DE2037834C

DE2037834C - Device for measuring speeds with high spatial resolution

Info

Publication number: DE2037834C
Application number: DE19702037834
Authority: DE
Inventors: Paul Dominik Dipl Ing Oberrohrdorf Mottier Francois Dipl Phys Zurich Iten, (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1970-07-30
Publication date: 1973-02-15

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung von Geschwindigkeiten mit hoher räumlicher Auflösung, in der ein auf den zu messenden Bereich eines Mediums mittels einer ersten Linse fokussierter Laser-Lichtstrahl mit streuenden Teilchen des Mediums in Wechselwirkung gebracht wird, wobei der ungestreute Teilstrahl und ein gestreuter Teilstrahl nach Durchlaufen des Mediums mittels ein'r planparallelen Platte vereinigt werden und anschließend auf die lichtempfindliche Schicht eines Photodetektors fallen.The invention relates to a device for measuring speeds with high spatial Resolution in which an area of a medium to be measured is applied by means of a first lens focused laser light beam is brought into interaction with scattering particles of the medium, where the unscattered partial beam and a scattered one Partial beam are combined after passing through the medium by means of a plane-parallel plate and then fall on the photosensitive layer of a photodetector.

Derartige Einrichtungen ■*— sie werden meist mit Laser-Dopplerströmungssonden bezeichnet — dienen zur mikroskopischen Untersuchung von Geschwindigkeitsfeldern, beispielsweise bei Grenzschichtmessungen in Windkanälen oder bei Bewegungen von Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern. Sie zeichnen sich gegenüber klassischen Meßgeräten, wieSuch facilities ■ * - they are usually with Laser Doppler flow probes called - serve for microscopic examination of velocity fields, for example in boundary layer measurements in wind tunnels or when gases, liquids and solid bodies move. they draw compared to classic measuring devices such as

ίο Pitot-Rohr und dergleichen, dadurch aus, daß sie kontaktfrei und damit oime Störung des Geschwindig!;eitsfeldes messen. Zudem vermögen sie es, die örtliche Geschwindigkeitsverteilung mit hoher räumlicher Auflösung festzustellen.ίο Pitot tube and the like, in that they contact-free and thus oime disturbance of the velocity field measure up. In addition, they are able to determine the local speed distribution with a high spatial To determine the resolution.

Das einer Laser-Doppler-Strömungssonde zugrunde liegende Prinzip ist wie folgt:This is based on a laser Doppler flow probe underlying principle is as follows:

Auf den zu untersuchenden Bereich des Medium ■, wird der Lichtstrahl eines Dauerstrich-Lasers fokussiert. Durch die sich bewegenden Teilchen des Mc- The light beam of a continuous wave laser is focused on the area of the medium to be examined. The moving particles of the Mc-

ao diums erl idet dann das gestreute Laser-Lic!'t eiiw Doppler h equenz-Verschiebung, die der Vakuum Wellenlange des Laser-Lichts umgekehrt und dem Brechungsindex des strömenden Mediums und dem Betrag und dem Richiungs-Cosinus der Geschwindigao diums then suffer the scattered laser license eiiw Doppler frequency shift, which is the wavelength of the vacuum of the laser light reversed and the refractive index of the flowing medium and the Amount and the direction cosine of the speed

keit des streuenden Teilchens direkt proportional ist. Zur Messung dieser Frequenz-Verschiebung werden der nicht gesaeute Strahl und ein gestreuter otldli! gemeinsam aui CiHCH ι UHKt CiHCS a-iCntuCtCr. of the scattering particle is directly proportional. To measure this frequency shift, the unsown beam and a scattered otldli! together with CiHCH ι UHKt CiHCS a-iCntuCtCr.

tors fokussiert, wodurch sich ein Differenz-Mischsignal kleiner und damit verarbeitbarer Frequenz, das sogenannte Heterodyn-Signal ergibt. Die Frequenz des Heterodyn-Signals liegt je nach Strömungsgeschwindigkeit zwischen ca. 100 Hz und 1 GHz. Nähere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele sind beispielweise in IEEE J. of Quantum Flectronics, 1966, S. 260—266, beschrieben.tors focused, creating a differential mixed signal small and thus processable frequency, the so-called heterodyne signal results. The frequency of the heterodyne signal is between approx. 100 Hz and 1 GHz, depending on the flow velocity. Closer Details and exemplary embodiments are, for example, in IEEE J. of Quantum Flectronics, 1966, Pp. 260-266.

Bei den bekannten Laser-Doppler-Sonden bietet die Justierung des optischen Systems wegen der vielen Freiheitsgrade erhebliche Schwierigkeiten, da für die Erzielung eines maximalen Signal-Rausch-Verhältnisses des Heterodyn-Signals die Vektoren der Energieflüsse (Poynting-Vektoren) des Referenz bzw. des Signal-Strahls einen gemeinsamen Punkt besitzen und gegenseitig parallel sein müssen.In the case of the known laser Doppler probes, the Adjustment of the optical system because of the many degrees of freedom considerable difficulties, as for the Achieving a maximum signal-to-noise ratio of the heterodyne signal the vectors of the energy flows (Poynting vectors) of the reference or the signal beam have a common point and must be mutually parallel.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Bekannten /u vermeiden und eine Einrichtung der vorgenannten Art anzugeben, die einfach zu justieren ist.The object of the invention is to avoid the disadvantages of the known / u and a device of the the aforementioned type, which is easy to adjust.

Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine zweite Linse vorgesehen ist, deren Brennebene die Brennebene der ersten Linse in dem zu messenden Bereich des Mediums schneidet und weiche die Strahlen des Streufeldes einschließlich des ungestreuten Teilstrahls in ein parallel zur optischen Achse der zweiten Linse verlaufendes Strahlenbündel verwandelt, 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 planparallelen Platte eine erste Blende vorgesehen ist, die aus dem die pianparallele Platte verlassenden -Strahlenbündel den Summenstrahl auswählt, welcher nach Verlassen der ersten Blende mittels einer dritten Linse auf die öffnung einer zweiten Blende fokussiert wird, hinter der der Lichtdetektor angeordnet ist.The aforementioned object is achieved in that a second lens is provided, the focal plane of which the focal plane of the first lens in the area of the medium to be measured intersects and softens the Rays of the stray field including the unscattered partial beam in a parallel to the optical axis The bundle of rays passing through the second lens transforms that behind the second lens the plane-parallel Plate in the beam path of the unscattered partial beam and those running parallel to it Scattered radiation is provided that behind the plane-parallel Plate, a first diaphragm is provided, which emerges from the beam of rays leaving the plate parallel to the piano selects the sum beam, which after leaving the first aperture by means of a third lens is focused on the opening of a second diaphragm, behind which the light detector is arranged.

Diese Einrichtung bietet den Vorteil, daß sich die Justierung des optischen Systems nur auf wenige Maßnahmen beschränkt, deren wichtigste darin be-This device offers the advantage that the adjustment of the optical system is limited to only a few Measures, the most important of which are

steht, die Brennebenen der beiden ersten.Linsen in dem zu messenden Bereich des Mediums zum Schnitt zu bringen, damit bei Bestrahlung mit kollimiertem Licht Streustrahl und ungestreuter Teilstrahl hinter der zweiten Linse kolHmiert und gegenseitig parallel sind. (Unter Schneiden sei hier auch das Zur-Deckung-Bringen beider Brennebenen verstanden.)stands, the focal planes of the first two lenses in the area of the medium to be measured for the cut to bring so that when irradiated with collimated light scattered beam and unscattered partial beam behind the second lens are collimated and mutually parallel. (Under cutting is here also the bringing into line understood both focal planes.)

Es ist besonders vorteilhaft, die optische Anordnung so zu wählen, daß nur ein symmetrisch (in bezug auf die optische Achse der zweiten Linse) zum ungestreuten Teilstrahl das Medium verlassender Streustrahl in der planparallelen Platte zur Überlagerung kommt. Dies bringt den Vorteil, daß durch den symmetrischen Aufbau Wellenfrontverzerrungen durch die abbildenden Mittel weitgehend vermieden werden. Die zweite Linse, die die Strahier¹ des Streufeldes in ein parallel zu ihrer optischen Achse verlaufendes Strahlenbündel verwandelt, wird praktisch nur an symmetrisch zu ihrem Zentrum liegenden Stellen zur Abbildung herangezogen. Diese Stellen haben ao aus fertigungstechnischen Gründen gleiche optische Eigenschaften, also auch gleiche Abbildungsfehler, z. B. Wellenfrontverzerrungen durch sphärische Aberration. Werden also die beiden Teilstrahlen beim Durchgang durch die Linse verändert, so erfolgt dies »5 in gleicher Weise bei beiden Strahlen, was keinen EinfluS auf Jas Mcßcrgcbr.is hat.It is particularly advantageous to choose the optical arrangement so that only a scattered beam leaving the medium symmetrically (with respect to the optical axis of the second lens) to the unscattered partial beam is superimposed in the plane-parallel plate. This has the advantage that, due to the symmetrical structure, wavefront distortions caused by the imaging means are largely avoided. The second lens, which converts the rays ^{1 of} the stray field into a bundle of rays running parallel to its optical axis, is practically only used for imaging at points symmetrical to its center. For manufacturing reasons, these points have the same optical properties, i.e. also the same imaging errors, e.g. B. Wavefront distortion due to spherical aberration. If, therefore, the two partial rays are changed when they pass through the lens, this takes place in the same way for both rays, which has no influence on Jasmine.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, einen ALschwäch.r, beispielsweise ip Form eines einstellbaren Graufilters, in den Strahlengang des ungestreuten Teilstrahls zwischen der zweiten Linse und der planparallelen Platte zu schalten. Dies dient zur Einstellung des optimalen Verhältnisses zwischen der Intensität des Streustrahls und des ungestreuten Teilstrahls.According to a further embodiment of the invention it is provided that an ALschwäch.r, for example ip form of an adjustable gray filter, in the beam path of the unscattered partial beam between the second lens and the plane-parallel plate to switch. This is used to set the optimal Relationship between the intensity of the scattered beam and the unscattered partial beam.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes ist ein Mechanismus vorgesehen, durch dew beim Drehen der planparallelen Platte in der durch die Strömungsrichtung des Mediums und die optische Achse der zweiten Linse bestimmter Ebene die der planparallelen Platte nachgeordneten Teile in der Ebene parallel zur optischen Achse der zweiten Linse simultan verschoben werden. Durch diese Anordnung wird die Justierung des optischen Systems nochmals erheblich vereinfacht.In a further advantageous embodiment of the subject matter of the invention a mechanism is provided by dew when rotating the plane-parallel Plate determined by the direction of flow of the medium and the optical axis of the second lens Level that is subordinate to the plane-parallel plate Parts are moved simultaneously in the plane parallel to the optical axis of the second lens. The adjustment of the optical system is again considerably simplified by this arrangement.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Fig..!r dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment shown in FIG explained.

In der Figur ist ein in Richtung χ strömendes Medium 1 dargestellt, welches mit dem durch die Linse 2 gebündelten Licht eines Dauerstrich-Lasers 3 beleuchtet wird. Vom Medium 1 tritt ein Teilstrah! 4 ungestreut zur Linse 5 aus. Von dem Streufeld ist nur der symmet-isch zur optischen Achse ζ der Linse 5 verlaufende Streustrahl 6 eingezeichnet, der ebenfalls zur Linse 5 austritt. Die Linse 5 ist so justiert, daß ihre (nicht eingezeichnete) Brennebene das Medium 1 in dem zu messenden Bereich schneidet. Ungestreuter Teilstrahl 4 und Streustrahl 6 verlassen die Linse 5 parallel und symmetrisch zur Achse z. Diese beiden Strahlen treffen nun auf eine planparallele Platte 7 auf, die in der x-z-Ebene drehbar angeordnet ist und werden dort überlagert. Diese planparallele Platte 7 ist auf der der einfallenden Strahlung abgewandten Seite teilweise verspiegelt. Zwischen Linse 5 und planparalleler Platte 7 ist ein einstellbares Graufilter 8 geschaltet, das zur optimalen Einstellung des Verhältnisses der Intensitäten von Streustrahl und ungestreutem Teilstrahl dient. Der aus der planparallelen Platte 7 austretende Summenstrahl 9 trifft auf die Blende 10, die die Aufgabe hat, alle nicht für die Weiterverarbeitung bestimmten Strahlen auszublenden. Ihr Durchmesser beträgt etwa 1 mm und entspricht etwa dem Durchmesser des Summenstrahls (genauer SummenstrahlbündeHY Das die Blende 10 verlassende Licht wird mittels · ner weiteren Linse 11 auf die Öffnung einer zweite:: Blende 12 fokussiert. Die Linse 11 bildet also den Meßpunkt im Medium 1 auf die Blende 12 ab. Der Blendendurchmesser der Blende 12 bestimmt auf diese Vv eise die Gröfj des zu messenden Bereichs im Medium 1. Er liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10 μ. Mittels eines Photovervielfachers 13 wird die Intensität des durch die Blende 12 hindurchtretenden Lichtes gemessen und in eine elektrische Spannung umgeset7t die einem Frequenz-Analvsator 14 zugeführt wird. Derartige Einrichtungen sind bekannt und werden daher nicht näher erläutert.In the figure, a medium 1 flowing in the direction χ is shown, which is illuminated with the light of a continuous wave laser 3 focused by the lens 2. A partial beam emerges from medium 1! 4 unscattered towards lens 5. Only the scattered beam 6, which runs symmetrically to the optical axis ζ of the lens 5 and which also exits to the lens 5, is shown of the scatter field. The lens 5 is adjusted so that its focal plane (not shown) intersects the medium 1 in the area to be measured. Unscattered partial beam 4 and scattered beam 6 leave the lens 5 parallel and symmetrical to the axis z. These two beams now impinge on a plane-parallel plate 7, which is rotatably arranged in the xz plane, and is superimposed there. This plane-parallel plate 7 is partially mirrored on the side facing away from the incident radiation. An adjustable gray filter 8 is connected between the lens 5 and the plane-parallel plate 7, which filter is used to optimally set the ratio of the intensities of the scattered beam and the unscattered partial beam. The total beam 9 emerging from the plane-parallel plate 7 strikes the diaphragm 10, which has the task of masking out all beams not intended for further processing. Their diameter is about 1 mm and corresponds roughly to the diameter of the total beam (more precisely, total beam bundles HY The light leaving the diaphragm 10 is focused on the opening of a second diaphragm 12 by means of a further lens 11. The lens 11 thus forms the measuring point in the medium 1 on the diaphragm 12. The diaphragm diameter of the diaphragm 12 determines in this way the size of the area to be measured in the medium 1. It is preferably of the order of 10 μ measured and converted into an electrical voltage which is fed to a frequency analyzer 14. Such devices are known and are therefore not explained in more detail.

Abschließend seien nochmals die die Qualität der Messung im wesentlichen bestimmenden Justage-Operationen geschildert. Die Brennebene der ersten Linse 2 wird auf den zu messenden Bereich des Mediums 1 eingestellt. Dann erfolgt die Einstellung der Brennebene der zweiten Linse derart, daß sich beide Brennebenen in dem besagten Bereich schneiden. Unter Schneiden sei hier auch dasZur-Deckung-Bringen beider Brennebenen verstanden. Dieser Fall tritt z. B. dann ein, wenn die optischen Achsen der beiden Linsen 2 und 5 zusammenfallen. Die nächste Justage-Operation besteht darin, die planparallele Platte 7 in der x-j-Ebene zu drehen. Durch diese Maßnahme wird die Richtung des das Medium 1 verlassenden gewünschten Streustrahles bestimmt. Anschließend müssen lediglich die Blende 10, die Linse 11, die Blende 12 und der Photovervielfacher 13 parallel zur z-Achse verschoben werden. Letztere Maßnahme, das Drehen der planpprallelen Platte 7 und die Parallelvortxhiebung der Teile 10, 11,12,13, kann dahinge-'iend vereinfacht werden, daß all die genannten Teile zu einer Einheit zusammengefaßt verden (in der Zeichnung durch den punktiert gezeichneten Kasten verdeutlicht) und ein Mechanismus vorgesehen ist, der beim Drehen der plar.parallelen Platte 7 die Parallelverschiebung der Teile 10,11,12,13 bewirkt. Das Einstellorgan für die planparallele Platte kann dann direkt in Winkelgraden geeicht weiden, die dem Winkel entsprechen, unter dem der gewünschte Streustrahl das Medium 1 verläßt.Finally, let us again consider the adjustment operations that essentially determine the quality of the measurement described. The focal plane of the first lens 2 is on the area of the medium to be measured 1 set. Then the adjustment of the focal plane of the second lens takes place in such a way that both Cut focal planes in said area. Under cutting is here also the bringing into alignment understood both focal planes. This case occurs e.g. B. a when the optical axes of the two Lenses 2 and 5 coincide. The next adjustment operation consists in removing the plane-parallel plate 7 to rotate in the x-j plane. This measure determines the direction of the medium 1 leaving desired scattered beam determined. Then only the aperture 10, the lens 11, the Aperture 12 and the photomultiplier 13 are moved parallel to the z-axis. The latter measure, that Rotation of the plane-parallel plate 7 and the parallel advance of parts 10, 11, 12, 13, can then-'end can be simplified that all the parts mentioned are combined into a unit (in the Drawing clarified by the dotted box) and a mechanism is provided, when rotating the plar.parallelen plate 7 the parallel shift of parts 10,11,12,13 causes. The adjusting element for the plane-parallel plate can then graze directly calibrated in degrees that correspond to the angle at which the desired scattered beam leaves medium 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for measuring velocities with high spatial resolution in which a Laser light beam focused on the area of a medium to be measured by means of a first lens is brought into interaction with scattering particles of the medium, the unscattered Partial beam and a scattered partial beam after passing through the medium by means of a plane-parallel plate are combined and then on the light-sensitive layer of a Photodetector fall, characterized that a second lens (5) is provided, the focal plane of which is that of the first lens (2) in the area of the medium to be measured (1) and which intersects the rays of the stray field including the unscattered partial ray (4) transformed into a light beam running parallel to the optical axis (Z) of the second lens, that towards the second lens the plane-parallel plate (7) in the beam path .on unscattered Partial beam and scattered beams running parallel to this are provided that a first diaphragm (10) is provided behind the plane-parallel plate is that from the beam leaving the plane-parallel plate the ouiiuiiciiMian! (9) selects, which, according to Venassen., he first diaphragm by means of a third lensv- (Xl) on the opening a second aperture (12) focus. jrt, behind which the light detector (13) is arranged.

2. Device according to claim 1, characterized in that the arrangement is made so that only one scattered beam leaving the medium (1) symmetrically to the unscattered partial beam (4) (6) comes to superimposition in the plane-parallel plate (7).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that egg .. attenuator (8) in the beam path of the unscattered partial beam

(4) is connected between the second lens (5) and the plane-parallel plate (7).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a mechanism is provided through which when the plane-parallel plate (7) is rotated in the direction of flow of the medium (x) and the optical axis (z) of the second lens (5 ) certain plane the parts (10, 11, 12, 13) downstream of the plane-parallel plate (7) in the plane parallel to the optical axis (z) of the second lens

(5) can be moved simultaneously.