DE102015110362A1

DE102015110362A1 - Verfahren und Vorrichtung zur interferometrischen Absolutmessung einer Entfernung

Info

Publication number: DE102015110362A1
Application number: DE102015110362.1A
Authority: DE
Inventors: Björn Habrich
Original assignee: N-Hands & Co KG GmbH
Current assignee: N-Hands & Co KG GmbH
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2035-06-27
Also published as: DE102015110362B4

Abstract

Ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz x umfasst die Verfahrensschritte: – Zyklisches Durchstimmen der Frequenz einer kohärenten Lichtquelle (L), – Erzeugung eines Ziel-Interferenzsignals und eines Referenz-Interferenzsignals durch gleichzeitiges Einkoppeln des von der kohärenten Lichtquelle (LQ) abgegebenen Lichts in ein Ziel-Interferometer (Z) und in ein Referenz-Interferometer (R), – für jeden Durchstimmzyklus, zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals, und – Bestimmung der durch die Länge des Ziel-Interferometers (Z) gebildeten Absolutdistanz x bei bekannter Länge (L) des Referenz-Interferometers (R) auf Basis des Verhältnisses der Änderungsgeschwindigkeit der Signalphase des Ziel-Interferenzsignals zur Änderungsgeschwindigkeit der Signalphase des Referenz-Interferenzsignals während des Durchstimmzyklus.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Absolutmessung einer Entfernung.
Hintergrund der Erfindung
Die klassische Methode zur Messung von Entfernungen ist die Triangulation, bei der der Winkel zu einem Zielobjekt von zwei Beobachtungspositionen, die einen bekannten Abstand voneinander haben, ermittelt wird, traditionell durch „Anpeilen”, heutzutage beispielsweise mittels eines Laserstrahls. Aus den beiden Winkeln und der bekannten Entfernung der beiden Beobachtungspositionen voneinander läßt sich die Absolutentfernung zu dem Zielobjekt berechnen Die Genauigkeit dieser Messmethode ist aber durch die nicht allzu große Genauigkeit der Winkelmessung begrenzt.
Eine häufig benutzte Methode zur Messung insbesondere großer Entfernungen stellen sogenannte Time-of-flight-Verfahren dar. Dazu durchläuft elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht, einen Weg zwischen einer Referenzposition und einem Zielobjekt einmal oder mehrfach und es wird die Zeitdauer bestimmt, die die elektromagnetische Strahlung für die zurückgelegte Wegstrecke benötigt. Mit Hilfe der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann die Absolutentfernung zwischen Referenzposition und Zielobjekt ermittelt werden. Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit von 3 × 10⁸ m/s ist diese Messmethode für kürzere Entfernungen und den damit verbundenen extrem kurzen Messzeiten jedoch weniger praktikabel.
Sehr genaue Entfernungsmessungen lassen sich mit Hilfe von interferometrischen Messverfahren erreichen, die die Wellennatur elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, ausnutzen. Ein Interferometer beruht auf dem Prinzip, einen vom Ziel reflektierten kohärenten Lichtstrahl einem internen Referenzstrahl zu überlagern und das entstehende sinusförmige Interferenzsignal auszuwerten. Derartige interferometrische Messungen unter Verwendung von Laserlichtquellen erreichen sehr hohe Messgenauigkeiten. Herkömmliche Interferometer können jedoch nur die Änderung einer Distanz, d. h. der Entfernung von einem Referenzpunkt zu einem Zielpunkt messen, da das Referenzsignal durch seine periodische Wiederholung keinen Anhaltspunkt für die absolute Entfernung bietet. Daher benötigen herkömmliche Interferometer ständigen Kontakt mit dem Zielobjekt, da unbeobachtet „durchgelaufene” Interferenz-Phasen nicht rekonstruiert werden können.
Die DE 10 2010 062 842 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Absolutposition eines Zielobjektes unter Verwendung einer interferometrischen Messanordnung, wobei eine Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads als Funktion der Zeit erfasst wird, um eine Grob-Information für eine Länge des Messpfads zu bestimmen und mittels eines Referenzstrahls ein Phasensignal als Fein-Information für eine Länge des Messpfads bestimmt und mit der Grob-Information kombiniert wird. Mit Hilfe von drei Abstandsmessungen zu drei unterschiedlichen, definierten Referenzpunkten kann eine Absolutposition des Zielobjektes mit vergleichsweise hoher Genauigkeit bestimmt werden. Nachteilig ist hierbei, dass der Messstrahl jeweils zu den drei Referenzpunkten nachgeführt werden muss, was das Messverfahren umständlich und zeitaufwändig macht.
Die DE 20 2014 101 699 U1 beschreibt Gerät zur Absolut-Entfernungsmessung aufweisend eine erste durchstimmbare Lichtquelle, die ausgelegt ist, ein Licht erster Wellenlänge einer ersten durchstimmbaren Frequenz moduliert durch eine erste Modulationsfrequenz zu emittieren, eine zweite Lichtquelle, die ausgelegt ist, ein Licht zweiter Wellenlänge einer zweiten Frequenz moduliert durch eine zweite Modulationsfrequenz zu emittieren, einen optischen Koppler, der ausgelegt ist, das Licht erster Wellenlänge und das Licht zweiter Wellenlänge in eine Interferometerkavität einzukoppeln, einen Interferometer-Detektor, der mit der Interferometerkavität gekoppelt ist und ausgelegt ist, ein Interferenzmesssignal basierend auf Interferometerlicht erster und zweiter Wellenlänge bereitzustellen, eine Demodulatoreinheit, die ausgelegt ist, ein erstes Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der ersten Modulationsfrequenz und ein zweites Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der zweiten Modulationsfrequenz zu erzeugen, und eine Recheneinheit, die ausgelegt ist, eine Absolut-Entfernung durch Auswerten des während eines Durchlaufs der ersten durchstimmbaren Frequenz erhaltenen ersten Demodulationssignals und des zweiten Demodulationssignals zu berechnen.
Nachteilig an dem in der DE 20 2014 101 699 U1 beschriebenen Messverfahren ist die Notwendigkeit einer vergleichsweise zeitaufwändigen thermischen Durchstimmung der Laserlichtquelle sowie der komplexe Aufbau der Messapparatur.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend, die Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Absolutmessung einer Entfernung vorzuschlagen, das eine hohe Messgenauigkeit und eine kurze Messdauer mit einer konstruktiv einfachen Messapparatur ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz x, aufweisend die Verfahrensschritte: Zyklisches Durchstimmen der Frequenz einer kohärenten Lichtquelle LQ, Erzeugung eines Ziel-Interferenzsignals und eines Referenz-Interferenzsignals durch gleichzeitiges Einkoppeln des von der kohärenten Lichtquelle LQ abgegebenen Lichts in ein Ziel-Interferometer Z und in ein Referenz-Interferometer R, für jeden Durchstimmzyklus, zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals, und Bestimmung der durch die Länge des Ziel-Interferometers Z gebildeten Absolutdistanz x bei bekannter Länge L des Referenz-Interferometers R auf Basis des Verhältnisses der Änderungsgeschwindigkeit der Signalphase des Ziel-Interferenzsignals zur Änderungsgeschwindigkeit der Signalphase des Referenz-Interferenzsignals während des Durchstimmzyklus.
Während eines Messzyklus werden gleichzeitig die Interferenzsignale vom Ziel-Interferometer als auch vom Referenz-Interferometer aufgenommen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Phasen dieser beiden Signale ändern, hängt direkt von der absoluten Länge des jeweiligen Lichtwegs ab. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten ist gleich dem Verhältnis der Lichtwege. Da der Lichtweg im Referenz-Interferometer genau bekannt ist, kann aus diesem Verhältnis der Lichtweg zum Ziel bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt so eine schnelle und präzise Messung der Absolutdistanz x unter Verwendung einer konstruktiv einfachen Messapparatur. Wichtig für das Messverfahren ist dabei im Wesentlichen die genaue Einstellbarkeit der Wellenlänge und die Zeitdauer, die ein Durchgang erfordert. Die Durchstimmung hat zur Folge, dass sich die Phase des sinusförmigen Interferenzsignals analog zu einer echten Bewegung des Zielobjekts ändert.
Beispielsweise erfolgt die zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals durch ein numerisches Fit-Verfahren der erhaltenen Messwerte wenigstens eines Messzyklus.
Alternativ kann die zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals durch Mittelung der erhaltenen Messwerte wenigstens eines Messzyklus und Bestimmung der Nullstellen des variablen Signalanteils der erhaltenen Signalphasen erfolgen.
Ein Zyklus einer Absolutmessung besteht darin, dass die Wellenlänge dieses Lasers in möglichst weiten Grenzen durchgestimmt wird. Dies kann je nach verwendetem Laser durch verschiedene Methoden erfolgen, beispielsweise thermisch mittels Temperatursteuerung, elektrisch durch Regelung eines Ansteuerstroms oder mechanisch durch Veränderung der Länge der Kavität der Lichtquelle.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Länge des Referenz-Interferometers R so geregelt, dass an beiden Interferometern und an beiden Enden des Messbereichs günstige Arbeitspunkte erreicht werden. Dies ermöglicht eine besonders präzise Phasenbestimmung.
Dabei kann das Messverfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweisen:

a) Durchstimmen der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle, Mittelung des Ziel-Interferenzsignals und Bestimmung ihres konstanten Anteils,
b) Einstellung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle auf eine Wellenlänge λ₁, bei der eine Nullstelle des variablen Signalanteils des Ziel-Interferenzsignals erfasst wird,
c) Bei unveränderter Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle, mechanische Verstellung der Länge des Referenz-Interferometers R auf eine Länge L₁, bei der auch im Referenz-Interferenzsignal eine Nullstelle des variablen Signalanteils erfasst wird,
d) Einstellung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle auf eine möglichst weit entfernte Wellenlänge λ₂, bei der wiederum eine Nullstelle des variablen Signalanteils des Ziel-Interferenzsignals erfasst wird,
e) Bestimmung der bei der zwischen den Verfahrensschritten b) und d) durchlaufenen Nulldurchgänge n_k des Ziel-Interferenzsignals und der durchlaufenen Nulldurchgänge n_r des Referenz-Interferenzsignals,
f) Mechanisches Nachstellen der Länge des Referenz-Interferometers R um einen Verstellweg ΔL, bis die nächste Nullstelle des variablen Signalanteils des Referenz-Interferenzsignals erfasst wird, und
g) Bestimmung der Länge des Ziel-Interferometers Z als

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann die Absolutmessung der Distanz mit einer an sich bekannten relativen interferometrischen Entfernungsmessung kombiniert werden. Dabei kann eine interferometrische Relativmessung zur Bestimmung der Länge x des Ziel-Interferometers mit derselben Lichtquelle in einer Pause zwischen zwei Messzyklen durchgeführt werden. Alternativ kann mittels einer zweiten kohärenten Lichtquelle gleichzeitig mit der Absolutbestimmung der Länge x des Ziel-Interferometers eine interferometrische Relativmessung durchgeführt werden.
Die Erfindung schlägt weiterhin eine Vorrichtung zur Erfassung einer Absolutdistanz x vor, aufweisend: eine durchstimmbare kohärente Lichtquelle, einen Strahlteiler zum Aufteilen des von der kohärenten Lichtquelle abgegebenen Lichts in einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl, einen ersten optischen Koppler zum Einkoppeln des ersten Lichtstrahls in ein Ziel-Interferometer, einen zweiten optischen Koppler zum Einkoppeln des zweiten Lichtstrahls in ein Referenz-Interferometer, einen ersten Detektor zur zeitaufgelösten Detektion eines von dem Ziel-Interferometer zurückgestrahlten Ziel-Interferenzsignals, einen zweiten Detektor zur zeitaufgelösten Detektion eines von dem Referenz-Interferometer zurückgestrahlten Referenz-Interferenzsignals, und ein Auswertungsmodul ausgebildet zur zeitaufgelösten Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals und darauf basierend Ermittlung der durch die Länge des Ziel-Interferometers gebildeten Absolutdistanz x.
Die durchstimmbare kohärente Lichtquelle kann eine Laserdiode, insbesondere eine distributed feedback-(DFB)Laserdiode sein, welche thermisch mittels Temperatursteuerung oder elektrisch durch Regelung des Ansteuerstroms Laserdiode durchstimmbar sein kann. Auch eine mechanisch durch Veränderung des Lichtweges durchstimmbare Lichtquelle ist denkbar.
Das Ziel-Interferometer kann beispielsweise als Fabry-Perot-Interferometer oder als Michelson-Interferometer ausgebildet sein.
Der erste optische Koppler und der zweite optische Koppler können als teildurchlässige Spiegel an dem Faserende einer optischen Faser ausgebildet sein.
Um die Länge des Referenz-Interferometers konstant zu halten, kann diese aus einem Material mit minimalem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet oder in einer Temperaturkontrollierten Zelle eingeschlossen sein. Alternativ kann die Länge des Referenz-Interferometers mit Hilfe eines Mikromotors (z. B. auf Piezo-Basis) und einer zusätzlichen unabhängigen Messeinrichtung aktiv geregelt werden.
Ferner kann zur Konstanthaltung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle eine mit einem Absorptionsmedium gefüllte Absorptionszelle vorgesehen sein, wobei eine schmalbandige Absorptionslinie des Absorptionsmediums als Referenzwellenlänge der Wellenlängensteuerung der kohärenten Lichtquelle dient.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz; und
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz x, die gebildet wird durch die Länge des Ziel-Interferometers Z.
Als Lichtquelle LQ zur Strahlerzeugung wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein durchstimmbarer Laser verwendet, z. B. eine DFB-Laserdiode. Ein Messzyklus einer Absolutmessung der Zieldistanz x umfasst, die Wellenlänge dieses Lasers LQ in möglichst weiten Grenzen einmal durchzustimmen. Dies kann je nach verwendetem Laser durch verschiedene Methoden erfolgen, z. B. thermisch mittels Temperatursteuerung, elektrisch durch Regelung des Ansteuerstroms oder mechanisch durch Veränderung des Lichtweges in der Laserdiode. Wichtig für das Messverfahren ist dabei insbesondere die genaue Einstellbarkeit der Wellenlänge und die Zeitdauer, die ein Durchgang erfordert. Die Durchstimmung hat zur Folge, dass sich die Phase der sinusförmigen Interferenzsignale analog zu einer echten Bewegung ändert.
Der von der Lichtquelle LQ emittierte Laserstrahl wird durch den teildurchlässigen Spiegel S1 in Komponenten für Ziel und Referenz aufgeteilt. Durch optische Koppler T1 und T2, die vorzugsweise als teildurchlässige Spiegel am Ende einer Faseroptik ausgebildet sind, werden die beiden Strahlen weiter aufgeteilt in einen am Koppler reflektierten und einen nach Durchgang durch das Ziel-Interferometer Z bzw. das Referenz-Interferometer R reflektierten Anteil. An den Spiegeln T1 und T2 entsteht so durch Überlagerung das Interferenzsignal zwischen dem direkt an den Spiegeln T1 bzw. T2 und dem nach Durchgang durch die Kavität des jeweiligen Interferometers reflektierten Teilstrahl. Mittels der teildurchlässigen Spiegel S2, S3 wird das Ziel-Interferenzsignal dem Detektor D1 und das Referenz-Interferenzsignal dem Detektor D2 zugeführt. Die Ausgangssignale der Detektoren D1, D2, werden einem Auswertungsmodul A zugeführt, welches die Auswertung der Messdaten durchführt, wie weiter unten beschrieben wird. Zum besseren Verständnis sind in der Zeichnung die aus- und eingehenden Strahlen nebeneinander dargestellt. In der Realität sind diese Strahlen geometrisch nicht getrennt. Bei dem Ziel-Interferometer Z handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um ein Interferometer vom Typ Fabry-Perot. Die Art der Interferenz-Erzeugung ist jedoch nicht entscheidend für die erfindungsgemäße Funktion des Geräts; auch Interferometer anderen Typs, z. B. Michelson, sind ebenfalls geeignet.
Zur Stabilisierung der Wellenlänge befindet sich der Laser LQ in einer Zelle mit kontrollierten Umgebungsbedingungen, insbesondere mit geregelter Temperatur. Die Temperaturregelung kann auch zur Durchstimmung der Wellenlänge benutzt werden. Um die Länge (wobei mit Länge eines Interferometers hier immer der effektive Lichtweg gemeint ist) des Referenz-Interferometers R konstant zu halten, kann dieser aus besonders Temperatur-invariantem Material (d. h. mit minimalem thermischen Ausdehnungskoeffizienten) gefertigt und/oder ebenfalls in einer Temperaturkontrollierten Zelle eingeschlossen sein. Alternativ kann die Länge mit Hilfe eines Mikromotors M (siehe 2), z. B. auf Piezo-Basis, und einer zusätzlichen unabhängigen Messeinrichtung aktiv geregelt werden.
Wie beschrieben erfolgt die Messung der absoluten Länge des Ziel-Interferometers Z zyklisch. In jedem Zyklus wird die Wellenlänge des Lasers gleichmäßig von einem Start- zu einem Zielwert und zurück verändert. Gleichzeitig werden die entstehenden Signale mit einer Vielzahl von Einzelmessungen aufgenommen. Je nach Art des verwendeten Lasers können verschiedene Methoden der Wellenlängen-Variation zum Einsatz kommen. Im Beispiel der DFB-Laserdiode kommt eine elektrische (Änderung des Versorgungsstroms) oder eine thermische (Änderung der Umgebungstemperatur) Methode in Betracht.
Durch eine Elektronik werden alle Einzelmesswerte von den Detektoren D1, D2 ausgelesen und zur Verarbeitung dem Auswertungsmodul A zugeführt, das einen Geräte-internen oder -externen Rechner umfassen kann.
Die von den Detektoren erfassten Interferenzsignale lassen sich wie folgt berechnen:

Direkt vor den Spiegeln T1 bzw. T2 interferieren die direkt reflektierte Welle und die aus der Kavität zurückkommende Welle. Das Signal am Detektor hat die Form: I = A + BcosΦ
Die Koeffizienten A, B spielen hier keine Rolle, entscheidend ist der Phasenunterschied der beiden Signale Φ in seiner Abhängigkeit von der Wellenlänge: wobei

Φ:: Absoluter Phasenunterschied der beiden Lichtstrahlen
x:: gesuchte Lichtweglänge im Ziel-Interferometer (mit allen Reflexionen)
λ:: Lichtwellenlänge
f:: Lichtfrequenz,
c:: Lichtgeschwindigkeit

P = c / x.

P_r:: Periodizität des Referenz-Interferenzsignals über f
P_z:: Periodizität des Ziel-Interferenzsignals über f
L:: bekannte Länge des Referenz-Interferometers

Für die Auswertung der Signale muss also die Periodizität der beiden Interferenz-Signale über der Lichtfrequenz f relativ zueinander bestimmt werden. Dazu müssen die Signale, die zunächst nur als Zeitreihen vorliegen, auf die Lichtfrequenz als Basis transformiert werden. Zur Ermittlung der Periodizität kann zwischen mehreren Methoden gewählt werden, beispielsweise:

• Aus der Gesamtmenge der Messwerte eines Signals werden die Parameter A, B, und P durch ein herkömmliches numerisches Fit-Verfahren bestimmt. A und B werden verworfen.
• Aus der Gesamtmenge der Messwerte wird der Parameter A durch geeignete Mittelung bestimmt. Danach wird die Position zweier Nullstellen des variablen Signalanteils ermittelt.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz x, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass eine aktive Steuerung der Länge L des Referenz-Interferometers R vorgesehen ist. Diejenigen Elemente, die mit dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erneut beschrieben.
Ein Mikromotor M, z. B. auf Piezo-Basis, ist vorgesehen, um die Länge des Referenz-Interferometers R während der Messung konstant zu halten und auf einen besonders günstigen Arbeitspunkt einzustellen. Dazu ist eine zusätzliche konventionelle Messeinrichtung für die Länge des Referenz-Interferometers R erforderlich. Da sich die Länge nur wenig, langsam und kontrolliert ändert und der Strahlengang geschützt ist, eignet sich hierfür beispielsweise ein herkömmliches Interferometer (nicht dargestellt).
Ein dritter Teilstrahl wird mittels eines weiteren teildurchlässigen Spiegels S4 durch eine Gaszelle G geleitet, deren Inhalt ein gasförmiger Stoff ist (z. B. Azetylen), der sehr scharfe und dicht liegende Absorptionslinien aufweist. Mit Hilfe des Detektors D0 kann die Wellenlänge des Lasers LQ auf eine dieser Linien eingestellt werden und ist dann genau bekannt.
Das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ermöglicht ein abgewandeltes Messverfahren, das ebenfalls auf dem Durchstimmen der Wellenlänge beruht, aber nicht den gesamten Kurvenverlauf auswertet. Die einzelnen Arbeitsschritte sind:

• Mit einem ersten, möglichst weiträumigen Durchfahren der Wellenlänge und geeigneter Mittelung des Signals I = A + BcosΦ wird der konstante Anteil A des Signals bestimmt.
• Der Laser wird nun auf einen Arbeitspunkt eingestellt, an dem der zyklische Anteil B des Signals an dem Ziel-Interferometer verschwindet (Nullstelle des Cosinus). Die Wellenlänge sei λ₁.
• Bei unveränderter Wellenlänge wird das Referenz-Interferometer R so lange in der Länge verstellt, bis auch im Referenz-Interferenzsignal eine Nullstelle des variablen Signalanteils erreicht ist. Die eingestellte Länge sei L₁.
• Die Wellenlänge wird verstellt, bis das Ziel-Interferometer einen anderen, möglichst weit entfernter Nulldurchgang erreicht. Die neue Wellenlänge sei λ₂, die Zahl der durchlaufenen Nulldurchgänge sei n_k am Ziel-Interferometer und n_r am Referenz-Interferometer.
• Das Referenz-Interferometersignal wird am Ende des Durchlaufs i. d. R. nicht auf einem Nulldurchgang angekommen sein. Das Referenz-Interferometer wird mechanisch verstellt, bis der nächste Nulldurchgang erreicht ist. Der nötige Verstellweg sei ΔL.

Die am Ziel-Interferometer beim Duchstimmen durchfahrene Phase ist dann:
An der Referenz kommt ein Anteil durch die Längen-Verstellung hinzu:
Das Gleichungssystem kann nach dem gesuchten x aufgelöst werden:
Der Vorteil des Verfahrens ist, dass es sich auf zwei Wellenlängen beschränkt und damit nicht auf die Linearität der Messdaten mit der Lichtfrequenz angewiesen ist. Es werden gezielt Nulldurchgänge des Cosinus, weil dort die Messauflösung am höchsten ist.
Nachteil des Verfahrens ist, dass die Wellenlänge zur Auswertung genau bekannt sein muss. Sie kann nur indirekt über die Kennlinie des Lasers wie folgt ermittelt werden:

Vor der eigentlichen Messung wird die Wellenlänge auf eine Absorptionslinie der Gaszelle G eingestellt. Die dazu nötige Stellgröße (Strom, Temperatur etc.) wird gespeichert. Nach der eigentlichen Messung wird die Stellgröße, die zum Einstellen von λ₂ erforderlich war, mit dem gemerkten Wert verglichen und anhand der Kennlinie λ₂ extrapoliert. Wenn mehr als eine Absorptionslinie erreicht werden kann, ist auch eine Interpolation möglich. Dabei kann entweder die Kennlinie des Herstellers verwendet werden oder diese muss durch eigene Kalibrierungsmessungen ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Absolutmessung der Distanz x mit einer Relativmessung mittels herkömmlicher Interferometrie kombiniert.
Wegen der zyklischen Messungen kann das erfindungsgemäße Verfahren Absolutdistanzmessungen nur mit begrenzter Wiederholfrequenz vornehmen. Herkömmliche Interferometrie liefert dagegen pro Einzelmessung stets einen relativen Entfernungswert und kann genauere Messergebnisse liefern. Daher ist es wünschenswert, die beiden Verfahren zu kombinieren.
Herkömmliche Interferometrie setzt voraus, dass sich die Phase des Interferenzsignals zwischen zwei Einzelmessungen um weniger als eine halbe Periode des Cosinus ändert. Anderenfalls entsteht eine Lücke in der Abtastung der Bewegung des Ziels, weil die Zahl der durchlaufenen Cosinus-Perioden nicht bestimmt werden kann. Wenn die Absolutmessung Ergebnisse mit einer besseren Genauigkeit als die halbe Wellenlänge liefert, kann diese Einschränkung aufgehoben werden. Eine unterbrochene Relativmessung kann ohne Verlust von Genauigkeit wieder aufgenommen werden, da die Zahl der durchlaufenen Perioden bekannt ist. Damit können folgende alternative Verfahren realisiert werden:

• Einer einleitenden Absolutmessung folgt eine herkömmliche Relativmessung mit hoher Frequenz und Genauigkeit mittels der gleichen Lichtquelle LQ. Zyklisch mit anwendungsspezifisch wählbarer Zykluszeit oder auf Anforderung (z. B. nach vorübergehender Strahlunterbrechung) wird die Relativmessung durch eine Absolutmessung (wie beschrieben) unterbrochen. Sie kann danach trotz der Dauer der Unterbrechung bruchlos wieder aufgenommen werden.
• Mit Hilfe eines zweiten Lasers (nicht dargestellt) werden Relativ- und Absolutmessung gleichzeitig durchgeführt. Der Messwert wird durch die Absolutmessung initialisiert und durch die Relativmessung weitergeführt. Die Absolutmessung dient zur zyklischen Kontrolle und Korrektur von „verlorenen” Signalperioden der Relativmessung.

Um die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens abschätzen zu können, werden im Folgenden kurz mögliche Fehlerquellen beispielhaft anhand des eingangs erläuterten Messverfahrens mittels numerischem Fit der Cosinus-Funktionen der beiden Interferenzsignale diskutiert.
Die Qualität der Auswertung hängt empfindlich davon ab, dass die beiden Signale tatsächlich periodisch sind. Das ist nur der Fall, wenn die unabhängige Variable, über der die Messdaten aufgetragen werden, direkt proportional zur Frequenz f des Lichts ist. Der Proportionalitätsfaktor muss allerdings nicht bekannt sein, weil er bei der Auswertung „herausgekürzt” wird. Um das zu erreichen, muss entweder der Laser so angesteuert werden, dass die Lichtfrequenz linear mit der Zeit verändert wird oder die nichtlineare Basis der entstehenden Zeitreihe von Messdaten muss nachträglich numerisch ausgeglichen werden. Da die Frequenz oder Wellenlänge nicht gemessen werden können, muss auch der nachträgliche Ausgleich aus der tatsächlichen Ansteuerung des Lasers rekonstruiert werden. In der Regel ist die eigentlich kontrollierte Größe die Steuerspannung an der Laserdiode. Die Linearität zwischen ihr und der Lichtfrequenz wird beeinträchtigt durch:

• Einen variablen Innenwiderstand des Lasers, abhängig von Betriebsparametern
• Abweichungen der Strom-Wellenlängen-Kennlinie des Lasers von der Geraden
• den inversen Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Lichtfrequenz.

Zum Teil können diese Störungen theoretisch berechnet werden, zum Teil müssen sie durch Kalibrierungsmessungen beim Hersteller des Geräts ermittelt werden. Es ist möglich, dass eine Kalibrierung bei jedem einzelnen Gerät erforderlich ist. Die Berechnungen und Messungen fließen in eine Look-Up-Tabelle ein, mit deren Hilfe entweder bei der Ansteuerung des Lasers oder bei der Auswertung der Daten die Nichtlinearität korrigiert wird. Andere Fehlerquellen sind im Vergleich dazu von untergeordneter Bedeutung:

• Rauschen des Lasers in Intensität und Frequenz,
• Rauschen bei der Intensitätsmessung,
• Thermische Variabilität des Referenz-Interferometers,
• Begrenzte Genauigkeit der elektronischen Ansteuerung des Lasers und ggf. der Temperatur-Regelung.

Durch eine Bewegung des Ziels während der Messung entsteht eine natürliche Unschärfe, deren Größe von der Dauer der Messung abhängt. Die Absolutmessung ist wegen ihrer längeren Dauer (im Vergleich zur Relativmessung) davon besonders betroffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010062842 A1 [0005]
DE 202014101699 U1 [0006, 0007]

Claims

Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Absolutdistanz x, aufweisend die Verfahrensschritte: – Zyklisches Durchstimmen der Frequenz einer kohärenten Lichtquelle (LQ), – Erzeugung eines Ziel-Interferenzsignals und eines Referenz-Interferenzsignals durch gleichzeitiges Einkoppeln des von der kohärenten Lichtquelle (LQ) abgegebenen Lichts in ein Ziel-Interferometer (Z) und in ein Referenz-Interferometer (R), – für jeden Durchstimmzyklus, zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals, und – Bestimmung der durch die Länge des Ziel-Interferometers (Z) gebildeten Absolutdistanz x bei bekannter Länge (L) des Referenz-Interferometers (R) auf Basis des Verhältnisses der Änderungsgeschwindigkeit der Signalphase des Ziel-Interferenzsignals zur Änderungsgeschwindigkeit der Signalphase des Referenz-Interferenzsignals während des Durchstimmzyklus.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals durch ein numerisches Fit-Verfahren der erhaltenen Messwerte wenigstens eines Messzyklus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zeitaufgelöste Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals durch Mittelung der erhaltenen Messwerte wenigstens eines Messzyklus und Bestimmung der Nullstellen des variablen Signalanteils der erhaltenen Signalphasen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Wellenlänge der Lichtquelle (LQ) thermisch mittels Temperatursteuerung, elektrisch durch Regelung eines Ansteuerstroms oder mechanisch durch Veränderung der Länge der Kavität der Lichtquelle (LQ) durchgestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Länge des Referenz-Interferometers (R) mittels einer Motorsteuerung eines Spiegels des Referenz-Interferometers (R) aktiv geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Länge des Referenz-Interferometers (R) so geregelt wird, dass an beiden Interferometern und an beiden Enden des Messbereichs günstige Arbeitspunkte erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: a) Durchstimmen der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle, Mittelung des Ziel-Interferenzsignals und Bestimmung ihres konstanten Anteils, b) Einstellung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle auf eine Wellenlänge λ₁, bei der eine Nullstelle des variablen Signalanteils des Ziel-Interferenzsignals erfasst wird, c) Bei unveränderter Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle, mechanische Verstellung der Länge des Referenz-Interferometers (R) auf eine Länge L₁, bei der auch im Referenz-Interferenzsignal eine Nullstelle des variablen Signalanteils erfasst wird, d) Einstellung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle auf eine möglichst weit entfernte Wellenlänge λ₂, bei der wiederum eine Nullstelle des variablen Signalanteils des Ziel-Interferenzsignals erfasst wird, e) Bestimmung der bei der zwischen den Verfahrensschritten b) und d) durchlaufenen Nulldurchgänge n_k des Ziel-Interferenzsignals und der durchlaufenen Nulldurchgänge n_r des Referenz-Interferenzsignals, f) Mechanisches Nachstellen der Länge des Referenz-Interferometers (R) um einen Verstellweg ΔL, bis die nächste Nullstelle des variablen Signalanteils des Referenz-Interferenzsignals erfasst wird, und g) Bestimmung der Länge des Ziel-Interferometers (Z) als
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei zwischen zwei Messzyklen eine interferometrische Relativmessung zur Bestimmung der Länge d des Ziel-Interferometers (Z) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei mittels einer zweiten kohärenten Lichtquelle gleichzeitig mit der Absolutbestimmung der Länge x des Ziel-Interferometers (Z) eine interferometrische Relativmessung zur Bestimmung der Länge x des Ziel-Interferometers (Z) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Erfassung einer Absolutdistanz x, aufweisend: – eine durchstimmbare kohärente Lichtquelle (LQ), – einen Strahlteiler (S1) zum Aufteilen des von der kohärenten Lichtquelle (LQ) abgegebenen Lichts in einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl, – einen ersten optischen Koppler (T1) zum Einkoppeln des ersten Lichtstrahls in ein Ziel-Interferometer (Z), – einen zweiten optischen Koppler (T2) zum Einkoppeln des zweiten Lichtstrahls in ein Referenz-Interferometer (R), – einen ersten Detektor (D1) zur zeitaufgelösten Detektion eines von dem Ziel-Interferometer (Z) zurückgestrahlten Ziel-Interferenzsignals, – einen zweiten Detektor (D2) zur zeitaufgelösten Detektion eines von dem Referenz-Interferometer (R) zurückgestrahlten Referenz-Interferenzsignals, und – ein Auswertungsmodul (A) ausgebildet zur zeitaufgelösten Erfassung der Phasen des Ziel-Interferenzsignals und des Referenz-Interferenzsignals und darauf basierend Ermittlung der durch die Länge des Ziel-Interferometers (Z) gebildeten Absolutdistanz x.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die durchstimmbare kohärente Lichtquelle (LQ) eine Laserdiode, insbesondere eine DFB-Laserdiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Wellenlänge der Laserdiode (LQ) thermisch mittels Temperatursteuerung oder elektrisch durch Regelung des Ansteuerstroms durchstimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die durchstimmbare kohärente Lichtquelle (LQ) mechanisch durch Veränderung des Lichtweges durchstimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–13, wobei das Ziel-Interferometer (Z) als Fabry-Perot-Interferometer oder als Michelson-Interferometer ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–14, wobei der erste optische Koppler (T1) und der zweite optische Koppler (T2) als teildurchlässige Spiegel an dem Faserende einer optischen Faser ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–15, wobei das Referenz-Interferometer (R) aus einem Material mit minimalem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist oder das Referenz-Interferometer (R) eine Einrichtung zur Temperatursteuerung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–16, aufweisend eine Einrichtung zur Regelung der Länge des Referenz-Interferometers (R) sowie eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle (LQ).
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zur Regelung der Länge des Referenz-Interferometers (R) einen Mikromotor (M) auf Piezo-Basis umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Einrichtung zur Konstanthaltung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle (LQ) eine mit einem Absorptionsmedium gefüllte Absorptionszelle (G) umfasst, wobei eine schmalbandige Absorptionslinie des Absorptionsmediums als Referenzwellenlänge der Wellenlängensteuerung der kohärenten Lichtquelle (LQ) dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–19, aufweisend eine zweite kohärente Lichtquelle ausgebildet zur Abstrahlung von Licht in einer von der ersten kohärenten Lichtquelle (LQ) verschiedenen Frequenz zur Relativmessung der durch die Länge des Ziel-Interferometers (Z) gebildeten Zieldistanz.