DE2323593A1

DE2323593A1 - Laser-doppler-anemometer

Info

Publication number: DE2323593A1
Application number: DE2323593A
Authority: DE
Inventors: Paul D Dipl Ing Iten
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-04-18
Filing date: 1973-05-10
Publication date: 1974-10-24
Also published as: ATA1065073A; FR2226664A1; CA1032638A; JPS5010174A; DE2323593B2; SE392972B; DE2323593C3; CH558018A; FR2226664B3; GB1465816A; US3966324A; NL7405060A; AT338542B

Description

He.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Laser-Doppler-Anemometer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Doppler-Anemometer mit Mitteln zur Aufteilung der Laserstrahlung in mehrere Teilstrahlenbündel, einem gemeinsamen optischen Abbildungssystem zur Beleuchtung des Messvolumens und zum Empfang der rückwärts gestreuten Signalstrahlung sowie einem im Strahlengang der gestreuten Signalstrahlung vorgesehenen Detektor.

Bei einem bekannten Laser-Doppler-Anemometer dieser Gattung (DT-OS 2 043 290) liegt der Lichtdetektor, z.B. ein Fotovervielfacher einschliesslich zugehöriger Optik auf der optischen Achse des Abbildungssystems vom Messvolumen aus gesehen hinter dem Abbildungssystem. Zwar ermöglicht diese Anordnung einen kompakten, leicht zu justierenden Aufbau des optischen Systems, doch ist die dem Detektor zugeordnete Empfangsoptik mit zugehörigen Bedienungs- und Tragelementen räumlich

4098 4 3/0653

eingeengt, da die genannten Teile sich innerhalb eines durch die beiden Beleuchtungsstrahlenbündel begrenzten Raumes befinden. Ein weiterer Mangel des Bekannten besteht darin, dass das gemeinsame Abbildungssystem nicht voll ausgenutzt werden kann.

Bei einer anderen bekannten Anordnung (Proc. of ΐβ^^η Int. Aerospace Instr. Symposium, May 1970, S.14 - 26, insbesondere Fig.7) wurde der umgekehrte Weg beschritten: Das vom Messvolumen rückwärts gestreute Licht gelangt dort durch die Randzone der Beleuchtungs- und Empfangslinse. Damit weist auch diese Anordnung den oben aufgeführten Nachteil auf. Darüber hinaus ist ein weiterer Mangel darin zu sehen, dass die Lichtquelle nicht auf der optischen Achse der ge- ' nannten Linse liegen kann, was zum einen zu Justageschwierigkeiten führt, zum anderen eine Rotation des Strahlteilers zur Messung verschiedener Geschwindigkietskomponenten orthogonal zur Einfallsrichtung der Beleuchtungsstrahlenbündel nicht zulässt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laser-Doppler-Anemometer zu schaffen, das die Nachteile bekannter Systeme nicht aufweist, sich durch problemlose Justage, einfache Bedienung und optimale Ausnutzung der Lichtenergie auszeichnet.

409843/0653

W73

Diese Aufgabe wird bei einem Laser-Doppler-Anemometer der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Ausblendung der das genannte gemeinsame Abbildungssystem verlassenden Streustrahlung eine aus mindestens einem teilweise lichtdurchlässigen spiegel bestehende umlenkeirichtung vorgesehen ist.

Besonders vorteilhaft ist es, zwei planparallel zueinander angeordnete Spiegel vorzusehen. Auf diese Weise verläuft das die Umlenkeinrichtung verlassende Licht parallel zur optischen Achse des gemeinsamen Abbildungssystems, wodurch Aufbau und Justage des Systems wesentlich vereinfacht sind.

Der Abstand h^ der optischen Achsen des gemeinsamen Abbildungssystems und der dem Fotodetektor zugeordneten Optik und der Abstand h2 der beiden Spiegel sowie der Neigungswinkel et der Spiegel gegenüber der optischen Achse des gemeinsamen Abbildungssystems sind durch die Beziehung

verknüpft.

Der im Strahlengang der Beleuchtungsstrahlenbündel liegende Spiegel weist vorzugsweise mindestens eine ringförmige el-

409843/065--!

liptische Zone hoher Lichtdurchlässigkeit (grosser als 98$) auf, welche Zone von gut verspiegelten Flächen umgeben ist. Durch Verwendung von elliptischen Ringen mit einem vom Neigungswinkel oc gemäss der Beziehung

s in 06 = a/b

gegebenen Achsenverhältnis erlaubt es, den Strahlteiler um beliebige Winkel um die optische Achse des gemeinsamen Abbildungssystems drehen zu können. Auf diese Weise lassen
sich allein durch Rotation des Strahlteilers verschiedene
Geschwindigkeitskomponenten orthogonal zu der genannten optischen Achse problemlos messen.

Soll der Strahlteiler lediglich um feste Winkelwerte verdreht werden, z.B. zur Messung senkrecht aufeinander stehender Geschwindigkeitskomponenten, so braucht der Spiegel nur zwei Paare von diametral gegenüberliegenden Zonen hoher
Lichtdurchlässigkeit aufzuweisen. Soll darüber hinaus der
Abstand der beiden Beleuchtungsstrahlenbündel variiert werden, so sind die genannten Zonen zu Streifen entsprechender Länge zu verlängern, wobei jedoch eine gewisse Umgebung des Zentrums des Spiegels frei bleibt, d.h. gut verspiegelt ist.

409843/065:*

W73

In der Praxis hat sich ein Spiegel bewährt, der eine Kobination von elliptischen Ringen mit Streifen aufweist, welche die elliptischen Ringe in Richtung der grossen und der kleinen Ellipsenachsen durchsetzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Beleuchtungs- und Empfangssystem für Laser-Doppler-Anemometer nach dem Ruckstreuungs-Interferenz-System,

Fig. 2 Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele von Umlenkspiegel, wobei Fig. 2a einen solchen mit zwei elliptischen Ringen, Fig. 2b einen mit senkrecht aufeinander stehenden Streifen und Fig. 2c eine Kombination von elliptischen Ringen mit streifen zeigt,

Fig. J> ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strahlteilers mit verklebten Parallelogramm-Prismen,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strahlteilers mit einem Kösterschen Doppelprisma,

409843/065 3

Pig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Lochblende mit zugehöriger Verstelleinrichtung im Querschnitt,

Pig. 6 einen Längsschnitt durch die Lochblende gemäss Fig.5 und zusätzlichem Beobachtungsokular,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer praktischen Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Laser-Doppler-Anemometer nach dem Rückstreuungs-Interferenz-System,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Abwandlung zur der Anordnung gemäss Fig. 7 nach dem Vorwärtsstreuungs-Interferenz-System,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung der Anordnung gemäss Fig.7 zur Messung sowohl nach dem Rückstreuungs- bzw. Vorwärtsstreuungs-Interferenz-System als auch nach dem Lokaloszillator-r Rückwärts-System,

Fig.10 eine mit der in Fig.9 dargestellten Anordnung ver gleichbare mit drei Beleuchtungsstrählenbündeln, welche die simultane Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten eines Strömungsfeldes ermöglicht,

409843/0653

Pig.11 eine weitere Abwandlung der in Fig.9 dargestellten Anordnung, bei der der Umlenkspiegel durch ein Strahlteilerwürfel-Paar ersetzt ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Laser-Doppler-Anemometer handelt es sich um ein sogenanntes Ruckstreuungs-Interferenz-System. Das von einem Laser 1 erzeugte Licht L fällt auf einen Strahlteiler 2. Dort wird das Licht in zwei symmetrisch zur Einfallsrichtung des Laserlichts liegende Teilstrahlenbündel 3 und 4 gleicher Intensität aufgeteilt. Im Strahlengang des einen Teilstrahlenbündels ist ein optisches Filter 5 angeordnet. Die Teilstrahlenbündel j5 und 4 werden mittels einer Linse 6 (in der Praxis meist ein ganzes Linsensystem) auf ein Messvolumen 7 fokussiert.

Das aus dem Messvolumen 7 rückwärts gestreute Licht gelangt durch die gleiche Linse 6 auf einen gegenüber der optischen Achse Ji dieser Linse um den Winkel oc geneigten ersten Spiegel 8, wird dort reflektiert und trifft auf einen zweiten, planparallel zum ersten Spiegel 8 angeordneten Spiegel 9· Beide Spiegel stehen senkrecht zur Zeichenebene. Im weiteren Strahlengang des rückwärts gestreuten Lichts liegt eine wei tere Linse 10 (in der Praxis ebenfalls meist ein ganzes Lin sensystem), welche das Licht auf eine Lochblende (eng. pinhole) 11 fokussiert.

409843/0653

Hinter der Lochblende 11 ist ein Fotodetektor 12 angeordnet, an den ein Vorverstärker IJ nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Vorverstärkers führt zu einer nicht weiter dargestellten Signalverarbeitungseinrichtung. Eine solche ist beispielsweise in der DT-OS 2 051 442 näher beschrieben.

Die optische Achsel der Linse 6 liegt parallel zur optischen Achse m der Linse 10. Beide Achsen weisen den gegenseitigen Abstand b^ auf. Der Abstand der beiden Spiegel 8, 9 ist mit hg bezeichnet.

In Fig. 2 sind Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele von Spiegeln 8 dargestellt. Der Spiegel gemäss Fig. 2a weist zwei ringförmige elliptische Zonen 14 und l4' hoher Lichtdurchlässigkeit (grosser als 98 %) auf, welche von gut verspiegelten Bereichen I5, 15¹ und I5¹¹ (Reflexionsvermögen grosser als 98 %) umgeben. Dieses gute Reflexionsvermögen lässt sich in bekannter Weise durch dielektrische Verspiegelung erzielen. In Richtung der grossen Achse b der Ellipsen weisen die Ringe eine um den Reziprokwert des Sinus des Neigungswinkels der Spiegel grössere Breite auf als in Richtung der kleinen Achse a. Ebenso ist das Achsenverhältnis der Ellipsen, die die Ringe begrenzen, durch den Neigungswinkel et des Spiegels 8 gegenüber der

optischen Achse Jt der Linse 6 gemäss der Beziehung

sin cc = a/b
bestimmt.

Der Abstand der elliptischen Ringe richtet sich nach dem gewünschten Strahlabstand h^ (Pig.l).

Ein derart ausgebildeter Spiegel ermöglicht ohne zusätzliche Justage oder gar Montagearbeiten ein Rotieren des Strahlteilers 2 um die optische Achse X der Linse 6, um auf diese Weise beliebige Komponenten der Strömung orthogonal zur der genannten Achse L erfassen zu können.

Verzichtet man auf beliebige Verdrehwinkel, will man beispielweise nur senkrecht aufeinander stehende Komponenten des Strömungsfeldes erfassen, so kann ein Spiegel, wie er beispielsweise in Fig. 2b dargestellt ist, verwendet werden. Bei diesem Spiegel sind senkrecht aufeinander stehende Streifen 16a, 16b bzw. l6a.\ 16b' hoher Lichtdurchlässigkeit vorgesehen. Diese Streifen gehen nicht durch das Zentrum des Spiegels, um Streulichtverlusten zu begegnen.

Das in Fig. 2c dargestellte Ausführungsbeispiel eines TJm-

409843/0853

44/73

lenkspiegels zeigt die Kombination eines sowohl mit elliptischen Ringen, als auch mit senkrecht aufeinander stehenden Streifen versehenen Spiegels.

Bei allen drei Ausführungsbeispielen von Umlenkspiegeln beträgt die Streifen- bzw. Ringbreite in Richtung der kleinen Ellipsenachse a annähernd 3 mm. Diese erhöht sich in Richtung der grossen Achse a entsprechend dem Reziprokwert des Sinus des Neigungswinkels 06 .

Um nun die Vorteile der erfindungsgemässen Anordnung voll ausnutzen zu können, werden an den Strahlteiler 2 folgende Anforderungen gestellt:

Er muss leicht auswechselbar sein.

Bei der Rotation um die optische Achse JL der Linse 6 darf sich der Strahlabstand h^ nicht ändern, da sich sonst auch die Systemkonstante der Messanordnung ändert.

Die genannte optische Achse muss bei jedem Verdrehwinkel des Strahltellers die Mittelparallele zu den beiden den Strahlteiler verlassenden Teilstrahlbündeln J> und 4 bilden, und zwar unabhängig von der Drehachse des Strahlteilers, da nur auf diese weise das Fokussierungsvolumen J seine räumliche Lage nicht ändert.

409843/065^

. 11 . ^W73

All den genannten Anforderungen werden die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Strahlteilern gerecht.

Der Strahlteiler gemäss Fig. 3 besteht aus zwei Parallelogramm-Prismen mit dem Basiswinkel^ . Das erste Prisma 17 liegt mit einer Seitenfläche orthogonal zur Einfallsrichtung des Laserlichts L. Auf die der genannten Seitenfläche benachbarten und mit ihr den genannten WinkelyS einschliessenden anderen Seitenfläche 18 ist ein unter dem Winkel l8o°- 2/? abgeschnittenes zweites Parallelogramm-Prisma 19, das den gleichen Basiswinkelyff aufweist, mit dieser Schnittfläche aufgeklebt, wobei die Schnittfläche oder auch die Seitenfläche 18 zuvor zu 50 % verspiegelt worden ist.

Dieser Strahlteiler erzeugt aus dem einfallenden Licht L zwei exakt symmetrisch zur Einfallsrichtung liegende Teillichtbündel Z>i ^i deren Mittelparallel mit der Einfallsrichtung des Laserlichts L übereinstimmt. Der Abstand h-* zwischen den Lichtbündeln 3 und 4 ist in weiten Grenzen unabhängig von der Eintrittsstelle des Laserlichts. Drehachse des Strahltellers und Lichteinfallsrichtung müssen also nicht auf einer Geraden liegen. Darüberhinaus ändern selbst Neigungen des Strahlteilers gegenüber der Einfalls richtung des Laserlichts nichts an der Parallelität der

409843/0653

den Strahlteiler verlassenden Teilstrahlenbündel ^ und 4. Lediglich der Strahlabstand h-z ändert sich mit dem Cosinus des Neigungswinkel. Ein winkelschlag des den Strahlteiler tragenden Drehtisches von 1° bringt eine Aenderung von h-^ und damit der Systemkonstante von 0,2 Promille mit sich.

Bei dem in Fig.4 dargestellten Strahlteiler wird ein Köstersches Doppelprisma 20 und zwei Spiegel 21 und 22 benutzt. Mittels der Spiegel wird das einfallende Laserlicht L auf eine Seitenfläche des Doppelprismas gelenkt. Der erste Spiegel 21 ist vorzugsweise auf der genannten Seitenfläche befestigt. Der zweite Spiegel 22 ist senkrecht zur Einfallsrichtung des Laserlichts L beweglich. Auf diese Weise lässt sich der Abstand h- der Teilstrahlenbündel 3 und 4 variieren.

Unter der Voraussetzung, dass die Einfallsrichtung des von dem Spiegel 22 reflektierten und auf die genannte Seitenfläche des Prismas 20 auftreffenden Lichtes senkrecht zu dieser Seitenfläche steht, verlassen die Teilstrahlenbündel 3 und 4 den Strahlteiler symmetrisch und parallel zur Einfallsrichtung des Laserlichts L.

Beide beschriebenen Strahlteiler sind einfach herzustellen. Der strahlabstand h, ist einfach und reproduzierbar einstellbar. Bei Drehung des Strahlteilers um die durch die

409843/0653

44/73

Einfallsrichtung gegebene Achse ändert sich weder der Strahlabstand h-z noch die Symmetrie zwischen beiden Strahlen.

Für manche Anwendungen kann es zweckmässig sein, den einfallenden Laserstrahl nicht nur "geometrisch", sondern auch intensitätsmässig in zwei strahlenbündel unterschiedlicher Intensität aufzuteilen. So ist bei Lokaloszillator-Systemen eine intensitätsmässige Aufteilung: Referenzstrahl 1 bis 5$, Beleuchtungsstrahl 99 bis 95 % empfehlenswert.

Eine derartige Aufteilung kann auf zweierlei Weise erfolgen:

a) bereits im Strahlteiler

b) durch dem Strahlteiler nachgeschaltete Filter

Bei der Möglichkeit a) wird mindestens eine der reflektierenden Flächen der Strahlteiler (gemäss Fig.3 oder Fig.4) verspiegelt. Dies ist in Fig.3 beispielsweise durch die Verspiegelung S angedeutet, ist die Seitenfläche 18 zu 95 % verspiegelt, so weist das Teilstrahlenbündel 3 - abgesehen von anderen unwesentlichen Verlusten - eine um den Faktor 19 höhere Intensität auf als das Teilstrahlenbündel 4·. Will man unterschiedliche Intensitätsverhältnisse mit einem einzigen Strahlteiler erzielen, so wird die Verspiegelung S (Fig.3) hinsichtlich ihres ReflexionsVermögens verschieden ausgebildet. Durch Translation des Strahltellers orthogonal zur Ein-

23^593

fallsrichtung des Laserlichtes lassen sich dann unterschiedliche Intensitätsverhältnisse zwischen beiden Teilstrahlenbündeln realisieren. Eine keilförmige Verspiegelung der Seitenfläche 18 erlaubt sogar eine kontinuierliche Aenderung des genannten Intensitätsverhältnisses.

Während bei den vorgenannten Massnahmen keine nennenswerten Lichf/erluste auftreten, ist die Verwendung von optischen Filtern mit solchen behaftet. Aus diesem Grunde werden optische Filter dann eingesetzt, wenn vergleichsweise geringe Intensitätsunterschiede ausgeglichen werden sollen, die Referenzstrahlung mehrere Grössenordnungen intensitätsärmer als die Beleuchtungsstrahlung sein soll, z.B. bei Lokaloszillator-Rückwärts-Systemen, oder nur ein Strahlteiler zur Verfügung steht.

Ein Ausführungsbeispiel eines optischen Filters der genannten Art ist in Fig.l beispielsweise dargestellt. Das Filter 5 besteht im wesentlichen aus zwei planparallelen, auswechselbaren Graugläsern (sog. Neutralfilter) 23 und 24, die gegenüber der optischen Achse der Linse 6 um den Winkel er bzw. Ιδο⁰"!'* geneigt sind. Durch die Schrägstellung werden störende Reflexionen ausgeschaltet. Die durch die Schrägstellung hervorgerufenen Parallelverschiebung zwischen Eintritts- und Austrittsstrahl wird durch die Hintereinander-

409843/0653

schaltung zweier (oder einer geradzahligen Vielfachheit) von Filtergläsern eliminiert. Auf diese Weise kann das Filter 5 entfernt werden, ohne dass eine Neujustierung der optischen Anordnung vorgenommen werden muss.

Bei Laser-Doppler-Anemometern ist es von grosser Wichtigkeit, die zwischen Empfangsoptik und Photodetektor angeordnete Blende (pinhole) exakt und reproduzierbar einstellen zu können, da auf die Blende das Messvolumen abgebildet wird, während Bewegungen orthogonal zur optischen Achse des Empfangsoptik (Linse 10 in Fig.l) darf sich die Blende nicht in Richtung der optischen Achse m dieser Linse bewegen. Eine die vorgenannten Anforderungen genügende Blende ist einschliesslich ihrer verstelleinrichtung in Fig.5 (Querschnitt) und Fig.6 (Längsschnitt) beispielsweise dargestellt.

Die eigentliche Blende 11 ist in einem Tragring 25 auswechselbar befestigt. Der Tragring ist am äusseren Umfang mit einer umlaufenden V-förmigen Nut 26 (Fig.6) versehen. Der Tragring wird mittels zweier, 90° gegeneinander versetzter Mikrometer-Schrauben 27, 28 und einer teleskopisch geführten Feder 29 in einem Rahmen JO gehalten. Die Feder 29 liegt dabei auf der Winkelhalbierenden der Drehachsen der Mikrometer-Schrauben.

409843/0653

Die der Blendenöffnung zugewandten Enden der Mikrometerschrauben und des teleskopisch geführten Feder sind mit Kugeln 54 versehen, die in der genannten V-förmigen Nut 26 laufen.

Durch Drehen an den Mikrometerschrauben 27 und 28 lässt sich die Blende 11 feinfühlig in der zur optischen Achse m der Linse 10 orthogonalen Ebene verstellen. Eine Verschiebung in Richtung der Achse m wird durch die Eigenart der Führung der Kugeln in der Nut 26 ausgeschaltet.

Gegenüber bekannten Verstelleinrichtungen (z.B. aus dem Buch "Fertigungs- und stoffgerechtes Gestalten in der Feinwerktechnik", Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1968, S.169, insbes. Fig. 521 u. 522, bekannten Justiereinrichtung mit Plattenführung) weist die vorstehend beschriebene Verstelleinrichtung den Vorteil einfacherer Herstellung bei wesentlich grösserer Genauigkeit auf.

Zusätzlich ist in Fig. 6 hinter der Blende 11 eine Linse 11' vorgesehen. Diese Linse ist ebenfalls auswechselbar in dem Tragring angeordnet, z.B. dort in eine entsprechende Bohrung eingeschoben. Die Linse 11^f bildet zusammen mit der Linse 10 ein Teleskop.

409843/0653

_ 17 -

Mit dem in Fig. 6 weiterhin eingezeichneten und in Pig. I lediglich angedeuteten Beobachtungsokular 31 ist eine genaue und schnelle Justierung der optischen Anordnung möglich. Das Okular ist zu diesem Zweck mit einem gegenüber seiner optischen Achse geneigten Spiegel 32 versehen. Somit kann mittels des Okulars das Bild des Messvolumens direkt betrachtet und durch Einstellung der Lochblende auf diese abgebildet werden.

Im Strahlengang zwischen Spiegel 32 und dem Auge des Beobachters sind zv/ei gegeneinander verdrehbare Polarisatoren 33 und Jh vorgesehen. Diese dienen der Anpassung der Lichtverhältnisse im Messvolumen an die Empfindlichkeit des Auges, was insbesondere bei stark reflektierenden Messobjekten vorteilhaft ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Die nachfolgend aufgeführten und mit den selben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 6 versehenen Teile sind in einem gemeinsamen Gehäuse leicht auswechselbar untergebracht;

Laser 1

Strahlteiler 2
Filter 5

409843/0653

- iS -

Unilenkeinrichtung, bestehend aus den Spiegeln 8 und 9 sowie zugehöriger Haltevorrichtung

Beleuchtungs- und Empfangsoptik 6 Linse 10

Lochblende 11 mit Verstelleinrichtung

Okular Jl, welches mit dem Gehäuse der Linse 10 eine mechanische Einheit bildet Fotodetektor 12
Vorverstärker IJ

Die Bausteine Laser, Strahlteiler und Filter sind auf einer ersten Tragplatte 35 angeordnet, wobei, soweit technisch vertretbar, Schnappverschlüsse oder magnetische Halterungen Verwendung finden. In der darüberliegenden Etage sind auf einer zweiten Tragplatte 36 die Linse 10, die Lochblende 11, das Okular J>1, der Fotodetektor 12 und der Vorverstärker IJ in gleicher Weise leicht auswechselbar angeordnet. Beide Tragplatte stützen sich über Distanzelemente 37 gegeneinander ab.

Die aus den Spiegeln 8 und 9 sowie zugehöriger Haltevorrichtung bestehende Umlenkeinrichtung ist auf das dem Laser 1 abgewandte Ende der unteren Tragplatte 35 gesteckt. Die formschlüssige Verbindung zwischen Umlenkeinheit und Tragplatte 35 erfolgt über eine senkrecht zur Tragplatte verlaufende Schwalbenschwanz-Führung oder einen Bajonett-Ver-

409843/0653

- 19 - W73

schl.uss. Die Beleuchtungs- und Empfangsoptik 6 ist in der Art eines Wechselobjektivs, z.B. mittels Bajonett-Verschluss, mit der Umlenkeinrichtung verbunden. Auf diese Weise lassen sich in einfacher Weise andere Umlenkeinrichtung und/oder Linsen bzw. Linsensysteme mit anderer Brennweite und/oder Apertur verwenden.

jede der genannten lösbaren Verbindungen ist selbstverständlich mit der für optische Messgeräte üblichen Präzision gefertigt, wobei durchwegs bekannte Techniken angewandt wurden, sodass sich ein näheres Eingehen auf konstruktive Details dieser lösbaren Verbindungen erübrigen dürfte. Ebenso wird auf eine detailiertere Beschreibung der Anordnung gemäss Fig. 7 verzichtet, da deren Verständnis sich zwangsläufig aus dem bisher Beschriebenen und der zeichnung ergibt.

Die grossen Vorteile dieser Modulbauweise werden insbesondere dann offensichtlich, wenn bestimmte Teile ausgetauscht oder Teile mit anderen optischen Eigenschaften eingesetzt werden sollen, z.B. andere Strahlteiler, andere Filter, eine andere Umlenkeinrichtung, andere Beleuchtungs- und Empfangsoptiken. Ein weiterer Vorteil dieses Systems 1st, dass einzelne Moduln getrennt verwendet werden können. Dies ist in Fig. 8, die ein Vorwartsstreuungs-Interferenz-System zeigt, beispielsweise verdeutlicht. 40 9 843/0653

- 20 - W73

Die auf der oberen Tragplatte J>6 montierten Moduln Linse 10, lochblende 11, Okular Jl, Fotodetektor 12 und Vorverstärker 15 werden abgenommen und auf eine der Tragplatte j?6 entsprechende zweite Tragplatte 36' auf der "anderen Seite"des Mediums angeordnet. Die bei dieser Betriebsart nicht benötigte Umlenkeinrichtung ist entfernt worden. An ihre Stelle tritt linse 6. Zu diesem Zweck weist das dem Medium zugewandte Distanzelement 37 eine entsprechende Haltevorrichtung auf, welche vergleichbar ist mit der vorgenannten Haltevorrichtung der Umlenkeinrichtung. Während bei der Anordnung gemäss Fig.7 die Linse 6 eine doppelte Funktion erfüllt ( gleichzeitig Beleuchtungs- und Empfangsoptik), muss nun bei Vorwärtsstreuung eine weitere Linse 6^! der Linse 10 vorgeschaltet werden. Zu diesem Zweck ist auch das der Lochblende abgewandte Ende dds Gehäuses der Linse 10 mit einer geeigneten Haltevorrichtung für die Linse 6' versehen. Zur Erzielung einfacher optischer Verhältnisse ist es zweckmässig, für die Linsen 6 und 6^! solche gleichen Typs, d.h. gleicher mechanischer Anschlussmöglichkeit, gleicher Brennweite und Apertur, zu verwenden.

Zur Ausblendung der beiden Beleuchtungsstrahlen nach Durchgang durch das Medium 7 ist zwischen Linse 6¹ und Linse 10 eine Blende 55 vorgesehen. Sofern es das Medium erlaubt, sind beide Tragplatte 35 und 36' auf einer gemeinsamen Grundplatte befestigt. Weist die Grundplatte darüber hinaus noch geeignete Führungselemente (ruüM- do-f^esteLi t), vergleichbar denen einer

Α098Λ3/0653

optischen Bank, auf, so gestaltet sich die Justierung des Systems für Vorwärtsstreuung ebenso einfach wie diejenige für Rückwärtsstreuung.

Ohne gemeinsame Grundplatte müssen - abgesehen von der Fokussierung der Linsen 6 bzw. 6' und Abbildung des Messvolumens auf die Lochblende 11 - lediglich die optischen Achse der Linsen 6 und 6¹ auf eine Gerade gebracht werden.

Das in den Pig.l und 7 dargestellte System für Rückwärtsstreuung lässt sich in einfacher Weise in ein Lokaloszillator-Rückwärts-System umwandeln. Dies ist in Fig.9 beispielsweise veranschaulicht.

Das einfallende Laserlichtbündel L wird im Strahlteiler 2 in zwei Teilstrahlenbündel J>, 4 aufgeteilt, wobei das Teilstrahlenbündel j5 95$, das Teilstrahlenbündel 4 5$ der einfallenden Lichtintensität aufweist. Diese intensitätsmässige Aufteilung wurde bereits im Zusammenhang mit dem in Fig. dargestellten Strahlteiler beschrieben.

Das Teilstrahlenbündel 3 tritt durch den nicht verspiegelten Bereich des Umlenkspiegels 8 hindurch, wird mittels der Linse 6 auf das Messvolumen J fokussiert. Ein Anteil des rück-

409843/0653

2^593

wärts gestreuten Lichts aus dem Messvolumen trift durch die Linse 6 und die Elende 59 auf einen gut verspiegelten Bereich (Reflexionsvermögen mehr als 95 %) des Spiegels 8. Dort vereinigt es sich mit dem mittels eines weiteren Spiegels 4l umgelenkten Referenzstrahlbündels' 4.

ein

Will maamit einem einzigen Umlenkspiegel 8 sowohl Rückwärtsstreuung - Interferenz- als auch ein Lokaloszillator-Rückwärts-System realisieren, so empfiehlt es sich, einen mit elliptischen Ringen versehenen Spiegel vorzusehen, der zusätzlich ausserhalb der Hauptachsen eine gut verspiegelte Zone 4o auf dem (lichtdurchlässigen)elliptischen Ring aufweist. Dies ist in Fig.2a beispielsweise dargestellt.

Der Uebergang von der einen zur anderen Betriebsart erfolgt dann durch blosses Verdrehen des Strahlteilers 2 um die durch die Einfallrichtung des Laserlichts L gegebene Achse um den Winkel<f (Fig.2a) und durch Einschieben der Blende 59 (Fig.9)

Somit lassen sich mit einem einzigen System sowohl orthogonale Geschwindigkeitskomponenten als auch die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der optischen Achse Jt der Linse 6 erfassen, und zwar nacheinander, ohne dass das optische System neu justiert werden muss.

409843/0653

Mit der in Fig.10 dargestellten Anordnung wird sogar die simultane Messung zweier Geschwindigkeitskomponenten, nämlich der in Richtung der optischen Achse X der Linse 6 liegenden Komponente (ζ-Komponente) und einer orthogonal zu dieser liegenden Komponente, möglich. Die dritte Komponente lässt sich dann durch Drehung des Strahlteilers 2 um die Achsel messen. Bei dieser Anordnung handelt es sich um ein Dreistrahl-Beleuchtungssystem für Lokaloszillator-Rückwärts- und Vorwärts-Interferenz-System.

Der Strahlteiler 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten durch ein zusätzliches Keilprisma 42, das auf die eine Seitenfläche des (abgeschnittenen) Parallelogramm-Prismas 19 aufgeklebt worden ist. Es kann dabei dasjenige Prisma verwendet werden, das im Zuge der Herstellung des Strahlteilers gemäss FigO abgeschnitten werden muss. Die ursprüngliche Seitenfläche 18 des Parallelgramm-Prismas 17 ist zu 25 % verspiegelt, die Seitenfläche 4^ des Parallelogramm-Prismas 19, auf die das Keilprisma 42 aufgeklebt ist, ist zu 3J5 1/5 % verspiegelt, während die den genannten Seitenflächen gegenüberliegenden Seitenfläche voll verspiegelt sind. Ist der Winkel, unter dem die Teilstrahlenbündel 5,4 auf die letztgenannten Seitenflächen auftreffen gleich oder kleiner als der Winekl der Tötaireflexion, so kann die Verspiegelung entfallen. Dieser Auftreffwinkel ist -

409843/0653

wie leicht einzusehen ist - vom Basiswinkel β der Parallelogramm-Prismen YJ, 19 abhängig. Mit den vorgenannten Verspiegelungsgraden weisen die drei Teilstrahlbündel J₃ 44, das Intensitätsverhältnis 25 : 50 : 25 auf, was für diese Anordnung ein Optimum darstellt.

Die Umlenkeinrichtung, also insbeondere der Spiegel 8 muss für diese Betriebsart nicht verändert werden. Die in Pig. IO bzw. auch den Figuren 2a bis 2c eingetragene und mit 45 bezeichnete elliptische Zone im Zentrum des Spiegel 8 ist bereits vorhanden. Es empfiehlt sich jedoch, die Zone 45 zu 50 % zu verspiegeln.

Damit nun bei der Betriebsart Rückstreuung-Interferenz-System keine wesentlichen Lichtverluste auftreten - bekanntlich weist der Intensitätsverlauf des rückgestreuten Lichtes eine etwa Gauss'sehe Verteilung mit Intensitätsmaximum auf der optischen Achse *£ der Linse 6 auf - erfolgt die 50 % - Verspiegelung nur in einem zentralen Bereich der elliptischen Zone 45, vorzugsweise etwa 3,5 mm Durchmesser in Richtung der grossen Ellipsenachse b.

Wie eingangs erwähnt, ist der Strahlteiler 2 zwecks sequentieller Messung zweier Geschwindlgkeitskoponenten orthogo-

409843/0653

44/73

nal zur optischen Achse der Linse 6 drehbar um diese Achse angeordnet.

Hinsichtlich des Vorwärtsstreuungs-Interferenz-Systems, bei dem die Teilstrahlenbündel 3 und 4 zur Beleuchtung des Messvolumens herangezogen werden, unterscheidet sich die Anordnung gemäss Fig. 10 prinzipiell nicht von der in Fig. 8 dargestellten Anordnung - aus Gründen der Einfachheit wurden in Fig.10 lediglich die auf der "anderen Seite" des Messvalumens angeordneten Moduln Linse 6J Linse 10, Blende 11 etc. weggelassen.

Die Wirkungsweise der Anordnung beim Betrieb als Lokaloszillator-Rückwärts-System ist die folgende:

Das Teilstrahlenbündel 44 tritt durch die zu 50 % verspiegelte zone 45 des Spiegels 8 und wird auf das Messvolumen 7 fokussiert. Von dem rückgestreuten Licht aus dem Messvolumen wird der nahe der optischen Achse der Linse 6 liegende Anteil mittels des Umlenkspiegels 8 (dort die Zone 45) auf den zweiten Umlenkspiegel 9 gelenkt. Eine Blende 46 im Strahlengang zwischen dem zweiten spiegel 9 und der (nicht weiter dargestellten)Linse 10 blendet nicht zur Messung benötigtes Streulicht aus. Von dem auf die reflektierende Zone 45 auftreffenden Strahlenbündel 44 wird aufgrund der 50^-Verspiegelung ein Teil reflektiert und trifft auf einen weiteren

409843/0853

44/7"

- 26 - 232359:

Spiegel 47, dessen Reflexionsvermögen derart bemessen ist, dass der den Spiegel 8 in Richtung Spiegel 9 verlassende, als Referenzstrahl dienende Strahl etwa 1 bis 5 PPm des den Spiegel 8 in Richtung des optischen Achse X der Linse 6 verlassenden Beleuchtungsstrahls aufweist. Das Reflexionsvermögen sollte also wesentlich kleiner als 1 % sein, was sich in bekannter Weise durch dielektrische Entspiegelung realisieren lässt.

Zur Feineinstellung der Intensitätsverhältnisse können auch geeignete Neutralfilter in den Strahlengang zwischen Spiegel 8 und Spiegel 4-7 eingeschaltet werden, deren Aufbau dem des Filters 5 (in Fig.l bzw. 7) gleicht. Diese Möglichkeit ist sowohl in der Anordnung gemäss Fig.9 als auch der gemäss Fig.10 veranschaulicht, wo jeweils ein mit der Bezugsziffer 5 bezeichneter Filter vorgesehen ist.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass sich das vorbeschriebene System sich in wenig abgewandelter Form auch zur simultanen Messung sowohl nach dem Lokaloszillator-Rückwärts, als auch nach dem Rückstreuungs-Interferenz-System eignet;

Wird der Spiegel 9 im Bereich der Auftreffstelle des rückgestreuten, mit dem Referenzstrahl vereinigten Streustrahls mit einer Oeffnung versehen oder dort die gute Verspiegelung

~" 409843/0653

entfernt, und hinter der Lichtaustrittsstelle ein weiteres, ais Linse, Fotodetektor und Vorverstärker bestehendes Empfangssystem vorgesehen (die Blende 46 entfällt dann), so lässt sieh diese Anordnung zur simultanen Messung zweier Geschwindigkeitskomponenten heranziehen.

Schaltet man zwei 90° gegeneinander verdrehte Strahlteiler gemäss Pig. 10 hintereinander, so ist sogar die simultane Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten möglich:

Mittels Lokaloszillator-Rückwärts-System wird die z-Komponente erfasst, die anderen Komponenten werden mittels Vorwärtsstreuungs- bzw. Rückwärtsstreuungs-Interferenz-System ermittelt. Ist ist selbstverständlich, dass dann drei ge- / trennte Empfangssysteme incl. Verarbeitungseinrichtungen erforderlich sind.

Bei beiden, in den Figuren 9 ^un<ä 10 dargestellten Ausführungsbeispielen einschliesslich der aufgeführten Abwandlungen gestaltet sich die Justierung des optischen Systems sehr einfach. Sie gleicht in ihrer Einfachheit der im Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 beschriebenen Anordnungen. Hinzu kommt einzig die Justierung der Spiegel 41 bzw. 47·

409843/0653

28 73

Die in Fig. 11 beispielsweise dargestellte Anordnung eines Laser-Doppler-Anemometers ist eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig.9· An die Stelle des Umlenkspiegels 8 tritt hier eine aus zwei üblichen Strahlteiler-Würfeln 48 und 49 bestehende Umlenk- bzw. Ueberlagerungseinrichtung. Das hier nicht benötigte Teilstrahlenbündel j5 wird durch eine Maske 50 ausgeblendet. Als Strahlteiler 2 kann ein solcher wie im Fall der Anordnung gemäss Fig. 9 (17*19) verwendet werden. Die Trennflächen 51 und 52 der Strahlteilerwürfel 48, 49 sind zu 5 bzw. 95 % verspiegelt. Dann hat der Beleuchtungsstrahl 53 95 % der auf den Strahlteilerwürfel 48 auftreffenden Lichtintensität, der den Strahlteilerwürfel 49 verlassende Referenzstrahl etwa 2,4 Promille der eingestrahlten Lichtintensität, was für Lokaloszillator-Rückwärts-Systeme vollauf genügt .

Im Strahlengang des vom Messvolumen rückgestreuten Lichtes ist eine Blende 54 zur Ausblendung von Störlicht vorgesehen.

Bei allen Typen von Laser-Doppler-Anemometern, seien es solche, die nach dem Interferenz- oder Lokaloszillator-System arbeiten, tritt ein systematischer Messfehler auf, der seine Ursache in der Natur der Erzeugung des Beleuchtungsstrahlenbündels hat:

Α098Λ3/0653

Die Kaustik oder die Enveloppe des Strahlprofils eines Laserliehtbündels ist für den üblichen TEM - Mode ein Rotationshyperboloid, mit durch die Resonatorgeometrie des Lasers bestimmten Oeffnungswinkel der Asymptoten, minimalen Fleckradius, Ort des minimalen Fleckradius¹. Die Abbildung solcher Gauss'scher Moden durch shärischer Linsen oder Spiegel liefert wiederum Gauss'sehe Moden, jedoch mit verändertem minimalen Fleckradius an anderer Stelle (vgl. "Laser und angewandte Strahlentechnik", Nr.1, S.55*56, 1970).

Um die daraus resultierenden Messfehler, die bis zu 5 % betragen können, ist bereits vorgeschlagen worden, durch zwischen Laser und Messobjekt oder Messvolumen geschaltete zusätzliche Abbildungssysteme den Ort minimalen Fleckradius' des das Messvolumen beleuchtenden Laserlichtes annähernd mit dem Zentrum des Messvolumens zur Deckung zu bringen (vgl. DT-OS 22 06 520-9). Eine der dort beschriebenen Möglichkeiten besteht darin, den virtuellen Abstand zwischen Laser und Messvolumen, z.B. mittels einer Kombination einer Konvexen und einer konkaven Linse, einstellbar zu machen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den reellen Abstand zu verändern.

Beide Verfahren zur Eliminierung des vorgenannten Messfehlers lassen sich selbstverständlich bei allen vorstehend beschrie-

409843/0853

benen Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 1, 7 bis H anwenden. So ist beispielsweise in der Ausfuhrungsform gemäss Fig.7 innerhalb des Gehäuses zwischen Laser 1 und Strahlteiler 2 ein freier Raum vorgesehen, in die eine Kompensationseinrichtung Z eingesetzt werden kann. Letztere besteht z.B. aus einer Kombination einer konkaven Linse 5β und einer konvexen Linse 57j deren optische Achse mit der Einfallsrichtung des Laserlichtes L zusammenfallen. Beide Linsen lassen sich relativ zueinander in Richtung dieser Achse verschieben. Nähere Einzelheiten sind in der vorgenannten Offenlegungsschrift detailiert beschrieben.

409843/0653

Claims

Patentansprüche

Laser-Doppler-Anemometer mit Mitteln zur Aufteilung der Laserstrahlung in mehrere Teilstrahlenbündel, einem gemeinsamen optischen Abbildungssystem zur Beleuchtung des Messvolumens und zum Empfang der rückwärts gestreuten Signalstrahlung sowie einem im Strahlengang der gestreuten Signalstrahlung vorgesehenen Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausblendung der das genannte gemeinsame Abbildungsmittel (6) verlassenden gestreuten Signalstrahlung eine aus mindestens einem teilweise lichtdurchlässigen Spiegel (8,9) bestehende Umlenkeinrichtung vorgesehen ist.
2. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zv/ei planparallel zueinander angeordnete Spiegel (8,9) vorgesehen sind.
3. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (8,9) lichtdurchlässige elliptische Ringe (I¹O aufweisen.
4. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (8,9) lichtdurchlässige Streifen (14') aufweisen.

409843/065
5· Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (öC ) der Spiegel (8,9) gegenüber der optischen Achse (1) des gemeinsamen optischen Abbildungsmittels (6) einstellbar ist.
6. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung der Laserstrahlung (L) eine^aus zwei Parallelogramm-Prismen (17, 19) zusammengesetzte Anordnung vorgesehen ist.
7. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung der Laserstrahlung (L) ein Köstersches Doppelprisma (20) vorgesehen ist.
8. Laser-Doppler-Anemometer nach einem oder mehreren der vor-' angegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtdetektor (12) eine Lochblende (11) vorgeschaltet ist, welche orthogonal zur optischen Achse des Detektors verschiebbar ist.
9. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (11) in einem Tragring (25) angeordnet ist, der an seinem äusseren Umfang eine umlaufende V-förmige Nut (26) aufweist, welcher Tragring sich gegenüber einem Rahmen (30) mittels zweier Mikrometer-Schrauben (27,28) und einer teleskopisch geführten Feder (29) unter Zwischen-

schaltung gleitfähig gelagerter Kugeln (5¹O abstützt.
10. Laser-Doppler-Anemometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9₃ dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung der Laserstrahlung (L) ein aus zwei Parallelogramm-Prismen (17jl9) und einem Keilprisma (42) bestehende Strahlteileranordnung vorgesehen ist.
11. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkeinrichtung (8,9) ein weiterer, parallel zur optischen Achse des gemeinsamen optischen Abbildungssystems (6) angeordneter Spiegel (47) vorgesehen ist.
12. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der elliptischen Ringe (1*0 eine Zone (¹IO) hohen Reflexionsvermögens aufweist, und dass der Umlenkeinrichtung (8,9) ein. parallel zur optischen Achse des gemeinsamen optischen Abbildungssystems (6) angeordneter Spiegel (41) zugeordnet ist.

13- Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Lasers (1) vom Messvolumen (7) veränderbar ist.

409843/0653

1ή. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 13, gekennzeichnet, dass zur Aenderung des virtuellen Abstandes eine Kompensationseinrichtung (Z) vorgesehen ist.

15· Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1*1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (Z) aus mindestens einer konkaven (56) und mindestens einer konve xen Linse (57) besteht.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

409843/0653