DE4128966A1 - Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperung - Google Patents

Verfahren und anordnung zur doppler-velocimetrie mit lichtwellenlaengenunabhaengiger laengenmassverkoerperung

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Harald Dr Rer Nat Mueller
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Fromund Prof Dr Ing Hock
Harald Dr Rer Nat Mueller
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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.
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.
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