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
Intensitätsverlauf: Monochromatisches Licht Zusammenhang Bandbreite Kohärenzlänge Ausgangspunkt: monochromatisches Licht I(λ) I(x) λ 1 λ x=2s 2
Intensitätsverlauf: Zwei diskrete Frequenzen Zwei diskrete Wellenlängen I(λ) I 1,2 (x) λ 1, λ 2 λ x=2s 3
Intensitätsverlauf: Zwei diskrete Frequenzen I(λ) I(x) λ x=2s λ 1, λ 2 4
Intensitätsverlauf: Viele diskrete Frequenzen I i (x) I(λ) λ i λ I(x) x=2s λ i = 400 600 nm, Abstand 5 nm x=2s 5
Intensitätsverlauf: Beliebiges Quellspektrum Berechnung aus Summation monochromatischer Quellen Bzw. mit : Übergang diskret kontinuierlich: Fourier-Transformation! Spektrale Verteilung Intensitätsverlauf 6
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
Fourier-Transformations-Spektroskopie Doppellinie endlicher Breite Leuchtdiode Quelle: Spindler&Hoyer: Experimentieranleitung Weißlichtinterferometer 8
Fourier-Transformations-Spektroskopie GaAs-Diodenlaser Quelle: Spindler&Hoyer: Experimentieranleitung Weißlichtinterferometer 9
Optische Kohärenztomographie (TD) Prinzip: Weißlichtinterferometer Fokussierung auf Objekt Räumliche Kohärenz Keine örtliche Auflösung 1D/2D Scan 2D/3D Bilder Anwendung Medizin (Auge!) 10
Optische Kohärenztomographie (FD) Prinzip: ~ Umkehrung FT-Spektroskopie Interferenz der spektralen Komponenten Vorteile Keine Verschiebung Schnell Schmalbandig (Rauschen <) Detektordynamik (Offset/Rauschen) Quelle: Wikipedia 11
Optische Kohärenztomographie (FD) Prinzip: ~ Umkehrung FT-Spektroskopie Interferenz der spektralen Komponenten Vorteile Keine Verschiebung Schnell Schmalbandig (Rauschen <) Detektordynamik (Offset/Rauschen) Quelle: Wikipedia 12
Particle Tracking Velocimetry Gepulster Laser, mit Optik auf Linie aufgeweitet Synchronisierte Aufnahme mit Kamera Verfolgung der Teilchenbewegung Geschwindigkeitsvektoren 13
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
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
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
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
Laser-Doppler-Vibrometer In-plane sensitive Anordnung: LDA-Anordnung 3D-Vibrometer 18
Laser-Vibrometer Mögliche Messungen 19
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
Speckle-Messtechnik Speckle-Muster Kohärente Beleuchtung Oberflächen-Rauigkeit Phasenverschiebungen Interferenz Muster = f(oberfläche) objektive Speckles subjektive Speckles 21
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
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
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
In-plane Speckle-Interferometer Beleuchtung aus zwei Richtungen (kohärent) Verschiebung in Winkelsymmetrale ändert (rel.) Phasenlage nicht Auswertung analog zu out-of-plane Anordnung 25
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
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.71-78 27
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.71-78 28