DE4006690C2 - Verfahren und Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Oberfläche mittels eines von einem Laser ausgehenden Meßlichtstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Ge­ schwindigkeit einer bewegten Oberfläche, wobei ein von einem Laser ausgehend er Meßlichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird und das doppler-verschobene Streulicht und nicht doppler-verschobenes Laserlicht zur Erzielung einer Schwebung überlagert werden, deren Frequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Oberfläche bildet, wobei das Streulicht zur optischen Verstärkung zum Laser zurückge­ führt und die dadurch im Ausgangslicht des Lasers hervor­ gerufene Schwebung ausgewertet wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren der vorstehend beschriebe­ nen Art, das als Referenzstrahl-Dopplerverfahren bezeich­ net wird, wird der vom Laserresonator, für den der Ein­ fachheit halber im folgenden der Begriff "Laser" verwen­ det wird, ausgehende Lichtstrahl in einen Referenz- und einen Meßlichtstrahl aufgeteilt. Der Meßlichtstrahl wird auf die bewegte Oberfläche eines Objektes gerichtet, deren Geschwindigkeit kontinuierlich gemessen werden soll. Das von dieser Oberfläche zurückgestreute Laser­ licht, dessen Frequenz je nach Geschwindigkeit der Ober­ fläche mehr oder weniger doppler-verschoben ist, wird mit optischen Mitteln erfaßt und zur Auswertung einem Foto­ detektor zugeführt, der auch den vorgenannten Referenz­ strahl empfängt. Die Verarbeitung des Lichts erfolgt interferrometrisch, d. h. das doppler-verschobene Streu­ licht und der Referenzstrahl werden zu einer Schwebung überlagert, deren Frequenz proportional zur Geschwindig­ keit der bewegten Oberfläche ist, so daß die gesuchte Ge­ schwindigkeit kontinuierlich aus der Modulationsfrequenz ermittelt und dargestellt bzw. angezeigt werden kann.

Neben dem Referenzstrahl-Dopplerverfahren findet auch das aus der JP 1-97866 A, auszugsweise veröffentlicht in Patents Abstracts of Japan P-906, July 28, 1989 Vol. 13 No. 337, bekannte sog. Differenz-Dopplerverfahren Anwendung, bei dem der vom Laser ausgehende Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, die unter verschiedenen Winkeln auf die be­ wegte Oberfläche gerichtet sind. Da beide Strahlen den­ selben Ort des Meßobjektes treffen, findet eine Überlage­ rung der unterschiedlich doppler-verschobenen Streulicht­ wellen statt. Hierdurch entsteht wieder eine Schwebung, deren Frequenz proportional zur Geschwindigkeit der be­ wegten Oberfläche ist.

Beim Differenz-Dopplerverfahren oder auch Zweistrahlver­ fahren wird der Überlappbereich der beiden Teilstrahlen mit einem Detektor aus beliebiger Richtung beobachtet, wobei die Überlagerung der beiden doppler-verschobenen Streulichtanteile im Meßvolumen zu einer Schwebung führt, deren Frequenz Proportional zur Objektgeschwindigkeit ist und als einzige Frequenzkomponente vom Detektor regi­ striert wird. Beim Zweistrahlverfahren müssen sich zudem die beiden Teilstrahlen im Meßvolumen, also in einem be­ stimmten, der zu messenden bewegten Oberfläche zugeordne­ ten Bereich schneiden, um eine auswertbare Schwebungsfre­ quenz zu erzielen. Außerdem ist für eine Maximierung der Signalamplitude ein optimaler Strahlüberlapp, verbunden mit einer präzisen Justage der einzelnen Strahlen, erfor­ derlich.

Beim Referenzstrahl-Dopplerverfahren sind das aufgefan­ gene doppler-verschobene Streulicht und der vom Meßlicht­ strahl abgezweigte nicht doppler-verschobene Referenz­ strahl einander so zu überlagern, daß die für die weitere Auswertung erforderliche Schwebung entsteht, deren Fre­ quenz kontinuierlich als Naß für die gesuchte Geschwin­ digkeit der bewegten Oberfläche zu ermitteln ist. Die Wirksamkeit des Verfahrens setzt unter veränderlichen Um­ gebungseinflüssen verschiedenster Art eine genaue Justie­ rung der zusammenwirkenden Komponenten voraus und ist da­ mit mit einem für die notwendigen optischen Mittel erfor­ derlichen erheblichen optischen Aufwand verbunden.

Schließlich ist aus US 39 58 881 und aus dem Fachartikel S. Shinohara, A. Mochizuki, H. Yoshida and Masao Sumi, "Laser Doppler velocimeter using the self-mixing effect of a semiconducter laser diode", veröffentlicht in Applied Optics 1 May 1986/ Vol. 25, No. 9/S. 1417-1419, ein Verfahren zur Messung der Geschwin­ digkeit mit einem auf die bewegte Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahl bekannt, bei dem das doppler-verschobene Streulicht und nicht doppler-verschobenes Laserlicht zur Erzielung einer Schwebung überlagert werden und das Streulicht zur optischen Verstärkung zum Laser zurückge­ führt und die im Ausgangslicht des Lasers hervorgerufene Schwebung als Maß für die Geschwindigkeit ausgewertet wird.

Die gewünschte Geschwindigkeitsinformation wird dadurch zu einer Eigenschaft des Laserlichts selbst, so daß nur das emittierte Licht des Lasers beobachtet bzw. die darin enthaltene Schwebung ausgewertet werden muß und somit der optische Aufwand erheblich verringert wird.

Der Nachteil des vorgenannten Verfahrens besteht in der Winkelabhängigkeit, d. h., daß der Winkel, unter dem der Meßlichtstrahl auf die bewegte Oberfläche auftrifft, kon­ stant gehalten werden muß. Im Falle von Materiallängen­ messungen bedingt die erforderliche Winkelkonstanz, bei der der Winkel ungleich 90° sein muß, einen vergleichs­ weise hohen Aufwand, ohne damit die Winkelabhängigkeit beseitigen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Oberfläche mittels eines von einem Laser ausgehenden Meß­ lichtstrahls anzugeben, das die Winkelabhängigkeit des bekannten Meßverfahrens mit resonatorinterner Verstärkung des in den Laser zurückgeführten Streulichts mit geringem Aufwand reduziert und zuverlässige Meßwerte liefert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Meßverfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Meß­ lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die unter verschiedenen Winkeln auf die bewegte Oberfläche auftreffen, und daß die im Frequenzspektrum des Streu­ lichts enthaltenen zwei verschiedenen Anteile zur Auswer­ tung herangezogen werden.

Im Gegensatz zu der einzigen Frequenzkomponente des Dif­ ferenz-Doppler- oder Zweistrahlverfahrens stehen bei der Strahlteilung in Kombination mit der resonatorinternen Streulichtverstärkung zwei unterschiedliche Frequenzan­ teile zur Verfügung, da nur mit einem Detektor gemessen wird, die Rückführung des Streulichts in den Resonator aber einer Beobachtung in Rückwärtsrichtung des jeweili­ gen Meßstrahls entspricht.

Auf diese Weise läßt sich bei entsprechender Auswertung mit vergleichsweise geringem Aufwand die Winkelabhängig­ keit des bekannten, mit resonatorinterner Verstärkung verbundenen Meßverfahrens erheblich reduzieren.

Durch die resonatorinterne Verstärkung des Streulichts der beiden Teilstrahlen liefert das Frequenzspektrum des Streulichts grundsätzlich zwei verschiedene auswertbare Anteile, nämlich das zur optischen Verstärkung zum Laser zurückgeführte Streulicht und die dadurch im Ausgangs­ licht des Lasers hervorgerufenen Schwebungen der beiden Teilstrahlen. Aufgrund dieser beiden verschiedenen An­ teile im Frequenzspektrum des Streulichts bedarf es kei­ ner Strahlüberlappung im Meßvolumen, so daß der Aufwand für die Justierung gegenüber dem herkömmlichen Zwei­ strahlverfahren vermindert wird. Falls dennoch ein Strahlüberlapp stattfindet, ergibt sich im Frequenzspek­ trum des Streulichts ein weiterer Anteil, nämlich das arithmetische Mittel der beiden Einzelfrequenzen, das je­ doch im Vergleich zur Schwebung des üblichen Zweistrahl­ verfahrens, je nach Winkelkonfiguration, bei erheblich höheren Frequenzen liegen kann.

Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf die einzige Zeichnung, die eine schematische Darstellung einer Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens wie­ dergibt, näher erläutert.

Aus der Öffnung eines HeNe-Lasers 1 tritt ein Meßlicht­ strahl 3 aus, der durch einen Strahlteiler 13 in zwei Teilstrahlen 6.1 und 6.2 in einem Winkel ε aufgeteilt wird. Die aufgespaltenen Teilstrahlen 6.1, 6.2 treffen auf eine Linse 4, deren Brennweite beispielsweise f = 100 mm beträgt, und werden durch die Linse 4 mit einer Aus­ gangsfrequenz ν_o, entsprechend einem aus der Zeichnung ersichtlichen Winkel ψ, in dem die zu messende Oberfläche angeordnet ist, auf die als Geschwindigkeits­ vektor u dargestellte bewegte Oberfläche abgebildet. Das von der bewegten Oberfläche 5 zurückgeworfene und entsprechend der Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche 5 hinsichtlich seiner Frequenz doppler-verschobene Streulicht 7.1, 7.2 der beiden Teilstrahlen 6.1, 5.2 wird in Rückwärtsrichtung des jeweiligen Meßstrahls über die Linse 4 auf dem gleichen Weg in den Laser 1 zurückgeführt, auf dem der Meßlichtstrahl 3 der Linse zugeführt wurde.

Die beiden in der Frequenz unterschiedlich doppler-ver­ schobenen, in den Resonator des Lasers 1 zurückgeführten Streulichtanteile 7.1 und 7.2 werden nun im Resonator des Lasers 1 verstärkt. Da die Frequenz des dopp­ ler-verschobenen Streulichts 7.1, 7.2 des jeweiligen Teilstrahls 6.1, 6.2 und die Frequenz des vom Laser 1 er­ zeugten Originallichtstrahls eng beieinander liegen, bil­ det sich infolge der Verstärkung des Streulichts 7.1, 7.2 eine optische Schwebung mit zwei verschiedenen Frequen­ zanteilen.

Somit stehen durch die im Strahlteiler 13 vorgenommene Strahlteilung und die Verstärkung des jeweils doppler­ verschobenen Streulichtanteils im Resonator des Lasers 1 zwei verschiedene Anteile aus dem Frequenzspektrum des Streulichts zur Verfügung, die in herkömmlicher Weise ausgewertet werden können.

Von dem aus dem Laser 1 austretenden Meßlichtstrahl 3, dessen Polarisation mit dem Doppelpfeil 2 angedeutet ist und dessen Signalinhalt auch die Modulationsfrequenz der genannten optischen Schwebung umfaßt, wird mittels einer Strahlteilerplatte 8 ein Teilstrahl 9 in der darge­ stellten Weise ausgekoppelt und einem Detektor 10, bei­ spielsweise einer handelsüblichen Avalanche-Fotodiode, sowie einem Spektrumanalysator 11 zur Auswertung zuge­ führt. Da für die Aus­ wertung des Teilstrahls 9 durch den Detektor 10 bereits eine sehr geringe Lichtmenge ausreicht, ist die Strahl­ teilerplatte 8 unter Berücksichtigung der Laserpolarisa­ tion in Brewster-Geometrie ausgeführt, um so eine geringe Reflexion des Meßlichtstrahls in Richtung des Detektors 10 zu erreichen. Die gewählte Brewster-Geometrie ist durch Einzeichnen des Winkels α_B angedeutet.

Die in der Zeichnung dargestellte Meßanordnung kann ohne weiteres dahingehend abgewandelt werden, daß die Auswer­ tung des Laserlichts auch ohne Strahlteilerplatte 8 vor­ genommen wird, indem der Detektor 10 so hinter dem Reso­ nator-Endspiegel 12 angeordnet wird, daß trotz der hohen Reflexion das vom Resonator-Endspiegel 12 des Lasers 1 noch ausgehende Laserlicht ausgewertet werden kann.

Bei dem im Ausführungsbeispiel verwendeten HeNe-Laser be­ tragt die spektrale Breite des Lasermediums ca. 1400 MHz bei einem Longitudinalmodenabstand Δν (Frequenzabstand der Eigenfrequenzen) von ca. 608.5 MHz entsprechend einer Resonatorlänge von 24,65 cm, wobei die sich im vorliegen­ den Beispiel ergebenden Longitudinalmoden eine gewisse Linienbreite besitzen, die etwa im Bereich von 1-2 MHz liegt. Wenn die doppler-verschobene Frequenz der in den Laser 1 zurückgelangenden Streulichtanteile 7.1, 7.2 noch innerhalb der Linienbreite einer Longitudinalmode liegt, d. h., durch den Dopplereffekt sich nicht etwa eine so weitgehend verschobene Frequenz ergibt, daß diese außer­ halb der Longitudinalmode, also außerhalb der Wirksamkeit des Lasers liegt, wird das doppler-verschobene Licht im Laser verstärkt. Um die Frequenz der optischen Schwebung elektrisch auswerten zu können, liegen die Frequenz des jeweils doppler-verschobenen Streulichts 7.1, 7.2 und die, Frequenz der zugehörigen Longitudinalmode des Lasers 1 eng beieinander.

Die Dopplerfrequenz hängt direkt von der Geschwindigkeit u der bewegten Oberfläche 5 ab, und für kleine Geschwindigkeiten der bewegten Ober­ fläche 5 und folglich kleine Dopplerfrequenzen werden größere Signalamplituden als bei entsprechend größeren Dopplerfrequenzen erreicht, weil die Frequenz eines nur gering doppler-verschobenen Streulichts 7.1, 7.2 näher am Maximum einer nicht doppler-verschobenen, einem Glocken­ kurvenverlauf folgenden Longitudinalmode liegt. Im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel ergibt sich bei einer Aus­ gangsleistung des verwendeten Lasers von ca. 2,2 mW, einer Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche 5 von u=0,5 m/s und bei Benutzung einer handelsüblichen Silicium- Avalanche-Fotodiode eine Signalamplitude von ca. 13 mV, die aufgrund der Amplitudengröße eine differenzierte Aus­ wertung zuläßt. Bei höheren Dopplerfrequenzen des Streu­ lichts 7.1, 7.2 und bei entsprechenden Geschwindigkeiten im Bereich von 30 m/s bis 50 m/s werden noch Signalampli­ tuden zwischen 300 µV und 200 µV erreicht. Neben der Dopplerfrequenz wird die Signalhöhe naturgemäß in der Menge des zum Laser zurückgeführten Streulichts bestimmt. Bereits mit der oben beschriebenen einfachen optischen Anordnung, bei der der Meßlichtstrahl 3 durch eine Linse 4 fokussiert und deshalb auf der bewegten Oberfläche gebündelt auftrifft, wird bereits ein relativ hoher Lichtanteil als Streulicht im Bereich vor der Linse 4 zurückgeworfen, so daß die Linse 4 für die Einkopplung einer hohen Anzahl gestreuter Photonen in den Laser 1 sorgen kann. Bei Annahme einer isotropen Streuung werden von der Linse 4 ca. 10¹⁰ Photonen/s von 10¹⁵ Photonen/s, die den Laser 1 verlassen, zum Laser 1 zurückgeführt.

In einer weiterentwickelten Variante des optischen Auf­ baus ist die Strahlzu- und Strahlrückführung über Glas­ fasern denkbar. Damit wäre es möglich, das der bewegten Oberfläche zugewandte Faserende zu einem kleinen Sende- und Empfangsteil auszubilden, welches abweichend vom gradlinigen Strahlverlauf an schwer zugänglichen Meßstel­ len positioniert werden kann. Dabei können das als Sende- und Empfangseinheit genutzte Faserende schon als entspre­ chende Linse ausgeführt sein.

Statt der hier hauptsächlich behandelten HeNe-Laser sind auch Halbleiter-Laserdioden und Laser anderer Art einsetzbar. Halbleiter-Laserdioden haben beispielsweise im Vergleich zu HeNe-Lasern eine sehr viel größere Longitudinalmodenlinienbreite, die in der Größenordnung von ca. 500 MHz liegt und sich deshalb beispielsweise für die Messung von sehr hohen Geschwin­ digkeiten anbietet.

Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Halbleiter-Laser­ dioden besteht darin, zur Detektion der Schwebungsfre­ quenz die bereits eingebaute Monitordiode zu benutzen. Damit arbeitet das Laserdiodenmodul einerseits als Sende­ einheit für das Laserlicht und andererseits als Empfangs­ einheit für die Umsetzung der optischen Schwebungssignale in elektrische Signale.

Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Anordnungen läßt auch eine Erken­ nung der Bewegungsrichtung der bewegten Oberfläche zu. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz eines akku­ stooptischen Modulators herbeigeführt werden.

Eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zukünftig auch auf der Basis der integrierten Optik denk­ bar.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit einer be­ wegten Oberfläche, wobei ein von einem Laser aus­ gehender Meßlichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird und das doppler-verschobene Streulicht und nicht doppler-verschobenes Laserlicht zur Erzielung einer Schwebung überlagert werden, deren Frequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Oberfläche bildet, wobei das Streulicht zur optischen Verstärkung zum Laser zurückgeführt wild und die dadurch im Ausgangslicht des Lasers hervorgerufene Schwebung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die unter verschiedenen Winkeln auf die bewegte Ober­ fläche auftreffen, und daß die im Frequenzspektrum des Streulichts enthaltenen zwei verschiedenen An­ teile zur Auswertung herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl und das Streulicht über denselben optischen Weg geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Linse zur Fokussie­ rung der beiden Teilstrahlen des Meßlichtstrahls auf die Oberfläche und zur Parallelisierung des von der Oberfläche ausgehenden Streulichts der Teilstrahlen verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das am Resonatorendspiegel des Lasers austretende Licht ausgewertet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Teil des vom Laser ausgehenden Meßlichtstrahls ausgekoppelt und ausgewertet wird.

6. Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Oberfläche zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der ein von einem Laser ausgehender Meßlichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet ist, das von der Oberfläche zurückgeworfene, doppler-verschobene Streulicht zur op­ tischen Verstärkung in den Laser zurückgeführt ist, so daß das doppler-verschobene Streulicht und das nicht doppler-verschobene Laserlicht zur Erzielung einer Schwebung überlagert sind, deren Frequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Oberfläche bildet, und ein Detektor zum Empfangen des Ausgangslichtes des Lasers und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der im Ausgangslicht des Lasers hervorgerufenen Schwebung vorge­ sehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (13) zur Aufteilung des vom Laser (1) ausgehenden Meßlichtstrahls (3) in zwei Teilstrahlen (6.1, 6.2), die unter verschiedenen Winkeln auf die bewegte Oberfläche (5) auftreffen, vorgesehen ist, und daß die Auswerteeinrichtung (11) die im Frequenzspektrum des Streulichts enthaltenen zwei verschiedenen Anteile auswertet.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Strahlteilerplatte (8) zur Auskopplung eines Teiles (9) des vom Laser (1) ausgehen­ den Meßlichtstrahles (3) und der Detektor (10) und die Auswerteeinrichtung (11) zum Empfangen und zur Aus­ wertung des ausgekoppelten Teilstrahls (9) vorgesehen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (10) und die Auswerte­ einrichtung (11) zum Empfang und zur Auswertung des vom Resonator-Endspiegel (12) des Lasers (1) ausgehenden Laserlichtes vorgesehen sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Strahlzuführung und Strahlrückführung Glasfasern vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das der bewegten Ober­ fläche zugewandte Faserende als Sende- und Empfangs­ teil, gegebenenfalls in Form einer Linse, ausgebildet ist.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser (1) eine Halbleiter-Laserdiode und die eingebaute Monitordiode zur Detektion der Schwebungsfrequenz vorgesehen ist.

12. Anordnung nach einem oder mehreren der Anspruche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die op­ tische Anordnung auf der Basis integrierter Optik vor­ gesehen ist.