DE10025395C1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung einer Differenzgeschwindigkeit und/oder eines Abstandes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung einer Differenzgeschwindigkeit und/oder eines AbstandesInfo
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Abstract
Das Verfahren sowie die Vorrichtung zur optischen Messung insbesondere von Differenzgeschwindigkeiten bzw. eines Abstandes (23) nutzen ein faseroptisches Sagnac-Interferometer (30) vorzugsweise mit geschlossener Regelschleife, bei dem ein fester Lichtweganteil, den das Licht von der Lichtquelle (1) bis zum Detektor (9) zurücklegt, um einen zusätzlichen, variablen Lichtweganteil (40), bestehend aus einer Messstrecke, verlängert wird, die durch den doppelten Abstand (23) zwischen einem sich relativ zum Interferometer (30) ruhenden oder bewegenden Messobjekt (25) gebildet ist. Der variable Lichtweganteil ist derart in den festen Lichtweganteil des Sagnac-Interferometers (30) integriert, dass gegenläufige Teilstrahlen (L1, L2), welche an einem Strahlteiler (4) unmittelbar vor einer Faserspule (6) erzeugt werden, den variablen Lichtweganteil jeweils zu unterschiedlichen Zeiten durchlaufen. Die Ermittlung des absoluten Abstandes (23) erfolgt vorzugsweise durch Frequenznachführung der Lichtdurchlaufzeit des Sagnac-Interferometers (30), die Ermittlung der Differenzgeschwindigkeit und der Änderung des absoluten Abstandes (23) durch Auswertung eines Interferenzsignals am Detektor (9). Gegenüber bekannten optischen Distanz- oder Differenzgeschwindigkeitsverfahren hat die Erfindung den Vorteil, dass die möglichen Messverfahren mit hoher Genauigkeit mittels einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden können.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen
Messung insbesondere eines Abstandes und/oder einer Geschwindigkeit.
Vorrichtungen zur optischen Abstandsmessung sind in unterschiedlichen Aus
führungsformen bekannt. Beispielsweise wird bei einer optischen interfero
metrischen Längenmessung ein von einer Lichtquelle ausgehender Strahl in
zwei Strahlanteile aufgespalten, wobei der erste Strahlanteil eine Referenz
strecke, der andere Strahlanteil einen zu messenden Abstand durchläuft. An
schließend werden beide Strahlanteile wieder zusammengeführt und zur Inter
ferenz gebracht. Das interferierende Licht beaufschlagt einen Detektor, der die
Interferenzen erfasst, in geeignete Messsignale umsetzt und diese einer Aus
wertungseinheit zuführt.
Da die Interferenz der beiden Strahlanteile eine Periodizität von λ/2 aufweist
(λ = Wellenlänge des verwendeten Lichts), kann aus dem durch den Detektor
gewonnenen Interferenzbild nicht unmittelbar auf den gemessenen Abstand ge
schlossen werden. Das Interferenzbild liefert nur Information bezüglich des
momentanen Phasenunterschieds, den die beiden interferierenden Strahlanteile
aufweisen. Der Abstand ergibt sich nur dann richtig, wenn die Messung des
Abstandes von einer hinsichtlich ihrer örtlichen Position genau bekannten
Nullmarke gestartet wird, und die Interferenzperioden, die bei Erhöhung des
Abstandes am Detektor durchlaufen werden, gezählt und gespeichert werden.
Dieses Verfahren der Abstandsmessung kann als inkrementelle Methode
bezeichnet werden.
Ist es aufgrund großer zu messender Abstände nicht möglich, obig beschriebe
nes Messverfahren anzuwenden, so kann man das Problem unter Verwendung
mehrerer Lichtquellen, die kohärentes Licht mit jeweils unterschiedlichen Wel
lenlängen aussenden, umgehen. Damit ist es möglich, die durch die Periodizität
der Interferenz bedingte Mehrdeutigkeit aufzuheben und eine eindeutige Zuord
nung bestimmter Interferenzen zu den entsprechenden Zeitpunkten, an denen
das Licht ausgesendet wurde, zu treffen, wodurch man auf den durchlaufenen
Abstand schließen kann.
Ein anderes Verfahren zur optischen Messung, insbesondere großer Abstände,
ist die Messung über die Lichtlaufzeit. Dazu wird von einer Messvorrichtung
ein Lichtimpuls ausgesendet, der einen Abstand zwischen der Messvorrichtung
und einem Messobjekt durchläuft, vom Messobjekt reflektiert wird, den
Abstand ein weiteres Mal durchläuft und anschließend von einem an der Mess
vorrichtung angebrachten Rezeptorelement wieder aufgenommen wird. Aus der
Laufzeit des Lichtimpulses lässt sich unmittelbar auf den zurückgelegten
Abstand schließen.
Da Geschwindigkeitsmessungen in der Regel auf mehreren, sukzessiven
Abstandsmessungen beruhen, wäre es prinzipiell möglich, obig beschriebene
Verfahren oder Einrichtungen zur Messung von Abständen auch zur Messung
von Differenzgeschwindigkeiten eines Messobjektes heranzuziehen. Dabei erge
ben sich jedoch folgende Schwierigkeiten:
Verwendet man die inkrementelle Methode, so muss das Messobjekt, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, an einer Nullmarke starten, um von dieser aus die Interferenzen zählen zu können. Die Messung der Differenz geschwindigkeit eines bereits von der Nullmarke entfernten Messobjektes ist somit nicht möglich. Umgeht man diesen Nachteil, indem man mehrere Licht quellen verwendet, die jeweils kohärentes Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, so hat man den notwendigen Aufwand mehrerer Lichtquellen zu berücksichtigen. Verwendet man an Stelle eines interferometrischen Verfahrens eine Methode, die auf Ermittlung der Lichtlaufzeit von Lichtimpulsen beruht, so ergibt sich eine relativ geringe Messgenauigkeit, da die Lichtimpulse eine gewisse räumliche Ausdehnung haben, was eine genaue Messung der Lichtlauf zeit nicht zulässt.
Verwendet man die inkrementelle Methode, so muss das Messobjekt, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, an einer Nullmarke starten, um von dieser aus die Interferenzen zählen zu können. Die Messung der Differenz geschwindigkeit eines bereits von der Nullmarke entfernten Messobjektes ist somit nicht möglich. Umgeht man diesen Nachteil, indem man mehrere Licht quellen verwendet, die jeweils kohärentes Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, so hat man den notwendigen Aufwand mehrerer Lichtquellen zu berücksichtigen. Verwendet man an Stelle eines interferometrischen Verfahrens eine Methode, die auf Ermittlung der Lichtlaufzeit von Lichtimpulsen beruht, so ergibt sich eine relativ geringe Messgenauigkeit, da die Lichtimpulse eine gewisse räumliche Ausdehnung haben, was eine genaue Messung der Lichtlauf zeit nicht zulässt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, mit welchen sich Geschwindigkeitsmessungen eines entfernten
Messobjektes sowohl mit sehr hoher Messgenauigkeit als auch auf möglichst
einfache Art und Weise durchführen lassen und welche gleichzeitig als Basis
für Abstandsmessungen verwendbar sind.
Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur optischen Messung insbesondere
eines Abstandes und/oder einer Geschwindigkeit eines Messobjekts erfindungs
gemäß dadurch gekennzeichnet, dass zwei durch Teilung eines Lichtstrahls erzeugte
Teilstrahlen, die gegenläufig eine Faserspule eines faseroptischen
Sagnac-Interferometers durchsetzen, zeitversetzt über eine gegebenenfalls zeit
lich variable Messstrecke geführt werden, die aus einem Hin- und Rückweg zwi
schen einem Referenzpunkt des Sagnac-Interferometers und dem Messobjekt
besteht, wobei die bei zeitlicher Änderung der Messstrecke entstehende ent
sprechende Phasenverschiebung beider Teilstrahlen gegeneinander nach Wie
dervereinigung und Interferenz beider Teilstrahlen durch eine Auswerteeinheit
des Interferometers gemessen und daraus eine Änderungsgeschwindigkeit der
Messstrecke, die einer Differenzgeschwindigkeit entspricht, errechnet wird,
und/oder wobei die Laufzeit, die die Teilstrahlen zum Zurücklegen der
Messstrecke benötigen, gemessen und darauf basierend mittels der Auswerte
einheit die momentane Größe der Messstrecke, die einem Absolut-Abstand ent
spricht, ermittelt wird.
Eine Vorrichtung zur optischen Messung insbesondere eines Abstandes und/
oder einer Geschwindigkeit ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein fa
seroptisches Sagnac-Interferometer, bei dem in den eine Faserspule, einen Pha
senmodulator und einen Strahlteiler umfassenden Teil eine den zu messenden
Abstand repräsentierende Messstrecke als Teil des Weges integriert ist, den das
Licht, ausgehend von einer Lichtquelle, ab dem ersten Durchgang durch den
Strahlteiler bis zum zweiten Durchgang durch den Strahlteiler zurücklegt, wobei
die Messstrecke im durch die gegenläufigen, vom Strahlteiler ausgehenden Teil
strahlen bestimmten Lichtweg derart örtlich positioniert ist, dass die gegenläufi
gen Teilstrahlen die Messstrecke zu unterschiedlichen Zeiten durchlaufen, und
die Messstrecke durch den doppelten Abstand zwischen einem sich relativ zu ei
nem Referenzpunkt des Sagnac-Interferometers ruhenden oder sich bewegenden
Messobjekt und dem Referenzpunkt des Sagnac-Interferometers gebildet ist, und
mit einer Auswerteinheit, die die Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen ge
geneinander und/oder die zum Zurücklegen der Messstrecke benötigte Laufzeit
der Teilstrahlen misst und darauf basierend die Änderungsgeschwindigkeit der
Messstrecke und/oder die momentane Größe der Messstrecke bestimmt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedan
kens sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und/oder sind in
jeweils abhängigen Patentansprüchen definiert.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf
die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines faseroptischen Sagnac-Interfero
meters in Closed-Loop-Aufbau mit digitaler Rückstellung, bei dem
erfindungsgemäß eine Messstrecke in einen durch gegenläufige,
von einem Strahlteiler ausgehenden Teilstrahlen bestimmten
Lichtweg integriert ist;
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Messstrecke mit Messobjekt zur Erläute
rung des Funktionsprinzips der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer drehratenunempfindlichen
Spule mit bifilarer Wicklung.
Sagnac-Interferometer sind an sich bekannt. In DE 197 48 909 C1 ist beispiels
weise ein Sagnac-Interferometer beschrieben, bei dem Störungen aufgrund von
Nullpunktfehlern auf ein Minimum reduziert werden. DE 196 38 203 A1 zeigt ei
nen optischen Sensor, mit dem Rotationsbewegungen festgestellt werden kön
nen. In DE 691 22 524 T2 ist eine Interferenz-Messvorrichtung offenbart, die
eine schnelle Durchführung einer Interferenzstrahl-Auswertung ermöglicht. Zum
besseren Verständnis soll hier nur kurz unter Bezug auf die Zeichnungen an
hand eines Ausführungsbeispieles auf deren prinzipielle Funktionsweise einge
gangen werden.
Fig. 1 veranschaulicht den typischen bekannten Aufbau eines Sagnac-Inter
ferometers 30 in Closed-Loop-Anordnung. Das Licht einer hinsichtlich Intensi
tät und Wellenlänge stabilisierten Lichtquelle 1, insbesondere einer Superlumi
neszenzdiode (SLD) gelangt über eine Faserstrecke auf einen ersten Strahlteiler
2, von dort über einen Polarisator 3 auf einen zweiten Strahlteiler, den Haupt
strahlteiler 4. Von den beiden der Lichtquelle 1 abgewandten Aus-/Eingängen
gelangen die durch Strahlteilung entstandenen Teilstrahlen auf die beiden
Ein-/Ausgänge einer Faserspule 6, wobei zwischen den Aus-/Eingängen des
Hauptstrahlteilers 4 bzw. den Ein-/Ausgängen der Faserspule 6 ein Phasen
modulator 7 angeordnet ist. Die im Hauptstrahlteiler 4 nach Durchlaufen der
Faserspule 6 interferierenden Teilstrahlen durchlaufen wiederum den Polarisa
tor 3 und werden über den ersten Strahlteiler 2 zu einem möglichst großen
(halben) Anteil auf einen Photodetektor 9 geleitet. Das Ausgangssignal des
Detektors 9 wird zunächst durch einen Verstärker 10 angehoben und beauf
schlagt einen Demodulator 16 einerseits und einen Synchrondemodulator 19
andererseits. Der Demodulator 16 bildet zusammen mit einem Verstärkungs
filter 17 eine Skalenfaktorregelstrecke. Der Synchrondemodulator 19 steuert
über einen Filter 20 einen Rampengenerator 21 an, der zur Erzeugung eines
Rückstellsignals dient. Das durch den Modulationsoszillator 8 erzeugte Signal
zum Verschieben des Arbeitspunktes in den Punkt höchster Empfindlichkeit
und das Rückstellsignal werden durch einen Addierer 22 zu einem einzigen
Signal zusammengesetzt und bilden das Eingangssignal eines regelbaren Ver
stärkers 18, welcher dieses Signal mit einem als Verstärkungsfaktor dienen
den Ausgangssignal des Verstärkungsfilters 17 verstärkt. Das dadurch erhal
tene Ausgangssignal des regelbaren Verstärkers 18 dient wiederum zur
Ansteuerung des Phasenmodulators 7.
Der vom Stand der Technik abweichende und gemäß der Erfindung modifizierte
Teil des Interferometers ist mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet.
Die Anordnung 40 mit einer zusätzlichen, variablen Messstrecke, definiert
durch den doppelten Abstand 23 zwischen einem Messobjekt 25 und einem
Referenzpunkt 27 des Sagnac-Interferometers 30, ist dadurch gebildet, dass
vorzugsweise an einem Ende der Faserspule 6 die Faser 28 unterbrochen wird
(vgl. Fig. 1, 2), wobei die beiden Faserenden an der Unterbrechungsstelle je
weils mit einem Kopplungselement 24 verbunden sind, über welches die Teil
strahlen L1, L2 sowohl in den freien Raum austreten können, als auch in die
Faser 28 wieder eintreten können, insofern sie von außen auf ein Kopplungs
element 24 treffen. Dabei bestehen die Kopplungselemente vorzugsweise aus
Selfoc-Linsen beziehungsweise aus Graded-Index-(GRIN)-Linsen, die einen Teil
strahl L1 bzw. L2 in ein paralleles Lichtbündel aufspalten und dieses wieder zu
einem einzigen Teilstrahl L1 bzw. L2 zusammenführen. In diesem Beispiel ist
der Referenzpunkt 27 der Ort der Kopplungselemente 24. Werden die beiden
Kopplungselemente 24 so justiert, dass sie parallel nebeneinander liegen, so
kann der Teilstrahl L1, L2, welcher aus einem Kopplungselement 24 austritt,
die halbe Messstrecke bis zum Messobjekt 25 zurücklegen, von welchem er so
reflektiert wird, dass er auf das andere Kopplungselement 24 auftrifft, und
über dieses wieder in die Faser 28 eintritt. Dieser Prozess funktioniert genauso
in umgekehrter Richtung.
Dadurch, dass die variable Messstrecke in den durch die gegenläufigen, vom
Strahlteiler 4 ausgehenden Teilstrahlen L1, L2 bestimmten Lichtweg des festen
Lichtweganteils asymmetrisch integriert ist, indem sie vorzugsweise an einem
Ende der Faserspule 6 positioniert ist, wird die Messstrecke zu unterschied
lichen Zeiten durchlaufen: Der eine Teilstrahl L1 durchläuft die Faserspule 6
vor Durchlaufen der Messstrecke, der andere Teilstrahl L2 nach Durchlaufen
der Messstrecke. Wenn sich das Messobjekt 25 nun bewegt, so legt der eine
der beiden durch den Strahlteiler 4 erzeugten Teilstrahlen L1, L2 einen länge
ren Lichtweg zurück, was zu einer beobachtbaren Phasenverschiebung am
Detektor 9 führt. Bewegt sich das Messobjekt 25 nicht, so durchlaufen die bei
den Teilstrahlen L1, L2 dieselbe Messstrecke, es kommt somit zu keiner Pha
senverschiebung.
Zur Bestimmung einer Umlauf-Frequenz f des Lichts von der Lichtquelle 1 bis
zum Detektor 9 ist in der Auswerteeinheit 26 eine Einrichtung 31 vorgesehen.
Aus der Umlauf-Frequenz f ist der Absolutabstand 23 errechenbar.
Um den Einfluss eventueller, unerwünschter Bewegungen, insbesondere auf
grund einer eventuellen Drehbewegung des Sagnac-Interferometers 30 mög
lichst gering zu halten, ist die Faserspule 6 vorzugsweise so gestaltet, dass sie
keine effektive Fläche umspannt, was beispielsweise durch eine bifilare Wick
lung der Faserspule 6 erreicht wird. Eine solche Wicklung ist in Fig. 3 gezeigt.
Dabei ist ein Umkehrpunkt 32 der Faserspule vorzugsweise so gelegt, dass die
Teilstrahlen innerhalb der Faserspule 6 zweimal annähernd denselben geome
trischen Weg durchlaufen, wobei die beiden Durchläufe in zueinander entge
gengesetzten Richtungen erfolgen. Damit heben sich aufgrund des Sagnac-
Effektes bewirkte Phasenverschiebungen auf.
Das reflektierende Messobjekt 25 kann beispielsweise aus zwei gegeneinander
verkippten Spiegeln 29 bestehen, die einen zu den Kopplungselementen 24
hingesehen spitzen Winkel bilden, und deren Schnittlinie mittig zwischen bei
den Kopplungselementen 24 liegt. Ein weiteres Beispiel für ein reflektierendes
Messobjekt 25 ist ein Prisma.
Das Funktionsprinzip der Erfindung wird nachfolgend erläutert:
Sagnac-Interferometer der beschriebenen Art dienen - wie erwähnt - normaler weise der Messung von Drehungen. Diese werden über Phasenverschiebungen, welche die gegenläufigen Teilstrahlen durch Drehung der Faserspule 6 und des dadurch auftretenden Sagnac-Effekts erfahren, festgestellt. Parasitäre Phasen verschiebungen können außerdem durch Störeffekte wie Temperaturschwan kungen im Faser- und Einbettmaterial der Faserspule 6, bekannt als Shupe- Effekt, bzw. Streueffekte an Störzentren, wie beispielsweise der Lichtquelle 1, an Spleißen und dergleichen, entstehen. Werden diese Störeffekte eliminiert, so hängen die am Detektor 9 beobachteten Phasenverschiebungen nur von den Drehungen der Spule 6 des Sagnac-Interferometers 30 um ihre Achse ab. Da bei ist der Lichtweg, also der Weg, den das Licht von der Lichtquelle 1 bis zum Detektor 9 zurücklegt, bekannt.
Sagnac-Interferometer der beschriebenen Art dienen - wie erwähnt - normaler weise der Messung von Drehungen. Diese werden über Phasenverschiebungen, welche die gegenläufigen Teilstrahlen durch Drehung der Faserspule 6 und des dadurch auftretenden Sagnac-Effekts erfahren, festgestellt. Parasitäre Phasen verschiebungen können außerdem durch Störeffekte wie Temperaturschwan kungen im Faser- und Einbettmaterial der Faserspule 6, bekannt als Shupe- Effekt, bzw. Streueffekte an Störzentren, wie beispielsweise der Lichtquelle 1, an Spleißen und dergleichen, entstehen. Werden diese Störeffekte eliminiert, so hängen die am Detektor 9 beobachteten Phasenverschiebungen nur von den Drehungen der Spule 6 des Sagnac-Interferometers 30 um ihre Achse ab. Da bei ist der Lichtweg, also der Weg, den das Licht von der Lichtquelle 1 bis zum Detektor 9 zurücklegt, bekannt.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist es, durch eine zeitlich kon
stante räumliche Ausrichtung der Faserspule 6 des Sagnac-Interferometers 30
oder andere konstruktive Maßnahmen mögliche Drehungen auszuschließen,
dafür aber den bisher konstanten Lichtweg zu einer variablen Größe zu
machen, über die sowohl Geschwindigkeits- als auch Abstandsmessungen vorgenommen
werden können. Dies wird dadurch realisiert, dass dem bisherigen,
konstanten Lichtweg (fester Lichtweganteil) ein variabler Lichtweganteil in
Form einer zusätzlichen, variablen Messstrecke hinzugefügt wird. Wenn die
variable Messstrecke derart in den festen Lichtweganteil integriert wird, dass
die beiden durch den Strahlteiler 4 erzeugten Teilstrahlen diese zu jeweils un
terschiedlichen Zeiten durchlaufen, können Änderungen der Messstrecke in
Form von Phasenverschiebungen am Detektor 9 registriert werden. Repräsen
tiert die Messstrecke vorzugsweise einen Abstand 23 zwischen dem Sagnac-In
terferometer 30 und einem Messobjekt 25, dessen Differenzgeschwindigkeit be
züglich des Sagnac-Interferometers 30 gemessen werden soll, so können auf
grund der Bewegung des Messobjektes 25 und der daraus resultierenden Ände
rung der Messstrecke Phasenverschiebungen am Detektor 9 beobachtet
werden.
Dies setzt, wie schon erwähnt, voraus, dass alle anderen Effekte, die auch zu
einer Phasenverschiebung führen, wie z. B. Drehung des Sagnac-Interferome
ters 30 oder Störeffekte, durch entsprechende Maßnahmen weitestgehend aus
geschaltet sind.
Im Folgenden wird eine mathematische Beziehung zwischen der Differenz
geschwindigkeit des Messobjektes 25 und der dadurch hervorgerufenen Pha
senverschiebung am Detektor 9 hergeleitet.
Dazu sei, wie in Fig. 2 gezeigt, angenommen, dass die Messstrecke durch den
doppelten Abstand 23 zwischen der momentanen örtlichen Position eines sich
bewegenden Messobjektes 25 und einem Referenzpunkt 27 des Sagnac-Inter
ferometers 30 definiert ist. Der Referenzpunkt 27 ist vorzugsweise der Ort, an
dem das Licht von dem festen Lichtweganteil in den variablen Lichtweganteil,
die Messstrecke, wechselt. Die beiden gegenläufigen Teilstrahlen L1, L2 durch
laufen diesen Abstand 23 zeitversetzt, werden an dem Messobjekt 25 reflektiert
und laufen nach der Reflexion den gleichen Abstand 23 wieder zurück.
Der allgemeine Zusammenhang zwischen einer Phasendifferenz ΔΦ und einer
Wegdifferenz Δs lässt sich definieren zu
Dabei ist λ die Wellenlänge des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichtes. Die
beiden Teilstrahlen L1, L2 durchlaufen die Messstrecke zu unterschiedlichen
Zeiten. Die Differenz dieser beiden Zeitpunkte sei ΔT. Aufgrund der Zeitdiffe
renz ΔT hat sich das mit der Geschwindigkeit v bewegende, reflektierende
Messobjekt 25 um den Weg ΔT . v weiterbewegt. Der Abstand 23 hat sich also
inzwischen (zum Beispiel) vergrößert. Somit ergibt sich
Ist die Messstrecke beispielsweise an einem Ende der Faserspule 6 in den
Lichtweg des Sagnac-Interferometers 30 integriert, so bestimmt die Lichtlauf
zeit in der Faserspule 6 die Zeitdifferenz ΔT. In diesem Falle lässt sich ΔT dar
stellen als
Hierbei ist n1 der Brechungsindex des Fasermateriales der Faserspule 6, L die
Länge der Faserspule 6 und c die Lichtgeschwindigkeit. Daraus ergibt sich eine
Phasenverschiebung von:
Der Skalenfaktor S, definiert durch
ΔΦ = S . v,
ergibt sich damit zu
Somit kann die Differenzgeschwindigkeit des reflektierenden Messobjektes 25
direkt aus der beobachteten Phasenverschiebung errechnet werden.
Das durch den digitalen Rampengenerator 21 erzeugte Rückstellsignal ist pro
portional zur Differenzgeschwindigkeit des Messobjektes 25. Ein großer Vorteil
dieser Art von Differenzgeschwindigkeitsmessverfahren ist, dass die Differenz
geschwindigkeit direkt aus dem Interferenzbild "abgelesen" werden kann.
Die Messgenauigkeit für die Differenzgeschwindigkeit des reflektierenden
Messobjektes 25 ist sehr hoch. Hierzu ein Zahlenbeispiel:
Bei einer Faserspulenlänge von 500 Metern ergibt sich ein Skalenfaktor S von 18 µrad/(µm/s). Daraus errechnet sich bei einer angenommenen Nullpunkts ungenauigkeit von 1 µrad eine Genauigkeit vom 200 µm/h. Bei einer Faserspu lenlänge von 50 Metern ergibt sich eine Genauigkeit von 2 mm/h.
Bei einer Faserspulenlänge von 500 Metern ergibt sich ein Skalenfaktor S von 18 µrad/(µm/s). Daraus errechnet sich bei einer angenommenen Nullpunkts ungenauigkeit von 1 µrad eine Genauigkeit vom 200 µm/h. Bei einer Faserspu lenlänge von 50 Metern ergibt sich eine Genauigkeit von 2 mm/h.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass das einzusetzende Sagnac-Inter
ferometer zur Erzeugung von Interferenz lediglich eine kurzkohärente und da
mit billige Lichtquelle benötigt. Übliche Verfahren zur interferometrischen
Messung des Abstands beziehungsweise der Differenzgeschwindigkeit verlan
gen langkohärentes Licht, da sonst aufgrund der großen Laufzeitdifferenz des
Messstrahlanteils und des Referenzstrahlanteils keine Interferenz möglich ist.
Dies macht resonanzstabilisierte Laserlichtquellen nötig, die technisch sehr
aufwändig sind.
Der Anwendungsbereich der Erfindung ist vielfältig, mögliche Anwendungsbei
spiele sind Messungen von Kleinstabständen/-geschwindigkeiten (z. B. Labor
justierung), sowie Teleskopeinstellungen.
Der in der Zeitdifferenz ΔT zurückgelegte Weg 23 des sich bewegenden
Messobjektes 25, also die Änderung des Absolutabstandes, lässt sich aus der
Integration der durch das Interferenzbild gewonnenen Geschwindigkeitswerte v
über die Zeit ΔT ermitteln.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass absolute Abstandsmessungen
durchgeführt werden können, ohne dass etwas am bisher beschriebenen Ver
fahren geändert werden muss. Als Absolutabstand wird hier der Abstand 23
zwischen einem Referenzpunkt 27 des Sagnac-Interferometers 30 und dem
Messobjekt 25, also die Hälfte der Messstrecke, verstanden.
Die Abstandsmessung wird vorzugsweise durch Messung des gesamten Licht
weges des Sagnac-Interferometers 30, also der Summe aus festem Licht
weganteil und variabler Messstrecke, erreicht. Ist der gesamte Lichtweg des
Sagnac-Interferometers 30 gemessen und der feste Lichtweganteil bekannt, so
kann beispielsweise nach einer Formel, die im Folgenden unter Zuhilfenahme
der Fig. 2 hergeleitet wird, die exakte örtliche Position des reflektierenden
Messobjektes 25 errechnet werden.
Die Laufzeit t1 eines Teillichtstrahles L1, L2 in der Faserspule 6 beträgt
Hierbei ist n1 der Brechungsindex der optischen Faser des festen Licht
weganteils, der vorzugsweise durch Luft verläuft.
Die benötigte Zeit t2 eines Teillichtstrahles L1, L2 zum Durchlaufen der
Messstrecke beträgt
wobei A den zu messenden Abstand 23 und n2 den Brechnungsindex des
Mediums, in dem die Messstrecke verläuft, definieren. Beispiele hierfür sind
Luft oder Vakuum. Aus obigen Gleichungen ergibt sich für die Umlauf-
Frequenz f bezüglich des gesamten Lichtweges, den das Licht von der Licht
quelle 1 bis zum Detektor 9 zurücklegt:
Somit kann über die Bestimmung der Durchlaufzeit, die das Licht benötigt, um
von der Lichtquelle 1 bis zum Detektor 9 zu kommen, d. h. über eine Fre
quenznachführung zur Bestimmung von f, der Absolutabstand (A) 23 zwischen
dem reflektierenden Messobjekt 25 und dem Referenzpunkt 27 des Sagnac-
Interferometers 30, der die momentane Größe der Messstrecke darstellt, be
stimmt werden.
Damit ist es möglich, Absolutabstandsmessungen alternativ oder gleichzeitig zu
den Differenzgeschwindigkeitsmessungen durchzuführen.
Der Erfindungsgedanke wurde in Anwendung auf ein faseroptisches Sagnac-
Interferometer in Closed-Loop-Aufbau beschrieben. Eine Realisierung ist - für
den Fachmann ersichtlich - auch in Open-Loop-Technik möglich, sofern gerin
gere Genauigkeitsanforderungen eine solche insgesamt kostengünstigere
Lösung zulassen.
Claims (11)
1. Verfahren zur optischen Messung der Geschwindigkeit und/oder des Ab
standes eines Messobjekts (25), bei dem zwei durch Teilung eines Lichtstrahls
erzeugte Teilstrahlen (L1, L2), die gegenläufig eine Faserspule (6) eines faserop
tischen Sagnac-Interferometers (30) durchsetzen, zeitversetzt über eine gegebe
nenfalls zeitlich variable Messstrecke geführt werden, die aus einem Hin- und
Rückweg (23) zwischen einem Referenzpunkt (27) des Sagnac-Interferometers
und dem Messobjekt (25) besteht, wobei die bei zeitlicher Änderung der
Messstrecke entstehende entsprechende Phasenverschiebung beider Teilstrah
len (L1, L2) gegeneinander nach Wiedervereinigung und Interferenz beider Teil
strahlen (L1, L2) durch eine Auswerteeinheit (26) des Interferometers gemessen
und daraus eine Änderungsgeschwindigkeit der Messstrecke, die einer Diffe
renzgeschwindigkeit entspricht, errechnet wird, und/oder wobei die Laufzeit,
die die Teilstrahlen (L1, L2) zum Zurücklegen der Messstrecke benötigen, ge
messen und darauf basierend mittels der Auswerteeinheit (26) die momentane
Größe der Messstrecke, die einem Absolut-Abstand (23) entspricht, ermittelt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ände
rung der Messstrecke durch Integration von ermittelten Differenzgeschwindig
keitswerten errechnet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zeitversetzung, mit welcher die beiden Teilstrahlen (L1, L2) die
Messstrecke durchlaufen, dadurch erzeugt wird, dass der eine Teilstrahl (L1)
vor Durchlaufen der Messstrecke zunächst die Faserspule (6), und der andere
Teilstrahl (L2) diese erst nach Durchlaufen der Messstrecke durchläuft.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Teilstrahlen (L1, L2) durch eine gegen relative Drehbewegun
gen hinsichtlich einer gegenseitigen Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen
unempfindliche Faserspule (6) geführt werden.
5. Vorrichtung zur optischen Messung insbesondere einer Geschwindigkeit
und/oder eines Abstandes mit einem faseroptischen Sagnac-Interferometer (30),
bei dem in den eine Faserspule (6), einen Phasenmodulator (7) und einen
Strahlteiler (4) umfassenden Teil eine den zu messenden Abstand (23) repräsen
tierende Messstrecke als Teil des Weges integriert ist, den das Licht, ausgehend
von einer Lichtquelle (1), ab dem ersten Durchgang durch den Strahlteiler (4) bis
zum zweiten Durchgang durch den Strahlteiler (4) zurücklegt, wobei die
Messstrecke im durch die gegenläufigen, vom Strahlteiler (4) ausgehenden Teil
strahlen (L1, L2) bestimmten Lichtweg derart örtlich positioniert ist, dass die ge
genläufigen Teilstrahlen (L1, L2) die Messstrecke zu unterschiedlichen Zeiten
durchlaufen, und die Messstrecke durch den doppelten Abstand (23) zwischen
einem sich relativ zu einem Referenzpunkt des Sagnac-Interferometers (30) ru
henden oder sich bewegenden Messobjekt (25) und dem Referenzpunkt (27) des
Sagnac-Interferometers (30) gebildet ist, und mit einer Auswerteinheit (26), die
die Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen gegeneinander und/oder die
zum Zurücklegen der Messstrecke benötigte Laufzeit der Teilstrahlen misst und
darauf basierend die Änderungsgeschwindigkeit der Messstrecke und/oder die
momentane Größe der Messstrecke bestimmt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messstrecke an einem Ende der Faserspule (6) in den die Faser (28) durchset
zenden Lichtweg integriert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, dass die Integration der Messstrecke dadurch realisiert ist, dass die Faser
(28) an einem Ende der Faserspule (6) unterbrochen ist, so dass die in der Fa
serspule (6) laufenden Teilstrahlen (L1, L2) in den freien Raum austreten, den
Hin- und Rückweg (23) der Messstrecke zurücklegen, und wieder in die Faser
(28) eintreten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich
net, dass das Sagnac-Interferometer (30) über einen geschlossenen Regelkreis
(26) zur Kompensation einer Phasenverschiebung verfügt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich
net, dass die Faserspule (6) so gewickelt ist, dass sie hinsichtlich des Sagnac-
Effekts keine effektive Fläche umspannt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser
spule (6) bifilar gewickelt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeich
net, dass Selfoc-Linsen oder Graded-Index (GRIN)-Linsen als Kopplungselemente
(24) vorgesehen sind.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE2000125395 DE10025395C1 (de) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung einer Differenzgeschwindigkeit und/oder eines Abstandes |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2000125395 DE10025395C1 (de) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung einer Differenzgeschwindigkeit und/oder eines Abstandes |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2000-05-23 DE DE2000125395 patent/DE10025395C1/de not_active Expired - Fee Related
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