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Die Erfindung betrifft eine interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektie- renden Objektes mit - einer Laserlichtquelle, einer Strahlaufspaltungseinrichtung zur Aufteilung - des Laserlichtes in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl, - einer Modulationseinrichtung zur periodischen Frequenzmodulation des der Strahlaufspal- tungseinrichtung zugeführten Laserlichtes, wobei die Laserlichtquelle oder eine dieser nach- geschaltete Frequenzverschiebeeinrichtung Laserlicht mit zumindest zwei verschiedenen optischen Trägerfrequenzen (f1 f2, f3...) liefert, die durch die Modulationseinrichtung jeweils mit individuellen Modulationsfrequenzen (fmod1, fmod2, fmod3 ...) frequenz-moduliert werden, - einer Rekombinationseinnchtung,
an der der vom Objekt zurückkehrende Messstrahl oder
Messstrahlanteile (Rückstreufeld) und der über eine feste Referenzstrecke geführte Refe- renzstrahl unter Bildung von optischen Interferenzsignalen interferieren, - einer Photodetektoreinrichtung zur Wandlung der optischen Interferenzsignale in elektrische
Signale.
Um interferometrisch die Lage eines Objektes zu messen, ermittelt man die Phasenlagendif- ferenz zwischen einem über eine Referenzstrecke fester Länge laufenden Referenzstrahl und einem, am Objekt reflektierten, Messstrahl. Je nach Phasenlagendifferenz (im Folgenden auch Interferenzphase genannt) zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl erhält man nach der Überlagerung der beiden Strahlen unterschiedliche Lichtintensitäten des Interferenzsignals. Durch Messung dieser Lichtintensität ist es möglich die Interferenzphase und damit bei fester Länge der Referenzstrecke die Entfernung des Messobjektes zu bestimmen.
Zur Ermittlung der absoluten Ent- fernung des Objektes muss diese bis auf eine halbe optische Wellenlänge genau bekannt sein, da sich die Interferenzphase nach jeweils einer Änderung der Objektentfernung um eine halbe opti- sche Wellenlänge periodisch wiederholt. Aus der Messung der Interferenzphase lässt sich dann zusammen mit dieser Entfernungsvorinformation die absolute Entfernung auf kleine Bruchteile der halben optischen Wellenlänge genau bestimmen. Eine so genaue Entfernungsvorinformation ist aber schwierig zu erhalten.
Mit einem Mehrwellenlängeninterferometer ist eine absolute Entfernungsmessung in einem grösseren Emdeutigkeitsbereich möglich. Unter dem Eindeutigkeitsbereich einer Entfernungsmes- sung versteht man dabei die Entfernungsdifferenz, um die sich das Objekt verändern kann, ohne dass die Eindeutigkeit der Messung verlorengeht. Um einen grossen Eindeutigkeitsbereich zu erhal- ten, werden optische Träger unterschiedlicher Frequenz in das Interferometer eingespeist. Das Prinzip wird zunächst für zwei optische Träger der Frequenz f1 und f2 erklärt, es gilt jedoch in glei- cher Weise auch bei der Verwendung mehrerer optischer Träger.
Bei der Verwendung zweier optischer Träger der Frequenz f1 (zugehörige Wellenlänge 11) und der Frequenz f2 (zugehörige Wellenlänge l2) erhält man zwei Interferenzsignale, aus denen jeweils
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der Differenz dieser beiden Interferenzphasen (auch Schwebungsphase genannt) kann nun die absolute Objektentfernung in einem Eindeutigkeitsbereich von einer halben Schwebungswellenlän- ge As (auch virtuelle Wellenlänge genannt) bestimmt werden Die Schwebungswellenlänge berech-
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ist die Schwebungswellenlänge grösser. Das heisst, dass durch Messung der Schwebungsphase eine Entfernungsbestimmung in einem Eindeutigkeitsbereich möglich ist, der grösser ist als bei der Messung nur einer einzelnen Interferenzphase.
Der Wert und die Stabilität der Schwebungswellen- länge werden bestimmt durch die Frequenzdifferenz zwischen den optischen Trägern und deren Stabilität.
Mit einer einzigen Schwebungsphase kann die Entfernung innerhalb eines durch die zugehöri- gen optischen Träger vorgegebenen Eindeutigkeitsbereiches absolut bestimmt werden. Der Ein- deutigkeitsbereich beträgt eine halbe Schwebungswellenlänge Asg/2 Kann man die Schwebungs-
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ches bis auf 1/100 * Asg/2 genau bestimmt werden.
Die Dynamik der Entfernungsmessung beträgt dann 100
Wählt man in diesem Beispiel eine kleinere Schwebungswellenlänge Ask die hundertmal klei- ner ist als die grössere Schwebungswellenlänge Asg, und hat auch die Phasenmessung bei der klei- neren Schwebungswellenlänge eine Messdynamik von 100, so kann die Entfernungsmessung bei
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der grösseren Schwebungswellenlänge gewissermassen als Vorinformation für die Messung bei der kleineren Schwebungswellenlänge genutzt werden. Das heisst aus der kombinierten Messung bei der grösseren und bei der kleineren Schwebungswellenlänge gleichzeitig kann die Entfernung innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches der grösseren Schwebungswellenlänge bis auf Asg/2 * 1/100 * 1/100 absolut genau gemessen werden. Die Dynamik der kombinierten Messung beträgt dann 10000.
Das Beispiel zeigt, dass durch eine Kaskadierung von Messungen bei unter- schiedlich grossen Schwebungswellenlängen die Dynamik des Gesamtsystems auf das Produkt der Dynamiken der Einzelmessungen gesteigert werden kann.
Durch diese Kaskadierung ist es zum Beispiel möglich, Entfernungen von mehreren Metern bis auf Bruchteile einer optischen Wellenlänge absolut zu bestimmen. Dabei kann zum Beispiel für die Entfernungsmessung mit dem kleinsten Eindeutigkeitsbereich auch die Messung bei einer opti- schen Wellenlänge genutzt werden. Der kleinste Eindeutigkeitsbereich des Gesamtsystems beträgt dann nur eine halbe optische Wellenlänge. Dazu muss lediglich die zu einem optischen Träger gehörige Interferenzphase bestimmt werden. Die Entfernung kann dann mit hoher Genauigkeit, welche durch die Dynamik der Interferenzphasenmessung bestimmt wird, bis auf Bruchteile der halben optischen Wellenlänge genau gemessen werden.
Wichtig bei der Verwendung eines Mehrfarbeninterferometers für die Entfernungsmessung, ist es, dass der Referenzweg des Interferometers konstant gehalten wird. Falls auf Teilen des Refe- renzstrahlweges oder auf Teilen des Messstrahlweges nur einer der optischen Träger geführt wird, so haben diese Wege ein erhöhtes Störvermögen auf die Messung der Schwebungsphase, in dem Sinne, dass bereits eine ungewollte Wegänderung um eine optische Wellenlänge eine 2-Phasen- änderung der Schwebungsphase bewirkt.
Dagegen haben Wege, auf denen beide optische Träger geführt werden nur ein reduziertes Störvermögen, in dem Sinne, dass eine Änderung dieses Weges um den Betrag einer, im Vergleich zur optischen Wellenlänge viel grösseren, Schwebungswellen-
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Grund ist es erstrebenswert, sowohl auf allen Teilen des Messzweiges als auch auf allen Teilen des Referenzzweiges, beide (bzw. bei einem Mehrwellenlängeninterferometer entsprechend alle) opti- schen Träger zu führen, so dass unbeabsichtigte Gangunterschiedsänderungen im Interferometer, wie sie zum Beispiel durch thermische Ausdehnungen, durch mechanische Vibrationen oder durch Brechzahlschwankungen entstehen können, die Phase des Schwebungssignales möglichst wenig beeinflussen.
Es existieren bereits Verfahren zur Messung der zu einem bestimmten optischen Träger gehö- renden Interferenzphase (Zoran Sodnik, Edgar Fischer, Thomas Ittner, and Hans J. Tiziani, 1991, Two-wavelength double heterodyne interferometry using a matched grating technique, Appl. Opt.
30,3139). Beim Heterodynverfahren wird mittels einer optischen Frequenzverschiebeeinrichtung ein Frequenzunterschied Af zwischen dem Messstrahl und dem Objektstrahl erzeugt. Dies führt zu einer Amplitudenmodulation der Lichtintensität des Interferenzsignales mit der Verschiebefre- quenz Af, welche mit einer Photodetektoreinrichtung in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Die Phasenlage dieser Amplitudenmodulation spiegelt die Phasenlage des Messstrahles gegenüber dem Referenzstrahl, das heisst die optische Interferenzphase, wieder.
Wählt man die Verschiebe- frequenz Af zum Beispiel im MHz-Bereich, so kann die Amplitudenmodulation des Interferenzsig- nals sehr leicht mit einer Photodetektoreinheit in ein elektrisches Signal übergeführt werden und die Phasenmessung dieses elektrischen Signals bezüglich eines elektronischen Referenzsignals gleicher Frequenz durchgeführt werden.
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fmod2 frequenzmoduliert. Die Gewinnung der Interferenzphase erfolgt gemäss einer nIQ-Detektions- methode".
Hierbei werden mittels einer polarisationsabhängigen optischen Phasenverzögerungs- einrichtung, vorzugsweise einer Viertelwellenplatte in einem Arm des Interferometers und einer polarisationsselektiven Aufteileinrichtung am Ausgang des Interferometers, vorzugsweise einem Polarisationsstrahlteiler, auf zwei getrennten Photodetektoren elektrische Signale bei den Modula- tionsfrequenzen fmod1 bzw. fmod2 erzeugt. Auf beiden Photodetektoren erhält man dann elektrische Signale bei beiden Modulationsfrequenzen fmod1 bzw. fmod2 Die elektrischen Signale der beiden Detektoren werden dann mittels eines Phasenschiebers bezüglich ihrer Hochfrequenzphase gegeneinander verschoben und anschliessend addiert.
Das Additionssignal enthält dann Kompo-
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nenten bei den Modulationsfrequenzen fmod1 und fmod2, deren Phasenlagen wiederum die zu den
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dessen Phase gleich der Phasendifferenz (Schwebungsphase) zwischen den zu den optischen Trägern f1 und f2 gehörenden lnterferenzphasen ist. Durch Messung der Schwebungsphase ist dann eine im obigen Sinne absolute Entfernungsbestimmung möglich.
Diese "IQ-Detektionsmethode" ist gewissermassen eine "Balance-Methode". Das heisst, sie funktioniert nur dann ohne Probleme, wenn die optische Phasenverzögerung durch die polarisa- tionsoptische Phasenverzögerungseinrichtung, die Verschiebung der Hochfrequenzphase durch den elektronischen Phasenschieber und das Amplitudenverhältnis zwischen den Interferenzsigna- len auf den beiden Photodetektoren bei den Modulationsfrequenzen fmodi und fmod2 exakt die richti- gen Werte haben. Das heisst die Signale auf den beiden Detektoren müssen sich gewissermassen die "Balance halten". Wenn nur eines der beiden Signale in seiner Phase oder Amplitude gestört wird, wird die "Balance verloren".
Insbesondere müssen die genannten Grössen ihre Einstellungen auch bei einer Änderung der Temperatur, bei einer Frequenzverschiebung der Interferenzsignale durch eine Dopplerverschiebung, infolge einer Bewegung des Objektes, sowie beim Schwenken des vom Objekt reflektierten Messstrahles infolge einer Verkippung des Objektes, exakt beibehal- ten. Das ist in der Praxis sehr schwierig. Insbesondere zeigte sich, dass schon die falsche Einstel- lung von nur einer der genannten Grössen genügt, um die Messung der Phasenlage des Schwe- bungssignals um einen unzulässig hohen Phasenbetrag ¯cp zu verfälschen. Die Phasenlage des
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unmittelbar eine Unschärfe für die Abstandsmessung resultiert.
Eine weitere Störung ergibt sich bei diesem Verfahren, wenn der Frequenzmodulator, neben der beabsichtigten Frequenzmodulation mit der Modulationsfrequenz fmods auch noch eine unbeab- sichtigte Amplitudenmodulation, zum Beispiel mit der Modulationsfrequenz fmod, ausführt. Eine der- artige Amplitudenmodulation (AM) erhält man zum Beispiel dann, wenn als Lichtquellen Halbleiter- laser verwendet werden und die Frequenzmodulation durch eine Modulation des Injektionsstromes erfolgt. Aber auch bei anderen Modulatortypen (zum Beispiel elektrooptischen Kristallen) lässt sich ein gewisser AM-Anteil nicht vermeiden. Durch diese Amplitudenmodulation des Modulators erhält man auf den Photodetektoren zusätzliche Störsignale mit der Modulationsfrequenz fmod.
Da die von der Frequenzmodulation erzeugten, gewollten Interferenzsignale ebenfalls bei der Modulationsfre- quenz fmod liegen, ist es nicht möglich, das gewollte durch FM erzeugte Signal von dem unbeab- sichtigt durch AM erzeugten Signal mittels eines elektrischen Frequenzfilters zu trennen. Die unge- wollte Amplitudenmodulation bewirkt daher eine nicht zu verhindernde Störung des Schwebungs- signals und damit eine Störung der Entfernungsmessung.
Die erfindungsgemässe Einrichtung bietet nun einerseits den oben beschriebenen Vorteil, dass im Messzweig und im Referenzzweig jeweils alle optischen Träger geführt werden und vermeidet durch ein neuartiges Detektionsverfahren die oben geschilderten Nachteile des Verfahrens nach DE 4335036 C2.
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemässen neuartigen Verfahrens ist es, dass neben der Frequenzmodulation der optischen Träger (f1. f2) mit charakteristischen Modulationsfrequenzen (fmodi, fmod2) noch eine zusätzliche Frequenzverschiebeeinheit einen Frequenzunterschied Af zwi- schen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl des Interferometers erzeugt. Durch die Frequenz- modulation und diesen Frequenzversatz Af der optischen Trägerfrequenzen erhält man auf dem Photodetektor Interferenzsignale bei den Frequenzen ¯f-fmod1 Af-fmod2 und Af+fmodi, Af+fmod2. Die Phasenlagen dieser Interferenzsignale spiegeln nun unmittelbar die Interferenzphasen der zugehö- rigen optischen Träger wieder.
Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Verfahren DE 4335036 C2 wird hier also keine IQ-Detektionsmethode benötigt. Das heisst, dass hier keine polarisationsoptische Phasenverzöge- rungseinrichtung, keine polarisationsselektive Aufteileinrichtung am Ausgang des Interferometers, kein zweiter Photodetektor und auch kein elektrischer Phasenschieber benötigt werden. Das oben geschilderte Problem, eine Art "Balance" zwischen den Signalen zweier unterschiedlicher Detek- toren einstellen zu müssen, entfällt damit. Alle oben beschriebenen Fehler, die mit den genannten Komponenten verbunden sind, werden dadurch vermieden.
Darüberhinaus kann der Frequenzunterschied Af so gewählt werden, dass sich die Interferenz-
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2fmod2 ...) in ihrer Frequenz unterscheiden. Die AM-Störanteile können dann leicht mit Hilfe eines Frequenzfilters aus dem elektrischen Signal des Photodetektors eliminiert werden.
Mit Hilfe eines Frequenzfilters wird aus dem elektrischen Signal entweder das Frequenzband
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Ein Multiplizierer erzeugt aus dem gefilterten elektrischen Signal ein Differenzfrequenzsignal
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stimmt die Phasenlage des Differenzfrequenzsignals und damit im obigen Sinne die absolute Ent- fernung des Objektes.
Bei der Messung an Objekten mit rauhen Oberflächen ist es gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung vorteilhaft, wie weiter unten beschrieben wird, das optische Interferenzsignal in räumlich getrennten Kanälen mit einer Detektormatrix aufzunehmen. Bei dem erfindungsgemässen Verfah- ren ist dazu nur eine einzige Matrix nötig, während dagegen bei der IQ-Detektion nach dem Stand der Technik (DE 4335036 C2) zwei identische Detektormatrices jeweils so positioniert werden müssten, dass identische Pixel auf den Matrices auch den identischen räumlichen Ausschnitt des Interferenzsignals detektieren. Ausserdem müsste die oben beschriebene Balance für alle Pixel der Detektormatrices erfüllt sein, was die Verwendung solcher Matrices zusätzlich erschwert, wenn nicht unmöglich macht.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist nur eine Matrix erforderlich, wodurch ein einfacher und robuster Aufbau eines Mehrwellenlängeninterferometers möglich wird.
Es ist Stand der Technik bei der Vermessung optisch rauher Oberflächen mittels Mehrfarben- interferometrie eine Detektormatrix zu verwenden. In jedem der Signalkanäle der Matrix lässt sich die Schwebungsphase für unterschiedliche Raumbereiche des Rückstreufeldes getrennt ermitteln.
Das bietet erhebliche Vorteile bezüglich der Signalstabilität, wie im folgenden ausgeführt wird.
Die Gestalt des vom Objekt zurückgestreuten Lichtfeldes hängt ab von der Mikrostruktur der Objektoberfläche. Eine optisch rauhe Oberfläche bewirkt ein verspeckeltes Rückstreufeld. Das heisst, ein statistisches Muster aus Bereichen hoher und geringer Lichtintensität (Speckle). Einen Bereich (Fleck) konstanter Lichtintensität bezeichnet man als Speckle. Werden mehrere Speckle aus einem bestimmten Raumbereich des Rückstreufeldes detektiert, ohne die von den einzelnen Speckle erzeugten Signale, welche die Interferenzphase tragen, zu unterscheiden, so tragen alle Speckle dieses Raumbereiches zu einem gemeinsamen, die Interferenzphase tragenden, Signal bei.
Da nun die Interferenzphasen der einzelnen Speckle statistisch, im ungünstigsten Fall von 0 bis 2Ò variieren, hängt die Stärke dieses Signals neben der Intensität der Speckle auch von der Verteilung der Interferenzphasen im detektierten Speckle-Feld ab. Insbesondere können bei einer ungünstigen Verteilung der Interferenzphasen des Speckle-Feldes, die Signale, welche die Interfe- renzphasen der optischen Wellenlängen tragen und demzufolge auch die daraus resultierenden Signale, welche die Schwebungsphasen tragen, so klein werden, dass eine Phasenmessung nicht mehr möglich ist. Das Messsignal bricht dann ein.
Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Signaleinbruch kann reduziert werden, wenn man die Schwebungsphase für mehrere Teilsignale, welche aus unterschiedlichen Raumbereichen des Speckle-Feldes gewonnen werden, zunächst getrennt ermittelt und dann erst die resultierenden Signale addiert. Das hat folgenden Grund : In verschiedenen Raumbereichen sind die Interferenz- phasen der Signale bei den verwendeten optischen Wellenlängen zwar verschieden, die Schwe- bungsphasen sind aber gleich.
Wertet man nun die Schwebungssignale in verschiedenen Raum- bereichen getrennt aus, dann kommt es bei einer anschliessenden Überlagerung dieser Schwe- bungssignale aufgrund der gleichen Phasen immer zu konstruktiver Interferenz Die Summe der Schwebungssignale verschwindet in der Regel auch dann nicht, wenn sich die optischen Interfe- renzsignale aus den verschiedenen Raumbereichen zu Null addieren. Bei der Mehrkanaldetektion ist das gesamte Schwebungssignal nur dann Null, wenn alle Teilsignale gleichzeitig, jedes für sich einzeln zu Null wird. In diesem Sinne erhält man durch die Mehrkanaldetektion ein stabileres Mess- signal. Die Stabilität erhöht sich mit der Anzahl der verwendeten Teilsignale. Zu diesem Zweck kann die Grösse der Teilbereiche zum Beispiel bis auf die mittlere Speckle-Grösse reduziert werden.
Wendet man die Idee der Mehrkanaldetektion auf das erfindungsgemässe Verfahren an, so bedeutet das, dass zwei Komponenten des elektrischen Signals nur dann zu dem massgeblichen
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Differenzfrequenzsignal mischen dürfen, wenn sie beide aus dem gleichen Raumbereich des Rückstreufeldes hervorgehen. Das massgebliche Differenzfrequenzsignal ist dabei jenes, welches die Schwebungsphase trägt und von der Phasenmesseinrichtung ausgewertet wird.
Die Mehrkanaldetektion gemäss Anspruch 7 kann sowohl auf das Verfahren nach Anspruch 1, als auch auf das Heterodynverfahren und das Verfahren DE 4335036 C2 angewendet werden.
Bei der neuartigen, erfindungsgemässen Realisierung der Mehrkanaldetektion werden die elek- trischen Signale aus den unterschiedlichen Raumbereichen des Rückstreufeldes zunächst mit charakteristischen Kanalfrequenzen fA, fB, fc, ... getrennt moduliert und dann in einem Kanal zusammengefasst. Die neuen Frequenzkomponenten in den elektrischen Signalen können auf- grund ihrer unterschiedlichen Frequenzen den verschiedenen Raumbereichen zugeordnet werden.
Je zwei Komponenten aus dem elektrischen Signal können nur dann zum massgeblichen Differenz- frequenzsignal beitragen, wenn sie mit den gleichen Kanalfrequenzen moduliert worden sind. Zwei Komponenten des elektrischen Signals, die mit unterschiedlichen Kanalfrequenzen moduliert wor- den sind, können nicht zum massgeblichen Differenzfrequenzsignal beitragen. Auf diese Weise können nur solche Komponenten des elektrischen Signals, welche aus dem gleichen Raumbereich des Rückstreufeldes hervorgehen, zum massgeblichen Differenzfrequenzsignal beitragen.
Die zusätzliche Modulation der elektrischen Teilsignale kann zum Beispiel direkt durch elektri- sche Modulatoren erzeugt werden. Dazu eignet sich sowohl eine Amplitudenmodulation als auch eine Frequenz- oder Phasenmodulation des elektrischen Signals. Die zusätzliche Modulation des elektrischen Signals kann auch durch einen optischen Modulator erzeugt werden, welcher zum Beispiel die Intensität des Lichtes vor dem Photodetektor oder die Frequenz bzw. die Amplitude des Lichtes in einem Arm des Interferometers moduliert.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat den Vorteil, dass die Signale nach der zusätzlichen Modulation auf einer gemeinsamen Signalleitung geführt werden, und dennoch aufgrund ihrer Fre- quenz unterschieden werden können Diese Zusammenführung der Signalleitungen auf eine ein- zige Signalleitung ermöglicht einen einfachen und stabilen Aufbau eines Mehrkanaldetektors.
So wird zum Beispiel zur Auswahl eines bestimmten Frequenzbandes aus dem elektrischen Signal lediglich eine einzige Frequenzfiltereinrichtung und zur Erzeugung des Differenzfrequenz- signals lediglich ein einziger Mischer benötigt, während die Anzahl dieser Komponenten bei einer Ausführung nach dem Stand der Technik (Fig. 3) durch die Zahl der verwendeten Signalkanäle bestimmt wird.
Lediglich diejenigen Komponenten des elektrischen Signals, die durch die zusätzliche Modu- lation nicht in ihrer Frequenz versetzt werden und bei den ursprünglichen Frequenzen ¯f-fmod1, Af-fmod2. -- verbleiben, können nach wie vor noch mit den entsprechenden Signalen anderer Kanäle ein Differenzfrequenzsignal bei der massgeblichen Frequenz bilden. Diese Signalkomponenten nehmen gewissermassen nicht an der Mehrkanalverarbeitung teil, sondern werden nach wie vor noch so wie bei der Einkanaldetektion verarbeitet. Der Anteil dieser durch die zusätzliche Modula- tion in ihrer Frequenz unveränderten Signalkomponenten im Vergleich zu den in ihrer Frequenz veränderten Komponenten hängt ab von der Art der Modulation.
Erzeugt man zum Beispiel eine sogenannte "Modulation mit unterdrücktem Träger", so ist der Anteil der Komponenten mit den ursprünglichen Frequenzen klein. In diesem Fall nehmen dann alle Komponenten des elektrischen Signals an der Mehrkanalverarbeitung teil. Das neuartige erfin- dungsgemässe Verfahren zur Mehrkanalverarbeitung unter Verwendung einer zusätzlichen Modula- tion für die elektrischen Signale aus unterschiedlichen Raumbereichen des Rückstreufeldes kann in analoger Weise auch in Kombination mit dem Heterodynverfahren oder dem Verfahren
DE 4335036 C2 angewendet werden.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen interferometrischen Einrichtung, welche mit drei Trägerfrequenzen betrieben wird. Das Interferometer kann auch mit einer beliebi- gen anderen Anzahl optischer Träger betrieben werden.
Bei der in Figur 1 gezeigten Einrichtung ist eine Laserlichtquelle 1 vorgesehen, welche mehrere optische Träger (1a, 1b, 1c) erzeugt. Dies können zum Beispiel unterschiedliche longitudinale
Moden eines oder mehrerer Laser sein. Die optischen Träger (1a, 1b, 1c) können zum Beispiel auch durch Halbleiterlaser erzeugt werden, die Licht auf unterschiedlichen Emissionswellenlängen aussenden Ausserdem können aus einer einzelnen optischen Trägerfrequenz mit Hilfe von Fre- quenzschiebeeinrichtungen (z. B. akkustooptischen Modulatoren) auch mehrere unterschiedliche
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optische Träger erzeugt werden.
Mit Hilfe von Modulationseinrichtungen (2a, 2b, 2c) werden die von der Laserlichtquelle erzeug- ten optischen Träger f1, f2, f3 ... (1a, 1b, 1c) mit individuellen Modulationsfrequenzen (fmod1 , fmod2,
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f2+fmod2 und f2-fmod2 erzeugt, ... usw. (siehe Fig. 2). Der Modulationshub für die Frequenzmodulation wird dabei relativ klein gewählt (z. B. 1,08 rad), so dass neben den Trägern im wesentlichen nur die genannten Seitenbänder entstehen. Die Modulationsfrequenzen fmod1, fmod2, fmod3, ... werden so
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einrichtung 2 kann zum Beispiel durch elektrooptische Kristalle realisiert werden. Die Modulations- einrichtung 2 kann zum Beispiel auch in der Lichtquelle 1 enthalten sein.
So kann zum Beispiel die Emissionsfrequenz eines Halbleiterlasers durch geringfügige Modulation des Injektionsstromes moduliert werden. Die Modulationseinrichtungen (2a, 2b, 2c) werden von Referenzoszillationsein- richtungen (3a, 3b, 3c) gesteuert, welche auch Referenzsignale mit den Modulationsfrequenzen
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Das Licht mit den frequenzmodulierten optischen Trägern 4 wird mit Hilfe einer Strahlaufspal- tungseinrichtung 5 in einen Referenzstrahl 6, welcher über einen Referenzweg fester Länge ge- führt wird, und in einen Messstrahl 7, welcher von einem Objekt 10 reflektiert wird, aufgespalten.
Die Strahlaufspaltungseinrichtung 5 kann zum Beispiel durch einen Strahlteiler oder einen Faser- koppler realisiert sein.
Mit Hilfe einer Frequenzverschiebeeinrichtung 8 wird ein Frequenzunterschied Af (z. B.
110 MHz) zwischen dem Messstrahl 7 und dem Referenzstrahl 6 erzeugt. Die Frequenzverschiebe- einrichtung 8 kann aus ein oder zwei Frequenzverschiebeeinheiten bestehen, welche im Messzweig 7 oder im Referenzzweig 6 oder in beiden angebracht sein können. Als Frequenzverschiebeeinheit 8 kann z. B. ein akkustooptischer Modulator verwendet werden. Insbesondere kann die Frequenz- verschiebeeinrichtung 8 auch zusammen mit der Strahlaufspaltungseinrichtung 5 oder der Strahlre- kombinationseinrichtung 9 (siehe unten) in einer kombinierten Einrichtung enthalten sein. Die Fre- quenzverschiebeeinrichtung 8 wird von einer Referenzoszillationseinrichtung 11angesteuert, wel- che ein Signal der Frequenz Af zur Verfügung stellt.
Der Messstrahl wird vom Objekt 10, das zum Beispiel ein Spiegel, ein Retroreflektor (wie in Fig. 1 dargestellt) aber auch ein Objekt mit diffus streuender Oberflächen sein kann, ganz oder teil- weise reflektiert. An einer Strahlrekombinationseinrichtung 9, welche den Messstrahl 7 und den Referenzstrahl 6 überlagert, interferieren der vom Objekt 10 ganz oder teilweise reflektierte Mess- strahl 7 und der über eine feste Referenzstrecke 6 gelaufene Referenzstrahl 6 unter Bildung eines optischen Interferenzsignals. Mittels einer Photodetektoreinrichtung 12 wird dieses optische Inter- ferenzsignal in ein elektrisches Signal 13 gewandelt.
Durch die Frequenzmodulation mit den Modulationsfrequenzen fmodi. fmod2, fmod3 ... (z.B.
30 MHz, 30,5 MHz, 31,25 MHz) in der Modulationseinrichtung 2 und den durch die Frequenzver- schiebeeinrichtung 8 zwischen Messstrahl 7 und Referenzstrahl 6 erzeugten Frequenzunterschied Af (z. B. 110 MHz) sind die Signale auf der elektrischen Leitung 13 mit den Frequenzen ¯f-fmod11
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140 MHz, 140,5 MHz, 141,25 MHz ...) amplitudenmoduliert.
Das von der Photodetektoreinrichtung 12 gelieferte elektrische Signal 13 gelangt an eine Fre- quenzfiltereinrichtung 14, welche bewirkt, dass entweder die Komponenten des elektrischen Signals
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140 MHz-Band) durchgelassen werden, oder umgekehrt, dass die Komponenten des elektrischen Signals 13 mit den Frequenzen ¯f+fmod1 Af+fmod2, Af+fmod3 ... (z.B. 140 MHz-Band) unterdrückt und
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80 MHz-Band) durchgelassen werden.
Die Durchlassbandbreite dieser Frequenzfiltereinrichtung 14 legt eine obere Grenze für die maximale Doppler-Verschiebung der elektrischen Signale und damit für die maximal mögliche Geschwindigkeit des Messobjektes fest. Zum Beispiel können bei einer Durchlassbandbreite der
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Frequenzfiltereinrichtung 14 von +/- 10 MHz und einer mittleren optischen Wellenlänge von 1 m die elektrischen Signale bis zu einer Objektgeschwindigkeit von +/- 5 m/s erfasst werden.
Die Phasenlage der Amplitudenmodulation des elektrischen Signals 13 bei der Frequenz
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(Interferenzphase) zwischen dem zum optischen Träger f, 1a gehörenden Messstrahl 7 und dem zum gleichen optischen Träger 1agehörenden Referenzstrahl 6 wieder. Entsprechend spiegelt die Phasenlage der Amplitudenmodulation des elektrischen Signals 13 mit der Frequenz ¯f-fmod2 (z.B.
79,5 MHz) oder der Frequenz Af+fmod2 (z. B. 140,5 MHz) die relative Phase (Interferenzphase) zwi- schen dem zum optischen Träger f2 1 b gehörenden Messstrahl 7 und dem zum gleichen optischen Träger 1 b gehörenden Referenzstrahl 6 wieder. Entsprechendes gilt auch für alle weiteren Träger f3, f4, fs ... usw.
Im Vergleich zu dem Verfahren DE 4335036 C2 erhält man also die Signale, deren Phasen- lagen die Interferenzphasen wiederspiegeln, unmittelbar in dem, von der Photodetektoreinrichtung 12 erzeugten elektrischen Signal 13 und eine IQ-Detektionseinrichtung wird hier nicht benötigt.
Ausserdem können die Modulationsfrequenzen fmod1, fmod2, fmod3 ... (z. B. 30 MHz-Band) und die Ver- schiebefrequenz Af (z.B. 110 MHz) so gewählt werden, dass sich die Komponenten des elek- trischen Signals 13, welche die Interferenzphasen tragen (z. B. 80 MHz-Band bzw. 140 MHz-Band), und die Komponenten die aus einer unbeabsichtigten Amplitudenmodulation der Frequenzmodula- tionseinrichtung 2 hervorgehen, in ihrer Frequenz unterscheiden. Durch die Amplitudenmodulation können zum Beispiel neben den AM-Komponenten bei den Modulationsfrequenzen fmodl, fmod2, ...
(z. B. 30 MHz-Band) auch noch höhere Harmonische bei den Frequenzen 2fmod1 3fmod1, .., 2fmod2, 3fmod2 ... usw. (z.B. 60 MHz-Band, 90 MHz-Band) entstehen. Mit Hilfe der Frequenzfiltereinrichtung 14 können diese unbeabsichtigt erzeugten Signalkomponenten unterdrückt werden. Das erfin- dungsgemässe Verfahren eignet sich daher in besonderer Weise für die Verwendung strommodu- lierter Laserdioden, da hier neben der Frequenzmodulation auch stets ein gewisser Amplituden- modulationsanteil vorhanden ist.
Die Messung der zum Träger f1 1a gehörigen Interferenzphase kann zum Beispiel relativ zu
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Ein solches Referenzsignal lässt sich zum Beispiel aus den Referenzsignalen 3a, 11der Frequen- zen fmod1 (z. B. 30 MHz) und Af (z. B. 110 MHz) erzeugen, welche die Frequenzmodulationseinrich- tung 2a und die Frequenzverschiebeeinrichtung 8 steuern (entsprechend für Af-fmod2 und Af+fmod2.
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Bildet man die Differenz (Schwebungsphase) zwischen der zum optischen Träger f, 1 a gehö- renden Interferenzphase und der zum optischen Träger fz1 b gehörenden Interferenzphase, so ermöglicht die Kenntnis dieser Phasenlagendifferenz, wie oben beschrieben, eine absolute Entfer- nungsbestimmung, bei der die Entfernungsvorinformation nur noch eine halbe, zu den optischen Trägern f1 1a und f2 1b gehörige, Schwebungswellenlänge As betragen muss, wobei As= c/(f2-fi).
Dabei ist c die Geschwindigkeit des Lichtes
Zur Gewinnung der Schwebungsphasen wird das von der Filtereinrichtung 14 durchgelassene Signal von einem Multiplizierer 15 weiterverarbeitet welcher ein Differenzfrequenzsignal 16 mit
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1,25 MHz, 750 kHz.) erzeugt. Die Phasenlage der Komponente des Differenzfrequenzsignals 16
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zwischen der zum optischen Träger f1 1a gehörenden Interferenzphase und der zum optischen Träger f2 1 b gehörenden Interferenzphase wieder. Entsprechend spiegelt die Phasenlage der Kom-
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differenz (Schwebungsphase) zwischen der zum optischen Träger f3 1c gehörenden Interferenz- phase und der zum optischen Träger f1 1a gehörenden Interferenzphase wieder. Entsprechendes gilt für die übrigen Komponenten (fmod3-fmod2, ... usw.) des Differenzfrequenzsignals 16.
Dem Multiplizierer 15 ist eine elektrische Filtereinrichtung 17 nachgeschaltet, auf deren Aus- gangsleitungen 18a, 18b,... die unterschiedlichen Komponenten des Differenzfrequenzsignals 16
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elektrischen Filtereinheit 17a wird aus dem Differenzfrequenzsignal 16 nur die Komponente mit der Frequenz fmod2-fmodi (z. B. 500 kHz) auf der Ausgangsleitung 18a ausgegeben. Mit Hilfe der elek- trischen Filtereinheit 17b wird aus dem Differenzfrequenzsignal 16 nur die Komponente mit der
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Weise von der elektrischen Filtereinrichtung 17 verarbeitet werden.
Die Signale auf den Ausgangsleitungen 18a, 18b,... der elektrischen Filtereinrichtung 17 wer- den einer Phasenvergleichseinrichtung 19 zugeführt. Die Phasenvergleichseinrichtung 19 ermittelt die Phasenlage der Komponenten des Differenzfrequenzsignals relativ zu den entsprechenden Referenzdifferenzfrequenzsignalen 21a, 21b, ..., welche von einem Differenzbilder 20 zur Verfü- gung gestellt werden und sich aus den entsprechenden Referenzoszillationseinrichtungen 3a, 3b, 3c für die Frequenzen fmod1 fmod2, fmod3, ... usw. ableiten.
Die Phasenvergleichseinheit 19a ermittelt die Phasendifferenz zwischen der Komponente des Differenzfrequenzsignals bei der Frequenz fmod2-fmodi 18a (z.B. 500 kHz) relativ zu einem Referenz- differenzfrequenzsignal 21a, das sich von den Referenzoszillationseinrichtungen der Frequenzen fmodi 3a (z. B. 30 MHz) und fmod2 3b (z. B. 30,5 MHz) ableitet. Die ermittelte Phasenlagendifferenz spiegelt dann die zu den optischen Trägern f1 1a und f2 1b gehörige Schwebungsphase wieder und wird auf der Leitung 22a an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 23 weitergegeben.
Die Phasenvergleichseinheit 19b ermittelt die Phasendifferenz zwischen der Komponente des
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renzdifferenzfrequenzsignal 21b, das sich von den Referenzoszillationseinrichtungen der Frequen- zen fmod1 3a (z. B. 30 MHz) und fmod3 3c (z. B. 31,25 MHz) ableitet. Die ermittelte Phasenlagendiffe- renz spiegelt dann die zu den optischen Trägern f1 1a und f3 1c gehörige Schwebungsphase wieder und wird auf der Leitung 22b an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 23 weitergegeben.
Alle weiteren Komponenten (fmod3-fmod2. fmod4-fmodi. @ usw. ) des Differenzfrequenzsignals kön- nen in gleicher Weise von der Phasenvergleichseinrichtung 19 verarbeitet werden. Auf diese Weise kann die zu einem beliebigen Paar optischer Träger gehörige Schwebungsphase ermittelt werden. Eine Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 23 ermittelt aus den Schwebungsphasen die Lage des Objektes 10 und zeigt diese an.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt mit zusätzlicher Modulation der elektrischen Signale aus den unterschiedlichen Raumbereichen des Rückstreufeldes. Die opti- schen Interferenzsignale aus den unterschiedlichen räumlichen Bereichen 7A, 7B, 7C,... werden mit getrennten Photodetektoreinrichtungen 12A, 12B, 12C,... in elektrische Signale gewandelt, welche mit charakteristischen Kanalfrequenzen fA, fB, fc, fD ... (z. B. 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz ...) moduliert werden. Dazu kann wahlweise die Amplitude, die Phase bzw. die Frequenz der elek- trischen Signale moduliert werden.
So entstehen zum Beispiel durch eine Amplitudenmodulation mit der Frequenz fA auf der
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und Af-fmod2-fA ... usw. Entsprechendes gilt für eine Amplitudenmodulation mit der Frequenz fB auf der Leitung 26B. Die Amplitudenmodulation durch die Modulatoren 25 kann zum Beispiel mit unter- drücktem Träger erfolgen, so dass am Ausgang der Modulatoren 26 die Komponenten bei den
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Entscheidend ist, dass durch die zusätzliche Modulation zwar die absolute Frequenz der Kompo- nenten, welche die Interferenzphasen tragen, verändert wird, jedoch der Frequenzabstand zwi- schen diesen Komponenten innerhalb eines Teilsignals unverändert bleibt.
Mit einer Additionseinrichtung 27 können die Teilsignale auf eine gemeinsame Leitung zusam- mengeführt werden und einer gemeinsamen Filtereinrichtung 14 zur Auswahl des gewünschten Frequenzbandes (z. B. 80 MHz-Band oder 140 MHz-Band) und einem gemeinsamen Mischer 15 zur Erzeugung des Differenzfrequenzsignals zugeführt werden.
Die vom Mischer 15 erzeugte Komponente des Differenzfrequenzsignals mit der Frequenz
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listung zeigt, dass durch die Mischung 15 nur solche Paare von Komponenten, welche aus dem gleichen Teilsignal und damit aus dem gleichen Raumbereich des Rückstreufeldes hervorgehen, ein Differenzfrequenzsignal bei der massgeblichen Frequenz fmod2-fmodi bilden.
Die elektrische Filtereinheit 17a lässt die Signalanteile bei der Differenzfrequenz fmod2-fmodi durch
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und unterdrückt gleichzeitig solche Komponenten des Differenzfrequenzsignals, welche aus einer Mischung von Signalkomponenten unterschiedlicher Teilsignale hervorgehen und zum Beispiel bei
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Entsprechend lässt die elektrische Filtereinheit 17b nur die Signalanteile bei der Differenzfre-
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Damit diese unerwünschten Signale die elektrische Filtereinrichtung 17 nicht passieren kön- nen, müssen die Kanalfrequenzen (fA, fB, fc, ... ) sowie die Frequenzabstände zwischen den Kanal- frequenzen (fA-fe, fA-fc, fa-fc. ...) grösser gewählt werden als die Durchlassbandbreiten (z. B. 10 kHz) der elektrischen Filtereinheiten 17a, 17b, .... Ferner müssen sich die Kanalfrequenzen (fA, fe, fc, ...) sowie die Frequenzabstände zwischen den Kanalfrequenzen (fA-fB, fA-fc- fB-fc, ...) von den verwen-
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mindestens um den Betrag der Durchlassbandbreiten der elektrischen Filtereinheiten 17a, 17b, ....
Die zusätzliche Modulation kann auch bereits vor der Photodetektoreinrichtung 12 durch einen räumlich unterteilten optischen Modulator 28 (28A, 28B, 28C,...) erfolgen. So kann der optische Modulator 28 zum Beispiel als Intensitätsmodulator (siehe Fig. 5) ausgeführt sein, welcher die Intensität des Lichtes nach der Rekombinationseinrichtung 9 mit unterschiedlichen Modulations- frequenzen fA, fB, fc, ... für die unterschiedlichen Raumbereiche 7A, 7B, 7C, ... des Rückstreufeldes moduliert. Die Intensitätsmodulation des Lichtes bewirkt eine Amplitudenmodulation des elektri- schen Signals, welche in gleicher Weise wie beim elektrischen Modulator 25 weiterverarbeitet wer- den kann Vorteilhaft bei der Verwendung eines räumlich unterteilten optischen Modulators 28 ist es, dass die Mehrkanalverarbeitung ohne die Verwendung einer Photodetektormatrix durchgeführt werden kann.
Dazu ist wie bei der Einkanalverarbeitung nur eine einzige Photodetektoreinrichtung 12 zur Detektion der Interferenzsignale ausreichend.
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