Prinzip Weißlicht-Interferometer

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1 Prinzip Weißlicht-Interferometer Aufbau: Michelson-Interferometer Verwendet weißes Licht Geringe Kohärenzlänge Interferenz nur für identische Teilwege Streifensysteme (für jede Farbe) Verschiebung eines Spiegels Intensität: Abklingende Sinusfunktion Breite = f(kohärenzlänge) Quelle: Wikipedia 1

2 Intensitätsverlauf: Monochromatisches Licht Zusammenhang Bandbreite Kohärenzlänge Ausgangspunkt: monochromatisches Licht I(λ) I(x) λ 1 λ x=2s 2

3 Intensitätsverlauf: Zwei diskrete Frequenzen Zwei diskrete Wellenlängen I(λ) I 1,2 (x) λ 1, λ 2 λ x=2s 3

4 Intensitätsverlauf: Zwei diskrete Frequenzen I(λ) I(x) λ x=2s λ 1, λ 2 4

5 Intensitätsverlauf: Viele diskrete Frequenzen I i (x) I(λ) λ i λ I(x) x=2s λ i = nm, Abstand 5 nm x=2s 5

6 Intensitätsverlauf: Beliebiges Quellspektrum Berechnung aus Summation monochromatischer Quellen Bzw. mit : Übergang diskret kontinuierlich: Fourier-Transformation! Spektrale Verteilung Intensitätsverlauf 6

7 Fourier-Transformations-Spektroskopie Michelson-Interferometer Verschiebung des Spiegels (Kontinuierliche) Erfassung der Intensität Fourier-Transformation Spektrale Verteilung der Quelle Beispiel: Spektrallinie endlicher Breite Quelle: Spindler&Hoyer: Experimentieranleitung Weißlichtinterferometer 7

8 Fourier-Transformations-Spektroskopie Doppellinie endlicher Breite Leuchtdiode Quelle: Spindler&Hoyer: Experimentieranleitung Weißlichtinterferometer 8

9 Fourier-Transformations-Spektroskopie GaAs-Diodenlaser Quelle: Spindler&Hoyer: Experimentieranleitung Weißlichtinterferometer 9

10 Optische Kohärenztomographie (TD) Prinzip: Weißlichtinterferometer Fokussierung auf Objekt Räumliche Kohärenz Keine örtliche Auflösung 1D/2D Scan 2D/3D Bilder Anwendung Medizin (Auge!) 10

11 Optische Kohärenztomographie (FD) Prinzip: ~ Umkehrung FT-Spektroskopie Interferenz der spektralen Komponenten Vorteile Keine Verschiebung Schnell Schmalbandig (Rauschen <) Detektordynamik (Offset/Rauschen) Quelle: Wikipedia 11

12 Optische Kohärenztomographie (FD) Prinzip: ~ Umkehrung FT-Spektroskopie Interferenz der spektralen Komponenten Vorteile Keine Verschiebung Schnell Schmalbandig (Rauschen <) Detektordynamik (Offset/Rauschen) Quelle: Wikipedia 12

13 Particle Tracking Velocimetry Gepulster Laser, mit Optik auf Linie aufgeweitet Synchronisierte Aufnahme mit Kamera Verfolgung der Teilchenbewegung Geschwindigkeitsvektoren 13

14 Particle Image Velocimetry (PIV) Sehr viele Teilchen Tracking schwierig/unmöglich! Ausnutzung der statistischen Strukturen der Teilchen Vergleich von Teilbildern bei 1./2. Laserpuls Verschiebung aus 2D Kreuzkorrelation 14

15 Particle Image Velocimetry (PIV) Out of plane Komponente: Aufnahme mit zwei Kameras Kombination der Ergebnisse Displacement seen from left Displacement seen from right True displacement Focal plane = Centre of light sheet Typisches Ergebnis: Left camera Right camera (Flüssigkeitsströmung; Farbkodierung: Konzentration) 15

16 Phase Doppler Anemometry (PDA) Particle Dynamics Analysis bzw. Phase Doppler Anemometry Prinzip: LDA, mehrere Detektoren Streuung des Lichts: Detektoren empfangen unterschiedliche Phasen Phasenshift = f(teilchengröße) Mehrere Detektoren: vermeidet Mehrdeutigkeiten 16

17 Laser-Doppler-Vibrometer Messung der Dopplerverschiebung durch Bewegung des Objekts (in Laserrichtung, out-of-plane ) Auswertung: Schwebung Homodyn (eine Frequenz) Vorzeichen? Heterodyn Bragg-Zelle Richtung erkennbar 17

18 Laser-Doppler-Vibrometer In-plane sensitive Anordnung: LDA-Anordnung 3D-Vibrometer 18

19 Laser-Vibrometer Mögliche Messungen 19

20 Scanning Laser-Vibrometer Ablenkung des Strahls Abtastung der Objektoberfläche Einfach für out-of-plane LDV (nur eine Strahlrichtung) Bei mehreren Strahlrichtungen Vermessung der Geometrie nötig (oder: bekannte Geometrie) Typisch: beweglicher LDV-Kopf Quelle: Polytec 20

21 Speckle-Messtechnik Speckle-Muster Kohärente Beleuchtung Oberflächen-Rauigkeit Phasenverschiebungen Interferenz Muster = f(oberfläche) objektive Speckles subjektive Speckles 21

22 Speckle-Messtechnik Messgrößen Form (Dimension der Strukturen) Lage, Lageänderung (Verschiebung, Rotation) Deformation (Dehnung, Stauchung) Rauheit Vorteile Eingeprägtes Muster ohne Materialschwächung Kontaktlose Methoden Auswertung Beobachtung der Interferenz von ursprünglichem/verändertem Muster Vergleich von Bildern vor/nach einer Veränderung (typ. korrelativ) Auswertung statistischer Parameter der Speckles 22

23 Überblick Speckle-Verfahren Interferometrische Verfahren Elektronische Speckle-Interferometrie (ESPI) Speckle Shearing Interferometry Holografische Interferometrie Digitale Holografie + Sehr genau + Hohe Auflösung Störanfällig Korrelative Verfahren Laser Speckle Korrelation (LSK) Defokussierte Speckle Korrelation Direkte Speckle Korrelation + Einfach + Robust Geringere Auflösung 23

24 Out-of-plane Speckle-Interferometer Subjektive Speckles Auswertung Aufnahme Specklemuster vorher Aufnahme Specklemuster nachher Differenzbildung Auswertung der Streifen Verschiebungsfeld Messbereich: Fokusbereich Optik bzw. Kohärenzlänge 24

25 In-plane Speckle-Interferometer Beleuchtung aus zwei Richtungen (kohärent) Verschiebung in Winkelsymmetrale ändert (rel.) Phasenlage nicht Auswertung analog zu out-of-plane Anordnung 25

26 Laser-Speckle-Korrelation Abbildung subjektiver Speckles Speckle-Fotografie Kreuzkorrelation der Bilder Verschiebung/Dehnung über ges. Fläche Zu berücksichtigen Vergrößerung der Abbildung Out-of-plane Verschiebung Messfehler 26

27 Anwendung: Dehnungsmessung Beleuchtung von zwei Bereichen, Abstand L 0 Beobachtung mit Optik Kreuzkorrelation der Spot-Bereiche vorher/nachher Verschiebungen Mit L 0 Dehnung Berücksichtigung der Dehnungsrichtung: 4f-Anordnung / Fourierfilterung Quelle: Thurner et.al., tm 2/2003, pp

28 Direkte Speckle-Korrelation Verwendet objektive Speckles (keine Optik) Specklefeld ändert sich je nach Beobachtungspunkt Beobachtung aus zwei Richtungen Quelle: Thurner et.al., tm 2/2003, pp