DE4128966A1 - Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperung - Google Patents
Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 zur vorzeichen
richtigen berührungslosen photoelektrischen Erfassung von bis
zu drei orthogonalen Bewegungskomponenten lichtstreuender
Meßobjekte mit Streuzentren in Form von Oberflächenelementen
bei Festkörpern oder Tracerpartikeln in Fluiden.
Laser-Doppler-Velocimeter sind seit den sechziger Jahren
bekannt und dienen sowohl der rückwirkungsfreien Messung der
Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden als auch allgemein der
Erfassung von Bewegungskomponenten lichtstreuender Meß
objekte.
Dabei wird durch den Durchdringungsbereich eines
Beleuchtungsstrahlenpaares im Meßvolumen jeweils ein System
von Flachen gleicher Phasendifferenzen ("Streifensystem") als
Längenmaßverkörperung der Weg-Zeit-Funktion erzeugt, das die
Bestimmung einer Bewegungskomponente senkrecht zur Winkel
halbierenden der Beleuchtungsstrahlen in der von dem
Beleuchtungsstrahlenpaar aufgespannten Meßebene erlaubt.
Beim Durchqueren des Streifensystems führen die von beiden
Beleuchtungsstrahlen an einem Streuzentrum gebeugten um die
Dopplerfrequenz verschobenen Streulichtverteilungen am Ort
des Empfängers zu einem in der Intensität modulierten
Doppler-Differenz-Signal, dessen Frequenz direkt proportional
zur Geschwindigkeit des Streuzentrums ist und sich
unmittelbar durch den Quotienten aus dem Streifenabstand im
Meßvolumen und der Doppler-Differenz-Signalperiode innerhalb
eines Signalbursts ergibt.
Die Messung mehrerer lateraler Bewegungskomponenten wird
üblicherweise durch zwei orthogonal angeordnete Beleuchtungs
strahlenpaare eines Meßkopfes realisiert, wohingegen eine
Erfassung axialer Komponenten nach dem Doppler-Differenz-
Verfahren bisher nur durch zwei örtlich getrennte nach
Möglichkeit unter einem Winkel von 90 Grad auf das Meß
volumen ausgerichtete Meßköpfe möglich ist. Dabei werden
Techniken zur chromatischen, polarisationsoptischen, träger
frequenten oder zeitseriellen Zuordnung der Streulicht
signale zu den jeweiligen Meßkomponenten eingesetzt.
Meßsysteme, die nach dem Doppler-Differenz-Verfahren sowohl
laterale als auch axiale Bewegungskomponenten vorzeichen
richtig mit einem optischen Meßsystem, in dem alle
Meßvorgänge miteinander verkettet sind, erfassen können, sind
bisher nicht bekannt geworden.
In die Meßunsicherheit einer Messung von Bewegungskomponenten
nach dem Doppler-Differenz-Verfahren geht unmittelbar die
Realisierung der Längenmaßverkörperung in Form des Systems
der Flächen gleicher Phasendifferenzen im Meßvolumen ein,
deren Abstand sowohl von dem Schnittwinkel als auch von der
Lichtwellenlänge der Beleuchtungsstrahlen abhängt.
In den üblicher Weise eingesetzten Meßsystemen mit
geometrischen Strahlteilern zur Erzeugung des Beleuchtungs
strahlenpaares muß daher eine definierte Lichtfrequenz
vorausgesetzt werden, was bei Verwendung von Laserdioden für
Präzisionsmessungen eine aufwendige Temperatur- und Strom
regelung zur Frequenzstabilisierung erfordert.
Die beugungsoptische Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlen
paares hingegen ermöglicht durch die Kompensation des licht
wellenlängen-abhängigen (Beugungs-) Winkels zwischen den in
das Meßvolumen abgebildeten Teilstrahlen mit der Schnitt
winkel- und Lichtwellenlängen-Abhängigkeit des Abstandes der
Flächen gleicher Phasendifferenzen im Meßvolumen die
Realisierung einer von der Lichtwellenlänge unabhängigen
Längenmaßverkörperung im Meßvolumen, die nur durch die
Gitterkonstante der beugenden Struktur und den
Abbildungsmaßstab einer achromatischen Abbildungsoptik
bestimmt ist, die die Fläche des strukturierten Strahlteilers
in das Meßvolumen abbildet.
Mit Ausnahme der Arbeiten von Wang, der auf der Basis von
Beugungsgittern Weißlicht-Doppler-Anemometer realisierte
(C.P. Wang: Doppler Velocimeter Using Diffraction Grating and
White Light;/May 1974/Vol. 13 No. S/Applied Optics/) und
von Farmer, der durch beugungsoptische Strahlaufspaltung bei
Verwendung eines Multilinien Ar-Ionen-Lasers eine
Intensitäts-erhöhung im Meßvolumen ohne Reduktion des
Streifenmodulationsgrades erzielen konnte (W. M. Farmer: Two
dimensional Bragg cell LDV system using multiple light
frequencies;/Jan 1978/Vol.17, No. 2/Applied Optics/), sind
beugungsoptische Strahlteilungen mit Ausnahme von Anwendungen
zur Erzeugung von Frequenzshiften mit bewegten
Gitterstrukturen zur Richtungs-erkennung bei trägerfrequenten
Signalverarbeitungstechniken für die gezielte Erzeugung einer
spektral unabhängigen Maßverkörperung im Meßvolumen mit den
damit verbundenen Möglichkeiten breitbandige Lichtquellen,
nichtstabilisierte Diodenlaser oder auch die Überlagerung
mehrerer Laserdiodenstrahlungen nutzen zu können bisher nicht
in Betracht gezogen worden.
Die Erfindung basiert auf der Erzeugung äquidistanter
Streifensysteme im Meßvolumen, die aufgrund ihrer
physikalischen Unterscheidbarkeit durch Polarisation,
Lichtwellenlänge, Trägerfrequenz oder Pulssequenzen bei einer
Verlagerung der Streifensysteme gegeneinander zu phasen
verketteten Meßsignalen führen.
Dabei zeichnet sich für die Erzeugung äquidistanter von der
Lichtwellenlänge unabhängiger Streifensysteme die beugungs
optische Strahlaufspaltung als besonders vorteilhaft aus.
Die Überlagerung der verschiedenen äquidistanten Streifen
systeme kann je nach Meßanwendung in unterschiedlicher Weise
erfolgen.
So ist eine Überlagerung äquidistanter Streifensysteme
gleicher oder unterschiedlicher Lichtwellenlänge ohne
Parallelversatz oder Verkippung und somit gleicher
Ortssignalphase im Meßvolumen zu einer Intensitätserhöhung
der Doppler-Differenz-Meßsignale ohne Verschlechterung des
Modulationsgrades möglich, wodurch eine Verbesserung des
Signal zu Rausch-Verhältnisses erzielt werden kann.
Ein Parallelversatz der Streifensysteme gegeneinander kann
hingegen zur Erzeugung eines Meßsignalpaares mit fester
Phasenbeziehung (vorzugsweise π/2-Phasenverschiebung zur
Erzeugung eines sin-cos-Signalpaares) genutzt werden, das
neben der Bestimmung des Betrages auch die des Vorzeichens
lateral er Bewegungskomponenten ohne die sonst für diesen
Zweck üblichen Heterodyntechniken erlaubt.
Im speziellen Anwendungsfall eines sin-cos-Signalpaares liegt
die Meßinformation in Form eines umlaufenden Drehzeigers vor,
dessen Drehsinn, Umläufe und Winkelstellung zweckmäßiger
Weise durch eine Drehzeigersignalverarbeitungskette
auszuwerten sind (F. Hock: Schnelle Messung von Interferenz
phasen und Ordnungszahlen in der hochauflösenden
Laserinterferometrie im Hinblick auf Anwendungen in der
Refraktometrie, der Längen-, Winkel- und Schwingungsmessung;
/VDl Berichte HR. 749, 1989/).
Bei einer Verkippung mindestens zweier äquidistanter
Streifensysteme im Meßvolumen beinhaltet die Phasenwinkel
differenz der beiden Doppler-Differenz-Signale des Meßsignal
paares unmittelbar die axiale Position des Streuzentrums im
Meßvolumen.
Somit lassen sich nach dem Doppler-Differenz-Verfahren durch
die Abbildung von mindestens drei gegeneinander verlagerten
äquidistanten Streifensystemen mit einer gemeinsamen
Abbildungsoptik bei vernachlässigbaren Anforderungen an die
spektralen Eigenschaften der Beleuchtungsstrahlung im
Meßvolumen laterale und erstmals auch axiale Bewegungs
komponenten betragsmäßig und ohne aufwendige Shift- oder
Modulationstechniken auch vorzeichenrichtig messen.
Das neue Verfahren ermöglicht erstmals die Realisierung
eines kompakten für kommerzielle Anwendungen nutzbaren 3D-
Velocimetersystems mit vorzeichenrichtiger Bewegungs
komponentenmessung.
Die Erfindung soll anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel zur eindimensionalen
Bewegungskomponentenmessung mit Richtungserkennung anhand der
Streulichtsignale zweier gegeneinander parallelverschobener
äquidistanter Streifensysteme,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel zur vorzeichenrichtigen
Messung einer axialen Bewegungskomponente anhand der Streu
lichtsignale zweier gegeneinander verkippter äquidistanter
Streifensysteme,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel zur vorzeichenrichtigen
Erfassung einer lateralen und einer axialen
Bewegungskomponente anhand gegeneinander parallelversetzter
und verkippter äquidistanter Streifensysteme,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zur vorzeichenrichtigen
Erfassung dreier orthogonaler Bewegungskomponenten anhand
ineinander angeordneter äquidistanter Streifensysteme.
Die vorzeichenrichtige Erfassung einer lateralen
Bewegungskomponente basiert im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 auf der Erzeugung eines Meßsignalpaares durch die
Detektion von Streulichtsignalen aus chromatisch und/oder
polarisationsoptisch unterscheidbaren parallelversetzten
äquidistanten Streifensystemen.
Die durch die Linsen (2, 4) kollimierten Strahlungen der
Laserdioden (1, 3) unterschiedlicher Lichtwellenlänge (l₁, l₂)
beleuchten nach fluchtender Ausrichtung durch den Strahlver
einiger (5) und nachfolgender Strahlformung durch das Linsen
system (6, 8) den beugungsoptischen Strahlteiler (9).
Der beugungsoptische Strahlteiler (9) ist vorzugsweise als
Phasengitter ausgeführt, dessen Phasenhub für die mittlere
Lichtwellenlänge so gewählt ist, daß ca. 80% der
eingestrahlten Leistung in die +/- erste Ordnung entfallen.
Die entsprechend ihrer Lichtwellenlänge in die +/- erste
Ordnung abgebeugten Teilstrahlen bilden über die achromatisch
ausgeführte optische Anordnung (10, 15) das Gitter in das
Meßvolumen (16) ab und erzeugen dort aufgrund der beugungssoptischen
Strahlaufspaltung unabhängig von der spektralen
Zusammensetzung der hinter der Strahlvereinigungseinheit
(1, 2, 3, 4, 5) vorliegenden Beleuchtungsstrahlung im Meßvolumen
(16) äquidistante chromatische und/oder polarisationsoptisch
unterscheidbare Flächen gleicher Phasendifferenzen (17, 18).
Die Auslegung des Abbildungssystems (6, 8) der Strahlformungsbaugruppe
bestimmt die Ausleuchtung des beugungsoptischen
Strahlteilers (9) und legt zusammen mit dem Abbildungsmaßstab
der achromatischen optischen Anordnung (10, 15) die Ausdehnung
des Meßvolumens fest.
In der gemeinsamen Brennebene (11) (der Ortsfrequenzebene
bzw. der dem Gitterbild im Meßvolumen komplementären Ebene)
des Abbildungssystems (10, 15) wird neben einer von der
spektralen Auslegung der Meßanordnung abhängigen
Ortsfrequenzfilterung durch Einbringen dispergierender
Elemente zur Erzeugung unterschiedlicher optischer Gangunterschiede
zwischen den Beleuchtungsstrahlenpaaren eine laterale
Verschiebung der Ortsphase im Meßvolumen und damit der
Streifensysteme gegeneinander erreicht.
Zur Erzeugung der parallelversetzten Streifensysteme (17, 18)
werden in der Ortsfrequenzebene (11) zwei Phasenschieberplatten
(13, 14) in den Teilstrahlengängen der +/- ersten
Beugungsordnungen angeordnet, die infolge ihres
unterschiedlichen Dispersionsverlaufes bei gleicher optischer
Dicke für die mittlere Lichtwellenlänge wellenlängenabhängig
einen relativen optischen Gangunterschied (vorzugsweise π/2)
der Beleuchtungsstrahlenpaare gegeneinander verursachen, der
im Meßvolumen in einer Parallelverschiebung der äquidistanten
Streifensysteme (17, 18) gegeneinander (viertel Ortsperiode)
resultiert.
Entsprechend der unterschiedlichen Möglichkeiten und
Verfahren zur Strahlvereinigung kann die Zuordnung der
Streulichtsignale zu dem jeweiligen Streifensystem durch
den Strahlteiler (20, 34) chromatisch in Form eines
dichroitischen oder beugungsoptischen Teilers oder auch
polarisationsoptisch durch einen Polarisationsteiler in Form
eines Polarisationsteilerwürfels, Wollaston-Prismas etc.
erfolgen.
Die Abbildung der Streulichtverteilungen aus dem Meßvolumen
(16) über die Streulichtsammeloptik (19, 21, 23) auf die Photo
empfänger (22, 24) liefert intensitätsmodulierte Ausgangs
signale, die im Falle zweier gegeneinander parallel
verschobener Streifensysteme ein Meßsignalpaar mit einer
durch die Phasenschieberplatten (13, 14) vorgegebenen festen
Phasenbeziehung darstellen.
Dieses Signalpaar bildet im Falle einer Parallelverschiebung
der zwei äquidistanten Streifensysteme um eine viertel Orts
periode gegeneinander ein (sin⌀(x), cos⌀(x))-Signalpaar und
definiert damit einen Drehzeiger, dessen Umlaufrichtung
das Vorzeichen und dessen Winkelstellung und Zahl der Umläufe
den Betrag der zu messenden Bewegung beinhalten.
Für die Drehzeigersignalauswerteeinheit (25) zur Bestimmung
des Vorzeichens und des Betrages von Bewegungskomponenten
können z. B. die in der Signalverarbeitungstechnik aus dem
Bereich der Quadratursignalverarbeitung bekannten
Verfahren und Techniken eingesetzt werden.
Bei polarisationsoptischer Streulichtsignaltrennung ist für
die Erzeugung zweier äquidistanter Streifensysteme die im
Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dargestellte Überlagerung von
Strahlungen unterschiedlicher Lichtwellenlängen keine
notwendige Voraussetzung.
So kann z. B. bei Verwendung einer unpolarisierten oder auch
linearpolarisierten monochromatischen Beleuchtung des (nicht
notwendigerweise beugungsoptischen) Strahlteilers (9) in der
Ortsfrequenzebene (11) durch Einbringen eines 1/4-Plättchens
in einem der Beleuchtungsstrahlen oder auch zweier 1/8-
Plättchen, jeweils einem in jedem Teilstrahl des
Beleuchtungsstrahlenpaares, ein optischer Gangunterschied
zwischen den beiden orthogonalen Polarisationskomponenten
erzeugt werden, der im Meßvolumen (16) in einer Parallelver
schiebung der durch ihre Polarisation unterscheidbaren
monochromatischen Streifensysteme resultiert.
Die polarisationsoptische Zuordnung der detektierten Streu
lichtsignale zu den bei Verwendung einer 1/4-Phasenschiebung
in der Ortsfrequenzebene (11) um eine viertel Ortsperiode in
dem Meßvolumen (16) gegeneinander parallelversetzten
Streifensystemen durch den in diesem Fall als Polarisations
teiler ausgeführten Strahlteiler (20) , liefert das in der
Signalverarbeitungsbaugruppe (31) auszuwertende Meßsignalpaar
zur vorzeichenrichtigen Bewegungskomponentenmessung.
Die vorzeichrichtige Erfassung einer axialen Bewegungskompo
nente nach dem Doppler-Differenz-Verfahren durch die Auswert
ung phasenverketteter Meßsignale aus zweier gegeneinander
verkippten äquidistanten Streifensystemen ist anhand des in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels dargestellt.
Durch die Verkippung der beiden äquidistanten Streifensysteme
(17, 28) im Meßvolumen (16) hängt die Differenzsignalphase des
Meßsignalpaares direkt von der axialen Position des Streu
objektes und dem Verkippungswinkela der Streifensysteme
gegeneinander ab: ø(z)=ø(x)-ø(x)+z*(sinα),
z=ø im Meßvolumenzentrum, so daß die Messung der momentanen Phasendifferenz des Meß signalpaares eine Information über die axiale Bewegungs komponente enthält.
z=ø im Meßvolumenzentrum, so daß die Messung der momentanen Phasendifferenz des Meß signalpaares eine Information über die axiale Bewegungs komponente enthält.
Die Erzeugung zweier äquidistanter verkippter physikalisch
unterscheidbarer Streifensysteme im Meßvolumen kann
zum Beispiel in der in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2
dargestellten Weise erfolgen.
Die durch die Linsen bzw. Mikroobjektive (2, 27) kollimierten,
chromatisch unterscheidbaren Strahlungen der Laserdioden
(1, 26) erzeugen bei nicht fluchtender Überlagerung aufgrund
einer Strahlverkippung am Strahlvereiniger (28) hinter der
Strahlformungsoptik (6, 8) gegeneinander geneigte chromatisch
und/oder polarisationsoptisch unterscheidbare Wellenfronten.
Die Beleuchtung des Beugungsgitters (9) mit gegeneinander
geneigten Strahlbündeln führt nach der beugungsoptischen
Strahlaufspaltung zu einem bezogen auf die optische Achse
unsymmetrischen Verlauf der Teilstrahlenpaare, die nach der
Abbildung durch die optische Anordnung (10, 15) in dem
Meßvolumen (16) gegeneinander verkippte Streifensysteme
erzeugen.
Die Verkippung der Streifensysteme im Meßvolumen entspricht
der Unsymmetrie der Beleuchtungsstrahlung in der durch die
gemeinsame Brennebene des Abbildungssystems (16, 15) gegebenen
Ortsfrequenzebene (29).
Die im Meßvolumen entstehenden Streulichtsignale werden über
die Streulichtsammeloptik (19, 20, 21) auf die Photoempfänger
(22, 24) abgebildet, wobei durch die chromatische und/oder
polarisationsoptische Strahlteilung (20) eine eindeutige
Zuordnung der Meßsignale zu dem jeweiligen Streifensystem
gegeben ist.
Das durch die Photoempfängerausgangssignale gegebene Meß
signalpaar, wird einer Phasenmeßeinrichtung (31) zugeführt,
die die Meßinformation für die Auswertung von Betrag und
Vorzeichen der axialen Bewegungskomponente liefert.
Eine Verkippung äquidistanter Streifensysteme im Meßvolumen
läßt sich bei einer polychromatischen Beleuchtung eines
Beugungsgitters auch bei fluchtender Ausrichtung der Teil
strahlungen erreichen, indem man die nicht symmetrisch abge
beugten Teilstrahlen als Beleuchtungsstrahlenpaare nutzt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer
Anordnung zur gleichzeitigen Messung des Vorzeichens und des
Betrages einer axialen und einer lateralen Bewegungs
komponente stellt eine Kombination der in den Fig. 1 und 2
angegebenen Anordnungen dar.
In dieser Anordnung werden drei äquidistante Streifensysteme
paarweise gegeneinander verkippt bzw. parallelversetzt und
die Streulichtsignale durch eine beugungsoptische
chromatische Streulichtsignaltrennung (33, 34, 35) auf der
Detektoranordnung (36) in phasenverkettete Meßsignale umge
setzt, die über die Signalauswerteeinheit (25,31) die Messung
zweier orthogonaler Bewegungskomponenten erlauben.
In ähnlicher Weise zeigt die in Fig. 4 dargestellte
Anordnung eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 3 zur Messung des Vorzeichens und des Betrages dreier
orthogonaler Bewegungskomponenten über fünf im Meßvolumen
angeordnete äquidistante gegeneinander verkippte und
parallelverschobene Streifensysteme mit chromatischer
Zuordnung der einzelnen Streulichtsignale zu den jeweiligen
Meßkomponenten.
Die für die dritte Komponente zur Messung der lateralen y-
Bewegungskomponente über den Strahlvereiniger (41)
fluchtentend ausgerichteten durch die Optiken (38, 40)
kollimierten Strahlungen der Laserdioden (37, 39) beleuchten
den Strahlteiler (42) und erzeugen beugungsoptisch
chromatisch unterscheidbare Teilstrahlenpaare, die über
reflektierende gleichzeitig einen optischen Gangunterschied
erzeugende optische Elemente (44, 45) in der Ortsfrequenzebene
(11) eingekoppelt werden.
Damit erhält man im Meßvolumen ein zu den parallelversetzten
Streifensystemen zur vorzeichenrichtigen Messung der x-
Bewegungskomponente orthogonal angeordnetes Streifensystem
paar zur vorzeichenrichtigen Messung der y-Bewegungs
komponente.
Die durch ein beblaztes Gitter (34) beugungsoptisch
getrennten Streulichtsignale werden in der Empfängeranordnung
(33, 34, 35) den jeweiligen Photoempfängern (46) zugeordnet,
deren Ausgangssignale als phasenverkettete Meßsignale in der
Signalauswertungseinheit (47) eine dreidimensionale
Bewegungskomponentenmessung ermöglichen.
In den vorgestellten Ausführungsbeispielen können zur
Realisierung von "Low-Cost-Meßanordnungen" bei Einsparung der
Strahlvereinigungs- oder auch Strahlaufspaltungs-Baugruppen
die Beleuchtungsstrahlen auch in den Ortsfrequenzebenen (7)
oder (11) direkt in Form der aus Faserenden von Digitailed
Laserdioden emittierten Strahlungen eingekoppelt werden.
Dabei lassen sich, falls für eine mehrkomponentige Meß
anordnung erforderlich, für die Strahlvereinigung bzw. die
polychromatische Überlagerung mehrerer Strahlungen die in
Faser- oder integrierter Optik erhältlichen Faserkoppler/-
Multiplexer einsetzen.
Bei einer örtlich unsymmetrischen Einkopplung in der
Ortsfrequenzebene (7) lassen sich im Meßvolumen gegeneinander
verkippte Streifensysteme erzeugen.
Eine Strahlungseinkopplung in der Ortsfrequenzebene (11)
setzt eine vorangegangene Erzeugung von Strahlungspaaren
voraus, die sich ebenfalls mittels Faserkoppler kostengünstig
und justagefreundlich realisieren läßt.
Zur Erzeugung äquidistanter chromatisch unterscheidbarer
Streifensysteme sind in diesem Fall entsprechend der für die
unterschiedlichen Lichtwellenlängen einzustellenden Winkel
zwischen den Beleuchtungsstrahlen die Strahlungen an den in
der Ortsfrequenzebene entsprechenden Orten einzukoppeln,
wobei wiederum eine Unsymmetrie zwischen den Beleuchtungs
strahlenpaaren die Erzeugung gegeneinander verkippter
Streifensysteme im Meßvolumen ermöglicht.
Allgemein lassen sich somit durch die Einkopplung in unter
schiedlicher Weise erzeugter, physikalisch unterscheidbarer
Strahlungen in der Ortsfrequenzebene einer Abbildungsoptik
örtlich gegeneinander parallelversetzte und/oder verkippte
äquidistante Streifensysteme im Meßvolumen erzeugen, deren
zuzuordnende Streulichtsignale phasenverkettete Meßsignale
liefern, die eine mehrkomponentige Bewegungskomponenten
messung erlauben.
Die Zuordnung der einzelnen Streulichtsignale zu den
jeweiligen Streifensystemen kann wie in der beschriebenen
Weise polarisationsoptisch und/oder chromatisch realisiert
werden.
Bei einer beugungsoptischen Strahlaufspaltung mittels
akustooptischer Modulatoren kann auch die durch die Treiber
frequenz vorgegebene Lichtfrequenzverschiebung zwischen den
Beleuchtungsstrahlen als Trägerfrequenz zur Meßsignal
komponententrennung genutzt werden.
In diesem Fall lassen sich die herkömmlichen trägerfrequenten
Verfahren zur Richtungserkennung lateral er Komponenten in
Verbindung mit den durch Nutzung der abgegeugten Teilstrahlen
nullter und + oder - erster Ordnung unsymmetrisch zur
optischen Achse verlaufenden Teilstrahlenpaaren, die im
Meßvolumen gegeneinander verkippt angeordnete chromatisch
unterscheidbare Streifensysteme erzeugen, zur vorzeichen
richtigen simultanen Messung lateraler und axialer
Bewegungskomponenten erweitern.
Die in den Ausführungsbeispielen als zweilinsige Teleskop
systeme achromatisch ausgeführten optischen Baugruppen zur
Meßvolumenbeleuchtung können in Verbindung mit Reflexions
gittern als Spiegeloptik ausgeführt, weiterhin die Baulänge
der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Meßköpfe
reduzieren.
Auch die in den Ausführungsbeispielen in Vorwärtsrichtung
dargestellten Streulichtsammeloptiken können in entsprechen
der Weise auch für Meßanordnungen in Rückwärtsstreurichtung
realisiert werden.
Claims (10)
1. Verfahren zur photoelektrischen Messung von
Bewegungskomponenten nach dem Doppler-Differenz-Verfahren
durch Erzeugung von Flächen gleicher Phasendifferenzen als
Längenmaß der Weg-Zeitfunktion von lichtstreuenden Objekten,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei Paare von Teilwellen durch Streuung, an
den Meßobjekten überlagert, durch Zweistrahlinterferenzen
phasenverkettete Meßsignale liefern, die durch ihre
Signalparameter im Verlauf der Signalerfassung und
Verarbeitung parameterangepaßt optisch oder elektronisch
trennbar sind, wobei angepaßt an die jeweiligen
Lichtfrequenzen die Winkel zwischen den Teilwellen so
eingerichtet sind, daß für alle einer Meßkomponente
angehörigen Teilwellenpaaare die Abstände der Flächen
gleicher Phasen-differenzen übereinstimmen und die
Beleuchtungsapertur der dem Strahlteiler zugeführten
jeweiligen Beleuchtungsstrahlen so eingeschränkt ist, daß
sich die Raumwinkelbereiche, die die Teilstrahlen einnehmen
nicht überlappen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 Verfahren zur Einrichtung der
Winkelbeziehung zwischen den Teilstrahlenpaaren dadurch
gekennzeichnet,
daß der Beleuchtungsstrahl durch Beugung an periodischen
Strukturen in gebeugte Teilstrahlen zerlegt wird, die paar
weise durch eine achromatische für alle Teilwellen gemeinsam
genutzte Abbildungsoptik in das Meßvolumen übertragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Festlegung der Phasenbeziehungen zwischen den ver
ketteten Meßsignalen Teilwellenpaare erzeugt werden, die in
der zur Bildfläche im Meßvolumen komplementären Fläche
örtlich und/oder zeitlich gegeneinander verschoben sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die in den Abständen übereinstimmenden Flächen gleicher
Phasendifferenzen gegeneinander räumlich parallelversetzt
und/oder geneigt angeordnet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die resultierenden phasenverketteten Meßsignale bei
Parallelversatz der Flächenscharen (feste relative Signal
phase, vorzugsweise π/2) eine Information über Betrag und
Vorzeichen der Bewegung liefern und/oder
bei Verkippung der Flächenscharen aufgrund der von der
axialen Bewegungskomponente abhängigen relativen Signalphase
des Meßsignalpaares eine Information über Betrag und
Vorzeichen der axialen Bewegungskomponente beinhalten.
6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
daß die Erzeugung der phasenverketteten Meßsignale durch eine
chromatische und/oder
eine polarisationsoptische und/oder
eine trägerfrequente und/oder
eine zeitliche, in der Auswertung von Signalsequenzen
liegende
Trennung der Streulichtsignale realisiert wird und damit die
einzelnen Meßkomponenten eindeutig den jeweiligen äqui
distanten Flächenscharen zuzuordnen sind.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Beleuchtungssquelle einer Strahlformungs-
und Vereinigungsbaugruppe vorgeschaltet ist, die die
geometrisch optische Strahlführung an den oder die nach
geschalteten Strahlteiler anpaßt und daß der Strahlteilung
eine auch chromatisch korrigierte Abbildungsoptik folgt, die
die Lage und Ausdehnung der Flächen gleicher Phasen
differenzen als Meßvolumen festlegt,
wobei das Projektionszentrum dieser Abbildung vorzugsweise im
Unendlichen liegt und die im Meßvolumen von den jeweiligen
Streifensystemen erzeugten Streustrahlungen durch eine nach
geordnete Streulichtsammel- und Abbildungsoptik jeweils
zumindest einer Photoempfängerfläche zugeordnet werden.
8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und
7 dadurch gekennzeichnet,
daß als polychromatische Beleuchtungsquelle ein Multilinien
laser oder eine Strahlvereinigungsbaugruppe bestehend aus
einem polarisationsabhängigen oder -neutralen Strahlteiler
oder einem dichroitischen oder beugungsoptischen Farb
vereiniger in diskreter Optik, Faseroptik oder in integrier
ter Optik zur Überlagerung unterschiedlicher Laser- oder
Laserdiodenstrahlungen dem Strahlteiler vorgeschaltet ist.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2
und 7 dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlvereinigungsbaugruppe ein Strahlteiler nachge
schaltet ist, der die an die Lichtwellenlängen angepaßten
Schnittwinkel der einzelnen Beleuchtungsstrahlenpaare durch
ein mindestens eindimensionales Beugungsgitter mit einer
örtlich zeitunabhängigen oder zeitabhängigen Gitterstruktur
in Form eines Amplituden- oder Phasengitters realisiert.
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und
7 dadurch gekennzeichnet, daß eine chromatisch korrigierte
Abbildungsoptik vorzugsweise durch ein mindestens zwei
linsiges System realisiert ist, wobei eine durch Ortsfilter,
brechende oder reflektierende Elemente in der der Bildebene
zugeordneten komplementären Ebene bewirkte oder eine durch
eine unsymmetrische Teilstrahleinkopplung oder
unsymmetrische Strahlaufspaltung eines vor die Abbildungs
optik geschalteten Strahlteilers erzeugte räumliche
Unsymmetrie eine Verkippung der äquidistanten Flächensysteme
im Meßvolumen bewirkt
und/oder
optische Gangunterschiede in mindestens einem der
Beleuchtungsstrahlenpaare durch Verwendung doppelbrechender
Elemente, totalreflektierender Phasenschieber oder
dispergierender Elemente
eine Parallelverschiebung der aufgrund ihrer physikalischen
Parameter im Meßvolumen unterscheidbaren Flächensystemen
erzeugt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914128966 DE4128966A1 (de) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914128966 DE4128966A1 (de) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4128966A1 true DE4128966A1 (de) | 1993-03-04 |
Family
ID=6439569
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914128966 Withdrawn DE4128966A1 (de) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4128966A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19530287C1 (de) * | 1995-08-17 | 1996-11-14 | Klaus Dr Christofori | Verfahren und Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung |
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-
1991
- 1991-09-02 DE DE19914128966 patent/DE4128966A1/de not_active Withdrawn
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