DE102020101499A1

DE102020101499A1 - Vorrichtung zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts

Info

Publication number: DE102020101499A1
Application number: DE102020101499.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Neuber
Original assignee: Air Profile GmbH
Current assignee: Air Profile GmbH
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts, das sich in einer Messdistanz relativ zur Vorrichtung in einem Detektionsbereich bewegt und aus einer Lichtquelle stammendes Licht reflektiert, wobei das Objekt reflektiertes Licht erzeugt, das von dem Detektionsbereich ausgeht, mit einem Objektiv, einem Modulator, einer Empfangsoptik und einem Lichtdetektor, wobei das Objektiv das von dem Objekt im Detektionsbereich erzeugte reflektierte Licht erfasst und auf den Modulator abbildet, wobei der Modulator das reflektierte Licht in eine Abfolge von Lichtsignalen moduliert, wobei die Empfangsoptik die von dem Modulator erzeugte Abfolge von Lichtsignalen auf den Lichtdetektor abbildet, und wobei der Lichtdetektor die Abfolge von Lichtsignalen in eine Abfolge von elektronischen Signalen umwandelt, und mit einer Schnittstelle, welche die von dem Lichtdetektor erzeugte Abfolge von elektronischen Signalen an eine Auswerteeinheit weiterleitet, und wobei der Modulator ein mikroelektromechanisches und programmierbares Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht ist. Bevorzugt ist der Modulator ein Mikrospiegelaktor, namentlich ein Flächenlichtmodulator mit Einzelspiegeln, die eine Spiegelmatrix bilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts, das sich in einem Abstand relativ zur Vorrichtung in einem Detektionsbereich bewegt und aus einer Lichtquelle stammendes Licht reflektiert, wobei das Objekt reflektiertes Licht erzeugt, das von dem Detektionsbereich ausgeht.
Hintergrund der Erfindung
In zahlreichen Anwendungsgebieten ist die Erfassung der Geschwindigkeit eines Objekts notwendig oder gewünscht, beispielweise die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs oder einer Person, die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit oder die Windgeschwindigkeit in einer bestimmten Höhe über dem Boden.
Für die Messung von Windgeschwindigkeiten wurden sogenannte LiDAR-Systeme entwickelt (Light Detection And Ranging). Das von einem Laser ausgesendete Licht wird an Luftpartikeln (Aerosolen) in der Luftströmung reflektiert und von einer Messvorrichtung empfangen und ausgewertet.
Die Genauigkeit dieser Geräte ist nur unter gewissen physikalischen Annahmen ausreichend und muss durch regelmäßige Vergleichsmessungen mit Referenz-Messmasten verifiziert werden. Hinzu kommt, dass herkömmliche LiDAR-Systeme ungeeignet sind, transversale Geschwindigkeitskomponenten zu erfassen.
Um dem zu begegnen, wurden LiDAR-Systeme entwickelt, die den longitudinalen DopplerEffekt ausnutzen. Zur Ermittlung einer transversalen Geschwindigkeitskomponente wird der Laser um ca. 15° gegen seine vertikale Achse geneigt und um diese Achse rotiert. Der Laserstrahl beschreibt somit einen Messkegel, über den die zum Laserstrahl longitudinale Komponente der Windgeschwindigkeit gemessen und daraus ein Mittelwert der horizontalen Windgeschwindigkeit berechnet wird.
Problematisch hierbei ist, dass der Durchmesser des Messkegels bei zunehmender Höhe immer größer wird. Hinzu kommt, dass die Messungen in stark strukturierten Topographien nicht ausreichend genau sind.
Die Laser Doppler Anemometrie ist ebenfalls ein berührungsloses Messverfahren zur punktuellen Bestimmung von Geschwindigkeitskomponenten. Diese Messmethode nutzt ein feststehendes Gitter, welches durch Laserinterferenz erzeugt wird. Objekte, die das Gitter passieren und dabei angeleuchtet werden, erzeugen ein Streulicht. Die Frequenz des Streulichtes ist proportional zur Geschwindigkeit des Objektes.
Problematisch mit diesem Messverfahren ist die Erfassung geringer Geschwindigkeiten, weil die Frequenz eines Objektes mit geringer Geschwindigkeit nahe der 0-Frequenz liegt und das Messsignal in diesem Messbereich durch unterschiedliche Einflüsse, z.B. Sensorrauschen, sehr störanfällig ist.
Auf Basis der Laser Doppler Anemometrie schlägt EP 2 062 058 A1 zur Messung einer transversalen Geschwindigkeitskomponente eine Vorrichtung vor, bei der ein kollimierter Laserstrahl in Richtung eines Detektionsbereichs ausgesendet wird, wobei die Gitterstruktur eines Modulators in den Detektionsbereich projiziert wird.
Von Nachteil hierbei ist, dass ein Großteil der Laserleistung durch den Modulator absorbiert wird, so dass ein entsprechend leistungsstarker Laser verwendet werden muss. Um beide Komponenten einer transversalen Geschwindigkeit zu erfassen, sind zudem zwei Messungen erforderlich, wobei der Modulator um 90° verdreht werden muss. Die Vorrichtung bietet ferner nur eingeschränkte Möglichkeiten zur Parametrisierung, wodurch die Einstellbarkeit auf unterschiedliche Messdistanzen erschwert und die Messgenauigkeit eingeschränkt ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts zu schaffen, die mit einfachen Mitteln kostengünstig aufgebaut ist und eine ebenso effiziente wie wirtschaftliche Messung von Objektgeschwindigkeiten, insbesondere von Windgeschwindigkeiten in großen Höhen, ermöglicht. Angestrebt werden ferner eine hohe, an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbare Ortsauflösung sowie eine hohe Messgenauigkeit.
Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe
Hauptmerkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15.
Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts, das sich in einer Messdistanz relativ zur Vorrichtung in einem Detektionsbereich bewegt und aus einer Lichtquelle stammendes Licht reflektiert, wobei das Objekt reflektiertes Licht erzeugt, das von dem Detektionsbereich ausgeht,

■ mit einem Objektiv, einem Modulator, einer Empfangsoptik und einem Lichtdetektor,
■ wobei das Objektiv das von dem Objekt im Detektionsbereich erzeugte reflektierte Licht erfasst und auf den Modulator abbildet,
■ wobei der Modulator das reflektierte Licht in eine Abfolge von Lichtsignalen moduliert,
■ wobei die Empfangsoptik die von dem Modulator erzeugte Abfolge von Lichtsignalen auf den Lichtdetektor abbildet, und
■ wobei der Lichtdetektor die Abfolge von Lichtsignalen in eine Abfolge von elektronischen Signalen umwandelt, und
■ mit einer Schnittstelle, welche die von dem Lichtdetektor erzeugte Abfolge von elektronischen Signalen an eine Auswerteeinheit weiterleitet, und
■ wobei der Modulator ein mikroelektromechanisches und programmierbares Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht ist.

Die Vorrichtung erfasst damit unmittelbar das von einem Objekt reflektierte Licht, wobei sich das Objekt - beispielsweise ein Fahrzeug, eine Person, ein Flüssigkeitstropfen, ein Aerosolpartikel, ein Aerosol, o.dgl., durch einen von der Vorrichtung definierten Detektionsbereich hindurch bewegt. Dieses reflektierte Lichtsignal wird daher zunächst unverändert von dem Objektiv auf den Modulator abgebildet, von diesem moduliert und anschließend mittels der Empfangsoptik als Abfolge von Lichtsignalen auf den Lichtdetektor abgebildet. Dieser erfasst mithin eine Abfolge von Lichtintensitätsänderungen, aus deren Frequenz - nach Umwandlung der Lichtsignale in elektronische Signale - mittels der Auswerteeinheit die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden kann.
Die Anordnung der Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht einen kompakten und robusten Aufbau, der gegenüber den bislang bekannten Systemen sehr viel kostengünstiger und platzsparender realisierbar ist. Durch den Modulator entstehen keine störenden Interferenzen. Die von dem Modulator erzeugte Abfolge von Lichtsignalen wird vielmehr innerhalb des Gehäuses auf jede empfangene Lichtreflexion moduliert. Mit dem Objektiv lässt sich auf einfache Weise der Detektionsbereich im Abstand zur Vorrichtung definieren. Zudem kann die Vergrößerung des auf dem Modulator ausgebildeten Gittermusters mittels der Brennweite des Objektivs gesteuert werden. Durch eine deutlich höhere Lichtintensität des einfallenden reflektierten Lichts und eine entsprechend höhere Strahlleistung vereinfacht sich die Detektion der Abfolge von Lichtsignalen, die der Modulator erzeugt und über die Empfangsoptik auf dem Lichtdetektor abbildet.
Durch die Ausbildung des Modulators als mikroelektromechanisches und programmierbares Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht erreicht man eine deutlich höhere Genauigkeit, weil mit dem Bauelement ein Interferenzstreifenmuster mit exakt parallel geführten Linien erzeugt werden kann, die stets senkrecht zur Messrichtung liegen. Überdies können die Linien dynamisch parallel verschoben werden, was mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht möglich ist.
Die Vorrichtung besitzt durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung zudem eine hohe Konfigurierbarkeit, weil die Abstände der Linien im Interferenzmuster und somit die Gitterkonstante je nach Messeinsatz und Messdistanz auf beliebige Werde eingestellt werden kann.
Das mikroelektromechanische und programmierbare Bauelement benötigt weder eine sich drehende Scheibe noch einem Motor oder gar ein Getriebe, was sich äußerst günstig auf die mechanische Stabilität und Robustheit der Vorrichtung auswirkt. Mechanisch bewegliche Komponenten werden nicht mehr benötigt. Die Herstellung der Vorrichtung ist damit im Vergleich zu herkömmlichen Systemen äußerst wirtschaftlich.
Die Vorrichtung lässt sich ferner leicht reproduzieren, weil die Kalibrierung der Empfangsoptik mit geringem Aufwand verbunden ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Objektiv, der Modulator, die Empfangsoptik und der Lichtdetektor auf einem optischen Empfängerpfad angeordnet sind. Dies ermöglicht eine äußerst kompakte und stabile Anordnung der einzelnen Komponenten, wobei es weiter von Vorteil ist, wenn der Empfängerpfad, auf dem das Objektiv, der Modulator, die Empfangsoptik und der Lichtdetektor angeordnet sind, innerhalb der Vorrichtung, namentlich innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, ausgebildet ist. Dadurch lassen sich die Abmessungen der Vorrichtung deutlich reduzieren.
Gemäß einer weiteren wichtigen Ausgestaltung der Erfindung bildet das Objektiv den Detektionsbereich mit einer definierten Schärfentiefe auf den Modulator ab.
Das Objektiv dient dem Empfang der von dem Objekt reflektierten Lichtsignale, wenn sich das Objekt durch den Detektionsbereich hindurch bewegt. Der Detektionsbereich wird daher von dem Objektiv definiert, indem über die Brennweite und den Fokus die Messdistanz, d.h. der Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Detektionsbereich, festgelegt wird.
Bevorzugt verwendet man als Objektiv ein Spiegellinsenobjektiv (z.B. ein katadioptrisches Objektiv), weil diese Objektive eine große Brennweite mit geringer Baulänge kombinieren. Die Auswahl eines geeigneten Objektivs ist jedoch nicht auf den genannten Typ beschränkt.
Die Schärfentiefe des Objektivs definiert den Distanzbereich, über den das Objektiv das Objekt im Detektionsbereich, z. B. ein Aerosolpartikel, scharf auf den Modulator abbilden kann. Der Bereich der Schärfentiefe wird gewöhnlich begrenzt durch einen Nahpunkt in einem Abstand d_n vom Objektiv, der kleiner ist als die Messdistanz g, und einen Fernpunkt in einem Abstand d_f vom Objektiv, der größer ist als die Messdistanz g.
Die Schärfentiefe $h = d_{f} - d_{n}$
ergibt sich somit aus der Differenz des Abstandes zum Fernpunkt $d_{f} = \frac{g (d_{h} - f)}{(d_{h} - f) + (f - g)}$
und des Abstandes zum Nahpunkt $d_{n} = \frac{g (d_{h} - f)}{(d_{h} - f) + (g - f)}$
Darin sind d_h die Hyperfokaldistanz und f die Brennweite des Objektivs und g die Messdistanz.
Damit definiert die Vorrichtung über das Objektiv den Detektionsbereich in einer bestimmten Entfernung - der Messdistanz, wobei in Abhängigkeit von der Schärfentiefe h und den Abständen d_f und d_n der Zeitbereich der detektierten Photonen, der zur Signalauswertung herangezogen wird, angepasst werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Objektiv das von dem Objekt reflektierte Licht auf einen definierten Bereich des Modulators abbildet. Dabei ist der Modulator vorzugsweise in der Brennebene, d.h. in der Bildebene des Objektivs angeordnet.
Gemäß einer wichtigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Modulator ein Mikrospiegelaktor, namentlich ein Flächenlichtmodulator mit Einzelspiegeln, die eine Spiegelmatrix bilden. Ein solcher Modulator reduziert die Zahl der mechanischen und elektrischen Komponenten innerhalb der Vorrichtung und sorgt für einen dauerhaft robusten Aufbau und für eine hohe Stabilität der Vorrichtung.
Ein Mikrospiegelaktor mit einer Anordnung programmierbarer Einzelspiegel erweitert ferner die Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtung und verbessert deren Messgenauigkeit und Messumfang, insbesondere wenn jeder Einzelspiegel innerhalb der Spiegelmatrix wenigstens zwei definierte räumliche Ausrichtungen einnimmt. Hierbei ist vorgesehen, dass eine erste räumliche Ausrichtung einen aktivierten Zustand eines Einzelspiegels bildet, wobei in diesem aktivierten Zustand der Einzelspiegel derart ausgerichtet ist, dass er das von dem Objektiv auf den Modulator abgebildete reflektierte Licht auf die Empfangsoptik abbildet. Eine zweite räumliche Ausrichtung bildet einen deaktivierten Zustand eines Einzelspiegels, wobei in diesem deaktivierten Zustand der Einzelspiegel derart ausgerichtet ist, dass er das von dem Objektiv auf den Modulator abgebildete reflektierte Licht nicht auf die Empfangsoptik abbildet.
Der Mikrospiegelaktor erzeugt damit aus dem reflektierten Licht eines Objekts, welches sich durch den von der Vorrichtung definierten Detektionsbereich hindurch bewegt hat, ein Streulichtsignal, das über die Empfangsoptik auf den Lichtdetektor abgebildet wird und dessen Frequenz proportional der Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu dem Interferenzstreifenmuster auf dem Mikrospiegelaktor ist.
Zur Vermeidung von unerwünschtem Streulicht innerhalb der Vorrichtung ist vorgesehen, dass jeder Einzelspiegel im deaktivierten Zustand das von dem Objektiv auf den Modulator abgebildete reflektierte Licht auf eine Absorptionsfläche abbildet.
Mit Vorteil ist die räumliche Ausrichtung jedes Einzelspiegels innerhalb der Spiegelmatrix programmierbar ist, vorzugsweise über die Schnittstelle des Detektors oder über eine separate Schnittstelle.
Um das für die Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente geeignete Interferenzstreifenmuster zu erzeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Modulator derart programmiert ist, dass Einzelspiegel, die sich im aktivierten Zustand befinden, auf wenigstens einer Linie liegen, und dass Einzelspiegel, die sich im deaktivierten Zustand befinden, auf wenigstens einer parallel benachbarten Linie liegen, wobei die aktivierten und deaktivierten Einzelspiegel auf der Spiegelmatrix ein Linienmuster mit einer definierten Gitterkonstante bilden. Die Linien, die von den aktivierten Einzelspiegeln gebildet sind, haben eine definierte Breite b_op, während die Linien, die von deaktivierten Einzelspiegeln gebildet sind, eine definierte Breite b_nop aufweisen. Das von den Linien gebildete Linienmuster wird nachfolgend auch als Gitter bezeichnet.
Dieses Gitter des Modulators ist durch eine Grundgitterkonstante G₀ gekennzeichnet, die durch den Linienabstand zweier benachbarter Linien gleicher Art gegeben ist. Die Linienbreiten b_op und b_nop werden über die Programmierung der Einzelspiegel in Abhängigkeit von der jeweiligen Messaufgabe dimensioniert, wobei eine definierte Anzahl von Einzelspiegeln jeweils zu einer Linie zusammengefasst werden.
Bei Messungen von Windgeschwindigkeiten können zu beobachtende Aerosolpartikel als punktförmig betrachtet werden. In diesem Fall können die Linienbreiten b_op und b_nop relativ klein gewählt werden, z.B. bis hinunter zu wenigen Mikrometern. Bei Messungen der Geschwindigkeit von ausgedehnten Objekten, z. B. von Fahrzeugen, muss die Linienbreite unter Berücksichtigung der maximalen Fahrzeuglänge und der Messdistanz bestimmt werden.
Das Linienmuster ist zumindest im definierten Bereich des Modulators ausgebildet, namentlich dort, wo das Objektiv das von dem Objekt reflektierte Licht auf den Modulator abbildet.
Um innerhalb des Detektionsbereichs Objekte und Partikel mit geringen Geschwindigkeiten zuverlässig erfassen und deren Geschwindigkeiten mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln zu können, sieht die Erfindung weiter vor, dass sich das Linienmuster bzw. das Gitter während einer Messung mit der Vorrichtung mit einer definierten Geschwindigkeit und Gitterkonstante über die Spiegelmatrix bewegt. Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn sich das Linienmuster während einer Messung mit der Vorrichtung mit einer definierten Geschwindigkeit und Gitterkonstante im definierten Bereich des Modulators bewegt. Auf diese Weise werden die zu messenden Frequenz der sich langsam bewegenden Objekte auf eine höhere Frequenz verschoben. Ferner werden durch diese Maßnahme unterschiedliche Störeinflüsse, z.B. Sensorrauschen, weitgehend eliminiert.
Eine weitere wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich das Linienmuster auf der Spiegelmatrix während einer Messung mit der Vorrichtung periodisch verändert, wobei periodisch zwei verschiedene Linienmuster auf der Spiegelmatrix ausgebildet werden, namentlich ein erstes Linienmuster und ein zweites Linienmuster, die in einem definierten Winkel zueinander stehen. Dadurch ist es möglich, mit nur einem Messstrang (auf einem optischen Empfängerpfad) zwei Geschwindigkeitskomponenten des Objekts oder Partikels zu erfassen. Die erste Geschwindigkeitskomponente wird mit dem ersten Linienmuster ermittelt, während die zweite Geschwindigkeitskomponenten zeitlich versetzt mit dem zweiten Linienmuster ermittelt wird.
Hierbei wird dem Modulator bevorzugt ein orthogonales Koordinatensystem mit den Achsen x und y zugeordnet, wobei das erste Linienmuster z.B. in Richtung der x-Achse und das zweite Linienmuster z.B. in Richtung der y-Achse ausgerichtet ist.
Folglich können mit nur einem Modulator in nur einem definierten Bereich auf dem Modulator bzw. auf der Spiegelmatrix zwei unterschiedliche, bevorzugt senkrecht aufeinander stehende, Bewegungsrichtungen modulieren werden, ohne dass unterschiedliche Bereiche des Modulators benötigt werden und ohne jede lineare oder rotierende Bewegung des Modulators. Die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung ist äußerst kompakt und robust aufgebaut.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Empfangsoptik ein Linsensystem umfasst. Dieses gewährleistet die Fokussierung der von dem Modulator erzeugten Abfolge von Lichtsignalen auf den Lichtdetektor, wobei dieser in der Brennebene, d.h. in der Bildebene der Empfangsoptik angeordnet ist.
Das Linsensystem umfasst mindestens eine Linse, wobei die Empfangsoptik zudem ein optisches Filter und/oder eine Irisblende aufweisen kann. Die Irisblende dient zur Einstellung des Durchmessers d_Obj des vom Objektiv erfassten Detektionsbereichs. Das optische Filter eliminiert Streulicht aus der Umgebung, welches in das Objektiv gelangt.
Der Durchmesser des Detektionsbereichs d_Obj(g) ist in Abhängigkeit von der Messdistanz g und dem Öffnungsdurchmesser b der Irisblende wie folgt definiert: $d_{O b j} (g) = V (g) \cdot b$
Darin beschreibt $V (g) = g \cdot (\frac{1}{f} - \frac{1}{g})$
die Vergrößerung des Feldes des Detektionsbereichs in der Messdistanz g für ein Objektiv mit der Brennweite f.
Die Empfangsoptik kann ferner einen Transmissionsbereich aufweisen, der auf die Wellenlänge der Lichtquelle eingestellt ist, d.h. mittels der Empfangsoptik besteht die Möglichkeit, eine wellenlängenspezifische Filterung vorzunehmen.
Je nach Anwendungsfall ist der Lichtdetektor beispielsweise ein Photodetektor oder ein Photomultiplier, der auch Lichtsignale sehr geringer Intensität bis hinunter zu einzelnen Photonen registrieren und in elektrische Signale umwandeln kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das von dem Lichtdetektor erzeugte Signal verstärkt wird. Dazu kann ein Verstärker vorgesehen sein, der entweder dem Lichtdetektor, der Schnittstelle oder der Auswerteeinheit zugeordnet ist.
Eine weitere wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Modulatoren, wenigstens zwei Empfangsoptiken und wenigstens zwei Lichtdetektoren vorgesehen sind. Mit einer solchen Ausgestaltung der Vorrichtung können zwei Geschwindigkeitskomponenten eines Objekts oder Partikels simultan gemessen und ermittelt werden, beispielsweise zwei transversale Geschwindigkeitskomponenten von Aerosolpartikeln bei der Vermessung eines Windfeldes.
Zur Gewährleistung eines weiterhin kompakten und robusten Aufbaus der Vorrichtung ist im Strahlengang hinter dem Objektiv ein Strahlteiler angeordnet, der das von dem Objekt reflektierte Licht in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei der Strahlteiler den ersten Teilstrahl auf den ersten Modulator und den zweiten Teilstrahl auf den zweiten Modulator abbildet.
Hierbei sieht die Erfindung weiter vor, dass das Objektiv, der Strahlteiler, der erste Modulator, die erste Empfangsoptik und der erste Lichtdetektor auf einem ersten optischen Empfängerpfad angeordnet sind, während das Objektiv, ein zweiter Modulator, eine zweite Empfangsoptik und ein zweiter Lichtdetektor auf einem zweiten optischen Empfängerpfad angeordnet sind, wobei die Empfängerpfade innerhalb der Vorrichtung, namentlich innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses liegen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der erste Modulator den ersten Teilstrahl in eine erste Abfolge von Lichtsignalen moduliert, wobei die erste Empfangsoptik die von dem ersten Modulator erzeugte Abfolge der ersten Lichtsignale auf den ersten Lichtdetektor abbildet, während der zweite Modulator den zweiten Teilstrahl in eine zweite Abfolge von Lichtsignalen moduliert, wobei die zweite Empfangsoptik die von dem zweiten Modulator erzeugte Abfolge der ersten Lichtsignale auf den zweiten Lichtdetektor abbildet.
Für eine optimierte Licht- und Signalführung ist es von Vorteil, wenn jeder Modulator in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse im optischen Empfängerpfad liegt. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass unerwünschtes Streulicht auf den Modulator und damit auf den Mikrospiegelaktor fällt. Dazu trägt auch bei, wenn das Gehäuse Öffnungen für den Lichteintritt und Lichtaustritt aufweist, wobei eine erste Öffnung dem Objektiv und eine zweite Öffnung der Empfangsoptik zugewandt ist. Jede Öffnung kann ferner mit einem Tubus versehen sein, um die Licht- und Signalführung weiter zu verbessern.
Um das Auftreten von Streulicht weiter zu vermindern, ist oder bildet eine Innenfläche des Gehäuses zumindest abschnittsweise die Absorptionsfläche, welche das von den deaktivierten Einzelspiegeln reflektierte Licht aufnimmt.
Jeder Lichtdetektor wandelt die ihm zugeordnete Abfolge von Lichtsignalen in eine Abfolge von elektronischen Signalen um und leitet diese über die Schnittstelle an die Auswerteeinheit weiter.
Für eine hohe Signalausbeute sieht die Erfindung weiter vor, dass jeder Lichtdetektor in der Brennebene seiner zugeordneten Empfangsoptik angeordnet ist.
Während es für zahlreiche Anwendungen ausreicht, wenn die Lichtquelle eine natürliche Lichtquelle ist, wie beispielsweise das Umgebungslicht oder das Sonnenlicht, sieht eine weitere wichtige Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Lichtquelle für das zu reflektierende Licht ein Laser oder eine inkohärente Lichtquelle ist.
Für Geschwindigkeitsmessungen an größeren Objekten, z.B. Fahrzeugen oder Personen, ist bei ausreichender Beleuchtung, z.B. durch das Tageslicht, keine gesonderte Lichtquelle erforderlich. Man kann aber, wenn die Lichtverhältnisse nicht ausreichen, d.h. wenn die Lichtintensität auf dem Empfängerpfad nicht ausreichend sind, eine künstliche Lichtquelle verwenden. Hierbei kann es sich um einen Laser oder eine inkohärente Lichtquelle handeln.
Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit kann beispielsweise ein cw-Laser oder eine inkohärente Lichtquelle verwendet werden.
Für Messungen der Windgeschwindigkeit wird vorzugsweise ein Pulslaser verwendet.
Damit das von der Lichtquelle emittierte Licht auf das zu vermessende Objekt fällt, ist eine Spiegeloptik vorgesehen, welche das von der Lichtquelle ausgehende Licht in Richtung Detektionsbereich lenkt. Hierbei ist es zudem von Vorteil, wenn die Spiegeloptik das von der Lichtquelle ausgehende Licht in die optische Achse des Objektivs lenkt.
Die Erfindung sieht ferner vor, dass eine Abbildungsoptik vorgesehen ist, welche das von der Lichtquelle ausgehende Licht kollimiert, wobei die Abbildungsoptik vorzugsweise ein Linsensystem umfasst.
Das Linsensystem dient der Formung (Aufweitung und Kollimierung) des von der Lichtquelle erzeugten Lichtsignals. Die Auslegung des Linsensystems erfolgt anhand des folgenden Zusammenhangs: $d (g) = d_{0} + g \cdot φ$
Die angegebene Gleichung beschreibt den Durchmesser des Laserstrahls d(g) in Abhängigkeit von der Messdistanz g, dem Durchmesser d₀ des auslaufenden Laserstrahls nach der Formung und dem durch das Linsensystem bestimmten Divergenzwinkel φ dieses Laserstrahls.
Die Lichtquelle, die Abbildungsoptik und die Spiegeloptik liegen in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf einem optischen Sendepfad. Dieser dient damit der Ausleuchtung des in der vorgegebenen Messdistanz befindlichen Detektionsbereichs, so dass ein dort befindliches, sich ggf. bewegendes Objekt zur Rückstreuung von reflektiertem Licht in Richtung des Empfängerpfads angeregt wird.
Der Sendepfad und der Empfängerpfad sind in einer weiteren Ausbildung der Erfindung am Ausgang der Vorrichtung vor dem Objektiv auf einer optischen Achse zusammengeführt. Dies trägt ebenfalls zu einer äußerst kompakten Bauform der Vorrichtung bei.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle, die Abbildungsoptik und die Spiegeloptik auf einem optischen Sendepfad liegen, wobei die Lichtquelle, die Abbildungsoptik und/oder die Spiegeloptik innerhalb der Vorrichtung angeordnet sind, was sich ebenfalls günstig auf die Abmessungen der Vorrichtung auswirkt.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit aus den Abfolgen der elektronischen Signale wenigstens eine, vorzugsweise zwei Geschwindigkeitskomponenten des Objekts berechnet.
In speziellen Anwendungsfällen, z. B. bei der Messung einer Fahrzeuggeschwindigkeit bei Tageslicht, kann bereits das Umgebungslicht ausreichen, um den Detektionsbereich hinreichend auszuleuchten. In solchen Fällen kann auf den Sendepfad und die darin befindliche Anordnung verzichtet werden.
In der Regel ist aber eine Ausleuchtung des Detektionsbereichs unter Verwendung einer Lichtquelle und der Komponenten auf dem Sendepfad erforderlich.
Für eine kompakte Ausbildung der Vorrichtung ist weiter vorgesehen, dass die Lichtquelle, die Abbildungsoptik und/oder die Spiegeloptik innerhalb der Vorrichtung angeordnet sind.
Um das von dem Lichtdetektor erzeugte Signal, namentlich die Abfolge von aus den Lichtsignalen erzeugten elektronischen Signale, weiter verarbeiten zu können, ist die Schnittstelle vorgesehen. Diese ist über eine Kabelverbindung oder über eine Funkstrecke mit der Auswerteeinheit verbunden.
Die Auswerteeinheit, beispielsweise ein Computer oder Laptop, kann außerhalb und separat von der Vorrichtung ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Schnittstelle über ein Kabel mit dem Computer oder Laptop verbunden. Man kann aber auch eine Funkstrecke, beispielsweise eine Infrarotverbindung oder Bluetooth-Verbindung verwenden.
Die Auswerteeinheit kann aber auch Bestandteil der Vorrichtung sein. In diesem Fall ist die Schnittstelle bevorzugt über eine Kabelverbindung mit der Auswerteeinheit verbunden.
Die Auswerteeinheit weist zweckmäßig einen Speicher auf, der die von dem Lichtdetektor erzeugten Abfolgen von elektronischen Signalen speichert, wobei die Auswerteeinheit aus den Abfolgen dieser elektronischen Signale die Geschwindigkeitskomponenten des Objekts berechnet.
In dem Datenspeicher der Auswerteeinheit wird der zeitliche Verlauf von mindestens einem elektrischen Signal aufgezeichnet und analysiert. Ferner werden die ermittelten Geschwindigkeiten als Funktion der Zeit abgespeichert dem Anwender angezeigt oder in elektronischer Form übermittelt.
Die Performance der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Wesentlichen von der Lichtquelle, dem Objektiv, dem Modulator und dem Photodetektor bestimmt, namentlich von deren Eigenschaften (Parametrisierung).

Eine Grundlage für diese Parametrisierung bildet die aus „Laser Remote Sensing“, Hrsg.: Takashi Fujii, Tetsuo Fukuchi, CRC Press (2005), S. 487, Formel 7.2, bekannte LiDAR-Gleichung

P_{S} = η_{t} \cdot η_{x} \cdot E_{x} \cdot O (g) \cdot T^{2} (\frac{c β}{2}) (\frac{A_{R}}{g^{2}})

mit den in Tabelle 1 erläuterten Parametern. Tabelle 1: Parameter der LiDAR-Gleichung

Ps	Gesammelte Leistung über die Apertur D des Objektivs
E_x	Pulsenergie
η_t	Transmissionsverluste
η_x	Empfangsverluste
T	Atmosphärische Transmissionsverluste
β	Rückstreukoeffizient des beobachteten Objekts im Detektionsbereich
O(g)	Überlappungsfunktion (des Laserstrahls mit dem Detektionsbereich)
A_R	Fläche der Apertur D des Objektivs: A_R=(1/4)πD²
g	Distanz vom Objektiv zum Detektionsbereich (= Messdistanz)
c	Lichtgeschwindigkeit im Medium (z. B. in Luft oder einer Flüssigkeit)

Darin sind η_t und η_x systembedingte Konstanten, bestimmt insbesondere durch die Linsensysteme im Sendepfad und Empfängerpfad. T, β, g, c sind anwendungsspezifische Konstanten. Soll bei mehreren Messdistanzen g gearbeitet werden, so ist die größte Messdistanz in die LiDAR-Gleichung einzusetzen. O(g) beschreibt die Überlappung des Querschnitts des Detektionsbereichs mit dem Querschnitt des Laserstrahls. Es wird von einer optimalen Überlappung ausgegangen, die O(g) = 1 entspräche. Dieser Wert reduziert sich auf O(g) = 0,5, da 50 % der vom Objektiv gesammelten Leistung beim Durchgang durch den Modulator verlorengehen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Windmessung stellt sich wie folgt dar:

An einem ausgewählten Standort wird mit der Vorrichtung - die mit einer entsprechenden Lichtquelle ausgestattet ist - in einer vorgegebenen Messdistanz ein von dem Objektiv vorgegebener Detektionsbereich ausgeleuchtet, vorzugsweise mit kollimiertem Laserlicht.
Ein Objekt, das sich in diesem Detektionsbereich befindet oder sich durch diesen hindurch bewegt, z.B. ein Aerosolpartikel, wird von dem Laserlicht getroffen. Das Objekt reflektiert das auftreffende Licht und erzeugt damit reflektiertes Licht, das von dem Detektionsbereich ausgeht und auf das Objektiv der Vorrichtung trifft.

Das auf den Detektionsbereich fokussierte Objektiv bildet das reflektierte Licht auf einen Bereich des vorzugsweise rotierenden Modulators ab. Dessen Gittermuster bewegt sich hierbei mit einer Frequenz f₀, die von der Ausführung des Gittermusters und von der Drehfrequenz des Modulators bestimmt wird. Anschaulich lässt sich dieser Vorgang als eine Rückwärtsprojektion des vom Rückstreusignal durchlaufenden Bereichs des Modulators in den Detektionsbereich beschreiben.
Das auf der Spiegelmatrix ausgebildete Gittermuster, bestehend aus Linien von aktivierten und deaktivierten Einzelspiegeln, wird somit in den in der Messdistanz g befindlichen Detektionsbereich projiziert, wobei es auf eine Gitterkonstante G vergrößert wird, die so eingestellt wird, dass das Gitter den Detektionsbereich vollständig abdeckt.
Für die Vergrößerung V der Gitterkonstanten G gilt der Zusammenhang: $G (g) = V (g) \cdot G_{0}$
Befindet sich ein ruhendes rückstreuendes Objekt im Detektionsbereich, so erzeugt es hinter dem Modulator ein Signal mit der Nullfrequenz f₀.
Bewegt sich das Objekt mit einer Geschwindigkeit v durch die x-y-Ebene, ändern sich die von den Photodetektoren gemessene Frequenzen zu $f_{x} = f_{0} + Δ f_{x} = n \cdot N_{S p} + v_{x} / G$
$f_{y} = f_{0} + Δ f_{y} = n \cdot N_{S p} + v_{y} / G$
Dabei sind $Δ f_{x} = v_{x} / G$
und $Δ f_{y} = v_{y} / G$
die Frequenzänderungen der beiden Teilsignale gegenüber der Nullfrequenz f₀.
Aus ihnen können bei bekannter Gitterkonstante G unmittelbar die Komponenten v_x und v_y der Geschwindigkeit des punktförmigen Objekts in x-Richtung und in y-Richtung berechnet werden.
Die Frequenzverschiebungen Δf_x bzw. Δf_y sind positiv, wenn das punktförmige Objekt eine der Bewegungsrichtung der spiralförmigen Linien entgegen gerichtete Geschwindigkeitskomponente v_x bzw. v_y aufweist, sie sind negativ, wenn das punktförmige Objekt eine der Bewegungsrichtung der spiralförmigen Linien gleichgerichtete Geschwindigkeitskomponente v_x bzw. v_y aufweist. Betrag |v| und Richtung α der Geschwindigkeit des punktförmigen Objekts sind in bekannter Weise aus den Geschwindigkeitskomponenten v_x und v_y berechenbar: $| v | = \sqrt{v_{x}^{2} + v_{y}^{2}}$
$α = a r c t a n (v_{y} / v_{x})$
Dabei ist α, ausgehend von der x-Achse, im mathematisch positiven Drehsinn (entgegen dem Uhrzeigersinn) zu messen.
Damit die erfindungsgemäße Vorrichtung ein eindeutiges Ergebnis für die Windgeschwindigkeit liefert, ist außerdem sicherzustellen, dass stets die Bedingungen $f_{0} > | Δ f_{x} |, d . h . f_{0} > | v_{x} | / G$
$f_{0} > | Δ f_{y} |, d . h . f_{0} > | v_{y} | / G$
erfüllt sind.
Weiterhin sind die folgenden Bedingungen einzuhalten: $f_{0} + | Δ f_{x} | < P R F / 2$
$f_{0} + | Δ f_{y} | < P R F / 2$
Die Summe aus der Nullfrequenz und dem Betrag der Frequenzverschiebung muss kleiner sein als die halbe Pulswiederholfrequenz, um dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zu genügen.
Wenn die Windrichtung bekannt ist, kann auch mit f₀ = 0, also mit einem starren Modulator, gearbeitet werden. Die Messung liefert dann die Beträge |v_x| und |v_y| der Komponenten v_x und v_y, was in diesem Fall ausreicht.
Sendet das Objekt, dessen Geschwindigkeit zu messen ist, hinreichend viel Licht aus, so ist seine Anregung durch eine Lichtquelle nicht zwingend erforderlich. Es genügt, die Vorrichtung ausschließlich mit den Komponenten des Empfängerpfads auszustatten.
Wichtig für eine kompakte und einfach zu handhabende Bauform ist ferner, dass die Spiegeloptik und die Abbildungsoptik in dem Gehäuse der Vorrichtung derart angeordnet sind, dass der Sendepfad und der Empfängerpfad am Ausgang der Vorrichtung und damit am Ausgang des Messgeräts vor dem Objektiv auf einer optischen Achse zusammengeführt sind.
Figurenliste
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird ein vorteilhafter Weg zur Ausführung der Erfindung mithilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts;
2 eine stark vergrößerte Darstellung eines Modulators in Form eines Mikrospiegelaktors mit einer Spiegelmatrix;
3 eine schematische Darstellung zweier Einzelspiegel eines Mikrospiegelaktors;
4 eine schematische Darstellung einer Spiegelmatrix eines Mikrospiegelaktors; und
5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung eines zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektors eines Objekts.

Die in 1 allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung ist als Messgerät ausgebildet und dient der Windmessung, namentlich zur Ermittlung einer horizontalen bzw. transversalen Geschwindigkeitskomponente v_x und/oder v_y eines Objekts O, namentlich eines Aerosolpartikels, das sich in einer Messdistanz g relativ zur Vorrichtung 10 in einem Detektionsbereich D bewegt. Das Objekt reflektiert aus einer Lichtquelle 20 stammendes Licht L und erzeugt dabei reflektiertes Licht RL, das von dem Detektionsbereich D ausgeht.
Die Windmessung erfolgt bevorzugt bodengestützt, d.h. die Vorrichtung 10 steht auf dem Boden und die Messung wird als vertikale Fernmessung durchgeführt, wobei die horizontalen, d.h. bezogen auf den Lichteinfall in die Vorrichtung transversalen Komponenten v_x und v_y der Windgeschwindigkeit ermittelt werden.
Die Vorrichtung 10 umfasst in einem Gehäuse 12 die Lichtquelle 20, ein Objektiv 30, einen Modulator 40, eine Empfangsoptik 50 und einen Lichtdetektor 60. Ferner weist die Vorrichtung 10 eine Schnittstelle 70 zwischen dem Lichtdetektor 60 und einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit auf. Das Objektiv 30, der Modulator 40, die Empfangsoptik 50 und der Lichtdetektor 60 sind auf einem optischen Empfängerpfad 80 angeordnet und liegen zusammen mit dem Empfängerpfad 80 in dem Gehäuse 12.
Neben der Lichtquelle 20 umfasst die Vorrichtung 10 noch eine Spiegeloptik 90 und eine (nicht gezeigte) Abbildungsoptik mit einem (gleichfalls nicht dargestellten) Linsensystem. Die Lichtquelle 20, bevorzugt ein Laser 22, die Abbildungsoptik und die Spiegeloptik 90 liegen auf einem optischen Sendepfad 190, wobei alle zugehörigen Komponenten ebenfalls in dem Gehäuse 12 untergebracht sind.
Man erkennt in 1 ferner, dass der Laser 22, die Spiegeloptik 90 und die Abbildungsoptik in dem Gehäuse 12 der Vorrichtung 10 derart angeordnet sind, dass der Sendepfad 190 und der Empfängerpfad 80 am Ausgang der Vorrichtung 10 und damit am Ausgang des Messgeräts vor dem Objektiv 30 auf einer optischen Achse zusammengeführt sind. Die Spiegeloptik 90 hat hierzu auf dem Sendepfad 190 einen ersten Umlenkspiegel 92, der vor dem Laser 22 angeordnet ist, sowie einen zweiten Umlenkspiegel 94, der auf der optischen Achse des Empfängerpfads 80 positioniert ist. Die Apertur des Objektivs 30 ist deutlich größer als die Abmessung des ebenfalls auf dem Empfängerpfad 80 liegenden zweiten Umlenkspiegels 94.
Das Linsensystem der Abbildungsoptik umfasst beispielsweise zwei Sammellinsen und dient der Aufweitung des von dem Laser 22 emittierten Laserstrahls L auf einen definierten Durchmesser und zur anschließenden Kollimierung dieses Strahls. Der kollimierte Strahl wird mithilfe der Umlenkspiegel 92, 94 entlang der optischen Achse des Empfängerpfads 80 in Richtung des Detektionsbereichs D emittiert. In einer Messdistanz von z.B. g = 300 m liegt sein die horizontale Ortsauflösung bestimmender Durchmesser d laut Gleichung (6) beispielsweise bei 0,25 m. Wird beispielsweise die Überlappungsfunktion O(g) auf einen Wert von O(g) = 0,5 eingestellt (bei gleichen Anteilen von Linien 47, 57 aus aktivierten und nicht aktivierten Einzelspiegeln 42 und der Spiegelmatrix 42 des Modulators 40 - siehe unten), so ist in der Messdistanz g der Durchmesser d des Laserstrahls L gleich dem Durchmesser d_Obj des vom Objektiv erfassten Detektionsbereichs und gleich der horizontalen Ortsauflösung.
Werden das Verhältnis zwischen den Anteilen von Linien 47, 57 aus aktivierten und nicht aktivierten Einzelspiegeln 42 abweichend von einem Verhältnis 1:1 gewählt, kann der Wert von O(g) auch größer oder kleiner als 0,5 sein.
Der als Lichtquelle 20 verwendete Laser 22 ist beispielsweise ein monochromatischer Pulslaser mit einer Wellenlänge von λ = 532 nm. Ein solcher Laser 22 ist kostengünstig und ermöglicht eine besonders einfache Justage des Messgeräts 10. Die weiteren Laserparameter sind jeweils auf die gewünschte Messdistanz g und das zu vermessende Objekt, hier Aerosolpartikel, abzustimmen.
Das Objektiv, beispielsweise ein Spiegellinsenobjektiv, erfasst das von dem Objekt O im Detektionsbereich D erzeugte reflektierte Licht RL und bildet dieses auf den Modulator 40 ab, wobei das reflektierte Licht RL auf einen ausgewählten ersten Bereich 46 des Modulators 40 fokussiert wird.

Verwendet man beispielsweise ein Objektiv 30 mit einer Apertur D von 35,6 cm (14 inch), einer Brennweite f von 3910 mm und einer Blendenzahl k = f/D = 11, dann ergeben sich für die Schärfentiefe h die in der Tabelle 2 angegebenen Werte. In der rechten Spalte von Tabelle 2 sind die Parameter des Objektivs und die verwendete Laserwellenlänge zusammengefasst. Tabelle 2: Schärfentiefe in Abhängigkeit von der Gegenstandsweite = Messdistanz g

Gegenstandsweite g [m]	Schärfentiefe h [m]	Brennweite f [m]
50	0,05	3,91
100	0,2	Hyperfokaldistanz d_h [m]
150	0,45	97338,38
200	0,8	Zerstreuungskreis Z [mm]
250	1,26	0,01
300	1,83	Blendenzahl k
		11
		Wellenlänge λ [nm]
		532

Der Modulator 40 ist ein fest in dem Gehäuse 12 montiertes mikroelektromechanisches und programmierbares Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht. Bevorzugt wird ein Mikrospiegelaktor 40 verwendet, namentlich ein Flächenlichtmodulator mit Einzelspiegeln 42, die eine Spiegelmatrix 43 bilden (siehe dazu die 2 bis 4).

Jeder Einzelspiegel 42 kann - wie 3 zeigt - durch Programmierung innerhalb der Spiegelmatrix 43 wenigstens zwei definierte räumliche Ausrichtungen 44, 45 einnehmen einnimmt, wobei eine erste räumliche Ausrichtung 44 einen aktivierten Zustand eines Einzelspiegels 42 bildet (in 3 mit „on state“ bezeichnet), wobei in diesem aktivierten Zustand der Einzelspiegel 42 derart ausgerichtet ist, dass er das von dem Objektiv 30 auf den Modulator 40 abgebildete reflektierte Licht RL des Objekts O auf die Empfangsoptik 50 des Lichtdetektors 60 abbildet. Eine zweite räumliche Ausrichtung 45 (in 3 mit „off state“ bezeichnet) bildet einen deaktivierten Zustand eines Einzelspiegels 42, wobei in diesem deaktivierten Zustand der Einzelspiegel 42 derart ausgerichtet ist, dass er das von dem Objektiv 30 auf den Modulator 40 abgebildete reflektierte Licht RL nicht auf die Empfangsoptik 50 abbildet, sondern auf eine Absorptionsfläche 46, die z.B. in einem Gehäuse 62 des Modulators 40 ausgebildet ist. Letzteres liegt - wie der Modulator - im optischen Empfängerpfad 80 und ist mit Öffnungen 63, 64 für den Lichteintritt und Lichtaustritt versehen, wobei eine erste Öffnung 63 dem Objektiv 30 und eine zweite Öffnung 64 der Empfangsoptik 50 zugewandt ist. Vor jeder Öffnung sitzt bevorzugt ein Tubus 66, um Streulicht zu minimieren.
Die räumliche Ausrichtung jedes Einzelspiegels 42 innerhalb der Spiegelmatrix 43 mit einem geeigneten Steuergerät, das über die Schnittstelle 70 oder eine separate (nicht dargestellte) Schnittstelle programmierbar. Dabei wird der Modulator 40 derart programmiert, dass Einzelspiegel 42, die sich im aktivierten Zustand befinden, auf wenigstens einer Linie 47 liegen, während Einzelspiegel 42, die sich im deaktivierten Zustand befinden, auf wenigstens einer parallel benachbarten Linie 57 liegen (siehe dazu 4). Die Linien 47, 57 aus aktivierten und deaktivierten Einzelspiegeln 42 bilden damit auf der Spiegelmatrix 43 ein Linienmuster 48, das aufgrund der unterschiedlichen räumlichen Ausrichtungen 44, 45 der Einzelspiegel 42 eine Art optisches Gitter bilden, das eine definierte Gitterkonstante aufweist.
Durch die aktivierten und deaktivierten Einzelspiegel 42 wird das von dem Objekt O reflektierte Licht RL, beim Durchlaufen des Detektionsbereichs D, von dem Modulator 40 in eine Abfolge von Lichtsignalen (LS) moduliert.
Diese Abfolge von Lichtsignalen LS wird von der Empfangsoptik 50 auf den Lichtdetektor 60 abgebildet, der entsprechend eine Abfolge von elektronischen Signalen ES generiert, die über die Schnittstelle 70 an die Auswerteeinheit weitergeleitet werden.
Stehen die Linien 47, 57 still auf der Spiegelmatrix 43, kann aus den erfassten elektronischen Signalen ES eine Geschwindigkeitskomponente v_x des erfassten Objekts berechnet werden.
Werden die Linien 47, 57 hingegen während einer Messung mit der Vorrichtung 10 mit einer definierten Geschwindigkeit und Gitterkonstante über die Spiegelmatrix 43 bewegt, z.B. in eine Richtung R (siehe 4), wird die zu messende Frequenz von sich langsam bewegenden Objekten O auf eine höhere Frequenz verschoben und es können die Geschwindigkeiten von sehr langsamen Objekten oder Partikeln mit hoher Auflösung und geringen Messfehlern ermittelt werden.
Um zwei horizontale Komponenten v_x, v_y der Geschwindigkeit eines Objekts O bzw. eines Partikels im Detektionsbereich D und damit einen zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektor zu ermitteln, ist vorgesehen, dass sich das Linienmuster 48 auf der Spiegelmatrix 43 während einer Messung mit der Vorrichtung 10 periodisch verändert. Vorzugsweise werden hierzu periodisch mit Hilfe der Einzelspiegel 42 zwei verschiedene Linienmuster 48, 49 auf der Spiegelmatrix 43 ausgebildet, namentlich ein erstes Linienmuster 48 und ein zweites Linienmuster 49, wobei das erste Linienmuster 48 und das zweite Linienmuster 49 in einem definierten Winkel δ zueinander stehen.
Um die beiden Geschwindigkeitskomponenten des zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektors gleichzeitig ermitteln zu können, wird - in einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung - das von dem Objekt O reflektierte Licht RL von einem Strahlteiler 130 in zwei Teilstrahlen RL1 und RL2 aufgeteilt und über zwei Modulatoren 40, 140 und zwei Empfangsoptiken 50, 150 auf zwei Detektoren 60, 160 abgebildet. Jeder Modulator 40 ist auch hier in je einem Gehäuse 62 angeordnet, das jeweils mit Öffnungen 63, 64 versehen ist (siehe dazu 5).
Man erkennt in 5, dass in dem ersten Strahlweg 80 der Modulator 40, die Empfangsoptik 50 und der Lichtdetektor 60 angeordnet sind, während in dem zweiten Strahlweg 180 ein zweiter Modulator 140 , eine zweite Empfangsoptik 150 und ein zweiter Lichtdetektor 160 angeordnet sind. Alle Komponenten befinden sich weiterhin in dem Gehäuse 12.
Zwischen den Empfangsoptiken 50, 150, die vorzugsweise ein Linsensystem aufweisen, kann jeweils noch eine Filtereinheit 155, eine (nicht gezeigte) Irisblende sowie ein (ebenfalls nicht dargestellter) Shutter angeordnet sein. Der Shutter kann geschlossen werden, sobald die eintreffende Strahlung einen vorgegebenen Intensitätsschwellwert überschreitet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Komponenten nicht dargestellt. Dies Konfiguration kann auch für die Ausführungsform der 1 vorgesehen sein.
Das auf der Spiegelmatrix 43 ausgebildete bzw. programmierte Muster weist beispielsweise N_Sp = 64 identische Linien 47 auf, deren Einzelspiegel 42 das von dem Objektiv 30 kommende Licht RL aufgrund ihrer räumlichen Ausrichtung 44 auf die Empfangsoptik 50 reflektieren. Zwischen zwei benachbarten Linien 47 befindet sich jeweils eine Linie 57 mit Einzelspiegeln 42, die sich im deaktivierten Zustand befinden, d.h. die sich in der zweiten räumlichen Ausrichtung 45 befinden und das von dem Objektiv 30 kommende Licht RL nicht auf die Empfangsoptik 50 leiten. Durch diese Programmierung und Ausrichtung der Einzelspiegel 42 innerhalb der Spiegelmatrix 43 entsteht ein Gittermuster, das von den Linien 47, 57 gebildet wird. Die Grundgitterkonstante dieses Gitters ist gegeben durch den Abstand der Mitten zweier benachbarter Linien. Sie beträgt beispielsweise Go = 0,25 mm.
Um die Bedingungen (15) und (16) stets sicher zu erfüllen, ist folgendes Vorgehen geeignet:

Es wird eine maximale Windgeschwindigkeit v_max festgelegt, die mit dem Messgerät 10 eindeutig messbar sein soll. Für die Nullfrequenz f₀ ergibt sich dann die Bedingung

f_{0} > v_{m a x} / G

₀

Das modulierte Licht RL wird als Abfolge von Lichtsignalen LS über die Empfangsoptik 50 auf den Lichtdetektor 60 fokussiert, der durch den (nicht gezeigten) Shutter vor zu starker Belichtung geschützt werden kann. Der Lichtdetektor 60 wandelt die Lichtsignale LS in elektrische Signale ES um, verstärkt diese bei Bedarf und leitet sie an die mit dem Laser synchronisierte Auswerteeinheit weiter.
Die Auswerteeinheit ermittelt die Frequenz f_x des Signalanteils, der durch Rückstreuobjekte O, z. B. Aerosolpartikel, im Detektionsbereich D in der Entfernung g = 300 m hervorgerufen wird und berechnet daraus gemäß Gleichung (9) die transversale Geschwindigkeitskomponente v_x.
Um auch die transversale Geschwindigkeitskomponente v_y der Windgeschwindigkeit messen zu können, gibt es zwei Optionen:

a) Das Linienmuster 47, 57 auf der Spiegelmatrix 43 wird während einer Messung mit der Vorrichtung 10 periodisch verändert, wobei periodisch zwei verschiedene Linienmuster 48, 49 auf der Spiegelmatrix 43 ausgebildet werden, namentlich ein erstes Linienmuster 48 und ein zweites Linienmuster 49, die in einem definierten Winkel δ zueinander stehen. Dadurch ist es möglich, mit nur einem Messstrang (auf einem optischen Empfängerpfad) zwei Geschwindigkeitskomponenten des Objekts oder Partikels zu erfassen. Die erste Geschwindigkeitskomponente wird mit dem ersten Linienmuster 48 ermittelt, während die zweite Geschwindigkeitskomponenten zeitlich versetzt mit dem zweiten Linienmuster 49 ermittelt wird.
b) In dem Gehäuse 12 der Vorrichtung 10 sind zwei Modulatoren 40, 140, zwei Empfangsoptiken 50, 150 und zwei Lichtdetektoren 60, 160 vorgesehen, wobei im Strahlengang hinter dem Objektiv 30 ein Strahlteiler 130 angeordnet ist, der das von dem Objekt 30 reflektierte Licht RL in zwei Teilstrahlen RL1 und RL2 aufteilt. Der erste Teilstrahl RL1 wird dabei auf den ersten Modulator 40 und der zweite Teilstrahl RL2 auf den zweiten Modulator 140 abbildet.

Das so modulierte Signal wird dann von beiden Empfangsoptiken 50, 150 auf den jeweils zugeordneten Lichtdetektor 60, 160 fokussiert und in derselben Weise, wie sie für die x-Komponente beschrieben wurde, registriert und in der Auswerteeinheit analysiert.

Eine Übersicht der zu erwartenden Frequenzen für eine Geschwindigkeit von 2 m/s und unterschiedliche Messdistanzen g ist in Tabelle 3 gegeben. Tabelle 3: Zusammenhang von Messdistanz, Vergrößerung, Gitterkonstante und Frequenz

Messdistanz g [m]	Vergrößerung V	Gitterkonstante G [mm]	Frequenz für 2 m/s
15	2,8	0,71	10820,56
30	6,7	1,67	9198,93
45	10,5	2,63	8761,26
60	14,3	3,59	8557,68
75	18,2	4,55	8440,01
90	22,0	5,50	8363,34
105	25,9	6,46	8309,43
120	29,7	7,42	8269,45
135	33,5	8,38	8238,61
150	37,4	9,34	8214,11
165	41,2	10,30	8194,18
180	45,0	11,26	8177,64
195	48,9	12,22	8163,69
210	52,7	13,18	8151,78
225	56,5	14,14	8141,48
240	60,4	15,10	8132,49
255	64,2	16,05	8124,58
270	68,1	17,01	8117,55
285	71,9	17,97	8111,28
300	75,7	18,93	8105,64

Die Empfangsoptik 50 gewährleistet stets die Fokussierung des rückgestreuten und von dem Modulator 40 modulierten Lichts auf den Lichtdetektor 60. Sie ist bevorzugt als Linsensystem ausgeführt.

In Tabelle 4 sind noch einmal diejenigen Parameter der vorangehend dargestellten Messung, welche das Rückstreusignal RL bestimmen, zusammengefasst. Tabelle 4 zeigt, dass das Rückstreusignal nur aus wenigen Photonen besteht. Der Abtastbereich, gegeben durch den Bereich der Schärfentiefe von 1,83 m in der Messdistanz g = 300 m, d. h. der Höhenbereich 300 m ± 0,92 m, wird vom Lasersignal innerhalb von 6,1 ns durchlaufen und regt ein in diesem Bereich vorhandenes Aerosolpartikel O zur Rückstreuung an. Für die Rückstreuung ist derselbe Zeitraum von 6,1 ns berücksichtigen, sodass das Rückstreusignal in einem Zeitintervall von 12,2 ns Länge zu detektieren ist. In diesem Zeitraum, der dem Bereich der Schärfentiefe (1,83 m) zuzuordnen ist, werden im Durchschnitt 58,1 Photonen registriert, was 3,2 Photonen/ns entspricht. Dieses sehr schwache Rückstreusignal wird durch den Lichtdetektor 60, beispielsweise ein Photomultiplier, in ein elektrisches Signal umgewandelt, verstärkt und der Auswerteeinheit zugeführt. Tabelle 4: Werte der Parameter des Rückstreusignals

Parameter	Wert	Einheit
Transmissionsverluste η_t	0,8
Empfangsverluste η_x	0,7
Pulsenergie Ex	30	µJ
Pulswiederholfrequenz PRF	50	kHz
Mittlere Laserleistung P_average	1,5	W
Überlappungsfunktion O(g)	0,5
Messdistanz g	300	m
Atmosphärische Transmissionsverluste T	95,1	%
Rückstreukoeffizient β	10^-6	m^-1s^-1
Apertur D	35	cm
Fläche der Apertur A_R	962,1	cm²
Über die Apertur gesammelte Leistung Ps	1.217,63	pW
Wellenlänge λ	532	nm
Photonenfluss	3,2	Photonen/ns
Abtastbereich	1,83	m
Photonen im Abtastbereich	39,54	Photonen/1,83 m

Beispielsweise kann innerhalb der Vorrichtung 10 eine Lichtquelle 20 in Form eines monochromatischen Pulslasers 22 mit einer Wellenlänge von λ = 532 nm verwendet werden, der eine besonders einfache Justage des Messgeräts erlaubt.
Der Pulslaser 22 hat zudem die folgenden auf eine gewünschte maximale Messdistanz von g = 300 m und auf ein ausgewähltes Objektiv abgestimmten Parameter:

■ Pulswiederholfrequenz (Repetitionsrate) des Lasers: PRF = 50 kHz,
■ Pulsdauer der Laserpulse: ΘP = 800 ps,
■ mittlere Laserleistung: Paverage = 1,5 W,
■ Energie je Laserpuls: Ex = 30 µJ

Zwischen der Pulsdauer ΘP und der vertikalen Ortsauflösung s besteht der Zusammenhang s = ½ · c · ΘP. Der Faktor ½ ergibt sich, weil die Messdistanz g zweimal durchlaufen wird, vom Laserpuls und von dem weitaus schwächeren Rückstreupuls, der registriert wird.
Die gewählte Pulsdauer ΘP = 800 ps gewährleistet eine vertikale Ortsauflösung s von 12 cm, sodass die vorgegebene vertikale Ortsauflösung von 15 cm erreicht wird. In entsprechender Weise erfolgt die Einstellung auf die Messdistanz g über die Pulslaufzeit tP: g = ½ · c · tP.
Damit können mit der Vorrichtung 10 beispielsweise Windgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s in mehreren Detektionsbereichen gemessen werden, die sich in Messdistanzen (Höhen) g zwischen 50 m und 300 m befinden.
Man erkennt, dass eine Vorrichtung 10 zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente eines Objekts O, das sich in einer Messdistanz g relativ zur Vorrichtung 10 in einem Detektionsbereich D bewegt und aus einer Lichtquelle 20 stammendes Licht L reflektiert, wobei das Objekt O reflektiertes Licht RL erzeugt, das von dem Detektionsbereich D ausgeht, ein Objektiv 30, einen Modulator 40, eine Empfangsoptik 50 und einen Lichtdetektor 60 aufweist, wobei das Objektiv ä30 das von dem Objekt O im Detektionsbereich D erzeugte reflektierte Licht RL erfasst und auf den Modulator 40 abbildet, wobei der Modulator 40 das reflektierte Licht RL in eine Abfolge von Lichtsignalen LS moduliert, wobei die Empfangsoptik 50 die von dem Modulator 40 erzeugte Abfolge von Lichtsignalen LS auf den Lichtdetektor 60 abbildet, und wobei der Lichtdetektor 60 die Abfolge von Lichtsignalen LS in eine Abfolge von elektronischen Signalen ES umwandelt. Die Vorrichtung hat ferner eine Schnittstelle 70, welche die von dem Lichtdetektor 60 erzeugte Abfolge von elektronischen Signalen ES an eine Auswerteeinheit weiterleitet. Der Modulator 40 ist erfindungsgemäß ein mikroelektromechanisches und programmierbares Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht ist. Bevorzugt ist der Modulator 40 ein Mikrospiegelaktor, namentlich ein Flächenlichtmodulator mit Einzelspiegeln 42, die eine Spiegelmatrix 43 bilden.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorgenannten Ausführungsformen beschränkt. Wie 1 zeigt, wird in einem optischen Empfängerpfad 80 ein Modulator 40 in Form eines Mikrospiegelaktors verwendet. Dieser Mikrospiegelaktor ist derart programmiert, dass auf der aus vielen Einzelspiegeln 42 bestehenden Spiegelmatrix 43 ein Linienmuster 48 entsteht, das von unterschiedlich ausgerichteten Einzelspiegeln 42 gebildet ist. Das Linienmuster 48 kann sich zudem bei Bedarf mit einer definierten Geschwindigkeit und Gitterkonstante über die Spiegelmatrix 43 bewegen.
Alternativ dazu kann man auf dem Modulator 40 bzw. dem Mikrospiegelaktor zwei unterschiedliche Linienmuster 48, 49 ausbilden, die in einem definierten Bereich 41 des Modulators 40 periodisch abwechselnd erscheinen und das von dem Objektiv 30 kommende Licht RL in unterschiedlicher Modulation auf die Empfangsoptik 50 und damit auf den Lichtsensor abbilden.
Man kann die Linienmuster 48, 49 aber auch in zwei räumlich getrennten Bereichen des Modulators bzw. dessen Spiegelmatrix ausbilden und das von dem Objektiv 30 kommende Licht RL über einen (nicht gezeigten) Strahlteiler auf diese beiden räumlich getrennten Bereiche abbilden. Auf diese Weise können die Geschwindigkeitskomponenten zeitgleich ermittelt werden.
Das Gehäuse 52 des Modulators kann diesen vollständig umschließen. Man kann das Gehäuse 52 aber auch auf eine Abdeckung reduzieren, in der die Öffnungen 63, 64 ausgebildet sind.
Formelzeichen

AR: Fläche der Apertur D des Objektivs: A_R=(1/4)πD²
b: Öffnungsdurchmesser der Irisblende
bnop: Breite der nichtopaken Linien des Modulators
bop: Breite der opaken Linien des Modulators
c: Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Medium
d: Durchmesser des Laserstrahls (als Funktion der Messdistanz g)
D: Apertur des Objektivs
df: Schärfentiefe: Distanz zum Fernpunkt
dn: Schärfentiefe: Distanz zum Nahpunkt
d0: Durchmesser des auslaufenden Laserstrahls nach der Formung
dObj: Durchmesser des vom Objektiv erfassten Detektionsbereichs
Ex: Pulsenergie
f0: Frequenz, mit der sich die Gitterlinien des Modulators bewegen (Nullfrequenz)
f: Brennweite des Objektivs
fx: gemessene Frequenz des Rückstreusignals in x-Richtung
fy: gemessene Frequenz des Rückstreusignals in y-Richtung
Δfx: Frequenzverschiebung von f_x gegenüber der Nullfrequenz
Δfy: Frequenzverschiebung von f_y gegenüber der Nullfrequenz
g: Messdistanz vom Objektiv zum Detektionsbereich
G: Gitterkonstante des in den Detektionsbereich rückprojizierten Bildes des Modulators
G0: Grundgitterkonstante des Modulators
h: Schärfentiefe im Detektionsbereich
n: Drehfrequenz des Modulators
NSp: Anzahl der Linien aus aktiven Einzelspiegeln
O(g): Überlappungsfunktion
Paverage: mittlere Leistung des Lasers
Ps: gesammelte Leistung des Rückstreusignals über die Apertur d des Objektivs
PRF: Pulswiederholfrequenz (Repetitionsrate) des Lasers
s: vertikale Ortsauflösung
tP: Pulslaufzeit
T: Atmosphärische Transmissionsverluste
v: Geschwindigkeitsvektor eines Objekts im zwei- bzw. dreidimensionalen Raum
|v|: Betrag der Geschwindigkeit v eines Objekts
vx, vy: Geschwindigkeitskomponenten eines Objekts quer zur Messrichtung (transversale Geschwindigkeitskomponenten)
vz: Geschwindigkeitskomponente eines Objekts in Messrichtung (longitudinale Geschwindigkeitskomponente)
vmax: Maximalwert der zu messenden Geschwindigkeit
V: Vergrößerungsfaktor G/G₀
α: Richtung der Geschwindigkeit v eines Objekts
β: Rückstreukoeffizient
ηt: Transmissionsverluste
ηx: Empfangsverluste
λ: Wellenlänge der Lichtquelle
φ: Divergenzwinkel des geformten Laserstrahls
ΘP: Pulsdauer der Laserpulse (bei Verwendung eines Pulslasers)

Bezugszeichen

10: Vorrichtung
12: Gehäuse
20: Lichtquelle
22: Laser
30: Objektiv
34: Brennebene
40: Modulator/Mikrospiegelaktor
41: Bereich des Modulators
42: Einzelspiegel
43: Spiegelmatrix
44: erste räumliche Ausrichtung
45: zweite räumliche Ausrichtung
46: Absorptionsfläche
47: Linie aus Einzelspiegeln aktiviert
48: Linie aus Einzelspiegeln deaktiviert
49: Linienmuster
50: Empfangsoptik
54: Brennebene
57: Linienmuster
60: Lichtdetektor
62: Gehäuse
63: Öffnung
64: Öffnung
66: Tubus
70: Schnittstelle
80: optischer Empfängerpfad
90: Spiegeloptik
92: erster Umlenkspiegel
94: zweiter Umlenkspiegel
130: Strahlteiler
150: zweite Empfangsoptik
155: Filtereinheit
160: zweiter Lichtdetektor
180: zweiter optischer Empfängerpfad
190: optischer Sendepfad
A: Achse
D: Detektionsbereich
δ: Winkel
ES: Elektronische Signale
L: Licht
LS: Lichtsignale
LS1: Lichtsignale
LS2: Lichtsignale
O: Objekt
R: Richtung
RL: Reflektiertes Licht
RL1: Teilstrahl
RL2: Teilstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2062058 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung (10) zur Ermittlung einer Geschwindigkeitskomponente (v_x, v_y) eines Objekts (O), das sich in einer Messdistanz (g) relativ zur Vorrichtung (10) in einem Detektionsbereich (D) bewegt und aus einer Lichtquelle (20) stammendes Licht (L) reflektiert, wobei das Objekt (O) reflektiertes Licht (RL) erzeugt, das von dem Detektionsbereich (D) ausgeht, a) mit einem Objektiv (30), einem Modulator (40), einer Empfangsoptik (50) und einem Lichtdetektor (60), b) wobei das Objektiv (30) das von dem Objekt (O) im Detektionsbereich (D) erzeugte reflektierte Licht (RL) erfasst und auf den Modulator (40) abbildet, c) wobei der Modulator (40) das reflektierte Licht (RL) in eine Abfolge von Lichtsignalen (LS) moduliert, d) wobei die Empfangsoptik (50) die von dem Modulator (40) erzeugte Abfolge von Lichtsignalen (LS) auf den Lichtdetektor (60) abbildet, und e) wobei der Lichtdetektor (60) die Abfolge von Lichtsignalen (LS) in eine Abfolge von elektronischen Signalen (ES) umwandelt, und f) mit einer Schnittstelle (70), welche die von dem Lichtdetektor (60) erzeugte Abfolge von elektronischen Signalen (ES) an eine Auswerteeinheit weiterleitet, und g) wobei der Modulator (40) ein mikroelektromechanisches und programmierbares Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (40) ein Mikrospiegelaktor ist, namentlich ein Flächenlichtmodulator mit Einzelspiegeln (42), die eine Spiegelmatrix (43) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelspiegel (42) innerhalb der Spiegelmatrix (43) wenigstens zwei definierte räumliche Ausrichtungen (44, 45) einnimmt, a) wobei eine erste räumliche Ausrichtung (44) einen aktivierten Zustand eines Einzelspiegels (42) bildet, wobei in diesem aktivierten Zustand der Einzelspiegel (42) derart ausgerichtet ist, dass er das von dem Objektiv (30) auf den Modulator (40) abgebildete reflektierte Licht (RL) auf die Empfangsoptik (50) abbildet, und b) wobei eine zweite räumliche Ausrichtung (45) einen deaktivierten Zustand eines Einzelspiegels (42) bildet, wobei in diesem deaktivierten Zustand der Einzelspiegel (42) derart ausgerichtet ist, dass er das von dem Objektiv (30) auf den Modulator (40) abgebildete reflektierte Licht (RL) nicht auf die Empfangsoptik (50) abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelspiegel (42) im deaktivierten Zustand das von dem Objektiv (30) auf den Modulator (40) abgebildete reflektierte Licht (RL) auf eine Absorptionsfläche (46) abbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Ausrichtung jedes Einzelspiegels (42) innerhalb der Spiegelmatrix (43) programmierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Modulator (40) derart programmiert ist, dass Einzelspiegel (42), die sich im aktivierten Zustand befinden, auf wenigstens einer Linie (47) liegen, und dass Einzelspiegel (42), die sich im deaktivierten Zustand befinden, auf wenigstens einer parallel benachbarten Linie (57) liegen, wobei die Linien (47, 57) aus aktivierten und deaktivierten Einzelspiegeln (42) auf der Spiegelmatrix (43) ein Linienmuster (48) mit einer definierten Gitterkonstante bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dass sich das Linienmuster (48) während einer Messung mit der Vorrichtung (10) mit einer definierten Geschwindigkeit und Gitterkonstante über die Spiegelmatrix (43) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dass sich das Linienmuster (48) auf der Spiegelmatrix (43) während einer Messung mit der Vorrichtung (10) periodisch verändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dass periodisch zwei verschiedene Linienmuster (48, 49) auf der Spiegelmatrix (43) ausgebildet werden, namentlich ein erstes Linienmuster (48) und ein zweites Linienmuster (49), wobei das erste Linienmuster (48) und das zweite Linienmuster (49) in einem definierten Winkel (δ) zueinander stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Modulatoren (40, 140), wenigstens zwei Empfangsoptiken (50, 150) und wenigstens zwei Lichtdetektoren (60, 160) vorgesehen sind, wobei im Strahlengang hinter dem Objektiv (30) ein Strahlteiler (130) angeordnet ist, der das von dem Objekt (O) reflektierte Licht (RL) in zwei Teilstrahlen (RL1, RL2) aufteilt, wobei der Strahlteiler (130) den ersten Teilstrahl (RL1) auf den ersten Modulator (40) und den zweiten Teilstrahl (RL2) auf den zweiten Modulator (140) abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass jeder Modulator (40, 140) in einem Gehäuse (62, 162) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (62, 162) im optischen Empfängerpfad (80, 180) liegt und Öffnungen (63, 64) für den Lichteintritt und Lichtaustritt aufweist, wobei eine erste Öffnung (63) dem Objektiv (30) und eine zweite Öffnung (64) der Empfangsoptik (50) zugewandt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenfläche des Gehäuses zumindest abschnittsweise die Absorptionsfläche (46) ist oder bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtdetektor (60, 160) die ihm zugeordnete Abfolge von Lichtsignalen (LS1, LS2) in eine Abfolge von elektronischen Signalen (ES) umwandelt und über die Schnittstelle (70) an die Auswerteeinheit weiterleitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) für das zu reflektierende Licht (L) ein Laser (22) oder eine inkohärente Lichtquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20), die Abbildungsoptik und die Spiegeloptik (90) auf einem optischen Sendepfad (190) liegen, wobei die Lichtquelle (20), die Abbildungsoptik und/oder die Spiegeloptik (90) innerhalb der Vorrichtung (10) angeordnet sind.