DE3802335C1 - Device for determining the speed of an object - Google Patents

Device for determining the speed of an object

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DE3802335C1 DE19883802335 DE3802335A DE3802335C1 DE 3802335 C1 DE3802335 C1 DE 3802335C1 DE 19883802335 DE19883802335 DE 19883802335 DE 3802335 A DE3802335 A DE 3802335A DE 3802335 C1 DE3802335 C1 DE 3802335C1
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Gerhard Dr. 8898 Schrobenhausen De Novicki
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Abstract

The invention relates to a device for determining the speed of an object (2), having a transmitter (1) which emits monochromatic light in the direction of the object (2), and an interferometer (4) in which the radiation scattered by the object is guided along two paths having different optical path lengths and is finally brought to interference. The changes in the path differences which are caused by movement of the object are perceived as frequency changes with the aid of a photodetector arrangement (11). The aim of the invention is to simplify the design of such a Doppler interferometer (4), and to prevent it from becoming maladjusted by external influences. According to the invention it is proposed for this purpose firstly to polarise the scattered radiation linearly in a polariser (8) and subsequently to split it up into the two components of different optical path lengths with the aid of a birefringent (double reflecting) crystal (9), and thus to combine the two optical paths geometrically. After renewed polarisation, the frequency changes can be established using a photodetector arrangement (11) and subsequently evaluated. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Objektes gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.The invention relates to a device for determining the Speed of an object according to the preamble of the patent claim 1.

Aus der DE 26 23 919 C2 ist eine solche Vorrichtung bekannt, deren we­ sentlichster Bestandteil ein sog. Doppler-Differentialinterferometer ist. Ein zu vermessendes Objekt wird hierbei mit monochromatischem Licht bestrahlt, wonach die von dem Objekt gestreute Rückstrahlung in das In­ terferometer fällt. Die Streustrahlung wird in dem Interferometer in zwei Komponenten mit unterschiedlich langen Lichtwegen aufgeteilt, wo­ nach diese Komponenten zur Interferenz gebracht werden. Die Aufteilung des Lichtes erfolgt in einem zweiarmigen Interferometer, z. B. vom Michelson-Typ, wobei in dem einen Interferometerarm eine λ/4-Platte vorgesehen ist. Die interferierenden Lichtstrahlungen der beiden Inter­ ferometerarme werden in zwei Anteilen senkrecht zueinander polarisiert und mit zwei Fotodetektoren vermessen. Diese Fotodetektoren wandeln die durch Interferenz entstehenden Lichtströme in Elektronenströme um. Nach Verstärkung werden die Fotodetektorsignale voneinander abgezogen. Das so erzeugte Differenzsignal wird zur Regelung einer Pockelszelle verwendet, die von dem monochromatischen Licht durchstrahlt wird, bevor dieses auf das Objekt fällt. In der Pockelszelle wird das monochromatische Licht in zwei zueinander senkrecht polarisierte Komponenten zerlegt, deren Pha­ sendifferenz mit Hilfe des Differenzsignales auf einen konstanten Wert eingeregelt wird.Such a device is known from DE 26 23 919 C2, the we The most important component is a so-called Doppler differential interferometer is. Here, an object to be measured is exposed to monochromatic light irradiated, after which the retroreflection scattered by the object into the In terferometer falls. The scattered radiation is in the interferometer in divided into two components with different lengths of light where after these components are brought to interference. The breakdown the light takes place in a two-armed interferometer, e.g. B. from Michelson type, with one in one interferometer arm λ/4th-Plate is provided. The interfering light radiation of the two inter The ferometer arms are polarized perpendicular to each other in two parts and measured with two photo detectors. These photo detectors convert the Luminous fluxes created by interference convert into electron currents. To For amplification, the photodetector signals are subtracted from one another. That so generated difference signal is used to control a Pockels cell, which is shone through by the monochromatic light before it is on the object falls. In the Pockels cell, the monochromatic light turns into decomposes two mutually perpendicularly polarized components, the Pha Send difference using the difference signal to a constant value is settled.

Mit dieser Vorrichtung ist eine kontinuierliche Messung der durch eine Bewegung des Objektes verursachten und über die Interferenz wahrgenom­ menen Gangunterschiede zwischen den beiden Strahlungskomponenten innerhalb des Interferometers möglich.With this device is a continuous measurement by a Movement of the object caused and perceived via the interference difference between the two radiation components  possible within the interferometer.

Insbesondere die Festlegung des Gangunterschiedes in den beiden Inter­ ferometerarmen erfordert bei der bekannten Vorrichtung eine genaue Justierung der verwendeten Elemente. Diese hohe Anforderung an die Justierung gilt für beide Interferometerarme, so daß ein entsprechender Aufwand für die Justierung erforderlich ist. Durch diese Konstruktion ist die bekante Vorrichtung jedoch auch empfindlich hinsichtlich einer Dejustierung, etwa bei Erschütterungen.In particular, the determination of the gear difference in the two inter In the known device, low ferometer requires an exact Adjustment of the elements used. This high demand on the Adjustment applies to both interferometer arms, so that a corresponding one Adjustment effort is required. Through this construction However, the known device is also sensitive to one Misalignment, for example in the event of vibrations.

Darüber hinaus ist der konstruktive Aufwand für das zweiarmige Inter­ ferometer hoch.In addition, the design effort for the two-armed Inter ferometer high.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, die eine einfache Konstruktion aufweist und bei der die Justierung des Interferometers vereinfacht und eine Dejustierung möglichst verhindert wird.The invention has for its object a device in question to indicate standing type, which has a simple construction and at which simplifies the adjustment of the interferometer and a misalignment is prevented as far as possible.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is according to the invention by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved.

Demgemäß ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin zu sehen, daß die Geschwindigkeitsmessungen mit einem lediglich einarmigen Interfero­ meter vorgenommen werden können. Um innerhalb des Interferometers die von dem bestrahlten Objekt ausgehende Streustrahlung in zwei Komponenten mit unterschiedlich langen Lichtwegen aufzuteilen, wird die Streustrah­ lung zunächst polarisiert und dann in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl mit unterschiedlichen Lichtwegen getrennt. Diese Aufteilung in einen ordentlichen und außerordentlichen Strahl er­ folgt bevorzugt mit einem doppelbrechenden Kristall, z. B. einem Kalk­ spatkristall. Durch die Zusammenlegung der beiden Interferometerarme ist die Vorrichtung insbesondere gegen Erschütterungen unempfindlich bezüglich seiner Justierung. Accordingly, an essential feature of the invention is that the speed measurements with a single-armed interfero meters can be made. To within the interferometer scattered radiation from the irradiated object in two components The scattered beam is divided with light paths of different lengths polarization and then into a neat and one extraordinary beam separated with different light paths. This division into a neat and extraordinary beam he preferably follows with a birefringent crystal, e.g. B. a lime crystal. By merging the two interferometer arms the device is particularly insensitive to vibrations regarding its adjustment.  

Ein Interferometer gemäß der Erfindung hat einen einfachen Aufbau, da lediglich ein Interferometerarm vorgesehen ist. Dementsprechend sind auch die Justierungsarbeiten nicht so aufwendig wie bisher. Insbesondere die Justierungsarbeiten für die beiden Komponenten der vom Objekt aus­ gehenden Streustrahlung müssen nur an einem einzigen Element, nämlich dem doppelbrechenden Kristall vorgenommen werden. Die Wegunterschiede zwischen den beiden Strahlungskomponenten werden durch die Ausmaße des doppelbrechenden Kristalls festgelegt. Für Objektgeschwindigkeiten von etwa 104 msec-1 beträgt die durch das Doppler-Interferometer wahrzuneh­ mende Frequenzänderung etwa 3 × 10-5. Um hierfür eine Phasenänderung zwischen den beiden Komponenten der Streustrahlung von einer viertel Wellenlänge zu erreichen, muß der optische Wegunterschied bei einer ver­ wendeten Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge von 500 nm ca. 4,6 mm be­ tragen. Dieser optische Wegunterschied tritt etwa in einem Kalkspatkri­ stall von 2,7 cm Länge für den ordentlichen und für den außerordentli­ chen Strahl auf.An interferometer according to the invention has a simple structure since only one interferometer arm is provided. Accordingly, the adjustment work is not as complex as before. In particular, the adjustment work for the two components of the scattered radiation emanating from the object need only be carried out on a single element, namely the birefringent crystal. The path differences between the two radiation components are determined by the dimensions of the birefringent crystal. For object speeds of approximately 10 4 msec -1 , the frequency change to be perceived by the Doppler interferometer is approximately 3 × 10 -5 . In order to achieve a phase change between the two components of the scattered radiation of a quarter wavelength for this purpose, the optical path difference with a light radiation used with a wavelength of 500 nm must be approximately 4.6 mm. This optical path difference occurs approximately in a Kalkspatkri stall of 2.7 cm in length for the ordinary and for the extraordinary beam.

Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Anordnung des doppelbrechenden Kristalls zur Aufteilung der Streustrahlung in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl zwischen einem Polarisator und einem ebenfalls als Polarisator ausgebildeten Analysator können der ordent­ liche und der außerordentliche Strahl miteinander interferieren. Die durch die Interferenz wahrnehmbaren Gangunterschiede bzw. Frequenz­ änderungen können dann in herkömmlicher Weise mit Hilfe einer Foto­ detektoranordnung ausgewertet werden.Due to the arrangement of the birefringent provided according to the invention Crystal to split the scattered radiation into a neat and an extraordinary beam between a polarizer and one The analyzer can also be configured as a polarizer liche and the extraordinary ray interfere with each other. The path differences or frequency perceptible by the interference Changes can then be made in a conventional manner with the help of a photo detector arrangement can be evaluated.

Für eine kontinuierliche Messung der Frequenzänderungen und damit der Geschwindigkeit des bestrahlten Objektes kann in dem Strahlenweg zwi­ schen dem doppelbrechenden Kristall und dem darauffolgenden Analysator noch eine Pockelszelle angeordnet werden, die mit einer entsprechenden Regelspannung beaufschlagt wird, um die Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlen konstant zu halten. Diese Regelspannung kann in einfacher Weise aus den Strömen zweier Fotodetektoren abgeleitet werden, die an den beiden Austrittsflächen eines Polarisationsstrahlteilers vorgesehen sind, der einen Teil der interferierenden Lichtstrahlung hindurchläßt und einen bevorzugt gleich großen Teil der Lichtstrahlung umlenkt. Eine Schaltungsanordnung zu einer solchen Ansteuerung einer Pockelszelle ist z. B. aus der erwähnten DE-PS 26 23 919 zu entnehmen, wobei die dortige Pockelszelle allerdings dazu dient, die auf das Objekt gerichtete monochromatische Lichtstrahlung in zwei kohärente Anteile zu zerlegen, die zueinander polarisiert sind und auf konstante Phasendifferenz geregelt sind.For a continuous measurement of the frequency changes and thus the The speed of the irradiated object can vary between two the birefringent crystal and the subsequent analyzer a Pockels cell can be arranged with a corresponding Control voltage is applied to the phase difference between the to keep both beams constant. This control voltage can be in are easily derived from the currents of two photodetectors, at the two exit surfaces of a polarization beam splitter  are provided, part of the interfering light radiation lets through and a preferably equal part of the light radiation redirects. A circuit arrangement for driving such a Pockels cell is e.g. B. from the aforementioned DE-PS 26 23 919 the Pockels cell there, however, serves to point to the object directional monochromatic light radiation in two coherent parts decompose that are polarized to each other and to constant Phase difference are regulated.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen her­ vor.Further embodiments of the invention result from the subclaims in front.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher erläutert, die ein Blockschaltdiagramm für ein einarmiges Inter­ ferometer gemäß der Erfindung zeigt.The invention is in one embodiment based on the single figure explained in more detail, which is a block circuit diagram for a one-armed inter shows ferometer according to the invention.

Ein Laser 1 sendet monochromatisches Licht in Richtung auf ein Objekt 2 aus, an dem das Laserlicht gestreut wird, wobei ein Teil der hier mit 3 angegebenen Streustrahlung in ein einarmiges Interferometer 4 einfällt. Bewegt sich das Objekt 2, so tritt bekanntermaßen eine Dopplerverschie­ bung der Frequenz des Laserlichtes auf.A laser 1 emits monochromatic light in the direction of an object 2 on which the laser light is scattered, part of the scattered radiation indicated here by 3 falling into a one-armed interferometer 4 . If the object 2 moves, it is known that a Doppler shift occurs in the frequency of the laser light.

Das einarmige Interferometer 4 weist eine hier nur schematisch angedeu­ tete Eingangsoptik 5, eine Blende 6 und eine weitere Optik 7 auf. Nach dieser Optik 7 wird die Streustrahlung in einem Polarisator 8 linear po­ larisiert.The one-armed interferometer 4 has input optics 5 , a diaphragm 6 and a further optic 7, which are indicated only schematically here. According to this optics 7 , the scattered radiation is linearized in a polarizer 8 .

Das aus dem Polarisator 8 austretende polarisierte Licht wird mit Hilfe eines doppelbrechenden Kristalles 9 in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl zerlegt. Hierzu ist die optische Achse des dop­ pelbrechenden Kristalls senkrecht zur Strahlrichtung gelegen; zudem wird der doppelbrechende Kristall so gedreht, daß die Polarisationsrichtung von ordentlichem und außerordentlichem Strahl jeweils einen Winkel von 45° zu der Polarisationsrichtung des Polarisators 8 einnimmt. Die Ein­ tritts- und Austrittsflächen des doppelbrechenden Kristalls sind senk­ recht zur Strahlrichtung geschliffen.The polarized light emerging from the polarizer 8 is broken down into an ordinary and an extraordinary beam by means of a birefringent crystal 9 . For this purpose, the optical axis of the double refractive crystal is perpendicular to the beam direction; in addition, the birefringent crystal is rotated so that the direction of polarization of the ordinary and extraordinary beam is at an angle of 45 ° to the direction of polarization of the polarizer 8 . The entry and exit surfaces of the birefringent crystal are ground perpendicular to the beam direction.

Das aus dem doppelbrechenden Kristall 9 austretende Licht wird erneut in einem Polarisationsstrahlteiler 10 polarisiert, dessen Polarisations­ richtung gleich derjenigen des ersten Polarisators 8 ist. Die in gleicher Richtung verlaufenden Anteile von ordentlichen und außerordent­ lichen Strahlen haben gleiche Polarisation und sind somit interferenz­ fähig. Die durch die Bewegung des Objektes bedingten Frequenzänderungen können dann durch eine Fotodetektoranordnung 11 empfangen und ent­ sprechend ausgewertet werden.The light emerging from the birefringent crystal 9 is polarized again in a polarization beam splitter 10 , the polarization direction of which is equal to that of the first polarizer 8 . The portions of ordinary and extraordinary rays running in the same direction have the same polarization and are therefore capable of interference. The frequency changes caused by the movement of the object can then be received by a photodetector arrangement 11 and evaluated accordingly.

Bei dem in der Figur dargestellten einarmigen Interferometer ist nach dem doppelbrechenden Kristall 9 noch eine Pockelszelle 12 vorgesehen, mit der ein konstanter Gangunterschied zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl mit Hilfe einer Steuerspannung eingestellt wer­ den kann. Das aus der Pockelszelle 12 ausfallende Licht wird hierzu einem Polarisationsteiler 10 zugeführt, der einen Teil des Lichtes hin­ durchläßt, wobei dieses Licht mit einem Fotodetektor 12 aufgenommen wird und einen anderen Teil des Lichtes auf einen weiteren Fotodetektor 13 umlenkt. Die Anteile der hindurchgelassenen und der umgelenkten Strah­ lung sind jeweils gleich.In the one-armed interferometer shown in the figure, a Pockels cell 12 is provided after the birefringent crystal 9 , with which a constant path difference between the ordinary and extraordinary beam can be set with the aid of a control voltage. For this purpose, the light emerging from the Pockels cell 12 is fed to a polarization splitter 10 which transmits part of the light, this light being received by a photodetector 12 and redirecting another part of the light to a further photodetector 13 . The proportions of the transmitted radiation and the deflected radiation are in each case the same.

Die Stromausgänge der Fotodetektoren 12 und 13 sind mit einer Regel­ schaltung 14 verbunden. In dieser Regelschaltung wird aus dem Differenz­ signal zwischen den Ausgangssignalen der Fotodetektoren 12 und 13 ein Regelsignal abgeleitet, das als Spannungssignal der Pockelszelle 12 zu­ geführt wird, und zwar derart, daß zwischen dem ordentlichen und außeror­ dentlichen Strahl ständig eine konstante Phasendifferenz eingestellt wird. Die Regelspannung ist ein Maß für die durch die Bewegung des Ob­ jektes 2 verursachte Frequenzänderung des Laserlichtes 1. An der Regel­ schaltung 14 kann dementsprechend direkt eine Meßspannung U abgenommen und in herkömmlicher Weise kontinuierlich registriert werden. The current outputs of the photodetectors 12 and 13 are connected to a control circuit 14 . In this control circuit of the photodetectors, that continuously a constant phase difference is set between the ordinary and außeror nary beam is from the difference signal between the output signals derived 12 and 13 a control signal which is fed as a voltage signal of the Pockels cell 12 to, in such a manner. The control voltage is a measure of the frequency change of the laser light 1 caused by the movement of the object 2 . Accordingly, a measuring voltage U can be taken directly from the control circuit 14 and continuously recorded in a conventional manner.

Das beschriebene einarmige Doppler-Interferometer kann z. B. für deto­ nische und ballistische Messungen eingesetzt werden. Die Konstruktion ist mechanisch stabil, unempfindlich gegen Umwelteinflüsse und Erschütterungen und einfach justierbar.The one-armed Doppler interferometer described can e.g. B. for deto African and ballistic measurements are used. The construction is mechanically stable, insensitive to environmental influences and Shocks and easily adjustable.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Objektes mit einem monochromatisches Licht in Richtung auf das Objekt abstrahlenden Sender, einem die vom Objekt gestreute Lichtstrahlung aufnehmenden Interferometer, in dem diese Streustrahlung in zwei Komponenten mit unterschiedlich langen Lichtwegen aufgeteilt wird und diese Komponenten zur Interferenz gebracht werden, sowie mit einer Fotodetektoranordnung zum Aufnehmen der Intensität der Lichtstrahlung nach der Interferenz, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (4) ein einarmiges Inter­ ferometer ist und einen ersten Polarisator (8) zur linearen Polarisie­ rung der einfallenden Streustrahlung (3), ferner eine Einrichtung (9) zur Aufteilung der aus dem Polarisator (8) austretenden polarisierten Streustrahlung in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufweist, wobei nach Verlassen der Einrichtung (9) diese Strahlen den gewünschten Unterschied in ihren Lichtwegen aufweisen und die Einrich­ tung (9) so angeordnet ist, daß Anteile der austretenden ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahlen interferenzfähig sind, und daß fer­ ner der Einrichtung (9) zur Aufteilung der polarisierten Streustrahlung in zwei Komponenten ein zweiter Polarisator (10) nachgeschaltet ist und das aus diesem zweiten Polarisator (10) austretende Licht auf die Foto­ detektoranordnung (11) fällt.1.Device for determining the speed of an object with a monochromatic light in the direction of the object emitting transmitter, an interferometer which receives the light radiation scattered by the object, in which this scattered radiation is divided into two components with different lengths of light paths and these components are brought to interference , and with a photodetector arrangement for recording the intensity of the light radiation after the interference, characterized in that the interferometer ( 4 ) is a one-arm interferometer and a first polarizer ( 8 ) for linear polarization of the incident scattered radiation ( 3 ), further a device ( 9 ) for dividing the polarized scattered radiation emerging from the polarizer ( 8 ) into an ordinary and an extraordinary beam, these beams having the desired difference in their light paths after leaving the device ( 9 ) and the device ( 9 ) is arranged so that portions of the emerging ordinary and extraordinary light rays are capable of interference, and that fer ner the device ( 9 ) for dividing the polarized stray radiation into two components is followed by a second polarizer ( 10 ) and this second polarizer ( 10th ) emerging light falls on the photo detector arrangement ( 11 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtung (9) zur Aufteilung der Streustrahlung (3) in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl einen Wegunterschied zwischen diesen in der Größe einer viertel Wellenlänge des monochromatischen Lichtes einstellt. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the device ( 9 ) for dividing the scattered radiation ( 3 ) in an ordinary and an extraordinary beam sets a path difference between them in the size of a quarter wavelength of the monochromatic light. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufteilung der Streustrahlung ein doppelbrechender Kristall (9) ist, dessen optische Achse senkrecht zur Richtung der Streustrahlung (3) ausgerichtet und der so gedreht ist, daß die Polari­ sationsrichtung des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles je­ weils einen Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung des ersten Polari­ sators (8) einnehmen.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the device for dividing the scattered radiation is a birefringent crystal ( 9 ) whose optical axis is aligned perpendicular to the direction of the scattered radiation ( 3 ) and which is rotated so that the polarization direction of the ordinary and the extraordinary beam each take an angle of 45 ° to the direction of polarization of the first polarizer ( 8 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelbrechende Kristall (9) ein Kalkspatkristall ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the birefringent crystal ( 9 ) is a calcite crystal. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Polarisator (10) ein Polarisations­ strahlteiler ist, der einen Teil der interferierenden Lichtstrahlung hindurchläßt und einen bevorzugt gleich großen Teil der Lichtstrahlung umlenkt, und daß für die hindurchgelassene und die umgelenkte Licht­ strahlung jeweils ein Fotodetektor (12, 13) vorgesehen ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second polarizer ( 10 ) is a polarization beam splitter which passes a part of the interfering light radiation and deflects a preferably equal part of the light radiation, and that for the let through and the deflected Light radiation, a photodetector ( 12, 13 ) is provided. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Polarisationsstrahlteiler (10) eine durch eine elektrische Steuerspan­ nung ansteuerbare Pockelszelle (12) angeordnet ist, die mit einer Regel­ schaltung (14) zur Einstellung einer konstanten Phasendifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl verbunden ist, wobei als Regelsignal das Differenzsignal der beiden Fotodetektoren (12, 13) verwendet wird.6. The device according to claim 5, characterized in that in front of the polarization beam splitter ( 10 ) a controllable by an electrical control voltage Pockels cell ( 12 ) is arranged, the circuit with a control ( 14 ) for setting a constant phase difference between the ordinary and the extraordinary Beam is connected, the difference signal of the two photodetectors ( 12, 13 ) being used as the control signal.
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