Heterodynphasenschieben

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Das Phasenschiebeverfahren ist ein Messverfahren, das in der Optik (Interferometrie, Streifenprojektion) und Elektronik verwendet wird, um die Phasenlage eines modulierten Signals durch punktweise Intensitätsmessungen zu bestimmen.

Prinzip

Die Phasenlage des Signals wird mindestens zweimal um einen bekannten Wert (räumlich oder zeitlich) verschoben, während an einem Punkt die Intensität gemessen wird. Aus drei oder mehr Messwerten kann die Phasenlage berechnet werden.

Beispiel

Beispiel zum Phasenschieben mit vier Stufen und pi/2 Phasenwinkel.

Bei einer idealen Anordnung genügen die gemessenen Intensitätswerte p_i für die Phasenposition i der folgenden Formel:

$p_i = O + A\cdot\sin (\varphi+i\Delta\varphi)$

Dabei ist O der Intensitätsoffset, A die Amplitude des Signals, $\varphi$ der gesuchte Phasenwert und Δφ die Phasenverschiebung je Stufe.

Für ein Phaseschiebeverfahren mit vier Stufen und Δφ = π / 2 lautet die Berechnungsformel für die Phase:

$\cot\varphi = \frac{p_3-p_1}{p_2-p_0}$

Eindeutigkeit

Die Phasenmessung ist bei Verwendung von einer Wellenlänge nur innerhalb einer Periode eindeutig. Für eine absolute Phasenmessung eignet sich das Heterodynphasenschieben (s. auch Heterodynempfänger) das mit mehreren Wellenlängen arbeitet. Der Eindeutigkeitsbereich entspricht dann der Wellenlänge der Schwebung.

Technische Umsetzung

Die Umsetzung erfolgt in den verschiedenen Anwendungsbereichen mit unterschiedlichen Techniken. Grundsätzlich kann die Messung integrierend während des Schiebens (engl. phase shifting) oder in Ruhe bei konstanter Phasenverschiebung (engl. phase stepping) erfolgen. Die Auswertung unterscheidet sich dabei nur unwesentlich.

Interferometrie

In der Interferometrie erzeugt man die Phasenverschiebung durch verschieben der Referenzwelle gegenüber der Objektwelle.

Streifenprojektion

Bei der Streifenprojektion wird entweder das Dia im Projektor oder ein Element im Abbildungsstrahlengang verschoben oder bei programmierbaren Systemen wie DMD-Projektoren (Digital Micromirror Device) ein entsprechend verschobenes Bild projiziert.

Literatur

• P. Carré, Installation et utilisation du comparateur photoélectrique et interférentiel du bureau international des poids et mesures. Metrologica 2(1), S. 13–23, 1966
• K. Creath, Comparison of phase-measurement algorithms. Surface characterization and testing 680, S. 19–28, 1986
• G. Wiora, Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren. Dissertation, 2001 Universitätsbibliothek Heidelberg [1]. Kap. 4.3, S. 67 ff.