DE2037834B2 - Einrichtung zur messung von geschwindigkeiten mit hoher raeumlicher aufloesung - Google Patents

Description

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- geschwindigkeit zwischen ca. 100 Hz und 1 GHz. Näkennzeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, here Einzelheiten und Ausführungsbeispiele sind beidaß nur ein symmetrisch zum ungestreuten Teil- 35 spielweise in IEEE J. of Quantum Electronics, 1966, strahl (4) das Medium (1) verlassender Streu- S. 260—266, beschrieben.

strahl (6) in der planparallelen Platte (7) zur Bei den bekannten Laser-Doppler-Sonden bietet die

Überlagerung kommt. Justierung des optischen Systems wegen der vielen

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Freiheitsgrade erhebliche Schwierigkeiten, da für die durch gekennzeichnet, daß ein Abschwächer (8) 40 Erzielung eines maximalen Signal-Rausch-Verhältnisin den Strahlengang des ungestreuten Teilstrahls ses des Heterodyn-Signals die Vektoren der Energie-

(4) zwischen der zweiten Linse (5) und der plan- flüsse (Poynting-Vektoren) des Referenz- bzw. des parallelen Platte (7) geschaltet ist. Signal-Strahls einen gemeinsamen Punkt besitzen und

4. Einrichtung nach einem der vorstehenden An- gegenseitig parallel sein müssen.

sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mecha- 45 Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des

nismus vorgesehen ist, durch den beim Drehen Bekannten zu vermeiden und eine Einrichtung der

der planparallelen Platte (7) in der durch die vorgenannten Art anzugeben, die einfach zu justieren

Strömungsrichtung des Mediums (x) und die opti- ist.

sehe Achse (z) der zweiten Linse (5) bestimmten Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Ebene die der planparallelen Platte (7) nachge- ₅₀ ein« zweite Linse vorgesehen ist, deren Brennebene ordneten Teile (10, 11, 12, 13) in der Ebene die Brennebene der ersten Linse in dem zu messenparallel zur optischen Achse (z) der zweiten Linse den Bereich des Mediums schneidet und welche die

(5) simultan verschoben werden. Strahlen des Streufeldes einschließlich des ungestreu

ten Teilstrahls in ein parallel zur optischen Achse

55 der zweiten Linse verlaufendes Strahlenbündel ver-

wandelt, daß hinter der zweiten Linse die planparallele Platte im Strahlengang von ungestreutem Teilstrahl und den zu diesem parallel verlaufenden Streustrahlen vorgesehen ist, daß hinter der planpar-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung 60 allelen Platte eine erste Blende vorgesehen ist, die

zur Messung von Geschwindigkeiten mit hoher räum- aus dem die planparallele Platte verlassenden Strah-

licher Auflösung, in der ein auf den zu messenden lenbündel den Summenstrahl auswählt, welcher nach

Bereich eines Mediums mittels einer ersten Linse Verlassen der ersten Blende mittels einer dritten Linse

fokussierter Laser-Lichtstrahl mit streuenden Teil- auf die Öffnung einer zweiten Blende fokussiert wird,

chen des Mediums in Wechselwirkung gebracht wird, 65 hinter der der Lichtdetektor angeordnet ist.

wobei der ungestreute Teilstrahl und ein gestreuter Diese Einrichtung bietet den Vorteil, daß sich die

Teilstrahl nach Durchlaufen des Mediums mittels Justierung des optischen Systems nur auf wenige

einer planparallelen Platte vereinigt werden und an- Maßnahmen beschränkt, deren wichtigste darin be-

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steht, die Brennebenen der beiden ersten Linsen in parallel und symmetrisch zur Achse z. Diese beiden dem zu messenden Bereich des Mediums zum Schnitt Strahlen treffen nun auf eine planparallele Platte 7 zu bringen, damit bei Bestrahlung mit kollimiertem auf, die in der *-z-Ebene drehbar angeordnet ist und Licht Streustrahl und ungestreuterTeilsfrahl hinter der werden dort überlagert, Diese planparallele Platte 7 zweiten Linse kollimlert und gegenseitig parallel sind. 5 ist auf der der einfallenden Strahlung abgewandten (Unter Schneiden sei hier auch das Zur-Deckung- Seite teilweise verspiegelt. Zwischen Linse 5 und Bringen beider Brennebenen verstanden.) planparalleler Platte 7 ist ein einstellbares Graufll-Es ist besonders vorteilhaft, die optische Anord- ter8 geschaltet, das zur optimalen Einstellung des nung so zu wählen, daß nur ein symmetrisch (in be- Verhältnisses der Intensitäten von Streustrahl und zug auf die optische Achse der zweiten Linse) zum io ungestreutem Teilstrahl dient. Der aus der planparungestreuten Teilstrahl das Medium verlassender allelen Platte 7 austretende Summenstrahl 9 trifft auf Streustrahl in der planparallelen Platte zur Überlage- die Blende 10, die die Aufgabe hat, alle nicht für die rung kommt. Dies bringt den Vorteil, daß durch den Weiterverarbeitung bestimmten Strahlen auszublensymmetrischen Aufbau Wellenfrontverzerrungen den. Ihr Durchmesser beträgt etwa 1 mm und entdurch die abbildenden Mittel weitgehend vermieden 15 spricht etwa dem Durchmesser des Summenstrahls werden. Die zweite Linse, die die Strahlen des Streu- (genauer Summenstrahlbündels). Das die Blende 10 feldes in ein parallel zu ihrer optischen Achse ver- verlassende Licht wird mittels einer weiteren Linse laufendes Strahlenbündel verwandelt, wird praktisch 11 auf die öffnung einer zweiten Blende 12 fokusnur an symmetrisch zu ihrem Zentrum liegenden Stel- siert. Die Linse 11 bildet also den Meßpunkt im Melen zur Abbildung herangezogen. Diese Stellen haben ao dium 1 auf die Blende 12 ab. Der Blendendurchmesaus fertigungstechnischen Gründen gleiche optische ser der Blende 12 bestimmt auf diese Weise die Eigenschaften, also auch gleiche Abbildungsfehler, Größe des zu messenden Bereichs im Medium 1. Er z. B. Wellenfrontverzerrungen durch sphärische liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10 μ. Aberration. Werden also die beiden Teilstrahlen beim Mittels eines Photovervielfachers 13 wird die Inten-Durchgang durch die Linse verändert, so erfolgt dies as sität des durch die Blende 12 hindurchtretenden Lichin gleicher Weise bei beiden Strahlen, was keinen tes gemessen und in eine elektrische Spannung umge-Einfluß auf das Meßergebnis hat. setzt, die einem Frequenz-Analysator 14 zugeführt Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfin- wird. Derartige Einrichtungen sind bekannt und werdung ist vorgesehen, einen Abschwächer, beispiels- den daher nicht näher erläutert,
weise in Form eines einstellbaren Graufilters, in den 30 Abschließend seien nochmals die die Qualität der Strahlengang des ungestreuten Teilstrahls zwischen Messung im wesentlichen bestimmenden Justageder zweiten Linse und der planparallelen Platte zu Operationen geschildert. Die Brennebene der ersten schalten. Dies dient zur Einstellung des optimalen Linse 2 wird auf den zu messenden Bereich des Me-Verhältnisses zwischen der Intensität des Streustrahls diums 1 eingestellt. Dann erfolgt die Einstellung der und des ungestreuten Teilstrahls. 35 Brennebene der zweiten Linse derart, daß sich beide In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Er- Brennebenen in dem besagten Bereich schneiden, findungsgegenstandes ist ein Mechanismus vorgese- Unter Schneiden sei hier auch das Zur-Deckung-Brinhen, durch den beim Drehen der planparallelen gen beider Brennebenen verstanden. Dieser Fall tritt Platte in der durch die Strömungsrichtung des Me- z. B. dann ein, wenn die optischen Achsen der beiden diums und die optische Achse der zweiten Linse be- 40 Linsen 2 und 5 zusammenfallen. Die nächste Justagestimmten Ebene die der planparallelen Platte nach- Operation besteht darin, die planparallele Platte 7 geordneten Teile in der Ebene parallel zur optischen in der x-z-Ebene zu drehen. Durch diese Maßnahme Achse der zweiten Linse simultan verschoben wer- wird die Richtung des das Medium 1 verlassenden den. Durch diese Anordnung wird die Justierung des gewünschten Streustrahles bestimmt. Anschließend optischen Systems nochmals erheblich vereinfacht. 45 müssen lediglich die Blende 10, die Linse 11, die Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in Blende 12 und der Photovervielfacher 13 parallel zur der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher z-Achse verschoben werden. Letztere Maßnahme, das erläutert. Drehen der planparallelen Platte 7 und die Parallel-In der Figur ist ein in Richtung χ strömendes verschiebung der Teile 10,11,12,13, kann dahinge-Medium 1 dargestellt, welches mit dem durch die 50 hend vereinfacht werden, daß all die genannten Teile Linse 2 gebündelten Licht eines Dauerstrich-Lasers 3 zu einer Einheit zusammengefaßt werden (in der beleuchtet wird. Vom Medium 1 tritt ein Teilstrahl 4 Zeichnung durch den punktiert gezeichneten Kasten ungestreut zur Linse 5 aus. Von dem Streufeld ist verdeutlicht) und ein Mechanismus vorgesehen ist, nur der symmetrisch zur optischen Achse ζ der Linse 5 der beim Drehen der planparallelen Platte 7 die Parverlaufende Streustrahl 6 eingezeichnet, der ebenfalls 55 allelverschiebung der Teile 10,11,12,13 bewirkt, zur Linse 5 austritt. Die Linse 5 ist so justiert, daß Das Einstellorgan für die planparallele Platte kann ihre (nicht eingezeichnete) Brennebene das Medium 1 dann direkt in Winkelgraden geeicht werden, die dem in dem zu messenden Bereich schneidet. Ungestreu- Winkel entsprechen, unter dem der gewünschte Streuter Teilstrahl 4 und Streustrahl 6 verlassen die Linse 5 strahl das Medium 1 verläßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 schließend auf die lichtempfindliche Schicht eines Patentansprüche: Photodetektors fallen. Derartige Einrichtungen — sie werden meist mit

1. Einrichtung zur Messung von Geschwindig- Laser-Dopplerströmungssonden bezeichnet — dienen keiten mit hoher räumlicher Auflösung, in der ein 5 zur mikroskopischen Untersuchung von Geschwinauf den zu messenden Bereich eines Mediums digkeitsfeldern, beispielsweise bei Grenzschichtmesmittels einer ersten Linse fokussierter Laser-Licht- sungen in Windkanä'len oder bei Bewegungen von strahl mit streuenden Teilchen des Mediums in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern. Sie zeich-Wechselwirkung gebracht wird, wobei der unge- nen sich gegenüber klassischen Meßgeräten, wie streute Teilstrahl und ein gestreuter Teilstrahl io Pitot-Rohr und dergleichen, dadurch aus, daß sie nach Durchlaufen des Mediums mittels einer kontaktfrei und damit ohne Störung des Geschwmplanparallelen Platte vereinigt werden und an- digkeitsfeldes messen. Zudem vermögen sie es, die schließend auf die lichtempfindliche Schicht eines örtliche Geschwindigkeitsverteilung mit hoher räum-Photodetektors fallen, dadurch "gekenn- licher Auflösung festzustellen.

zeichnet, daß eine zweite Linse(5) vorgese- 15 Das einer Laser-Doppler-Strömungssonde zugrunhen ist, deren Brennebene die der ersten Linse de liegende Prinzip ist wie folgt:
(2) in dem zu messenden Bereich des Mediums Auf den zu untersuchenden Bereich des Mediums (1) schneidet und welche die Strahlen des Streu- wird der Lichtstrahl eines Dauerstrich-Lasers fokiisfeldes einschließlich des ungestreuten Teilstrahls sien. Durch die sich bewegenden Teilchen des Me-(4) in ein zur optischen Achse (Z) der zweiten 20 diums erleidet dann das gestreute Laser-Licht eine Linse parallel verlaufendes Lichtbündel verwan- Doppler-Frequenz-Verschiebung, die der Vakuumdelt, daß hinter der zweiten Linse die planparal- Wellenlänge des Laser-Lichts umgekehrt und dem lele Platte (7) im Strahlengang von ungestreutem Brechungsindex des strömenden Mediums und dem Teilstrahl und zu diesem parallel verlaufenden Betrag und dem Richtungs-Cosinus der Geschwindig-Streustrahlen vorgesehen ist, daß hinter der plan- as keit des streuenden Teilchens direkt proportional ist. parallelen Platte eine erste Blende (10) vorgesehen Zur Messung dieser Frequenz-Verschiebung weiist, die aus dem die planparallele Platte verlassen- den der nicht gestreute Strahl und ein gestreuter den Strahlenbündel den Summenstrahl (9) aus- Strahl gemeinsam auf einen Punkt eines Lichtdetekwählt, welcher nach Verlassen der ersten Blende tors fokussiert, wodurch sich ein Differenz-Mischmittels einer dritten Linse (11) auf die Öffnung 30 signal kleiner und damit verarbeitbarer Frequenz, einer zweiten Blende (12) fokussiert wird, hinter das sogenannte Heterodyn-Signal ergibt. Die Freder der Lichtdetektor (13) angeordnet ist. quenz des HetTodyn-Signals liegt je nach Strömungs-