DE2323593B2

DE2323593B2 - Laser-Doppler-Anemometer

Info

Publication number: DE2323593B2
Application number: DE2323593A
Authority: DE
Inventors: Paul D. Dipl.-Ing. Oberrohrdorf Iten (Schweiz)
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1973-04-18
Filing date: 1973-05-10
Publication date: 1979-02-22
Also published as: ATA1065073A; FR2226664A1; CA1032638A; DE2323593A1; JPS5010174A; SE392972B; DE2323593C3; CH558018A; FR2226664B3; GB1465816A; US3966324A; NL7405060A; AT338542B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Doppler-Anemometer der im Oberbegriff des Anspruchs I angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 37 23 004 ist ein Laser-Dopplcr-Anemometer bekannt mit Mitteln zur Aufteilung der Laser-Strahlung in mehrere Teilstrahlenbündel, mit einer gemeinsamen Linse zur Beleuchtung des Meßvolumens und zum Empfang der rückwärts gestreuten Signalstrahlung sowie einem im Strahlengang der gestreuten Signalstrahlung angeordneten Detektor. Zur Ausblendung der die Linse verlassenden gestreuten Strahlen ist eine aus einem mit Lichtdurchlaßöffnungen versehenen Spiegel bestehende Umlenkeinrichtung vorgesehen. Zur Messung unterschiedlicher Geschwindigkeitskomponenten des Strömungsfeldes müssen

jo jeweils verschiedene Umlenkspiegel eingesetzt werden. Gleiches gilt, wenn der Abstand der Beleuchtungsstrahlcnbündel, welcher die Systemkonstante der Meßanordnung mitbestimmt, geändert wird. Beide Maßnahmen erfordern jeweils eine Neujustagc der gesamten optischen Anordnung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laser-Doppler-Anemomcier zu schaffen, das die Messung beliebiger Komponenten eines Geschwindigkeitsfcldcs und/oder die Anpassung df-r Systemkonstante der optischen Meßanordnung an die jeweilige Meßaufgabe ermöglicht, ohne daß wesentliche Neuoder Nachjustagcn des optischen Systems vorgenommen werden müssen, und das sich zudem durch eine größtmögliche Ausnutzung der Lichtenergie auszcichnei.

Die Lösung dieser Aufgabe bei einem Laser-Doppler-Anemometer der eingangs genannten Gattung besteht erfindungsgemäß darin, daß der Spiegel mindestens einen lichtdurchlässigen elliptischen Ring und/oder einen lichtdurchlässigen Streifen aufweist.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß durch Drehen des dem gemeinsamen optischen Abbildungsmittcl vorgeschalteten Strahltcilers um die optische Achse des genannten Abbildungsmittels beliebige Gcschwindigkcitskomponcntcn orthogonal zu der genannten Achse ohne jegliche Justagc ermittelt werden können, und darüber hinaus auch der die Syslcmkonstantc der Meßeinrichtung mitbestimmende Abstand der beiden Iieleuchtungsstrahlenbündcl

bo problemlos eingestellt werden kann.

Die sich aus den in den Ansprüchen 2 bis 12 angegebenen Weiterbildungen des Frfindungsgegen Standes ergebenden Vorleilc werden nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh-

h5 rungsbeispielen näher erläutert.
In der Zeichnung /eigl

K i g. I ein Belciichtiings- und Hmpfangssyslem für Laser-Doppler-Anemomclcr nach dem Rückstreuung-

Interferenz-System,

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

Fig.3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sirahlteilers mit verklebten Parallelogramm- Prismen,

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

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Lochblende mit zugehöriger Verstelleinrichtung im Querschnitt,

F i g. 6 einen Längsschnitt durch die Lochblende gemäß Fig. 5 und zusätzlichem Beobachiungsokular,

F i g. 7 ein Ausführungsbeispie! einer praktischen Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Laser-Doppler-Anemometers nach dem Rückstreuungs- Interferenz-System,

Fig.8 eine schemaiischc Darstellung einer weiteren Abwandlung der Anordnung gemäß Fi g. 7 zur Messung sowohl nach dem Rückstreuungs- als auch n-ch dem Lokaloszillator- Rückwärts-Systcm,

F i g. 9 eine mit der in F i g. 8 dargestellten Anordnung vergleichbare mit drei Beleuchtungsstrahlenbündcln, welche die simultane Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten eines Strömungsfeldes ermöglicht,

Fig. 10 eine weitere Abwandlung der in F i g. 8 dargestellten Anordnung, bei der der Umlenkspiegel durch ein Strahlteilerwürfcl-Paar ersetzt ist.

Bei dem in Fig. I dargestellten Laser-Doppler-Anemometer handelt es sich um ein sogenanntes Rückstrcuungs-lnterferenz-Systcm. Das von einem Laser 1 erzeugte Licht L fällt auf einen Strahlieiler 2. Dort wird das Licht in zwei symmetrisch /ur Kinfallsrichtung des ü Laserlichts liegende Tcilsirahlenbiindel 3 und 4 gleicher Intensität aufgeteilt. Im Strahlengang des einen Tcilstrahlenbündels ist ein optisches Filter 5 angeordnet. Die Teilstrahlenbündel 3 und 4 werden mittels einer Linse 6 (in der Praxis meist ein ganzes Linsensystem) auf w ein Meßvolumen 7 fokussiert.

Das aus dem Mcßvolumen 7 rückwärts gestreute Licht gelangt durch die gleiche Linse 6 auf einen gegenüber der optischen Achse /dieser Linse um den Winkel i\ geneigten ersten Spiegel 8. wird dort reflektiert und trifft ;,;if einen /weiter,, planparallcl /um ersten Spiegel 8 angeordneten Spiegel 9. Beide Spiegel stehen senkrecht zur /.eichenebene. Im weiteren Strahlengang des rückwärts gestreuten Lichts liegt eine weitere Linse 10 (in de,- Praxis ebenfalls meist ein -ίο ganzes Linsensystem), welche das Licht auf eine Lochblende 11 fokussiert.

Hinter der Lochblende 11 ist ein Fotodetektor 12 angeordnet, an den ein Vorverstärker I 3 nachgeschaltei ist. Der Ausgang de.·» Vorverstärkers führt /u einer nicht r> weiter dargestellten Signalvcrarbeiiimgseinriehiiing. Line solche ist beispielsweise in der DIvOS 20 51 442 näher beschrieben.

Die optische Achse /der Linse 6 liegt parallel zur optischen Achse in der Linse 10. Beide Achsen weisen w) den gegenseitigen Abstand h, auf. 13er Abstund der beiden Spiegele,9 ist mit h; bezeichnet.

In F i g. 2 sind Draufsichten auf verschiedene Ausfüh· rungsbeispiele von Spiegeln 8 dargestellt. Der Spiegel gemalt F i g. 2a wcisi zwei ringförmige elliptische /.onen h'i 14 und 14' hoher l.ichtdurchlässigkeit (größer als 98%) auf, welche von gut vcrspi 'gellen Bereichen 15, 15' und 15" (Reflexionsvermögen größer als 48'!/») umgeben sind. 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 λ des Spiegels 8 gegenüber der optischen Achse/der Linse 6 gemäß der Beziehung

sin λ = a/b

bestimmt.

Der Abstand der elliptischen Ringe richtet sich nach dem gewünschten Strahlabstand A₁(F ig. 1).

Ein derart ausgebildeter Spiegel ermöglicht ohne zusätzliche |ustage oder gar Montagearbeiten ein Rotieren des Strahlteilers 2 um die op'ische Achse /der Linse 6, um auf diese Weise beliebige Komponenten der Strömung orthogonal zur der genannten Achse / erfassen zu können.

Verzichtet man auf beliebige Verdrcuwinkel. will man beispielsweise nur senkrecht aufeinanderstehende Komponenten des Strömungsfcldes erfassen, so kann ein Spiegel, wie er beispielsweise in F i g. 2b darge;.'ellt ist, verwendet werden. Bei diesem Spiegel sind senkrechi aufeinanderstehende Streifen 16a, 16£> bzw. 16a', 166' hoher Lichtdurchlässigkeit vorgesehen. Diese Streifen gehen nicht durch das Zentrum des Spiegels, um Strculichtverlusten zu begegnen.

Das in F i g. 2c dargestellte Ausführungsbeispiel eines Umlenkspiegel zeigt die Kombination eines sowohl mit elliptischen Ringen, als auch mit senkrecht aufeinanderstellenden Streifen versehenen Spiegels.

Bei allen drei Ausführiingsbeispiclen von Umlenkspicgeln beträgt die Streifen- bzw. Ringbreite in Richtung der kleinen F.llipscnachse n annähernd 3 mm. Diese erhöht sich in Richtung der großen Achse ;/ entsprechend dem Reziprokwert des Sinus des Neigungswinkels IX.

Um nun die Vorteile der erfindungsgemäßen AnorHnung voll ausnutzen zu können, werden an den Sirahlteiler 2 folgende Anforderungen gestellt:

Er muß leicht auswechselbar sein.

Bei der Rotation um die optische Achse IUc: Linse 6 darf sich der .Strahlabstand Aj nicht ändern, da siel· sonst auch die .Systemkonstante der Meßanordnung ändert.

Die genannte optische Achse muß bei jedem Verdrehwinkcl des .Strahlteilers die Mitlelparallele /u den beiden den .Strahlteiler verlassenden Teilslrahlbündcln 3 und 4 bilden, und zwar unabhängig von der Drehachse des Strahiteilers. da nur auf diese Weise das Fokussicrungsvolumen 7 seine räumliche Lage nich, ändert.

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

Der Strahlieiler gemäß F i g. 3 besteht aus zwei Parallelogramm-Prismen mit dem Basiswinkel ß. Das erste Prisma 17 lieg' mit einer Seitenfläche orthogonal zur Kinfallsrichtung des Laserlichts /.. Auf die der gcMünnlen Seitenfläche benachbarten und mit ihr den genannten Winkel β einschließenden anderen Seitenfläche 18 ist ein unter dem Winkel 180 -2 β abgeschnittenes zweites Parallelogramm-Prisma 19, das den gleichen Basiswinkel ;i aufv eist, mit dieser Schnittfläche aufgeklebt, wobei die Schnittfläche oder auch die Seitenfläche 18 zuvor zu 50% verspiegelt worden ist.

Dieser Sirahlteiler erzeugt aus dem einfallenden I icht

/. zwei exakt symmetrisch zur l.infallsnchiung liegende lcillichlbundel 3, 4. deren Miltelparalkl nut der Linfallsnchliing des l.aserliehts /. übereinstimmt. Der Abstand Iu zwischen den l.iihtbundeln 3 und 4 ist in weiten Grenzen unabhängig von der l.mlnitsstelle des -, l.aserlichls. Drehachse des .Strahlteilers und Lichteint,ιIKrichtung müssen also nicht au! einer f ieraden liegen. Darüber hinaus andern selbst Neigungen des Strahlleilers gegenüber tier Linfallsnchtiing des l.aserlichts !iichts an der Parallelität der den Strahlleiler verlassen den leilstrahlenbündel 3 und 4 Lediglich der Strahlab stand /(ι ändert sich nut dem ( osinus des Neigungswinkels. Lm Winkelschlag des den Strahlteiler tragenden Drehtisches von I bringt eine Änderung von Iu und damit der Svsiemkonstanli- von 0..? Promille mit sich. ι >

Bei dem m I ι g. 4 dargestellten Strahlteiler wird ein Koslersches Doppelpnsnia 20 iirul zwei Spiegel 21 und 22 benutzt. Mittels der Spiegel wird das einfallende Laserlicht / ,ml eine Seitenfläche des Doppelprismas gelenkt. Der erste Spiegel 21 ist vorzugsweise auf der genannten Seilenfläche befestigt. Der zweite Spiegel 22 isi senkrecht zur Fmfallsrichiung des l.aserlichts /. beweglich. Auf diese Weise lallt sich der Abstand h\ der I eilstrahlenbuiulel 3 und 4 variieren.

I riter d'T \ oraussetzting. daß die Kinfallsrichtung des y, von dem Spiegel 22 reflektierten und auf die genannte Seitenfläche des Prismas 20 auflreffenden Lichtes senkrecht zu dieser Seitenfläche steht, verlassen die 1 eiisii ahlenbundel 3 und 4 den Strahlteiler symmetrisch nid parallel zur Linfallsnehtung des l.aserlichls /.. in

Beule beschriebenen Strahlteiler sind einfach herzu ^•e!^! ·' Der Strahlabstand /(·. ist einfach und rcproduz:err>ar ein- teilbar. Bei Drchune des Sf.ihllcilcrs um die :.-■'· die I mfallsrichtung gegebene Achse ändert sich weder der Sirahlabsland /7, noch die Symmetrie ü /■-'.:-, hen beiden Strahlen.

! ^;.r m.!ru.be Anwendungen kann es zweckmäßig sein. :·-■■" · ;^ri^f,i!k nden Laserstrahl nicht nur »geometrisch". ■ : .'.er·! iiiivh in'erisitatsmäßig in zwei Strahlenbündel .· 'er^i hicdlii her Intensität aufzuteilen. So isi bei ! ■ ·■ ,!!oszillator-Svstemen eine intensitätsmäßige Auf- ··.· !--.μ. Relerenzslrahl 1 bis 5";1>. Beleuchtungsstrah! 9^U

f nc der.ir'ige Aufteilung kann auf /wcierlei Weise

■_■-·...JiTi J">

,:) r;t rei^ im Strahlteiler.

^;-| :i<:.rJ.i der: Strahlteiler nachgcschaltete F^:illcr.

Be: der Möglichkeit a) wird mindestens eine der ■■.■!c-.'iercnde" flachen der Strahlteiler (gemäß F i g. 3 ν ■■;:·.■- 1 g.4) -.er-p egclt. Dies ist in f i g. 3 beispielswei- <··. durt ι 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 Teiistrahlenbündel 4. Will man unterschiedliche Intensitätsverhältnisse mit einem einzigen Strahlteiler erzielen, so wird die Verspiegelung S (Fig. 3) hinsichtlich ihres Reflexionsvermögens '.erschieden ausgebildet. Durch Translation des Strahl-'eilers orthogonal zur Kinfallsrichtung des i-aserlichtes Uisscp. sich dann unterschiedliche Intensitätsverhältnisse zwischen beiden Teilstrahlenbündeln realisieren. Eine keilförmige Verspiegelung der Seitenfläche 18 erlaubt sogjr eine kontinuierliche Änderung des genannten intensitätsverhältnisses.

Wahrend bei den vorgenannten Maßnahmen keine nennenswerten Lichtverluste auftreten, ist die Verwendung von optischen l'ihern nut solchen behaltet. Aus diesem (iriuide werden optische filter dann eingesetzt, wenn vergleichsweise geringe Inlensitätsunlerschiede ausgeglichen weiden sollen, die Refcrenzstrahliing mehrere Größenordnungen inlensilätsärmer als die BeleuchtuiiL'ssirahlung scm soll. z. Ii. bei l.okaloszillator-Rückwärts Svstemen. oder nur cm .Strahlteiler zur Verfügung steht.

Lm Ausführungsheispiel eines optischen filters der genannten Art ist in fig. I beispielsweise dargestellt. Das Filter 5 besteht 1111 wesentlichen aus zwei planparallelen, auswechselbaren (iraugläsern (sog. Neulralfilter) 23 und 24. die gegenüber der optischen Achse der Linse b um den Winkel ;· bzw. 180 ■-;· geneigt sind. Durch die Schrägstelluiig werden störende Reflexionen ausgeschaltet. Die durch die Schrägstcllung hervorgerufene Parallelverschicbung zwischen Kin trills und Austiitlsslrahl wird durch die llintereinan derschallung zweier (oder einer geradzahligen Vielfach heil) von Filiergläsern eliminiert. Auf diese Weise kann das Filter 5 entfernt werden, ohne daß eine Neujiisiifrung der optischen Anordnung vorgenommen werden muß.

Bei Laser-Doppler Anemometern ist es von großer Wichtigkeit, die zwischen Fmpfangsoptik und Photodetektor angeordnete Blende exakt und reproduzierbar einstellen zu können, da auf die Blende das McBvoluinen abgebildet wird. Während Bewegungen orthogonal zur optischen Achse der Lmpfangsoptik (Linse 10 in I ig. I) darf sich die Blende nicht in Richtung der optischen Achse «»dieser Linse bewegen, fine den vorgenannten Anforderungen genügende Blende ist einschließlich ihrer Verstelleinrichtung in I i g. > ((Querschnitt) und F i g. fi (Längsschnitt) beispielsweise dargestellt.

Die eigentliche Blende Il ist in einem Tragring 25 auswechselbar befestigt. Der 'fragring ist am äußeren I imfang mit einer umlaufenden V-förmigen Nut 2h (I 1 g. 6) versehen. Der Tragring wird mittels zweier. Ή) gegeneinander versetzter Mikrometer-Schrauben 27, 28 und einer teleskopisch geführten leder 29 in einem «ahmen 30 gehallen. Die feder 29 hegt dabei auf der Winkelhalbierenden der Drehachsen der Mikrometer Sehrauben.

Die der Blendenöffnung zugewandten finden der Mikrometerschrauben und der 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 IO orthogonalen Kbcnc verstellen. Line Verschiebung in Richtung der Achse m wird durch die Figenari 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. insbesondere Fig. 521 und 572. bekannten justiereinrichtung mit Plattenführung) weist die vorstehend beschriebene Verstelleinrichtung den Vorteil einfacherer Herstellung bei wesentlich größerer Genauigkeit auf.

Zusätzlich ist in F i g. 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' bildet zusammen mit der Linse 10 ein Teleskop.

Mit dem in F i g. 6 weiterhin eingezeichneten und in Fig. I lediglich angedeuteten Beobachtungsokular 31

isl eine 1!I¹IIiIIiC und schnelle |iisiicnmg eier optischen Anordnung möglich. Das Okular im zu diesem /weck mil einem gegenüber seiner optischen Achse geneigten Spiegel 32 versehen. Somit kanu mitIl¹Is des Okiilars das HiId des Mcßvolumens direkt betrachtet und durch -, I instelliing der I . >clibleiule iiuf diese abgebildet werden.

Im Strahlengang /wischen Spiegel 32 und dem Auge des Beon.ichters sind zwei gegeneinander verdrehbare l'olarisatoren 31 und 54 vorgesehen. Diese dienen der Anpassung der Lichtverhältnisse im Mel.lvolumen an die i<> Empfindlichkeit des Auges, was insbesondere bei stark reflektierenden Meßobjekten vorteilhaft ist.

Fin Ausfiihrungsbeispiel einer praktischen Aiisführungsform der Erfindung ist in I' i g. 7 dargestellt. Die nachfolgend aufgeführten und mit den selben Bezugs- r> /eichen wie in den F i g. I bis 6 versehenen Teile sind in einem gemeinsamen Gehäuse leicht auswechselbar imtergebrachl:

Laser 12

.Strahlteiler 2 -'"

²"'

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

Belcuchtungs- und Empfangsoptik 6

linse IO

Lochblende It mit Verstelleinrichtung

das Okular 31

der Fotodetektor 12 mitsamt seinem Vorverstärker

Die Rausteine Laser. Sirahlteiler und Kilter sind auf κι einer ersten Tragplatte 35 angeordnet, wobei, soweit technisch vertretbar. Schnappverschlüsse oder magnetische Halterungen Verwendung finden. In der darüberliegcnden Klage sind auf einer zweiten Tragplatte 36 die Linse 10. die Lochblende 11. das Okular 31, der π Fotodetektor 12 und der Vorverstärker 13 in gleicher Weise leicht auswechselbar angeordnet. Beide Tragplatten stützen sich über Distanzelementc 37 gegeneinander ab.

Die aus den Spiegeln 8 und 9 sowie zugehöriger 4<i Haltevorrichtung bestehende Umlenkeinrichtung ist auf das dem Laser 1 abgewandte F.nde der unteren Tragplatte 35 gesteckt. Die formschlüssige Verbindung zwischen Umlenkeinheit und Tragplatte 35 erfolgt über eine senkrecht zur Tragplatte verlaufende Schwalben- -r> schwanz-Führung oder einen Bajonett-Verschluß. Die Beleuchtung- 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 Umlenkeinrich- w tungen 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, so daß sich ein näheres Eingehen auf konstruktive Details dieser lösbaren Verbindungen erübrigen dürfte. Ebenso wird auf eine detailliertere Beschreibung der Anordnung gemäß F i g. 7 verzichtet, da deren Verständnis sich zwangsläufig aus dem bisher beschriebenen und der Zeichnung ergibt.

Das in den Fig. 1 und 7 dargestellte System für Rückwärtsstreuung läßt sich in einfacher Weise in ein Lokaloszillator-Rückwärts-System umwandeln. Dies ist in F i g. 9 beispielsweise veranschaulicht.

Das einfallende Laserlichtbündel L wird im Strahlteiler 2 in zwei Teilstrahlenbündel 3,4 aufgeteilt, wobei das reilstrahlenbündel 3 95"/», das Tcilstrahlcnbündcl 4 5% der einfallenden Lichtintensität aufweist. Diese inlensitiilsmiißige Aufteilung wurde bereits im Zusammenhang mil dem in I ι g. 3 dargestellten Strahlleiler beschrieben.

Das 'leilstrahlcnbündcl 3 tritt durch den nicht verspiegelten Bereich des Umlenkspicgels 8 hindurch, wird mittels der Linse 6 iiuf das Meßvolumen 7 fokussiert. Fin Anteil des rückwärts gestreuten Lichts aus dem Mcßvolumcn trifft durch die Linse 6 und die Blende 39 auf einen gut verspiegelten Bereich (Reflexionsvermögen mehr als 95%) des Spiegels 8. Dort vereinigt es sich mit dem mittels eines weiteren Spiegels 41 umgelenkten Referenzslrahlbündel4.

Will man mit einem einzigen Umlenkspiegel 8 sowohl ein Rückwärtsstrcuungs-Interfercnz- als auch ein I.okaloszillalor-Rückwäris-Syztem realisieren, so empfiehlt es sich, einen mit elliptischen Ringen versehenen Spiegel vorzusehen, der zusätzlich außerhalb der Hauptachsen eine gut vorspiegelte Zone 40 auf dem (lichtdurchlässigen) elliptischen Ring aufweist. Dies ist in F i g. 2a bcispielswiesc dargestellt.

Der Übergang von der einen zur anderen Betriebsart erfolgt dann durch bloßes Verdrehen des Strahlteilers 2 um die durch die Finfallrichtung des Laserlichts L gegebene Achse um den Winkel 6 (Fig. 2a) und durch Einschiebender Blende39(Fi g. 8).

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

Mit der in F i g. 9 dargestellten Anordnung wird sogar die simultane Messung zweier Geschwindigkeitskomponenten, nämlich der in Richtung der optischen Achse / der Linse 6 liegenden Komponente (/-Komponente) und einer orthogonal zu dieser liegenden Komponente, möglich. Die dritte Komponente läßt sich dann durch Drehung des Strahlteilers 2 um die Achse / messen. Bei dieser Anordnung handelt es sich um ein Dreistrahl-Beleuchtungssystem für Lokaloszillator-Rückwärts-Interfercnz-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 F i g. 3 abgeschnitten werden muß. Die ursprüngliche Seitenfläche 18 des Parallelogramm-Prismas 17 ist zu 25% verspiegelt, die Seitenfläche 43 des Parallelogramm-Prismas 19. auf die das Keilprisma 42 aufgeklebt ist, ist zu 33'/3% verspiegelt, während die den genannten Seitenflächen gegenüberliegenden Seitenfläche voll verspiegelt sind. 1st der Winkel, unter dem die Teilstrahlenbündel 3,4 auf die letztgenannten Seitenflächen auftreffen, gleich oder kleiner als der Winkel der Totalreflexion, so kann die Verspiegelung entfallen. Dieser Auftreffwinkel ist — wie leicht einzusehen ist — vom Basiswinkel β der Parallelogramm-Prismen 17, 19 abhängig. Mit den vorgenannten Verspiegelungsgraden weisen die drei Teilstrahlbündel 3, 44,4 das Intensitätsverhältnis 25 :50 : 25 auf, was für diese Anordnung ein Optimum darstellt.

Die Umlenkeinrichtung, also insbesondere der Spiegel 8 muß für diese Betriebsart nicht verändert werden. Die in Fig. 10 bzw. auch den Fig. 2a bis 2c eingetragene und mit 45 bezeichnete elliptische Zone im

Zentrum des Spiegels 8 isl bereits vorhanden. I'.s empfiehlt sieh jedoch, die /.one 45 /u 50% zu verspiegeln.

Damit nun bei der Betriebsart Rückstreuung-Interferenz-System keine wesentlichen Licht Verluste auftreten — bekanntlich weist der Intcnsitälsvcrlauf des rückgestreuten Lichtes eine etwa Gaußsche Verteilung mit Intensitätsmaxini'jm auf der optischen Achse /der Linse 6 auf — erfolgt die 50%-Vcrspicgelung nur in einem zentralen Bereich der elliptischen Zone 45. vorzugsweise etwa 3,5 mm Durchmesser in Richtung der großen Ellipsenachse h.

Wie eingangs erwähnt, ist der Strahlteiler 2 zwecks sequentieller Messung zweier Geschwindigkeitskoniponenten orthogonal zur optischen Achse der Linse 6 drehbar um diese Achse angeordnet.

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

I CIlSU dlllCMUUMUCI

It 111 UUI LU

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 bleibt 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 Spiegel 47, dessen Reflexionsvermögen derart bemessen ist, daß der den Spiegel 8 in Richtung Spiegel 9 verlassende, als Referenzstrahl dienende Strahl etwa I bis 5 ppm des den Spiegel 8 in Richtung der optischen Achse / der Linse 6 verlassenden Eteleuchtungsstrahls 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 47 eingeschaltet werden, deren Aufbau dem des Filters 5 (in F i g. 1 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 in wenig abgewandelter Form auch zur simultanen Messung sowohl nach dem Lokaloszillator-Rückwärts, als auch nach dem Rückstreuungs-lnterferenz-System eignet:

Wird der Spiegel 9 im Bereich der Auftreffstelle des rückgestreuten, mit dem Referenzstrahl vereinigten Streustrahls mit einer öffnung versehen oder dort die gute Verspiegelung entfernt, und hinter der Lichtaustrittsstelle ein weiteres, aus Linse, Fotodetektor und Vorverstärker bestehendes Empfangssystem vorgesehen (die Blende 46 entfällt dann), so läßt sich diese Anordnung zur simultanen Messung zweier Geschwindigkeitskomponenten heranziehen.

Schaltet man zwei 90° gegeneinander verdrehte Strahlteiler gemäß F i g. 9 hintereinander, so ist sogar die simultane Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten möglich:

Mittels Lokaloszillator-Rückwärts-System wie die z-Komponente erfaßt, die anderen Komponenten werden mittels Rückwärtsstreuungs-Interferenz-Syslem ermittelt. Ls ist selbstverständlich, daß dann drei gelrennte Lmpfangssysteme incl. Verarbeiiungseinrichtiingen erforderlich sind.

Bei beiden, in den I'i g. 8 und 4 dargestellten ^r< Ausführungsbeispiclcn einschließlich der aufgeführten Abwandlungen gestaltet sich die justierung des optischen Systems sehr einfach. Sie gleicht in ihrer [Einfachheit der im Zusammenhang mit der I'i g. 7 beschriebenen Anordnung. Hin/u kommt einzig die

ίο justierung der Spiegel 41 bzw. 47.

Die in F-' ig. 10 beispielsweise dargestellte Anordnung eines Laser-Doppler-Anemomcters isl eine Abwand lung der Anordnung gemäß F'i g. 8. An die Stelle des Umlcnkspiegcls 8 tritt hier eine aus zwei üblichen

r> Strahlteiler-Würfeln 48 und 49 bestehende Umlenkbzw. Überlagerungscinrichtung. Das hier nicht benötigte Teilstrahlcnbündcl 3 wird durch eine Maske 50 ausgeblendet. Als Strahlteiler 2 kann ein solcher wie im Pal! der Anordnung gemäß F i g. S (!7, !9) verwende· werden. Die Trennflächen 51 und 52 der Strahltcilerwiirfel 48, 49 sind zu 5 bzw. 95% verspiegelt. Dann hat der Beleuchtungsstrahl 53 95% der auf den Strahlteilerwürfel 48 auftreffenden Lichtintensität, der den Strahlteilerwürfcl 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.

X) Bei allen Typen von Laser-Doppler-Ancmometern, 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:

J5 Die Kaustik oder die Enveloppe des Strahlprofils eines Laserlichtbündels ist für den üblichen TEMm-Mode ein Rotationshyperboloid, mit durch die Resonatorgeometrie des Lasers bestimmten Öffnungswinkel der Asymptoten, minimalen Fleckradius, Ort des minimalen Fleckradius'. Die Abbildung solcher Gaußscher Moden durch shärischer Linsen ode Spiegel liefert wiederum Gaußsche Moden, jedoch mit verändertem minimalen Fleckradius an anderer Stelle (vgl. »Laser und angewandte Strahlentechnik«. Nr. I. 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. die ältere DE-OS 22 06 520). 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 beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. 1, 7 bis 10 anwenden. So ist beispielsweise in der Ausführungsform gemäß F i g. 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 56 und einer konvexen Linse 57, deren optische Achse mit der

fünfailMichtiing des l.ascrliclilcs ι', /iisamincnlalll. Heide Linsen lassen sieh relativ zueinander in Richtung dieser Achse verschieben. Nähere Kin/elheiieri sind in der vorgenannten Offenlegungsschrifl detaillieri beschrieben, ι

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lascr-Doppler-Anemometer mit Mitteln zur Aufteilung der Laserstrahlung in menrere 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, wobei zur Ausblendung der das gemeinsame Abbildungsmittel verlassenden gestreuten Signalstrahlung eine aus mindestens einem teilweise lichtdurchlässigem Spiegel bestehende Umlenkeinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (8) mindestens einen lichtdurchlässigen elliptischen Ring (14) und/oder einen lichtdurchlässigen Streifen (14') aufweist

2. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei planparallel zueinander angeordnete Spiegel (8, 9) vorgesehen sind.

3. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) der Spiegel (8,9) gegenüber der optischen Achse (I) des gemeinsamen optischen Abbildungsmittels (6) einstellbar ist.

4. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung der Laserstrahlung (L) eine aus zwei Parallelogram,*i Prismen (17,19) zusammengesetzte Teileranordnung vorgesehen ist (F i g. 3).

5. Laser-Doppler-Anümomcier nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung der Laserstrahlung (L/ ein Köstersches Doppelprisma (20) vorgesehen ist (F i g. 4).

6. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtdetektor (12) eine Lochblende (11) vorgeschaltet ist, welche orthogonal zur optischen Achse des Lichtdetektors (12) verschiebbar ist (F ig. 6).

7. Laser-Doppler-Ancmometer nach Anspruch 6, 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 Mikrometer-Schrauben (27, 28) und einer teleskopisch geführten Feder (29) unter Zwischenschaltung gleitfähig gelagerter Kugeln (54) abstützt (F i g. 5).

8. Laser-Doppler-Anemometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß zu Aufteilung der Laserstrahlung (L) eine aus zwei Parallelogramm-Prismen (17,19) und einem Keilprisma (42) bestehende Tcileranordnung vorgesehen ist (F i g. 9).

9. Lascr-Doppler-Ancmometcr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkcinriehtung (8, 9) ein weiterer, parallel zur optischen Achse des gemeinsamen optischen Abbildungssystcms (6) angeordneter Spiegel (47) vorgesehen ist (F i g. 9).

10.1.KScr-Doppler-Anemometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der elliptischen Ringe (14) eine Zone· (40) hohen Reflexionsvcrmögens aufweist und daß der I Jmlenkeinrichtunt' (8, 9) ein parallel zur optischen Achse iles gemeinsamen npiisehen Abbildungssystem (f>)

angeordneter Spiegel (41) zugeordnet ist (F i g. 8).

11. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Lasers (1) vom Meßvolumen (7) veränderbar ist.

12. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß /.ur Änderung des virtuellen Abstandes eine vorzugsweise aus einer konkaven (56) und einer konvexen Linse (57) bestehende Kompensationseinrichtung (Z) v&rgesehenist(Fig. 7).