DE102015007729A120161222

(19)
*DE102015007729A120161222*
(10)
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
Offenlegungsschrift
(12)
G01N 21/01 (2006.01)
(21) Aktenzeichen: 10 2015 007 729.5
(22) Anmeldetag: 16.06.2015
(43) Offenlegungstag: 22.12.2016
(51) Int Cl.:
(71) Anmelder:
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der
Wissenschaften e.V., 80539 München, DE
(56) Ermittelter Stand der Technik:
(74) Vertreter:
v. Bezold & Partner Patentanwälte - PartG mbB,
80799 München, DE
(72) Erfinder:
Mlynek, Alexander, 85748 Garching, DE; Plöckl,
Bernhard, 83607 Holzkirchen, DE; Ford, Oliver,
17489 Greifswald, DE
G01N 21/21 (2006.01)
DD
1 20 294
B1
BARRY, S; NIESWAND, C.; BÜHLMANN, F.:
Improvement of interferometric measurements on
far‐infrared polarimeterinterferometer systems.
In: Review of Scientific Instruments. 1996, Bd.
67, H. 5, S. 1814- 1817. E-ISSN(s): 1089-7623, doi:
10.1063/1.1146979.
MORRIS, C. M.; VALDÉS AGUILAR, R.:
Polarization modulation time-domain terahertz
polarimetry. In: Optics Express. 2012, Bd. 20, H.
11 S.12303-12317 E-ISSN(s): 1094-4087 .
Prüfungsantrag gemäß § 44 PatG ist gestellt.
Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
(54) Bezeichnung: Drehhalterung zur Drehung eines optischen Elements, insbesondere für ein Polarimeter
(57) Zusammenfassung: Eine Drehhalterung (100), die zur
Drehung eines optischen Elements (1) eingerichtet ist, umfasst einen Rotor (10) mit einer Hohlwelle (11), die sich axial
entlang der Drehachse (16) des Rotors (10) erstreckt, und
mit einem Turbinenrad (13), das mit der Hohlwelle (11) verbunden ist und sich radial senkrecht zur Drehachse (16) des
Rotors (10) erstreckt, wobei die Hohlwelle (11) zur Halterung
des optischen Elements (1) derart eingerichtet ist, dass eine
optische Achse (2) des optischen Elements (1) parallel zur
Drehachse des Rotors (10) verläuft, einen Stator (20), der
ein Luftlager (21) für den Rotor (10) bildet, und eine Drucklufteinrichtung (30), die zur Drehung des Rotors (10) relativ zum Stator (20) unter der Wirkung einer Luftantriebsströmung (31) eingerichtet ist, wobei der Rotor (10) einen Drehwinkelgeber (40) aufweist, der zur Ausgabe eines Drehwinkelsignals eingerichtet ist, das für einen aktuellen Drehwinkel des Rotors (10) charakteristisch ist. Es werden auch ein
Polarimeter (200), das zur Ermittlung der Polarisation elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, und Verwendungen der Drehhalterung (100) beschrieben.
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Drehhalterung, die
zur Drehung eines optischen Elements, wie z. B.
eines Polarisationsfilters, eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Polarimeter, das mit
der Drehhalterung ausgestattet ist, und Verfahren zur
Verwendung der Drehhalterung. Anwendungen der
Erfindung sind z. B. bei der Polarimetrie elektromagnetischer Strahlung gegeben.
[0002] Bei einer Wechselwirkung von Messstrahlung im THz-Spektralbereich mit einem Hochtemperatur-Plasma wird die Polarisation der Messstrahlung
durch die Faraday-Rotation oder den Cotton-Mouton-Effekt gedreht. Durch eine Polarisationsmessung
können Eigenschaften des Hochtemperatur-Plasmas
erfasst werden (siehe H. Soltwisch in ”Review of Scientific Instruments”, Bd. 57, 1986, S. 1939–1944;
oder R. Imazawa et al. in ”Europhysics Conference
Abstracts”, 38F, 2014, P5.008). Für die Polarisationsmessung werden bisher Polarimeter mit λ/4-Plättchen verwendet. Diese haben den Nachteil, dass ihre
optischen Eigenschaften nur mit ungenügender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bekannt sind. Des
Weiteren sind nur wenige geeignete Materialien für
Messungen im THz-Spektralbereich verfügbar.
[0003] Ein Polarimeter mit einem rotierenden Polarisationsfilter für den THz-Spektralbereich wird von
C. Morris et al. in ”Optics Express” (Bd. 20, 2012,
S. 12303–12317) beschrieben. Der Polarisationsfilter
wird in einen kugelgelagerten Rotor eingesetzt und
über einen Riemen von einem Elektromotor angetrieben. Die aktuelle Drehzahl des Polarisationsfilters
kann mittels zweier gegenüberliegender Bohrungen
im Rotor erfasst werden, die mit einer Lichtschranke ausgelesen werden. Diese registriert einen Puls je
180 Grad Drehwinkel.
[0004] Ein Nachteil der von C. Morris et al. beschriebenen Konstruktion ergibt sich aus deren Neigung zu
mechanischen Vibrationen. Eine massive Haltestruktur ist erforderlich, um den negativen Auswirkungen
von Vibrationen entgegenzuwirken. Des Weiteren ist
die Maximaldrehzahl auf 6000 U/min beschränkt. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass die herkömmliche Messung der Drehzahl keine Information über
die aktuelle Orientierung des Polarisationsfilters liefert. Es wird nur ein Messpuls je 180° Drehwinkel registriert. Für eine hohe Messgenauigkeit ist es jedoch
erforderlich, die aktuelle Orientierung des Polarisationsfilters, d. h. den Winkel relativ zum umgebenden optischen Aufbau, zu jedem Zeitpunkt möglichst
genau zu kennen. Schließlich ist auch von Nachteil, dass die herkömmliche Konstruktion empfindlich von Magnetfeldern abhängig ist. Die genannten
Probleme ergeben eine beschränkte Zuverlässigkeit
und Messgenauigkeit und einen beschränkten Anwendungsbereich des herkömmlichen Polarimeters.
[0005] Es sind auch andere optische Anordnungen
mit rotierenden optischen Elementen bekannt, die
keine Rotationssymmetrie bezüglich ihrer optischen
Achse aufweisen. Hierzu zählen neben dem genannten Polarisationsfilter beispielsweise polarisierende Strahlteiler, astigmatische, insbesondere zylindrische Linsen oder Platten aus doppelbrechenden Materialien, insbesondere λ/2- oder λ/4-Plättchen. Beispielsweise wird von S. Barry et al. in ”Rev.
Sci. Instrum.” (Bd. 67, 1996, S. 1814–1817) beschrieben, ein λ/2-Plättchen in der Hohlwelle einer luftgelagerten, turbinengetriebenen Spindel anzuordnen und
mittels einer Drehung der Spindel rotieren zu lassen.
Die Spindel basiert auf einem Rotationszerstäuber für
Lackieranwendungen. Die Anwendung dieser rotierenden Halterung ist jedoch beschränkt, da die Spindel keine Information über die aktuelle Orientierung
des λ/2-Plättchens liefert.
[0006] Des Weiteren sind Halterungen zur kontrollierten Drehung eines optischen Elements mit einer
reproduzierbaren Winkelauflösung kommerziell verfügbar, wie z. B. der ”Direct Drive Rotation Stage
DDR100” des Herstellers Thorlabs. Diese Halterung
bietet zwar eine Winkelauflösung von 0,0005°, erreicht jedoch nur eine Maximaldrehzahl von 180 U/
min.
[0007] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Drehhalterung für optische Elemente bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden und die insbesondere die Drehung eines optischen Elements mit erhöhter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Drehwinkelerfassung, verminderter Vibrationsneigung und/oder höherer Drehzahl ermöglicht. Die Drehhalterung soll
ferner einen erweiterten Anwendungsbereich bieten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Polarimeter, das mit einer Drehhalterung ausgestattet ist, und/oder weitere Anwendungen einer
Drehhalterung für optische Elemente bereitzustellen.
[0008] Diese Aufgaben werden jeweils durch eine
Drehhalterung, ein Polarimeter und Verfahren zur Anwendung einer Drehhalterung mit den Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
[0009] Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt wird die obige Aufgabe durch eine Drehhalterung gelöst, die zur Drehung eines optischen Elements eingerichtet ist und einen Rotor, einen Stator
und eine Drucklufteinrichtung umfasst.
[0010] Der Rotor weist eine Hohlwelle, die sich axial entlang der Drehachse des Rotors erstreckt, und
ein Turbinenrad auf, das mit der Hohlwelle verbunden ist und sich radial senkrecht zur Drehachse des
Rotors erstreckt. Die Hohlwelle ist zur Halterung des
2/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
optischen Elements derart eingerichtet, dass eine optische Achse des optischen Elements parallel zur
Drehachse des Rotors verläuft. Das optische Element kann im Inneren der Hohlwelle oder an einem
von deren Enden befestigt sein.
[0011] Der ortsfeste Stator bildet ein Luftlager für
den Rotor. Das Luftlager umfasst einen Hohlzylinder, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des vom Luftlager aufgenommenen Teil des Rotors, vorzugsweise der Hohlwelle ist.
Der Rotor und der Hohlzylinder des Stators sind bei
Betrieb der Drehalterung durch eine Luftschicht getrennt. Die Luftschicht erlaubt vorteilhafterweise eine reibungsarme Drehung des Rotors. Vorzugsweise
ist ein aerostatisches Luftlager vorgesehen, bei dem
die Luftschicht während des Betriebs der Drehalterung durch Druckluft aufrechterhalten wird, die in den
Hohlzylinder zugeführt wird.
[0012] Die Drucklufteinrichtung ist zur Erzeugung einer Luftantriebsströmung konfiguriert, die direkt auf
den Rotor gerichtet ist und eine Drehung des Rotors
relativ zum Stator bewirkt.
[0013] Gemäß der Erfindung ist der Rotor mit einem
Drehwinkelgeber ausgestattet, mit dem der Drehwinkel des Rotors erfassbar ist. Der Drehwinkelgeber ist
mit einem Sensor ausgestattet, dessen Ausgangssignal (Drehwinkelsignal) durch den aktuellen Drehwinkel des Rotors bestimmt wird. Der aktuelle Drehwinkel bezeichnet die momentane Orientierung des
Rotors relativ zur Drehachse in relativen Einheiten in
Bezug auf Drehwinkel zu anderen Zeitpunkten oder
in absoluten Einheiten in Bezug auf einen ReferenzDrehwinkel.
[0014] Vorteilhafterweise wird durch die erfindungsgemäße Drehhalterung ein universell einsetzbares
Hilfsmittel in der experimentellen Optik bereitgestellt, das zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten bietet. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, einen höheren Drehzahlbereich bei gleichzeitiger Kenntnis des
Drehwinkels zu erreichen, als es mit gegenwärtig
kommerziell verfügbaren Techniken möglich ist. Die
Luftlagerung des Rotors der Drehhalterung ermöglicht, optische Elemente mit Drehzahlen oberhalb von
8000 U/min, insbesondere oberhalb von 10000 U/
min oder sogar oberhalb von 12000 U/min rotieren
zu lassen, ohne dass nennenswerte Vibrationen in
den Stator oder eine Haltestruktur des Stators eingekoppelt werden. Die aktuelle Orientierung des optischen Elements ist zu jedem Zeitpunkt selbst bei hohen Drehzahlen genau bekannt. Ferner funktioniert
die luftgelagerte, turbinengetriebene Drehhalterung
selbst in Gegenwart starker Magnetfelder, wie sie z.
B. bei Messungen in der Umgebung von Plasmagefäßen auftreten.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Drehwinkelgeber eine optische Kodierscheibe. Die optische Kodierscheibe ist
eine Scheibe, die ein festes Teil des Rotors ist, die
sich in einer Ebene senkrecht zu dessen Drehachse erstreckt und deren aktueller Drehwinkel mit einem ortsfesten Photosensor lesbar ist. Die Kodierscheibe kann eine Masse aufweisen, die größer als
die Masse der Hohlwelle ist, so dass die Kodierscheibe vorteilhafterweise eine Stabilisierung der Drehbewegung bewirkt. Die Kodierscheibe weist ein Muster
mit wechselnden optischen Eigenschaften, insbesondere Reflektivität, Transmission und/oder Farbe, wie
z. B. ein Strichmuster, auf, das eine optisch detektierbare Winkelkodierung bildet. Das Muster erstreckt
sich in einer relativ zur Drehachse azimutalen Richtung (Umfangsrichtung der Kodierscheibe). Vorzugsweise ist das Muster ein regelmäßiges Muster, bei
dem sich die wechselnden optischen Eigenschaften
über jeweils gleiche Winkelintervalle erstrecken. Besonders bevorzugt umfasst die optische Kodierscheibe einen sich in der azimutalen Richtung erstreckenden Schlitzkranz, der mit dem Photosensor, z. B. einer Lichtschranke zur Erzeugung des Drehwinkelsignals kombiniert ist.
[0016] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Drehwinkelgeber
mit dem Turbinenrad verbunden sein. Besonders bevorzugt kann die optische Kodierscheibe, insbesondere der Schlitzkranz, Teil des Turbinenrades sein,
mit dem Turbinenrad verbunden sein oder dieses bilden. Der Schlitzkranz kann vorteilhafterweise eine
Doppelfunktion erfüllen, indem er die Winkelkodierung bildet und Antriebsflächen für die Luftantriebsströmung bietet.
[0017] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die optische Kodierscheibe mindestens ein Referenzelement aufweisen, das eine charakteristische Unterbrechung des
Musters der Kodierscheibe bildet und vom Photosensor selektiv erfassbar ist. Wenn das Referenzelement am Photosensor vorbeitritt, wird das Drehwinkelsignal im Vergleich zu dem übrigen Muster
der optischen Kodierscheibe durch das Referenzelement spezifisch geändert. Vorteilhafterweise ermöglicht das Referenzelement die Erfassung einer Absolutwinkelposition der Kodierscheibe, indem der Winkelposition des Referenzelements eine Referenzposition (Referenz-Drehwinkel), beispielsweise 0°, zugeordnet und Drehwinkel der Kodierscheibe relativ zur Referenzposition durch eine Auswertung des
Drehwinkelsignals, z. B. Zählung von Extrema des
Drehwinkelsignals, erfasst werden.
[0018] Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung der Drehwinkelgeber
zur Erzeugung des Drehwinkelsignals mit einer Winkelauflösung besser als 1° eingerichtet ist, ergeben
3/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
sich Vorteile für Präzisionsanwendungen in der Optik,
beispielsweise für die Messung der Polarisation mit
einer im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erhöhten Genauigkeit. Insbesondere kann durch lineare Interpolation des Drehwinkelsignals auf der Zeitachse eine Winkelauflösung von deutlich unter 0,1
Grad erzielt werden. Die Auflösung ist umso besser, je weniger die Winkelgeschwindigkeit des Rotors zeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Solche Schwankungen können durch Erhöhung des Verhältnisses vom Trägheitsmoment des Rotors zum
Drehmoment des antreibenden Turbinenrads minimiert werden.
können mehrere Antriebsdüsen vorgesehen sein, die
vorzugsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads
gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
[0019] Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung
kann der Statur mit einer Beschleunigungssensoreinrichtung ausgestattet sein, mit der mechanische
Schwingungen des Stators während der Drehung
des Rotors erfassbar sind. Vorteilhafterweise liefert
die Beschleunigungssensoreinrichtung Sensorsignale, die für eventuelle Unregelmäßigkeiten der Drehung des Rotors charakteristisch sind. Besonders bevorzugt umfasst die Beschleunigungssensoreinrichtung mindestens zwei Beschleunigungssensoren, mit
denen die Schwingungen des Stators entlang verschiedener räumlicher Achsen, z. B. zwei Achsen
senkrecht zur Drehachse, erfassbar sind.
[0025] Vorzugsweise umfasst die Drucklufteinrichtung des Weiteren mindestens eine Injektionsdüse,
die im Stator zur Erzeugung eines Luftdrucks im
Luftlager angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann die
Drucklufteinrichtung eine Doppelfunktion hinsichtlich
des Antriebs des Turbinenrads und der Bildung des
Luftlagers erfüllen.
[0020] Vorzugsweise ist das Turbinenrad mit Unwuchtelementen ausgestattet, deren Massen und
Positionen in Abhängigkeit von Signalen der Beschleunigungssensoreinrichtung und des Drehwinkelgebers gewählt sind. Vibrationen können dadurch
weitgehend eliminiert werden, dass der Rotor einschließlich des an ihm befestigten optischen Elements mit Hilfe der Signale der Beschleunigungssensoren in-situ dynamisch ausgewuchtet wird.
[0021] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können der Rotor und der
Stator aus einem nicht magnetisierbaren und/oder
elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt sein.
Vorteilhafterweise wird dadurch ein störungsfreier
Betrieb in einer Umgebung mit magnetischen und/
oder elektrischen Feldern, z. B. in der Nähe eines
Plasmagefäßes, ermöglicht.
[0022] Die Drucklufteinrichtung der erfindungsgemäßen Drehhalterung umfasst eine ortsfeste Druckluftquelle, wie z. B. einen Kompressor oder eine Pumpe, und mindestens eine Druckluftleitung, mit der
Druckluft von der Druckluftquelle zu dem Turbinenrad
geleitet werden kann.
[0023] Vorzugsweise umfasst die Drucklufteinrichtung des Weiteren mindestens eine Antriebsdüse,
die am freien Ende der Druckluftleitung angeordnet
und auf das Turbinenrad gerichtet ist. Vorteilhafterweise fokussiert die mindestens eine Antriebsdüse
die Luftantriebsströmung auf das Turbinenrad. Es
[0024] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann ein Drehzahl-Regelkreis vorgesehen sein, mit dem die Geschwindigkeit der insbesondere aus den Antriebsdüsen auf das Turbinenrad gerichteten Luftantriebsströmung in Abhängigkeit
vom Drehwinkelsignal des Drehwinkelgebers regelbar ist. Vorteilhafterweise ermöglicht der DrehzahlRegelkreis eine Stabilisierung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors.
[0026] Besonders bevorzugt kann die Drucklufteinrichtung ein Druckluftreservoir aufweisen, das mit der
mindestens einen Injektionsdüse verbunden und zur
Aufrechterhaltung eines Restdrucks im Luftlager für
die Dauer eines Bremsintervalls nach Abschalten der
Drucklufteinrichtung eingerichtet ist. Wenn die Druckluftquelle abgeschaltet wird, endet der Antrieb des
Turbinenrades. Der Rotor wird passiv aufgrund der
Luftreibung oder aktiv mit einer Bremseinrichtung gebremst. Das Abbremsen hat eine vorbestimmte Dauer, für die im Druckluftreservoir noch ein erhöhter
Druck gegeben ist, mit dem der Hohlzylinder über die
mindestens eine Injektionsdüse beaufschlagt wird.
Somit kann der Rotor während des Bremsens störungsfrei rotieren.
[0027] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass
die Drehhalterung mit einer Vielzahl verschiedener
Typen optischer Elemente verwendbar ist. Allgemein
umfasst das optische Element eine zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässige und/oder zumindest teilweise elektromagnetische
Strahlung reflektierende Komponente, die sich in einer Fläche senkrecht zu ihrer optischen Achse erstreckt und die keine Rotationssymmetrie bezüglich
ihrer optischen Achse aufweist. Vorzugsweise ist das
optische Element ein Polarisationsfilter, einen polarisierender Strahlteiler, ein refraktives Element, das
keine Rotationssymmetrie bezüglich der optischen
Achse aufweist, ein reflektives Element, das keine Rotationssymmetrie bezüglich der optischen Achse aufweist, ein optisch doppelbrechendes Element,
und/oder ein optisches Element mit spannungsinduzierter Doppelbrechung.
[0028] Der Polarisationsfilter ist für eine Polarisationsmessung vorgesehen. Die durch den Polarisationsfilter transmittierte Intensität einer elektromagne-
4/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
tischen Welle wird gemessen und als Funktion der jeweiligen Orientierung des Polarisationsfilters ausgewertet. Die Auswertung dieser Information über mindestens eine halbe Polarisationsfilterumdrehung hinweg erlaubt die Bestimmung der Polarisationsrichtung der Welle. Liegt elliptische Polarisation vor, so
liefert dieses Verfahren die Orientierung der langen
Halbachse der Polarisationsellipse. Darüber hinaus
erlaubt es der Vergleich der maximalen mit der minimalen Intensität, das Verhältnis von langer zu kurzer
Halbachse der Polarisationsellipse zu bestimmen.
[0029] Der Polarisationsfilter ist besonders bevorzugt für elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich ausgelegt und z. B. als metallische Streifenmaske oder Drahtgitter auf einem für die betrachtete Wellenlänge transparenten Substrat aufgebaut.
Das Substrat erlaubt es, den Polarisationsfilter robust
gegenüber Fliehkräften zu machen. Bei geeigneter
Wahl der Streifenbreite, des Streifenabstandes und
des Materials des Substrats, sowie des Detektors für
die transmittierte Intensität, fungiert der Aufbau dann
als Polarimeter für den THz-Bereich.
[0030] Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe
durch ein Polarimeter gelöst, das zur Ermittlung
der Polarisation elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist und eine Drehhalterung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung aufweist. Die Drehhalterung ist mit einem Polarisationsfilter ausgestattet. Des Weiteren umfasst das Polarimeter einen ersten Detektor, mit dem die elektromagnetische Strahlung nach einem Durchtritt durch
den Polarisationsfilter erfassbar ist, und eine Auswertungseinrichtung, mit der die Polarisation der elektromagnetischen Strahlung aus dem Drehwinkelsignal
des Drehwinkelgebers und einem ersten Detektorsignal des ersten Detektors ermittelbar ist.
[0031] Vorteilhafterweise kann das Polarimeter mit
einem zweiten Detektor ausgestattet sein, mit dem
die elektromagnetische Strahlung nach einer Reflektion an dem Polarisationsfilter erfassbar ist, wobei
mit der Auswertungseinrichtung die Polarisation der
elektromagnetischen Strahlung aus dem Drehwinkelsignals des Drehwinkelgebers, dem ersten Detektorsignal des ersten Detektors und dem zweiten Detektorsignal des zweiten Detektors ermittelbar ist. Wenn
der Polarisationsfilter die Eigenschaft besitzt, einen
Teilstrahl der elektromagnetischen Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung nicht vollständig zu absorbieren, sondern diesen räumlich von einem Teilstrahl einer anderen Polarisation zu trennen,
z. B. indem eine Polarisationsrichtung transmittiert
und die dazu senkrechte Polarisationsrichtung reflektiert wird, registrieren die zwei Detektoren die Intensitäten der separierten Teilstrahlen. Aus dem Intensitätsverhältnis der Detektorsignale ergibt sich instantan die Polarisationsrichtung, ohne dass eine weite-
re Drehung des Polarisationsfilters abgewartet werden muss. Sollten die verwendeten Detektoren unterschiedliche Sensitivitäten aufweisen, so kann deren
Verhältnis aus den registrierten Daten rekonstruiert
werden, sobald der einfallende Polarisationszustand
über eine halbe Umdrehung des Polarisationsfilters
hinweg konstant war.
[0032] Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt wird die obige Aufgabe durch eine der folgenden Verwendungen einer Drehhalterung gemäß dem
ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung gelöst. Vorzugsweise wird die Drehhalterung in einem
Polarimeter, besonders bevorzugt einem THz-Polarimeter, und/oder zur Kalibrierung eines Polarimeters
verwendet. Eine weitere vorteilhafte Verwendung ist
bei der Untersuchung von Materialien mit spannungsinduzierter Doppelbrechung gegeben.
[0033] Zur Kalibrierung eines Polarimeters wird die
Drehhalterung, die mit einem λ/2-Plättchen oder einem Polarisationsfilter ausgestattet ist, zum Generieren eines bekannten, linearen Polarisationszustandes verwendet. Diese Verwendung erlaubt insbesondere auch das Kalibrieren anderer Polarimeter. Ausgehend von einem linear polarisierten Strahl gibt es
z. B. die folgenden Realisierungsmöglichkeiten: Entweder wird der Rotor mit einem λ/2-Plättchen bestückt, oder der Strahl wird zunächst von einem (ruhenden) λ/4-Plättchen in einen zirkularen Polarisationszustand überführt, um dann einen rotierenden Polarisator zu durchqueren. In beiden Fällen ergibt sich
ein linear polarisierter Strahl mit kontinuierlich rotierender Polarisationsrichtung. In ersterem Fall rotiert
diese doppelt so schnell wie der Rotor, im letzteren
genau mit der Rotordrehzahl. Durch die Verwendung
des Drehwinkelgebers ist die aktuelle Polarisationsrichtung zu jedem Zeitpunkt mit hoher Genauigkeit
bekannt.
[0034] Die Drehhalterung ist ferner als optischer Modulator verwendbar. In diesem Fall umfasst das optische Element ein doppelbrechendes optischen Element, beispielsweise ein λ/2- oder λ/4-Plättchen. Bei
Verwendung eines λ/2-Plättchens wird die Polarisationsrichtung eines einfallenden, linear polarisierten
Strahls mit dem Doppelten der Rotordrehzahl rotiert.
Bei Benutzung eines λ/4-Plättchens hingegen wird
ein linear polarisierter Strahl periodisch zeitweise in
einen rechts bzw. links zirkular polarisierten Strahl
umgewandelt.
[0035] Für die Untersuchung von Materialien mit
spannungsinduzierter Doppelbrechung wird ausgenutzt, dass ein mit dem Rotor gedrehtes optisches
Element bei hohen Drehzahlen zunehmende Fliehkräfte erfährt, welche die optischen Eigenschaften
des optischen Elements beeinflussen können. Dieser Effekt kann gezielt ausgenutzt werden, um spannungsinduzierte Doppelbrechung zu erzeugen. Dies
5/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
gilt insbesondere auch für solche optische Elemente,
die im Ruhezustand optisch isotrop sind. Die mechanische Spannung im Material weist eine radiale Abhängigkeit auf, die rechnerisch leicht zu erfassen ist.
Eine Messung an der rotierenden optischen Komponente muss entsprechend eine radiale Ortsauflösung
besitzen. Diese Anwendung erlaubt z. B. das Charakterisieren von Materialien für Vakuumfenster, welche
im Einsatz einer Druckgradientkraft ausgesetzt sein
werden, aber dennoch möglichst polarisationserhaltend sein sollen. Das Signal des Drehwinkelgebers
dient bei dieser Anwendung primär der Drehzahlbestimmung. Bei nicht kreisrunden optischen Komponenten, die rotiert werden, kann auch die Kenntnis
der momentanen, absoluten Orientierung von Vorteil
sein.
[0036] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Patentzeichnungen beschrieben. Es zeigen:
[0037] Fig. 1: eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehhalterung;
[0038] Fig. 2: eine Draufsicht auf ein Turbinenrad einer Drehhalterung gemäß Fig. 1;
[0039] Fig. 3: eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Polarimeters; Und
[0040] Fig. 4: eine Illustration einer Drehwinkelmessung mit dem Polarimeter gemäß Fig. 3.
[0041] Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bezieht sich beispielhaft auf eine Drehhalterung für einen Polarisationsfilter und auf ein Polarimeter. Es wird betont,
dass die Erfindung nicht auf diese Anwendungen
beschränkt, sondern entsprechend mit anderen optischen Elementen anstelle des Polarisationsfilters
und für andere Zwecke anwendbar ist. Es wird betont,
dass die beigefügten Zeichnungen nicht-maßstäbliche Schemadarstellungen sind. Die Größen, Formen
und Materialien der Komponenten der Drehhalterung
beziehungsweise des Polarimeters können in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungen der Erfindung gewählt werden.
[0042] Beispielhaft wird auf eine Ausführungsform
der Erfindung Bezug genommen, bei der eine einzige Drehhalterung mit einem einzigen optischen Element ausgestattet ist. Die Erfindung ist entsprechend
in einem abgewandelten optischen Aufbau derart verwendbar, dass die Drehhalterung mit zwei oder mehr
optischen Elementen ausgestattet ist und/oder zwei
oder mehr Drehhalterungen in einem optischen Aufbau zusammenwirken. Die Nutzung der Drehhalte-
rung, die mit einem doppelbrechenden optischen Element ausgestattet ist, kann z. B. die Anordnung zweier Drehhalterungen in Reihe einschließen, die mit unterschiedlicher Drehzahl und ggf. gegenläufig rotieren. In diesem Fall bietet die Drehhalterung eine Alternative zu herkömmlichen photo-elastischen Modulatoren. Die Modulationsfrequenzen sind damit zwar
im Allgemeinen niedriger als bei den photo-elastischen Modulatoren, jedoch lassen sich diese frei variieren. Die herkömmlichen photo-elastischen Modulatoren hingegen müssen auf Schwingungs-Eigenmoden des optischen Mediums Rücksicht nehmen und
bieten daher nur eine limitierte Flexibilität bei der Frequenzwahl.
[0043] Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehhalterung 100, die
einen Rotor 10, einen Statur 20, eine Drucklufteinrichtung 30, einen Drehwinkelgeber 40, eine Beschleunigungssensoreinrichtung 50 und eine Steuereinrichtung 60 umfasst. Die Drehhalterung 100 ist Teil eines
optischen Aufbaus (nicht dargestellt) mit einem optischen Weg, der durch den Rotor 10 hindurchtritt.
[0044] Der Rotor 10 ist ein rotationssymmetrisches
Bauteil mit einer sich in axialer Richtung des Rotors
10 erstreckenden Bohrung. Die Mittelachse der Bohrung bildet die Drehachse 16 des Rotors 10. Der Rotor 10 umfasst eine Hohlwelle 11, die an einem ersten
Ende eine Fassung 18 zur Aufnahme des optischen
Elements 1 und am entgegengesetzten zweiten Ende
eine scheibenförmige Auskragung 12 aufweist, und
ein Turbinenrad 13. Die Hohlwelle 11 und die Auskragung 12 haben eine T-förmige Querschnittsfläche.
Die äußere Oberfläche der Hohlwelle 11 bildet eine
erste radiale Lagerfläche des Luftlagers 21, und eine
vordere, zur Hohlwelle 11 weisende axiale Seitenfläche der Auskragung 12 bildet eine erste axiale Lagerfläche des Luftlagers 21.
[0045] Die Drehhalterung 100 ist mit einer Bremse
17 ausgestattet, die mit dem Rotor 10, insbesondere
der äußeren Umfangsfläche der Auskragung 12 zusammenwirkt und mit der Steuereinrichtung 60 ansteuerbar ist. Die Bremse 17 umfasst z. B. einen mit
einer Feder vorgespannten pneumatischen Zylinder,
der vorzugsweise Bremselemente (nicht dargestellt)
auf zwei entgegengesetzten Seiten des Rotors 10 betätigt. Ein Abbremsen des Rotors 10 mit der Bremse 17 kann beispielweise vorgesehen sein, wenn der
Antrieb mit der Luftantriebsströmung 31 abgeschaltet
wird.
[0046] Der Rotor 10 ist bei Anwendung in einem Polarimeter (siehe Fig. 3) zum Beispiel aus Polyvinylchlorid mit einer axialen Länge von 10,5 cm, einem
Außendurchmesser der Hohlwelle 11 von 3,6 cm, einer axialen Dicke der Auskragung 12 von 1,5 cm und
einem Außendurchmesser der Auskragung 12 von 7,
5 cm hergestellt. Der Innendurchmesser der Bohrung
6/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
der Hohlwelle 11 ist entsprechend der Apertur des optischen Elements 1, zum Beispiel entsprechend der
verwendbaren Apertur eines Polarisationsfilters gewählt. Bei der Polarimeter-Anwendung beträgt der Innendurchmesser zum Beispiel 2 cm.
[0047] Die Fassung 18 ist eine Abstufung am freien
Ende der Hohlwelle 11, wobei die Abstufung in radialer und in axialer Richtung Auflageflächen für das optische Element 1 bildet. Die Fassung 18 kann für eine dauerhafte Fixierung des optischen Elements 1,
zum Beispiel durch eine Klebeverbindung, oder für eine lösbare Kopplung des optischen Elements 1, zum
Beispiel mit Federelementen, ausgelegt sein.
[0048] Am zweiten Ende der Hohlwelle 11 ist das
Turbinenrad 13 vorgesehen, das sich in radialer Richtung senkrecht zur Drehachse 16 erstreckt. Das Turbinenrad 13 umfasst eine ebene, kreisförmige Scheibe, die an der axialen, von der Hohlwelle 11 wegweisenden Seite der Auskragung 12 auf radialen und
axialen Seitenflächen der Auskragung 12 gestützt befestigt ist. Die schematische Draufsicht auf das Turbinenrad 13 in Fig. 2 zeigt, dass die Scheibe eine
zentrale Öffnung und mehrere Löcher zur Fixierung
an der Auskragung 12 mittels Schrauben aufweist.
Des Weiteren ist das Turbinenrad 13 an seinem äußeren Umfang mit einer Vielzahl von Schlitzen 14 und
Blättern 15 versehen, die sich in radialer Richtung erstrecken. Die Schlitze 14 und Blätter 15 bilden einen
Schlitzkranz 41, der Teil des Drehwinkelgebers 40 ist.
[0049] Fig. 2 illustriert als weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung, dass der Schlitzkranz 41 ein Referenzelement 43 aufweist, das eine Unterbrechung
des regelmäßigen Musters der übrigen Schlitze 14
und Blätter 15 bildet. Beim illustrierten Beispiel ist ein
Schlitz entlang des Umfangrandes ausgelassen, so
dass das mit der Lichtschranke 42 ausgelesene periodische Drehwinkelsignal jeweils beim Vorbeitritt des
Referenzelements 43 unterbrochen wird. Vorteilhafterweise wird damit eine Absolutmessung des Drehwinkels des Rotors 10 ermöglicht. In abgewandelten
Ausführungsformen der Erfindung können anders gestaltete Referenzelemente, wie z. B. ein Schlitz mit
einer größeren Breite als die übrigen Schlitze oder ein
Reflektor vorgesehen sein.
[0050] Für die konkrete Anwendung in einem Polarimeter weist das Turbinenrad 13 zum Beispiel einen Außendurchmesser von 9 cm auf. Der Schlitzkranz 41 umfasst zum Beispiel 179 Schlitze 14, die
jeweils ein Winkelintervall von 1° überspannen. Die
Zentren zweier benachbarter Schlitze 14 sind um einen Winkelintervall von jeweils 2° gegeneinander versetzt. Das Turbinenrad ist zum Beispiel aus Messing
hergestellt.
[0051] Der Stator 20 ist ein ortsfest angeordnetes
Bauteil mit einer zentralen Bohrung in Gestalt eines
geraden Hohlzylinders 22. Die Achse des Hohlzylinders 22 ist identisch mit der Drehachse 16 des Rotors 10. Der Innendurchmesser des Hohlzylinders 22
ist größer als der Außendurchmesser der Hohlwelle
11. Die innere Oberfläche des Hohlzylinders 22 bildet eine zweite radiale Lagerfläche des Luftlagers 21,
und eine vordere, zur Auskragung 12 weisende axiale Seitenfläche des Hohlzylinders 22 bildet eine zweite axiale Lagerfläche des Luftlagers 21.
[0052] Bei Beaufschlagung des Abstandes zwischen der Hohlwelle 11, einschließlich der Auskragung 12, und dem Hohlzylinder 22 mit Druckluft wird
zwischen beiden Bauteilen das Luftlager 21 gebildet. Die Breite des in radialer Richtung vorgesehenen
Spaltes zwischen der Hohlwelle 11 und dem Hohlzylinder 22 beträgt zum Beispiel 50 μm. Bei Anwendung
in einem Polarimeter (siehe Fig. 3) ist der Stator 20
zum Beispiel aus Polyoxymethylen hergestellt.
[0053] Die Drucklufteinrichtung 30 ist zur Erzeugung
der Luftantriebsströmung 31 für die Rotation des Rotors konfiguriert. Sie umfasst eine Druckluftquelle 33,
die über eine erste Druckluftleitung 34 mit einer Antriebsdüse 32 verbunden ist. Die Antriebsdüse 32 ist
so positioniert, dass die aus der Antriebsdüse 32 austretende Luftantriebsströmung 31 tangential auf den
äußeren Umfangsrand des Turbinenrades 13, insbesondere auf die Blätter 15 (siehe Fig. 2) trifft. Die erste Druckluftleitung 34 ist mit einem regelbaren Ventil
61 ausgestattet, das Teil des Drehzahl-Regelkreises
62 (siehe unten) ist.
[0054] Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehhalterung 100 ist
die Drucklufteinrichtung 30 zusätzlich zur Erzeugung
der Druckluft für das Luftlager 21 konfiguriert. Hierzu ist die Druckluftquelle 33 über eine zweite Druckluftleitung 35 und ein in den Stator 20 eingebettetes
Druckluftreservoir 36 mit Injektionsdüsen 37 verbunden, die in den Hohlzylinder 22 münden. Es ist eine Vielzahl von Injektionsdüsen 37 vorgesehen, die
in axialer und azimutaler Richtung des Luftlagers 21
gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Bei einer konkreten Ausführungsform der Erfindung sind beispielsweise vier Paare von Injektionsdüsen 37 vorgesehen,
die in axialer Richtung voneinander beabstandet und
abwechselnd in azimutaler Richtung um 90° versetzt
positioniert sind.
[0055] Das Druckluftreservoir 36 bildet vorteilhafterweise einen Druckluftpuffer. Nach Abschalten der
Druckluftquelle 33 können die Injektionsdüsen 37 für
die Dauer eines Bremsintervalls mit erhöhtem Druck
beaufschlagt werden, so dass die Funktion des Luftlagers 21 erhalten bleibt. Das Druckluftreservoir 36
wird beispielsweise durch einen Hohlraum im Stator
20 gebildet, der durch eine äußere Abdeckung 23
verschlossen ist. Zwischen der äußeren Abdeckung
7/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
23 und dem übrigen Hohlzylinder 22 sind Dichtungen
24 in Gestalt von O-Ringen vorgesehen.
[0056] In einer abgewandelten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Drehhalterung 100 kann auf das
Druckluftreservoir 36 verzichtet werden. In diesem
Fall kann vorgesehen sein, dass der Rotor 10 vor
und/oder bei Abschalten der Druckluftquelle 33 aktiv
mit der Bremse 17 abgebremst wird. In einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehhalterung 100 kann die Drucklufteinrichtung 30 zwei getrennte Druckluftquellen aufweisen, die jeweils mit der Antriebsdüse 32 oder den Injektionsdüsen 37 verbunden und getrennt betätigbar
sind. In diesem Fall kann ebenfalls auf das Druckluftreservoir 36 verzichtet werden.
Beschleunigungen in Abhängigkeit von der Zeit konfiguriert sind. Die Beschleunigungssensoren 51, 52
sind mit der Steuereinrichtung 60 verbunden. Durch
die gleichzeitige Auswertung des Drehwinkelsignals
der Lichtschranke 42 und der Beschleunigungssignale der Beschleunigungssensoren 51, 52 können die
Phasenbeziehung zwischen den Schwingungen und
die aktuelle Winkelorientierung des Rotors gemessen werden. Aus dieser Messung können Massen
und Positionen von Auswuchtelementen (nicht dargestellt) berechnet werden, die am Rotor 10, insbesondere am Turbinenrad 13 für eine Verminderung
oder vollständige Beseitigung von Vibrationen positionierbar sind.
[0057] Der Drehwinkelgeber 40 umfasst allgemein
eine optische Kodierscheibe, die bei der gezeigten
Ausführungsform der Erfindung durch das Turbinenrad 13 mit dem Schlitzkranz 41 gebildet wird, und eine Lichtschranke 42 zum Auslesen der optischen Kodierscheibe. Die Lichtschranke 42 enthält eine Lichtquelle, zum Beispiel eine IR-Leuchtdiode, und einen
Photosensor, zwischen denen ein Messlichtweg aufgespannt ist. Der Schlitzkranz 41 ragt in den Messlichtweg, so dass das vom Photosensor gelieferte
Drehwinkelsignal entsprechend der Folge von Schlitzen 14 und Blättern 15 und durch das Referenzelement 43 periodisch moduliert wird. Das Drehwinkelsignal ist für den aktuellen Drehwinkel des Rotors 10
charakteristisch. In der Steuereinrichtung 60 wird das
Drehwinkelsignal mit einem Analog-zu-Digital-Wandler, zum Beispiel durch ein Zwei-Kanal-Sampling, digitalisiert und weiterverarbeitet.
[0061] Vorteilhafterweise können mit den zwei Beschleunigungssensoren 51, 52 zwei verschiedene
Typen von Massen-Unwuchten erfasst werden. Erstens kann der Schwerpunkt des Rotors 10 außerhalb der Drehachse 16 angeordnet sein. Durch eine geeignete Auswahl und Positionierung von Auswuchtelementen auf dem Turbinenrad 13 kann der
Schwerpunkt auf die Drehachse 16 verschoben werden. Zweitens kann die Hauptträgheitsachse des Rotors von der Drehachse 16 abweichen. Durch die geeignete Auswahl und Positionierung von Auswuchtelementen können beide Achsen parallel gestellt werden. Wenn nur der zweite Typ einer Unwucht vorhanden ist, werden die Beschleunigungssensoren 51, 52
Vibrationen mit einer 180°-Phasenverschiebung erfassen. Die azimutale Position, an der Masse von
Auswuchtelementen z. B. am Turbinenrad 13 zugefügt oder entfernt werden muss, ergibt sich aus der
Phasenlage der gemessenen Beschleunigung relativ
zum Signal des Drehwinkelgebers 40.
[0058] Vorteilhafterweise erfüllt das Turbinenrad 13
eine Doppelfunktion. Erstens bilden die abwechselnden Blätter 15 und Schlitze 14 Antriebsflächen für
den Rotor 10. Eine Luftantriebsströmung 31, die auf
die Blätter 15 gerichtet wird, bewirkt eine Drehung
des Rotors 10. Gleichzeitig bilden die abwechselnden
Blätter 15 und Schlitze 14 das optische Muster, das
mit der Lichtschranke 42 des Drehwinkelgebers 40
erfasst wird.
[0062] Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung von Auswuchtelementen eine eventuelle Asymmetrie der Massenverteilung des Rotors 10, die fertigungsbedingt nicht vermeidbar ist, ausgeglichen werden. Durch die Unterdrückung oder vollständige Vermeidung von Vibrationen können mit der erfindungsgemäßen Drehhalterung vorteilhafterweise höhere
Drehzahlen als bei herkömmlichen Drehhalterungen
erreicht werden.
[0059] In abgewandelten Ausführungsformen der
Erfindung kann die optische Kodierscheibe durch das
Turbinenrad 13 mit einem anderen, optisch auslesbaren Muster oder durch andere Teile des Rotors, z.
B. ein optisch auslesbares Muster an der Auskragung
12 gebildet werden.
[0063] Die Steuereinrichtung 60 enthält einen Rechnerschaltkreis zur Aufnahme und Verarbeitung von
Beschleunigungssignalen der Beschleunigungssensoren 51, 52 und des Drehwinkelsignals der Lichtschranke 42. Basierend auf dem Drehwinkelsignal
kann ein Regelkreis 62 zur Einstellung der Drehzahl
des Rotors 10 konfiguriert werden. Hierzu wird in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl des Rotors das
Ventil 61 oder die Bremse 17 betätigt, bis die Drehzahl des Rotors 10 gleich einer gewünschten Solldrehzahl ist.
[0060] Die Beschleunigungssensoreinrichtung 50
umfasst zwei Beschleunigungssensoren 51, 52, die
mit einem gegenseitigen Abstand am Stator 20, zum
Beispiel an dessen in axialer Richtung entgegengesetzten Enden befestigt sind. Die Beschleunigungssensoren 51, 52 umfassen jeweils 3-Achsen-Sensoren, die für eine Erfassung von vibrationsbedingten
[0064] Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Polarimeters 200,
8/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
das die Drehhalterung 100, eine Detektoreinrichtung
70 mit einem ersten Detektor 71 und optional einem
zweiten Detektor 72 und eine Auswertungseinrichtung 80 umfasst. Die Drehhalterung 100 ist aufgebaut, wie oben unter Bezug auf die Fig. 1 und Fig. 2
beschrieben wurde. Das am Rotor 10 befestigte optische Element 1 ist ein Polarisationsfilter. Für Polarisationsmessungen im THz-Bereich umfasst der Polarisationsfilter zum Beispiel eine transparente Kunststofffolie, insbesondere aus HD-Polyethylen, die ein
Metallstreifenmuster, insbesondere mit 1200 Linien
pro mm, trägt. Der Polarisationsfilter hat zum Beispiel
eine Apertur von 20 mm. Die Auswertungseinrichtung
80 enthält ein Rechnerschaltkreis, mit dem das Drehwinkelsignal und das Detektorsignal der Detektoreinrichtung 70 zur Ermittlung der Polarisationsrichtung
von THz-Strahlung 2 verarbeitet werden. Die Auswertungseinrichtung 80 und die Steuereinrichtung 60
der Drehhalterung 100 können durch einen gemeinsamen Rechnerschaltkreis gebildet werden.
[0065] Der erste Detektor 71 ist zum Beispiel ein pyroelektrischer Sensor, der bei Raumtemperatur betrieben wird. Der erste Detektor 71 ist auf der Drehachse der Drehhalterung 100, vorzugsweise wie illustriert in der Hohlwelle des Rotors 10 angeordnet. THz-Strahlung 2, z. B. aus einem Plasmagefäß
(nicht dargestellt), wird mit einer Abbildungsoptik 210
durch den Polarisationsfilter 1 auf den ersten Detektor 71 fokussiert, der die transmittierte THz-Strahlung
erfasst. Der optionale zweite Detektor 72 ist ebenfalls zum Beispiel ein pyroelektrischer Sensor, der bei
Raumtemperatur betrieben wird. Der zweite Detektor
72 ist für die Erfassung von reflektierter THz-Strahlung außerhalb der Drehhalterung 100 angeordnet.
[0066] Bei einer abgewandelten Anwendung der Erfindung zur Untersuchung von Materialien mit spannungsinduzierter Doppelbrechung umfasst das optische Element 1 eine Platte des zu untersuchenden
Materials. Der erste Detektor 71 umfasst in diesem
Fall eine Kamera, mit der Bilder der Platte ortsaufgelöst aufgenommen werden können, um aus den Bildern die spannungsinduzierte Doppelbrechung abzuleiten.
[0067] Fig. 4 illustriert beispielhaft den Zeitverlauf
eines Drehwinkelsignals 3 und eines gleichzeitig erfassten Detektorsignals 4 des ersten Detektors 71
(Spannungssignale U, gemessen in Volt). Ein im
Rechnerschaltkreis der Steuereinrichtung 60 laufender Algorithmus analysiert das Drehwinkelsignal 3
unter Verwendung von einer Anzahl aufeinander folgender Datenpunkte, die mindestens einen Vorbeitritt des Referenzelements 43 (siehe Fig. 2) enthalten. Der Auswertealgorithmus weist je der Mitte zwischen einer steigenden und einer fallenden Flanke
des Signals einen Winkelwert zu und interpoliert im
Weiteren auf der Zeitachse. Im Einzelnen bestimmt
der Algorithmus das globale Maximum (Umax) und
das globale Minimum (Umin) innerhalb des Satzes von
Datenpunkten. Dann werden steigende und fallende
Flanken erfasst, indem zum Beispiel nach Serien von
aufeinander folgenden Datenpunkten innerhalb eines
vorbestimmten Bereichs, zum Beispiel Umin + 0,3(Umax – Umin) bis Umin + 0,7(Umax – Umin), gesucht wird.
Anschließend wird der Zeitverlauf der Flanken, zum
Beispiel durch eine Mittelung oder eine lineare Regression, ermittelt und die mittlere Dauer von Flanke zu Flanke berechnet. Paare von aufeinander folgenden Flanken, zwischen denen mehr als das Doppelte der mittleren Dauer abgelaufen ist, werden als
solche Flanke erfasst, welche das Referenzelement
enthalten. Die Mitte des Referenzelements wird dann
als 0°-Position definiert, und durch Zählen der steigenden und fallenden Flanken entlang der Umfangsrichtung des Schlitzkranzes 41 kann dessen Position
in 1°-Schritten ermittelt werden. Zwischen den Flanken kann der Winkel auf der Zeitskala interpoliert werden. Entsprechend der mechanischen Auflösung von
1° und der Möglichkeit der Interpolation kann eine
Winkelauflösung unterhalb von 1° erreicht werden. Je
gleichförmiger die Winkelgeschwindigkeit des Rotors
10 ist, desto genauer ist das Ergebnis der Interpolation auf der Zeitachse.
[0068] Das Detektorsignal 4 des Detektors 71 weist
eine sinusförmige Modulationsperiode innerhalb einer halben Umdrehung des Polarisationsfilters 1 auf.
Der Polarisationswinkel kann durch eine Anpassung
einer Sinusfunktion an das Detektorsignal und die
Ermittlung des Winkels, bei dem die angepasste Sinusfunktion ihr Maximum aufweist, erfasst werden.
Die höchste Zeitauflösung der Polarisationsmessung
wird erhalten, wenn eine Polarisationsmessung pro
halber Umdrehung des Polarisationsfilters durchgeführt wird, was bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute eine Zeitauflösung von 10 ms bedeutet. Das Rauschniveau der Messung kann auf
Kosten der Zeitauflösung vermindert werden, indem
zum Beispiel eine vollständige Umdrehung des Polarisationsfilters für eine Polarisationsmessung verwendet wird, die dann zwei Modulationsperioden des
Detektorsignals enthält. Entsprechend ergibt sich eine Zeitauflösung von 20 ms.
[0069] Die in der vorstehenden Beschreibung, den
Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln, in Kombination
oder in Unterkombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen
von Bedeutung sein.
9/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich
zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw.
Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
-
H. Soltwisch in ”Review of Scientific
Instruments”, Bd. 57, 1986, S. 1939–1944;
oder R. Imazawa et al. in ”Europhysics
Conference Abstracts”, 38F, 2014, P5.008
[0002]
C. Morris et al. in ”Optics Express” (Bd. 20,
2012, S. 12303–12317) [0003]
C. Morris et al. [0004]
S. Barry et al. in ”Rev. Sci. Instrum.” (Bd. 67,
1996, S. 1814–1817) [0005]
10/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
Patentansprüche
1. Drehhalterung (100), die zur Drehung eines optischen Elements (1) eingerichtet ist, umfassend
– einen Rotor (10) mit einer Hohlwelle (11), die sich
axial entlang der Drehachse (16) des Rotors (10) erstreckt, und mit einem Turbinenrad (13), das mit der
Hohlwelle (11) verbunden ist und sich radial senkrecht zur Drehachse (16) des Rotors (10) erstreckt,
wobei die Hohlwelle (11) zur Halterung des optischen
Elements (1) derart eingerichtet ist, dass eine optische Achse (2) des optischen Elements (1) parallel
zur Drehachse des Rotors (10) verläuft,
– einen Stator (20), der ein Luftlager (21) für den Rotor (10) bildet, und
– eine Drucklufteinrichtung (30), die zur Drehung des
Rotors (10) relativ zum Stator (20) unter der Wirkung
einer Luftantriebsströmung (31) eingerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Rotor (10) einen Drehwinkelgeber (40) aufweist,
der zur Ausgabe eines Drehwinkelsignals eingerichtet ist, das für einen aktuellen Drehwinkel des Rotors
(10) charakteristisch ist.
2. Drehhalterung gemäß Anspruch 1, bei der
– der Drehwinkelgeber (40) eine optische Kodierscheibe umfasst.
3. Drehhalterung gemäß Anspruch 2, bei der
– die optische Kodierscheibe einen sich in azimutaler
Richtung erstreckenden Schlitzkranz (41) aufweist,
der in eine ortsfeste Lichtschranke (42) zur Erzeugung des Drehwinkelsignals ragt.
4. Drehhalterung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der
– die optische Kodierscheibe ein Referenzelement
(16) aufweist, das die Erfassung einer Absolutwinkelposition der Kodierscheibe erlaubt.
5. Drehhalterung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
– der Drehwinkelgeber (40) mit dem Turbinenrad (13)
verbunden ist.
6. Drehhalterung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
– der Drehwinkelgeber (40) zur Erzeugung des Drehwinkelsignals mit einer Winkelauflösung besser als 1°
eingerichtet ist.
7. Drehhalterung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
– der Stator (20) mit einer Beschleunigungssensoreinrichtung (50) ausgestattet ist, mit der Schwingungen des Stators (20) während der Drehung des Rotors (10) erfassbar sind.
8. Drehhalterung gemäß Anspruch 7, bei der
– die Beschleunigungssensoreinrichtung (50) mindestens zwei Beschleunigungssensoren (51, 52) um-
fasst, mit denen die Schwingungen des Stators (20)
entlang verschiedener räumlicher Achsen erfassbar
sind.
9. Drehhalterung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der
– das Turbinenrad (13) mit Auswuchtelementen ausgestattet ist, deren Massen und Positionen in Abhängigkeit von Signalen der Beschleunigungssensoreinrichtung (50) und des Drehwinkelgebers (40) gewählt
sind.
10. Drehhalterung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
– der Rotor (10) und der Stator (20) aus einem nicht
magnetisierbaren und/oder elektrisch nicht-leitenden
Material hergestellt sind.
11. Drehhalterung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
– die Drucklufteinrichtung (30) mindestens eine Antriebsdüse (32) aufweist, die auf das Turbinenrad (13)
gerichtet ist.
12. Drehhalterung gemäß Anspruch 11, bei der
– ein Drehzahl-Regelkreis (62) vorgesehen ist, mit
dem die Geschwindigkeit der Luftantriebsströmung
aus der mindestens einen Antriebsdüse (32) in Abhängigkeit vom Drehwinkelsignal des Drehwinkelgebers (40) regelbar ist.
13. Drehhalterung gemäß Anspruch 11 oder 12,
bei der
– die Drucklufteinrichtung (30) mindestens eine Injektionsdüse (37) aufweist, die im Stator (20) zur Erzeugung eines Luftdrucks im Luftlager (21) angeordnet
ist.
14. Drehhalterung gemäß Anspruch 13, bei der
– die Drucklufteinrichtung (30) ein Druckluftreservoir
(36) aufweist, das mit der mindestens einen Injektionsdüse (37) verbunden und zur Aufrechterhaltung
eines Restdrucks im Luftlager (21) für die Dauer eines Bremsintervalls nach Abschalten der Drucklufteinrichtung (30) eingerichtet ist.
15. Drehhalterung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das optische Element (1) mit
dem Rotor (10) verbunden ist und das optische Element (1) umfasst
– einen Polarisationsfilter,
– einen polarisierenden Strahlteiler,
– ein refraktives Element, das keine Rotationssymmetrie bezüglich der optischen Achse aufweist,
– ein reflektives Element, das keine Rotationssymmetrie bezüglich der optischen Achse aufweist,
– ein optisch doppelbrechendes Element, und/oder
– ein optisches Element mit spannungsinduzierter
Doppelbrechung.
11/15
16. Drehhalterung gemäß Anspruch 15, bei der
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
– der Polarisationsfilter für elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich ausgelegt ist und insbesondere
eine metallische Streifenmaske umfasst.
17. Polarimeter (200), das zur Ermittlung der Polarisation elektromagnetischer Strahlung eingerichtet
ist, umfassend:
– eine Drehhalterung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das mit dem Rotor (10)
verbundene optische Element (1) ein Polarisationsfilter ist,
– einen ersten Detektor (71), mit dem die elektromagnetische Strahlung nach einem Durchtritt durch den
Polarisationsfilter erfassbar ist, und
– eine Auswertungseinrichtung (80), mit der die Polarisation der elektromagnetischen Strahlung aus dem
Drehwinkelsignals des Drehwinkelgebers (40) und einem ersten Detektorsignal des ersten Detektors (71)
ermittelbar ist.
18. Polarimeter gemäß Anspruch 17, das umfasst
– einen zweiten Detektor (72), mit dem die elektromagnetische Strahlung nach einer Reflektion an dem
Polarisationsfilter erfassbar ist, wobei
– mit der Auswertungseinrichtung (80) die Polarisation der elektromagnetischen Strahlung aus dem
Drehwinkelsignals des Drehwinkelgebers (40), dem
ersten Detektorsignal des ersten Detektors (71) und
einem zweiten Detektorsignal des zweiten Detektors
(72) ermittelbar ist.
19. Verwendung einer Drehhalterung (100) gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 16,
– in einem Polarimeter (200), insbesondere THz-Polarimeter,
– zur Kalibrierung eines Polarimeters (200),
– zur Untersuchung von Materialien mit spannungsinduzierter Doppelbrechung, oder
– als optischer Modulator.
Es folgen 3 Seiten Zeichnungen
12/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
Anhängende Zeichnungen
13/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
14/15
DE 10 2015 007 729 A1 2016.12.22
15/15