CN1123783C - 用于绝对距离的电光测量装置 - Google Patents

Abstract

用于到一个目标点的绝对距离的电光测量装置。对于根据费泽奥法必要的光偏振调制的补充，根据发明所述规定：调制器包括一个带有电极的调制晶体(8；7)，这些电极和一个可变的直流电压源(11；10)相连，并且配备一个控制系统(19)，该控制系统在不同的直流电压下，通过调制晶体主偏振的一个完整周期，依次确定在最小亮度范围内所属的调制频率下的调制相位值，储存所测量的数值并且取平均，在不为零的平均值时，测量在微小改变的调制频率下重复，并且用插入法决定属于调制相位平均值为零的调制频率。这种测量装置特别适合与一个基于干涉仪的跟踪系统耦合。

Description

用于绝对距离的电光测量装置

技术领域

本发明涉及一种到一个目标点的绝对距离的电光测量装置，它包括：产生一个准直的线偏振激光束的装置，用于调制和解调带有一定顺序调制频率的激光束的偏振的电光调制器，一个和目标点相耦合的反射体，用于在最小亮度范围内确定所发射的调制激光束和由目标点接收并且解调的激光束之间的调制相位值并确定相应的调制频率值的电光检测器；以及用带有零调制相位的两个相邻调制频率计算距离的装置。

背景技术

一种这样的测量设备在专利EP 0 205 406 B1中已经描述。这种测量设备所依据的原则相应于所谓费泽奥(Fizeau)的齿轮方法。在此方法中，起初一束光线通过一个齿轮被周期性打断，然后发送至反射体并且最后在齿轮上第二次被周期性打断。在回程光线消光的情况下，根据齿轮的转数，通过比较一个齿轮齿到下一个齿槽的运行时间来确定光线的运行时间。

在专利EP 0 205 406 B1所描述的测量设备中，采用一个电光晶体代替齿轮作为调制器。这时测量光束不再被周期性打断，而是一个椭圆型偏振光被周期性改变。如果人们用几百兆赫的正弦信号在电光晶体里调制一个线性偏振光束，其偏振平面就晶体轴而言，位于适当位置，并且反射光束部分在反转方向第二次通过晶体时经历进一步的调制，那么人们在确定的调制频率下，就再次得到原来的不随时间变化的线性偏振光，并且在合适的检偏振器中观察到亮度熄灭。

在这种情况下任何时刻恰好有整数个调制波长处于在调制晶体和反射体之间的双倍测量距离中。当人们没有观察到亮度极小时，人们可以通过改变测量距离或调制波长的方法观察到亮度极小。调制波长通过调制频率被改变，运行时间和调制波长成比例。测量距离是调制波长的整倍数的条件可以清楚的在不同调制频率中调准。然而绝对距离可以通过两个相邻的这样的调制频率明确地确定。

首先使用钽酸锂晶体作为调制器，因为为了偏振调制它需要一个相对低的调制电压。这时调制交流电压通过在微波空腔谐振器中的装置用通常方式感应地加在晶体里产生。然而这种晶体的缺点是，用于调制的有效静态双折射十分强烈地依赖于温度。这意味着，在测量原理中利用的亮度极小值视温度依赖关系而变平坦，甚至于变为最大值，因此测量距离将不准确或成为不可能。

为了补偿前面所提到的温度影响可以把与测量光束波长相对应的1/4波长片接在调制晶体后。测量光束在从反射体的返回中再一次通过1/4波长片，从而第二次通过时产生一个90°的偏振旋转，因此与温度有关的调制晶体的双折射作用通过相对晶体轴交换偏振可以在任何时刻达到补偿。

测量装置通常使用在目标位置光束方向设置反射体，例如一个立方角反射体。这种系统最大可达到的测量精确度处于微米范围。为了达到一个尽可能完全的偏振解调制，必需保证通过其他光学部件没有叠加与发送和返回的光线的射束方向相一致的杂散光，并且保证通过外部部件对偏振的影响尽可能小，否则上面提到的借助于λ/4片的补偿会受到干扰。

为了确定调制相位，也就是说为了灵敏的探测最小光亮度，把几百兆赫调制信号的频率调制从约10千赫频移提升到500千赫。频率调制信号的振幅是调制相位的量度。特别是在亮度最小值时调制相位等于零(一阶导数)。

在专利EP 0 313 518 B1公开了一种比前面所述量测装置进一步发展的装置，它可以测量到天然目标或反射膜的距离。为此，把偏振调制的准直的测量光束聚焦到目标物是必不可少的。这个解决方案是从如下知识出发，即许多从一个具有宽散射特性的目标物上扩展的光点过多返回的光束成分在晶体中解调时通过新的和倾斜的具有不同调制效果的路径。在这种情况下得不到对应调制相位的亮度极小的均匀线偏振。如果与此相反由于聚焦人们处理一个很小的光点，所以从原有光路散射出的散射光部分，在测量装置中没有遮盖要找的极小值就简单地消失了。由于光点的聚焦，在这种测量布置中，这种量测与测量光束入射到目标点的方向完全无关。

偏振调制的费泽奥系统的其它结构形式是大家熟悉的。

在专利US 3,200,698中有一种测量装置是众所周知的，借助于它可以调整到反射物体的精确距离。一束线偏振光通过一个设置在微波谐振腔内的双折射晶体被周期性椭圆型极化。在从物体反射后该束椭圆型偏振光重新通过晶体。在精确调整物体距离时椭圆型偏振再变回线性偏振，并且从检偏振器透射的强度是最小的。目标只要用测微螺杆从预先设定的位置开始移动，直到调整到最小信号为止。

在专利US 3,424,531中描述了一种距离测量装置，由它向一个测量目标发射两种不同波长的测量光束。一个调制器处在两束测量光束共同通过的往返路径上，该调制器周期性地打断测量光束。这种测量方法相当于齿轮方法。使用带有不同波长的测量应该掌握在测量范围内的大气湍流和折射率的改变，由此实现对路径测量的修正。

在专利SU 882 734 C中描述了一种可移动的机器人，它包括一个到固定反射体的绝对距离的光测量装置。在机器人的运动中，测量光束通过一个自动控制的跟踪镜持续地对准反射体。距离测量设备用一束振幅调制激光束工作，它和上述费泽奥方法相比非常不精确。

在专利US 4 714 339 C中描述了一个位置固定的设备，它用于自动跟踪固定在机器人一只臂上的反射体，此外，移动距离当反射体在空间运动时可以被测量。激光干涉仪系统被用来测量两个反射体之间的距离。用这种系统进行相对距离的测量极其精确，处于亚微米范围。

在专利DE 43 06 884 A1中描述了一种相位调制激光干涉仪，它主要包括在参考光束路径里的一个相位调制器。由相位调制参考光束和测量光束构成一个叠加的信号。相位调制器由一个正弦形信号控制，由此同样还产生一个对此相位耦合的混合频率信号。叠加信号和混合频率信号倍增混合，并且在带通滤波之后，求出沿着测量路径的待测量的距差。这种方法简化了相位调制器的控制。

在干涉仪中用于绝对距离值的测量必须从一个确定的参考点出发并且不允许被打断。对激光束的相干性和波型的稳定性要求很高。

在试验时，一个按照费泽奥方法工作的测量装置通过一个自动控制的跟踪镜向一个地点可改变安排的反射体定向发射激光束，结果是，通过在射束方向斜立的跟踪镜上的反射以及通过立方体角反射体斜立面的反射，测量光束的偏振被如此强烈地改变，以至于待测量的亮度极小不再可以充分精确检测，以便达到系统要求的测量精度。

发明内容

因此本发明以下面的任务为基础，即基本上消除以费泽奥方法工作的装置的测量精度对调制器晶体的特性、干扰光的影响以及外部所留有附加的偏振的依赖关系。因此特别应该达到，使该测量装置是可以与一个使光束转向的跟踪镜相结合和与一个干涉仪测量系统组合在一起使用的。

这项任务在根据本发明的方案得以解决，本发明提供了一种用于测量到一个目标点的绝对距离的电光测量装置，它包括：产生一个准直的线偏振激光束的装置，一个用于调制和解调带有一定顺序调制频率的激光束的偏振的电光调制器，一个和目标点相耦合的反射体，一个用于在最小亮度范围内确定所发射的调制激光束和由目标点接收并且解调的激光束之间的调制相位值并确定相应的调制频率值的电光检测器；以及用带有零调制相位的两个相邻调制频率计算距离的装置，其特征为：所述电光调制器包括一个带有电极的调制晶体，这些电极和一个可改变的直流电压源相连，并且提供一个控制设备，该控制设备在不同的直流电压下，通过上述调制晶体主偏振的一个完整周期，依次确定在最小亮度范围内所属的调制频率下的调制相位值，储存所测量的调制相位值并且取平均，在不为零的平均值时，测量在微小改变的调制频率下重复，并且用插入法决定属于调制相位平均值为零的调制频率。

在所述的电光测量装置中，所述电光调制器包括一个只有频率调制的调制晶体，所述电光测量装置还包括与所述调制晶体前后放置的另一个只加直流电压的调制晶体。

所述控制设备包括用于在一个主偏振周期内逐步提高直流电压值的一个发生器。

所述反射体在空间设置成可以自由移动，并且所述激光束通过一个自动控制的跟踪镜跟踪所述反射体。

所述激光束通过一个分光镜导向跟踪镜。

优选地，所述分光镜是一个二向色性的分光镜。

所述反射体可以与一个激光干涉仪耦合以进行相对距离测量，其中所述干涉仪的光程和所述电光测量装置的光程聚集在所述二向色性分光镜上。这时，优选地，所述干涉仪光束的激光波长和测量装置的光束的激光波长是不同的。

所述调制晶体被安插到分光镜前从激光干涉仪来的光程中，分光镜分路一部分从反射体回来的光束用于与干涉仪的参考光束叠加。

与直流电压有关的偏振可以叠加到普通的调制晶体上。从优点来说，当两个调制晶体前后放置时，其中一个完成高频偏振调制，另一个产生与直流电压有关的主偏振。这样可以特别避免一些结构上的困难，这些困难是由在微波空腔谐振器中安置一个调制晶体装置产生的。

控制设备以有益的方式包括一个发生器，它用来在一个主偏振的周期中逐级提高直流电压值。

利用施加到调制晶体上的直流电压改变其主偏振。在没有高频调制情况下以及在对垂直对准的晶体出端的光z-轴呈45°角入射线性偏振光的情况下出现的偏振称为主偏振。与给定的晶体长度有关，主偏振的位置通过一定的直流电压值周期性地重复。对于一个改变360°的主偏振，也就是说，一个垂直于光轴振荡的s分量滞后于平行于光轴振荡的p分量360°，例如在置入的钽酸锂晶体情况下，需要约500V(半波电压约250V)。

依照本发明，在每次找到一个可辨认的亮度极小后，在其所属的调制频率下经过一个完整的周期主偏振改变一次。在通过一个完整周期的主偏振时产生一个平均的调制相位，因此为了进一步的测量唯有正确测定调制频率是决定性的。这个调制频率可以识别如下，只在所选择的调制频率与对应于调制相位的最小值调制频率一致时，在与主调制的有关决定的调制相位值的平均值才变为零。通过逐步改变亮度极小附近的调制频率，从取平均的调制相位值能够内推所属的调制频率值。

主偏振的改变应该通过一个完整的周期进行。由于光二次通过晶体，在晶体里施加半波电压时，探测器中已经产生一个完整的周期，因为s-和p-分量的延迟在往返行程中各为180°。但是主偏振的改变主要通过一个完整的周期在晶体里产生，因为已经确认，这时在探测器中产生测量值的两个周期并不精确一致。这归因于：主偏振周期的开始和结束是与温度有关，并由此而不确定。因此，在探测器中对两个周期的求平均提供了一个改进的平均值。

根据本发明所述的测量装置，现在反射体在空间可以自由移动地调整，激光束通过一个自动控制的跟踪镜追踪反射体。激光束通过一个分反射镜以适当的方式导向跟踪镜上，因此从反射体返回的激光束的一部分通过该分反射镜能够被导向到对位置敏感的探测器上，它促使跟踪镜实现跟踪。

尤其是也可能使用一种二向色的分反射镜，所以能够使用不同于测量装置所用的另一种波长进行跟踪调整和确定偏转角。尤其在美国专利US 4 714 339 C中公开的一种带有跟踪控制的激光干涉仪系统通过一个二向色分反射镜和用于绝对距离测量的激光束耦合，并且在从反射体返回时与其再去耦。这能带来好处，因为以有益方式使用外差式干涉仪需要一个氦-氖激光器做为相干光源，然而一个激光二级管可以用于费泽奥测量系统，这里，线偏振特性对于电光偏振调制是决定性的。

因为在激光外差式干涉仪中使用的激光束也是线偏振的，而且它不取决于在费泽奥测量方法中的光波长，所以一种根据多普勒方法工作的激光外差式干涉仪的测量光束，如同例如在专利EP 0 194 941 A2中所描述的，也可以有利地在费泽奥系统中做为测量光束使用。重要的是，在费泽奥系统中偏振调制不改变干涉仪光束的相干性，因此光频率的多普勒偏移的利用不受干扰。另一方面在外差式-干涉仪中光频率的偏移不影响费泽奥测量方法，因为在这里只有偏振调制的波长是决定性的。因此偏振调制器可以插入到从干涉仪来的光程中，并且它和一个分反射镜串联，通过此分反射镜从反射体返回的光束的一部分被分路，并且偏转以便和干涉仪的参考光束叠加。

一种用于绝对距离的测量装置和一种用于相对距离测量装置的组合开辟了例如为机器人校准的新的可能性。在静止状态，原始坐标可以借助于绝对距离测量测出。对干涉仪数据同时的数据分析允许详细描述关于机械的稳定性和甚至机器人系统的振动特性。藉助于干涉仪对随后的机器人运动进行测量。然后终止位置的坐标通过干涉仪测量给出，但也可以通过重复的绝对测量被检验。此外两种测量信息的结合可以从本质上提高测定到移动目标绝对距离的精确性。

下面依靠附图示出的实施例更加详细地描述这项发明。

附图说明

图1测量装置和基于干涉仪的跟踪系统相结合以及

图2组合到跟踪系统的干涉仪光程中的测量装置。

具体实施方式

在图1中一只激光二级管1产生测量光束。它是分量制约的约为100∶1的线偏振。在一个光聚焦系统2之后，一束狭窄和平行的光束通过一个光学隔离器3，这只光学隔离器防止激光运行过程中受回程光的干扰。一个起偏振的分光镜4仅允许激光二级管1的主要的线偏振成分进入费泽奥系统。此外这种分光镜4用做费泽奥系统的偏振分析仪。因此落到与电光调制器5所设的晶体轴成45°的光在具有可变频率约850-1000兆赫兹的交变电场周期地加到电光晶体上的作用下被偏振调制。一个1/4波长片6以大家熟悉的方式用于补偿在调制晶体中双折射随温度的变化，即在回程光中通过两次1/4波长移动，更换了对电光调制器的晶轴的偏振的取向。

为了消除外部附加偏振对1/4波长片工作方式有损害的影响，设置另一个电光晶体7作为另一个调制器，一个可变直流电压源10施加直流电压到这个电光晶体上。这时原则上也可以通过一个可变直流电压源11直接把直流电压加到电光调制器5的调制晶体8上。这如虚线所示。也可以通过温度变化改变晶体的双折射。考虑到与此有关的技术上的化费，所以这两种选择不再进一步描述。

一个振荡器13用于控制电光调制器5，它具有可变的并且通过一个相位稳定回路12的程序设计产生的调制频率，如前述为850-1000兆赫兹。相位稳定回路12包括一个没有画出的合成器，并且它通过PLL电路稳定到10兆赫的石英参考频率。所有系统功能和数据分析通过一个带有微处理器的控制设备19协调和进行。

由振荡器13，电光调制器5和相位稳定回路12组成的子系统所需要的频带宽总共约150兆赫兹。在测量过程中频率是这样调整的，即最小回程光落到一个做为检偏器的分光镜4后所设置的光敏二级管15上。一只放大器16用于放大这种测量信号。

一个扫频发生器14在回路12中产生一个正弦频率调制，它在相敏探测器17(锁定放大器)中用来探测信号极小值。附加叠置调制频率改进了最小位置的精确探测。就像已经提到的，在费泽奥测量方法中，在某种调制频率下，产生这个最小位置时，所给定的到反射体的距离是调制波长一半的数倍。在控制设备19中，绝对距离由两个这种对应于相邻最小位置的频率计算出来。

不同于测量调制频率的相敏探测器17，在强度测量电路18中测量信号强度，也就是一般的光亮度。关于费泽奥测量方法的补充信息可参阅在本文一开始提到的专利EP 0205 406 B1。

对于到大约100m测量距离，要求测量光束少量发散。为此光束在准直器9中被扩展。这个被扩展的光束通过一个二向色性分光镜23被耦合输入测量光束25中或从测量光束25耦合出来。测量光束25通过跟踪镜24通向做为立方体角反射体设置的反射体26。

在从费泽奥系统发射后，测量光束的偏振应尽可能少的改变，因为就像在本文一开始所提到的附加于偏振调制中出现的固定的偏振改变导至测量系统的灵敏度下降。因为倾斜于光束安置的介电层，例如分光层，具有强烈的偏振作用，所以在这里要尽可能注意补偿或避免偏振的影响。在固定的角度状况下补偿可以实现如下：即光通过两束等同的但与光束方向旋转90°的光学分量被导向。这可以在分光镜23实现如下：即它由两个同等的组合在一起的分光层组成。

优化跟踪镜24以使它的镀膜在所需要的各种入射角范围内，垂直和平行偏振分量间有尽可能小的相位偏差。可以既避免附加偏振发生在这种部件上也避免发生在反射体26上。

此外在图1示出一种干涉仪系统20，它的细节例如由本文一开始描述的专利US 4 714 339 C中可以获悉。这种系统的测量光束有另一个波长，并且同样通过分光镜23被耦合输入到测量光束25和从测量光束25耦合输出。通过另一个分光镜21，从反射体26返回的干涉仪光束中的一部分被引向位置敏感的二级管22以进行跟踪控制。

很显然也可以使用一种简单的分光镜23，它使属于费泽奥系统的测量光束的一部分通过，并且直接引向位置敏感的二级管22，随后该二极管控制一个独立的调节系统。

依照本发明所述，带有测量两个相邻最小位置的费泽奥系统的测量算法通过一个附加的流程被扩展，它消除了由于不可避免的外部偏振的影响产生的测量不可靠性。

首先，通过在回路12中的合成器自动调节的调制频率，在强度测量电路18和相位敏感探测器17中寻找第一个最小位置。这时，探测器17测量由扫频发生器14产生的频率调制的相位和振幅。这是信号振幅对频率的一阶导数。信号振幅的最小位置相当于频率调制的振幅过零点。

在寻找用于距离计算必需的第二最小位置后，现在为了在固定的与最小值相应的所予期的调制频率情况下作精密测量，作为调制器的电光晶体7的主偏振通过可变直流电压源10经过一个周期被旋转。为此直流电压逐步地从零到两倍的半波电压(例如500V)施加到作为调制器的电光晶7上。这时，通过半波电压在相敏探测器17中产生的正弦变化的值被储存在控制设备19中。因为探测器17的锁定数值是振幅值对频率的一阶导数值，所以当调制频率精确处于调制相位值的极小时，所储存值的平均值精确等于零。

根据第二次以及可能其它的同类测量带有一些偏移的调制频率，在偏离零的平均值情况下最小的精确位置能够被内插。精确测量可以在其他的极小值重复，特别是已经在第一最小值中重复。在相应的算入现有值之中时它导致提高的测量可靠性和精确性。

在图2中描绘了一个测量系统，在该测量系统中，绝对距离量测装置组装在干涉仪的光程中。这种干涉仪系统20，在例如专利EP 0 194 941A2中已描述。同样费泽奥系统30也应包括所有相应的在图1中示出并阐述的部件(4-19)。

一束没有扩展的光束从干涉仪系统20射出，该光束是线偏振的，模式稳定的以及通过声光调制器频率偏移的。这束光通过图1示出的检偏振器4射入费泽奥系统30，并且在附加的偏振调制后通过准直器9离开系统。

与图1的装置相比，属干涉仪系统20的分光镜31和偏转镜32，33，是新的。通过这些部件从反射体26返回的光束25的一部分被用来与干涉仪的参考光束干涉。与参考光束相比附加在它上面的偏振调制不防碍干涉。

如图1所示一部分从反射体26返回的光束通过分光镜23导向位置敏感探测器22，由此产生一个用于跟踪镜的控制信号。

Claims (9)

1.一种用于测量到一个目标点的绝对距离的电光测量装置，它包括：产生一个准直的线偏振激光束的装置，一个用于调制和解调带有一定顺序调制频率的激光束的偏振的电光调制器，一个和目标点相耦合的反射体，一个用于在最小亮度范围内确定所发射的调制激光束和由目标点接收并且解调的激光束之间的调制相位值并确定相应的调制频率值的电光检测器；以及用带有零调制相位的两个相邻调制频率计算距离的装置，其特征为：所述电光调制器(5)包括一个带有电极的调制晶体(8)，这些电极和一个可改变的直流电压源(11；10)相连，并且提供一个控制设备(19)，该控制设备在不同的直流电压下，通过上述调制晶体(8)主偏振的一个完整周期，依次确定在最小亮度范围内所属的调制频率下的调制相位值，储存所测量的调制相位值并且取平均，在不为零的平均值时，测量在微小改变的调制频率下重复，并且用插入法决定属于调制相位平均值为零的调制频率。

2.根据权利要求1所述的电光测量装置，其特征为：所述电光调制器(5)包括一个只有频率调制的调制晶体(8)，所述电光测量装置还包括与所述调制晶体前后放置的另一个只加直流电压的调制晶体7)。

3.根据权利要求1或2所述的电光测量装置，其特征为：所述控制设备(19)包括用于在一个主偏振周期内逐步提高直流电压值的一个发生器。

4.根据权利要求1或2所述的电光测量装置，其特征为：所述反射体(26)在空间设置成可以自由移动，并且所述激光束通过一个自动控制的跟踪镜(24)跟踪所述反射体(26)。

5.根据权利要求4所述的电光测量装置，其特征为：所述激光束通过一个分光镜(23)导向跟踪镜(24)。

6.根据权利要求5所述的电光测量装置，其特征为：所述分光镜(23)是一个二向色性的分光镜。

7.根据权利要求6所述的电光测量装置，其特征为：所述反射体(26)与一个激光干涉仪(20)耦合以进行相对距离测量，其中所述干涉仪的光程和所述电光测量装置的光程聚集在所述二向色性分光镜(23)上。

8.根据权利要求7所述的电光测量装置，其特征为：所述干涉仪光束的激光波长和测量装置的光束的激光波长是不同的。

9.根据权利要求1或2所述的电光测量装置，其特征为：所述调制晶体(8)被安插到分光镜(31)前从激光干涉仪(20)来的光程中，分光镜(31)分路一部分从反射体(26)回来的光束用于与干涉仪的参考光束叠加。