DE102014208630B3 - Anordnung für die gleichzeitige Positions- und Geschwindigkeitsmessung schnell bewegter rauer Oberflächen mit Multimodefasern und diffraktiver Optik - Google Patents

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung zur simultanen Positions- und Geschwindigkeitsmessung von technischen Oberflächen oder Partikeln in Strömungen mittels eines phasenauswertenden Laser-Doppler-Distanzsensors. Der Laser-Doppler-Distanzsensor weist eine Lichtquelle geringer Kohärenz auf. Der Messkopf erzeugt mittels diffraktiver optischer Elemente im vorgesehenen Messvolumen zwei gegeneinander verkippte Interferenzstreifenmuster, wobei der laterale Abstand der Interferenzstreifen sich entlang der Messachse ändert. Die Geschwindigkeit des Messobjektes wird bestimmt, indem das gestreute Licht der Interferenzstreifenmuster getrennt aus zwei verschiedenen Richtungen detektiert, die Frequenz des amplitudenmodulierten Streulichtsignals ermittelt und mit dem Interferenzstreifenabstand multipliziert wird. Die Position des Messobjektes wird ermittelt, indem der Phasenversatz der amplitudenmodulierten Streulichtsignale bestimmt wird.

Description

• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die gleichzeitige optische Messung der Geschwindigkeit und Position von technischen Oberflächen oder Partikeln in Strömungen. Genutzt wird dies unter anderem zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens neuartiger Turbinen oder zur Überwachung der Fertigung von rotierenden Objekten. Zentrale Anforderung bei derartigen Messungen ist es sowohl eine hohe Messrate als auch eine geringe Messunsicherheit zu gewährleisten.
• Für die Formmessung von z. B. Drehteilen und rotierenden rotationsasymmetrischen Objekten, wie Nockenwellen, werden zumeist taktile Verfahren eingesetzt. Diese lassen sich jedoch nicht direkt in den Fertigungsprozess integrieren, so dass Drehteile nach ihrer Bearbeitung in eine andere Maschine zur Vermessung eingespannt werden müssen. Dies ist zeitaufwendig und kann zu Problem der Positioniergenauigkeit beim Umspannen führen.
• Optische Messverfahren hingegen sind nicht invasiv und lassen sich daher grundsätzlich direkt im Prozess einsetzen. Jedoch bieten herkömmliche optische Verfahren lediglich eine Positionsmessung, wodurch eine Formmessung auf Grund von Vibrationen, Lagerspiel, Taumelbewegungen und ähnlichem nur unzureichend genau ermöglicht wird. Schattenwurfverfahren, die direkt den Durchmesser eines Werkstücks bestimmen, sind auf Werkstücke mit wenigen 10 mm Durchmesser beschränkt und ermöglichen keine Messung an konkaven Oberflächen.
• Die meisten Positionsmesssyteme sind kamerabasiert und daher in ihrer Messrate auf wenige zehn kHz beschränkt. Zudem sind die aktiven Messköpfe anfällig für elektromagnetische Störungen. Neben der fehlenden Geschwindigkeitsmessung sind sie aus diesen Gründen ungeeignet für die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von neuartigen Rotoren.
• Der Einsatz phasenauswertender Laser-Doppler-Distanzsensoren ermöglicht im Gegensatz zu konventionellen Messverfahren die gleichzeitige Positions- und Geschwindigkeitsmessung. Durch den Einsatz von Einzeldetektoren können wesentlich höhere Messraten als mit kamerabasierten Einpunktmesssystemen erreicht werden. Allerdings sind die Kosten für bisherige Realisierungen des Messprinzips gegenüber konventionellen Positionsmessverfahren deutlich zu hoch. Zudem ist der Messkopf auf Grund des interferometrischen Messprinzips sensibel gegenüber thermischen Drifts und Vibrationen. Außerdem ermöglicht das Messprinzip bisher nur eine Einpunktmessung, so dass bei einem drehenden Objekt lediglich die 2-D Form direkt gemessen werden kann. Um die dreidimensionale Form zu erhalten, ist eine Traversierung des Messkopfes, bzw. des Messobjektes notwendig. Dies verursacht zusätzliche Kosten und ist zeitaufwändig.
• Der Stand der Technik kennt eine Reihe von optischen Verfahren, die meist auf Doppler-Messungen beruhen. An erster Stelle ist hier die Laser-Doppler-Anemometrie zu nennen.
• Hierbei wird ein Laserstrahl mit einem Strahlteiler in zwei kohärente Teilstrahlen aufgespalten. Diese werden nach Durchlaufen einer Optik unter einem definierten Winkel zur Überschneidung gebracht. Im Schnittbereich der Strahlen bildet sich ein Interferenzmuster aus, das aus abwechselnden hellen und dunklen Flächen besteht, wobei die Ebenen senkrecht zu der von den Teilstrahlen aufgespannten Ebene und parallel zur optischen Achse verlaufen. Ausgehend von einer Schnittdarstellung spricht man vereinfachend von Interferenzstreifen mit einem charakteristischen Streifenabstand d. Bewegt sich nun ein Messobjekt, z. B. ein von einer Strömung mitgeführtes Streuteilchen, durch dieses Streifensystem, so streut es Licht an den Flächen konstruktiver Interferenz. Dadurch ist das ausgesendete Streulicht mit einer bestimmten Frequenz, der Doppler-Frequenz f_D, amplitudenmoduliert. Durch elektrooptische Detektion mit einem Photoempfänger kann dieses Streulicht registriert und mittels eines geeigneten Signalverarbeitungsalgorithmus´ die Dopplerfrequenz f_D bestimmt werden.
• Die Geschwindigkeit des Meßobjektes (genauer: die Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur optischen Achse) kann dann aus folgendem Zusammenhang berechnet werden: v = f_D·d (1) wobei f_D die gemessene Dopplerfrequenz und d der (in guter Näherung als konstant betrachtete) Abstand der Interferenzstreifen ist.
• Die Geschwindigkeitsmessung ist demnach in dem Bereich möglich, in dem Interferenz zwischen den beiden Strahlen auftritt, d. h. in dem Bereich, in dem sich beide Strahlen überschneiden. Dieser Überschneidungsbereich wird daher als Meßvolumen bezeichnet und hat die Form eines Ellipsoids.
• Da mit dem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) jedoch keine Information über die Position des Streuobjektes innerhalb des Meßvolumens erhalten werden kann, wird es als (quasi-)punktförmig bezeichnet.
• Die Ortsauflösung dieser quasi-punktförmigen Messung wird durch die Ausdehnung des Interferenzstreifensystems, d. h. des Schnittvolumens der beiden Teilstrahlen, bestimmt. Sie beträgt im Stand der Technik etwa 0,1 × 0,1 × 1 mm³.
• Die Unsicherheit der Geschwindigkeit hängt von der Frequenzschätzung und von der Konstanz bzw. Variation des Streifenabstandes ab. Sie beträgt typischerweise ca. 0,5 %.
• Geschwindigkeitsprofile von Strömungen werden mit diesem punktförmigen Verfahren vermessen, indem unterschiedliche Punkte auf dem Geschwindigkeitsprofil angefahren und dort die lokalen Geschwindigkeiten bestimmt werden. Das Geschwindigkeitsprofil wird damit punktweise abgetastet. Dazu kommen üblicherweise motorisierte Präzisionsverstelltische zum Einsatz, die den Messkopf mechanisch traversieren.
• Bei konventionellen LDA bestimmt die Größe des Meßvolumens die Ortsauflösung, welches die Form eines Ellipsoids hat, dessen Querschnitt typischerweise im Bereich 100 µm × 1000 µm liegt.
• Weiterentwickelte Verfahren nutzen, wie ein konventionelles LDA, ein Interferenzstreifensystem. Es wird jedoch durch einen speziellen physikalischen Effekt die Nutzung von transversal multimodigem Licht aus Mehrmoden-Fasern möglich, was eine höhere Ortsauflösung bietet.
• Bei der Untersuchung von LDA mit Mehrmodenfasern (MM-LDA) für die Lichtzuführung, nun jedoch mit dem Ansatz, die Kohärenz gezielt zu verringern, wurde festgestellt, dass aufgrund der geringen Kohärenz der Multimode-Strahlung die Interferenz im Überschneidungsbereich der Teilstrahlen zum Teil unterdrückt wird.
• Für die aus einer Multimode-Faser austretende Strahlung treten folgende Verhältnisse auf:
• – Durch die fehlende Korrelation der in der Faser geführten Moden ist das Licht örtlich nur noch partiell kohärent und kann als aus verschiedenen Phasenzellen bestehend betrachtet werden [1], siehe 1.
• – Interferenz kann dann nur bei Licht auftreten, welches aus einer Phasenzelle stammt.
• – Im Überschneidungsbereich der LDA-Teilstrahlen überlagert sich jede Phasenzelle eines Teilstrahls mit einer Phasenzelle des anderen Teilstrahls.
• – In den äußeren Bereichen des Überschneidungsbereichs überlagen sich unterschiedliche Phasenzellen und aufgrund der fehlenden Kohärenz kommt es zu keiner Interferenz. Damit ist der Sensor hier für die Geschwindigkeitsmessung unempfindlich.
• – Im zentralen Teil des Schnittvolumens treffen hingegen identische Phasenzellen aufeinander und es kann sich ein Interferenzstreifensystem ausbilden. Somit ist hier eine Geschwindigkeitsmessung nach dem LDA-Prinzip möglich.
• Während beim konventionellen LDA also im gesamten Überschneidungsbereich das Interferenzstreifensystem entsteht, ist dieses beim MM-LDA nicht mehr der Fall. Hier sind das Schnittvolumen der Laserstrahlen und das Interferenzvolumen (=Messvolumen) nicht mehr identisch. Es muss folglich zwischen dem Überschneidungsbereich der Teilstrahlen und dem zentralen Bereich, in dem noch Interferenz entsteht, dem Messvolumen, unterschieden werden, (siehe 2). Eine entsprechende Anordnung ist in der DE 10 2011 106 229 B3 beschrieben.
• Partikel, die das Messvolumen durchqueren (Trajektorie A in 2), weisen dementsprechend einen hohen Interferenzkontrast (= Modulationsgrad des Burstsignals) auf. Partikel, die das Gebiet mit unterdrückter Interferenz durchqueren (Trajektorie B in 2), weisen einen verschwindenden Interferenzkontrast auf, das Signal besteht hauptsächlich aus einem Gleichanteil mit überlagertem Speckle-Rauschen, siehe dazu 3.
• Üblicherweise beträgt die Länge des Messvolumens nur noch ca. 1%...5% der Länge des Überschneidungsbereichs [1]. Mit diesem in axialer Richtung deutlich verkürzten Messvolumen geht folglich eine Erhöhung der Ortsauflösung einher. Dieses stellt einen deutlichen Vorteil hinsichtlich der Vermessung steiler Geschwindigkeitsgradienten und damit eine Verbesserung gegenüber dem konventionellen LDA dar. Der Streifenabstand besitzt zudem eine weitaus bessere Uniformität als bei konventionellen Singlemode-LDA [1], bei denen der Effekt der Streifenabstandsvariation die relative Unsicherheit der Geschwindigkeit auf ca. 0,1%...1% begrenzt. Beim MM-LDA kann eine relative Unsicherheit von < 5·10–4 erreicht werden [2]. Weiterhin besitzt das Multimode-LDA quer zur optischen Achse eine etwas größere Ausdehnung als im Fall von Singlemode-Strahlung. Da diese aber in Bewegungsrichtung liegt, ist das als Vorteil zu werten, da für die Geschwindigkeitsbestimmung nun mehr Interferenzstreifen, d. h. Signalperioden, zur Verfügung stehen. Damit bietet das MM-LDA eine wesentlich bessere Anpassung an die Messgröße „Geschwindigkeit“ als ein konventionelles LDA.
• Mit dem Laser Doppler Distanz Sensor mit Phasenauswertung (P-LDD Sensor) lassen sich laterale Geschwindigkeit vx und axiale Position z von Streuobjekten wie Einzelpartikeln oder technischen Oberflächen gleichzeitig, berührungslos und zeitaufgelöst messen. Im Gegensatz zum LDA erfolgt auch eine Positionsauflösung innerhalb des Messvolumens. Dabei ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung nahezu unabhängig von der Geschwindigkeit das Messverfahren auch bei mehreren 100 m/s noch ohne merklichen Qualitätsverlust einsetzbar.
• Zur Positionsbestimmung werden zwei physikalisch unterscheidbare Interferenzstreifensysteme mit gleichem Interferenzstreifenabstand d zueinander verkippt überlagert. Das Interferenzgebiet bildet das Messvolumen. d = λ/sinθ (2)
• Der Interferenzstreifenabstand leitet sich dabei aus dem Quotienten der Laserwellenlänge λ und dem halben Kreuzungswinkel der Laserstrahlen θ ab. Passiert ein Streuobjekt das Interferenzgebiet, so ist das gestreute Licht mit der Frequenz:

  

  moduliert (vgl. Gleichung 2), so dass sich die Geschwindigkeit des Objektes in x-Richtung aus der Modulations-, oder Dopplerfrequenz und dem Streifenabstand ermitteln lässt. Durch die gegenseitige Verkippung der Streifensysteme um den Winkel ψ erfahren die Interferenzstreifensysteme einen lateralen, von der z-Position abhängigen Versatz dx(z), so dass die Streulichtsignale um die Phase φ(z) = 2π dx(z) / d = z·2π tanΨ / d = z·s (4) zueinander verschoben sind. s beschreibt den Anstieg der Kalibrierfunktion φ(z), vgl. 4. Durch Auswertung des Phasenversatzes beider Signale, lässt sich die Position z bestimmen: z = s^–1·φ + z₀ (5)
• Die Bestimmung von Position und Geschwindigkeit beim P-LDD Sensor beruht unter anderem auf der Auswertung der Modulationsfrequenz des Streulichtes. Daher kann an ruhenden Streuobjekten mit dem Messverfahren nicht gemessen werden.
• Diese Einschränkung wurde 2010 von Pfister et al überwunden, der eine Erweiterung des P-LDD Sensors vorstellte [3], mit dem erstmals neben bewegten auch ruhende Objekte vermessen werden konnten. Dazu wurde die Heterodyn-Technik verwendet (PH-LDD Sensor), bei der mindestens je ein Teilstrahl z. B. mittels eines akusto-optischen Modulators (AOM) frequenzverschoben wird. Dies führt zu sich in x-Richtung bewegenden Streifensystemen, so dass sich das ruhende Streuobjekt wieder relativ zum Interferenzstreifensystem bewegt. Die Modulationsfrequenz des Streulichtes ergibt sich mit der Modulationsfrequenz des AOM dann zu:

  
• Bereits 2009 wurde von Günther et al [7] die Möglichkeit beschrieben durch eine möglichst große Verkippung der Streifensysteme gegeneinander die Messunsicherheit bezüglich der Position zu reduzieren (vgl. Gl. 3). Da die Kalibrierfunktion nur im Bereich von –π bis π definiert ist, verkürzt sich dadurch der die Länge des Eindeutigkeitsbereichs lu des Messsystems (vgl. 1). Problematisch wird dies, wenn der Eindeutigkeitsbereich lu kürzer als die Messvolumenlänge lz wird, da der gemessene Phasenwert nicht mehr nur einer Position zugeordnet werden kann, siehe 7, ϕ2(z). Dies wurde von Günther et al 2011 [4] durch die Erweiterung des Systems um ein drittes Streifensystems gelöst (vgl. 7).
• Günther et al stellten 2012 [5] eine verbesserten P-LDD Sensor vor, mit dem sich die Positionsmessunsicherheit bei der Messung an optisch rauen Oberflächen um bis zu eine Größenordnung reduzieren lässt.
• Bei der Streuung von kohärentem Licht an technischen Oberflächen ist der Speckle-Effekt zu berücksichtigen. Auf Grund des Speckle-Effektes ist die Form der Streulichtsignale unter anderem von der verwendeten Wellenlängen und den Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln abhängig. Für eine präzise Bestimmung der Position ist ein starker Anstieg der Kalibrierfunktion und damit eine große Verkippung der Streifensysteme gegeneinander nötig. Dies führt auf Grund des Speckle-Effektes jedoch zu einer Reduktion der Signalähnlichkeit (beschrieben über den Korrelationskoeffizienten) und letztlich zu einer Verschlechterung der Phasenschätzung (vgl. 8 links und rechts).
• Somit konnte aufgrund des Speckle-Effektes trotz einer Erhöhung des Verkippungswinkels ψ die Messunsicherheit der Position nicht unmittelbar verbessert werden. Um dieses Problem zu lösen, muss die Richtung, aus der das Streulicht detektiert wird der Beleuchtungsrichtung angepasst werden (vgl. 9). Durch diese angepasste Streulichtdetektion kann die Signalähnlichkeit auch für stärkere Verkippungswinkel wieder signifikant erhöht werden.
• Untersuchungen zeigen weiterhin, dass der Korrelationskoeffizient sich durch die Nutzung möglichst ähnlicher Wellenlängen für beide Interferenzstreifensysteme erhöhen lässt (vgl. 8).
• Mit dem 2012 von Günther et al [5] vorgestellten Aufbau konnte die Gesamtpositionsmessunsicherheit für das Messprinzip des P-LDD Sensors erstmals auf unter 1 µm reduziert werden.
• 2013 wurde erstmals ein P-LDD Sensor präsentiert, der durch eine Faserkopplung sowohl einen passiven Messkopf besaß, als auch die angepasste Streulichtdetektion umsetzte. Der vorgestellte Messkopf war wesentlich robuster und kompakter als bis dato vorgestellte Aufbauten. Auf Grund des passiven Messkopfes war es das erste Konzept des P-LDD Sensor, welches sich miniaturisieren und auch außerhalb von Laborbedingungen einsetzen lässt.
• Zur Sicherstellung einer hohen Strahlqualität wurden Laserdioden, Singlemodefasern, sowie asphärische Linsen für den Aufbau verwendet. Allerdings ist dieser Aufbau wegen der hohen Kosten für die eingesetzten Singlemode Fasern, den Singlemode-Faserkoppler, der fasergekoppelten Laserdioden, sowie des Teleskopes (L1–L2) im Messkopf für eine Kommerzialisierung zu teuer. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass sich die Messeigenschaften durch Dejustage der Linsen z. B. aufgrund von Schwingungen oder Temperaturänderungen deutlich verschlechtern können.
• Die dargestellten Untersuchungen zum P-LDD Sensor zeigen, dass sich mit dem Messprinzip gerade durch die Neuerung der angepassten Streulichtdetektion auch an technischen Oberflächen Gesamtmessunsicherheiten von weniger als 1 µm erreichen lassen. Die zufällige Messunsicherheit beträgt zuweilen weniger als 100 nm. Erreicht werden diese Genauigkeiten durch die hohen Verkippungswinkel, sowie die angepasste Streulichtdetektion.
• Bei den bekannten P-LDD Verfahren werden Laserdioden oder Festkörperlaser eingesetzt, um eine hohe Strahlqualität zu gewährleisten. Um einer robusten Aufbau zu realisieren, wurden diese mittels Singlemodefaser zum passiven Messkopf zu geführt. Die Strahlführung und Formung im Messkopf erfolgt durch eine Linsenanordnung. Daraus ergeben sich folgende Probleme:
• • Faserkopplungen für Singlemode-Fasern sind auf Grund des geringen Kerndurchmessers und der geringen numerischen Apertur aufwändig und teuer.
• • Das gleiche gilt für die eingesetzten fasergekoppelten Wellenlängenmultiplexer (vgl. 11).
• • Die eingesetzten Lichtquellen hoher Kohärenz (fasergekoppelte Laserdioden oder Festkörperlaser) sind extrem teuer.
• • Auf Grund der hohen Kohärenzlänge der eingesetzten Lichtquellen in Verbindung mit den eingesetzten Singlemode-Fasern entstehen gerade bei stark verkippten Streifensystemen Messvolumen die deutlich länger werden als ein Eindeutigkeitsbereich l_u, wodurch entweder eine absolute Positionsbestimmung unmöglich wird, oder eine weitere Ortsinformation durch ein drittes Streifensystem gewonnen werden muss. Dabei generiert die Erzeugung und Auswertung des dritten Streifensystems weitere Kosten.
• • Um Positionsunsicherheiten deutlich unterhalb von 1 µm zu erzielen, müssen die Streifensysteme so stark gegeneinander verkippt werden, dass selbst mit einem dritten Streifensystem der erweiterte Eindeutigkeitsbereich l_u kürzer als das Messvolumen werden kann.
• • Das Linsensystem zur Strahlführung im Messkopf ist teuer und empfindlich gegen Dejustage.
• Es besteht deshalb die Aufgabe einen Sensor zu realisieren, der die gleichzeitige Bestimmung von Position und lateraler Geschwindigkeit ermöglicht. Der Messkopf soll dabei gleichzeitig robust und kostengünstig sein. Durch eine fasergekoppelte Auslegung des Sensors soll ein kleiner und passiver Messkopf realisiert werden. Des Weiteren soll der Sensor eine linienhafte Messung ermöglichen.
• Erfindungsgemäß wird ein optisches Prinzip genutzt, welches das Messprinzip des phasenauswertenden Laser-Doppler-Distanzsensors unter Nutzung von Multimodefasern, kostengünstigen Lichtquellen und diffraktiven optischen Elementen realisiert. Die linienhafte Messung wird durch den Einsatz von Linienkameras bzw. Detektorarrays realisiert.
• Die Erfindung ist eine kostengünstige, robuste Realisierung des Prinzips des phasenauswertenden LDD Sensors, bei dem die Lichtquellen über Multimode-Fasern mit dem passiven Messkopf verbunden werden, was auch den Einsatz niederkohärenter Strahlquellen erlaubt. Die Strahlführung im Messkopf erfolgt vorwiegend über diffraktive optische Elemente. Das Streulicht wird mit einem Detektorarray betrachtet.
• Der erfindungsgemäße P-LDD Sensor weist die folgenden grundlegenden Komponenten auf:
• – Faserkopplung,
• – die Lichtquelle,
• – den Messkopf sowie
• – die Detektions- und Auswerteeinheit.
• Um einen kleinen, passiven Messkopf zu erhalten, wird der Sensor bevorzugt modular aufgebaut. Die einzelnen Elemente sind über Fasern (Lichtleitfasern) miteinander verbunden (siehe 12).
• Faserkopplung
• Im Stand der Technik wurde der passive Messkopf des P-LDD Sensors über Singlemode-Fasern mit der Lichtquelle verbunden (siehe 11). Andere Ausführungsformen setzten Freistrahldioden ein (siehe 10). Dies stellte in Verbindung mit den eingesetzten Lichtquellen hoher Kohärenz eine hohe Strahlqualität sicher und maximierte die Größe des Interferenzgebietes im Kreuzungsbereich der Laserstrahlen (erzeugte also lange Messvolumen). Allerdings führt der Einsatz von Singlemode-Fasern wegen des geringen Faserkerndurchmessers zu hohen Kosten für die Ankopplung der Lichtquelle, sowie für das Multiplexing der Lichtquellen (vgl. 11). Des Weiteren reduzieren Singlemode-Fasern auf Grund ihrer geringen numerischen Apertur (typischerweise 0,13) die nutzbare Lichtleistung. Untersuchungen zur Laser-Doppler-Anemometrie, bei der Interferenzstreifensysteme ausschließlich zur punktförmigen Geschwindigkeitsmessung genutzt werden, zeigen, dass es möglich ist, Interferenzstreifensysteme auch bei einer Kopplung mittels Multimode-Fasern zu erzeugen.
• Erfindungsgemäß werden Multimode-Fasern zur Kopplung der Lichtquelle an den Messkopf für eine gleichzeitige Positions- und Geschwindigkeitsmessung genutzt.
• Die Multimode-Fasern zur Lichtzuführung weisen bevorzugt mehrere transversale Moden (Modenzahl pro Schwingungsrichtung größer als eins) auf. Alternativ kann eine photonische Kristallfaser eingesetzt werden. Die Einkopplung des Sendelichtes ist so gegenüber Singlemodefasern technisch leichter realisierbar.
• Die laterale Ausdehnung des Messvolumens lässt sich durch den Faserdurchmesser bestimmen, da der Faserdurchmesser durch den Messkopf ins Messvolumen abgebildet wird. Dies ist als ein weiterer Vorteil zu werten, da ohne einen Austausch des Messkopfes über den Austausch der eingesetzten Fasern, die Messeigenschaften des Sensors verändert werden können (modularer Aufbau).
• Lichtquelle
• Durch den Einsatz der Multimode-Fasern zur Lichtleitung zum Messkopf können nun auch Lichtquellen geringerer Kohärenz (bevorzugt Beugungsmaßzahl M² im Bereich von 25 bis 100) eingesetzt werden. Mit Singlemode-Fasern ist dies nicht möglich, da Licht niedriger Kohärenz sich nicht auf den Faserdurchmesser von wenigen µm einer Singlemodefaser fokussieren lässt.
• Besonders bevorzugt werden Lichtquellen hoher Leistung zu verwenden, die auf spontaner Emission (bspw. multimodige Leuchtdioden) beruhen und damit eine deutlich höhere spektrale Bandbreite besitzen, als die bisher eingesetzten Laserdioden, die mit stimulierter Emission arbeiten. Dadurch werden die Sichtbarkeit der Laser-Speckle, welche in der Multimode-Faser entstehen und damit einhergehend das Speckle-Rauschen deutlich reduziert. Es ergibt sich ein rauschärmeres Messsignal und damit eine geringere Messunsicherheit.
• Neben der Tatsache, dass niederkohärente Lichtquellen inzwischen für den Massenmarkt der Beleuchtungsindustrie zu sehr geringen Stückkosten angeboten werden und deutlich günstiger als höher kohärente Lichtquellen sind, erlauben sie hohe Lichtleistungen und damit bessere Signale. Besonders vorteilhaft ermöglichen sie zusammen mit dem Faserdurchmesser die gezielte Einstellung der Messvolumenlänge auf z. B. einen Eindeutigkeitsbereich, so dass eine eindeutige Positionsbestimmung mit nur zwei Interferenzstreifensystemen ermöglicht wird.
• Messkopf
• Um eine möglichst hohe Strahlqualität zu gewährleisten, wurden in den im Stand der Technik diskutierten Laboraufbauten bisher Linsensysteme zur Strahlführung verwendet. Linsen haben neben den hohen Stückkosten allerdings den Nachteil, dass sie gleichzeitig als ‚Deflektor‘ und als ‚Strahlformer‘ wirken. Dabei ist die Funktionalität von Linsen stark abhängig vom Radius und Winkel unter dem der Laserstrahl die Linse passiert, wodurch Linsenabbildungen empfindlich gegen Verkippung der Linsen, bzw. Verschiebung entlang oder quer zur optischen Achse werden. Dies bedeutet, dass mechanische Schwingungen oder die Ausdehnung des Messkopfes auf Grund von Temperaturschwankungen zu einer Veränderung der Strahlgeometrie und verzerrten Wellenfronten führen, so dass sich die Messeigenschaften des Sensors stark verändern.
• Im Gegensatz zu Linsen, die auf Refraktion also Brechung beruhen, existieren auch Linsen die auf Diffraktion, also Beugung, beruhen. Diese bezeichnet man allgemein auch als diffraktive optische Elemente (DOE). Bei diesen handelt es sich in der Regel um Glasträger, in die zum Beispiel lithografisch Feinstrukturen eingebracht sind. Die lithografischen Feinstrukturen sind dabei bevorzugt als Gitter ausgeführt, an dem die Beugungseffekte auftreten. Aufgrund immer präziserer und kostengünstigerer Fertigungsverfahren können DOEs in großer Stückzahl inzwischen deutlich günstiger als entsprechende refraktive Linsen hergestellt werden. Ihre optischen Eigenschaften und Funktionen sind dabei vielseitig. So können DOEs sowohl als Linsen (im Sinne von lichtsammelnd und -zerstreuend) als auch als Strahlteiler oder Deflektor fungieren. Gerade der Einsatz von DOEs als Deflektoren ist hier von Vorteil:
• 1. Da die Funktionalität radiusunabhängig ist, werden Probleme durch wärme- oder vibrationsbedingte Dejustage quer zur optischen Achse vermieden.
• 2. Da der Strahl nicht verformt wird, werden sowohl Probleme durch Dejustage entlang der optischen Achse unterbunden als auch die Fokuslage der Laserstrahlen ausschließlich vom Kollimator bestimmt.
• 3. Da höhere Ablenkwinkel als mit refraktiven Linsen erreichbar sind, kann der Messkopf bei gleichen Messeigenschaften deutlich kleiner gestaltet werden.
• Der bevorzugte Verkippungswinkel der Interferenzmuster gegeneinander liegt im Bereich von 0 bis 20°, besonders bevorzugt im Bereich von 1° bis 18°. Bei 20° ergibt sich s^–1 = 5µm/360°. Die auflösbare Geschwindigkeit ist grundsätzlich nur von der Abtastrate der Detektoren abhängig.
• Um einen robusteren, kleineren und kostengünstigeren Messkopf zu realisieren, wird daher die Strahlführung und Formung mittels DOEs bevorzugt.
• Im Folgenden sollen zwei beispielhafte Realisierungen des P-LDD Sensors dargestellt werden. Die Detektion ist dabei nicht dargestellt.
• Der Aufbau nach 13 stellt eine Weiterentwicklung des in 11 dargestellten Aufbaus mit deutlich kostengünstigeren und robusteren Komponenten dar. Insbesondere ist hierbei eingegangen, dass erst die symmetrische Streulichtdetektion gezeigt hat, dass nicht die Strahlqualität, sondern eben die Streulichtdetektion entscheidend für das Messprinzip ist. Die eingesetzten speziellen Gitter gewährleisten, dass besonders viel Licht in das Messvolumen gelangt.
• Die Kosten lassen sich noch weiterer reduzieren, wenn auf eine gemeinsame Zuleitung der beiden Wellenlängen zum Messkopf verzichtet wird. Der in 14 dargestellte Aufbau verzichtet weiterhin auf den Wellenlängenkoppler und die Filter im Messkopf, dadurch wird der Messkopf kleiner und robuster, sowie der Gesamtaufbau günstiger. In der nachfolgenden Tabelle sind die durch die erfindungsgemäße Anordnung erzielten Kosten- (ab 10 Stück) und Größenersparnisse dargestellt.

  	Bisher (Fig. 11)	Neu (Fig. 13)	Neu (Fig. 14)
  Lichtquellen + Fasern	1000 €	300 €	300 €
  Wellenlängen Multitplexing	1000 €	200 €
  Optiken Messkopf	1500 €	1000 €	200 €
  Mechanik Messkopf	500 €	500 €	500 €
  Summe	4000 €	2500 €	1000 €
  Größe Messkopf	150 × 40 × 40 mm3	100 × 20 × 20 mm3	50 × 20 × 20 mm3

  Tabelle 1: Gegenüberstellung der Kosten für Lichtquelle + Kopplung und Sendeoptik im Messkopf, sowie beispielhaft die erreichten Größen der Messköpfe
• Detektions- und Auswerteeinheit
• Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Multimodefasern und niederkohärenten Lichtquellen hoher Leistung lassen sich hohe Messvolumen (mehrere 100 µm in y-Richtung) mit großer Leistungsdichte erzeugen. Unter niederkohärent werden Lichtquellen mit einer Kohärenzlänge größer 1000 µm sowie einer Modenanzahl von bis zu 1000 verstanden. Betrachtet man das Streulicht nicht mit einem Einzeldetektor, sondern bevorzugt einem Array von Einzeldetektoren (Detektorarray bzw. Zeilenkamera), so lässt sich jeder einzelne Detektor auf eine separate Höhe im Messvolumen ausrichten. Dadurch erhält man eine linienhafte Information über Objektgeschwindigkeit und -position. Bei der Vermessung eines rotierenden Körpers kann so besonders vorteilhaft ohne Traversierung die 3D Form bestimmt werden.
• Als Einzeldetektoren werden vorzugsweise Photodioden, Phototransistoren, Photomultiplier, CCD-Elemente, Avalanche-Photodioden oder CMOS-Kameras eingesetzt.
• Um weiterhin einen komplett passiven und miniaturisierten Messkopf zu erhalten kann die Detektion des Streulichtes auch hier vorzugsweise fasergekoppelt ausgeführt werden. Die Lichtleitung erfolgt dann bevorzugt mittels Faserbündel/Bildwellenleiter zum entsprechenden Detektorarray/Linienkamera. Dabei ist es für das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Anordnung unerheblich, ob die Streulichtsignale von 2 oder mehr separaten Kameras, oder in verschiedenen Pixelbereichen mit einer Kamera erfasst werden. Weiter bietet die fasergekoppelte Streulichtdetektion die Möglichkeit durch geeignete Faserdurchmesser (vorzugsweise unter 400 µm) das beobachtete Interferenzgebiet lateral zu beschneiden und somit die laterale Auflösung des Messsystems zu verbessern. Die Fasern dienen somit als Feldblende.
• Der Fortschritt für die Messtechnik, besteht darin, dass mit wenigen kostengünstigen optischen Komponenten ein Geschwindigkeits- und Positionsmessverfahren realisiert werden kann. Gegenüber anderen Messverfahren ist die Positionsmessunsicherheit nahezu unabhängig von der Objektgeschwindigkeit. Des Weiteren lässt sich das Messverfahren sowohl an technischen Oberflächen, z. B. zur Formmessung oder Schwingungsanalyse rotierender Teile, oder Schichtdickenmessung in Blechwalzwerken als auch zur Strömungscharakterisierung, z. B. in Mikrokanälen bis hin zu Windkanälen oder als Normal zur Charakterisierung von Laser-Doppler-Anemometer Kalibrierständen einsetzen.
• Bisherige Realisierungen des phasenauswertenden Laser-Doppler-Sensors nutzten hoch kohärente Lichtquellen, Singlemode Fasern zur Lichtleitung und refraktive Abbildungssysteme. Dies führte zu hohen Kosten, nicht eineindeutigen Kalibrierfunktionen, sowie einer hohen Empfindlichkeit gegen mechanische und thermische Belastungen des Messkopfes. Des Weiteren konnte bisher nur ein Messpunkt gleichzeitig vermessen werden, wodurch für eine 3D Formvermessung traversiert werden musste. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine gleichzeitige linienhafte Messung. Zusätzlich lässt sich das System bis hin zu einem 3D/3C Messsystem erweitern.
• Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Vorteile der Miniaturisierbarkeit, der höheren Robustheit, der Anpassung der Messvolumenlänge an die Eindeutigkeitslänge der Kalibrierfunktion, erlaubt hohe Lichtleistungen für eine geringe Messunsicherheit und bietet eine erhebliche Kostenersparnis. Durch den Einsatz mehrerer Einzeldetektoren, lassen sich Position und Geschwindigkeit nun entlang einer Linie bestimmen, wodurch eine 3D Formvermessung deutlich schneller und ohne Traversierung ermöglicht wird.
• Durch diese Erfindung kann die Prozessmesstechnik unmittelbar von der rasant fortschreitenden Entwicklung von nieder kohärenten Lichtquellen für die Beleuchtungstechnik, sowie der Fertigungsprozesse für DOEs profitieren. Es kann davon ausgegangen werden, dass in Zukunft immer bessere Lichtquellen mit immer höheren Leistungen, sowie bessere DOEs mit geringen Strukturgrößen und präziseren Strukturen verfügbar sein werden, was wiederum direkt Verbesserungen der Messeigenschaften nach sich ziehen wird.
• Für die Industrie kann die Erfindung z. B. zur In-Prozess Formmesstechnik bei der Fertigung von rotierenden Objekten, zur Überwachung des dynamischen Verhaltens von Turbinen oder in der Strömungsmesstechnik eingesetzt werden.
• Die Verarbeitung der in dem einen Detektorarray bzw. Linienkamera oder den mehreren Detektorarrays bzw. Linienkameras erfassten Signale erfolgt bevorzugt mittels einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage. Diese ist in bevorzugten Ausführungsformen in die Kamera oder das Detektorarray integriert. Es ist auch eine Datenübertragung (drahtlos oder drahtgebunden bzw. über Lichtleiter) von Messignalen von den Detektorarrays bzw. Kameras zur räumlich getrennt angeordneten Datenverarbeitungsanlage bevorzugt.
• Ausführungsbeispiele
• Ausführungsbeispiel 1
• Die Anordnung nach 18 ist geeignet für die Überwachung von Schaufelschwingungen und Spaltweiten in Turbinen bei Geschwindigkeiten bis 600 m/s und erreicht dabei eine Positionsauflösung < 1 µm zur Zustandsüberwachung der Turbine. Als Lichtquelle werden singlemodige Laserdioden eingesetzt, die eine hohe Kohärenz aufweisen. Ein alternativer Aufbau nutzt multimodige Laserdioden (bspw. RLT6650GLI oder LD690-C350 von Roithner Laser Technik).
• Die eingesetzten bzw. geeigneten Bauteile sind in der Bezugszeichenliste explizit benannt.
• Der erreichte Streifenabstand der Interferenzstreifen im Messvolumen beträgt d = 6 µm. Der Verkippungswinkel theta beträgt 6,3°.
• Es ergibt sich mit den eingesetzten Bauelementen (Bezugszeichenliste) nach Gleichung 1 die erwähnte maximal bestimmbare Geschwindigkeit Vmax = 0,5·fA·d = 600 m/s.
• Der Anstieg der Kalibrierfunktion beträgt: s = 0,115 µm–1 und es wird ein Eindeutigkeitsbereich Le = 2·pi/s = 55µm erreicht.
• Ausführungsbeispiel 2
• Die Ausführungsform des zweiten Ausführungsbeispiels ist konstruktiv aufwendiger als die erste. Das zweite Ausführungsbeispiel weist zwar keinen Faserkoppler K1 und keine Filter auf, wie das erste Ausführungsbeispiel, jedoch müssen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel das Licht der beiden Lichtquellen in getrennten optischen Fasern geführt werden, wobei die Einkopplung in den Faserkollimator O1 bei definiertem Abstand der Fasern zueinander erfolgen muss. Demgegenüber entstammt das Licht nach Ausführungsbeispiel 1 einer einzigen Lichtquelle, was die Einkopplung in den Faserkollimator O1 weniger kritisch macht.
• Wesentlich ist bei dem Ausführungsbeispiel 2 weiterhin, dass das Gitter G5 möglichst exakt an Kreuzungspunkt der Laserstrahlen angeordnet ist.
• Da die beiden Ausführungsbeispiele gleiche Kreuzungswinkel der Laser im Messvolumen erreichen, werden gleiche Interferenzstreifen erzeugt. Da Interferenzstreifen und Kalibrierfunktion lediglich vom Kreuzungswinkel abhängen, sind die erreichten Werte mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch.
• Figuren
• 1: Auswirkung von örtlich inkohärenter Strahlung mit mehreren Phasenzellen aus einer Mehrmoden-Faser auf das Interferenzstreifensystem eines LDA. Da Licht aus unterschiedlichen Phasenzellen nicht interferieren kann, bildet sich nur im zentralen Teil ein Streifensystem aus [4].
• 2: Unterscheidung zwischen Überschneidungsbereich und dem Messvolumen, in dem Interferenz auftritt, beim Multimode-LDA (MM-LDA). Zusätzlich eingezeichnet sind zwei verschiedene Partikeltrajektorien. Mit der Einschränkung des Messvolumens in axialer Richtung geht eine verbesserte Ortsauflösung einher [1].
• 3: Burstsignale von Partikeln, die entlang der Trajektorien A und B in 2 das Messvolumen durchqueren. Links: Burstsignal entlang der Trajektorie A (Messvolumen, Interferenzkontrast ca. 72 %). Rechts: Burstsignal entlang der Trajektorie B (Gebiet mit unterdrückter Interferenz, Interferenzkontrast <3 %). Dieses Signal enthält keine Geschwindigkeitsinformation und kann nicht ausgewertet werden.
• 4: Die kohärenten Laserstrahlen bilden paarweise die 2 Interferenzstreifensysteme. Durch die Verkippung um ψ entsteht ein von z abhängiger Phasenversatz zwischen den Streifensystemen. Durch die Auswertung des Phasenversatzes zwischen den beiden Interferenzstreifensystemen, lässt sich die Positionsauflösung gegenüber dem Multimode LDA nochmals deutlich verbessern.
• 5: Winkelbeziehungen und Frequenzverhältnisse des einfallenden und austretenden Laserstrahls bei eingeschaltetem akusto-optischen Modulator des PH-LDD-Sensors.
• 6: Faseroptischer Aufbau des PH-LDD Sensors
• 7: Durch die Erweiterung um ein drittes Streifensystem kann bei entsprechenden Verkippungswinkeln eine, über das gesamte Messsystem eindeutige Phasenfunktion zur groben Positionsbestimmung und eine steile Phasenfunktion zur anschließenden feinen Positionsbestimmung erzeugt werden.
• 8: Korrelation der beiden Streulichtsignale in Abhängigkeit vom Verkippungswinkel (links) sowie die resultierende Gesamtunsicherheit für die Phasenschätzung (rechts).
• 9: Prinzip der angepassten Streulichtdetektion: Wird das Streulicht so detektiert, dass die Winkelhalbierende zwischen der Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung liegt, sind die beobachteten Phasenprofile identisch für beide Detektoren (vgl. Kasten 2 und 3). Wird das Streulicht aus einer gemeinsamen Richtung detektiert, unterscheiden sich die Phasenprofile, da aus verschiedenen Richtungen beleuchtet wird (vgl. Kasten 1).
• 10: Aufbau des P-LDD Sensors mit angepasster Streulichtdetektion ([6] Günther et al 2013). Der Aufbau ist mit Freistrahllaserdioden realisiert und daher anfällig gegenüber elektrischen Feldern und Temperaturschwankungen, sowie mechanisch instabil, wegen des eingesetzten Spiegels zur Strahlüberlagerung (links).
• 11: Fasergekoppelter P-LDD Sensor mit angepasster Streulichtdetektion
• 12: Schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen P-LDD Sensors mit Lichtquelle, Messkopf und Detektionseinheit.
• 13 zeigt ein erstes Beispiel für den erfindungsgemäßen Messkopf. Das Licht aus zwei Quellen unterschiedlicher Wellenlängen wird über einen fasergekoppelten 2 × 1 Wellenlängenkoppler zum Messkopf geführt. Die kollimierten Lichtstrahlen werden mit einem Transmissionsbeugungsgitter in je drei Teilstrahlen aufgeteilt. Ein zweites DOE dient als Deflektor und richtet die Strahlen kollinear aus. Ein optischer Filter blockt jeweils eine Wellenlänge im oberen und im unteren Strahlengang. Ein drittes DOE überlagert die Teilstrahlen im Messvolumen.
• 14: zeigt ein zweites Beispiel für den erfindungsgemäßen Messkopf. Das Licht aus zwei Quellen unterschiedlicher Wellenlängen wird über 2 Fasern zum Messkopf geführt. Die kollimierten Lichtstrahlen werden mit einem DOE, welches als Deflektor fungiert, abgelenkt. Das zweite DOE fungiert als Strahlteiler, die +1. und –1. Beugungsordnung beider Strahlen werden vom dritten DOE im Messvolumen überlagert.
• 15: zeigt eine vereinfachte Darstellung der Erweiterung auf eine linienhafte Messung. Statt mit einem Einzeldetektor werden die Streifensysteme von zwei Detektorarrays betrachtet (nur ein Detektorarray dargestellt).
• 16: Jeder Einzeldetektor betrachtet einen separaten Ausschnitt des Messvolumens.
• 17 zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen P-LDDS mit linienförmigem Messvolumen für 3D Messungen.
• 18 zeigt den Aufbau entsprechend dem Ausführungsbeispiel 1.
• 19 zeigt beispielhaft eine Kalibrierkurve für die erfindungsgemäße Anordnung.
• 20 zeigt den Aufbau entsprechend dem Ausführungsbeispiel 2.
• Bezugszeichenliste

• A

  Messachse

  L1

  Laserdiode λ1 z. B. HL6750MG – 685 nm (Thorlabs) + Fasereinkopplung

  L2

  Laserdiode λ2 z. B. HL6545MG – 660 nm (Thorlabs) + Fasereinkopplung

  L3

  Laserdiode λ1 z. B. LD690-C350 – 685 nm (Roithner) + Fasereinkopplung

  L4

  Laserdiode λ2 z. B. RLT6650GLI – 660 nm (Rhoitner) + Fasereinkopplung

  K1

  2 × 1 Faserkoppler z. B. FCMM50-50A (Thorlabs)

  O1

  Faserkollimator z. B. PAF-SMA-5-D (Thorlabs)

  O2, O3

  Asphäre z. B. AC080-016-A (Thorlabs)

  O4, O5

  Glasfaseraufnehmer z. B. SM1FC (Thorlabs)

  O6

  Aufnehmer mit zwei Faserkollimatoren (Eigenbau)

  C1, C2, C3

  MM Fasern (bereits in K1 enthalten)

  C4, C5

  Glasfaser M16L01 – Ø50 µm (Thorlabs)

  C6, C7

  Glasfaser M16L01 – Ø50 µm (Thorlabs)

  F1, F5

  Bandpass Filter λ1 mit Eigenschaften wie z. B. FB690-10 (Thorlabs)

  F2, F4

  Bandpass Filter λ2 mit Eigenschaften wie z. B. FB660-10 (Thorlabs)

  F3

  Glassplatte BK7 zur optischen Weglängenkompensation

  G1, G2

  Strahlteiler/ Beugungsgitter 4µm optimiert auf +1., 0. Und –1. Ordnung

  G3, G4, G5

  Deflektor / Beugungsgitter 6µm optimiert auf +1. bzw. –1. Ordnung

  G6

  Deflektor / Beugungsgitter 3µm optimiert auf +1. bzw. –1. Ordnung

  H1 bis H5

  Halterung FLR40-10, G061-371-000 (Linos)

  S1

  Schiene FLS40-300, G061-356-000 (Linos)

  PD1, PD2

  Photodedektor HCA-S, Serien Nr.: 02-99-363 (Femto) f_A = 200 MHz

  M1, M2

  Spiegel 2 × 2 mm²

• Zitierte Nichtpatentliteratur
• [1] L. Buettner and J. Czarske, “A multimode-fibre laser-Doppler anemometer for highly spatially resolved velocity measurements using low-coherence light”, Meas. Sci. Technol. 12, S. 1891–1903, 2001
• [2] L. Büttner, J. Czarske, „Multimode fibre laser Doppler anemometer (LDA) with high spatial resolution for the investigation of boundary layers“, Exp. Fluids 36, S. 214–216, 2004
• [3] T. Pfister, P. Günther, M. Nöthen, J. Czarske, „Heterodyne laser Doppler distance sensor with phase coding measuring stationary as well as laterally and axially moving objects”, Meas. Sci. Technol. 21, DOI: 10.1088/0957-0233/21/2/025302 (14 pages), 2010.
• [4] P. Günther, T. Pfister, and J. Czarske. Non-incremental interferometric displacement measurement using a laser Doppler sensor with phase coding. Optics and Lasers in Engineering, 49(9–10):1190–1193, 2011.
• [5] P. Günther, R. Kuschmierz, T. Pfister, and J. Czarske, “Distance measurement technique using tilted interference fringe systems and receiving optic matching,” Opt. Lett. 37, 4702–4704 (2012).
• [6] P. Günther, R. Kuschmierz, T. Pfister, J. Czarske “Displacement, distance, and shape measurements of fast-rotating rough objects by two mutually tilted interference fringe systems”, Journal of the Optical Society of America A 30(5): 825–830, 2013, DOI: 10.1364/JOSAA.30.000825
• [7] P. Günther, T. Pfister, L. Büttner and J. Czarske, „Laser Doppler distance sensor using phase evaluation”, 16 February 2009 / Vol. 17, No. 4 / OPTICS EXPRESS 2611

Claims (8)

1. Anordnung zur simultanen Positions- und Geschwindigkeitsmessung von technischen Oberflächen oder Partikeln in Strömungen als Messobjekten nach dem Messprinzip eines phasenauswertenden Laser-Doppler-Distanzsensors, aufweisend eine Lichtquelle geringer Kohärenz, einen Messkopf und eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, das Streulicht eines Messobjektes, das ein Messvolumen durchquert, zu erfassen, wobei Lichtquelle und Messkopf über eine multimode-Faseroptik gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf ausgebildet ist, mittels diffraktiver optischer Elemente (DOEs) im vorgesehenen Messvolumen zwei gegeneinander verkippte Interferenzstreifenmuster zu erzeugen, wobei der laterale Abstand der Interferenzstreifen sich entlang der Messachse ändert und wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Geschwindigkeit des Messobjektes zu bestimmen, indem das gestreute Licht der Interferenzstreifenmuster getrennt aus zwei verschiedenen Richtungen detektiert und die Frequenz des amplitudenmodulierten Streulichtsignals ermittelt und mit dem Interferenzstreifenabstand multipliziert wird sowie die Position des Messobjektes zu bestimmen, indem der Phasenversatz der amplitudenmodulierten Streulichtsignale bestimmt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die multimode-Faseroptik zur Lichtzuführung mehrere transversale Moden aufweist oder eine photonische Kristallfaser ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Elemente Linsen sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Elemente optische Gitter sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit Daten über das Streulicht von Messobjekten erhält, die das Messvolumen durchqueren und auf Fotoempfänger treffen.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger ein Array von Einzeldetektoren ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger so angeordnet ist, dass Streulicht aus verschiedenen y-Positionen im Messvolumen detektiert wird und so eine linienhafte Messung senkrecht zur Messachse realisiert wird.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Auflösung reduziert wird, indem mittels Feldblenden das beobachtete Interferenzgebiet lateral beschnitten wird.

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