DE9106409U1 - Optische Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Oberfläche - Google Patents

Description

2623.3 - 1 - '" * -- ... 0-3 ;0&dgr;^:; 1991

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Oberfläche, wobei ein von einem Laser ausgehender Meßlichtstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, die Teilstrahlen aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche geführt werden und das von der Oberfläche reflektierte, doppler-verschobene Streulicht beider Teilstrahlen zur Erzielung einer Schwebung überlagert wird, deren Frequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Oberfläche bildet, wobei ein Phasengitter in dem Strahlengang angeordnet ist.

Bekannte optische Anordnungen für Verfahren dieser Art, auch Differenz-Dopplerverfahren genannt, lassen eine berührungsfreie Messung der Geschwindigkeit und Länge der Oberfläche bewegter Objekte mittels entsprechender optischer Systeme zu. Zu Beginn ihrer Entwicklung sind diese Meßverfahren vorwiegend in der Strömungsmeßtechnik für Flüssigkeiten und Gase eingesetzt worden. Inzwischen haben sich die Laser-Doppler-Verfahren aber auch bei der Geschwindigkeitsmessung von Oberflächen fester Körper durchgesetzt.

Nach der Erfindung der Gaslaser stand einer weiten Verbreitung der Laser-Doppler-Meßverfahren im industriellen Bereich häufig die Baugröße konventioneller LDA-Systeme im Wege. Inzwischen sind jedoch im Wellenlängenbereich von 7 50 nm bis 830 nm leistungsstarke Laserdioden entwickelt worden, die eine Miniaturisierung von LDA-Systemen erlauben. Laserdioden haben gegenüber Gaslasern, beispielsweise HeNe-Lasern, nicht nur den Vorteil der kleinen Bauweise, sondern auch des sehr hohen Quantenwirkungsgrades. Außerdem sind die erforderlichen Versorgungsspannungen sehr gering und die Lebensdauer sehr groß.

Ein gravierender Nachteil von Laserdioden, insbesondere für LDA-Anwendungen, besteht jedoch in der Abhängigkeit der

2623.3 - 2 - 03.05.1991

Wellenlänge von der Betriebstemperatur der Laserdiode. Mit steigender Temperatur nimmt nämlich die Wellenlänge um ca. 0,3 nm/K zu. Deshalb muß bei den heute üblichen LDA-Systemen, in denen Laserdioden eingesetzt sind, die Temperatur mittels aufwendiger Heiz- und Kühlsysteme, unterstützt durch entsprechende Regeleinrichtungen, konstant gehalten werden. Man kann so eine Temperaturkonstanz von ca. 0,05 K erreichen. Die Kosten für die Herstellung und Wartung solcher Systeme sind beträchtlich, und bei Ausfall oder Störung der Heiz- und Kühleinrichtungen sowie der Regeleinrichtungen ergeben sich zwangsläufig fehlerhafte Messungen.

Es ist zwar ebenfalls bereits bekannt, nicht-temperaturstabilisierte Laserdioden in Differenz-Dopplerverfahren einzusetzen, wobei lichtfrequenzabhängige Dopplerfrequenzunterschiede mittels Phasengittern kompensiert werden. Hierfür wird in einer Veröffentlichung der Zeitschrift VDI BERICHTE NR. 749, 1989, ab S. 45 unter anderem eine beugungsoptische Strahlaufspaltung und eine Lichtfrequenzverschiebung der Teilstrahlen mit akustooptischen Modulatoren vorgeschlagen, damit die wellenlängenabhängigen Einflußgrößen in der Interferenzsignalfrequenz bei Verwendung eines Beugungsgitters durch die Gitterkonstante substituiert und damit die spektrale Abhängigkeit eliminiert wird. In einer Veröffentlichung "B 5.4 Bewegungskomponenten fotoelektrisch-trägerfrequent gemessen" vom Institut für Meßtechnik im Maschinenbau der Universität Hannover S. 24 5 ff. wird zu den Voraussetzungen, unter denen Laserdioden in der Laser-Doppler-Anemometrie einsetzbar sind, auf den linearen Zusammenhang zwischen £or Dopplerfrequenz und der Einstrahlfrequenz sowie auf die lineare Abhängigkeit der Streustrahlungsfrequenzen von den Sinusfunktionen der Einstrahl- bzw. Streuwinkel hingewiesen, wobei die Schlußfolgerung gezogen wird, daß sich die lichtfrequenzabhängige Winkelaufspaltung der Teilstrahlen an einem Beugungsstrahlenteiler und die ebenfalls

2623.3 - 3 - 03.05.1991

lichtfrequenzabhängigen Dopplerfrequenzunterschiede der an den Teilchen gebeugten Wellen kompensieren. In beiden Fällen wird der akustooptische Modulator nicht nur zur Substitution wellenlängenabhängiger Einflüsse sondern auch zur beugungsoptischen Strahlaufspaltung im Sinne einer Aufteilung des Meßlichtstrahls in zwei Teilstrahlen eingesetzt. Abgesehen davon, daß in beiden vorgenannten Veröffentlichungen die Meßverfahren sowie die Meßanordnungen nur sehr allgemein angedeutet werden, weist die Verwendung von akustooptischen Modulatoren für die Kompensation von lichtfrequenzabhängigen Dopplerfrequenzunterschieden und gleichzeitig für die Strahlaufspaltung Nachteile in der praktischen Ausführung geeigneter Meßanordnungen auf, so daß die Veröffentlichungen insgesamt nicht geeignet sind, dem Fachmann Anregungen für praxisgerechte Lösungen zu geben. In diesem Zusammenhang wird auch auf eine weitere Veröffentlichung in der Zeitschrift APPLIED OPTICS/VOL.17, No. 2/15. Januar 1978 hingewiesen.

Es besteht daher die Aufgabe, eine optische Anordnung für ein Laser-Doppler-Meßverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die den Einsatz von Laserdioden unter Praxisbedingen ohne den vorbeschriebenen technischen Aufwand zur Wellenlängenstabilisierung zuläßt und auch bei wechselnden Temperaturen an der Laserdiode genaue Meßwerte liefert.

Ausgehend von der eingangs genannten optischen Anordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer zur Erzeugung des Meßlichtstrahls vorgesehenen Laserdiode im Strahlengang ein Strahlteiler, beispielsweise ein Strahlteilerprisma, zur Zerlegung des Meßlichtstrahls in zwei Teilstrahlen nachgeordnet und für jeden Teilstrahl ein Phasengitter in derartiger Anordnung vorgesehen ist, daß bei der Messung die Beugungswinkel der Teilstrahlen ihren Doppler-Winkeln entsprechen und die Teilstrahlen symmetrisch auf

2623.3 - 4 - 03.05.1991

die Mittelachse des Systems zulaufen.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet die Verwendung von Laserdioden ohne den Nachteil ungenauer Meßergebnisse infolge von Temperaturschwankungen der Laserdiode und dadurch verursachter Wellenlängenänderungen des Meßlichtstrahls, und zwar ohne den unerwünschten Aufwand für die Wellenlängenstabilisierung der Laserdioade durch Temperaturkonstanz. Die Erfindung beschreitet vielmehr einen anderen Weg, bei dem eine Wellenlängenänderung des mit der Laserdiode erzeugten Meßlichtstrahls in Kauf genommen werden kann, weil erfindungsgemäß Maßnahmen vorgesehen sind, mit denen unerwünschte Auswirkungen von Wellenlängenänderungen kompensiert werden. Die Erfindung schafft somit eine wellenlängenunabhängige Meßanordnung, die auch bei Schwankungen der Wellenlänge des Laserlichtes stets eine zuverlässige Geschwindigkeitsinformation liefert. Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist mit einem wesentlichen geringeren Aufwand herstellbar als die bisherigen Meßanordnungen. Eine Wartung wie an den Einrichtungen für die Temperaturkonstanthaltung entfällt, so daß die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich höher liegt als bei den bisher üblichen Einrichtungen.

Die erfindungsgemäße Anordnung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß sich Wellenlängenänderungen, bedingt durch Temperaturänderungen der Laserdiode oder aufgrund anderer Umstände, unter bestimmten Voraussetzungen kompensieren lassen, indem jeder Teilstrahl durch ein Phasengitter geführt wird und dabei der Beugungswinkel und der im Meßvolumen auftretende Dopplerwinkel Wechselwinkel bilden, d. h. bei einer Veränderung der Wellenlänge sich die beiden Winkel um gleiche Beträge ändern. Beide Teilstrahlen werden unter dem gleichen Beugungswinkel symmetrisch auf die Mittelachse des Systems geführt, wo sie das Meßvolumen bilden.

2623.3 - 5 - 03.05.1991

Nach einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der optischen Anordnung sollen die Teilstrahlen an - und hierin liegt eine Besonderheit der Erfindung - geblazten Phasengittern gebeugt werden, was bedeutet, daß eine gewünschte Beugungsordnung mit der höchsten Beugungseffizienz versehen werden kann. Erfindungsgemäß wird hierfür die +1-te Beugungsordnung für die höchste Effizienz ausgewählt. Die beiden Phasengitter werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung so angeordnet, daß die beiden Strahlen höchster Intensität, nämlich von jedem Gitter die jeweils +1-te Beugungsordnung, als Teilstrahlen symmetrisch auf die Mittelachse des Systems zulaufen und sich in dem vorgegebenen Meßabschnitt schneiden, um dort das Meßvolumen zu bilden. In der erfindungsgemäßen Strahlgeometrie bestimmen damit die Beugungswinkel erster Ordnung den Schnittwinkel der Meßstrahlen bzw. Teilstrahlen im Meßvolumen .

Die optischen Zusammenhänge werden später mit Bezugnahme auf die Darstellungen noch näher erläutert.

Für die erfindungsgemäße Anordnung ist der senkrechte Einfall der Strahlen auf die Phasengitter notwendig, d.h. der Einfallswinkel zwischen einem Teilstrahl und der Flächennormalen des Phasengitters muß gleich 0° oder jedenfalls nahezu 0° sein. Diese Forderung ist durch eine parallele Strahlführung bis zu den Phasengittern ohne weiteres zu erfüllen.

Ferner ist es notwendig, den die Laserdiode verlassenden Meßlichtstrahl durch einen Kollimator zu parallelisieren. Der Kollimator und die Laserdiode sind dann so zueinander orientiert, daß die Gauß'sche Strahltaille am Ausgang der Kollimatoroptik liegt. Mit der Verwendung eines vorzugsweise dreilinsigen Kollimators wird die große Strahldivergenz der Laserdiode aufgefangen.

2623.3 - 6 - 03.05.1991

Erfindungsgemäß wird ferner vorzugsweise der aus dem Kollimator austretende Meßlichtstrahl durch ein Galilei-Teleskop geführt. Hierdurch ergibt sich ein Freiheitsgrad für die Abbildung der Strahltaille in das Meßvolumen. Eine Veränderung des Teleskoplinsenabstandes hat eine Taillenwanderung entlang der Teilstrahlen zur Folge, so daß eine Positionierung der Strahltaille in das Meßvolumen möglich wird.

Erfindungsgemäß wird der Meßlichtstrahl vorzugsweise mittels eines Strahlteilerprismas in zwei im wesentlichen intensitätsgleiche Teilstrahlen aufgeteilt.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Teilstrahlen im Anschluß an die Phasengitter mittels Zylinderlinsen einer eindimensionalen Fokussierung zur Bildung einer strichförmigen Strahlcharakteristik unterworfen werden.

Außerdem soll erfindungsgemäß der Meßfleck möglichst mittels einer bikonvexen Empfangslinse auf die aktive Fläche eines Avalanche-Fotodetektors abgebildet werden. Auf diese Weise wird ein möglichst hoher Anteil des doppler-verschobenen Streulichts ausgewertet.

Eine sehr wichtige Maßnahme zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß zur Erkennung der Bewegungsrichtung der bewegten Oberfläche die Frequenz eines der Teilstrahlen mittels einer Braggzelle zwischen dem Strahlteiler und dem Phasengitter leicht geändert wird. Erläuterungen hierzu folgen später mit Bezug auf Darstellungen. Die durch Anwendung dieser erfindungsgemäßen Maßnahme leicht unterschiedlichen Frequenzen der beiden Teilstrahlen bewirken eine Bewegung des Interferenzstreifenmusters im Meßvolumen. Teilchen, die mit der Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen das Meßvolumen durchqueren, erzeugen eine niedrigere Signalfrequenz

2623.3 - 7 - 03.05.1991

als Teilchen, die sich entgegen dieser Richtung bewegen. Der Photoempfänger detektiert folglich Summe oder Differenz von Signalfrequenz und Treiberfrequenz der Braggzelle.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme im Zusammenhang mit der Richtungserkennung besteht darin, daß im Kristall der Braggzelle die Beugung in die benutzte erste Ordnung durch Erfüllung der Braggbedingung mit der höchsten Effizienz versehen wird. Auch diese Maßnahme wird später noch im einzelnen erläutert.

Zur Gewährleistung der Wellenlängenunabhängigkeit des Meßverfahrens bzw. für die Kompensierbarkeit etwaiger Wellenlängenänderungen soll, wenn die vorgenannten Maßnahmen zur Richtungserkennung getroffen werden, die Integration des hierfür vorgesehenen Braggzellenmoduls in das optische System den bereits erläuterten Strahlengang nicht verändern. Hierfür ist vorgesehen, daß mittels eines Phasengitters, welches der Braggzelle nachgeschaltet wird, ein zum eintretenden Teilstrahl kolinear austretender Teilstrahl erzeugt wird, wobei die Gitterkonstante so gewählt wird, daß der Winkel der ersten Beugungsordnung die Strahlaufspaltung durch den Braggkristall (doppelter Braggwinkel) kompensiert.

Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Strahlgeometrie für ein Zweistrahlmeßverfahren ;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer optischen Anordnung

2623.3 - 8 - 03.05.1991

zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs im Bereich zwischen Phasengitter und bewegter Oberfläche zur Darstellung von Beugungs- und Dopplerwinkeln im Falle eines wellenlängenunabhängig arbeitenden Meßverfahrens ;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einheit aus einem Braggzellenmodul und einem Phasengitter in Seitenansicht, im Zusammenhang mit einer Verfahrensmaßnahme zur Richtungserkennung ;

Fig. 5 eine ähnliche schematische Seitenansicht einer optischen Anordnung wie in Fig. 2, jedoch zur Ausführung eines Meßverfahrens mit Richtungserkennung.

Zum besseren Verständnis wird die prinzipielle Strahlgeometrie für ein Zweistrahlverfahren, für dessen Durchführung die erfindungsgemäße optische Anordnung bestimmt ist, nachstehend anhand der Darstellung von Fig. 1 erläutert.

Laser-Doppler-Meßverfahren beruhen darauf, daß Laserlicht, nämlich kohärente Lichtwellen, das von bewegten Grenzflächen gestreut wird, eine Dopplerverschiebung aufweist und somit Geschwindigkeitsinformationen enthält. Bei dem Zweistrahlverfahren nimmt ein eingebauter Detektor (vgl. Fig. 1) die Überlagerung zweier dopplerverschobener Lichtfrequenzen wahr. Da die Dopplerfrequenzen der beiden Teilstrahlen f^^ und 1-^_n dicht beieinanderliegen, sieht der Detektor eine hochfrequen-

— 9 —

2623.3 - 9 - 03.05.1991

te Trägerwelle, die von einer niederfrequenten Schwebung^f = ivy- - f no ^moduliert wird. Die Schwebungs frequenz befindet sich dann in einem Frequenzbereich, der elektronisch ausgewertet werden kann.

Mit der in Fig. 1 angegebenen Geometrie lautet die Bestimmungsgleichung für die Schwebungsfrequenz

&Igr;&Lgr;&Uacgr; - \4x\ · £&iacgr;&eegr; V '

wobei /\ die Wellenlänge des Laserlichtes darstellt. In den meisten Fällen beträgt der Winkel &ggr; = 90°, so daß die Gleichung (1) einfacher wird:

Af-&Pgr;

Die Gleichung (2) zeigt, daß der Dopplerhub^/\ f explizit vom Betrag der Geschwindigkeit u, dem Dopplerwinkel ff und vor allem von der Wellenlänge &lgr; abhängt.

In der in Fig. 2 dargestellten optischen Anordnung sind, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird, optische Elemente an einer üblichen Vierstangenhalterung angeordnet, die im wesentlichen aus einer vorderen sowie einer hinteren Platte 1 bzw. 2 und vier sich zwischen den Plattenn 1, 2 befestigten Stangen gebildet ist, von denen in Fig. 2 eine obere Stange 3 und eine untere Stange 4 zu sehen sind.

In dieser optischen Anordnung dient eine handelsübliche Laserdiode 5 mit vorgeschaltetem Kollimator als Lichtquelle. Die Wellenlänge kann je nach Betriebsstrom und Temperatur im Bereich von 775 nm bis 785 nm liegen. Für 780 nm entspricht dies einer Frequenz von ca. f = 3 84,6 THz. Um die große Strahldivergenz der Laserdiode 5 aufzufangen, ist diese in einen dreilinsigen Kollimator eingebaut, der den Laserstrahl

- 10 -

2623.3 - 10 - 03.05.1991

bzw. den Meßstrahl 6 entsprechend parallelisiert. Kollimator und Laserdiode 5 sind so zueinander eingestellt, daß die Gauß'sche Strahltaille am Ausgang der Kollimatoroptik liegt. Nach dem Austritt aus dem Kollimator hat der Meßstrahl 6 ein elliptisches Profil mit einer Dimension von ca. 2,5 &khgr; 1 mm für die Hauptachsen.

Im Anschluß an den Kollimator durchläuft der Strahl ein Galilei-Teleskop 7 mit einem Aufweitungsfaktor von 2. Das Teleskop 7 dient neben der Strahlaufweitung vor allem als Freiheitsgrad für die Abbildung der Strahltaille in das Meßvolumen. Eine Veränderung des Teleskoplinsenabstandes bewirkt nämlich eine Taillenwanderung entlang der Meßstrahlen. Hinter dem Teleskop wird der Meßstrahl 6 mit Hilfe eines Strahlteilerprismas 8 in zwei nahezu intensitätsgleiche Teilstrahlen 9, 10 aufgeteilt. Beide Teilstrahlen 9,10 ermöglichen nun die Realisierung des Zweistrahlmeßverfahrens. Weil der unter Teilstrahl 10 im Strahlteilerprisma 8 einen 20 mm längeren Glasweg durchläuft, wird der obere Teilstrahl 9 zusätzlich durch eine 20 mm dicke Ausgleichsplatte 21 geführt. Durch diesen optischen Längenausgleich wird gewährleistet, daß die im Strahlteilerprisma 8 aufgespalteten Wellenfronten gleichzeitig im Meßvolumen ankommen.

Der obere sowie der untere Teilstrahl 9 bzw. 10 treffen dann jeweils auf ein Phasengitter 11, 12, von denen jedes eine Vielzahl von Beugungsordnungen erzeugt.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um sogenannte geblazte Phasengitter, die es erlauben, eine gewünschte Beugungsordnung mit der höchsten Beugungseffizienz zu versehen.

Im vorliegenden Fall sind die Phasengitter 11, 12 so ausge-

- 11 -

2623.3 - 11 - 03.05.1991

legt, daß die erste (+1) Beugungsordnung die höchste Effizienz besitzt. Die beiden Phasengitter 11, 12 werden im Meßkopf so montiert, daß die beiden Strahlen höchster Intensität (von jedem Gitter die jeweils erste (+1) Beugungsordnung) als Teilstrahlen 9, 10 symmetrisch auf die Mittelachse 13 der optischen Anordnung zulaufen und sich im Meßabstand L (vgl. Fig. 3) schneiden, um dort das Meßvolumen zu bilden. In der gewählten Strahlgeometrie bestimmen somit die Beugungswinkel erster Ordnung den Schnittwinkel der Meßstrahlen im Meßvolumen.

Im Anschluß an die Phasengitter 11, 12 durchlaufen die Teilstrahlen 9, 10 Zylinderlinsen 14, 15, die für eine eindimensionale Fokussierung der Teilstrahlen 9, 10 in das Meßvolumen sorgen. Die Teilstrahlen bekommen damit eine strichförmige Strahlcharakteristik mit einer Dimension von ca. 5 &khgr; 0,5 mm.

Um möglichst viel von dem doppler-verschobenen Streulicht, das von der bewegten Oberfläche reflektiert wird, auswerten zu können, wird der Meßfleck über eine Empfangslinse 16 (bikonvex) auf die aktive Fläche eines Avalanche-Fotodetektors 17 abgebildet. Die Abbildung ist so ausgelegt, daß eine ca. 20-fache Verkleinerung vorliegt. Die Signale des Fotodetektors 17 werden dann elektronisch ausgewertet, um die gewünschte Geschwindigkeitsinformation zu erhalten.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert, wie bei erfindungsgemäßen Verfahren Änderungen der Wellenlänge der Teilstrahlen 9, 10 kompensierbar sind, so d-ß sie keine Auswirkungen auf das Meßergebnis haben können:

Der schematische Strahlengang in Fig. 3 verdeutlicht, daß es sich bei den Beugungswinkeln erster Ordnung, die mit £ bezeichnet sind, erzeugt durch die Phasengitter 11, 12, und den

- 12 -

2623.3 - 12 - 03.05.1991

im Meßvolumen auftretenden Dopplerwinkeln <f> um Wechselwinkel handelt, d. h., daß sich bei einer Veränderung der Wellenlänge die Beugungswinkel &zgr; und die Dopplerwinkel ^P stets um gleiche Beträge ändern.

Hierzu muß sicher gestellt sein, daß die Einfallswinkel der Teilstrahlen 9, 10 auf die Phasengitter 11, 12 0° betragen. Durch die parallele Strahlführung bis zu den Phasengittern 11, 12 ist diese Forderung leicht zu erfüllen.

Unter der Voraussetzung eines Einfallswinkels von 0° errechnet sich der Beugungswinkel £ für die erste Ordnung gemäß der Formel:

sin &egr; = &mdash; <³>

wobei g die Gitterkonstante der Phasengitter 11 und 12 darstellt.

Der Dopplerhub, nämlich die Schwebungsfrequenz, wird, wie oben bereits angegeben, durch die Formel

bestimmt. Aufgrund der Strahlgeometrie sind die Winkel £ und Y Wechselwinkel (vgl. Fig. 3), so daß folgende Formel gilt:

Damit gilt

&lgr; ' &lgr; -~f

- 13 -

2623.3 - 13 - 03.05.1991

Der Ausdruck sin^f/^ kann nun in dem Ausdruck für die Dopplerfrequenz durch die Konstante &mdash; ersetzt werden.

Es ergibt sich folglich:

Die Schwebungsfrequenz hängt damit nur noch vom Betrag der Geschwindigkeit u und der Gitterkonstanten g ab. Damit ist diese optische Anordnung unabhängig von Änderungen der Wellenlänge, da diese durch eine entsprechende Winkeländerung kompensiert werden.

Das vorbeschriebene Verfahren ist ebenso wie die hierzu dargestellte optische Anordnung gemäß Fig. 2 in der Praxis überall dort einsetzbar, wo sich die Oberfläche, deren Geschwindigkeit bzw. Länge zu messen ist, stets nur in einer Richtung bewegt.

Die optische Anordnung läßt sich jedoch, wie bereits oben angegeben, durch zusätzliche Maßnahmen so erweitern, daß eine Richtungserkennung möglich wird. Mit dieser Weiterentwicklung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch dort einsetzbar, wo die bewegte Oberfläche eine Bewegung in zwei Richtungen ausführen kann und neben der Anzeige der Geschwindigkeit auch eine Angabe der jeweiligen Bewegungsrichtung gewünscht wird. Diese Variante der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Darstellungen von Fig. 4 und 5 erläutert:

Um die Bewegungsrichtung eines Meßgutes angeben zu können, muß das Meßverfahren bzw. die hierfür benutzte optische An-

- 14 -

2623.3 - 14 - 03.05.1991

Ordnung mit zwei Teilstrahlen 9, 10 leicht unterschiedlicher Frequenz arbeiten.

Hierfür wird mit Hilfe eines akustooptischen Modulators, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Braggzellenmoduls bestehend aus der Zelle 18 und dem Phasengitter 19, die Frequenz eines der Teilstrahlen, in der op tischen Anordnung gemäß Fig. 5 des oberen Teilstrahls 9, leicht verschoben.

Möglich wird dies durch die Wechselwirkung zwischen Lichtwellen und Ultraschallwellen in dem akustooptischen Kristall des Braggzellenmoduls. Hervorgerufen durch eine elektrische Anregung mit der Frequenz f , bilden sich entsprechend den longitudinalen Schallwellen im Kristall periodische Brechzahl änderungen aus, die wie ein Phasengitter wirken, dessen Gitterkonstante gleich der Schallwellenlängeyl s ist. Das eingestrahlte Laserlicht läßt sich damit um den Betrag K . f_e in seiner Frequenz verschieben, wobei K die entsprechende Beugungsordnung darstellt. Damit die Beugung in die benutzte erste Ordnung effizient ist, muß die Strahlgeometrie im Kristall so gewählt sein, daß die Braggbedingung

O (6)

2 &eegr; jl_s

erfüllt ist. Dabei bedeuten:

As: Ultraschallwellenlänge /V/n: Lichtwellenlänge im Medium mit der Brechzahl n.

Die leicht unterschiedlichen Lichtfrequenzen der beiden Teil strahlen 9, 10 bewirken nun eine Bewegung des Interferenzstreifenmusters im Meßvolumen. Teilchen, die mit der Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen das Meßvolumen durch-

- 15 -

2623.3 - 15 - 03.05.1991

queren, erzeugen eine niedrigere Signalfrequenz als Teilchen, die sich entgegen dieser Richtung bewegen. Der Fotodetektor 17 detektiert also Summe oder Differenz von Signalfrequenz und Treiberfrequenz der Braggzelle.

Um die Wellenlängenunabhängigkeit bei dem bisher beschriebenen Verfahren und der zugehörigen optischen Anordnung zu gewährleisten, darf die Integration des Braggzellenmoduls 18, 19 in die optische Anordnung den aufgezeigten Strahlengang nicht verändern. Dazu wurde eine Braggzelleneinheit entwickelt, bei der der austretende Teilstrahl 9 der ersten Beugungsordnung kolinear zum eintretenden Teilstrahl 9 verläuft.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird dies durch ein Phasengitter 19 erreicht, das hinter der Braggzelle 18 montiert ist. Die Gitterkonstante ist so gewählt, daß der Winkel der ersten Beugungsordnung die Strahlaufspaltung durch den Braggkristall (doppelter Braggwinkel) gerade kompensiert.

Im Bereich der Zentralwellenlänge von ca. 780 nm arbeitet diese optische Anordnung in einem Bereich von ca. +/- 10 nm nahezu wellenlängenunabhängig. Unter Einhaltung der oben genannten Randbedingung kann die optische Anordnung nach Fig. folglich durch ein entsprechendes Braggzellenmodul 18,19 modifiziert werden.

Fig. 5 zeigt die mittels Braggzelle 18 und Phasengitter 19 erweiterte optische Anordnung, mit der ein Meßverfahren mit Richtungserkennung durchführbar ist.

Aufgrund des hohen Brechwertes des verwendeten Braggzellenmaterials (TeO₂) muß nun der optische Wegausgleich im unter« Teilstrahl (Ausgleichsstück 22) stattfinden.

Claims (12)

2623.3 - 1 - 03.05.1991 Schutzansprüche:

1. Optische Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Oberfläche, wobei ein von einem Laser ausgehender Meßlichtstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, die Teilstrahlen aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche geführt werden und das von der Oberfläche reflektierte, doppler-verschobene Streulicht beider Teilstrahlen zur Erzielung einer Schwebung überlagert wird, deren Frequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Oberfläche bildet, wobei ein Phasengitter in dem Strahlengang angeordnet ist, dadurch gekennzeichne t, daß einer zur Erzeugung des Meßlichtstrahls (6) vorgesehenen Laserdiode (5) im Strahlengang ein Strahlteiler, beispielsweise ein Strahlteilerprisma (8), zur Zerlegung des Meßlichtstrahls (6) in zwei Teilstrahlen (9,10) nachgeordnet und für jeden Teilstrahl (9,10) ein Phasengitter (11,12) in derartiger Anordnung vorgesehen ist, daß bei der Messung die Beugungswinkel der Teilstrahlen (9,10) ihren Doppler-Winkeln entsprechen und die Teilstrahlen (9,10) symmetrisch auf die Mittelachse (13) des Systems zulaufen.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß geblazte Phasengitter (11 bzw. 19), deren erste (+1) Beugungsordnung mit der höchsten Beugungseffizienz versehen werden kann, für die Beugung der Teiletrahlen (9,10) vorgesehen sind.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel der Teilstrahlen (9,10) an den Phasengittern (11,12) gleich oder nahezu 0° ist.

2623.3 - 2 - ' «· -«. 0"3'.05.'199I

4. Optische Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Laserdiode (5) verlassende Meßlichtstrahl (6) durch einen Kollimator parallelisierbar ist.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator und die Laserdiode

(5) einander so zugeordnet sind, daß die Gauß'sche Strahltaille am Ausgang der Kollimatoroptik liegt.

6. Optische Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Kollimator austretende Meßlichtstrahl (6) durch ein Galilei-Teleskop (7) geführt wird.

7. Optische Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl (6) mittels eines Strahlteilerprismas (8) in zwei im wesentlichen intensitätsgleiche Teilstrahlen (9,10) aufteilbar ist, die parallel zu der Systemachse (13) aus dem Strahlteilerprisma (8) austreten.

8. Optische Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen (9,10) im Anschluß an die Phasengitter (11,12) zur Bildung einer strichförmigen Strahlcharakteristik mittels Zylinderlinsen (14,15) eindimensonal fokussierbar sinü.

9. Optische Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bikonvexe Empfanslinse (16) zur Abbildung des Meßflecks auf die aktive Fläche eines Avalanche-Fotodetektors (17).

2623.3 - 3 - 03.05.1991

10. Optische Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Braggzelle (18) und einem Phasengitter (19) gebildeter Braggzellenmodul im Strahlengang eines der beiden Teilstrahlen (9,10) zur Herbeiführung einer leichten Frequenzänderung des betreffenden Teilstrahls zur Erkennung der Bewegungsrichtung der bewegten Oberfläche angeordnet ist.

11. Optische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Kristall des Braggzellenmoduls bestehend aus der Braggzelle (18) und dem Phasengitter

(19) die Beugung in die benutzte erste Ordnung durch Erfüllung der Braggbedingung mit der höchsten Effizienz vorgesehen ist.

12. Optische Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g ekennzeichnet, daß mittels eines Phasengitters (19), das der Braggzelle (18) nachgeschaltet ist, ein zum eintretenden Teilstrahl (9 oder 10) kolinear austretender Teilstrahl (9 oder 10) erzeugt wird, wobei die Gitterkonstante so gewählt ist, daß der Winkel der ersten Beugungsordnung die Strahlaufspaltung durch den Braggkristall (doppelter Braggwinkel) kompensiert.