DE68914472T2

DE68914472T2 - Verfahren und Gerät zur Messung von Vibrationen.

Info

Publication number: DE68914472T2
Application number: DE68914472T
Authority: DE
Inventors: James P Waters
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1989-01-10
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2009-01-11
Also published as: US4892406A; DE68914472D1; FI92958B; JPH02196912A; FI890120A0; FI92958C; EP0324708A3; EP0324708A2; ATE104430T1; JP2686124B2; FI890120A; EP0324708B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf interferometrische Meßsysteme und mehr insbesondere auf optische Meßanordnungen und -einrichtungen, bei denen Interferometer mit gemeinsamen Strahlengängen benutzt werden.

Stand der Technik

Verschiedene interferometrische Meßtechniken und vorrichtungen sind in der Vergangenheit entwickelt worden und werden noch benutzt. Seit dem Aufkommen vom Lichtleitfasern ist eine große Anzahl von interferometrischen Meßsystemen, bei denen eine Faseroptik benutzt wird, vorgeschlagen worden. Solche Systeme haben weit verbreitete Verwendung gefunden beim Messen von Vibration und dynamischer Verwindung von mechanischen Bauteilen. Darüber hinaus sind Lichtleitfaserinterferometer wegen der Flexibilität und Größe der benutzten Bauteile für die Meßtechnik besonders geeignet.
Bekannte Lichtleitfaserinterferometer umfassen diejenigen, die als modifizierte Mach-Zehnder- oder Twyman-Green-Interferometer bezeichnet werden. In ihrer einfachsten Form benutzen diese Interferometer Licht aus einer kohärenten Quelle, das in zwei optische Bündel aufgeteilt wird. Eines dieser Bündel stelle ein Referenzbündel dar und legt einen optischen Weg von fester Länge zurück. Das andere Bündel stellt ein Prüfbündel dar und wird auf einem optischen Weg geleitet, dessen Länge durch die Bewegung eines externen Objekts oder Werkstückes, das gemessen wird, verändert wird. Das Referenz- und das Prüfbündel werden anschließend kohärent wiedervereinigt, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das die Vibration oder dynamische Verwindung des mechanischen Elements anzeigt.
Optische Überlagerungsinterferometer sind ebenfalls bekannter Stand der Technik. Diese Vorrichtungen gleichen den grundlegenden Mach-Zehnder- und Twyman-Green-Interferometern, sind aber modifiziert und weisen einen optischen Modulator auf, der die optische Frequenz des Referenz- und/oder Prüfbündels verschiebt. Wie bei den grundlegenden Mach- Zehnder- oder Twyman-Green-Interferometern wird die optische Weglänge des Prüfbündels durch das vibrierende externe Objekt verändert. Das Referenz- und Prüfbündel werden wieder anschließend vereinigt, was ein frequenzmoduliertes (FM) Bündel ergibt, mit einer Trägerfrequenz, die gleich der Frequenz des optischen Modulators ist, und mit Abweichungen von der Trägerfrequenz, die durch die Vibration oder dynamische Verwindung des externen Objekts verursacht werden. Die Abweichungen, die durch die Bewegung des externen Objekts verursacht werden, werden dann durch herkömmliche FM-Demodulationstechniken extrahiert.
In bekannten faseroptischen Meß- oder Eichsystemen werden das Referenz- und Prüfbündel üblicherweise auf optischen Wegen geleitet, die separate Lichtleitfasern umfassen. Diese Konfiguration gewährleistet, daß eine echt stationäre Referenzwellenfront zum Vergleich mit der unbekannten Doppler-verschobenen Wellenfront, die von dem Objekt zurückkehrt, benutzt wird. Die Lichtleitfasern verhalten sich jedoch wie Mikrophone, indem sie Umgebungsrauschen aufnehmen. Dieses Umgebungsrauschsignal besteht aus unerwünschten Doppler-Verschiebungen aufgrund von Umgebungsvibrationen und davon begleiteten geringfügigen Variationen in dem Brechungsindex der Lichtleitfaser, die das Prüf- oder Referenzbündel führt, und es addiert sich zu dem gemessenen Vibrationssignal des Objekts, dessen Bewegung gemessen wird, was zu einer Verzerrung der tatsächlichen Vibrationfrequenz- und Amplitudensignatur führt, die dem rückkehrenden Lichtbündel aufgeprägt wird. Das hat in der Tat die Verwendung von herkömmlichen oder Überlagerungs- Lichtleitfaserinterferometern in typischen Fertigungsumgebungen ausgeschlossen.
Zum Vermeiden dieses Nachteils wurde in der US-A-4 627 731, ausgegeben am 9. Dezember 1986 und betitelt "Common Optical Path Interferometric Gauge", vorgeschlagen, eine Laserquelle zu benutzen, die ein Laserbündel erzeugt das eine relativ kurze Kohärenzlänge hat, und das Referenz- und Prüfbündel zu vereinigen, nachdem das Referenzbündel relativ zu dem Prüfbündel um ein Zeitintervall von derartiger Länge verzögert worden ist, daß das Referenzbündel hinter dem Prüfbündel um eine Strecke zurückbleibt, die wenigstens gleich der, aber vorzugsweise größer als die vorgenannte Kohärenzlänge ist, und das so vereinigte Bündel sich auf einen gemeinsamen Weg, insbesondere in einer Lichtleitfaser, zu einem Ort fortpflanzen zu lassen, der um im wesentlichen die Hälfte der obigen Strecke von der Oberfläche des Objekts beabstandet ist, dessen Bewegung gemessen werden soll. An der obigen Stelle wurde ein Teil des vereinigten Bündels zurück auf den gemeinsamen Weg reflektiert, während der übrige Teil des vereinigten Bündels auf eine vorbestimmte Zone der Objektoberfläche gerichtet und von da zu dem obigen Ort zurück und auf den gemeinsamen Weg geleitet wurde, wo der zurückgekehrte Teil des Prüfbündels, der durch die Bewegung der vorgenannten Zone beeinflußt worden ist, mit dem Teil des Referenzbündelteils, der an dem obigen Ort zurück auf den gemeinsamen Weg reflektiert worden ist, kohärent interferiert hat.
Diese Lösung hat zwar das obige Problem im wesentlichen eliminiert, indem das Umgebungsrauschen sowohl das Prüfbündel als auch das Referenzbündel im wesentlichen auf dieselbe Weise beeinflußt hat, so daß es zur Beseitigung des Einflusses des Umgebungsrauschens auf das Interferenzmuster gekommen ist, dieser Typ von interferometrischer Anordnung besaß jedoch noch einen Nachteil, denn er war von der Lage des oben erwähnten Ortes auf dem Tupfenmuster abhängig, das gebildet wird, wenn der übrige Teil des vereinigten Bündels von der beeinflußten Zone der Objektoberfläche aus zurückgeleitet wird. Insbesondere hat die obige Zone einen endlichen Flächeninhalt, der Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist, die Größen haben, welche in der Lage sind, die Wellenfront des zurückkehrenden vereinigten Bündels zu verzerren, selbst wenn die Objektoberfläche eine Oberfläche mit sehr hoher Oberflächenqualität ist, so daß der übrige Teil des vereinigten Bündels bis zu einem gewissen Grad während seiner Reflexion von der obigen Zone aus zerstreut wird und ein Tupfenmuster bildet, das aufgrund von Interferenz in dem zurückkehrenden vereinigten Bündel helle und dunkle Tupfen aufweist. Aus naheliegenden Gründen ist es nicht immer möglich zu gewährleisten, daß sich der obige Ort in dem hellen Tupfen befindet; wenn dem nicht so ist, kommt es zu einem Signalausfall aufgrund der niedrigen oder nichtvorhandenen Intensität des zurückkehrenden Lichtes an dem obigen Ort aufgrund seiner Ausrichtung mit dem dunklen Tupfen.
Es ist demgemäß ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Techik zu vermeiden.
Mehr insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen der Bewegung eines vibrierenden Objekts zu schaffen, das nicht die Nachteile der bekannten Verfahren dieser Art besitzt.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, das Verfahren des hier betrachteten Typs so zu entwickeln, daß praktisch gewährleistet ist, daß zuverlässige Meßergebnisse erzielt werden, trotz der Existenz des Tupfenmusters.
Ein damit zusammenhängendes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßanordnung zu schaffen, die in der Lage ist, das Verfahren des obigen Typs auszuführen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obige Meßanordnung auf derartige Weise auszubilden, daß sie zuverlässige Meßergebnisse liefert, ungeachtet der Position des vorgenannten Ortes relativ zu dem Tupfenmuster.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die Spiegelanordnung des obigen Typs derart aufzubauen, daß sie im Aufbau relativ einfach ist, billig herstellbar ist, einfach zu gebrauchen ist und trotzdem im Betrieb zuverlässig ist.

Darstellung der Erfindung

Bei dem Verfolgen dieser Ziele und von anderen, die im folgenden deutlich werden, beinhaltet ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen der Bewegung einer vorbestimmten Zone einer Oberfläche eines vibrierenden Objekts, beinhaltend die Schritte: Erzeugen eines Laserbündels, das eine vorbestimmte Kohärenzlänge hat; Aufteilen des Laserbündels in ein Prüfbündel und ein Referenzbündel; Verzögern des Referenzbündels relativ zu dem Prüfbündel um ein vorbestimmtes Zeitintervall, das ausreicht, damit das Prüfbündel eine vorbestimmte Strecke zurücklegt, die wenigstens der Kohärenzlänge entspricht; Vereinigen des so verzögerten Referenzbündels mit dem Prüfbündel, um ein vereinigtes Bündel zu bilden; Unterteilen des vereinigten Bündels in mehrere im wesentlichen gleiche Teilbündel; Leiten jedes der Teilbündel auf einem separaten Weg zu einem separaten zugeordneten Ort, der von der vorbestimmten Zone im wesentlichen um die Hälfte der Strecke beabstandet ist, die durch das Licht in dem vorbestimmten Zeitintervall in dem Medium oder den Medien zwischen dem zugeordneten Ort und der vorbestimmten Zone zurückgelegt wird; Reflektieren eines vorbestimmten Teils von jedem der Teilbündel an dem zugeordneten Ort zurück auf den betreffenden Weg; Richten des Restes von jedem der Teilbündel von dem zugeordneten Ort aus auf die vorbestimmte Zone zur Rückkehr von der vorbestimmten Zone zumindest überwiegend zurück zu dem zugeordneten Ort und auf den betreffenden Weg mit davon begleiteter kohärenter Interferenz des Prüfbündelteils des so zurückgeleiteten Restes des entsprechenden Teilbündels mit dem Referenzbündelteil des vorbestimmten Teils des betreffenden Teilbündels, was ein Rückkehrlichtbündel ergibt, das in Abhängigkeit von der Bewegung der vorbestimmten Zone relativ zu dem zugeordneten Ort moduliert ist; und Demodulieren des Rückkehrlichtbündels durch einen einzelnen Demodulator, um eine Anzeige der Bewegung der vorbestimmten Zone zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf eine Anordnung zum Messen der Bewegung einer vorbestimmten Zone einer Oberfläche eines vibrierenden Objekts gerichtet. Gemäß der Erfindung umfaßt diese Anordnung eine Anordnung zum Messen der Bewegung einer vorbestimmten Zone einer Oberfläche eines vibrierenden Objekts, beinhaltend: eine Einrichtung zum Erzeugen eines Laserbündels, das eine vorbestimmte Kohärenzlänge hat; eine Einrichtung zum Aufteilen des Laserbündels in ein Prüfbündel und ein Referenzbündel; eine Einrichtung zum Verzögern des Referenzbündels relativ zu dem Prüfbündel um ein vorbestimmtes Zeitintervall, das ausreicht, damit das Prüfbündel eine vorbestimmte Strecke durchläuft, die wenigstens der Kohärenzlänge entspricht; eine Einrichtung zum Vereinigen des so verzögerten Referenzbündels mit dem Prüfbündel, um ein vereinigtes Bündel zu bilden; eine Einrichtung zum Unterteilen des vereinigten Bündels in mehrere im wesentlichen gleiche Teilbündel; eine Einrichtung zum Leiten jedes der Teilbündel auf einem separaten Weg zu einem separaten zugeordneten Ort, der von der vorbestimmten Zone im wesentlichen um die Hälfte der Strecke beabstandet ist, die durch Licht in dem vorbestimmten Zeitintervall in dem Medium oder den Medien zwischen dem zugeordneten Ort und der vorbestimmten Zone zurückgelegt wird; eine Einrichtung zum Reflektieren eines vorbestimmten Teils von jedem der Teilbündel an dem zugeordneten Ort zurück auf den betreffenden Weg; eine Einrichtung zum Richten des Restes von jedem der Teilbündel von dem zugeordneten Ort aus zu der vorbestimmten Zone zur Rückkehr von der vorbestimmten Zone wenigstens überwiegend zurück zu dem zugeordneten Ort und auf den betreffenden Weg mit davon begleiteter kohärenter Interferenz des Prüfbündelteils des so zurückgekehrten Restes des Teilbündels mit dem Referenzbündelteil des vorbestimmten Teils des betreffenden Teilbündels, was ein Rückkehrlichtbündel ergibt, das in Abhängigkeit von der Bewegung der vorbestimmten Zone relativ zu dem zugeordneten Ort moduliert ist; eine einzelne Demodulatoreinrichtung zum Demodulieren der Rückkehrlichtbündel, um eine Anzeige der Bewegung der vorbestimmten Zone zu erzielen.
Ein besonderer Vorteil, der aus der Verwendung des Verfahrens und der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung erzielt wird, besteht darin, daß es eine Vielzahl der Orte gibt, an welchen die kohärente Interferenz des zurückkehrenden Teils des Prüfbündels mit dem reflektierten Teil des Referenzbündels stattfindet, so daß es äußerst unwahrscheinlich ist, wenn nicht gar unmöglich ist, daß alle diese Orte mit dunklen Gebieten des Tupfenmusters ausgerichtet sein könnten. In Anbetracht der Tatsache, daß die Interferenzmusterrückkehr von einem dieser Orte zur Erfassung und Auswertung der Bewegung der vorbestimmten Zone des Objekts ausreichend ist, gewährleisten das Verfahren und die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung prakisch, daß unter allen Umständen eine Erfassung erfolgt, solange die obigen Orte sich innerhalb eines vorbestimmten Entfernungsbereiches von der vorbestimmten Zone befinden und die vereinigten Bündel auf diese Zone gerichtet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine etwas vereinfachte Seitenansicht einer Meßanordnung nach der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine teilweise axial geschnittene Seitenansicht eines Handlesekopfteils einer Meßanordnung ist, die relativ zu der nach Fig. 1 etwas modifiziert ist;
Fig. 3 eine Endansicht einer Einzelheit des Handlesekopfteils nach der Linie 3-3 in Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Signalpegels von der Weglängendifferenz ist, wenn eine Einzelmodenfaser benutzt wird; und
Fig. 5 eine Ansicht entsprechend der in Fig. 4 ist, aber wenn eine Multimodefaser mit einem Kerndurchmesser von 10 Mikrometern benutzt wird.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Aus der Zeichnung und zuerst aus Fig. 1, auf die nun im einzelnen Bezug genommen wird, ist zu erkennen, daß die Bezugszahl 10 benutzt worden ist, um darin eine interferometrische Meßanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden ist und bei der Lichtleitfaserelemente benutzt werden, in ihrer Gesamtheit zu bezeichnen. Die Meßanordnung 10 umfaßt eine Läserquelle 11, wie z.B. eine Laserdiode, die unter der Bezeichung Sharp LT023MC auf den Markt gebracht wird, welche mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern arbeitet.
Die Laserquelle 11 liefert ein Laserbündel 12, das eine relativ kurze Kohärenzlänge hat. Das Laserbündel 12 tritt in eine Bündelteilvorrichtung 13 ein, welche einen Lichtleitfaserkoppler, eine vorgeschaltete Fokussierlinse und nachgeschaltete Kollimierlinsen enthalten kann und das Laserbündel 12 in zwei im wesentlichen gleiche Teilbündel 14 und 15 aufteilt, die miteinander kohärent sind. Das Teilbündel 14 wird, wie gezeigt, auf einen Modulator 16 gerichtet, insbesondere einen akustooptischen Modulator oder eine Bragg-Zelle, die im Handel erhältlich ist, z.B. als ein Modulator Hoya A-100. Der Modulator 16 verschiebt die Frequenz des Teilbündels 14 nach unten, z.B. um etwa 75 MHz. Ebenso wird, wie gezeigt, das Teilbündel 15 auf einen Modulator 17 gerichtet, der vorteilhafterweise denselben Aufbau wie der Modulator 16 hat. Der Modulator 17 verschiebt die Frequenz des Teilbündels 15 nach oben, z.B. um etwa 85 MHz, so daß es eine Differenz von 160 MHz zwischen den Frequenzen der trägermodulierten Laserbündel 18 und 19 gibt, die aus den Modulatoren 16 bzw. 17 austreten. Es ist klar, daß die Frequenzen und die Modulationafrequenzverteilung, die oben erwähnt sind, und bei einer praktischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt worden sind, nicht kritisch sind und geändert werden können, um entweder die Frequenzdifferenz zu ändern oder diese beizubehalten und das Ausmaß zu ändern, in welchem die beiden Modulatoren 16 und 17 zu dieser Differenz beitragen, was schließlich so weit ausgedehnt werden kann, daß nur einer der Modulatoren 16 und 17 benutzt wird und keine Trägermodulation dem anderen Teilbündel 15 oder 14 aufgeprägt wird. Alternativ können beide Modulatoren 16 und 17 weggelassen werden, wenn es nicht erwünscht ist, den Teilbündeln 14 und 15 eine Trägermodulation aufzuprägen.
In jedem Fall werden die trägermodulierten Teilbündel 18 und 19 (und/oder die unmodulierten Teilbündel 14 und 15) durch Linsen 20 bzw. 21 in Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserabschnitte 22 bzw. 23 fokussiert, welche, wie dargestellt, von einer Seite aus zu einem 3 x 3- Lichtleitfaserkoppler 24 führen. Der Faserabschnitt 22 hat eine vorbestimmte Länge L&sub1;, und der Faserabschnitt 23 hat eine Länge L&sub2;, wobei die Länge L&sub2; die Länge L&sub1; um eine Strecke übersteigt, die wenigstens gleich der, aber vorzugsweise größer als die oben erwähnte Kohärenzlänge ist. Das führt zu einer Situation, in welcher irgendein Gebiet des Teilbündels, das sich in dem Lichtleitfaserabschnitt 23 ausbreitet, den Lichtleitfaserkoppler 24 in einem vorbestimmten Zeitintervall, welches der Laufzeit des Lichtes auf der vorerwähnten Strecke entspricht, später als das entsprechende kohärente Gebiet des Teilbündels erreichen wird, das sich in dem Lichtleitfaserabschnitt 22 ausbreitet, so daß das Licht in diesen Gebieten zu der Zeit, zu der diese Gebiete den Koppler 24 erreichen, gegegseitig außer Kohärenz sein wird.
In dem Koppler 24 werden diese Teilbündel inkohärent miteinander vereinigt, ohne ihre Identitäten als Prüfbündel (aus der Faser 22) und Referenzbündel (aus der Faser 23) zu verlieren, und das vereinigte Bündel wird dann in drei im wesentlichen gleiche Teilbündel unterteilt, welche den Koppler 24 auf der anderen Seite desselben verlassen und in Lichtleitfasern 25, 26 bzw. 27 geleitet werden. Die Lichtleitfasern 25, 26 und 27 sind vorzugsweise in einem einzelnen Lichtleitkabel enthalten, Wenn irgendeines der Teilbündel eine Endseite der Faser 25, 26 bzw. 27 erreicht, wird ein Teil desselben an dieser Endseite (oder an einem auf diese Endseite aufgebrachten Überzug) zurück in die Faser 25, 26 oder 27 zur Ausbreitung zurück zu dem Koppler 24 reflektiert.
Der übrige Teil des Teilbündels tritt an dem stromabwärtigen Ende der Faser 25, 26 oder 27 aus und wird durch eine Linse 28, 29 oder 30 kollimiert, um ein kollimiertes Restteilbündel 31, 32 oder 33 zu bilden, und die kollimierten Restteilbündel werden durch eine gemeinsame Linse 34 auf ein Gebiet oder eine Zone 35 einer Oberfläche 36 eines Objekts 37 fokussiert, dessen Vibrationen zu messen sind. Wenigstens ein Teil des Lichts, das die Zone 35 erreicht, wird zurückgeleitet, üblicherweise als zerstreute Strahlung, die bekanntlich ein Tupfenmuster in der Ebene der Endseiten der Fasern 25, 26 und 27 bildet. Wenn das zurückgeleitete Licht die Endseite der betreffenden Faser erreicht, interferiert es mit jedem Licht, mit dem es kohärent ist. Das bedeutet, daß der Prüfbündelteil des zurückkehrenden Lichts mit dem Referenzbündelteil des reflektierten Teils des vereinigten Bündels in dem zugeordneten Lichtleitfaserabschnitt 25, 26 oder 27 interferiert.
Der zurückkehrende Prüfbündelteil, der aus einem der Lichtleitfaserabschnitte wie 25 stammt, könnte jedoch auch mit dem Referenzbündelteil des reflektierten Teils in den anderen Lichtleitfaserabschnitten wie 26 und 27 interferieren. Das könnte fehlerhafte Ergebnisse erbringen. Zum Vermeiden dieser Möglichkeit haben die Lichtleitfaserabschnitte 25, 26 und 27 unterschiedliche Längen L&sub3;, L&sub4; und L&sub5;, wobei die Längen L&sub4; und L&sub5; länger sind als die Lange L&sub3; und als gegenseitig, wie es durch eine einzelne Schleife in dem Faserabschnitt 26 und durch eine doppelte Schleife in dem Faserabschnitt 27 gezeigt ist, und wenigstens in einem vorbestimmten Verhältnis zu der oben erwähnten Distanz L&sub2; - L&sub1; stehen. Gemäß der Erfindung ist dieses Verhältnis vorteilhafterweise ein ganzzahliges Vielfaches von 3. Das gewährleistet, daß die zurückkehrenden Restteile entweder des Prüfbündelteils oder des Referenzbündelteils, die aus einer der Fasern 25, 26 und 27 stammen, nicht kohärent mit den reflektierten Teilen entweder des Prüfbündelteils oder des Referenzbündelteils, die sich in irgendeiner anderen der Fasern 26, 27 oder 25 ausbreiten, kohärent interferieren.
Die zurückkehrenden Lichtbündel, die sich in den Lichtleitfaserabschnitten 25, 26 und 27 ausbreiten, erreichen schließlich den optischen 3 x 3-Koppler, wo die Teilbündel wieder miteinander vereinigt werden, und ein Teil des so wiedervereinigten Lichtbündels wird durch einen weiteren Faserabschnitt zu einem Photodetektor 51 geleitet, der das Lichtsignal auf bekannte Weise in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses elektrische Signal wird dann in einem Demodulator 52 demoduliert, der irgendeinen bekannten Aufbau haben und insbesondere ein FM-Demodulator sein kann, um eine Anzeige der Vibrationbewgung der Zone 35 zu erzielen.
Die Orte der Endseiten der Faserabschnitte 25, 26 und 27 sind von der Zone 35 um im wesentlichen die halbe Distanz beabstandet, welche durch Licht während des vorbestimmten Zeitintervalls in dem Medium oder den Medien zurückgelegt wird, die sich zwischen diesen Endseiten und der Zone 35 befinden.
Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 der Zeichnung Bezug genommen, wo die selben Bezugszahlen wie zuvor benutzt worden sind, um entsprechende Teile zu bezeichnen. Es ist zu erkennen, daß die Bezugszahl 38 eine Höhe bezeichnet, die die stromabwärtigen Endteile der Faserabschnitte 25, 26 und 27 aufnimmt und mit einem Gehäuse oder einem Handlesekopf 39 verbunden ist. Ein Halteteil 40 wird in dem Gehäuse 39 durch Stege 41 im wesentlichen zentral gehalten und hält die äußersten Endteile der Faserabschnitte in den Positionen derselben, die in Fig. 3 dargestellt sind, d.h. an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. Das Licht, das von den Endseiten der Faserabschnitte ausgeht, wird durch eine gemeinsame Linse 42, die in dem Gehaüse 39 befestigt ist, auf die Zone 35 der Oberfläche 36 des schwingenden Objekts 37 fokussiert. Bei dieser besonderen Konstruktion fallen die Flecken, welche durch die vereinigten Restbündel gebildet werden, die aus den Faserabschnitten 25, 26 und 27 austreten, üblicherweise nicht zusammen, sie sind aber noch nahe genug beieinander, um zu gewährleisten, daß die Vibrationen von ein und derselben Zone 35 gemessen werden.
Es ist besonders vorteilhaft, eine Multimodelichtleitfaser, die eine begrenzte Anzahl von Moden aufweist, wie z.B. diejenige, die einen Kerndurchmesser von etwa 10 Mikrometern hat, in der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung zu benutzen. Der Grund dafür wird durch Miteinandervergleichen der Figuren 4 und 5 der Zeichnung deutlich werden. Wenn eine Einzelmodefaser benutzt würde, würde der Signalpegel beträchtliche Änderungen in Abhängigkeit von der Weglängenfehlanpassung oder -differenz zwischen den Armen des Interferometers erfahren. Das ist in Fig. 4 für eine Situation gezeigt wo eine GO- 1000 Laserdiode als Laserquelle benutzt worden ist, wobei -108 dBm die ungefähre Rauschgrenze der Erfassungselektronik sind. Wenn andererseits eine Multimodefaser in den Armen des Interferometers benutzt wird, wird das charakteristische Streifensichtbarkeitsprofil des Lasers mehrere Male wiederholt. Die einzelnen Profile überlappen in einem Ausmaß das den Wegdifferenzen zwischen den einzelnen Moden entspricht. Das Gesamtergebnis ist, wie es in Fig. 5 der Zeichnung gezeigt ist, ein wesentlich gleichmäßigeres Streifensichtbarkeitsprofil. Infolgedessen liegen die Signalpegel aus einem Multimodesystem deutlich über dem Eigenrauschen gegenüber einer größeren Wegfehlanpassung als dann, wenn Einzelmodefasern benutzt werden, was einen verbesserten Meßbereich für Laserdioden mit begrenzter Kohärenzlänge bietet.
Die Erfindung ist zwar ausgeführt in einer besonderen Konstruktion einer Meßanordnung veranschaulicht und beschrieben worden, es ist jedoch klar, daß sich die vorliegende Erfindung nicht auf dieses besondere Beispiel beschränkt, sondern daß vielmehr der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung allein durch die beigefügten Patentansprüche bestimmt wird.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Bewegung einer vorbestimmten Zone (35) einer Oberfläche (36) eines vibrierenden Objekts (37), beinhaltend die Schritte:

Erzeugen eines Laserbündels (12), das eine vorbestimmte Kohärenzlänge hat;

Aufteilen des Laserbündels (12) in ein Prüfbündel (14) und ein Referenzbündel (15);

Verzögern des Referenzbündels (15) relativ zu dem Prüfbündel (l4) um ein vorbestimmtes Zeitintervall, das ausreicht, damit das Prüfbündel eine vorbestimmte Strecke zurücklegt, die wenigstens der Kohärenzlänge entspricht;

Vereinigen (24) des so verzögerten Referenzbündels mit dem Prüfbündel, um ein vereinigtes Bündel zu bilden;

Unterteilen (24) des vereinigten Bündels in mehrere im wesentlichen gleiche Teilbündel;

Leiten jedes der Teilbündel auf einem separaten Weg (25, 26, 27) zu einem separaten zugeordneten Ort, der von der vorbestimmten Zone (35) im wesentlichen um die Hälfte der Strecke beabstandet ist, die durch das Licht in dem vorbestimmten Zeitintervall in dem Medium oder den Medien zwischen dem zugeordneten Ort und der vorbestimmten Zone (35) zurückgelegt wird;

Reflektieren eines vorbestimmten Teils von jedem der Teilbündel an dem zugeordneten Ort zurück auf den betreffenden Weg (25, 26, 27);

Richten des Restes (31, 32, 33) von jedem der Teilbündel von dem zugeordneten Ort aus auf die vorbestimmte Zone (35) zur Rückkehr von der vorbestimmten Zone (35) zumindest überwiegend zurück zu dem zugeordneten Ort und auf den betreffenden Weg mit davon begleiteter kohärenter Interferenz des Prüfbündelteils des so zurückgeleiteten Restes des entsprechenden Teilbündels mit dem Referenzbündelteil des vorbestimmten Teils des betreffenden Teilbündels, was ein Rückkehrlichtbündel ergibt, das in Abhängigkeit von der Bewegung der vorbestimmten Zone relativ zu dem zugeordneten Ort moduliert ist; und Demodulieren des Rückkehrlichtbündels durch einen einzelnen Demodulator (52), um eine Anzeige der Bewegung der vorbestimmten Zone (35) zu erzielen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Leitens beinhaltet, jedes der Teilbündel auf eine separate Lichtleitfaser (25, 26, 27) zu beschränken.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verzögerungsschritt beinhaltet, das Prüfbündel (14) auf einem Weg (22) einer vorbestimmten Länge (L&sub1;) und das Referenzbündel (15) auf einem weiteren Weg (23) zu leiten, der eine Lange (L&sub2;) hat, die die vorbestimmte Länge (L&sub1;) um die vorbestimmte Strecke übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verzögerungsschritt beinhaltet, das Prüfbündel (14) auf eine Lichtleitfaser (22) zu beschränken, die eine vorbestimmte Lange (L&sub1;) hat, und das Referenzbündel (15) auf eine weitere Lichtleitfaser (23), die eine Länge (L&sub2;) hat, welche die vorbestimmte Lange (L&sub1;) um die vorbestimmte Strecke übersteigt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, weiter beinhaltend den Schritt Verzögern von wenigstens einem der Teilbündel relativ zu einem weiteren vor dem Erreichen der zugeordneten Orte um eine Zeitspanne, welche das vorbestimmte Zeitintervall übersteigt und wenigstens in einem derartigen vorbestimmten Verhältnis dazu steht, daß der reflektierte Prüfbündelteil, der aus einem der Teilbündel stammt, einen der zugeordneten Orte, der von dem verschieden ist, welcher dem einen Teilbündel zugeordnet ist, außer Kohärenz mit den Teilen sowohl des Prüf- als auch des Referenzbündels, die an dein anderen zugeordneten Ort reflektiert werden, erreicht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das vorbestimmte Verhältnis ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, weiter beinhaltend den Schritt Wiedervereinigen der Rückkehrlichtbündel vor dem Demodulierschritt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, weiter beinhaltend den Schritt Verschieben der Frequenz wenigstens des Referenzbündels (15) oder des Prüfbündels (14) vor dem Vereinigungsschritt um eine vorbestimmte Trägerfrequenz relativ zu der des anderen Bündels, so daß die Modulation des Rückkehrlichtbündels in Abhängigkeit von der Bewegung der vorbestimmten Zone (35) mit der vorbestimmten Trägerfrequenz überlagert ist.

9. Anordnung zum Messen der Bewegung einer vorbestimmten Zone (35) einer Oberfläche (36) eines vibrierenden Objekts (37), beinhaltend:

eine Einrichtung (11) zum Erzeugen eines Laserbündels (12), das eine vorbestimmte Kohärenzlänge hat;

eine Einrichtung (13) zum Aufteilen des Laserbündels (12) in ein Prüfbündel (14) und ein Referenzbündel (15);

eine Einrichtung (22, 23) zum Verzögern des Referenzbündels (15) relativ zu dem Prüfbündel (14) um ein vorbestimmtes Zeitintervall, das ausreicht, damit das Prüfbündel (14) eine vorbestimmte Strecke durchläuft, die wenigstens der Kohärenzlänge entspricht;

eine Einrichtung (24) zum Vereinigen des so verzögerten Referenzbündels (15) mit dem Prüfbündel (14), um ein vereinigtes Bündel zu bilden;

eine Einrichtung (24) zum Unterteilen des vereinigten Bündels in mehrere im wesentlichen gleiche Teilbündel;

eine Einrichtung (25, 26, 27) zum Leiten jedes der Teilbündel auf einem separaten Weg zu einem separaten zugeordneten Ort, der von der vorbestimmten Zone (35) im wesentlichen um die Hälfte der Strecke beabstandet ist, die durch Licht in dem vorbestimmten Zeitintervall in dem Medium oder den Medien zwischen dem zugeordneten Ort und der vorbestimmten Zone (35) zurückgelegt wird;

eine Einrichtung (Endseite von 25, 26, 27) zum Reflektieren eines vorbestimmten Teils von jedem der Teilbündel an dem zugeordneten Ort zurück auf den betreffenden Weg (25, 26, 27);

eine Einrichtung (34) zum Richten des Restes von jedem der Teilbündel von dem zugeordneten Ort aus zu der vorbestimmten Zone (35) zur Rückkehr von der vorbestimmten Zone (35) wenigstens überwiegend zurück zu dem zugeordneten Ort und auf den betreffenden Weg mit davon begleiteter kohärenter Interferenz des Prüfbündelteils des so zurückgekehrten Restes des Teilbündels mit dem Referenzbündelteil des vorbestimmten Teils des betreffenden Teilbündels, was ein Rückkehrlichtbündel ergibt, das in Abhängigkeit von der Bewegung der vorbestimmten Zone relativ zu dem zugeordneten Ort moduliert ist;

eine einzelne Demodulatoreinrichtung (52) zum Demodulieren der Rückkehrlichtbündel, um eine Anzeige der Bewegung der vorbestimmten Zone (35) zu erzielen.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Leiteinrichtung (25, 26, 27) mehrere separate Lichtleitfasern aufweist, in denen jeweils ein anderes der Teilbündel übertragen wird.

11. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Verzögerungseinrichtung (22, 23) eine Einrichtung aufweist zum Leiten des Prüfbündels (14) auf einem Weg (22) einer vorbestimmten Länge (L&sub1;) und des Referenzbündels (15) auf einem weiteren Weg (23), der eine Länge (L&sub2;) hat, die die vorbestimmte Länge (L&sub1;) um die vorbestimmte Strecke übersteigt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Leiteinrichtung der Verzögerungseinrichtung (22, 23) eine Lichtleitfaser (22) aufweist, die eine vorbestimmte Länge (L&sub1;) hat und das Prüfbündel (14) in sich aufnimmt, und eine weitere Lichtleitfaser (23), die eine Länge (L&sub2;) hat, welche die vorbestimmte Länge (L&sub1;) um die vorbestimmte Strecke übersteigt und das Referenzbündel (15) in sich aufnimmt.

13. Anordnung nach Anspruch 9, weiter beinhaltend eine Hilfsverzögerungseinrichtung zum Verzögern von wenigstens einem der Teilbündel relativ zu einem anderen vor dem Erreichen der zugeordneten Orte um eine Zeitspanne, welche das vorbestimmte Zeitintervall übersteigt und wenigstens in einem derartigen vorbestimmten Verhältnis dazu steht, daß der reflektierte Prüfbündelteil, der aus einem der Teilbündel stammt, einen der zugeordneten Orte erreicht, der von dem verschieden ist, welcher dem einen Teilbündel zugeordnet ist, außer Kohärenz mit den Teilen sowohl des Prüfbündels (14) als auch des Referenzbündels (15), die an dem unterschiedlichen zugeordneten Ort reflektiert werden.

14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei das vorbestimmte Verhältnis ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Leiteinrichtung (25, 26, 27) mehrere separate Lichtleitfasern aufweist, die jeweils ein anderes der Teilbündel (31, 32, 33) in sich aufnehmen und von denen eines eine vorbestimmte Länge (L&sub3;, L&sub4;, L&sub5;) hat, und wobei wenigstens eine andere der Lichtleitfasern einen Abschnitt der vorbestimmten Länge und einen weiteren, sich an den einen Abschnitt anschließenden und eine Länge aufweisenden Abschnitt hat, die in dem vorbestimmten Verhältnis zu der vorbestimmten Strecke steht, um die Hilfsverzögerungseinrichtung zu bilden.

16. Anordnung nach Anspruch 9, weiter mit einer Einrichtung (24) zum Wiedervereinigen der Rückkehrlichtbündel vor dem Erreichen der Demoduliereinrichtung (52).

17. Anordnung nach Anspruch 16, wobei die Vereinigungs-, Unterteil- und Wiedervereinigungseinrichtung (24) durch einen Lichtleitfaserkoppler gebildet sind.

18. Anordnung nach Anspruch 9, weiter mit einer Einrichtung (16, 17) zum Verschieben der Frequenz wenigstens des Referenzbündels (15) oder des Prüfbündels (14) vor dem Erreichen der Vereinigungseinrichtung (24) um eine vorbestimmte Trägerfrequenz relativ zu der des anderen Bündels, so daß die Modulation des Rückkehrlichtbündels in Abhängigkeit von der Bewegung der vorbestimmten Zone (35) der vorbestimmten Trägerfrequenz überlagert ist.