DE2323593C3

DE2323593C3 - Laser-Doppler-Anemometer

Info

Publication number: DE2323593C3
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: 1979-10-18
Also published as: DE2323593A1; SE392972B; ATA1065073A; NL7405060A; CH558018A; JPS5010174A; US3966324A; GB1465816A; FR2226664B3; FR2226664A1; AT338542B; CA1032638A; DE2323593B2

Description

is Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Doppler-Anemometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 37 23 004 ist ein Laser-Doppler-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 Lichtdurchlaßcffnungen versehenen Spiegel bestehende Umlenkeinrichtung vorgesehen. Zur Messung unterschiedlicher Geschwindigkeitskomponenten des Strömungsfeldes müssen jeweils verschiedene Umlenkspiegel eingesetzt werden. Gleiches gilt wenn der Abstand der Beleuchtungsstrahlenbündel, welcher die Systemkonstante der Meßanordnung mitbestimmt geändert wird. Beide Maßnahmen erfordern jeweils eine Neujustage der gesamten optischen Anordnung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laser-Doppler-Anemometer zu schaffen, das die Messung beliebiger Komponenten eines Geschwindigkeitsfeldes und/oder die Anpassung der Systemkonstan- te der optischen Meßanordnung an die jeweilige Meßaufgabe ermöglicht ohne daß wesentliche Neuoder Nachjuitagen des optischen Systems vorgenommen werden müssen, und das sich zudem durch eine größtmögliche Ausnutzung der Lichtenergie auszeich net.

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 Abbildungsmittel vorgeschalteten Strahlteilers um die optische Achse des genannten Abbildungs- mittels beliebige Geschwindigkeitskomponenten orthogonal zu der genannten Achse ohne jegliche Justage ermittelt werden können, und darüber hinaus auch der die Systemkonstante der Meßeinrichtung mitbestimmende Abstand der beiden Beleuchtungsstrahlenbündel problemlos eingestellt werden kann.

Die sich aus den in den Ansprüchen 2 bis 12 angegebenen Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergebenden Vorteile werden nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Beleuchtungs- und Empfangssystem für Laser-Doppler-Anemometer nach dem Rückstreuungs-

Interferenz-System,

Fig.2 Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele von Umlenkspiegeln, wobei Fig.2a einen solchen nut zwei elliptischen Ringen, Fig. 2b einen mit senkrecht aufeinanderstellenden Streifen und Fig.2c s eine Kombination von elliptischen Ringc-n mit Streifen zeigt,

F i g. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strahlteilers mit verklebten Parallelogramm-Prismen,

F i g. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strahltetters mit einem Kösterschen Doppelprisma,

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

Fig.6 einen Längsschnitt durch die Lochblende gemäß F ig. 5 und zusätzlichem Beobachtungsokular,

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

F i g. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung der Anordnung gemäß F i g. 7 zur Messung sowohl nach dem Rückstreuungs- als auch nach dem Lokaloszillator-Rückwärts-System,

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

Fig. 10 eine weitere Abwandlung der in Fig.8 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 Rückstreuungs-lnterferenz-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 S angeordnet Die Teilstrahlenbündel 3 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 / dieser Linse um den Winkel λ 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 »eiteren Strahlengang des rückwärts gestreuten Lichts liegt eine weitere Linse 10 (in der Praxis ebenfalls meist ein so ganzes Linsensystem), welche das Licht auf eine Lochblende 11 fokussiert

Hinter der Lochblende 11 ist ein Fotodetektor 12 angeordnet an den ein Vorverstärker 13 nachgeschaltet ist Der Ausgang des Vorverstärkers führt zu einer nicht weiter dargestellten Signalverarbeitungseinrichtung. Eine solche ist beispielsweise in der DE-OS 20 51 442 näher beschrieben.

Die optische Achse / der Linse 6 liegt parallel zur optischen Achse m der Linse 10. Beide Achsen weisen den gegenseitigen Abstand A₂ auf. Der Abstand der beiden Spiegel 8,9 ist mit A₂ bezeichnet

In F i g. 2 sind Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele von Spiegeln 8 dargestellt Der Spiegel gemäß F i g. 2a weist zwei ringförmige elliptische Zonen 14 und 14' hoher Lichtdurchlässigkeit (größer als 98%) auf, welche von gut verspiegelten Bereichen 15,15' und 15" (Reflexionsvermögen größer als 98%) 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« des Spiegels ti gegenüber der optischen Achse /der Linse 6 gemäß der Beziehung

sin« = a/b

bestimmt

Der Abstand der elliptischen Ringe richtet sich nach dem gewünschten Strahlabstand A₃ (F i g. 1).

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

Verzichtet man auf beliebige Verdrehwinkel, will man beispielsweise nur senkrecht aufeinanderstellende Komponenten des Strömungsfeldes erfassen, so kann ein Spiegel, wie er beispielsweise in F i g. 2b dargestellt ist verwendet werden Bei diesem Spiegel sind senkrecht aufeinanderstehende Streifen 16a, 166 bzw. 16a', 16f hoher Lichtdurchlässigkeit vorgesehen. Diese Streifen gehen nicht durch das Zentrum des Spiegels, um Streulichtverlusten zu begegnen.

Das in F i g. 2c dargestellte Ausführungsbeispiel eines Umlenkspiegels zeigt die Kombination eines sowohl mit elliptischen Ringen, als auch mit senkrecht aufeinanderstellenden 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 Λ-

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 /der Linse 6 darf sich der Strahlabstand A3 nicht ändern, da sich sonst auch die Systemkonstante der Meßanordnung ändert.

Die genannte optische Achse muß bei jedem Verdrehwinkel des Strahlteilers die Mittelparallele zu den beiden den Strahlteiler verlassenden Teilstrahlbündeln 3 und 4 bilden, und zwar unabhängig von der Drehachse des Strahlteilers, da nur auf diese Weise das Fokussierungsvoiumen 7 seine räumliche Lage nicht ändert

AU den genannten Anforderungen werden die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Strahlteilern gerecht

Der Strahlteiler gemäß Fig.3 besteht aus zwei Parallelogramm-Prismen mit dem Basiswinkel ß. 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 Winkel β einschließenden anderen Seitenfläche 18 ist ein unter dem Winkel 180° -2 β abgeschnittenes zweites Parallelogramm-Prisma 19, das den gleichen Basiswinkel β 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 3, 4, deren Mittelparallel mit der Einfallsrichtung des Laserlichts L übereinstimmt. Der Abstand A3 zwischen den Lichtbündeln 3 und 4 ist in weiten Grenzen unabhängig von der Eintrittsstelle des Laserlichts. Drehachse des Strahlteilers und Lichteinfallsrichtung müssen also nicht auf einer Geraden liegen. Darüber hinaus ändern selbst Neigungen des Strahlteilers gegenüber der Einfallsrichtung des Laserlichts nichts an der Parallelität der den Strahlteiler verlassenden Teilstrahlenbündel 3 und 4. Lediglich der Strahlabstand A₃ ändert sich mit dem Cosinus des Neigungswinkels. Ein Winkelschlag des den Strahlteiler tragenden Drehtisches von Γ bringt eine Änderung von A₃ und damit der Systemkonstante von 0,2 Promille mit sich.

Bei dem in F i g. 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 A₃ uer 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 A3 ist einfach und reproduzierbar einstellbar. Bei Drehung des Strahlteilers um die durch die Einfallsrichtung gegebene Achse ändert sich weder der Strahlabstand A₃ 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 F.ächcr. der Strahlteüer {gemäß Fig. 3 oder F i g. 4) verspiegelt Dies ist in F i g. 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 Teilstrahlenbünde] 4. Will man unterschiedliche Intensitätsverhältnisse mit einem einzigen Strahlteiler erzielen, so wird die Verspiegelung 5 (Fig.3) hinsichtlich ihres Reflexionsvermögens verschieden ausgebildet Durch Translation des Strahlteilers orthogonal zur Einfallsrichtung des Laserfichtes lassen sich dann unterschiedliche Intensitätsverhältnisse zwischen beiden Teilstrahlenbündeln realisieren. Eine keilförmige Verspiegelung der Seitenfläche 18 erlaubt sogar eine kontinuierliche Änderung des genannten Intensitätsverhältnisses.

Während bei den vorgenannten Maßnahmen keine nennenswerten Lichtverluste 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 Lokaloszilla-

tor-Rückwärts-Systemen, oder nur ein Strahlteiler zur

Verfügung steht. Ein Ausführungsbeispiel eines optischen Filters der

genannten Art ist in F i g. 1 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 γ bzw. 180" — y geneigt sind. Durch die Schrägstellung werden störende Reflexionen ausgeschaltet Die durch die Schrägstellung hervorgerufene Parallelverschiebung zwischen Eintritts- und Austrittsstrahl wird durch die Hintereinanderschaltung zweier (oder einer geradzahligen Vielfach- heit) 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 exakt und reproduzierbar einstellen zu können, da auf die Blende das Meßvolumen abgebildet wird. Während Bewegungen orthogonal zur optischen Achse der Empfangsoptik (Linse 10 in F i g. 1) darf sich die Blende nicht in Richtung der optischen Achse m dieser Linse bewegen. Eine den vorgenannten Anforderungen genügende Blende ist einschließlich ihrer Verstelleinrichtung in F i g. 5 (Querschnitt) und F i g. 6 (Längsschnitt) beispielsweise dargestellt

Die eigentliche Blende Ii ist in einem Tragring 25 auswechselbar befestigt Der Tragring ist am äußeren Umfang mit einer umlaufenden V-förmigen Nut 26 (F i g. 6) versehen. Der Tragring wird mittels zweier, 90° gegeneinander versetzter Mikrometer-Schrauben 27, 28 und einer teleskopisch geführten Feder 29 in einem Rahmen 30 gehalten. Die Feder 29 liegt dabei auf der Winkelhalbierenden der Drehachsen der Mikrometer-Schrauben.

Die der Blendenöffnung zugewandten Enden 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

so 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- and stoffgerechtes Gestalten in der Feinwerktechnik«, Springer-Verlag Berlin/ Heidelberg/New York, 1968, S. 169, insbesondere Fig. 521 and 522, bekannten Justiereinrichtung mit Plattenführung) weist die vorstehend beschriebene

eo Verstelleinrichtung den Vorteil einfacherer Herstellung bei wesentlich größerer Genauigkeit auf.

Zusätzlich ist in F i g. 6 hinter der Blende 11 eine Linse IV 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 Fig.6 weiterhin eingezeichneten und in Fig. 1 lediglich angedeuteten Beobachtungsokular 31

20

25

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 zwei gegeneinander verdrehbare Polarisatoren 33 und 34 vorgesehen. Diese dienen der Anpassung der Lichtverhältnisse im Meßvolumen an die Empfindlichkeit des Auges, was insbesondere bei stark reflektierenden Meßobjekten vorteilhaft ist.

Ein Ausfiihrungsbeispiel einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 7 dargestellt. Die nachfolgend aufgeführten und mit den selben Bezugszeichen wie in den F i g. 1 bis 6 versehenen Teile sind in einem gemeinsamen Gehäuse leicht auswechselbar untergebracht:

Laser 12

Strahlteiler 2

Filters

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

Beleuchtungs- und Empfangsoptik 6

Linse 10

Lochblende 11 mit Verstelleinrichtung

das Okular 31

der Fotodetektor 12 mitsamt seinem Vorverstärker

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 31, der Fotodetektor 12 und der Vorverstärker 13 in gleicher Weise leicht auswechselbar angeordnet. Beide Tragplatten 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-Verschluß. 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 Umlenkeinrichtungen 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.! und 7 dargestellte System für Rückwärtsstreuung läßt sich in einfacher Weise in ein Lokaloszulator-Rückwärts-System umwandeln. Dies ist in F i g. 9 beispielsweise veranschaulicht

Das einfallende Laserlichtbündel L wird im Strahlteiler 2 in zwei TeilstraWenbündel 3,4 aufgeteilt wobei das Teilstrahlenbündel 3 95%, das Teilstrahlenbündel 4 5% der einfallenden Lichtintensität aufweist. Diese intensitätsmäßige Aufteilung wurde bereits im Zusammenhang mit dem in F i g. 3 dargestellten Strahlfeiler beschrieben.

Das Teilstrahlenbündel 3 tritt durch den nicht verspiegelten Bereich des Umlenkspiegels 8 hindurch, wird mittels der Linse 6 auf das Meßvolumen 7 fokussiert. Ein Anteil des rückwärts gestreuten Lichts aus dem Meßvolumen 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 Referenzstrahlbündel 4.

Will man mit einem einzigen Umlenkspiegel 8 sowohl ein Rückwärtsstreuungs-lnterferenz- als auch ein Lokaloszillator- Rückwärts-Syztem realisieren, so empfiehlt es sich, einen mit elliptischen Ringen versehenen Spiegel vorzusehen, der zusätzlich außerhalb der Hauptachsen eine gut verspiegelte Zone 40 auf dem (lichtdurchlässigen) elliptischen Ring aufweist. Dies ist in F i g. 2a beispielswiese dargestellt.

Der Übergang 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 ό (F i g. 2a) und durch Einschieben der Blende 39 (F i g. 8).

Somit lassen sich mit einem einzigen System sowohl orthogonale Geschwindigkeitskomponenten als auch die Geschwindigkeitskomponente 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 (z- 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-Interferenz-System.

Der Strahlteiler 2 unterscheidet sich von dem in F i g. 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 Fig.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. Ist der Winkel, unter dem die Teilstrahlenbflndel 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 Teflstrahlbündel 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 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 Gaußsche 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 Geschwindigkeitskomponenten 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:

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 bleibt nicht zur Messung benötigtes Streulicht aus. Von dem auf aie 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 1 bis 5 ppm des den Spiegel 8 in Richtung der optischen Achse / 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 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 F i g. 9 als auch der gemäß F i g. 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 LokalosziHator-Rückwärts, als auch nach dem Rückstreuungs-Interferenz-Gystem 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 Strahltefler gemäß F i g. 9 hintereinander, so ist sogar die simultane Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten möglich:

Mittels Lokaloszfilator-Rückwärts-System wie die ^-Komponente erfaßt die anderen Komponenten werden mittels Rückwärtsstreuungs-Interferenz-System ermittelt. Es ist selbstverständlich, daß dann drei getrennte Empfangssysteme incl. Verarbeitungseinrichtungen erforderlich sind.

Bei beiden, in den F i g. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispielen einschließlich der aufgeführten Abwandlungen gestaltet sich die Justierung des optischen Systems sehr einfach. Sie gleicht in ihrer Einfachheit der im Zusammenhang mit der F i g. 7 beschriebenen Anordnung. Hinzu kommt einzig die justierung der Spiegel 41 bzw. 47.

Die in Fi g. 10 beispielsweise dargestellte Anordnung eines Laser-Doppler-Anemometers ist eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig.8. An die Stelle des Umlenkspiegels 8 tritt hier eine aus zwei üblichen Strahlteiler-Würfeln 48 und 49 bestehende Umlenkbzw. Überlagerungseinrichtung. Das hier nicht benötigte Teilstrahlenbündel 3 wird durch eine Maske 50 ausgeblendet. Als Strahlteiler 2 kann ein solcher wie im Fall der Anordnung gemäß Fig.8 (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:

Die Kaustik oder die Enveloppe des Strahlprofils eines Laserlichtbündels ist für den üblichen TEMoo-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 oder Spiegel liefert wiederum Gaußsche 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

so minimalen Fleckradius' des das Meßvolumen beleuchtenden Laserüchtes 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 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 56 und einer konvexen Linse 57, deren optische Achse mit der

Einfallsrichtung des Laserlichtes L zusammenfällt. Beide Linsen lassen sich relativ zueinander in Richtung dieser Achse verschieben. Nähere Einzelheiten sind in der vorgenannten Offenlegungsschrift detailliert beschrieben.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, 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 planparalJel zueinander angeordnete Spiegel (8, 9) vorgesehen sind.

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

4. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung der Laserstrahlung (L) eine aus zwei Parallelogramm-Prismen (17,19) zusammengesetzte Teileranordnung vorgesehen ist (F i g. 3).

5. Laser-Doppler-Anemometer 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-Anemometer 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 Teileranordnung vorgesehen ist (F i g. 9).

9. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß der Umlenkeinrichtung (8,9) ein weiterer, parallel zur optischen Achse des gemeinsamen optischen Abbildungssystems (¹S) angeordneter Spiegel (47) vorgesehen ist (F i g. 9).

10. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der elliptischen Ringe (14) eine Zone (40) hohen Reflexionsvermögens aufweist und daß der Umlenkeinrichtung (8, 9) ein parallel zur optischen Achse des gemeinsamen optischen Abbildungssystems (6)

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

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

12. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß zur Änderung des virtuellen Abstandes eine vorzugsweise aus einer konkaven (56) und einer konvexen Linse (57) bestehende Kompensationseinrichtung (Z) vorgesehen ist (F ig. 7).