CN110785623A - 用于确定距物体距离的距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开文本涉及一种用于确定距物体(20)的距离的距离测量装置，其中所述距离测量装置包括以下各项：‑至少一个光源(12)，其用于产生具有第一波长的至少一个第一单色且具有干涉能力的光束(12.1)，并且用于产生具有第二波长的至少一个第二单色且具有干涉能力的光束(12.2)；‑多路器(14)，其用于将所述至少第一光束(12.1)和所述至少第二光束(12.2)耦合或组合成公共测量光束(M)；‑输出耦合元件(45)，其用于将所述测量光束(M)分成参考光束(R)和信号光束(S)，其中所述参考光束(R)沿参考路径(RP)传播，并且其中所述信号光束(S)沿信号路径(SP)传播；‑相位调制器(60；160)，其布置在所述信号路径(SP)中并且被配置为以时间周期方式调制所述信号光束(S)的相位。

Description

用于确定距物体距离的距离测量装置

本发明涉及一种用于确定距物体距离的距离测量装置、一种用于确定距物体的距离的相关测量头和方法、以及一种用于确定距物体的距离的计算机程序。

背景技术

DE 10 2008 033 942 B3公开了一种光纤多波长干涉仪，用于测量大工作距离下表面的距离和拓扑结构。所述干涉仪包括基于光纤概念的光学多波长传感器，所述光学多波长传感器包括波长在光纤通信范围内的两个或更多个激光器。在此，传感头在空间上可沿测量光束的方向周期性地调制。所采用的激光器的光学信号通过多路器组合在公共光纤中并被引导到传感头。

在此，测量光束的空间调制借助于压电致动器来实施，所述压电致动器因此代表传感器的可动部件。应在传感器中施加适当的机械移动以便对测量光束进行周期性的空间调制。出于机械原因，它们在振幅和频率方面受到限制。此外，传感器的机械移动的一个或多个部分或部件总是产生振动，所述振动在某些情况下可能导致技术测量问题和/或导致形成可听声音，这有时可能被认为是令人烦恼的。

与此相关的目的是提供一种用于确定距表面和/或表面拓扑的距离和/或定量地捕获距表面和/或表面拓扑的距离的改进型距离测量装置，所述距离测量装置在可能的情况下可在没有机械移动部件的情况下实施，从而形成较小噪声，并且从设备技术角度来看，所述距离测量装置比较容易实施和致动。另一个目的是提高借助于距离测量装置测量的距物体的距离或待确定物体的表面拓扑的精度和准确性。

发明和有利的实施方案

所述目的通过根据独立权利要求1所述的距离测量装置、根据权利要求17所述的用于确定距物体的距离的方法以及通过根据权利要求18所述的计算机程序来实现。在此，有利的实施方案在每种情况下都是从属专利权利要求的主题。

在这方面，提供了一种用于确定距物体距离的距离测量装置。距离测量装置包括至少一个第一光源，所述至少一个第一光源用于产生具有干涉能力且具有第一波长的至少一个第一单色光束。此外，光源被配置为产生具有干涉能力且具有第二波长的至少一个第二单色光束。第一和第二波长不同。此外，光源可以被配置为产生在每种情况中具有干涉能力的其他单色光束，例如第三和/或第四单色光束。优选地，光源被配置为产生在1520nm至1630nm之间的光通信范围内的具有干涉能力的单色光束，或者产生可以位于所谓的S频带、C频带或L频带的波长。

此外，距离测量装置包括多路器，其用于将至少第一光束和至少第二光束耦合或组合或叠加在公共测量光束中。借助于多路器，至少第一光束和至少第二光束可以彼此组合或彼此叠加以形成公共测量光束。因此，测量光束包含第一波长和第二波长的光谱分量。第一光束和第二光束重叠在公共测量光束中。在公共测量光束中，至少第一光束和至少第二光束以平行且实际上完整横向覆盖范围传播。

如果光源被配置为产生具有不同波长的多个光束，即，多达三个、四个或更多个其他光束，则同样使用同一多路器将这些光束耦合到公共测量光束中或叠加在公共测量光束上。即，测量光束可以包含不同波长的至少两个光束，但是也可以包含不同波长的三个或四个或更多个光束，或者所述测量光束可以通过具有不同波长的此类光束的叠加而形成。

此外，距离测量装置包括输出耦合元件以将由多路器产生的测量光束分割为参考光束和信号光束。在此，参考光束沿参考路径传播。在此，信号光束沿信号路径传播。参考路径和信号路径借助于输出耦合元件彼此分开。通常，信号路径从输出耦合元件延伸到物体。通常，信号光束在物体上被反射。通常，反射信号光束沿信号路径反向传播。通常，信号路径和参考路径借助于输入耦合元件再次统一，使得参考光束和经物体反射的信号光束可以彼此干涉。检测器装置使干涉光束、具体是参考光束和经物体反射的信号光束能够以干涉测量和/或波长选择性方式捕获。

此外，距离测量装置包括相位调制器，所述相位调制器布置在信号路径中并且被配置为在时间上周期性地调制信号光束的相位。时间上的周期性调制促进不变的调制或相应地遵循预定时间函数的调制，即，信号光束的相位随时间变化。

因此，根据信号光束的相位的在时间上的周期性调制，反射信号光束和参考光束的干涉也发生变化。这简化并完善了对干涉信号的干涉测量和/或波长敏感性捕获和评估，所述干涉信号源于参考光束和经物体反射的信号光束的叠加。通常由距离测量装置的控制器来实施在时间上对信号光束的相位的周期性调制。

用于干涉测量和/或波长选择性地捕获评估光束(即，参考光束和经物体反射的信号光束的重叠)的检测器装置可以通过在时间上对信号光束的相位进行周期性调制来确定随时间平均化的干涉图的强度。检测随时间平均化的强度允许关于在检测器装置的位置处反射信号光束相对于参考光束的相位的相对相位得出准确和精确结论。这允许通过计算补偿可能的外部干扰影响以及由测量技术引起的相位测量的公差。

由于借助于相位调制器周期性地调制信号光束的相位，即，根据预定连续重复函数随时间改变相位，可以更高的准确度确定反射信号光束与参考光束之间的相对相位。这提高了对距物体距离的确定的准确度。从参考光束与经物体反射的信号光束之间的相对相位可以得出距待测量物体的距离。

因为相位调制器没有机械移动部件，所以可以相对较高的频率调制信号光束的相位。可以规定，将相位调制器体现为以高于1kHz的频率、高于2kHz的频率、高于3kHz的频率、高于5kHz的频率或高于10kHz、50kHz或100kHz的频率来调制信号光束的相位。此类快速相位调制可以有助于距离测量的精度和测量速度的进一步提高。

此外，借助于相位调制器进行的相位调制的振幅可以增加预定量。可获得显著高于2π、4π、6π、8π及其以上的相位调制。

例如，时间上的周期性调制可以包括正弦调制。此外，可以设想对相位的锯齿形或矩形调制。具体地，相位调制器被配置为以持续不断和连续方式调制(即，改变)信号光束的相位。

具体地，相位调制器可以被配置为在时间上周期性地调制已经从测量光束分支的信号光束和经物体反射的信号光束两者。如果被引导至物体的信号光束和经物体反射的信号光束沿相反方向通过相位调制器，则相对于参考光束，可以进一步提高对信号光束或反射信号光束的相位调制。

根据距离测量装置的另一种配置，相位调制器包括电光调制器EOM。具体地，电光调制器是可电致动的。借助于电光调制器在距离测量装置的致动的电控制信号的帮助下，可以针对性方式随时间调制或改变信号光束的相位或反射信号光束的相位。电光调制器可以被配置为通过利用普克尔斯效应或克尔效应来调制信号光束的相位或反射信号光束的相位。电光调制器可以被配置为DC电光调制器或RF电光调制器。

作为其备选方案，相位调制器还可以包括声光相位调制器或可以被配置为后者。另外，相位调制器可以包括液晶单元作为相位调制部件。

根据另一种配置，相位调制器可以被配置为电流注入相位调制器或热光相位调制器。电流注入相位调制器同样基于电光效应。然而，它是由电流注入引起的。电流注入相位调制器的区别在于效率提高而损害了调制速度。

热光相位调制器基于折射率作为温度函数的变化。温度可以通过将电流馈送到加热元件中来实施，所述加热元件布置在相位调制器的波导上、旁边和/或沿所述波导布置。热光相位调制器可以被实施为例如光子集成电路。例如，此类相位调制器可以基于磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、氮化硅(SiN)或绝缘体上硅(SIO)来实施。

为了获得180°相移，必须将0.5W引入基于SiN的热光相位调制器中。考虑到相移和/或折射率变化，基于InP或基于SOI的热光相位调制器具有更高效率。对于基于InP和基于SOI的相位调制器，这些是近似相当的。

根据另一种配置，电光调制器包括晶体和与晶体电连接的至少两个可电致动电极。通常，电极电连接到距离测量装置的控制器。控制器被配置为提供与要在电极上进行的相位调制相对应的电压或电流，使得晶体取决于通过电极施加的相应的普遍电场来改变其折射率。

通过晶体传播的信号光束的相位和/或在物体上反射的信号光束的相位可根据需要通过晶体的电感应折射率变化来调制。晶体的折射率变化实际上可以无延迟地随通过电极施加到晶体上的电场而变化。在这方面，可以毫无问题地实现在高于至少1kHz而且也高于10kHz的范围内的相当高的调制频率。

根据另一种配置，晶体具有各向异性晶体结构。具体地，晶体可以具有双折射配置。沿不同晶轴的折射率可能不同。为了获得相变或相位调制，可以通过施加电场来改变折射率或不同的折射率。

根据另一种配置，晶体不是反向对称的。具体地，晶体属于表现出线性电光效应(也被称为普克尔斯效应)的晶体的类别。折射率的变化或双折射变化随施加到晶体的电场的变化而线性变化。根据另一种配置，晶体可以包括光折射晶体。光折射晶体取决于作用在晶体上的光强来局部改变其折射率。

根据另一种配置，晶体包括铌酸锂晶体、磷酸二氢钾晶体或砷化镓晶体。铌酸锂晶体特别适合于电光调制器、更具体地是相位调制器的实施。

根据另一种配置，晶体包括波导。后者可以扩散到晶体的晶体结构中。通过扩散引入的波导可以通过钛扩散或通过质子交换引入晶体，例如引入铌酸锂晶体。波导不必被配置为扩散中波导。例如，它也可以通过掺杂III-V族半导体来产生。

波导用于通过信号光束和/或经物体反射的信号光束的晶体的受控传输。通过波导，可以避免信号光束在其通过晶体传播期间进行不受控制发散。信号光束的横向范围在其通过波导的传播期间基本上保持恒定。

还可以将信号光束、被引导至物体的信号光束和/或被物体反射的信号光束的强度损耗降低到最小。

根据另一种配置，电光调制器具体以横向几何形状操作。即，相对于传播通过晶体的光束，可电致动电极在横向方向上位于晶体的外表面或相对外表面上。原则上可以设想，两个电极位于晶体的相对外侧上，使得电极之间的电场线横向地延伸穿过晶体，即，垂直于信号光束的传播方向延伸。

根据另一种配置，电极位于晶体的公共表面上。例如，它们可以位于晶体的公共顶侧上。两个电极通常位于晶体的同一表面上。这种布置可能是有利的，特别是与延伸穿过晶体的波导组合时是有利的。这可以确保在电极之间延伸的电场线在横向方向上与波导交叉。

根据另一种配置，波导邻接电极所在的晶体表面。此外，波导沿晶体的表面延伸。从制造观点来看，可以相当容易地实施波导的近表面布置。则这尤其适用于波导通过扩散(例如钛的扩散)或通过质子交换产生。具体地，规定电极与波导也在其上延伸的电极位于晶体的同一侧。这可以实现的是，例如在电极之间以弓形方式延伸的电场线以横向方式延伸穿过波导。因此，可以在波导中产生所需的折射率调制，所述折射率调制可以与施加到电极的电压成比例地改变。

根据另一种配置，电极彼此平行地延伸。此外，它们平行于波导的纵向方向延伸。因此，电极沿晶体的表面沿波导的纵向方向延伸。电极彼此平行且与波导平行的程度促进沿波导形成恒定电场。这允许通过施加的电压特别充分地修改和控制折射率变化或相位调制。

根据另一种配置，波导布置在第一电极与第二电极之间。因此，例如规定了在电极之间的波导的对称布置。波导可以大致位于两个电极之间的中心。同样可设想非对称配置，其中波导更靠近第一电极而非第二电极布置，反之亦然，其中波导更靠近第二电极而非第一电极布置。

根据另一种配置，所述距离测量装置进一步包括测量头，在所述测量头中或所述测量头上设置有所述相位调制器。具体地，规定将相位调制器放置成尽可能靠近物体。信号光束或经物体反射的信号光束可以在相位调制器与物体之间自由传播。由于将相位调制器设置在朝向待测量物体对准的测量头中，可以将信号光束和/或经物体反射的信号光束的自由传播路径降低到最低程度。这可以使可能的外部干扰影响最小化。

根据另一种配置，测量头以光纤方式耦合到多路器。此外，测量头到光源的连接同样可以光纤方式体现。光源可以光纤方式耦合到多路器。此外，多路器可以光纤方式耦合到测量头。输出耦合元件也可以具有光纤实施方式，使得至少第一和至少第二光束、由它们形成的测量光束以及参考光束被完全引导在一根或多根光纤内。

只有从测量光束中耦合输出的信号光束和经物体反射的信号光束才能自由传播。输出耦合元件同样可以集成到测量头中，使得仅在测量头本身中实施将测量光束分成参考光束和信号光束。这促进相当简单且不受限制地处理测量头。由于其与多路器、光源和检测器装置的光纤耦合，所述测量头可以在空间中自由移动，而这不会对评估光束的干涉测量和/或波长选择性捕获产生不利影响。

根据另一种配置，相位调制器以光纤方式耦合到多路器。另外或作为其备选方案，相位调制器可以直接耦合到引导信号路径和/或参考光束的光纤，并且可以机械地连接到所述光纤。因此，例如，面向相位调制器的光纤端可以直接机械地连接到相位调制器。相关的光纤端和相位调制器可以例如借助于粘合剂彼此连接。粘合剂可以是所谓的折射率匹配粘合剂，所述粘合剂在光纤与相位调制器之间、具体是在光纤与相位调制器的波导之间实现折射率匹配。

通过光纤端与相位调制器的直接耦合，可以避免光纤端与相位调制器之间的自由光束传播。无论从组装角度还是出于维护目的，这都是有利的。另外，在光纤与相位调制器之间的过渡中，可以减少可能的输入耦合和输出耦合损耗。这可以导致改进信号质量和/或信号评估。

光纤端与相位调制器之间的直接光耦合具体适合于使距离测量装置、具体是其中设置有光纤端和相位调制器两者的测量头最小化。光纤与相位调制器的直接耦合进一步促进了测量头中的集成光学部件和/或相位调制器的光学集成配置的使用。

根据距离测量装置的另一种配置，测量头包括光学单元，借助所述光学单元，信号光束可被引导到物体和/或经物体反射的信号光束可耦合到测量头中。有利地，光学单元被配置为既将信号光束施加到物体上，又将经物体反射的信号光束耦合到测量头中。因此，测量头及其光学单元被配置为使用反射几何形状来测量测量头与物体之间的距离。仅单个光学单元(例如准直透镜)的使用和实施促进测量头相对于物体的定位，这从实际角度来看易于处理。光学单元可以用于将测量头放置在距物体的实际距离处，例如几厘米的距离处，使得可以可靠地排除测量头与物体之间的接触，以用于测量距离或用于扫描物体表面以测量物体表面和/或物体表面拓扑。

根据另一种配置，相位调制器包括面向光学单元的端面，所述端面具有相对于光学单元的光轴以倾斜方式对准的表面法线。可以在相位调制器的相关端面与光学单元之间放置空白区域。由于相位调制器的出射面或端面相对于光学单元的光轴的倾斜对准，源于端面的信号光束沿光学单元方向的背向反射(所述背向反射总是出现在端面上)可以相对于光轴以预定倾斜角反射回到相位调制器中。因此，背向反射的位置远离已经从物体反射回来并且已经耦合到相位调制器中的信号光束。因此，可以有效地避免或降低由于相位调制器的输出处的背向反射而导致的测量信号或信号光束的损害。

表面法线与光轴之间的倾斜角度通常在3°至10°之间。它可以在4°至8°之间，可选地在4°至6°之间。优选地，所述角度大约为5°。

可以规定，相位调制器本身具有立方体或矩形几何形状，并且同样根据端面的朝向光学单元的表面法线与光学单元的光轴之间的倾斜角度相对于传感头的壳体的纵向范围以倾斜方式对准。换句话说，相位调制器可以具有带纵向范围的几何形状，并且可以根据指定倾斜角度相对于光学单元的光轴以倾斜方式对准。由于相位调制器的倾斜的出射面，测量头内的光轴在相位调制器的出射面的区域中具有几何结。

相位调制器的面向光学单元的出射面或端面的表面法线可以相对于相位调制器的纵向轴线(例如其晶体或层结构)以倾斜方式对准。相位调制器的纵向轴线与出射面的表面法线之间的倾斜角度可以和表面法线与下游光学单元的光轴之间的倾斜角度基本相同。

根据另一种配置，相位调制器在信号路径中设置于输出耦合元件与光学单元之间。可以规定，将输出耦合元件直接设置在相位调制器的输入端，以便例如将已经由输出耦合元件从测量光束中耦合输出的信号光束尽可能无损地直接耦合到相位调制器中。然而，也可设想，已经通过输出耦合元件从测量光束中耦合输出的信号光束在某个路径上自由地传播并且例如耦合到晶体的波导的面向输出耦合元件的端部中。

根据距离测量装置的另一种配置，后者包括输入耦合元件，借助于所述耦合元件，参考光束和经物体反射的信号光束可彼此组合以形成评估光束。参考光束和反射信号光束具体在空间上是可叠加的，使得这两个光束可被检测器装置以共同传播方式捕获或检测。由参考光束和反射信号光束形成的评估光束形成干涉图，所述干涉图随输出耦合元件与物体之间的距离而变化。测量参考光束与经物体反射的信号光束之间的干涉或捕获干涉数据允许确定输出耦合元件与已经反射信号光束的物体的表面之间的距离。

根据另一种配置，距离测量装置进一步包括用于干涉测量和/或波长选择性捕获评估光束的检测器装置。具体地，检测器装置可以包括多路分解器，借助所述多路分解器，具有不同波长的至少第一和至少第二光束可彼此分开。参考光束至少包括分别具有第一波长和第二波长的第一和第二部分参考光束。这同样适用于信号光束和经物体反射的信号光束。具有第一波长的部分信号光束干涉具有第一波长的部分参考光束。具有第二波长的部分信号光束干涉具有第二波长的部分参考光束等。具有与第一波长和第二波长不同的第三和第四波长的第三和第四部分信号光束也可以分别干涉具有第三和第四波长的第三和第四部分参考光束。

多路分解器和下游检测器装置允许对应的评估光束以及因此评估光束的不同光谱分量被单独地捕获并且因此是波长选择性的。在这方面，检测器装置可以包括多个光学检测器，例如光电二极管或类似的光敏传感器，它们各自被体现以检测评估光束关于预定波长的干涉。

由于同时干涉测量和/或波长选择性地捕获评估光束的多个不同波长或光谱分量，距离测量装置可以具有相当大的测量范围。基于不同波长的多个干涉图的组合将距离测量装置的测量范围增加到几厘米。在这方面，距离测量装置可以被配置为外差干涉仪。

提供具有不同波长的多个光束以确定距物体距离。然而，单独测量和检测单独光束的干涉。为了确定距物体的距离，已经将基于不同波长测量的单独干涉彼此组合。

根据另一种配置，测量头包括温度传感器。具体地，温度传感器可以信号连接到检测器装置或距离测量装置的控制器。可以借助于温度传感器测量温度的可能影响。测量温度促进温度敏感或温度相关的距离测量。例如，可以借助于温度测量来实施对可能温度影响的计算补偿。

例如，温度传感器可以包括布拉格光栅，更具体地包括光纤布拉格光栅，以便例如能够在操作期间测量相位调制器中的温度变化。温度传感器可以热耦合到相位调制器和/或测量头的壳体。

所测量的温度变化可以通过计算来补偿，或者传感头可以设置有冷却和/或加热元件，例如珀耳帖元件，所述元件可由距离测量装置的控制器根据所测量的温度来致动。在这方面，控制器可以被配置为根据在相位调制器处测量的温度来调节测量头的温度，具体是以便保持所述温度恒定。

根据另一种配置，相位调制器包括多层n掺杂和/或p掺杂的半导体材料，更具体地是InP、InGaAs、SiN或绝缘体上硅。此类半导体材料促进了相位调制器的进一步小型化。具体借助于常规的涂覆方法(例如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD))和/或借助于溅射等，可以将各半导体层设置在载体衬底上，以形成相位调制器。

具体地，相位调制器可以具有各种III-V族材料的组合，即，主族3和5的材料，例如各自具有不同掺杂(n和p)且具有不同掺杂密度的多个InP和InGaAs层的组合。例如，相位调制器可以具有用于提供电光效应的III-V半导体结，然后通过施加电压(例如通过从上方和从下方或侧面接触)来对相关层的折射率进行调制。

基于半导体材料的相位调制器的使用促进相位调制器的集成制造及其与光纤的连接。因此，相位调制器可以由光子集成电路提供或可以集成到光子集成电路中。半导体材料进一步促进以芯片形式(例如集成光学和/或光子芯片)提供相位调制器，所述芯片可以用作相位调制器或测量头的集成光学配置的部件。光子集成电路和/或相位调制器可以光子芯片的形式存在。

当施加相当低的电压时，指定半导体材料可能已经提供了较大的折射率调制。在具有大约2至3mm的长度的基于半导体材料的相位调制器的情况下，5至8V的电压对于180°的相移可能已经足够了。与铌酸锂可比的效果要求晶体更长大约3至4倍。

具体地，相位调制器可以被配置为光子集成结构。基于半导体提供的相位调制器还可以包括沿相位调制器的纵向方向延伸的波导或波导结构。

根据另一种配置，可以特别是为基于半导体技术的相位调制器提供模斑转换器，所述模斑转换器设置在面向调制器的光纤端与相位调制器的面向光纤端的输入侧之间。例如，可以将相位调制器或其波导设计为具有在3μm至10μm之间的光束宽度(FWHM)的光束。模斑转换器可以在光纤与相位调制器之间提供尽可能无损的耦合。模斑转换器还可以进一步设置在相位调制器的输出侧，即，面向测量头的光学单元。相位调制器和模斑转换器都可以集成在光子芯片中。

另一方面，本发明还涉及一种用于如上所述的距离测量装置的测量头。测量头包括壳体、光纤耦合器、相位调制器和光学单元。具体地，距离测量装置的相位调制器仅设置在所述测量头中并且集成在后者中。测量头的光纤耦合促进光纤连接以及与剩余距离测量装置的分开。这允许同一个距离测量装置设置有不同的测量头。具体地，距离测量装置可以被配置有多个测量头，每个测量头具有不同的配置。这些测量头之间的区别在于它们的特定光学结构，具体是它们相应的相位调制器的类型。

距离测量装置的与相位调制器和/或测量头有关的所有上述特征和/或测量头的光学单元的所有上述特征同样适用于旨在单独考虑的测量头。

根据另一方面，提供了一种用于确定距物体的距离的方法。在此，所述方法包括产生具有干涉能力且具有第一波长的至少一个第一单色光束的步骤，以及产生具有干涉能力且具有第二波长的至少一个第二单色光束的步骤。在此，第一和第二波长不同。在另一步骤中，至少第一光束和至少第二光束彼此耦合或组合在共同测量光束中。因此，公共测量光束包含多个光谱分量，每个光谱分量在单独考虑时都具有干涉能力。

随后，将测量光束在空间上分为参考光束和信号光束。参考光束沿参考路径传播，而信号光束沿信号路径传播。此外，所述方法包括借助于相位调制器在时间上周期性地调制信号光束的相位的步骤。相位调制器布置在信号路径中。

通常，所述方法进一步包括在使用上述距离测量装置时必须执行的其他步骤。具体地，规定了使用上述距离测量装置执行的方法，并且规定了被体现为执行在此描述的方法的上述距离测量装置。在这方面，距离测量装置的所有上述特征、优点和解释的功能同样适用于在此提供的方法，反之亦然。

所述方法还可以包括将经物体反射的信号光束与参考光束组合以形成评估光束的步骤。反射信号光束同样可以传播通过相位调制器，因此接收进一步的相位调制。由此形成的评估光束最终可以分成其单独光谱分量，当单独考虑时，它们具有干涉能力。随后可以借助于单独的检测器检测评估光束的单独光谱分量。

检测器通常被体现为测量评估光束或其光谱分量的强度。评估光束进一步在参考光束与反射信号光束之间携带干涉图或相位信息。由于调制(即，改变)信号光束的相位，因此借助于相位调制器在时间上周期性地调制相位，在检测器装置的检测器上也可识别这种变化。

根据另一种配置，具体规定，在调制信号光束的相位的同时，以时间平均方式或在预定时间段内检测评估光束或其频谱分量。因此，借助检测器捕获的评估光束的时间平均强度促进特别精确地测量反射信号光束与参考光束之间的相对相位角。这可以提高相位测量的精度，因此也可以提高距离测量的精度。

借助于相位调制器进行的特定相位调制对于距离测量装置的控制器而言是自然已知的。在干涉测量和/或波长选择性捕获和评估光束评估期间要考虑到这一点。

根据另一方面，本发明还涉及一种用于确定距物体的距离的计算机程序。在此，计算机程序可由评估单元或由与上述距离测量装置耦合用于数据传输的控制器执行。计算机程序包括用于致动布置在距离测量装置的信号路径中的相位调制器的程序装置。

用于致动相位调制器的程序装置被配置为在时间上周期性地调制信号光束的相位。具体地，程序装置被体现为持续不断地和连续地调制信号光束的相位。例如，程序装置被配置为以正弦和/或时间周期方式调制信号光束的相位。计算机程序进一步包括用于对借助于检测器装置捕获的评估光束进行干涉测量和/或波长选择性评估的程序装置。具体地，用于对所捕获的评估光束进行评估的程序装置被配置为随时间对在检测器装置的检测器处存在的强度信号进行积分，并且最终对随时间变化的所述信号进行平均化。这是因为时间积分检测信号是反射信号光束与参考光束的相应光谱分量之间的相对相位角的特性。

具体地，计算机程序可由评估单元或上述距离测量装置的控制器执行。在这方面，距离测量装置的所有上述特征、优点和功能也同样适用于计算机程序，反之亦然。

附图说明

在示例性实施方案的以下描述中，解释了距离测量装置、用于确定距物体距离的方法以及计算机程序的其他目的、特征和有利配置。在此，具体详述如下：

图1示出了距离测量装置的框图，

图2示出了包括晶体的相位调制器的示意图，所述相位调制器被配置为电光调制器，

图3示出了距离测量装置的测量头的示意图和透视图，

图4示出了根据图3的测量头的侧视图，

图5从上方示出了根据图3和图4的测量头的平面图，

图6示出了根据图5的沿A-A穿过晶体的截面，并且

图7示出了用于确定距物体距离的方法的流程图，

图8示出了测量头的配置的切面透视图，

图9从上方示出了根据图8的测量头的平面图，

图10示出了相位调制器与光学单元之间的界面区域中的测量头的放大图示，

图11示出了光纤与相位调制器之间的界面区域中的测量头的放大图示，

图12示出了具有光子芯片的测量头的另一示意图。

具体实施方式

图1的框图示意性地示出了距离测量装置10。距离测量装置10被配置为多波长干涉仪。距离测量装置10包括光源12，所述光源用于产生至少一个具有干涉能力的第一单色光束12.1和至少一个具有干涉能力的第二单色光束12.2。第一光束12.1和第二光束12.2各自具有不同的第一和第二波长。

光源12具体可以被体现为产生具有干涉能力的其他单色光束，例如第三光束12.3和第四光束12.4。为此，光源12本身可以包括多个激光源，所述激光源分别被体现为产生具有不同波长的至少第一、第二而且至少一个第三和/或第四光束。光源12可产生的具有干涉能力的光束的波长通常位于红外范围内。它们可以位于1520nm至1630nm之间的范围内。

距离测量装置10进一步包括多路器14，借助于所述多路器，将不同光束12.1、12.2、12.3、12.4耦合到公共测量光束M中或所述不同光束可组合以形成公共测量光束M。公共测量光束M可以包括至少两个单色光谱分量，当单独考虑时它们具有干涉能力。光源12同样可以光纤方式耦合到多路器14。

具体地，公共测量光束M可以包括多达四个不同的光谱分量，每个光谱分量都具有干涉能力。多路器14可以光纤方式耦合到光源12。具体地，多路器14可以具有光纤实施方式。多路器14的输出可以包括单根光纤41，所述单根光纤通向耦合器16。耦合器16也可以基于光纤概念。例如，它可以包括光纤环行器。耦合器16的输出通过光纤40光学耦合到测量头18。对于距离测量装置的其他配置，耦合器16也可以被配置为部分反射镜或分束器。

耦合器16的另一输入端通过光纤42光学耦合到检测器装置28。在图3至图5中更详细地描绘了测量头18。测量头18包括壳体19。与耦合器16的一端连接的光纤40通向测量头18的壳体19的内部。光纤40可以包括用于限定连接的光纤套管48。

光纤40在测量头18的壳体19内终止。它可以具有固定在光纤套管48中的光纤端44。此外，光纤套管48可以牢固地连接到测量头18的壳体19。光纤端44具有光纤端面46。在当前情况下，光纤端面46既用作输出耦合元件45，又用作输入耦合元件80。可以认为，光纤端44或光纤端面46将从耦合器16到达的测量光束M分开为信号光束S和参考光束R。参考光束被光纤端面46反射回去。因此，它经由光纤40沿参考路径RP传播回到耦合器16。

源于光纤端44并因此源于光纤端面46的信号光束S沿信号路径SP传播并通过相位调制器60。在相位调制器的输出端，传感头18包括例如透镜或透镜系统形式的光学单元78，借助于所述光学单元，信号光束S可聚焦在物体20的反射表面上。信号光束S从那里至少部分地被反射。经物体20反射的信号光束S'可以由光学单元78沿与原始信号光束S相反的方向耦合回到相位调制器60中，并且可以沿与原始信号光束S相反的方向传播通过相位调制器60。

因此，反射信号光束S'可以通过输入耦合元件80耦合回到光纤40中。参考光束R和反射信号光束S'可以在光纤中彼此干涉。在所述过程中产生的干涉图或反射信号光束S'与参考光束R之间的相对相位角提供关于输出耦合元件45与物体20的反射表面之间的距离的信息。

输入耦合元件80同样可以由光纤端面46实施。在当前配置中，光纤端面46既用作输出耦合元件45，又用作输入耦合元件，借助于所述光纤端面，参考光束R和信号光束S从测量光束M出发便彼此分开，并且借助于所述光纤端面，反射信号光束S'可以再次与参考光束组合。本配置纯粹是示例性的。例如，根据马赫曾德尔(Mach-Zehnder)或迈克尔逊原理，可设想用于距离测量装置10的各种其他配置或其他干涉仪实施方式。

沿参考路径RP从输出耦合元件45或从光纤端面46在耦合器16的方向上通过光纤40传播的参考光束和经物体20的表面反射并沿信号路径SP传播的信号光束S'重叠。参考光束R和被物体20反射的信号光束S'的叠加在下文中被称为评估光束A。

评估光束A从测量头18传播到光纤40中的耦合器16。在耦合器16中，评估光束A被另一根光纤42引导到检测器装置28。检测器装置28包括多路分解器26，所述多路分解器将评估光束A的具有干涉能力的频谱分量在空间上分开并将这些频谱分量单独地提供给下游检测器28.1、28.2、28.3、28.4。因此，检测器28.1可以与第一光束12.1的第一波长匹配。另一检测器28.2可以与至少第二光束12.2的第二波长匹配。这同样适用于第三检测器28.3和第四检测器28.4。可各自由单独检测器28.1、28.2、28.3和28.4单独检测和测量的评估光束的波长或光谱分量对应于由光源12产生的光束的波长。

检测器装置28进一步包括数据捕获单元30，所述数据捕获单元从测量技术角度来看准备单独检测器28.1、28.2、28.3、28.4的信号。例如，数据捕获单元30可以被配置为FPGA(现场可编程门阵列)。通常，数据捕获单元包括一个或多个模数转换器，借助于所述模数转换器，可将可由单独检测器28.1、28.2、28.3或28.4产生的模拟信号转换为数字信号。

例如，如果提供总共具有不同波长的四个具有干涉能力的光束12.1、12.2、12.3、12.4，则在每种情况下测量光束存在四个光谱分量或四个部分光束。因此，参考光束也具有四个单独的分光束，每个分光束具有不同波长。这同样适用于信号光束和经物体反射的信号光束。因此，评估光束同样可以包括参考光束和反射信号光束的四对相互干涉的部分光束。

数据捕获单元30还耦合到距离测量装置10的控制器24。控制器24耦合到放大器22，所述放大器继而放大用于相位调制器60的控制信号。控制器24被配置为产生用于相位调制器60的控制信号。此外，控制器24可用于将数据传输耦合到外部评估单元50。例如，外部评估单元50可以被体现为计算机，例如，平板PC。此外，外部评估单元50也可以直接耦合到数据捕获单元30，以便处理由数据捕获单元30记录的数据信号。

具体地，控制器24被配置为产生随时间周期性变化的控制信号，后者借助于放大器22放大其信号振幅。放大的控制信号被馈送到相位调制器60，以便在时间上周期性地分别调制或改变控制信号S或反射信号光束S'的相位。在时间调制期间，测量头18与物体20之间没有相对移动，或者仅有可忽略的相对移动。相位调制导致周期性改变检测器28.1、28.2、28.3、28.4处的强度分布。可以通过将检测器处随时间变化的强度调制平均化来确定相关波长或不同波长的相关光束的准确相位角。

图2示意性地画出了相位调制器60的功能性。相位调制器60被配置为电光调制器61。它包括晶体62，所述晶体具有沿纵向方向延伸穿过晶体62的波导64。从左侧撞击晶体62的信号光束沿纵向方向传播通过晶体62。沿横向方向(即，垂直于信号光束S的传播方向)向晶体62施加电场。根据以下规则，电光调制导致沿波导64的折射率发生变化：

其中λ是光束波长，V(t)是由控制器24产生的时变电压，d是电极之间的距离，L是光束通过晶体的传播路径的长度，并且Δn(t)是电压引起的折射率变化。后者由n决定，n是材料在分别选择的几何形状中的未修改的折射率，其中r表示晶体的有效电光张量，所述有效电光张量取决于相应的晶体对准。

根据图3至图6的图示还表明，波导64被体现或设置在外表面上，因此在晶体62的上侧66。从传播方向看，在波导64的左侧和右侧存在两个电极72、74，它们彼此平行且平行于波导64延伸。电极72、74在波导的大致整个纵向范围中延伸。具体地，波导64延伸穿过整个晶体62。它具有面向光纤端44的端部63，所述端部通向晶体62的面向光纤端44的端面。在相对侧，波导64具有面向光学单元78的端部65，所述端部通向晶体62的面向光学单元78的端面。

波导64和两个电极72、74位于晶体62的同一个表面66上。如在根据图6的横截面中所示，具体地，以近似弓形形式在电极72、74之间延伸的电场线75可以近似横向方式延伸穿过波导64。即，场线75的方向大致垂直于波导64的纵向方向延伸。

通过向电极72、74施加AC电压，可以将对应的相位调制到信号光束S或反射信号光束S'上，且实际上没有时间延迟。借助于电光相位调制器60，可以实现在高于1kHz、高于2kHz、高于5kHz或者高于10kHz或100kHz的区域中的调制频率。特别是为了扫描物体20的表面的目的，这允许提高测量准确度和测量速度。大于1kHz或几千赫兹的调制频率促进快速扫描物体20的表面。随着调制频率的增加，可以更快地确定距物体表面上单独测量点的距离。在这方面，增加相位调制的调制频率允许增加测量头18相对于物体20的扫描移动的速度，例如以便测量后者的表面。

最后，图7示意性地示出了用于确定距物体20的距离的方法的流程图。在第一步骤100中，例如借助于光源12产生具有干涉能力且具有第一波长的至少一个第一单色光束12.1。在后一步骤102中，在产生第一光束的同时，产生具有干涉能力且具有第二波长的至少一个第二单色光束，其中第二波长不同于第一波长。

在后一步骤104中，第一光束和第二光束被耦合或组合或叠加以形成公共测量光束。由此形成的测量光束在后一步骤106中被分割为参考光束R和信号光束。参考光束沿参考路径RP传播，而信号光束S沿信号路径SP传播。在另一步骤108中，借助于相位调制器在时间上关于信号光束的相位角周期性地调制信号光束。

根据预期使用上述距离测量装置10，其他可选方法步骤提供了经物体20反射的信号光束S'与参考光束R的叠加，并且由此产生包含干涉图样的评估光束A。

以与至少第一和第二不同波长相对应的方式，评估光束A关于其光谱分量再次在空间上分割。因此，借助于检测器装置28单独地检测单独光谱分量。在此，在信号光束继续在时间上周期性地被调制的同时，在检测器处测量相应强度。这导致对应调制可在单独检测器处测量的光强。最后，可以通过时间平均化来精确描述反射信号光束和参考光束的相应光谱分量的相对相位角，所述描述继而允许得出关于输出耦合元件45与物体20的表面之间的绝对距离的结论。

图8至图11示出了测量头18的实施方式，所述测量头包括壳体19，在所述壳体中设置有相位调制器60和光学单元78。光纤、更具体地是玻璃基光纤40可以借助于光纤耦合器86可拆卸地设置在测量头18上。然而，所述光纤也可以不可拆卸且牢固地连接到测量头18。壳体19包括突出部19a，在所述突出部的自由端设置有光学单元78(例如呈球形或非球形透镜78形式)。例如，光纤耦合器86可以被配置为光纤实施的插电式连接。

在当前情况下，相位调制器60具有纵向延伸的矩形几何形状。例如，如以上在图3至图6中所描述的，相位调制器60可以被配置为铌酸锂晶体。可选地，相位调制器60可以包括多层n掺杂和/或p掺杂的半导体材料。相位调制器可以被实施为例如在图12所示的光子芯片161中的集成光子相位调制器。

面向相位调制器60的光纤端44可以机械地、具体是直接地机械连接至相位调制器60的入射面或端面83。具体地，可设想，暴露的光纤端44借助于粘合剂与相位调制器60的端面83(例如晶体62的端面)或者与半导体层结构162的端面183如图12中所指示的那样连接。相位调制器60与光纤端44之间尽可能直接的耦合对于无损信号传输是有利的。具体地，提供所谓的折射率匹配粘合剂(与光纤40的折射率和/或波导64的折射率匹配)用于光纤端44与相位调制器60的入射面83之间的粘合剂连接。

测量头18可以可选地被配置有温度传感器90。后者可以信号方式连接到距离测量装置10的控制器24。可以借助于温度传感器90精确地确定测量头18和/或相位调制器60的温度。这促进例如使用另一可选冷却和/或加热元件(未示出)或者纯粹是温度对测量信号的可能影响的计算补偿来进行主动温度调节。

此外，测量头18包括电插式连接器82，所述电插式连接器促进电极72、74与放大器22的电接触。出于尽可能清晰的图示的原因，未明确示出插电式连接器82与沿波导64延伸的电极72、74之间的电连接。

如基于图9可以识别的，具体地，相位调制器60的纵向轴线相对于光学单元78的光轴O略微倾斜。在根据图10的图示中，所述倾斜角度W为大约5°。它可以在3°至10°之间变化。以与该倾斜角度W相对应的方式，相位调制器60还相对于突出部19a的纵向范围具有倾斜对准。同样地，端面85的表面法线可以相对于相位调制器60(例如晶体62)的纵向轴线以角度W的倾斜度对准。

相位调制器60的面向光学单元78的端面85的表面法线同样以倾斜角度W延伸。相位调制器60的出射侧端面85的任何倾斜配置都会导致被引导在物体上的信号光束S的背向反射RF，所述背向反射总是出现在出射表面85，远离经物体20反射的信号光束S'延伸，因此所述背向反射不会叠加在信号光束S'上。因此，可以避免或最小化经物体20反射并通过光学单元78耦合回到相位调制器60中的信号光束S'的背向反射RF造成的损害。

图11示出了光纤端44到晶体62的端面83的机械连接。从其光纤包层40a露出的纤芯40b与相位调制器60的端面83直接机械接触，更具体地与相位调制器60的波导64直接机械接触。可以为机械连接提供折射率匹配的粘合剂。

根据图12的另一图示仅以示意性方式示出了相位调制器160的另一种实施方式，所述相位调制器集成在所谓的光子芯片161中。光子芯片161可以设置在测量头18内或其上。光子芯片161包括衬底100，所述衬底具有由多个不同掺杂的半导体层制成的层结构162。波导164同样位于层结构162中。光纤端44同样可以直接粘合到层结构162上。但是，光纤端44也可以光学地耦合到光子芯片161和相位调制器160，同时保持气隙。

此外，光子芯片可以包括至少一个所谓的模斑转换器110，所述转换器设置在光纤端44与相位调制器160的入射侧端面183之间。同样，也可以在出射侧端面185与光学单元78之间设置另一个模斑转换器110。同样，如以上关于图10中的配置所描述的，模斑转换器110的面向光学单元78的出射表面的表面法线可以同样地相对于光学单元78的光轴以预定角度W倾斜地对准以便避免背向反射到相位调制器160中。

可以使用模斑转换器来将由光纤40预定的光束几何形状、特别是光束尺寸或光束横截面与波导164的要求相匹配。通常，借助于同样设置在芯片161上的模斑转换器110，可以针对波导164减小源于光纤40的光束大小或光束几何形状。

可以在层结构162中或其上提供一个或多个电极172、174用于电引发折射率调制。被配置为光子芯片的相位调制器160具体可以被配置为电光相位调制器或热光相位调制器。

作为光子芯片的实施方式促进适于大规模生产并且特别具有成本效益的制造。因此，可以在一个或多个过程步骤的范围内在单个晶片上同时生产和配置多个这种相位调制器160。

与相位调制器60、160的前侧端面83、183可能直接连接的光纤端44可以用作分别用于参考光束和反射信号光束的输出耦合元件45和输入耦合元件80。相位调制器60、160的端面83、183可以被设置有或涂覆有镜面层。在光子芯片161的实施方式的情况下，芯片161的对应边缘(即，芯片的面向光纤40的边缘)可以用作镜面，以便形成参考光束或以便将测量光束分割为参考光束和信号光束。镜面的反射率可以大于30％、大于50％和高达99％。

可选地，图12中所示的相位调制器160也可以热耦合到温度传感器190。例如，包括光纤布拉格光栅的温度传感器190可以被实施为光子集成电路，并且可以与相位调制器160设置在同一衬底100上。因此，温度传感器190和相位调制器160或半导体层结构162可以一起集成在光子芯片161中。以类似于上述温度传感器90的方式，温度传感器190可以与控制器24信号耦合或耦合以用于数据传输。

附图标记列表

10 距离测量装置

12 光源

14 多路器

16 耦合器

18 测量头

19 壳体

19a 突出部

20 物体

22 放大器

24 控制器

26 多路分解器

28 检测器装置

28.1 检测器

28.2 检测器

28.3 检测器

28.4 检测器

30 捕获单元

40 光纤

44a 光纤包层

44b 纤芯

41 光纤

42 光纤

44 光纤端

45 输出耦合元件

46 光纤端面

48 光纤套管

50 评估单元

60 相位调制器

61 电光调制器

62 晶体

63 端部

64 波导

65 端部

66 表面

72 电极

74 电极

75 场线

78 光学单元

80 输入耦合元件

82 插电式连接器

83 端面

85 结束相位

86 光纤耦合

90 温度传感器

100 衬底

110 模斑转换器

160 相位调制器

161 光子芯片

162 层结构

164 波导

172 电极

174 电极

183 端面

185 端面

190 温度传感器

Claims (20)

1.一种用于确定距物体(20)的距离的距离测量装置，其中所述距离测量装置包括以下各项：

-至少一个光源(12)，其用于产生具有干涉能力且具有第一波长的至少一个第一单色光束(12.1)，并且用于产生具有干涉能力且具有第二波长的至少一个第二单色光束(12.2)，

-多路器(14)，其用于将所述至少第一光束(12.1)和所述至少第二光束(12.2)耦合或组合成公共测量光束(M)，

-输出耦合元件(45)，其用于将所述测量光束(M)分成参考光束(R)和信号光束(S)，其中所述参考光束(R)沿参考路径(RP)传播，并且其中所述信号光束(S)沿信号路径(SP)传播，

-相位调制器(60；160)，其布置在所述信号路径(SP)中并且被配置为以时间周期方式调制所述信号光束(S)的相位。

2.根据权利要求1所述的距离测量装置，其中所述相位调制器(60；160)包括电光调制器(61)。

3.根据权利要求2所述的距离测量装置，其中所述电光调制器(61)包括晶体(62)和与所述晶体(62)电连接的至少两个可电致动电极(72、74)。

4.根据权利要求3所述的距离测量装置，其中所述晶体(62)包括铌酸锂晶体、磷酸二氢钾晶体或砷化镓晶体。

5.根据权利要求3或4所述的距离测量装置，其中所述晶体(62)包括波导(64)。

6.根据前述权利要求3至5中的任一项所述的距离测量装置，其中所述电极(72、74)位于所述晶体(62)的公共表面(66)上。

7.根据权利要求5和6所述的距离测量装置，其中所述电极(72、74)彼此平行并且沿所述波导(64)的纵向方向延伸。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置，其进一步包括测量头(18)，在所述测量头中或所述测量头上设置有所述相位调制器(60；160)。

9.根据权利要求8所述的距离测量装置，其中所述测量头(18)以光纤方式耦合到所述多路器(14)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置，其中所述相位调制器(60；160)以光纤方式耦合到所述多路器(14)。

11.根据前述权利要求8至10中的任一项所述的距离测量装置，其中所述测量头(18)包括光学单元(78)，借助于所述光学单元，所述信号光束(S)能够被引导到所述物体(20)和/或被所述物体(20)反射的信号光束(S')能够耦合到所述测量头(18)中。

12.根据权利要求11所述的距离测量装置，其中所述相位调制器(60；160)的面向所述光学单元(78)的端面(85)具有相对于所述光学单元(78)的光轴以倾斜方式对准的表面法线(N)。

13.根据权利要求11或12所述的距离测量装置，其中所述相位调制器(60；160)在所述信号路径(SP)中设置于所述输出耦合元件(45)与所述光学单元(78)之间。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置，其进一步包括输入耦合元件(80)，借助于所述输入耦合元件，所述参考光束(R)和经所述物体(20)反射的所述信号光束(S')能够彼此组合以形成评估光束(A)。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置，其进一步包括检测器装置(28)，其用于对所述评估光束(A)的干涉测量和/或波长选择性捕获。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置，其中所述测量头(18)包括温度传感器(90；190)。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置，其中所述相位调制器(160)包括多层n掺杂和/或p掺杂的半导体材料，更具体地是InP、GaAs、InGaAs、SiN和/或绝缘体上硅。

18.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的距离测量装置的测量头(18)，其包括壳体(19)、光纤耦合器、相位调制器(60；160)和光学单元(78)。

19.一种用于确定距物体(20)的距离的方法，其包括以下步骤：

-产生具有干涉能力且具有第一波长的至少一个第一单色光束(12.1)，

-产生具有干涉能力且具有第二波长的至少一个第二单色光束(12.2)，

-将所述至少第一光束(12.1)和所述至少第二光束(12.2)耦合或组合在公共测量光束(M)中，

-将所述测量光束(M)分成参考光束(R)和信号光束(S)，其中所述参考光束(R)沿参考路径(RP)传播，并且其中所述信号光束(S)沿信号路径(SP)传播，

-借助于布置在所述信号路径(SP)中的相位调制器(60；160)在时间上周期性地调制所述信号光束(S)的相位。

20.一种用于确定距物体(20)的距离的计算机程序，所述计算机程序能够由与根据前述权利要求1至17中任一项所述的距离测量装置(10)数据耦合的评估单元(50)或控制器(24)来执行，其中所述计算机程序包括以下各项：

-用于致动布置在所述距离测量装置(10)的所述信号路径(SP)中的相位调制器(60)的程序装置，其中所述程序装置被配置为在时间上周期性地调制所述信号光束(S)的相位，

-用于对借助于检测器装置(28)捕获的评估光束(A)进行干涉测量和/或波长选择性评估的程序装置。

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