DD209263A1

DD209263A1 - Interferometrische anordnung zur optoelektrischen distanzmessung

Info

Publication number: DD209263A1
Application number: DD82242947A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Dieter Salewski; Horst Unger; Karl-Heinz Bechstein
Original assignee: Univ Ernst Moritz Arndt
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1982-09-01
Publication date: 1984-04-25
Also published as: DE3328773A1; JPS5990003A; FR2532417A1

Abstract

Die Erfindung " Interferometrische Anordnung zur optoelektrischen Distanzmessung" betrifft das Gebiet der optoelektrischen Entfernungsmessung. Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Distanzmessvorrichtung, die durch Modifizierung bekannter interferometrischer Laser-Weg-Messsysteme erreicht werden kann. Die Aufgabe wird dadurchgeloest, indem anstelle einer einzigen Laserfrequenz Licht eines Zweimodenlasers mit orthogonaler Polarisationsorientierung beider Strahlkomponenten die Interferometerstrecke durchmisst. Nach erfolgter Interferenz zwischen Mess- und Referenzstrahl werden die den beiden Laserfrequenzen entsprechenden Interferenzsignale mittels Polarisationsteiler getrennt und auf separate optoelekrische Wandlereinheiten gericxhtet. Es erfolgt eine gleichzeitige elektronische Speicherung der Signale mit kurzen Einspeicherungszeiten, in denendie Eigenschaften des durchstrahlten optischen Mediums als quasi-konstant angesehen werden koennen. Die Messwerte werden einer Rechnereinheit zur Ermittlung der Phasenwinkel der den beiden Lasermoden entsprechenden Interferenzsignale zugefuehrt . Die Phasendifferenz ist der Distanz proportional. Die Verwendung mehrerer Laserlichtquellen, deren Modenabstand durch geringfuegige Aenderungen der Laserspielelabstaende verschieben ist, erlaubt durch Kombination der aufeinanderfolgend ermittelten Werte eine eindeutige Distanzbestimmung ueber relativ grosse Verfahrbereiche.

Description

Interferometrische Anordnung zur optoelektrischer! Distanzmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine interferoinetrische Anordnung zur optoelektrischer Distanzmessung,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die modernen Distanzmeßgeräte beruhen in der Regel auf der Grundlage der Laufzeitmessung von Liehtimpulsen oder des Phasenvergleichs elektrooptisch modulierter Lichtwellen. Alle derartigen ?erfahren nutzen das Licht nur als Modulationsträger, so daß die gegenwärtig erreichbaren Meßwellenlängen in der Größenordnung von 1 m liegen. Sin sehr genaues elektrooptisches Meßverfahren ist im US-Eatent 4 068 951 beschrieben» Genauer als dieses Gerät sind interferometrische Anordnungen. Sin Laserstrahl wird in einen Meß- und einen Referenzstrahl auf-

. "". . . -. .

gespalten. Der leßstrahl wird nach dem Durchlaufen der Meßstreeke und der Eef lesion aiii Meßreflektor wieder mit dem Hef erenzstrahl vereinigt. Entsprechend der relativen Phasenwinkellage zwischen Meß- und Referenzstrahl, entstehen im Interferenzpunkt bei Bewegung des Meßreflektors Hell-Dunkelsignale_} die durch Photodetektoren registriert und elektronisch gezählt werden» Die Aufaddition der einzelnen Zählimpulse liefert in Verbindung sit dem Wert der Laserwellenlänge die Gesamtverschiebung des Reflektors, so daß auf diese Weise Längen und Distanzen mit Auflösungen in der Größenordnung der Wellenlänge und bei ,geeigneter Interpolation darunter gemessen werden können

Interferometrische Anordnungen dieser Art eignen sich jedoch nur

bedingt zur Distanzmessung, da auf Grund der erforderlichen Aufaddition der Weginkremente keine Strahlunterbrechungen zulässig sind, so daß der Meßreflektor längs der Wegstrecke an eine Führungsbahn gebunden sein muß, um Strahlauswanderungen zu verhindern.

Im US-Patent 4 005 936 wird eine interferometrische Methode beschrieben₅ die eine kohärente Lichtquelle enthält, die zwei verschiedene Frequenzen f.. und fp aussendet. Jeder Aus gangs strahl wird in zwei Teile aufgespalten, von denen jeweils eine Strahlkomponente durch eine spezielle Vorrichtung eine Frequenzverschiebung df. bzw» df2 erfährt« Die Strahlanteile mit den unveränderten Frequenzen f.. und f« "werden über die interessierende Distanz geführt und am Meßreflektor zurückreflektiert* Ein Photodetektor empfängt das Licht aller Teilstrahlen derart, daß die Strahlkomponente der Frequenz f^ mit dem in seiner Frequenz veränderten Anteil f..+df^ und der Strahlanteil mit der Frequenz f₂ ebenso mit der entsprechenden Komponente f^+clfp kohärent interferieren« Yom Detektor wird ein Signal der Frequenz (df.-dfg) abgeleitet,' dessen Phase der Differenz der beiden einzelnen Phasenwinkel entspricht und ein Maß für die durchlaufene Distanz ist« Diese interferometrische Methode benötigt eine Zusätzliche Vorrichtung 2ur Abänderung der Ausgangsfrequenz in jeweils einer Teilkomponente der Laserstrahlung, Darüberhinaus erlaubt die Benutzung von nur z^ei Laserfrequenzen die Erzeugung eines nur sehr kleinen eindeutigen Distanzaeßbereichs mit einer akzeptablen Distanz auf lösung,

Ss sind keine interferometrischen. Anordnungen bekannt, die nbex einen großen Distanzmeßbereich (z«3„ 100m) verfügen«

Ziel der Erfindung . ~

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer interferometrischen Anordnung zur optoelektrischen Distanzmessung, die durch Modifizierung bekannter interferometrischer Laaer-Weg-Meßsysteme erreicht werden kann, wodurch neue technische Einsatzgebiete für interferometrische Meßmethoden erschlossen werden können»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Anordnung zur optoelektrischen Distanzmessung über große .7erfahrbareiche auf inter-

ferometrischer Grundlage zu erzielen, da bekannte interferometrische Anordnungen gegenwärtig nur die Aufgaben einer Längenmessung erfüllen, bestenfalls jedoch nur über kleine Yerfahrbereiche eine Distanzmessung erlauben,

Erfindungsgemäß wird die Aufgäbe dadurch gelöst, indem eine Anordnung gewählt wird,.die aus einer oder mehreren Laserlichtquellen besteht, die jeweils zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz f.. und fp, vorzugsweise zwei Laserinoden, mit um 90° verschiedenen Polarisationsebenen aussenden, wobei der Modenabstand unter den einzelnen Lasern infolge verschiedener Laserspiegelabstände gering variiert. Darüberhinaus besteht die Anordnung aus einem bekannten Laserinterferometer zur Längenmessung, das mehrere phasenverschoben Interferenzsignale erzeugt, die sich durch überlagerung eines Meß- und eines Referenzstrahls ergeben« Der Interferometerblock enthält neben der aus Photoeapfängern bestehenden Wandlereinheit eine gleichartige zweite Wandlereinheit und einen oder mehrere Polarisationsteiler, die bewirken, daß in Abhängigkeit von der Orientierung der Polarisationsebene des Laserstrahls die im Interferometerblock erzeugten Interferenzsignale entweder auf die eine oder die andere Wandlereinheit fallen« Der elektronische Teil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht aus Vorrichtungen zur analogen Signalvorverarbeitung und Zwischenspeicherung, einem Analog.~Digitalwandler sowie einer Rechnereinheit mit Ausgabeaedium,

Das von einem Laser erzeugte Strahlenbündel enthält zwei linear polarisierte Moden?, die sich in der Orientierung ihrer Polsrisationsebenen um 90 unterscheiden* Beide Lichtfrequenzen durchmessen gleichzeitig den gesamten optischen Weg, einschließlich der Interferometerstrecke, gemeinsam* Die im Interferometerblock erzeugten Interferenzsignale werden durch die geeignet angeordneten Polarisationsteiler entsprechend der Polarisationsorientierung jeder Frequenzkomponente räumlich getrennt und auf die beiden separaten Wandlereinhe.iten gerichtet. An jede Wandlereinheit schließ sich eine elektronische Yorverarbeitungsstufe zur Sliminierung von Störeinflüssen an* Die erzeugten elektrischen Signale beider Wandlere inhe it en^: werden daraufhin gleichzeitig-,-elektronisch zirir schengespeichert mit Sinspeicherzeiten, die sehr viel kleiner sind, als die Zeiten, in denen meßbare Änderungen des durchstrahlten optischen Mediums infolge Turbulenz stattfinden«

Die zwischengespeicherten analogen Signale werden mittels Analog-Digitalwandler diskretisiert und einer Rechnereinheit zugeführt, in der über bekannte funktionale Zusammenhänge die Berechnung des Phasenwinkels jedes der beiden den Laserfrequenzen entsprechenden Interferenzsignale erfolgt* Die Differenz beider Phasenwinkel liefert wie bei anderen Phasenmeßverfahren einen zur gemessenen Distanz proportionalen Wert, der, multipliziert mit bekannten Konstant en-_r -angez-e igt wird*

Ein durch zwei Lasermoden erzeugter Distanzmaßstab kann infolge physikalischer Einschränkungen des möglichen Frequenzabstands beider Moden nur eins Länge in der Größenordnung τοπ O₅1m besitzen, so daß eindeutige Distanzmessuhgen nur in diesem Bereich möglich sind« Durch Kombination mehrerer Maßstäbe, die sieh in ihrer Länge nur geringfügig unterscheiden, können jedoch wesentlich größere eindeutige Distanzmeßbereiche erzielt werden. Die Yerwendung mehrerer Laserlichtquellen, deren Modenabstand durch geringfügige Änderungen der Laserspiegelabstände verschieden ist, erlaubt daher bei aufeinanderfolgenden Messungen mit jeder Laserlichtquelle und entsprechender Kombination der einzelnen berechneten Distanzmeßwerte eine eindeutige Distanzbestimmung über einen relativ srroßen Terfahrbereich.

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Ausführungsbe ispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden, In der zugehörigen Zeichnung Fig* T ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt« Die Anordnung besteht aus gleichartigen Laserliehtquellen (1a_?b,c)_} die .jeweils zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz f.. und fp in Form zweier Lasermoden mit um 90 verschiedenen Polarisationsebenen aussenden, wobei der Modenabstand durch geringfügige.Änderungen der Laserspiegelabstände unter den Lasern jeweils verschieden ist. Durch einen Spiegel (3),.einen 50%-Strahlteiler sowie einen Strahlteiler mit 33 1/3% Reflexionsvermögen (4a, 4b) werden alle Laserstrahlen intensitätsgleich zusammengeführt und auf die Interferoxneterstrecke gerichtet» Optische Verschlüsse (2a,b,c) bewirken, daß jeweils nur Licht einer Laserquelle die optische Strecke durchmißt» Durch ein Einkopplungsprisma (5) gelangt der Laserstrahl in den Interferometerblock (6), wo eine Aufspaltung in Meß- und Referenzstrahl erfolgt, Der Referenzstrahl gelangt zum festen Referenzreflektor ..{?) und wird dort in Richtung

auf den Interferoineterblock zurückreflektiert» Der Meßstrahl erfährt in gleicher Weise am beweglichen Meßreflektor (8) eine Reflexion» Beide Strahlen werden im Interferometerblock zur Interferenz gebracht, wobei durch bekannte Anordnungen mehrerer Teilerschichten 4 jeweils um 90° phasenverschobene Interferenzsignale erzeugt werden. An einem Polarisationsteiler (9) erfolgt eine Aufspaltung der Strahlkomponenten entsprechend der Orientierung der Polarisationsebenen der beiden Laserfrequenzen f₁ und f₂· Zwei optoelektrische Wandlereinheiten (10a,b) empfangen die jeweils 4 Signale? deren zeitliche Mittelwerte die Gestalt

B₁ = A [4(1+m ) + m COSiO₁Ti

2 - r 1 / 2 χ ~ -,

B₂ = A^ [ -gK 1 +m ) -fm sin Q . V \

3 ο * 2 1 ^j

Β. = A [^(14-m ) - 21 SjLH ^ * 'L ]

besitzen« Dabei sind A~ die Intensität des ausgesendeten Laserlichts, m der Grad der Intensitätsmodulation beim Durchlaufen der Interferometerstrecke, dessen zeitliehe Abhängigkeit durch atmosphärische Turbulenzen bedingt ist, und V der Laufzeitunterschied zwischen Meß- und Referenzstrahl« Jeder der beiden Wandlereinheiten schließen sich jeweils 2. Differenz "bildner (11a ,b) und (11c,d) an, so daß am Ausgang jedes Zweiges die beiden Signale

2-

/VB₁^ = B₁ - B, = 2 A₀ in cos ^₁T"

&Β_Ο. = B₀ - B, = 2 A² m sin U^f 24 2 4 ο 1

anliegen* Mittels jeweils 2 Abtasthaltegliedern (12a,b) und (12c, d) erfolgt die gleichzeitige Sinspeicherung der 4 resultierenden Differenzsignale, Sin Multiplexschalter (13) führt nach dem Sinspeicherungsvorgang die analogen Signale nacheinander einem Analog-Digitalwandler (14) zu, worauf sich die Sinspeicherung der digitalisierten Werte in eins'Rechnereinheit (15) anschließt. Innerhalb der Rechnereinheit erfolgt, mittels geeigneter Algorithmen die Berechnung der beiden Phasenwinkel

Ψ ₌ or- = 2Ή- +2-2 '

'1 Ia^₁ v- -_{1 c}

und Yo = Ckj ι = 2 η ι _o -—

2 2 2c.

- 6 - £. H ά, ^J H i i

Dabei ist 2L der Hin- und Rückweg zwischen Meßreflektor und Interferorneterblock und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts» Eine anschließende Differenzbildung

liefert den zu ermittelnden Distanzmeßwert

der mit den Resultaten aller anderen Meßvorgänge, die durch das Einschalten jeder einzelnen Laserlichtquelle nacheinander realisiert werden, zu einer eindeutigen Distanzangabe über einen größeren Distanzmeßbereicia kombiniert wird und deren Anzeige mit einem Ausgabemediusi (16) erfolgt.

Claims

Erf indungsanspruch

1. Laser-Interferometer-System mit einer Laserlichtquelle sowie einem Interferometer einschließlich opt©elektrischen Wandlern zur Erzeugung von 4 jeweils um 90 phasenverschobenen Interferenzsignalen, die sich, durch Überlagerung eines kohärenten Meß- und ReferenzStrahls ergeben, geeignet insbesondere zur Längenmessung, gekennzeichnet dadurch, daß neben der aus 4 Photoempfängern bestehenden Wandlereinheit eine gleichartige zweite Wandlereinheit und ein oder mehrere Polarisationsteiler geeignet angeordnet sind, derart, daß die nach dem Passieren der Interferometerstrecke erzeugten Interferenzsignale eines linear polarisierten Laserstrahls entweder auf die eine oder nach Drehung der Polarisationsebene um 90° auf die andere Wandlereinheit fallen,

2» Anordnung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Laserlichtquelle selbst oder mittels einer entsprechenden Vorrichtung zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz mit orthogonaler Polarisationsorientierung, vorzugsweise zwei Lasermoden, aussendet, die gemeinsam den gleichen optischen Weg durchlaufen und deren einzelne Interferenzsignale durch die im Interferometerblock angeordneten Polarisationsteiler getrennt auf die beiden Wandlereinheiten gerichtet werden.

3. Anordnung nach Punkt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß die in den optoelektrischen Wandlereinheiten erzeugten elektrischen Signale nach zweckmäßiger analoger Yor-verarbeitung gleici zeitig gespeichert- werden, mit Einspeicherungszeiten, die sehr viel kleiner,sind, als die Zeiten, in denen meßbare Änderungen des durchstrahlten optischen Mediums infolge Turbulenz stattfinden.

4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, daß die eingespeicherten Signalwerte ühev einen Analog-Digital^andler in eine -Rechnersinhelt eingegeben werden, in der mittels· bekannter Algorithmen dijs Berechnung- des_; Phasenwinke-ls zwischen Meß- und Eaferenzstrahl^ jedes der beiden orthogonal zueinandei polarisierten Laserstrahlen sowie die Bildung ihrer Differenz erfolgt, die, multipliziert mit bekannten Konstanten, angezeigi wird.

5. Anordnung nach Funkt 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß anstelle eines einzelnen Lasers der aufeinanderfolgende Einsatz mehrerer Laserlichtquellen erfolgt_s die infolge verschiedener Laserspiegelabstände untereinander geringfügige Variationen in ihren Modenabständen aufweisen*

6« Anordnung nach Punkt 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, daß die nacheinander gewonnenen Meßwerte kombiniert werden, derart, daß eine eindeutige Distanzbestimmung über einem großen Yerfahrbereich mö'slich ist«