Einsatz einer Smart-Pixel Lock-In Kamera für die Interferometrische Schwingungsmessung

Die Seitenband-Interferometrie erlaubt die Untersuchung harmonischer Schwingungen im Megahertz-Bereich mit Amplituden von wenigen Pikometern und erzielt dabei schnelle Ergebnisse mit hoher Ortsauflösung (Megapixel). Die Information über die Objektschwingung ist im Seitenband-Frequenzspektrum des Lichts codiert, welches vom Messobjekt reflektiert und durch dessen Schwingung phasenmoduliert wird. Die relative Leistung des ersten Seitenbandes beträgt selbst bei 1 nm Schwingungsamplitude nur rund 0,01 %. Um den daraus resultierenden geringen Interferenzkontrast dennoch detektieren zu können, wird durch Frequenzverschiebung des Referenzarms eine niederfrequente Schwebung erzeugt, die als Bilderstapel aufgenommen und in der Nachverarbeitung schmalbandig gefiltert wird (Lock-In-Prinzip). Durch den hohen Gleichanteil und die geringe, das Nutzsignal tragende Modulation wird der Dynamikbereich des Kamerasensors (Full-Well-Capacity und Bittiefe der Analog-Digital-Wandler) nicht effizient ausgenutzt. Die Auswirkungen von Schrot- und Quantisierungsrauschen begrenzen die Messgenauigkeit. Die Verwendung einer Smart-Pixel-Kamera verspricht, die Auswirkungen der beschriebenen Effekte zu verringern. Das Nutzsignal wird hierbei in jedem Pixel durch analoge Lock-In-Technik vor der Analog-Digital-Wandlung elektronisch vom Gleichanteil und weiteren, nicht zum Signal beitragenden Frequenzanteilen bereinigt. Dadurch steht der Dynamikbereich ausschließlich für das Nutzsignal zur Verfügung. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird günstig beeinflusst. Die vorverlagerte Verarbeitung reduziert außerdem den Rechenaufwand und damit die Messdauer. Die mit der Smart-Pixel-Kamera erzielten Ergebnisse werden denen einer konventionellen Ka-mera gegenübergestellt.