CN104237894A - 距离改变的干涉测量确定 - Google Patents

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Abstract

距离改变的干涉测量确定。通过干涉测量法确定到对象的距离的改变的方法包括：从激光二极管发射测量激光；接收测量激光的至少一部分；使反射的测量激光与基准激光叠加而提供干涉测量相位；根据叠加确定到对象的距离的改变。利用低相干性和宽光谱带宽发射测量激光，其中测量激光的发射波长在光谱带宽内无跳变地波动，导致干涉测量相位波动。以第一检测速率连续检测干涉测量相位，该检测速率高以致连续地增量跟踪干涉测量相位波动，使得由干涉测量相位的连续检测提供的连续干涉测量相位状态相差低于π的相移。此外，检测到的相位波动在限定的平均时段内被平均并得到平均相位。根据平均相位以与平均时段相关的第二检测速率确定到对象的距离的改变。

Description

距离改变的干涉测量确定
技术领域
本发明总体上涉及用于确定到对象的距离的改变的方法，并且涉及用于确定该改变的干涉仪。
背景技术
使用经典的干涉测量法或自混合(或光反馈)干涉测量法的激光二极管干涉测量法是众所周知的并且很好地记载在文献中。虽然自混合干涉测量法是一种有吸引力的技术(干涉现象在激光二极管腔内部发生)，但是难以与频率稳定组合以得到精确波长，因为发射波长受光反馈影响。
现今，激光二极管被构建为相干源，相干源被集成在多个消费产品(例如，CD和DVD播放机、光学鼠标、激光指示器)中。然而，为了实现高精度位移测量(具有ppm或甚至亚ppm精度)和远程测量，激光二极管的绝对频率稳定是强制性的。此外，激光源的相干长度必须比得上测量范围。
对稳定激光二极管干涉仪的研究和开发一直是多个研究项目的主题。在1995年，由纳沙泰尔微技术研究所(IMT)《Observatoire Cantonal de》和TESA公司组成的联合体能够在CERS的框架中相对于高精密工业干涉仪的铷吸收谱线实现激光二极管的绝对频率稳定。然而，标准法布里-珀罗激光二极管(其在当时是最通用的激光二极管)受频率模跳变影响(即，频率按几十纳米跃变并且超出稳定回路的锁定范围)。这个问题阻止了采用这样的二极管的干涉仪的工业化。
跳模的问题可以通过使用分布式布拉格(Bragg)反射器(DBR)或分布式反馈(DFB)激光二极管来解决。被用在这些技术中的布拉格光栅作为频率选择性反射镜并且使得能够显著提高模跳变自由调谐范围。发射大约1.5μm的DFB激光二极管变成用于电信应用的标准激光器并且因此是成本效益合算的。然而，大约780nm或850nm(分别与铷或铯吸收波长相对应)所谓的DBR和DFB(边发射)激光器的成本仍然是高的。得益于微型原子钟领域中的最近研究项目，新的技术(诸如离散模二极管激光器)和新的供应商现在正在出现，从而指示能够在性能方面预期更多改进。
自2004年以来，垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)现在被大量制造(主要用于计算机鼠标)。它们由至少一个布拉格光栅组成，并且激光器腔的长度是如此小以致除非光在激光器腔中被意外地回复反射，否则任何模跳变都是不可能的。例如，在激光计算机鼠标中所使用的VCSEL是单模，在850nm(与Cs吸收波长相对应)附近发射，并且需要非常低的阈值电流。然而缺点是它们的范围从1m到仅3m的相干长度、波长容差(+/-10nm)以及它们的频率噪声频谱，这对干涉测量相位波动有相当强烈的影响。
激光源的一般有限的相干长度限制通用干涉仪的距离范围。如果基准臂与测量臂之间的光路长度大于相干长度，则干涉信号变得非常微弱。在标准检测器情况下远超过相干长度限制的测量是不可能的。
此外，通用干涉仪可能对来自基准臂和测量臂的光学反馈敏感。结果，可以产生激光器辐射的反复无常的模跳变或者甚至混沌行为。为了减轻这种影响常常使用光学隔离器。
此外，激光波长展示低频变化。这些常常在频谱中显示为1/f-噪声。波长的相对改变导致所测相对距离的对应改变。能够通过使用激光器的温度或电流控制将已发射的激光波长调谐到一定频率标准来降低波长变化。取决于控制回路带宽，从而能够消除1/f-噪声贡献的相当大的一部分。
此外，激光展示波长的快速波动。这些高频波动能够由(白)频率噪声很好地描述，所述(白)频率噪声扩大标准电子组件可达到的采集带宽。一方面，这些频率波动引起相位波动，所述相位波动导致对应的距离波动。这些影响常常能够通过所得到的距离的适当滤波来减轻。如果这些相位波动在检测时间内大于2π，则平均相位的确定进而平均距离的确定失败。在这种情况下，采集电子器件不能够跟随信号，使得不能够明确地确定相位并且相位解缠绕失败。
上面提到的激光二极管(特别是VCSEL)的缺点，结合用于距离或到对象的距离的改变的远程测量的干涉仪可以通过使用具有大相干长度的激光二极管或者通过使用像气体激光器(例如HeNe-激光器)这样的其它类型的光束源来避免。例如在欧洲专利申请No.11187614.0中描述了这种采用具有大相干长度的激光二极管的设备(激光跟踪仪)。附加地，现有技术水平全站仪典型地装配有气体激光器以用于干涉仪。然而，气体激光器对于距离测量的使用的布置要求相当多的空间并且具有大相干长度的指定激光二极管的成本或气体激光源的成本是比较高的。特别地，考虑到小型化努力，空间要求对于这些设备是一个主要缺点。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种改进的具有光束源的干涉测量设备，所述光束源包括紧凑设计并且在远程距离(例如，多达100m)处提供精确的距离改变测量。
本发明的另一个目的是提供一种改进的具有激光二极管的干涉测量设备，所述二极管包括相对适度的相干性但该设备无论如何提供精确的远程距离改变测量。
本发明的又一个目的是提供一种改进的具有低成本和可比较的低性能激光二极管以及具有使得能够实现远程距离改变测量的补偿能力的干涉仪。
这些目的通过实现独立权利要求的特征来实现。以另选或有利的方式进一步开发本发明的特征在从属专利权利要求中被描述。
本发明涉及一种用于通过干涉测量法利用以下步骤来确定到对象的距离的改变的方法：从激光二极管发射测量激光；接收从对象反射的测量激光的至少一部分；使经反射的测量激光与基准激光叠加并且从而提供至少干涉测量相位；以及取决于叠加来确定到对象的距离的改变。
根据本发明，利用低相干性和宽光谱带宽来发射测量激光，其中，测量激光的发射波长在光谱带宽内无跳变地波动从而引起干涉测量相位波动，特别是其中，在一米到三米之间的相干长度下发射测量激光。按照第一检测速率连续地检测干涉测量相位，所述第一检测速率和用于处理所检测到的干涉测量相位的速率是那么高以致干涉测量相位波动被连续地增量式地跟踪，使得由干涉测量相位的连续检测所提供的连续干涉测量相位状态相差小于π的相移，特别是相差π的一小部分。此外，检测到的相位波动在限定的平均时间段内被平均并且得到平均相位。根据平均相位按照第二检测速率得到与对象的距离的改变，其中，所述第二检测速率与平均时间段相关联。
距离改变的本检测和确定的主要影响是距离改变可在测量范围上测量，所述测量范围明显地大于用于检测的测量光的相干长度。
特别地，到对象的距离被假定为随着对象的预定义速度(特别是10m/s)而改变最大，同时检测连续干涉测量相位状态。最大对象速度被选择为使得由对象的移动所引起的相位波动和相移同时小于π。
本发明总体上涉及利用发射激光的激光二极管的干涉测量法，所述激光在光谱带宽内波动。为了利用具有这种激光二极管的干涉设备来提供远程距离改变测量，所出现的相位波动利用提供检测以及信号和/或数据处理速度的检测设备来监测，所述信号和/或数据处理速度是如此高以致干涉测量相位的波动(通过使波动的测量激光与基准激光叠加来生成)是可跟踪的，特别是能够例如利用较低速度得到平均干涉测量相位的进展。这意味着，快速检测和处理速率被选择得如此高以致两个连续地检测到的干涉测量相位状态之间的差小于π。距离改变确定通过计算在限定的时间段内所检测到的干涉测量相位的平均值来提供并且由此得到平均相位。距离改变然后通过按照第二检测速率(较低速度)考虑一系列平均相位值来得到。
在本发明的特定实施方式的上下文中，第一干涉测量信号、第二干涉测量信号或更多干涉测量信号通过连续地检测测量激光与基准激光的叠加来提供，特别是其中，按照第一检测速率来执行检测。
通过这样的叠加例如相位波动的和平均相位值的正交检测被启用，并且此外，到对象的距离的改变的方向是可确定的，即，正交检测使得能够明显地区分渐增距离改变和渐减距离改变。
根据本发明，特别地，可以从至少第一干涉测量信号和第二干涉测量信号得到干涉测量相位和干涉测量相位波动。此外，可以基于至少第一干涉测量信号和第二干涉测量信号来确定到对象的距离的改变，其中，取决于至少第一干涉测量信号和第二干涉测量信号的改变来得到距离的改变的方向。
根据第一干涉测量信号和第二干涉测量信号确定干涉测量相位能够例如通过与相位解缠绕算法相结合地使用ATAN2函数(具有两个参数的反正切函数)来完成。
此外，根据本发明的特定实施方式，第一和/或第二或更多干涉测量信号被以限定的方式调制并且经调制的第一和/或第二或更多干涉测量信号被检测以便计算偏移和/或归一化以用于监测干涉测量信号，特别是以便根据在调制时所生成的至少第一干涉测量信号和第二干涉测量信号来计算偏移和/或归一化。可以利用10kHz到30kHz之间的频率对相位进行调制。
在本发明的另一个实施方式的上下文中，第一干涉测量信号、第二干涉测量信号或更多干涉测量信号的调制通过周期性地交替变化测量激光的发射波长来实现，特别是通过变化激光二极管的电流和/或温度和/或通过周期性地交替变化激光二极管的腔长度、和/或通过针对测量激光或基准激光周期性地交替变化光路长度来实现。
通常涉及本发明，为了确定(以及为了监测)干涉测量相位通常许多方法是已知的。一些常用技术是：
·外差法：基准臂或测量臂的频移，例如采用声光调制器。
·正交检测：利用适当的相移使基准光束和测量光束叠加实现干涉测量相位的确定。叠加和相移能够例如利用使用分束器相叠的迈克尔逊干涉测量装置来获得。
·3x3光纤耦合器：利用光纤光元件代替分束器实现的正交检测器。
·基准臂的路径长度调制：例如采用光机械元件(例如，压电驱动反射镜)或提供改变光路长度的光电元件。
这些提到的技术是相对复杂的并且要求精密装置。鉴于本发明，更适合的解决方案可以通过以下各项来提供：
·衍射光学元件(DOE)(例如二元DOE)用作自由空间3x3耦合器。在两个输出端口上的干涉测量信号具有相位偏移，该相位偏移是DOE的光栅周期和光栅深度的函数。理想地，DOE可以被设计成在两个干涉测量信号通道之间产生π/2的相位偏移。然而，同样能够针对其它相位偏移来提取干涉测量相位。
·用于生成干涉测量信号的对应调制的激光波长的调制。所得到的信息能够被用来明确地确定干涉测量相位。
参照波长稳定的方面，根据本发明的特定实施方式，依据发射波长来测量测量激光的实际吸收级别，并且以自动化的且连续的方式依据实际吸收级别来调节测量激光的发射波长，特别是其中，通过激光二极管的电流和/或温度的变化和/或通过腔长度的变化(例如采用可调谐VCSEL-垂直腔面发射激光二极管)来调节发射波长。
为了提供已知激光波长-根据本发明-主要由激光二极管的频率噪声功率频谱密度的1/f噪声部分所引起的所谓的慢频率波动可以通过主动稳频回路(特别是通过利用吸收池)来主动地控制。激光二级管的波长可以通过二极管处的温度和电流设定来调节。
特别地，根据本发明的另一个实施方式，可以按照所限定的方式根据在对第一和/或第二或更多干涉测量信号进行调制时测量到的吸收级别来计算误差值，其中，依据所计算的误差值来执行发射波长的调节，特别是其中，通过数字处理来得到误差值。
根据本发明的更特定的实施方式，误差值被用于微调转换因子以便提高对于所确定的距离的改变的精确度，转换因子限定从连续地确定的相位值到距离改变值的转换。
在根据本发明的用于确定距离的改变的方法的上下文中，特别地，测量激光由激光二极管来发射。这个二极管-根据特定实施方式-被构建为包括布拉格光栅的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)，其中，激光二级管被设计为使得测量激光的发射波长可在波长区内调节，特别是其中，波长可通过激光二极管的温度和/或电流的变化和/或腔长度的变化来调节(可调谐VCSEL)。
因为发生的相变(由波长的调制所引起)与到对象的距离成比例，所以为了确定或者至少为了估测到对象的绝对距离，可以测量这个相变并且可以得到距离。反过来，调制被控制使得相变保持不变并且可以从调制的控制得到距离。
换句话说，根据本发明的特定实施方式，第一和/或第二或更多干涉测量信号被以限定的方式调制，并且到对象的绝对距离是基于经调制的第一和/或第二或更多干涉测量信号得到的。
本发明还涉及一种用于确定到对象的距离的改变的干涉仪，该干涉仪包括：激光二极管，其用于发射测量激光；基准臂，其为基准激光限定基准光路长度，其中，基准激光是通过利用分束器从测量激光得到的；以及测量臂，其为测量激光限定测量光路长度。此外，所述干涉仪配备有：接收装置，其用于接收从对象(例如，回复反射器)反射的测量激光的至少一部分；叠加装置，其用于使测量激光与基准激光叠加并且从而提供干涉测量相位；检测单元，其用于连续地检测测量激光与基准激光的叠加并且用于提供干涉测量相位；以及控制和处理单元，其至少用于根据叠加来确定到对象的距离的改变。
根据本发明，激光二极管被设计为使得利用低相干性和宽光谱带宽来发射测量激光，其中，测量激光的发射波长在光谱带宽内无跳变地波动从而引起干涉测量相位波动，特别是其中，在一米到三米之间的相干长度下发射测量激光。附加地，所述控制和处理单元被调节用于执行距离测量功能，在执行所述距离测量功能时，到对象的距离的改变的确定通过利用检测单元按照第一检测速率连续地检测干涉测量相位来执行，检测速率和用于处理所检测到的干涉测量相位的速率是那么高以致干涉测量相位波动被连续地增量式地跟踪，使得由干涉测量相位的连续检测所提供的连续干涉测量相位状态相差低于π的相移，特别是相差π的一小部分。所检测到的相位波动在限定的平均时间段内被平均并且得到平均相位。此外，根据平均相位按照第二检测速率来确定到对象的距离的改变，第二检测速率与平均时间段相关联。
特别地，这种干涉仪与CMM(坐标测量机)一起用于测量测量点的位置或位置改变或者用于这种机器的校准。
为了提供进展的明显检测，可以生成第二或更多干涉测量信号。根据本发明，叠加装置可以被构建为使得测量激光被与基准激光叠加，以便提供第一、第二或更多叠加光信号，特别是其中，叠加装置包括衍射光学元件，特别是二元相位光栅。
特别地，检测单元–根据本发明–包括第一、第二或更多检测组件，其中，各个检测组件被布置用于检测第一、第二或更多叠加光信号中的一个并且第一、第二或更多干涉测量信号可通过检测组件来提供。在该上下文中，检测单元可以包括–根据特定实施方式–模拟-数字转换器和可编程逻辑器件或限幅放大器以及零交叉正交检测以用于处理干涉测量信号。
根据本发明的更特定的实施方式，在相移干涉信号的检测之后，模拟调节电子器件被用来检测它们的偏移和振幅并且用来校正偏移以及使振幅归一化。能够以两种不同的方式或者以其组合来实现正交检测电子电路。电路的第一种实现包括A/D转换器和可编程逻辑器件，其中，干涉测量信号(以不同的方式和/或在不同的位置处通过测量光与基准光的叠加来生成)中的每一个通过A/D转换器和可编程逻辑器件的组合来检测并且处理。在该第一实现的上下文中，A/D转换器可以被构建例如作为具有6位分辨率并且高达800MS/s的单元(6位，500MS/s)。可编程逻辑器件可以由FPGA或者由具有时钟速度>500MHz的复杂可编程逻辑器件(CPLD)来提供。
根据上述实施方式的变化，干涉测量信号的偏移和振幅在数字化和信号自适应(校正)之后被确定以得到无偏移和归一化的信号(通过数字处理)。此外，干涉测量信号的偏移和振幅在数字化之后被确定并且误差信号被生成的这种组合是可能的。误差信号被数字至模拟转换，以便在模拟电子器件中被用来校正偏移并且使振幅归一化。
根据本发明的第二实现包括限幅放大器(比较器)和零交叉正交检测。因此，避免了A/D转换器。通过检测干涉测量相位所生成的正弦和余弦信号使用限幅放大器用二元信号转换。正交零交叉计数器然后被用来对2π周期的数目进行计数(以双向方式)。然而这种电子计数器的分辨率限于干涉测量周期(这些周期被计数以得到距离的改变并且通过使测量光与基准光叠加而出现)的1/4，即π/2。尽管正交计数器是在商业上可用的(例如用于光编码器产品)，但是最大频率通常不是足够的。因此，正交计数器用在适合的高频率下工作的CPLD或FPGA来实现。因为初始测量速率必须比所要求的测量速率高得多，所以平均高于例如10’000-100’000个连续样本能够被实现来进一步降低由随机波动所引起的误差，并且将数据速率减少至100kHz(或者甚至更少)。
根据本发明的特定实施方式，使用了指定的信号处理构思。在该上下文中，假定对于正交检测使用限幅放大器。来自限幅放大器(或者分别地为比较器)的二元正交干涉测量信号“Q”和“I”被转移到CPLD或FPGA器件以用于信号处理。在第一步骤中，高频输入信号在所谓的SERDES单元(串行器-解串器)中被串行化。这降低了数据速率(例如在这里为两倍)。并行信号流然后被转移到包括查找表(LUT)的另外的处理子单元。LUT将计数信号分配给目前和/或最后一个样本的“Q”和“I”信号。如果“Q”和“I”例如通过最后一个样本来表示相位象限A并且通过实际样本来表示相位象限B，则计数信号触发象限计数器加+1。在该情况下，如果不给出最后一个样本与实际样本之间的改变，则象限计数器不递增。如果两个象限的最后一个样本与实际样本之间的差超过预定值，则能够生成误差信号以指示不明确的相位增量。并行计数器的输出是可组合的以便实现象限计数的总数。因为相位噪声是统计值，所以只要到对象(例如，回复反射器)的距离不改变，总数的平均值就保持为零。如果对象正在移动，则总象限计数的平均值与距离成比例地改变。能够在例如10kHz的测量循环周期内执行求平均。
根据采用正交检测的本发明的另一个特定实施方式，干涉仪包括用于以限定的方式对第一和/或第二或更多干涉测量信号进行调制并且检测经调制的第一和/第二或更多干涉测量信号以用于连续地增量式地跟踪相位波动的调制单元。出于该目的，调制单元可以包括声光调制器和/或光机械或光电器件，特别是移动基准反射镜的压电元件，以用于通过周期性地交替变化测量激光的发射波长和/或周期性地交替变化测量臂的光路长度或基准臂的光路长度来提供第一和/第二或更多干涉测量信号的调制。
关于激光二极管的结构设计，根据本发明，激光二极管可以被构建为包括布拉格光栅的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)，其中，激光二极管可以被设计为使得测量激光的发射波长可在波长区内调节，特别是其中，波长可通过激光二极管的温度和/或电流的变化和/或腔长度的变化来调节(可调谐VCSEL)。
垂直腔面发射激光二极管的光学频率取决于注入电流并且取决于二极管的温度。电流系数与法布里-珀罗激光二极管相比几乎要高100倍(大约300GHz/mA)。结果，为了使频率噪声频谱的(白)噪声部分保持为几个106Hz2/Hz，VCSEL的电流源可以被设计为使得极低噪声被实现。例如噪声在检测带宽上低于0.02nA/Hz0.5。如果源的带宽可以被低通滤波(根据本发明的实施方式)限制，则能够极大地放松这种要求。
此外，VCSEL的工作温度–以及利用它发射光的波长–可以利用标准热电温度控制器来控制。经典控制器例如可以由作为温度传感器的NTC电阻器、比例-积分调节器以及珀耳帖冷却器(或加热器)组成以改变VCSEL的温度。
为了稳定目的在本发明的上下文中，干涉仪尤其可以包括将吸收级别限定在波长区内的吸收介质以及用于依据发射波长来测量测量激光的实际吸收级别的吸收检测器，其中，吸收介质由原子或分子吸收池来提供，特别是其中，吸收池包括铷蒸汽或铯蒸汽。由铷蒸汽提供的适合的吸收谱线对应于780nm和795nm的波长，对于铯蒸汽来说对应于852nm和894nm。
此外，干涉仪的控制和处理信号–根据本发明–可以被配置为使得根据本发明的用于确定到对象的距离的改变的方法是可执行的，特别是其中，干涉仪包括被构建为控制激光二极管的温度和/或电流的调节单元，特别是其中，调节单元包括温度传感器、比例-积分调节器以及用于调节温度的珀耳帖元件。
本发明的另一方面涉及一种包括根据本发明上面所描述的干涉仪的用于确定对象的位置的测量设备，特别是全站仪或激光跟踪仪。大地测量设备进一步包括：基座，其限定垂直轴；支承构件，其可相对于基座绕垂直轴旋转并且限定水平轴；瞄准单元，其可相对于基座绕垂直轴和水平轴旋转，以用于将测量激光导向对象；以及角度测量装置，其用于确定瞄准单元相对于基座和支承构件的定向。
这种测量设备可以被用于确定坐标测量机(CMM)的一个或更多个组件的位置或者用于CMM的校准。
另选地，这种测量设备被构建为坐标测量机(CMM)，该坐标测量机(CMM)包括：基座；驱动机构，其被调节为按照使得探头能够相对于基座移动的方式来驱动探头，以便接近测量点；以及附接有所述探头的框架结构，该框架结构可在水平方向(x,y)和垂直方向(z)上移动。
此外，本发明涉及一种具有被存储在机器可读介质上的程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被配置为特别是在程序在根据本发明的干涉仪的控制和处理单元上执行的情况下，自动地执行并且操作根据本发明的用于确定到对象的距离的改变的方法。
附图说明
将在下文参照具有附图的示例性实施方式来详细描述本发明，附图中：
图1示出了用于包括稳定激光源的干涉仪的已知装置。
图2a-图2c示出了根据本发明的采用第一检测速率、用于计算检测到的相位波动的平均值的平均周期以及相位的跟踪的干涉测量相位的检测。
图3a和图3b各自示出了根据本发明的针对采用A/D转换器的正交检测、来自两个不同解码器的数字化信号71、72。
图4a和图4b各自示出了根据本发明的针对利用限幅放大器(比较器)的正交检测和零交叉正交检测、来自两个不同解码器的1位数字化信号81、82。
图5图示了根据本发明的采用激光二极管(特别是VCSEL)的波长稳定回路。
图6通过图示针对不同的采样时间在测量距离上检测到的相位噪声标准偏差示出了随着时间而累积的类似随机漫步的距离误差。
图7示出了根据本发明的干涉仪的第一实施方式。
图8示出了根据本发明的用于波长稳定的构思的第一实施方式。
图9示出了用于正交检测的根据本发明的第一实施方式。
图10a和图10b示出了根据本发明的用于实现正交检测的二元相位光栅的两个实施方式。
图11a和图11b示出了根据本发明的采用不同光学布局的用于正交检测的另外的实施方式。
具体实施方式
图1示出了包括激光源2的干涉仪1的已知装置，所述激光源2在一定光波长下生成光辐射。为了使波长稳定到一定测量标准，光辐射中的至少一些被导向波长测量设备3。激光波长由测量设备3基于测量3a来控制–通常通过控制2a激光器温度和/或激光器电流来控制，其中，测量信息由电子器件7采集以便控制激光波长。光学装置4将光导向基准臂5和测量臂6两者，其中，测量激光在反射器6a处被反射。臂5、6两者的反射都被导向光电检测器单元4a，其中两个信号干涉使得干涉图展开。干涉测量信号被电子器件7采集并且处理以便提取距离信息。在增量式干涉仪中，干涉图的相位被测量为在2π-不确定性内，并且相位改变(与距离改变相对应)利用相位解缠绕(处理连续的相位值)来获得。此外，气候信息8被输入到电子器件7中，并且通信接口9被提供以用于控制干涉仪1并且读出确定的距离信息。
图2a-图2c示出了根据本发明的按照第一检测和采样速率63、用于计算检测到的相位波动61的平均值的平均周期62以及平均相位的跟踪的干涉测量相位的检测。
图2a以非常示意的方式示出了由具有宽频谱带宽的激光二极管的波长根据光子噪声的波动所引起的干涉测量相位波动61。该波动可以根据上面提到的信号处理设计采用A/D转换器和可编程逻辑器件来检测和处理。干涉测量相位通过使从对象反射的测量激光与基准激光叠加来确定。此外，示出了周期62，在所述周期62内平均相位值被确定以便得到平均相位。平均相位的监测使得能够确定距离改变。
图2b示出了根据本发明的平均周期62以及限定第一检测和采样速率63的分段63。如所示出的在平均周期62内的分段63的数目仅是示例性的，但是对于根据本发明的(实现的)实施方式来说可以大得多，例如检测和采样被以500MHz-1000MHz执行。对于每一个分段63特定相位值是从检测到的相位波动61得到的，其中，检测和采样速率63被选择得如此快以致出现的相位差被确定，使得相位按小于π(特别是小于π的一小部分)的差从相位值到相位值波动。特别地，速率63依据假定发生的相位波动的最大频率和/或取决于发射波长的波动的最大导数的绝对值而被选择。根据所示出的示例，十个相位值(与在一个周期62内的分段63的数目相对应)在一个平均时间段62内被确定，其中，更多的相位值根据本发明的典型的其它实施方式在一个平均时间段62内被确定。
图2c示出了平均时间段62和针对任何周期62的平均相位值64，其中，平均相位值64根据在相应周期62内确定的相位值而改变。能够在这些平均相位值64的基础上得到到对象的距离的变化，其中，相位值64的进展表示要被考虑用于距离测量的相位改变。平均相位值64按照第二检测速率65(10kHz-30kHz)得到以用于确定到对象的距离的改变，其中，该第二检测速率65被设置得如此快以致即便对于平均相位值64的快速改变，这些改变的值也被精确地跟踪，特别是通过防止相变(相位跃变)的丢失。因此，可以按照时间频率65连续地实现到对象的距离。
用于检测相位波动的速率可以比用于计算所检测到的相位状态的平均值的速率以及用于确定其距离的速率大(快)10’000-100’000倍。
此外，根据本发明的特定实施方式，在利用例如相位波动61的正交检测的情况下可以连续地增量式地跟踪波动，并且能够根据同时地得到的平均相位值来得到距离改变的方向和数量。
图3a和图3b各自示出了(根据本发明)来自正交检测器的两个不同输出端的数字化干涉测量信号71、72。信号71、72分别是4位数字化的并且在处理或数字化时间期间被标绘。信号71、72由通过计算数字化信号71、72的平均最小值和最大值以便为校正确定偏移和振幅而得到的补偿电流来补偿。两个干涉测量信号使得能够确定干涉测量相位。相位因波动和/或因到对象的距离的改变的改变可以通过考虑信号71、72两者来得到，这使得能够通过考虑信号71、72之间的相位偏移来明确地确定改变的方向。
根据本发明，图4a和图4b各自示出了针对利用限幅放大器(比较器)的正交检测和如上面所提到的零交叉正交检测的来自两个不同解码器的数字信号81、82。在限定时间段内的样本“1”数目和样本“0”数目被确定并且由此得到了偏差。附加的控制单元控制比较器的工作点使得偏差变成0。信号81、82然后“对称地”考虑样本“1”和“0”的数量，并且提供相位检测(例如，通过查找表的附加使用)。
图5图示了根据本发明的具有激光二极管(特别是VCSEL)的波长稳定回路10。本发明的基本构思是无模跳变的普通激光二极管11(例如VCSEL)与高带宽检测器和快速信号处理的组合。这种组合使得能够在普通干涉仪的相干长度限制的常规限定之外对于干涉测量距离测量使用二极管11。VCSEL与其它半导体激光器相比的主要优点是相对低的价格、几乎完美的圆形类高斯光束形状以及不存在通常影响经典激光二极管的模跳变。
用于与本发明一起使用的无模跳变的激光二极管11(VCSEL)可以由至少一个布拉格光栅组成，其中，激光器腔的长度是那么小以致除非光被意外地回复反射到激光器腔中，否则任何模跳变都是不可能的。因此，参照本发明的特定实施方式，提出对于远程距离测量使用VCSEL。
对于干涉测量距离确定的一个重要值是激光波长15。因为激光二极管的(特别是VCSEL的)波长由于低频相位波动而随机地变化，所以必须确保的是，当测量时测量波长15是确切地已知的并且是稳定的。通常要求的精度在该上下文中是0.01ppm至0.5ppm。该精度能够用二极管11经由其温度和驱动电流的稳定来实现。作为波长标准能够使用铷或铯的吸收谱线。电子控制回路10以二极管11(平均)波长和吸收谱线的波长匹配的方式来设置电流。
吸收谱线的波长被作为设定点12输入到控制回路10中。二极管11的当前波长与设定点12和调节参数13(特别是二极管11的温度和/或电流)相比较14，被设置为使得当前波长适合设定点波长12，进而，激光波长15被稳定。激光波长15的这种控制以连续方式执行，即可以周期性地(例如，至少一秒一次、至少一毫秒一次或甚至更快地)调节波长15。
限制低相干性激光源(例如提出的无模跳变的激光二极管)的使用的特定问题是保证在测量内不存在相位解缠绕误差。这些导致随着时间而积累的类似随机漫步的距离误差25。一般而言，这种行为在图6中通过在测量距离d上图示检测到的相位噪声标准偏差来示出，其中，测量23被以10ns时间间隔(低采样速度)采样并且测量24被以2ns间隔(高采样速度)采样。如能够看到的，一旦两个采样点之间的相位增量超过特定值(特别是π)，则能够产生大的测量误差。与最大测量距离d无关，两个样本之间的最大相位增量因较小的采样时间间隔Δ而降低。因此，根据本发明，随着干涉测量相位的检测而生成的信号被以高速度采样。
图7示出了根据本发明的干涉仪30的第一实施方式。干涉仪30包括垂直腔面发射激光二极管31(VCSEL)和吸收池32。吸收池32提供吸收介质，例如铷或铯蒸汽，其中，由VCSEL31发射的测量激光的吸收级别被测量，所测量到的级别由控制和处理单元37来采集，并且二极管31的平均波长根据所测量到的吸收级别来调节。这种调节可以通过经由控制和处理单元37变化二极管31的温度和/或电流来执行。
此外，干涉仪30包括用于光学相位检测的正交检测单元33以便监测上面所描述的高频相位波动。
出于该目的，根据本发明，例如可以实现以下解决方案：二元衍射光学元件(DOE)被用作自由空间3x3耦合器。在至少两个输出端口上的干涉测量相位具有相位偏移，所述相位偏移是DOE的光栅周期和光栅深度的函数。特别地，DOE被设计成产生π/2的相位偏移。然而，同样能够随着增加的处理复杂性针对其它相位偏移来提取干涉测量相位。干涉测量相位的对应调制是由激光波长的调制导致的，其中，所得到的信息能够被用来明确地确定干涉测量相位。
正交检测器33提供如下形式的(至少)两个相移信号：
S1(t)＝A1+B1sin[φ+φτ(t)]和S2(t)＝A2+B2sin[φ+φτ(t)+φdet]，
其中，是干涉测量相位(由＝4πνd/c给出，d＝测量距离，ν＝激光频率)并且τ(t)是在干涉测量延迟τ下的瞬时相位噪声，并且det是来自正交检测器的干涉测量信号的相位偏移(理想地为π/2)。能够校准并且减去偏移A1和A2，并且以类似的方式，能够校准B1和B2以便使振幅归一化。
偏移A1、A2能够例如因热漂移或者由于在不同的测量距离处的光学配准中的改变而变化。偏移能够按照高频相位噪声的时间变化通过信号的高通滤波34a、34b而被去除。在相位噪声的影响较小的短测量距离处，光学相位在时间上或多或少是恒定的。对于通过高通滤波34a、34b的偏移去除能够应用相位的附加调制。
根据本发明，附加的相位调制能够通过以下方法中的至少一个来实现：
·激光波长的时间调制：这将在正交输出端处导致变化的相位。信号的高通滤波34a、34b使得能够去除偏移。附加地，平均波长被稳定，因为它是用于距离的量度。
·光路长度在干涉仪臂中的一个(基准臂或测量臂)中的调制：这能够利用光电器件或光机械器件(例如具有反射镜的压电元件)来实现。时间变化的正交信号的高通滤波34a、34b去除偏移。
为了进一步处理信号，特别地调制振幅B1、B1被选择为在两个信道中相等。因此，能够执行信号的归一化。
信号的高通滤波34a、34b和归一化能够利用另外的信号处理装置35a、35b(特别是用模拟电子零件)来实现，或者如针对根据图7的本实施方式所示出的那样，在模拟至数字转换35a、35b之后还按照数字方式由FPGA36(现场可编程阵列)来实现。
图8示出了根据本发明的波长稳定的构思。
众所周知的同步检测技术常常被用于稳定。在这种情况下，激光器通过应用电流调制而被调频，并且锁定(相敏)检测器被用来在吸收的最大值时锁定平均激光频率。
根据本发明，频率调制Δν导致干涉信号的调制。实际上干涉仪相位由＝4π(ν+Δν)d/c来给出，并且在正交检测方案中，信号由
S1(t)＝A1+B1sin[φ+φτ(t)]和S2(t)＝A2+B2sin[φ+φτ(t)+φdet]来给出，
其中，Δ＝4πΔνd。因此，干涉信号调制在长距离处将特别高。根据本发明，偏移频率Δν被用来使得相位调制振幅大于2π。按照这种方式，能够确定并且补偿偏移A1、A2和B1、B2。频移因此适于距离d。例如，在距离d＝1cm处，频移必须是至少15GHz。
这种频移要求改变波长稳定技术的标准构思。15GHz的频移高于铷或铯的多普勒展宽吸收谱线(典型地是600MHz)。因此，根据本发明，在吸收池的输出端处检测到的信号包括全吸收谱线形状的扫描。适当的数字处理被用来计算稳定回路所要求的误差信号。所检测到的信号41在本图8中被示出(在数字化和采样之后)。根据所示出的实施方式，采样在电流调制的初期开始，并且误差信号通过特定样本的减法(例如Sn-Sn+2)来计算。如果谱线形状在数字化段内居中，则差Sn-Sn+2等于0。否则，差是正的(谱线被左移)或负的(谱线被右移)。
图9示出了用于正交检测的根据本发明的实施方式。在这里，对于正交检测使用了衍射光学元件45(DOE)。DOE45作为将激光光束46分成多个阶的光栅。已透射零阶47(I0)构建干涉仪的测量光束并且被导向回复反射器48。其它阶49(I1)中的一个(典型地是第-1阶或+1阶)的光被导向接近于DOE45的反射镜M1并且作为基准光束。在反射之后两个光束再次被DOE45衍射。两个光束的衍射阶按照以下方式与延迟τ0和τ1叠加：
D1：I0的-1阶和I1的0阶，
D2：I0的0阶和I1的+1阶，以及
D3：I0的+1阶和I1的+2阶。
干涉信号D1和D2包括干涉测量正交信号。光栅以至少+/-2阶划分入射光束。这些阶的衍射效率高到足够在D1和D3处获得可检测的干涉信号。干涉信号包括相对于彼此特别是90°的相移。
图10a和图10b示出了根据本发明的用于实现正交检测的二元相位光栅45a、45b的两个实施方式。特定光栅约束例如通过具有0.69:0.31的谱线与空白比的二元相位光栅45a来实现，其中谱线将0.3λ的相位延迟引入到近光(图10a)。根据二元相位光栅45b的进一步设计(图10b)，各个第二谱线具有不同的宽度和间距。这种光栅45b提供90°的相移。谱线和间隔相对于光栅周期具有0.320:0.367:0.055:0.258的宽度。谱线将0.3λ的相位延迟引入到近光。
根据本发明的另一个实施方式，类似的正交检测器构思使用DOE来实现相对于彼此具有120°的相移的三个输出。这种3-输出正交检测器使得能够更精确地确定干涉测量相位。
图11a和图11b示出了根据本发明的用于正交检测的另外的实施方式。光学布局是基本构思的变化。这里，测量光束的出射光束51和反射回的光束52具有不同的路径，并且基准光束54的出射光束和反射回的光束也是如此。因此，光束的分开和重组发生在光栅53的不同位置处。一个优点是没有反射回的光被导向激光二极管50，这对激光器稳定性有另外的干扰影响。第二，同样0阶衍射能够被用于干涉信号的生成(图11a)。0阶连同+1阶一起被用来获得关于振幅和调制强度被平衡的正交信号。信号利用特定检测器D4、D5来检测。采用光栅的适当谱线与空白比能够实现90°的相移。图11b示出了有关用于检测+1阶和-1阶的光的检测器D4、D5的位置的另选配置。

Claims (15)

1.一种用于利用以下步骤通过干涉测量法确定到对象的距离的改变的方法：
·从激光二极管(11,31,50)发射测量激光(47,51,52)；
·接收从所述对象反射的所述测量激光的至少一部分(52)；
·使经反射的测量激光(52)与基准激光(49,54)叠加，进而提供干涉测量相位；以及
·根据所述叠加来确定到所述对象的距离的改变，
所述方法的特征在于：
·利用低相干性和宽光谱带宽来发射所述测量激光(47,51,52)，其中，所述测量激光(47,51,52)的发射波长(15)在所述光谱带宽内无跳变地波动从而导致干涉测量相位波动(61)，特别是其中，在一米到三米之间的相干长度下发射所述测量激光(47,51,52)；
·按照第一检测速率(63)连续地检测所述干涉测量相位，所述检测速率(63)以及用于处理所检测到的干涉测量相位的速率是那么高以致所述干涉测量相位波动(61)被连续地增量式地跟踪，使得由所述干涉测量相位的连续检测所提供的连续干涉测量相位状态相差小于π的相移，特别是相差π的一小部分，
·针对限定的平均时间段(62)来计算所检测到的相位波动(61)的平均值并且得到平均相位(64)，以及
·根据所述平均相位(64)按照第二检测速率(65)来确定到所述对象的距离的改变，所述第二检测速率(65)与所述平均时间段(62)相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法的特征在于：
第一、第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)通过特别是按照所述第一检测速率(63)连续地检测所述测量激光(47,51,52)与所述基准激光(49,54)的叠加来提供。
3.根据权利要求2的方法，该方法的特征在于：
·所述干涉测量相位和所述干涉测量相位波动(61)是从至少所述第一干涉测量信号和第二干涉测量信号(71,72,81,82)得到的，并且/或者
·基于至少所述第一干涉测量信号和第二干涉测量信号(71,72,81,82)来确定到所述对象的距离的改变，其中，距离的改变的方向是根据至少所述第一和/或第二干涉测量信号(71,72,81,82)的改变而得到的。
4.根据权利要求2或3所述的方法，该方法的特征在于：
所述第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)被按照限定的方式调制，其中，
·经调制的第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)被检测以便计算偏移和/或归一化，以用于监测所述干涉测量信号(71,72,81,82)，特别是以便在调制时根据至少所述第一干涉测量信号和第二干涉测量信号(71,72,81,82)来计算所述偏移和/或所述归一化，并且/或者
·基于经调制的第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)来得到到所述对象的绝对距离。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法的特征在于：
对所述第一干涉测量信号、第二干涉测量信号或更多干涉测量信号(71,72,81,82)进行调制是通过以下步骤实现的：
·特别地通过变化所述激光二极管(11,31,50)的电流和/或温度和/或通过变化腔长度，来周期性地交替变化所述测量激光(47,51,52)的发射波长(15)，和/或
·针对所述测量激光(47,51,52)或者针对所述基准激光(49,54)来周期性地交替变化光路长度。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，该方法的特征在于：
根据所述发射波长(15)来测量所述测量激光(47,51,52)的实际吸收级别，并且按照自动化的且连续的方式根据所述实际吸收级别来调节所述测量激光(47,51,52)的发射波长(15)，特别是其中，通过所述激光二极管(11,31,50)的电流和/或温度和/或腔长度的变化来调节所述发射波长(15)。
7.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于：
根据测量的吸收级别来计算误差值，同时按照所限定的方式对所述第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)进行调制，其中，根据所计算出的误差值来执行对所述发射波长(15)的调节，特别是其中，通过数字处理来计算所述误差值。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法的特征在于：
所述误差值被用于精细调节转换因子，该转换因子限定从连续确定的相位值到距离改变值的转换，以便提高所确定的距离的改变的准确度。
9.一种用于确定到对象的距离的改变的干涉仪(30)，该干涉仪(30)包括：
·激光二极管(11,31,50)，其用于发射测量激光(47,51,52)，
·基准臂，其为基准激光(49,54)限定基准光路长度，其中，所述基准激光(49,54)是利用分束器从所述测量激光(47,51,52)得到的，
·测量臂，其为所述测量激光(47,51,52)限定测量光路长度，
·接收装置，其用于接收从所述对象反射的所述测量激光的至少一部分(52)，
·叠加装置，其用于使所述测量激光(47,51,52)与所述基准激光(49,54)叠加进而提供干涉测量相位，
·检测单元，其用于连续地检测所述测量激光(47,51,52)与所述基准激光(49,54)的叠加并且提供所述干涉测量相位，以及
·控制和处理单元(37)，其至少用于根据所述叠加来确定到所述对象的距离的改变，
该干涉仪(30)的特征在于：
·所述激光二极管(11,31,50)被设计为使得利用低相干性和宽光谱带宽来发射所述测量激光(47,51,52)，其中，所述测量激光(47,51,52)的发射波长(15)在所述光谱带宽内无跳变地波动从而导致干涉测量相位波动(61)，特别是其中，在一米到三米之间的相干长度下发射所述测量激光(47,51,52)，
·所述控制和处理单元(37)被调节为执行距离测量功能，在执行所述距离测量功能时，通过以下步骤来执行到所述对象的距离的改变的确定：
□利用所述检测单元按照第一检测速率(63)连续地检测所述干涉测量相位，所述第一检测速率(63)以及用于处理所检测到的干涉测量相位的速率是那么高以致所述干涉测量相位波动(61)被连续地增量式地跟踪，使得由所述干涉测量相位的连续检测所提供的连续干涉测量相位状态相差低于π的相移，特别是相差π的一小部分，
□针对限定的平均时间段(62)来计算所检测到的相位波动(61)的平均值并且得到平均相位(64)，以及
□根据所述平均相位(64)按照第二检测速率(65)来确定到所述对象的距离的改变，所述第二检测速率(65)与所述平均时间段(62)相关联。
10.根据权利要求9所述的干涉仪(30)，该干涉仪(30)的特征在于：
所述叠加装置被构建为使得所述测量激光(47,51,52)与所述基准激光(49,54)叠加，使得第一叠加光信号、第二叠加光信号或更多叠加光信号被提供，特别是其中，所述叠加装置包括衍射光学元件(45,45a,45b,53)，特别是二元相位光栅。
11.根据权利要求10所述的干涉仪(30)，该干涉仪(30)的特征在于：
所述检测单元包括第一检测组件、第二检测组件或更多检测组件(33,D1-D5)，其中，所述检测组件(D1-D5)中的每一个被布置用于检测所述第一叠加光信号、第二叠加光信号或更多叠加光信号中的一个，并且第一干涉测量信号、第二干涉测量信号或更多干涉测量信号(71,72,81,82)能够由所述检测组件(D1-D5)来提供，
特别是其中，所述检测单元包括：
·模拟-数字转换器和可编程逻辑器件，或
·限幅放大器和零交叉正交检测
以用于处理所述干涉测量信号(71,72,81,82)。
12.根据权利要求11所述的干涉仪(30)，该干涉仪(30)的特征在于：
该干涉仪(30)包括调制单元，该调制单元用于按照限定的方式对所述第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)进行调制并且检测经调制的第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)以用于连续地增量式地跟踪相位波动(61)，其中，所述调制单元包括声光调制器和/或光机械器件或光电器件，特别是移动基准反射镜的压电元件，以用于通过以下步骤来提供所述第一和/或第二或更多干涉测量信号(71,72,81,82)的调制：
·周期性地交替变化所述测量激光(47,51,52)的发射波长(15)，和/或
·周期性地交替变化所述测量臂的光路长度或所述基准臂的光路长度。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的干涉仪(30)，该干涉仪(30)的特征在于：
·所述激光二极管(11,31,50)被构建为包括布拉格光栅的垂直腔面发射激光二极管，其中，所述激光二极管(11,31,50)被设计为使得所述测量激光(47,51,52)的发射波长(15)能够在波长区内调节，特别是其中，所述波长能够通过所述激光二极管的温度和/或电流的变化来调节，特别是其中，所述干涉仪(30)包括将吸收级别限定在所述波长区内的吸收介质以及用于根据所述发射波长(15)来测量所述测量激光(47,51,52)的实际吸收级别的吸收检测器，其中，所述吸收介质是由原子或分子吸收池(32)提供的，特别是其中，所述吸收池(32)包括铷蒸汽或铯蒸汽，并且/或者
·所述控制和处理单元(37)被配置为使得根据权利要求1至8中的任一项所述的用于确定到对象的距离的改变的方法是能够执行的，特别是其中，所述干涉仪(30)包括被构建用于控制所述激光二极管的温度和/或电流的调节单元，特别是其中，所述调节单元包括温度传感器、比例-积分调节器以及用于调节所述温度的珀尔帖元件。
14.一种用于确定对象的位置或测量点的位置的测量设备，该测量设备包括根据权利要求9至13中的任一项所述的干涉仪(30)，其中，
·该测量设备被构建为大地测量设备，特别是全站仪或激光跟踪仪，该测量设备包括：
□基座，其限定垂直轴，
□支承构件，其能够相对于所述基座绕所述垂直轴旋转并且限定水平轴，
□瞄准单元，其能够相对于所述基座绕所述垂直轴和所述水平轴旋转以用于将所述测量激光导向所述对象，以及
□角度测量装置，其用于确定所述瞄准单元相对于所述基座和所述支承构件的定向，或者
·该测量设备被构建为坐标测量机，该测量设备包括：
□基座，
□驱动机构，其被调节为按照使得探头能够相对于所述基座移动的方式来驱动所述探头以便接近测量点，以及
□附接有所述探头的框架结构，该框架结构能够在水平(x,y)方向和垂直(z)方向上移动。
15.一种具有被存储在机器可读介质上的程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被配置为，特别是在所述程序在根据权利要求9至14中的任一项所述的干涉仪(30)的控制和处理单元(37)上执行的情况下，自动地执行并且操作根据权利要求1至8中的任一项所述的用于确定到对象的距离的改变的方法。
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