet: minimale
Polarisationsempfindlichkeit, minimale Empfindlichkeit gegenüber
dem thermischen Verhalten der faseroptischen Komponenten,
Kompaktheit des Aufbaus, Verwendung eines Lasers mit geringer
Kohärenzlänge und Entfallen optischer Justierungen.
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Diese Aufgaben der Erfindung werden durch die Merkmale des
Anspruchs 1 erfüllt.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Zu diesem Zweck wird ein hochempfindliches Gerät zum Messen der
Position oder Verschiebung eines beweglichen Teils
bereitgestellt, das einen eine Mehrzahl von externen Anschlüssen
bereitstellenden optischen Richtungskoppler aufweist. Licht von
einer Laserdiode geringer Kohärenzlänge wird in einen der
Anschlüsse eingeleitet. Der Koppler dient als ein Strahlteiler, um
einen Teil des eingeleiteten Lichts über einen zweiten Anschluß
auf das Teil und eine optische Monomodefaser zu richten. Ein
Teil des einen Teils des Lichts wird zusammen vom Teil und vom
benachbarten aufgespalteten Ende der Faser zurück in die Faser
reflektiert und über einen dritten Anschluß optisch in einen
Photodetektor eingekoppelt, um aufgrund der relativen Phase der
zusammentref fenden Reflexionen ein Signal zu liefern, dessen
Amplitude kennzeichnend für die Position des Teils ist.
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Der andere Teil des eingeleiteten Lichts wird vorzugsweise durch
eine optische Kopplung über einen vierten Anschluß an einen
weiteren
Photodetektor übertragen, um - als eine Referenz - ein zur
Intensität des eingeleiteten Lichts proportionales Signal
bereitzustellen. Diese beiden Signale werden vorzugsweise einer
Subtrahier- oder Dividierschaltung o. ä. zur Bereitstellung
eines Ausgangs, in dem Leistungsschwankungen des Lasers minimiert
sind, zugeführt.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die
nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer
Positionsmeßapparatur, die zur Erleichterung der Darstellung auf ein
Raster-Sonden-Mikroskop (AFM) angewandt gezeigt ist,
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Fig. 2 ist eine Teilansicht in wesentlicher Vergrößerung eines
Teils der in Fig. 1 gezeigten Apparatur, um die optischen
Wege des vom Faserende und vom Teil - etwa der
schwingenden Zunge eines AFM - dessen Position zu messen ist,
reflektierten Lichts darzustellen, und
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Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die Änderungen des
nachgewiesenen Lichts, aufgetragen über dem
Faser-Teil-Abstand, zeigt.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Positionsmeßapparatur einen
herkömmlichen Faser-Richtungskoppler 10 mit vier Anschlüssen a,
b, c und d auf. Der Koppler 10 koppelt optisch die zwei
optischen Monomodefasern 11 und 12, die vier sich von den
Anschlüssen a, b, c und d erstreckende externe Leiter 11a, 11b, 12a bzw.
12b haben. Eine Laserdiode 13 sendet Licht in den Anschluß a
über ein Ende der Faser 11. Der Koppler 10 wirkt als ein
polarisationsunempfindlicher Strahlteiler, der im wesentlichen die
Hälfte des Lichts über den Anschluß b und die Faser 11 auf ein
Teil 14 richtet, dessen Position zu messen ist.
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Licht wird vom Ende der Faser 11 nahe dem Teil 14 und auch vom
Teil selbst reflektiert. Die Interferenzbedingung für diese
beiden Reflexionen x und y (siehe Fig. 2) hängt von der Phase der
beiden Reflexionen relativ zueinander ab und bestimmt die
Gesamtmenge des durch die Faser 11 zurückreflektierten Licht. Das
durch die Faser 11 zurücklaufende reflektierte Licht wird
optisch durch den Koppler 10 gekoppelt und über den Anschluß c in
die Faser 12 übertragen und auf einen Photodetektor 15
gerichtet.
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Der Photodetektor 15 kann eine Photodiode aufweisen, die mit
einer Spannungsquelle +V und über einen Widerstand 16 mit Masse
verbunden ist. Der Photodetektor 15 liefert ein Ausgangssignal
in der Leitung 17, das von der Bewegung des Teils 14 abhängt und
damit dessen Position mißt. Die Amplitude dieses Signals kann
als das Signal zum Messen der Position des Teils 14 verwendet
werden. Jedoch sind - wie jetzt beschrieben werden soll -
vorzugsweise Mittel vorgesehen, um die
Leistungs-Amplitudenschwankungen beim Laser 13 im wesentlichen auszugleichen.
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Wie dargestellt, wird die andere Hälfte des in die Faser 11
eingestrahlten Lichts vorzugsweise durch einen Koppler 10 optisch
gekoppelt und über die Faser 12 auf einen Photodetektor 18
übertragen, etwa eine mit einer Spannungsquelle +V und über einen
einstellbaren Widerstand 19 mit Masse verbundene Photodiode. Der
Photodetektor 18 liefert als eine Referenz ein Ausgangssignal
auf der Leitung 20, das proportional zu dem durch den Laser 13
in die Faser 11 eingeleiteten Licht ist.
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Das Positions-Ausgangssignal auf der Leitung 17 wird in
geeigneter Weise mit dem Referenz-Ausgangssignal auf Leitung 20
abgestimmt, um den Einfluß von Leistungsschwankungen beim Laser 13
zu minimieren. Wie dargestellt, subtrahiert eine Schaltung oder
ein Differentialverstärker 21 das Referenzsignal vom
Positionssignal. Wenn dies bevorzugt wird, könnte die Schaltung 21 durch
eine Dividiereinrichtung oder eine andere Schaltung ersetzt
werden.
In jedem Falle wird der Ausgang auf der Leitung 22 der
Schaltung 21 oder ihres Äquivalents verwendet, um die Position
des Teils 14 relativ zu einem anderen Element zu messen oder
- wenn gewünscht - durch eine geeignete elektronische
Servo-Rückkopplungsschaltung 23 zu steuern.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, variiert die Amplitude der am
Photodetektor 15 gemessenen optischen Leistung als Funktion des
Abstands zwischen dem Ende der Faser 11 und dem Teil 14. Die
Amplitude ändert sich während einer Verschiebung um λ/4, wobei
λ die optische Wellenlänge ist, von einem Minimum zu einem
Maximum. Der bevorzugte Arbeitspunkt zum Nachweisen kleiner
Verschiebungen oder Positionsänderungen ist bei z, dem steilsten
Abschnitt der Kurve, was etwa die Hälfte des Abstandes zwischen
dem Minimum und dem Maximum ist.
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Wie dargestellt, ist das Teil 14 eine schwingende Zunge eines
Sondenmikroskops, etwa eines Raster-Sonden-Mikroskops (AFM) des
in der US-Patentschrift 4 724 318, die auf den Inhaber der
vorliegenden Erfindung übertragen wurde, offenbarten Typs. Das AFM
weist ein piezoelektrisches Element 24, das mit dem Teil 14
verbunden ist, und einen xyz-Antrieb 25 zum Steuern der Bewegung
einer Probe 26 relativ zur Spitze der schwingenden Zunge 14 auf.
Die spezielle Einrichtung, mittels derer der xyz-Antrieb 24 eine
Bewegung der Probe 26 steuert, und die Art und Weise, in der das
piezoelektrische Element 24 (oder ein zweiteiliges Äquivalent)
auf dem Teil 14 funktioniert, stellt keinen Teil dieser
Erfindung dar. Jedoch würde - wie dargestellt - die
Servo-Rückkopplungsschaltung 23 den z-Antriebsteil des Antriebs 25 steuern.
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Um das Reflexionsvermögen am Ende des Leiters 11b der Faser 11
zu erhöhen, hat die dem Teil 14 gegenüberliegende Endfläche der
Faser vorzugsweise eine teilreflektierende Beschichtung (einige
10&supmin;¹&sup0;m dick) aus einem Metall, etwa Silber oder Aluminium.
Alternativ dazu kann - wenn dies bevorzugt wird - die Beschichtung
ein Dielektrikum mit einem hohen Brechungsindex, etwa ZrO&sub2;, mit
einer Dicke von λ/4 aufweisen.
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Streureflexionen von den Enden der Leiter 12a und b der Faser 12
an den Photodetektoren 15 bzw. 18 können durch Immersion der
Faserenden in eine auf den Brechungsindex abgestimmte Flüssigkeit
- etwa die "Series A", vertrieben von Cargille of Cedar Grove,
New Jersey - oder durch Polieren der Enden derart, daß die
Ebenen der Enden der Faser nicht senkrecht zur Achse der Faser
sind, minimiert werden.
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Um die Leistungsparameter zu optimieren, sollte die
Laserlichtquelle 13 eine geringe Kohärenzlänge haben, um
Interferenzeffekte aus Streureflexionen zu minimieren. Der Laser 13 sollte
daher vom Multimode-Typ sein. Die Laserdiode 13 ist vorzugsweise
von einem Typ mit einem Faseroptik-Ausgang, wie etwa das "Model
GO-DEP 1000", vertrieben durch General Optronics of Edison, New
Jersey. Wenn dies vorgezogen wird, kann die Quelle 13 jedoch
eine Superstrahlungsdiode oder eine lichtemittierende Diode
sein, die eine geringe Kohärenzlänge hat. Alternativ dazu kann
eine geringe Kohärenzlänge durch Modulieren einer
Monomode-Laserdiode mit hoher Frequenz erreicht werden.
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Obgleich die Abbildung das Teil 14 und die Photodiode 18
benachbart zu den Enden der Fasern 11 bzw. 12 zeigt, ist zu
verstehen, daß - wenn dies vorgezogen wird - das Teil 14 und die
Photodiode 18 zu den Enden der Fasern 12 bzw. 11 benachbart sein
können.
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Außerdem kann, wenn dies gewünscht wird, der Richtungskoppler 11
ein integriertes optisches Element sein, bei dem die Laserdiode
13 und die Photodetektoren 15 und 18 direkt mit den Anschlüssen
a, c bzw. d des Richtungskopplers verbunden sind, anstatt daß
die Leitungen 11a, 12a bzw. 12b mit diesen Anschlüssen verbunden
sind. in einem solchen Falle würden die Längen der "Leiter" zur
Laserdiode und den Photodetektoren im wesentlichen Null sein.
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Jetzt ist zu sehen, daß das die Erfindung verkörpernde Verfahren
die folgenden Vorteile aufweist:
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1) Verwendung kompakter Komponenten mit direkter
Faserverbindung. Da es keine Luft zwischen den Komponenten gibt,
ist die Empfindlichkeit gegenüber Luftströmungen und
akustischem Rauschen minimal. Da die Komponenten direkte Fa
serverbindungen haben, benötigen sie niemals eine
Neujustierung.
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2) Verwendung eines Faser-Richtungskopplers, der nicht
empfindlich gegenüber der Polarisation und daher
polarisationsunabhängig und unempfindlich gegenüber
Polarisationsänderungen ist, die unvermeidlich infolge von
Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder Verbiegungen der
Faser auftreten. Außerdem ist die Notwendigkeit einer
Faserschleife und damit verbundener Justierungen in
wünschenswerter Weise beseitigt.
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3) Verwendung einer Lichtquelle mit geringer Kohärenzlänge,
etwa einer Multimode-Laserdiode, einer bei hohen
Frequenzen modulierten Monomode-Laserdiode oder einer
lichtemittierenden Diode (LED). Die geringe Kohärenzlänge
sichert, daß Streureflexionen von anderen Teilen der
Apparatur keine definierte Phasenbeziehung mit dem
Signallicht haben werden. Infolgedessen wird das Signal
wesentlich stabiler gegenüber Schwankungen der Temperatur
und anderen Störungen sein.
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4) Das Licht vom Laser kann aufgezeichnet werden.
Amplitudenschwankungen können durch eine geeignete Schaltung,
wie etwa eine Dividierschaltung oder eine
Subtraktionsschaltung, ausgeglichen werden.
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5) Es wird keine frequenzmodulierte Lichtquelle benötigt.
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6) Das Licht wird durch Verwendung einer optischen Monomode-
Faser auf weniger als 5 Mikrometer Durchmesser
fokussiert. Damit können Bewegungen kleiner Objekte, wie
schwingender AFM-Zungen, gemessen werden, ohne daß Linsen
zur Verringerung der Größe des optischen Punktes
erforderlich wären.
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Durch den Fachmann wird verstanden werden, daß der hierin
beschriebene faseroptische Positionssensor für andere Zwecke - wie
für den Nachweis akustischer Wellen oder für die Messung von
Schwingungen oder Oberflächenrauhigkeiten - verwendet werden
kann, und daß Veränderungen in der Form und den Einzelheiten
vorgenommen werden können. Dementsprechend sind die Apparatur
und das Verfahren, die hier offenbart sind, nur als illustrativ
zu betrachten, und die Erfindung ist nur insoweit beschränkt,
wie sie in den Ansprüchen spezifiziert ist.