DE102015214302B4

DE102015214302B4 - Vorrichtung zur Erzeugung zweidimensionaler Beleuchtungsmuster und Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen

Info

Publication number: DE102015214302B4
Application number: DE102015214302.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph SKUPSCH
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: US11422148B2; DE102015214302A1; US20160320290A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Beleuchtungsmusters (BM) aus Lichtstrahlbündeln (LSB), umfassendeine Steuereinrichtung (2), welche zum Steuern einer Sequenz (SEQ) zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters (BM) ausgebildet ist;ein Mikrospiegelarray (3), welches zum Beugen von flächig einfallendem kohärentem Licht (KL) ausgebildet ist, und welches eine Vielzahl von Mikrospiegeln (4) aufweist, welche durch die Steuereinrichtung (2) jeweils wenigstens um eine Achse verkippbar sind;eine Beleuchtungseinrichtung (5, 6, 7), welche zum Erzeugen des flächig einfallenden kohärenten Lichts (KL) ausgebildet ist, und welche durch die Steuereinrichtung (2) steuerbar ist;eine Sammeleinrichtung (8), welche zum Sammeln von an dem Mikrospiegelarray (3) gebeugtem Licht (GL) ausgebildet ist; undein Mikrolinsenarray (11) mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (12), wobei die Mikrolinsen (12) eine gemeinsame Fourierebene (FEM) aufweisen, welche deckungsgleich mit einer Fourierebene (FEF) der Sammeleinrichtung (8) angeordnet ist;wobei die Steuereinrichtung (2) zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel (4) ausgebildet ist, dass in der Fourierebene (FEF) der Sammeleinrichtung (8) Intensitätsmaxima (IM) von durch die Sammeleinrichtung (8) gesammeltem Licht (GSL) erzeugt werden, wobei die Intensitätsmaxima (IM) jeweils einer der Mikrolinsen (12) zugeordnet sind, wobei aus dem jeweils erzeugten Intensitätsmaximum (IM) durch die jeweils zugeordnete Mikrolinse (12) eines der Lichtstrahlbündel (LSB) erzeugt ist;wobei die Lichtstrahlbündel (LSB) jeweils aus Lichtstrahlen bestehen, die im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind, so dass Öffnungswinkel der Lichtstrahlbündel (LSB) jeweils weniger als 2° betragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung zweidimensionaler Beleuchtungsmuster. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in der Particle Image Velocimetry (PIV) eingesetzt.
Bei der Particle Image Velocimetry handelt es sich um ein weit verbreitetes Messverfahren in der Strömungsmesstechnik. Hierbei wird ein Beleuchtungsmuster, welches in einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes die Form einer geraden Linie aufweist, verwendet, um eine Strömung zu beleuchten. Ein derartiges Beleuchtungsmuster wird auch planes Lichtblatt genannt. Mittels einer der Vorrichtung zur Erzeugung der Beleuchtungsmuster gegenüberliegenden Kamera können in kurzem zeitlichem Abstand zwei Aufnahmen von im Lichtblatt aufleuchtenden Spurpartikeln erzeugt werden. Im Anschluss werden die Geschwindigkeiten und Richtungen der Spurpartikel durch Vergleich der beiden Aufnahmen bestimmt. Es sind aber auch Verfahren bekannt, bei denen die Geschwindigkeiten und Richtungen der Spurpartikel aus einer einzigen langzeitbelichteten Aufnahme bestimmt werden.
Mit wenigen Ausnahmen können mit bekannten Vorrichtungen nur plane Lichtblätter erzeugt werden.
Gemäß [1] können zwar nichtplane Lichtblätter mit einer refraktiven Optik erzeugt werden, diese sind jedoch ausschließlich einfach gekrümmt und nur eingeschränkt skalierbar. Zudem können die nach [1] erzeugten einfach gekrümmten Lichtblätter nicht ohne weiteres quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes verschoben werden, so dass damit eine Strömung nicht dreidimensional vermessen werden kann. Zudem ist der konstruktive Aufwand für die refraktive Optik mit ihren beweglichen Teilen sehr hoch.
Wandnahe Geschwindigkeits- und Richtungsmessungen sind von besonderem Interesse für die Strömungsforschung. Die Messung von Geschwindigkeitsgradienten an der Wand erlaubt Rückschlüsse auf Reibungsverluste des strömenden Fluids. Diese Art der Energiedissipation hat direkte wirtschaftliche Auswirkungen, z.B. beim Fluidtransport, beispielsweise in Pipelines, oder im Transportwesen, beispielsweise an einem Tragflügel eines Luftfahrzeugs. Für eine wandnahe Messung an einer ebenen Wand kann ein planes Lichtblatt parallel zur Wand in die Strömung eingestrahlt werden. Der Abstand zwischen Lichtblatt und Wand kann dabei sukzessive verringert werden, um den Geschwindigkeitsgradienten senkrecht zur Wand zu ermitteln.
Falls jedoch die Wand strukturiert ist, kann die Strömung in Senken nicht mit einem planparallelen oder einem lediglich einfach gekrümmten Lichtblatt erfasst werden. Wird nämlich das plane oder einfach gekrümmte Lichtblatt immer weiter an die Wand angenähert, so wird das planparallele Lichtblatt bei einem gewissen Grad der Annäherung an Erhebungen der Wandstruktur gestreut, so dass das Messsignal unbrauchbar wird.
Aus [6] und [7] sind weitere Beleuchtungseinrichtungen bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung zweidimensionaler Beleuchtungsmuster bereitzustellen.
Vorrichtung zur Erzeugung eines freigeformten zweidimensionalen Beleuchtungsmusters aus Lichtstrahlbündeln, umfassend
eine Steuereinrichtung zum Steuern einer Sequenz zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters;
ein Mikrospiegelarray zum Beugen von flächig einfallendem kohärentem Licht, welches eine Vielzahl von Mikrospiegeln aufweist, welche durch die Steuereinrichtung jeweils wenigstens um eine Achse verkippbar sind;
eine Beleuchtungseinrichtung zum Erzeugen des flächig einfallenden kohärenten Lichts , welche durch die Steuereinrichtung steuerbar ist;
eine Sammeleinrichtung zum Sammeln von an dem Mikrospiegelarray gebeugtem Licht; und
ein Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen, wobei die Mikrolinsen eine gemeinsame Fourierebene aufweisen, welche deckungsgleich mit einer Fourierebene der Sammeleinrichtung angeordnet ist;
wobei die Steuereinrichtung zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel ausgebildet ist, dass in der Fourierebene der Sammeleinrichtung Intensitätsmaxima von durch die Sammeleinrichtung gesammeltem Licht erzeugbar sind, wobei die Intensitätsmaxima jeweils einer der Mikrolinsen zugeordnet sind, wobei aus dem jeweils erzeugten Intensitätsmaximum durch die jeweils zugeordnete Mikrolinse eines der Lichtstrahlbündel erzeugt ist.
Unter einem Lichtstrahlbündel wird dabei ein Bündel aus Lichtstrahlen verstanden welche im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Bevorzugt weisen die Lichtstrahlbündel einen runden Querschnitt auf. In diesem Fall weisen die Lichtstrahlbündel im Idealfall eine kreiszylindrische Form auf. Aufgrund einer technisch unvermeidbaren Divergenz der Lichtstrahlen eines Lichtstrahlbündels weisen die Lichtstrahlbündel im Realfall allerdings die Form eines Kreiskegels auf. Ein Divergenz- bzw. ein Öffnungswinkel eines Lichtstrahlbündels im Sinne dieser Schrift kann dabei weniger als 2°, bevorzugt weniger als 1°, besonders bevorzugt weniger als 0,5°, betragen.
Bei der Steuereinrichtung kann es sich insbesondere um eine elektronische Steuereinrichtung handeln.
Bei einem Mikrospiegelarray handelt es sich um ein mikroelektromechanisches Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht. Ein Mikrospiegelarray kann aus matrixförmig angeordneten Mikrospiegeln bestehen, wobei die einzelnen Mikrospiegel eine verkippbare spiegelnde Fläche mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern aufweisen. Die Verkippung kann beispielsweise durch die Kraftwirkung elektrostatischer Felder hervorgerufen werden. Dabei kann im Regelfall jeder Mikrospiegel einzeln bezüglich einer oder bezüglich zweier Achsen quer zu einer Spiegelnormalen in seinem Winkel einzeln verstellt werden. Das Mikrospiegelarray kann einige hunderttausende Mikrospiegel aufweisen. Durch die Verkippbarkeit der Mikrospiegel kann das Mikrospiegelarray als einstellbares Beugungsgitter eingesetzt werden, so dass das gebeugte Licht bei geeigneter Verkippung der Mikrospiegel besonders eng begrenzte Intensitätsmaxima ausbildet, welche mit anderen optischen Techniken, wie beispielsweise mit reflektiven oder refraktiven Techniken nicht ohne weiteres erzeugt werden können.
Bei der Beleuchtungseinrichtung kann es sich um jede Beleuchtungseinrichtung handeln, welche kohärentes Licht gleichmäßig auf eine aktive Fläche des Mikrospiegelarrays aufbringen kann.
Weiterhin kann es sich bei der Sammeleinrichtung insbesondere um eine Fourierlinse (Sammellinse) oder um einen Hohlspiegel handeln.
Unter einem Mikrolinsenarray wird dabei ein optisches Bauelement verstanden, welches eine Vielzahl von Mikrolinsen umfasst, welche insbesondere matrixförmig angeordnet sein können.
Die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun die folgende: Kohärentes Licht wird flächig auf das Mikrospiegelarray aufgebracht. Dabei werden durch die Steuereinrichtung die Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays so verkippt, dass für wenigstens eine der Mikrolinsen in der Forierebene der Sammeleinrichtung durch Beugung des kohärenten Lichts an dem Mikrospiegelarray und durch Sammeln des gebeugten Lichts mittels der Sammeleinrichtung ein Intensitätsmaximum des gesammelten Lichts entsteht. Aus dem Intensitätsmaximum des gesammelten Lichts wird dann mittels der dem Intensitätsmaximum zugeordneten Mikrolinse ein Lichtstrahlbündel erzeugt. Aufgrund der bereits angesprochenen engen Begrenzung der mittels der Beugung am Mikrospiegelarray erzeugbaren Intensitätsmaxima weisen die so erzeugten Lichtstrahlbündel einen äußerst geringen Divergenzwinkel auf.
Dabei kann das Mikrospiegelarray so gesteuert werden, dass für jede der vorhandenen Mikrolinsen ein Intensitätsmaximum erzeugt werden kann. Damit kann auch an jeder der Mikrolinsen ein Lichtstrahlbündel erzeugt werden. Werden nun gleichzeitig oder nacheinander mehrere Lichtstrahlbündel erzeugt, so entsteht ein Beleuchtungsmuster aus Lichtstrahlbündeln, welches durch eine entsprechende Programmierung der Steuereinrichtung in einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung zweidimensionalen frei formbar ist.
Damit sind beliebige zweidimensionale Beleuchtungsmuster möglich. Denkbar sind, neben den herkömmlichen geradlinigen oder einfach gekrümmten Beleuchtungsmustern insbesondere mehrfach und beliebig gekrümmte Linien, mehrfach und beliebig geknickte Linien, jeweils durchgezogen oder unterbrochen, aber auch Beleuchtungsmuster wie zum Beispiel: Wellen, Stufen und geschlossene Linien, wie zum Beispiel Kreise.
Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung im Rahmen der Particle Image Velocimetry eingesetzt kann das Beleuchtungsmuster optimal an eine die Strömung begrenzende Wand angepasst werden, auch wenn diese komplex strukturiert ist.
Ein einzelnes frei geformtes Beleuchtungsmuster kann verwendet werden um Strömungsgeschwindigkeiten und Richtungen in zwei Raumdimensionen entlang profilierter Oberflächen zu messen. Werden mehrere korrespondierende Beleuchtungsmuster räumlich versetzt erzeugt, kann die Strömung dreidimensional erfasst werden. Ebenso kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in der 3D- Formvermessung eingesetzt werden.
Das einfallende kohärente Licht kann mittels des Mikrospiegelarrays nahezu verlustfrei umgeformt werden, so dass sich eine hohe Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der Fourierebene der Sammeleinrichtung ein Aperturblendenarray mit einer Vielzahl von Aperturöffnungen angeordnet, wobei die Aperturöffnungen jeweils einer der Mikrolinsen zugeordnet sind.
Bei dem Aperturblendenarray kann es sich um eine einfache Lochblende handeln.
Die Aperturblende blockt unerwünscht gebeugtes Licht, das z.B. durch die Kalibrierunsicherheit der Mikrospiegel entstehen kann und trägt damit maßgeblich zu einem hohen Kontrast des Beleuchtungsmusters bei.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel ausgebildet, dass ein Verkippungswinkel der Mikrospiegel einem ganzzahligen Vielfachen eines Blazewinkels entspricht.
Unter einem Blazewinkel wird dabei ein Winkel verstanden, bei dem das einfallende kohärente Licht vollständig in ein Intensitätsmaximum der 1. Ordnung gebeugt wird. Hierdurch ergibt sich eine hohe Energieeffizienz der Vorrichtung. Weiterhin ergibt sich hierdurch, dass Intensitätsmaxima anderer Ordnungen nicht auftreten, welche unerwünschte Nebenlichtstrahlbündel erzeugen würden. Der Blazewinkel ist insbesondere von der Wellenlänge des einfallenden Lichts, dem Abstand der Mikrospiegel und dem Einfallswinkel des einfallenden Lichts abhängig.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Sequenz zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters eine Vielzahl von Takten aufweist, wobei in jedem Takt wenigstens ein besagtes Lichtstrahlbündel erzeugt ist. Auf diese Weise kann mit gleich bleibender Erzeugungsgeschwindigkeit ein Beleuchtungsmuster erzeugt werden, welches aus einer beliebigen Anzahl von Lichtstrahlbündel zusammengesetzt ist. Die Taktung erleichtert dabei die Synchronisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit anderen Vorrichtungen, beispielsweise mit einer Kamera, welche beispielsweise der Durchführung einer Particle Image Velocimetry dienen.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Takte jeweils einen ersten Teiltakt zum Verkippen der Mikrospiegel, in dem die Beleuchtungseinrichtung ausgeschaltet ist, und einen zweiten Teiltakt zum Erzeugen wenigstens eines besagten Lichtstrahlbündels, in dem die Mikrospiegel unbewegt sind und die Beleuchtungseinrichtung das flächig einfallende kohärente Licht erzeugt, vorgesehen sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass während der Verkippung der Mikrospiegel unkontrolliert Licht abgegeben wird, welches den Kontrast des erzeugten Beleuchtungsmusters verringern würde.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass in jedem Takt genau ein Lichtstrahlbündel erzeugt ist, indem die Mikrospiegel so verkippt sind, dass die Mikrospiegel parallel ausgerichtet sind. Auf diese Weise wirkt das gesamte Mikrospiegelarray als ein so genanntes Blazegitter, so dass ein besonders scharf begrenztes Intensitätsmaximum erzeugt wird, wodurch der Divergenzwinkel des jeweils erzeugten Lichtstrahlbündels minimiert wird. Zudem kann so die Energie eines Lichtstrahlbündels maximiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass in jedem Takt mehrere Lichtstrahlbündel erzeugt sind, wobei jedes der mehreren Lichtstrahlbündel durch eine Gruppe der Mikrospiegel erzeugt ist, welche so verkippt sind, dass die Mikrospiegel innerhalb einer der Gruppen der Mikrospiegel parallel ausgerichtet sind. In dieser Ausführungsform wirkt das Mikrospiegelarray wie eine Vielzahl von Blazegittern, wobei jede der Gruppe der Mikrospiegel ein kleines Gitter bildet. Auf diese Weise kann die Erzeugungsgeschwindigkeit der Beleuchtungsmuster erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrospiegel durch die Steuereinrichtung um zwei Achsen verkippbar, wobei eine Position eines besagten Intensitätsmaximums des gesammelten Lichts auf dem Aperturblendenarray zweidimensional durch die Steuereinrichtung steuerbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, an jeder beliebiger Aperturöffnung ein Intensitätsmaximum unter Verwendung sämtlicher Mikrospiegel zu erzeugen, so dass ein besonders scharf begrenztes Intensitätsmaximum erzeugt wird, wodurch der Divergenzwinkel des jeweils erzeugten Lichtstrahlbündels minimiert wird. Zudem kann so die Energie eines Lichtstrahlbündels maximiert werden.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrospiegel durch die Steuereinrichtung jeweils um genau eine Achse verkippbar, wobei Positionen mehrerer besagter Intensitätsmaxima des gesammelten Lichts auf dem Aperturblendenarray jeweils längs einer Geraden durch die Steuereinrichtung steuerbar sind, wobei die Geraden verschiedener Intensitätsmaxima beabstandet und parallel verlaufen. Bei diesem Ausführungsbeispiel können gleichzeitig mehrere Lichtbündel erzeugt werden, welche in einer ersten Richtung beabstandet sind, und welche in einer zweiten quer dazu angeordneten Richtung verschiebbar sind. Auf diese Weise können mit einem vereinfachten Mikrospiegelarray zweidimensionale Beleuchtungsmuster mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrospiegel längs einer gemeinsamen Spiegelarrayebene angeordnet. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau des Mikrospiegelarrays.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung so ausgebildet, dass das flächig einfallende kohärente Licht senkrecht auf das Mikrospiegelarray einfällt. Hierdurch vereinfachen sich die Berechnungen, die zur Einstellung der Mikrospiegelarrays erforderlich sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Beleuchtungseinrichtung einen Laser, vorzugsweise einen Pulslaser. Mittels eines Lasers ist es möglich, kohärentes Licht mit hoher Leistungsdichte herzustellen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Aperturöffnungen einen runden Querschnitt auf. Hierdurch kann eine Anpassung der Form der Aperturöffnungen an die Form der Intensitätsmaxima erreicht werden, welche zumindest näherungsweise ebenfalls rund sind.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung überlappen benachbarte Lichtstrahlbündel des Beleuchtungsmusters in einem von dem Mikrolinsenarray aus gemessenen Arbeitsabstand, so dass ein linienförmiges Beleuchtungsmuster entsteht. Auf diese Weise können Beleuchtungsmuster in Form eines durchgehenden flächigen Lichtblatts erzeugt werden.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrolinsen in einer Ebene angeordnet. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau der Vorrichtung.
Weiterhin vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen, umfassend:

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Beleuchtungsmusters aus Lichtstrahlbündeln nach der hier beschriebenen Art; und
eine Kamera zum Aufnehmen des Beleuchtungsmusters, wobei ein Objektiv der Kamera so angeordnet ist, dass eine optische Achse des Objektivs quer zu einer Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlbündel des Beleuchtungsmusters angeordnet ist, und wobei eine Belichtungszeit der Kamera durch die Steuerung derart steuerbar ist, dass sämtliche Lichtstrahlbündel eines der Beleuchtungsmuster in einem mit der Kamera gemachten Bild aufgenommen sind.

Auf diese Weise ergibt sich eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung von optischen Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen. Insbesondere können so wandnahe Messungen an stark strukturierten Wänden durchgeführt werden, was mit den vorbekannten Vorrichtungen nicht möglich ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Objektiv ein telezentrisches Objektiv. Hierdurch können Verzerrungen in einem mit der Kamera gemachten Bild vermieden werden.
Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines freigeformten zweidimensionalen Beleuchtungsmusters aus Lichtstrahlbündeln in einer schematischen Darstellung;
2 eine Skizze zur Veranschaulichung des Strahlengangs an einem Mikrospiegel;
3 eine Skizze, bei der ein Intensitätsmaximum 1. Ordnung erzeugt ist;
4 eine Skizze, bei der ein Intensitätsmaximum 2. Ordnung erzeugt ist;
5 eine schematische Darstellung einer Sequenz zur Erzeugung eines Belichtungsmusters;
6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Mikrospiegel um zwei Achsen verkippbar sind;
7 eine Skizze zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Mikrospiegel um eine Achse verkippbar sind;
8 eine Skizze zur Veranschaulichung der Divergenz der Lichtstrahlbündel;
9 eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Differenz der Lichtstrahlbündel;
10 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen in einer schematischen Darstellung;
11 eine Skizze zur Veranschaulichung Funktionsweise der Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluid Strömungen; und
12 eine Fluidströmung entlang eines Messobjekts mit einem Lichtblatt, welches einer Kontur des Messobjekts folgt.

Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Es ist jedoch festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung auch unter Auslassung einzelner der beschriebenen Merkmale umgesetzt werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die in verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch in anderer Weise kombinierbar sind, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder zu Widersprüchen führen würde.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines freigeformten zweidimensionalen Beleuchtungsmusters aus Lichtstrahlbündeln in einer schematischen Darstellung.
Die Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines zweidimensionalen Beleuchtungsmusters BM aus Lichtstrahlbündeln LSB umfasst:

eine Steuereinrichtung 2 zum Steuern einer Sequenz SEQ zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters BM;
ein Mikrospiegelarray 3 zum Beugen von flächig einfallendem kohärentem Licht KL, welches eine Vielzahl von Mikrospiegeln 4 aufweist, welche durch die Steuereinrichtung 2 jeweils wenigstens um eine Achse verkippbar sind;
eine Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 zum Erzeugen des flächig einfallenden kohärenten Lichts KL, welche durch die Steuereinrichtung 2 steuerbar ist;
eine Sammeleinrichtung 8 zum Sammeln von an dem Mikrospiegelarray 3 gebeugtem Licht GL; und
ein Mikrolinsenarray 11 mit einer Vielzahl von Mikrolinsen 12, wobei die Mikrolinsen 12 eine gemeinsame Fourierebene FEM aufweisen, welche deckungsgleich mit einer Fourierebene FEF der Sammeleinrichtung 8 angeordnet ist;
wobei die Steuereinrichtung 2 zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel 4 ausgebildet ist, dass in der Fourierebene FEF der Sammeleinrichtung 8 Intensitätsmaxima IM von durch die Sammeleinrichtung 8 gesammeltem Licht GSL erzeugbar sind, wobei die Intensitätsmaxima (IM) jeweils einer der Mikrolinsen 12 zugeordnet sind, wobei aus dem jeweils erzeugten Intensitätsmaximum IM durch die jeweils zugeordnete Mikrolinse 12 eines der Lichtstrahlbündel LSB erzeugt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der Fourierebene FEF der Sammeleinrichtung 8 ein Aperturblendenarray 9 mit einer Vielzahl von Aperturöffnungen 10 angeordnet, wobei die Aperturöffnungen 10 jeweils einer der Mikrolinsen 12 zugeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 einen Laser 5, vorzugsweise einen Pulslaser 5.
Die Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Pulslaser 5, eine Optik 6 und einen teildurchlässigen Spiegel 7, welche derart angeordnet sind, dass kohärentes Licht KL flächig und gleichmäßig auf das Mikrospiegelarray 3 auftrifft.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 so ausgebildet, dass das flächig einfallende kohärente Licht KL senkrecht auf das Mikrospiegelarray 3 einfällt.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrolinsen 12 in einer Ebene MLE angeordnet.
Wie in 1 dargestellt, kann ein flächig bestrahltes Spiegelarray 3 mit mindestens einer Kippachse Licht in kleinere Strukturen umverteilen. Da die Beleuchtung kohärent ist, sind in der Fourierebene FEF Lichtspots IM erzeugbar, die deutlich kleiner als das Beugungsbild eines Einzelspiegels 4 sind. Das gesamte Mikrospiegelarray 3 mit Durchmesser D_MMA kann zur Erzeugung eines einzigen Lichtspots IM genutzt werden. Dann ergibt sich durch Beugung für dessen Durchmesser d_spot: d_spot = 2,44 f Ä / D_MMA, mit λ der Wellenlange und f die Brennweite der Sammeleinrichtung 8. Die Notwendigkeit kleiner Lichtspots IM wird weiter unten erläutert.
Die Aperturblende 9 steht in der Fourierebene FEF der Sammeleinrichtung 8. Sie blockt unerwünscht gebeugtes Licht, das z.B. durch die Kalibrierunsicherheit der Mikrospiegel 4 entsteht. Die Blende 9 kann aus einem regelmäßigen 2D Lochmuster bestehen. Der Abstand zwischen Aperturblende 9 und den Mikrolinsen 12 entspricht der Brennweite der Mikrolinsen 12. Der Abstand der insbesondere kreisrunden Öffnungen 10 der Aperturblende kann gleich dem des Linsenarrays 11 sein. Aperturblende 9 und Mikrolinsenarray 11 sind so angeordnet, dass jeder Mikrolinse 12 eine Aperturöffnung 10 zugeordnet ist und beide im Allgemeinen dieselbe optische Achse besitzen.
Das Mikrospiegelarray kann kollimiert beleuchtet werden. Das gebeugte Licht GL kann über eine Sammeleinrichtung 8 auf die Aperturblende 9 fokussiert werden. Beugungsspots IM, die die Aperturblende 9 passieren, werden durch das Mikrolinsenarray ins Unendliche abgebildet. Die entstehenden Lichtstrahlbündel LSB weisen die Form von „Lichtzylindern“ mit sehr geringer Divergenz auf. Davon sind exemplarisch fünf dargestellt, welche sequentiell erzeugt werden können. Nebeneinandergesetzt ergeben sie das Beleuchtungsmuster BM.
2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Strahlengangs an einem Mikrospiegel 4.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Mikrospiegel 4 längs einer gemeinsamen Spiegelarrayebene SAE angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der 2 sind drei Mikrospiegel 4 dargestellt, deren Spiegelebene SE um den Verkippungswinkel VK gegenüber der Spiegelarrayebene SAE verkippt ist. Der Verkippungswinkel VK entspricht dabei auch dem Winkel zwischen der Spiegelarraynormalen SAN und der Spiegelnormalen SN.
Da die dargestellten Mikrospiegel 4 denselben Verkippungswinkel VK aufweisen, wirken die Mikrospiegel 4 wie ein Blazegitter. Wenn nun kohärentes Licht KL unter dem Einfallwinkel EIW einfällt und der Verkippungswinkel VK dem Blazewinkel BW entspricht, dann wird das kohärente Licht KL vollständig in die 1. Ordnung gebeugt, wobei das gebeugte Licht GL den Beugungswinkel BEW aufweist.
Der Blazewinkel BW und der Beugungswinkel die BEW sind dabei von dem Spiegelabstand SA, dem Einfallwinkel EIW und der Wellenlänge des kohärenten Lichts KL abhängig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 2 zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel 4 ausgebildet, dass ein Verkippungswinkel VK der Mikrospiegel einem ganzzahligen Vielfachen eines Blazewinkels BW entspricht. Hierdurch ist sichergestellt, dass das kohärente Licht KL stets nur in eine Ordnung gebeugt wird, wobei die ganze Zahl der jeweiligen Ordnung entspricht.
Der Spiegelabstand SA zwischen zwei benachbarten Spiegeln 4 ist durch den Blazewinkel BW des optischen Gitters 3 gegeben, das auf dem Mikrospiegelarray erzeugt wird. Bei senkrecht einfallendem Licht KL gilt in guter Näherung: θ_m=1 = λ / p, mit θ_m=1 dem Blazewinkel BW, p dem Spiegelabstand SA und m der ganzzahligen Nummer der Beugungsordnung. Es gilt zu beachten, dass schmalste Beugungsscheibchen IM in der Fourierebene FEF mit einem reinen Torsionsmikrospiegelarray 3 nur unter ganzzahligen Vielfachen des Blazewinkels BW erzeugbar sind.
3 zeigt eine Skizze, bei der ein Intensitätsmaximum 1. Ordnung erzeugt ist. Dabei umfasst das Mikrospiegelarray 3 drei Mikrospiegel 4, wobei das gebeugte Licht GL von der Sammeleinrichtung 8 gesammelt wird und das gesammelte Licht GSL am Aperturblendenarray 9 ein Intensitätsmaximum IM_m1 erzeugt. Im Falle der 3 beträgt der Einfallwinkel EIW 0°. Sämtliche Mikrospiegel 4 sind um denselben Verkippungswinkel VK vertippt, so dass das Mikrospiegelarray 3 die Funktion eines Blazegitters erfüllt. Der Verkippungswinkel VK entspricht dabei dem Blazewinkel BW, so dass das kohärente Licht KL vollständig in die 1. Ordnung gebeugt ist. Das Mikrospiegelarray 3, die Sammeleinrichtung 8 und die Aperturblende 9 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass das Intensitätsmaximum IM_m=1 der 1. Ordnung mittig an der Aperturöffnung 10₁ erzeugt ist.
4 zeigt eine Skizze, bei der ein Intensitätsmaximum 2. Ordnung erzeugt ist. Im Unterschied zur 3 entspricht der Verkippungswinkel VK dem doppelten Blazewinkel DWW, so dass das kohärente Licht KL vollständig in die 2. Ordnung gebeugt ist. Das Mikrospiegelarray 3, die Sammeleinrichtung 8 und die Aperturblende 9 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass das Intensitätsmaximum IM_m=2 der 2. Ordnung mittig an der Aperturöffnung ₁₀₂ erzeugt ist. Durch die Wahl anderer ganzzahliger Vielfacher des Blazewinkels BW könnten auch Intensitätsmaxima IM an den weiteren Aperturöffnungen 10 erzeugt werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Sequenz zur Erzeugung eines Belichtungsmusters BM. Die Sequenz STQ umfasst die Takte TA1 bis TA5 welche sequenziell in aufsteigender Nummerierung abgearbeitet werden. Auf diese Weise entsteht nach und nach das Beleuchtungsmuster BM, welches die Lichtstrahlbündel LSB1 bis LSB5 umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 2 derart ausgebildet, dass die Sequenz SEQ zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters BM eine Vielzahl von Takten TA aufweist, wobei in jedem Takt TA wenigstens ein besagtes Lichtstrahlbündel LSB erzeugt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 2 derart ausgebildet, dass die Takte TA jeweils einen ersten Teiltakt zum Verkippen der Mikrospiegel 4, in dem die Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 ausgeschaltet ist, und einen zweiten Teiltakt zum Erzeugen wenigstens eines besagten Lichtstrahlbündels LSB, in dem die Mikrospiegel 4 unbewegt sind und die Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 das flächig einfallende kohärente Licht KL erzeugt, vorgesehen sind.
Wie in 5 angedeutet, werden die Lichtstrahlbündel LSB1 bis LSB5 zeitlich nacheinander erzeugt. Das Mikrospiegelarray 3 kann dafür dynamisch als 2D-Blazegitter 3 programmiert sein. Die Ausführung als Blazegitter bedeutet, dass alle Einzelspiegel 4 in die gleiche Richtung gekippt sind. Zu jedem einzelnen Beugungsscheibchen IM in der Fourierebene FEF gehört dabei ein spezieller ein 2D-Kippwinkel, der die Blaze-Bedingung erfüllt. Die minimale Dauer zwischen der Erzeugung zweier aufeinanderfolgender Beugungspunkte IM ist durch den Programmierzyklus des Mikrospiegelarrays 3 gegeben. Die Pulswiederholrate des Lasers 5 muss mindestens so groß sein wie die Taktrate des Mikrospiegelarray 3, um einen synchronen Betrieb zu ermöglichen.
6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, bei der die Mikrospiegel um zwei Achsen verkippbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 2 derart ausgebildet, dass in jedem Takt TA genau ein Lichtstrahlbündel LSB erzeugt ist, indem die Mikrospiegel 4 so verkippt sind, dass die Mikrospiegel 4 parallel ausgerichtet sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrospiegel 4 durch die Steuereinrichtung 2 um zwei Achsen verkippbar, wobei eine Position eines besagten Intensitätsmaximums IM des gesammelten Lichts GLS auf dem Aperturblendenarray 9 zweidimensional durch die Steuereinrichtung 2 steuerbar ist. Hierdurch ist möglich, auch die Position des jeweils erzeugten Lichtstrahlbündels LSE zweidimensional einzustellen.
7 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Mikrospiegel um eine Achse verkippbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 2 derart ausgebildet, dass in jedem Takt TA mehrere Lichtstrahlbündel LSB, insbesondere zeitgleich, erzeugt sind, wobei jedes der mehreren Lichtstrahlbündel LSB durch eine Gruppe 13 der Mikrospiegel 4 erzeugt ist, welche so verkippt sind, dass die Mikrospiegel 4 innerhalb einer der Gruppen 13 der Mikrospiegel 4 parallel ausgerichtet sind. Beispielhaft sind hier Gruppen 13 bis 13.5 dargestellt, wobei die Gruppe 13 das Lichtstrahlbündel LSB1, die Gruppe 13 das Lichtstrahlbündel LSB2, die Gruppe 13 das Lichtstrahlbündel LSB3, die Gruppe 13 das Lichtstrahlbündel LSB4 und die Gruppe 13 das Lichtstrahlbündel LSB 5 erzeugt.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrospiegel durch die Steuereinrichtung 2 jeweils um genau eine Achse verkippbar, wobei Positionen mehrerer besagter Intensitätsmaxima IM des gesammelten Lichts GLS auf dem Aperturblendenarray 9 jeweils längs einer Geraden GE durch die Steuereinrichtung 2 steuerbar sind, wobei die Geraden GE verschiedener Intensitätsmaxima IM beabstandet und parallel verlaufen. Hierdurch ist es möglich, die Positionen der beispielhaft gezeigten Lichtstrahlbündel LSB1 bis LSB5 längs der Geraden GE1 bis GE5 einzustellen. Zweidimensionale Beleuchtungsmuster BM werden dabei dadurch möglich, dass die Geraden GE1 bis GE5 parallel verlaufen, aber beabstandet sind.
8 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Divergenz der Lichtstrahlbündel. Um das ganz rechts dargestellte, in der Arbeitsebene AE liegende Lichtblatt BM zu erzeugen, können, wie ganz links dargestellt, in der Fourierebene FEF der Sammeleinrichtung 8 eine Vielzahl von Lichtpunkten IM sequentiell erzeugt werden. Zeitlich integriert ergibt sich die links gezeigte Vielzahl von Intensitätsmaxima IM in der Fourierebene FEF. Jedes einzelne Intensitätsmaximum wird durch eine ihm zugeordnete Mikrolinse 12 ins Unendliche abgebildet. Durch die Divergenz der Lichtstrahlbündel LSB erweitern sich die Querschnitte der Lichtstrahlbündel ausgehend von der in der Mitte der Figur dargestellten Ebene MLE der Mikrolinsen 12 bis in die Arbeitsebene AE. In der Arbeitsebene AE ergibt sich dadurch das rechts gezeigte Beleuchtungsmuster in Form eines wellenförmigen Lichtblatts. Die Integration der Intensitäten der einzelnen Intensitätsmaxima übernimmt in der Praxis eine Kamera. Die Belichtungsdauer des Kamerachips muss größer sein als die Zeit, die benötigt wird um das gesamte Lichtblatt BM aufzubauen.
9 zeigt eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Differenz der Lichtstrahlbündel.
Naturgemäß wird ein nach 1 erzeugtes Lichtstrahlbündel LSB in Ausbreitungsrichtung divergieren, was einer Verschmierung des Lichtblattprofils gleichkommt. Daher ist in 9 in der Ebene der Mikrolinsen MLE ein Querschnitt des Lichtstrahlbündels LSB kleiner als im Arbeitsabstand AA. Die Ausweitung ist proportional zur Größe der Intensitätsmaxima IM in der Fourierebene FEM. Ein idealer Lichtzylinder hätte den Durchmesser einer Mikrolinse 12. Durch die endliche Größe des Intensitätsmaximums IM weitet sich der reale Lichtzylinder zu einem Kegel auf. Seine Verbreiterung im Arbeitsabstand AA berechnet sich vereinfacht durch Δ = d_spot w / f_a, mit Δ der Verbreiterung, mit d_spot der Breite des Intensitätsmaximums IM, mit w dem Arbeitsabstand AA und mit f_a der Brennweite des Mikrolinsenarrays. Laut Beugungstheorie ist die Breite des Intensitätsmaximums IM umso kleiner, je größer die genutzte Fläche des Mikrospiegelarrays 3 ist, durch das das Intensitätsmaximum IM erzeugt wird. Hierdurch wird ersichtlich, warum es vorteilhaft ist, wenn die gesamte Fläche des Mikrospiegelarrays 3 zur Erzeugung eines Intensitätsmaximums IM eingesetzt wird. Mit anderen Worten kann so die Divergenz verringert werden, so dass die Lichtstrahlbündel LSB nahezu zylinderförmig sind. Mithilfe der Dimensionierungsgleichung D_MMA f_a = Da f, mit D_MMA, dem Durchmesser des Mikrospiegelarrays 3, mit Da, dem Durchmesser der Mikrolinse 12, mit und mit f, der Brennweite der Sammeleinrichtung 8, kann die Lichtblattdicke berechnet werden. Für w = 20 cm und λ = 532 nm ist eine minimale Lichtblattdicke von 1mm realisierbar (ohne Herleitung).
Wie bereits erwähnt, ist die Erzeugung eines Beleuchtungsmusters ebenso mit einem Mikrospiegelarray 3 möglich, dessen Mikrospiegel 4 nur eindimensional kippbar sind. Die Fläche des Mikrospiegelarrays 3 kann dafür in Segmente 13 unterteilt werden. Jedes Segment 13 erzeugt dabei einen Beugungsfleck IM. Die Divergenz des Beleuchtungsmusters DRM ist dann größer und die erzielbare Krümmung geringer als bei der Verwendung von zweidimensional verkippbaren Mikrospiegeln.
Weiterhin sind zusammen- oder auseinanderlaufende Beleuchtungsmuster möglich: Wird in 1 statt eines planen ein sphärisch gekrümmtes Mikrolinsenarray 11 genutzt, werden die Lichtstrahlbündel LSB zusammen- oder fächerartig auseinanderlaufen. Damit kann sich im ersten Fall das Lichtblatt BM in verjüngenden Räumen ohne Streuung an Wänden ausbreiten. Im zweiten Fall kann die Breite des Lichtblattes vergrößert werden. Der Auffächerungswinkel kann dem Divergenzwinkel entsprechen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung überlappen sich benachbarte Lichtstrahlbündel LSB des Beleuchtungsmusters BM in einem von dem Mikrolinsenarray 11 aus gemessenen Arbeitsabstand AA, so dass ein linienförmiges Beleuchtungsmuster BM entsteht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Aperturöffnungen 10 einen runden Querschnitt auf.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 16 zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen in einer schematischen Darstellung.
Die Vorrichtung 16 zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen FSE umfasst:

eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines zweidimensionalen Beleuchtungsmusters BM aus Lichtstrahlbündeln LSB nach einem der Ansprüche 1 bis 14; und
eine Kamera 14 zum Aufnehmen des Beleuchtungsmusters BM, wobei ein Objektiv 15 der Kamera 14 so angeordnet ist dass, eine optische Achse des Objektivs 15 quer zu einer Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlbündel LSB des Beleuchtungsmusters BM angeordnet ist, und wobei eine Belichtungszeit der Kamera 14 durch die Steuerung 2 derart steuerbar ist, dass sämtliche Lichtstrahlbündel LSB eines der Beleuchtungsmuster BM in einem mit der Kamera gemachten Bild BI aufgenommen sind.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Objektiv 15 ein telezentrisches Objektiv 15.
Um die beschriebene Vorrichtung 1 im Rahmen der PIV einsetzen zu können, darf die Geschwindigkeit eines Spurpartikels in der Fluidströmung FSE nicht beliebig hoch sein. Im Allgemeinen soll das Partikel langsamer sein als die Dicke des Lichtblatt BM geteilt durch den zeitlichen Abstand des aufgenommenen Doppelbildes. Beispielhaft ergibt sich für eine Lichtblattdicke von 1 mm und einen zeitlichen Abstand von 100 µs eine maximal zulässige Geschwindigkeit der Strömung von 10 m/s.
Das Mikrospiegelarray 3 und die Beleuchtungseinrichtung 5, 6, 7 können so synchronisiert sein, dass die Beleuchtungseinrichtung genau zu jenem Zeitpunkt das Mikrospiegelarray 3 belichtet, in dem dessen Mikrospiegel 4 vollständig ausgerichtet sind.
In 10 ist zwischen dem Mikrolinsenarray 11 und dem Objektiv 15 der Kamera 14 ein transparenter Strömungskanal SK angeordnet, in dem die zu untersuchende Fluidströmungen FSE geführt ist.
Die optische Abbildung der Spurpartikel, die sich im strukturierten Lichtblatt befinden, kann über telezentrische Objektive erfolgen. Damit werden perspektivische Verzerrungen und Defokussierungseffekte unterdrückt. Bei Wahl eines Standardobjektivs können die perspektivischen Verzerrungen herauskalibriert werden. Dazu wird ein Lichtstrahlbündel an einer Position im Raum statisch erzeugt. Streuzentren innerhalb des Lichtkegels können als Kalibrierobjekte dienen. Dieses Vorgehen kann dann für beliebige weitere Positionen im Raum wiederholt werden.
Komplex geformte Oberflächen können Strömungswiderstände minimieren oder Strömungen lenken. Die entstehenden Strömungen sind von wissenschaftlichem Interesse, ihre Vermessung ist jedoch herausfordernd. Streulicht an der Wand kann Streulicht, das von Spurpartikeln zurückgesandt wird, überlagern. Hierdurch kann das Signal-zu-Rausch Verhältnis sinken. Konkret würde ein planes Lichtblatt z.B. an den „Hügeln“ einer welligen Oberflache gestreut. Die Senken der Oberflache werden eventuell nicht beleuchtet. Eine Beleuchtung, die der Wand zumindest in 2D folgt (siehe 11), ist dem klassischen planaren Lichtblatt daher überlegen. 11 verdeutlicht, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung praktisch jede 2D Geometrie für ein Beleuchtungsmuster erzeugt werden kann. Darunter fallen sowohl Krümmungen beliebiger Radien als auch Stufen oder geschlossene geometrische Figuren, wie Kreise oder Vielecke. In der Tiefe kann das Lichtblatt nicht gekrümmt werden. Es ist geradlinig in Propagationsrichtung des Lichts.
Die Geschwindigkeit, mit der das Lichtblatt erzeugt wird, kann durch Segmentierung der MMA Spiegelflache proportional zur Segmentanzahl erhöht werden. Mit jedem Segment wird dabei zur gleichen Zeit ein Intensitätsmaximum IM in der Fourierebene FEF erzeugt. Der Parallelbetrieb mehrerer MMAs könnte die Schreibgeschwindigkeit weiter erhöhen.
Volumina können gescannt werden, indem sequentiell mehrere Beleuchtungsmuster BM im Raum erzeugt werden. 3D strukturierte Beleuchtung wird für 3D Strömungsmessverfahren verwendet, wie z.B. in [3] beschrieben oder auch zur Triangulation, wie z.B. In [4] beschrieben. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann ein kompaktes 3D-PIV System aufgebaut werden, das beliebig geformte Beleuchtungsmuster generiert.
Technische Anwendungsgebiete sind insbesondere:

1. Erzeugung von Freiform-Lichtblättern mit 1-3 mm Dicke und sehr hoher Leistungsdichte. Die Breite des Lichtblattes hängt ab vom Durchmesser der Sammeleinrichtung. Mögliche Formen der Freiform Lichtblattprofile sind: Hyperbeln, Halbkreise, Vielecke, Stufen, Wellen, welche insbesondere in der 2D- Strömungsmessung verwendet werden können.
2. Erzeugung strukturierter Beleuchtung für 3D Geschwindigkeitsmessverfahren, z.B. für scannende tomographische Triangulationsverfahren.
3. Erzeugung einer Projektionsbeleuchtung zur 3D Formvermessung.
4. 3D-Mikroskopie.
5. Optisch induzierter Transport.

Die Erfindung ermöglicht eine kompakte Bauweise für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Beleuchtungsmustern, da sie keine rotierenden, spiegelnden Körper mit hoher Masse aufweist.
Bei gleichzeitig hoher Schreibgeschwindigkeit des Lichtblattes ist eine hohe Lichtleistung nutzbar, da die Gesamtfläche der genutzten Mikrospiegel 4 mehrere cm² messen kann.
Die Schreibgeschwindigkeit, mit der das Lichtblatt BM aufgebaut werden kann, ist konstant über die gesamte Breite des Lichtblatt BM. Die Schreibgeschwindigkeit, mit der mehrere im Raum versetzte Lichtblätter erzeugt werden, ist konstant.
11 zeigt eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Vorrichtung 16 zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen FSE. Dargestellt ist ein Strömungskanal SK der an einer Seite eine wellenförmige Wand WW aufweist. Das Beleuchtungsmuster BM passt sich dabei an die wellenförmige Wand WW an, so dass eine wandnahe Vermessung der Fluidströmung FSE möglich ist. Die Kamera 14 mit dem Objektiv 15 ist dabei so angeordnet, dass eine optische Achse des Objektivs 15 quer zu einer Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlbündel LSB des Beleuchtungsmusters BM angeordnet ist.
12 zeigt eine Fluidströmung FSE entlang eines Messobjekts MO. Auch hier ist das Beleuchtungsmuster BM an eine Wand des Messeobjekts MO angepasst.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Erzeugung eines freigeformten zweidimensionalen Beleuchtungsmusters aus Lichtstrahlbündeln
2: Steuereinrichtung
3: Mikrospiegelarray
4: Mikrospiegel
5: Pulslaser
6: Optik
7: semitransparenter Spiegel
8: Sammeleinrichtung
9: Aperturblendenarray
10: Aperturöffnungen
11: Mikrolinsenarray
12: Mikrolinsen
13: Gruppe
14: Kamera
15: Objektiv
16: Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen
BM: Beleuchtungsmuster
LSB: Lichtstrahlbündel
KL: flächig einfallendes kohärentes Licht
GL: gebeugtes Licht
FEF: Fourierebene der Sammeleinrichtung
FEM: Fourierebene der Mikrolinsen
IM: Intensitätsmaximum
VK: Verkippungswinkel
BW: Blazewinkel
SAE: Spiegelarrayebene
SE: Spiegelebene
SAN: Spiegelarraynormale
SN: Spiegelnormale
EIW: Einfallwinkel
BEW: Beugungswinkel
SA: Spiegelabstand
SEQ: Sequenz
TA: Takt
MLE: Ebene der Mikrolinsen
GE: Gerade
AE: Arbeitsebene
AA: Arbeitsabstand
SK: Strömungskanal
FSE: Fluidströmung
WW: wellenförmige Wand
BI: Bild

Quellen:

[1] Estevadeordal, Jordi; Marks, Christopher; Sondergaard, Rolf; Wolff, Mitch (2011): Curved laser-sheet for conformal surface flow diagnostics. In: Exp Fluids 50 (3), S. 7 61-768.
[2] Mulder, Melchior; Engelen, Andre; Noordman, Oscar; Kazinczi, Robert; Streutker, Gert; van Drieenhuizen, Bert et al.: Performance of a programmable illuminator for generation of freeform sources on high NA immersion systems, Bd. 75 20. Online verfugbar unter http:/ /dx.doi.org/10.1117 /12.83 703 5.
[3] Brücker, C. (1995) Digital-Particle-Image-Velocimetry (DPIV) in a scanning light-sheet: 30 starting flow around a short cylinder. Exp Fluids 19 (4): 255-263.
[4] Skupsch, C.; Brücker, C. (2013) Multiple-plane particle image velocimetry using a light-field camera. Opt. Express 21 (2): 1726-1740.
[5] US 8,629,978 B1 .
[6] Bich, A. [u.a.]: Multifunctional Micro-Optical Elements for Laser Beam. In: Photon Processing in Microelectronics and Photonics VII Proc. Of SPIE Vol. 6879, 2008, S. 1-12.
[7] US 2008/0180648 A1 .

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Beleuchtungsmusters (BM) aus Lichtstrahlbündeln (LSB), umfassend eine Steuereinrichtung (2), welche zum Steuern einer Sequenz (SEQ) zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters (BM) ausgebildet ist; ein Mikrospiegelarray (3), welches zum Beugen von flächig einfallendem kohärentem Licht (KL) ausgebildet ist, und welches eine Vielzahl von Mikrospiegeln (4) aufweist, welche durch die Steuereinrichtung (2) jeweils wenigstens um eine Achse verkippbar sind; eine Beleuchtungseinrichtung (5, 6, 7), welche zum Erzeugen des flächig einfallenden kohärenten Lichts (KL) ausgebildet ist, und welche durch die Steuereinrichtung (2) steuerbar ist; eine Sammeleinrichtung (8), welche zum Sammeln von an dem Mikrospiegelarray (3) gebeugtem Licht (GL) ausgebildet ist; und ein Mikrolinsenarray (11) mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (12), wobei die Mikrolinsen (12) eine gemeinsame Fourierebene (FEM) aufweisen, welche deckungsgleich mit einer Fourierebene (FEF) der Sammeleinrichtung (8) angeordnet ist; wobei die Steuereinrichtung (2) zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel (4) ausgebildet ist, dass in der Fourierebene (FEF) der Sammeleinrichtung (8) Intensitätsmaxima (IM) von durch die Sammeleinrichtung (8) gesammeltem Licht (GSL) erzeugt werden, wobei die Intensitätsmaxima (IM) jeweils einer der Mikrolinsen (12) zugeordnet sind, wobei aus dem jeweils erzeugten Intensitätsmaximum (IM) durch die jeweils zugeordnete Mikrolinse (12) eines der Lichtstrahlbündel (LSB) erzeugt ist; wobei die Lichtstrahlbündel (LSB) jeweils aus Lichtstrahlen bestehen, die im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind, so dass Öffnungswinkel der Lichtstrahlbündel (LSB) jeweils weniger als 2° betragen.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei in der Fourierebene (FEF) der Sammeleinrichtung (8) ein Aperturblendenarray (9) mit einer Vielzahl von Aperturöffnungen (10) angeordnet ist, wobei die Aperturöffnungen (10) jeweils einer der Mikrolinsen (12) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (2) zum derartigen Verkippen der Mikrospiegel (4) ausgebildet ist, dass ein Verkippungswinkel (VK) der Mikrospiegel (4) einem ganzzahligen Vielfachen eines Blazewinkels (BW) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (2) derart ausgebildet ist, dass die Sequenz (SEQ) zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters (BM) eine Vielzahl von Takten (TA) aufweist, wobei in jedem Takt (TA) wenigstens ein besagtes Lichtstrahlbündel (LSB) erzeugt ist.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (2) derart ausgebildet ist, dass die Takte (TA) jeweils einen ersten Teiltakt zum Verkippen der Mikrospiegel (4), in dem die Beleuchtungseinrichtung (5, 6, 7) ausgeschaltet ist, und einen zweiten Teiltakt zum Erzeugen wenigstens eines besagten Lichtstrahlbündels (LSB), in dem die Mikrospiegel (4) unbewegt sind und die Beleuchtungseinrichtung (5, 6, 7) das flächig einfallende kohärente Licht (KL) erzeugt, aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Steuereinrichtung (2) derart ausgebildet ist, dass in jedem Takt (TA) genau ein Lichtstrahlbündel (LSB) erzeugt ist, indem die Mikrospiegel (4) so verkippt sind, dass die Mikrospiegel (4) parallel ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Steuereinrichtung (2) derart ausgebildet ist, dass in jedem Takt (TA) mehrere Lichtstrahlbündel (LSB) erzeugt sind, wobei jedes der mehreren Lichtstrahlbündel (LSB) durch eine Gruppe (13) der Mikrospiegel (4) erzeugt ist, welche so verkippt sind, dass die Mikrospiegel (4) innerhalb einer der Gruppen (13) der Mikrospiegel (4) parallel ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Mikrospiegel (4) durch die Steuereinrichtung (2) um zwei Achsen verkippbar sind, wobei eine Position eines besagten Intensitätsmaximums (IM) des gesammelten Lichts (GLS) auf dem Aperturblendenarray (9) zweidimensional durch die Steuereinrichtung (2) steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Mikrospiegel (4) durch die Steuereinrichtung (2) jeweils um genau eine Achse verkippbar sind, wobei Positionen mehrerer besagter Intensitätsmaxima (IM) des gesammelten Lichts (GLS) auf dem Aperturblendenarray (9) jeweils längs einer Geraden (GE) durch die Steuereinrichtung (2) steuerbar sind, wobei die Geraden (GE) verschiedener Intensitätsmaxima (IM) beabstandet und parallel verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikrospiegel (4) längs einer gemeinsamen Spiegelarrayebene (SAE) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (5, 6, 7) so ausgebildet ist, dass das flächig einfallende kohärente Licht (KL) senkrecht auf das Mikrospiegelarray (3) einfällt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (5, 6, 7) einen Laser (5), vorzugsweise einen Pulslaser (5), umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die Aperturöffnungen (10) einen runden Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich benachbarte Lichtstrahlbündel (LSB) des Beleuchtungsmusters (BM) in einem von dem Mikrolinsenarray (11) aus gemessenen Arbeitsabstand (AA) überlappen, so dass ein linienförmiges Beleuchtungsmuster (BM) entsteht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikrolinsen (12) in einer Ebene (MLE) angeordnet sind.
Vorrichtung zur optischen Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluidströmungen (FSE), umfassend: eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines zweidimensionalen Beleuchtungsmusters (BM) aus Lichtstrahlbündeln (LSB) nach einem der Ansprüche 1 bis 15; und eine Kamera (14) zum Aufnehmen des Beleuchtungsmusters (BM), wobei ein Objektiv (15) der Kamera (14) so angeordnet ist, dass eine optische Achse des Objektivs (15) quer zu einer Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlbündel (LSB) des Beleuchtungsmusters (BM) angeordnet ist, und wobei eine Belichtungszeit der Kamera (14) durch die Steuerung (2) derart steuerbar ist, dass sämtliche Lichtstrahlbündel (LSB) eines der Beleuchtungsmuster (BM) in einem mit der Kamera gemachten Bild (Bl) aufgenommen sind.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei das Objektiv (15) ein telezentrisches Objektiv (15) ist.