Da ein kollimierter Strahl immer fokussiert ist, kann ich nicht einfach einen kollimierten Strahl über die unterschiedlichen Entfernungen aussenden, wenn sich das Zielobjekt bewegt?

Ich entwerfe ein Interferometer für ein Experiment. Der Aufbau besteht aus (1) der Laserquelle, (2) dem Interferometer selbst (bestehend aus optischen Komponenten und Fotodetektor(en)) und (3) dem Zielobjekt. Sobald die Laserquelle in den Interferometeraufbau emittiert, trifft sie zunächst auf einen räumlichen Filter. Dieses räumliche Filter wandelt den schnell divergierenden Strahl der Laserdiode mit geringer Qualität in einen kollimierten Strahl mit hoher Qualität um. Sobald der Strahl das Raumfilter verlässt, tritt er in einen Strahlteiler ein. Dieser Strahlteiler ermöglicht es, dass ein Teil des Strahls auf das Ziel emittiert wird und ein Teil des Strahls tiefer in den Interferometeraufbau eindringt. Das Interferometer hängt dann von Licht ab, das von dem Zielobjekt in das Interferometer zurückreflektiert wird.

  1. Am Zielobjekt ausgestrahltes Licht:

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  1. Licht, das vom Zielobjekt zurück in das Interferometer reflektiert wird:

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Ich habe Interferometeraufbauten gesehen, die eine asphärische Linse an der Öffnung des Interferometersystems haben. Die asphärische Linse scheint so orientiert zu sein, dass das Licht, das das Interferometer verlässt (von ihm emittiert wird), fokussiert wird und das Licht, das in das Interferometer eintritt (in dieses zurückreflektiert wird), kollimiert wird. Dies wird in diesen Diagrammen veranschaulicht:

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(Von https://en.wikipedia.org/wiki/Interferometry#Biology_and_medicine )

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(Von https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ay/c9ay00369j/unauth )

  1. Licht, das auf das Zielobjekt emittiert wird (jetzt einschließlich einer asphärischen Linse):

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  1. Licht, das vom Zielobjekt zurück in das Interferometer reflektiert wird (jetzt mit einer asphärischen Linse):

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Das Problem ist jedoch, dass mein Zielobjektabstand von der Blende des Interferometers zum Zielobjekt zwischen 10 und 100 cm variiert . Dies bedeutet, dass, wenn die Optik an der Apertur des Interferometers dem emittierten Strahl einen festen Fokus gibt, wie es eine asphärische Linse tun würde, der Strahl unscharf wäre, wenn er auf das Zielobjekt auftrifft. Und das würde die Leistung meines Interferometers verringern. Daher möchte ich keine Optik an der Blende des Interferometers, die zu einem festen Fokus führt (z. B. eine asphärische Linse), da dies den Strahl für ein Ziel mit unterschiedlicher Entfernung nicht richtig fokussieren würde.

Aber ich hatte eine Idee, um das zu umgehen. Da ich einen räumlichen Filter mit asphärischen Linsen verwende (siehe Folien 13/14 hier) unmittelbar nach der Laserquelle, um den Strahl zu kollimieren und in einen qualitativ hochwertigen Zustand zu bringen, und da ein kollimierter Strahl, wie ich es verstehe, immer fokussiert ist, kann ich den kollimierten Strahl nicht einfach über das Variieren emittieren Entfernungen, wenn sich das Zielobjekt bewegt (wie in den ersten beiden Diagrammen gezeigt), anstatt die Optik mit festem Fokus (die asphärische Linse) an der Apertur des Interferometers zu haben (wie in den letzten beiden Diagrammen gezeigt)? Es scheint mir so, solange der Strahl relativ gut kollimiert ist (was vom räumlichen Filter stammen sollte) und solange der Abstand nicht zu groß ist (was bei 10-100 cm nicht der Fall sein sollte sein), würde dies bedeuten, dass der Strahl beim Auftreffen auf das Zielobjekt relativ gut fokussiert ist.

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Beachten Sie, dass Ihr erstes Beispiel von einem OCT-System stammt und eine nicht kohärente Quelle verwendet. Wenn Ihre Reichweite 10 cm bis 100 cm beträgt, sind Sie mit einem 3D-Bildgebungssystem mit 2 Kameras möglicherweise besser dran. Das OCT-System ist nicht einfach. es erfordert Fourier-Transformationen der Detektordaten.
@PhysicsDave, was meinst du mit einem "2-Kamera-3D-Bildgebungssystem"? Ich mache kein OCT – es war nur ein Beispieldiagramm.
googeln Sie einfach "2-Kamera-3D-Scanner" ... sein großes Geschäft für die 3D-Druckerindustrie. Sie sind neu bei Kameras und Sensoren und Spektrometern und Interferometern und Flugzeitsystemen und 3D-Scannern und all den anderen wunderbaren optischen Systemen ... es ist eine echte Mischtüte, bei der jedes System sorgfältig auf die Anwendung zugeschnitten und jedes System sehr begrenzt ist zu seiner Anwendung.
@PhysicsDave Hmm, aber was hat das mit meiner Frage zu tun?
"Das Problem ist jedoch, dass mein Zielobjektabstand zwischen 10 und 100 cm variiert", ich nehme an, Ihr Objekt variiert in der Größe um 90 cm? Das klingt nach einer Gelegenheit für einen 3D-Scanner, nicht nach einer für ein Interferometer.
@PhysicsDave Ich werde genauer sein: Das Objekt selbst ist stationär, aber seine Struktur ist ungleichmäßig, sodass einige Punkte in der Nähe des Interferometers liegen (10 cm) und andere weiter entfernt sind (100 cm). Aber diese Anwendung erfordert Interferometrie zum Zwecke der Strukturprüfung, daher verstehe ich nicht, woher die Kameras kommen.
OK, also wird sich die Struktur leicht verformen, wie Mikrometer, und Sie möchten das erkennen? Und Sie möchten viele Punkte auf der Struktur scannen?
@PhysicsDave Ja, das stimmt, aber ich möchte jeweils nur einen Punkt scannen. Es ist ein typisches interferometrisches Strukturtestexperiment – ​​die sogenannte Vibrometrie.
@PhysicsDave Der Punkt ist also, dass, wenn ich eine asphärische Linse an der Blende des Interferometers hätte, der Fokus fest wäre (basierend auf der Brennweite der Linse), was bedeutet, dass, wenn ich auf verschiedene Punkte auf dem Objekt ziele, Der Punkt, auf den ich ziele, ist schnell nicht mehr im Fokus. Andererseits wird eine asphärische Linse an der Öffnung des Interferometers meines Wissens dazu führen, dass das vom Objekt reflektierte Licht (aufgrund seiner bikonvexen Geometrie) beim Eintritt in das Interferometer kollimiert wird, aber ich bin es nicht sicher, wie notwendig/vorteilhaft das ist. [...]
[...] Das führt also zu meiner Frage, ob ich auf die asphärische Linse an der Apertur des Interferometers einfach verzichten und nur den kollimierten Strahl aus dem Strahlteiler aussenden kann. Mein Verständnis ist, dass ein kollimierter Strahl immer fokussiert ist, also frage ich mich, obwohl ich ihn nicht auf eine kleine Punktgröße auf der Oberfläche des Objekts fokussieren kann, ob es noch in Ordnung sein könnte (obwohl ich, wie gesagt, ich denke, ich verliere den Vorteil, dass das reflektierte Licht vom Zielobjekt kollimiert wird, wenn es in das Interferometer eintritt); und darum drehen sich meine Fragen.
IMO - Was Sie versuchen, ist Oberflächeninterferometrie (?) Und es gibt viele teure Systeme, die dies tun. Ein DYI-System sollte möglich sein, aber immer noch nicht einfach.
@PhysicsDave Ja, es ist nur ein Interferometer. Siehe dazu en.wikipedia.org/wiki/Laser_Doppler_vibrometer
nist.gov/image/interferometer-compositejpg Dies ist ein Beispiel für ein einfaches Interferometer ... ohne Linsen. Wenn Sie einen 1-um-Laser verwenden und Ihr Objekt sich um 100 um verschiebt, müssen Sie in der Lage sein, die Daten zu verarbeiten, um zu zählen, wie oft sich die Interferenz wiederholt hat ... deshalb sind die Systeme teuer.
Die Verbindung ist Laser-Doppler ... also gibt es Geschwindigkeit und nicht nur Verschiebung? Ist das was du brauchst?
@PhysicsDave Ja, das ist mir alles bewusst, aber das ist getrennt von meiner spezifischen Frage hier.
@ThePointer Ich habe meine Antwort gelöscht, weil mir jetzt klar ist, dass dies eher eine "Designüberprüfung" als eine einzelne Physics SE-Frage zur Optik ist. Ich würde empfehlen, dass Sie alle anderen Bilder löschen und stattdessen nur ein einfaches Diagramm zeichnen, das genau zeigt, was für Ihre Frage erforderlich ist. Danke!
@uhoh das werde ich machen. Danke!
Hallo @ohoh. Ich habe meine Frage bearbeitet und Verbesserungen vorgenommen, einschließlich Verbesserungen an den Diagrammen. Der letzte Absatz enthält meine Frage.
Wo ist der Detektor in Ihrem Setup? Ich sehe es nicht. Und was ist das für ein Detektor?
Ich denke, Ihre Frage könnte schlecht definiert sein. Ich kann nicht verstehen, was Sie zu tun versuchen. Sie erwähnen Vibrometrie, davon habe ich noch nie gehört, aber 60 Sekunden Google-Recherche deuten darauf hin, dass Ihr Setup der Aufgabe nicht gewachsen ist. aber ich kann mich irren.
@garyp Der Detektor ist für diese Frage irrelevant. Ich versuche nicht, unhöflich zu sein (ich erinnere mich, dass Sie in der Vergangenheit bei der Beantwortung einiger meiner Fragen hilfreich waren, und Sie sind definitiv sehr sachkundig (viel sachkundiger als ich), wenn es um Optik/Photonik geht). aber angesichts dessen, was Sie hier gesagt haben, scheint mir, dass dies außerhalb Ihres Wissensbereichs liegen könnte.
Nun, in meinen über 40 Jahren als Physiker in der Optik habe ich eine Handvoll Interferometer (einschließlich eines OCT-Systems) verwendet und gebaut. Ich glaube, ich verstehe einfach nicht, was du vorhast,
@garyp In diesem Fall muss ich es sein. Es ist schwierig, einen Kommentar im Internet so zu formulieren, dass er nicht unhöflich klingt (egal wie ich ihn lese, es klingt arrogant und unhöflich), also entschuldige ich mich dafür. Ich werde versuchen zu klären.
@garyp Wie Sie sagten, ist dies ein Vibrometrie-Experiment. Das "Zielobjekt" ist eine Struktur, wie z. B. eine Betonwand/-platte, eine Statue, ein Artefakt usw. In einer solchen Situation möchten wir Interferometrie (Vibrometrie) an verschiedenen Punkten der Struktur durchführen. Aber wir können das Zielobjekt nicht bewegen, und wir können uns auch nicht ständig um das Interferometer selbst bewegen, damit der Strahl immer im Auftreffpunkt auf das Zielobjekt fokussiert ist (Festfokus vorausgesetzt). [...]
[...] Wenn wir also den Interferometerstrahl über die Struktur scannen (z. B. durch Scannen von Punkten, die höher sind als das Niveau, auf dem sich das Interferometergerät befindet), wird der Abstand zwischen dem Interferometer und dem Zielobjekt (an dem Punkt, an dem unser Strahl einfällt ) ändert sich tatsächlich (in diesem Beispiel nimmt zu). Dies führt zu dem Problem, das ich in meiner Frage erwähnt habe: Der Bau eines Interferometers mit festem Fokus bedeutet, dass unser einfallender emittierter Strahl am Objekt unscharf ist. Und das führt dann zu meiner Frage im letzten Absatz. Klärt das die Sache auf?

Antworten (1)

Wenn ich Ihre Frage verstehe, könnten Sie einfach einen kollimierten Strahl verwenden, der aus dem Interferometer austritt. Sie geben jedoch nicht klar an, was die "Öffnung" des Interferometers ist. Ich nehme an, Sie meinen den Arm, der den Strahlteilerwürfel um 3 Uhr verlässt, dies wird allgemein als "Testarm" bezeichnet. Wenn Sie jedoch einen kollimierten Strahl verwenden, gibt es viele Probleme, die das Interferometer daran hindern können, das zu tun, was Sie wollen. Wenn der Zielbereich, auf den der Prüfarmstrahl trifft, mehrere Bereiche aufweist, die sich in der Höhe um mehrere Wellenlängen unterscheiden, besteht das Signal zurück zum Interferometer nicht nur aus einer, sondern aus mehreren Wellenfronten. Diese mehreren Wellenfronten können (dh werden wahrscheinlich) konstruktiv oder destruktiv interferieren. Dies bedeutet, dass Sie ein gemischtes Ergebnis für das Störsignal erhalten.

Wenn der Zielbereich, auf den der Prüfarmstrahl trifft, mehrere Bereiche aufweist, die sich im Winkel unterscheiden, werden die Rückstrahlen beim Zurückgehen zum Interferometer winkelmäßig gestreut. Sie schaffen es möglicherweise nicht durch das Interferometer oder treffen den Detektor nicht.

Wenn Ihre Quelle eine sehr geringe zeitliche Kohärenz hat, müssen Sie den Referenzarm in z bewegen, um die Interferenz zwischen dem Test- und dem Referenzarm aufrechtzuerhalten. Dies ist, was die meisten OCT-Setups tun. Im Allgemeinen ist jedes interferometrische Messgerät (ob OCT oder nicht) ein Kompromiss zwischen Auflösung und Reichweite. Ich würde empfehlen, in der Literatur nachzusehen, wie Leute Systeme konfiguriert haben, die die gewünschte Reichweite gemessen haben.

Danke für die Antwort. Ich habe die "Öffnung des Interferometers" als Loch/Lücke/Öffnung (bei 6 Uhr) klassifiziert, durch die der Strahl austritt, um das Zielobjekt zu treffen, und dann wieder durchtritt. Entschuldigen Sie die Verwirrung. Ändert das Ihre Antwort?
Und um es klar zu sagen, der "Testarm" (der Teil des Strahls, der den Strahlteiler um 3 Uhr verlässt) geht tiefer in das Interferometer und trifft nur auf optische Elemente und Fotodetektoren, sodass diese Oberflächen einheitlich sind. Allerdings wäre die Zielfläche nicht ganz gleichförmig, was die Höhenunterschiede um mehrere Wellenlängen betrifft – sie ist beispielsweise kein Spiegel. [...]
[...] Trotzdem werden Interferometer häufig für die Fernprüfung von ungleichmäßigen Materialien / Strukturen verwendet, z. B. bei zerstörungsfreien Prüfungen, bei denen etwas wie Beton nach unserem Maß für unterschiedliche Höhen sehr ungleichmäßig wäre um mehrere Wellenlängen, daher bin ich mir nicht sicher, wie groß das Hindernis in der Praxis wäre.
Ihre Nomenklatur ist mir immer noch nicht klar. Betrachten Sie den Strahlteiler als Zentrum des Interferometers. Der 12-Uhr-Ausgang ist der Referenzarm. Die 3 Uhr ist der Testarm. Die 6-Uhr-Richtung vom Strahlteiler ist der Detektorarm.
Ein Vibrometer (Laserinterferometer zur Schwingungsmessung) wie die Polytec OFV-Serie fokussiert das Licht auf einen Punkt. So hat das Mittelklasse-Gerät beispielsweise einen 25-Mikrometer-Spot bei einem Arbeitsabstand von 200 mm. Das Datenblatt sagt es nicht explizit, aber ich vermute, dass das System für eine bestimmte Punktgröße nur eine festgelegte Oberflächenrauheit tolerieren kann.
Ja, der Detektorarm (der 6-Uhr-Strahl) ist derjenige, den ich so klassifiziere, dass er die "Öffnung des Interferometers" verlässt - die Öffnung ist die Öffnung / Lücke.
Welche Figur meinst du? In den Zeichnungen, die das OP gemacht hat, ist die 3-Uhr-Position der Referenzarm.
@garyp Ja, nachdem ich einige Notizen überprüft habe, ist mein Verständnis, dass der Referenzarm der optische Weg ist, den das Licht nach der Hauptteilungsfläche nimmt, bis es mit dem Licht vom Messarm interferiert, während der Messarm der optische Weg von ist Licht nach der Hauptteilungsfläche, das zum und vom Messziel wandert, bevor es mit dem Licht vom Referenzarm interferiert, so dass der Strahl bei 3 Uhr der Referenzarm wäre.
Da ein kollimierter Strahl immer fokussiert ist, kann ich nicht einfach einen kollimierten Strahl über die unterschiedlichen Entfernungen aussenden, wenn sich das Zielobjekt bewegt?
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