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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

Die Drucklufteinrichtung ist zur Erzeugung einer Luftantriebsströmung konfiguriert, die direkt auf den Rotor gerichtet ist und eine Drehung des Rotors relativ zum Stator bewirkt.

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 Referenz-Drehwinkel.

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.

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.

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.

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.

Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Drehwinkelgeber zur Erzeugung des Drehwinkelsignals mit einer Winkelauflösung besser als 1° eingerichtet ist, ergeben 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.

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.

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.

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.

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.

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 können mehrere Antriebsdüsen vorgesehen sein, die vorzugsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

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 Drehzahl-Regelkreis eine Stabilisierung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors.

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.

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.

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.

Der Polarisationsfilter ist für eine Polarisationsmessung vorgesehen. Die durch den Polarisationsfilter transmittierte Intensität einer elektromagnetischen 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.

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.

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.

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 weitere 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.

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.

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.

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.

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 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.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Patentzeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1: eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehhalterung;

2: eine Draufsicht auf ein Turbinenrad einer Drehhalterung gemäß 1;

3: eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Polarimeters; Und

4: eine Illustration einer Drehwinkelmessung mit dem Polarimeter gemäß 3.

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.

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 Drehhalterung, 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.

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.

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.

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.

Der Rotor 10 ist bei Anwendung in einem Polarimeter (siehe 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 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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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 3) ist der Stator 20 zum Beispiel aus Polyoxymethylen hergestellt.

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 2) trifft. Die erste Druckluftleitung 34 ist mit einem regelbaren Ventil 61 ausgestattet, das Teil des Drehzahl-Regelkreises 62 (siehe unten) ist.

Bei der in 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.

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 23 und dem übrigen Hohlzylinder 22 sind Dichtungen 24 in Gestalt von O-Ringen vorgesehen.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Polarimeters 200, 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 1 und 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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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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]