DE102020210424A1

DE102020210424A1 - Messvorrichtung und Messverfahren

Info

Publication number: DE102020210424A1
Application number: DE102020210424.7A
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Suzuki; Shinichi Hara; Hiroki Ujihara
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2021-03-04
Also published as: US20210063573A1; US11885879B2; JP2021032730A; JP7247058B2; CN112433220A; CN112433220B

Abstract

Eine Messvorrichtung 300 enthält: eine Laservorrichtung 110; einen Verzweigungsteil 120, der einen frequenzmodulierten Laserstrahl in Referenzlicht und Messlicht verzweigt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150, der durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das das Messlicht ist, das auf ein zu messendes Objekt 10 eingestrahlt wird, ein Schwebungssignal erzeugt; einen ersten Analyseteil 310, der eine erste Signalkomponente, die einer Differenz einer Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals analysiert; einen zweiten Analyseteil 320, der eine zweite Signalkomponente, die einer Hohlraumfrequenz eines optischen Hohlraums entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals analysiert; und einen Berechnungsteil 180, der die Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung und auf ein Messverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL), der in einem Hohlraum (Resonator) mit einem Frequenzschieber versehen ist und mehrere Längsmodenlaser ausgibt, deren Schwingungsfrequenzen mit der Zeit linear variieren, ist bekannt. Außerdem ist ein optischer Entfernungsmesser, der einen derartigen FSFL verwendet, bekannt (siehe z. B. Patentdokument 1, die Patentschrift des japanischen Patents Nr. 3583906 , und das Nicht-PatentDokument 1, „Distance Sensing by FSF Laser and Its Application“ von Takefumi HARA, Optonews, Bd. 7, Nr. 3, 2012, S. 25-31).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Ein optischer Entfernungsmesser, der einen Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL) verwendet, kann auf kontaktlose Weise eine große Menge dreidimensionaler Informationen erfassen und wird z. B. an Entwurfs- und Produktionsstandorten verwendet. Da sich die Hohlraumlänge (Resonatorlänge) wegen Umgebungsschwankungen wie etwa der Temperatur ändern kann, verursachte der FSFL gelegentlich eine Verringerung der Messgenauigkeit des optischen Entfernungsmessers. Um die Verringerung der Messgenauigkeit zu verhindern, wird herkömmlich betrachtet, die Umgebungsschwankungen durch Einbau des FSFL in eine Temperaturkammer zu verringern, eine Änderung der Hohlraumlänge durch Überwachen der Ausgaben des FSFL zu beobachten und dergleichen. Allerdings verursachen solche Maßnahmen eine Erhöhung der Baugröße der Vorrichtung und führen sie zu einem Problem einer Erhöhung der Kosten und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieses Problems gemacht und eine Aufgabe der Erfindung ist die Unterdrückung einer Verringerung der Genauigkeit in einem optischen Entfernungsmesser mit einer einfachen Konfiguration, selbst wenn Umgebungsschwankungen auftreten.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine Messvorrichtung, die enthält: eine Laservorrichtung, die einen optischen Hohlraum (Laserresonator) aufweist und einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden ausgibt; einen Verzweigungsteil, der einen Teil des frequenzmodulierten Laserstrahls, der durch die Laservorrichtung als Referenzlicht ausgegeben wird, und wenigstens etwas des verbleibenden Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als ein Messlicht verzweigt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil, der durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt reflektiert wird, ein Schwebungssignal erzeugt; einen ersten Analyseteil, der auf der Grundlage des Schwebungssignals eine erste Signalkomponente analysiert, die einer Differenz einer Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht entspricht; einen zweiten Analyseteil, der eine zweite Signalkomponente, die einer Hohlraumfrequenz (Resonatorfrequenz) des optischen Hohlraums entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals analysiert; und einen Berechnungsteil, der die Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht auf der Grundlage von Analyseergebnissen der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente berechnet.
Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil kann das reflektierte Licht und das Referenzlicht quadraturdetektieren und gibt ein erstes Schwebungssignal und ein zweites Schwebungssignal, die zueinander orthogonal sind, aus, der erste Analyseteil kann eine Frequenzanalyse an der ersten Signalkomponente auf der Grundlage des ersten Schwebungssignals und des zweiten Schwebungssignals durchführen und der zweite Analyseteil kann die Frequenzanalyse an der zweiten Signalkomponente auf der Grundlage des ersten Schwebungssignals oder des zweiten Schwebungssignals durchführen.
Der zweite Analyseteil kann die Frequenzanalyse an der zweiten Signalkomponente durchführen und berechnet die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums.
Der zweite Analyseteil kann Frequenzen des Schwebungssignals und eines Bildsignals, die einander benachbart sind, unter Schwebungssignalen und Bildsignalen, die in der zweiten Signalkomponente enthalten sind, erhalten und berechnet die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums durch Zusammenzählen der zwei erhaltenen Frequenzen.
Der zweite Analyseteil kann die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums durch Analysieren hinsichtlich der Frequenz einer Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht, aus der zweiten Signalkomponente erhalten.
Die Messvorrichtung enthält ferner: einen ersten AD-Umsetzer, der das erste Schwebungssignal in ein digitales Signal umsetzt; und einen zweiten AD-Umsetzer, der das zweite Schwebungssignal in ein digitales Signal umsetzt, wobei der erste Analyseteil die erste Signalkomponente durch Durchführen einer Frequenzumsetzung an (i) dem digitalen Signal, das durch den ersten AD-Umsetzer ausgegeben wird, als Realteil und (ii) dem digitalen Signal, das durch den zweiten AD-Umsetzer ausgegeben wird, als Imaginärteil erzeugen kann und der zweite Analyseteil die zweite Signalkomponente durch Durchführen der Frequenzumsetzung am digitalen Signal, das durch den ersten AD-Umsetzer oder den zweiten AD-Umsetzer ausgegeben wird, erzeugen kann.
Die Messvorrichtung kann ferner ein digitales Filter enthalten, das ein Analyseergebnis des zweiten Analyseteils digital filtert.
Das digitale Filter kann eine digitale Filterung bei einer Abtastrate durchführen, die langsamer ist als eine Abtastrate, bei der der erste AD-Umsetzer und der zweite AD-Umsetzer das erste Schwebungssignal bzw. das zweite Schwebungssignal in das digitale Signal umsetzen.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Messverfahren, das die folgenden Schritte enthält: Ausgeben eines frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden von einer Laservorrichtung mit einem optischen Hohlraum; Verzweigen eines Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils als Messlicht; Erzeugen eines Schwebungssignals durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt reflektiert wird; Analysieren einer ersten Signalkomponente, die einer Differenz einer Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals; Analysieren einer zweiten Signalkomponente, die einer Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals und Berechnen der Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht auf der Grundlage von Analyseergebnissen der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es eine Wirkung der Unterdrückung einer Verringerung der Genauigkeit in einem optischen Entfernungsmesser mit einer einfachen Konfiguration, selbst wenn während der Messzeit Umgebungsschwankungen auftreten.
Figurenliste

1 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit einem zu messenden Objekt 10.
2 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
3 zeigt ein Beispiel eines von der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Laserstrahls.
4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen (i) einer Frequenz des durch die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektierten Schwebungssignals und (ii) einer Entfernung d zwischen einem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10.
5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und eines Umsetzungsteils 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
6 zeigt ein Beispiel einer Übersicht einer Quadraturdetektion durch den Schwebungssignalerzeugungsteil 150 und durch den Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
7 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Extraktionsteils 170 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
8 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit dem zu messenden Objekt 10.
9 zeigt ein Beispiel eines Schwebungssignals, das durch einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wurde.
10 zeigt ein Beispiel eines Ergebnisses eines Filterns des Schwebungssignals, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wurde.
11 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150, des Umsetzungsteils 160, eines ersten Analyseteils 310 und eines zweiten Analyseteils 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
12 zeigt ein Variantenbeispiel der Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gemeinsam mit dem zu messenden Objekt 10.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[Konfigurationsbeispiele einer Messvorrichtung 100]
1 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit einem zu messenden Objekt 10. Die Messvorrichtung 100 misst optisch eine Entfernung zwischen der Messvorrichtung 100 und dem zu messenden Objekt 10. Außerdem kann die Messvorrichtung 100 durch Abtasten einer Position des auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlten Laserstrahls die dreidimensionale Form des zu messenden Objekts 10 messen. Die Messvorrichtung 100 enthält eine Laservorrichtung 110, einen Verzweigungsteil 120, einen optischen Zirkulator 130, einen optischen Kopfteil 140, einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150, einen Umsetzungsteil 160, einen Extraktionsteil 170, einen Berechnungsteil 180 und einen Anzeigeteil 190.
Die Laservorrichtung 110 weist einen optischen Hohlraum (Laserresonator) auf und gibt einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden aus. Die Laservorrichtung 110 ist in einem Hohlraum (Resonator) mit einem Frequenzschieber versehen und gibt mehrere Längsmodenlaser aus, deren Schwingungsfrequenzen sich im Zeitverlauf linear ändern. Die Laservorrichtung 110 ist z. B. ein Laser mit frequenzverschobener Rückkopplung (FSFL). Der FSFL wird später beschrieben.
Der Verzweigungsteil 120 verzweigt den von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl mit einem Teil davon als Referenzlicht und den verbleibenden Teil davon mindestens teilweise als Messlicht. Der Verzweigungsteil 120 verzweigt den von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl z. B. in das Referenzlicht, das Messlicht und Überwachungslicht. Der Verzweigungsteil 120 ist z. B. ein Ein-Eingang-Drei-Ausgänge-Faseroptikkoppler. In dem Beispiel aus 1 führt der Verzweigungsteil 120 das Messlicht dem optischen Zirkulator 130, das Referenzlicht dem Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und das Überwachungslicht dem Extraktionsteil 170 zu. 1 zeigt ein Beispiel, in dem der Verzweigungsteil 120 der Ein-Eingang-Drei-Ausgänge-Optikkoppler ist, wobei der Verzweigungsteil 120 aber alternativ eine Kombination zweier Ein-Eingang-Zwei-Ausgänge-Optikkoppler sein kann.
Der optische Zirkulator 130 weist mehrere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse auf. Der optische Zirkulator 130 gibt z. B. Licht, das in einen Anschluss eingegeben wird, an den nächsten Anschluss aus und gibt Licht, das von dem nächsten Anschluss eingegeben wird, an den Anschluss nach dem nächsten aus. 1 zeigt ein Beispiel, in dem der optische Zirkulator 130 drei Eingangs-/Ausgangsanschlüsse aufweist. In diesem Fall gibt der optische Zirkulator 130 das von dem Verzweigungsteil 120 zugeführte Messlicht an den optischen Kopfteil 140 aus. Außerdem gibt der optische Zirkulator 130 von dem optischen Kopfteil 140 eingegebenes Licht an den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 aus.
Der optische Kopfteil 140 strahlt das von dem optischen Zirkulator 130 eingegebene Licht in Richtung des zu messenden Objekts 10 aus. Der optische Kopfteil 140 enthält z. B. eine Kollimatorlinse. In diesem Fall stellt der optische Kopfteil 140 zuerst das von dem optischen Zirkulator 130 über eine Lichtleitfaser eingegebene Licht unter Verwendung der Kollimatorlinse in eine Strahlform ein und gibt das Licht daraufhin aus.
Außerdem empfängt der optische Kopfteil 140 reflektiertes Licht des auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlten Messlichts. Der optische Kopfteil 140 fokussiert das empfangene reflektierte Licht mit einer Kollimatorlinse auf die Lichtleitfaser und führt es dem optischen Zirkulator 130 zu. In diesem Fall kann der optische Kopfteil 140 eine gemeinsame Kollimatorlinse enthalten und kann die Kollimatorlinse das zu messende Objekt 10 mit dem Messlicht bestrahlen und kann er von dem zu messenden Objekt 10 das reflektierte Licht empfangen. Die Entfernung zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10 ist als d definiert.
Alternativ kann der optische Kopfteil 140 eine Fokussierlinse enthalten. In diesem Fall fokussiert der optische Kopfteil 140 das von dem optischen Zirkulator 130 über die Lichtleitfasern eingegebene Licht auf die Oberfläche des zu messenden Objekts 10. Der optische Kopfteil 140 empfängt wenigstens einen Teil des reflektierten Lichts, das auf der Oberfläche des zu messenden Objekts 10 reflektiert wird. Der optische Kopfteil 140 fokussiert das empfangene reflektierte Licht unter Verwendung der Fokussierlinse auf eine Lichtleitfaser und führt das Licht dem optischen Zirkulator 130 zu. Außerdem kann der optische Kopfteil 140 in diesem Fall eine gemeinsame Fokussierlinse enthalten und kann die Fokussierlinse das zu messende Objekt 10 mit dem Messlicht bestrahlen und das reflektierte Licht von dem zu messenden Objekt 10 empfangen.
Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 empfängt von dem optischen Zirkulator 130 das reflektierte Licht, das das auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlte und davon reflektierte Messlicht ist. Außerdem empfängt der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 das Referenzlicht von dem Verzweigungsteil 120. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 mischt das reflektierte Licht und das Referenzlicht, um ein Schwebungssignal zu erzeugen. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 enthält z. B. ein fotoelektrisches Umsetzungselement, setzt das Schwebungssignal in ein elektrisches Signal um und gibt das elektrische Signal aus.
Da das reflektierte Licht hier über die Entfernung von dem optischen Kopfteil 140 zu dem zu messenden Objekt 10 in beiden Richtungen läuft, tritt im Vergleich mit dem Referenzlicht eine Differenz einer Ausbreitungsentfernung, die wenigstens der Entfernung 2d entspricht, auf. Da sich die Schwingungsfrequenz des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Lichts mit Verlauf der Zeit linear ändert, tritt zwischen der Schwingungsfrequenz des Referenzlichts und der Schwingungsfrequenz des reflektierten Lichts eine Frequenzdifferenz auf, die von einer der Differenz der Ausbreitungsentfernung entsprechenden Ausbreitungsverzögerung abhängt. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt ein Schwebungssignal, das einer derartigen Frequenzdifferenz entspricht.
Der Umsetzungsteil 160 detektiert durch Frequenzanalyse des durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugten Schwebungssignals die Frequenz des Schwebungssignals. Die Frequenzen der Schwebungssignale sind hier als ν_B definiert.
Der Extraktionsteil 170 extrahiert eine Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz (Resonatorfrequenz) des optischen Hohlraums entspricht und dem von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen frequenzmodulierten Laserstrahl überlagert ist. Zum Beispiel extrahiert der Extraktionsteil 170 auf der Grundlage des Überwachungslichts eine Signalkomponente der Frequenz, die gleich der Hohlraumfrequenz, die der Hohlraumlänge (Resonatorlänge) der Laservorrichtung 110 entspricht, ist, aus Signalkomponenten, die im frequenzmodulierten Laserstrahl enthalten sind. Die Hohlraumfrequenz ist hier als v_C definiert.
Der Berechnungsteil 180 berechnet auf der Grundlage eines Detektionsergebnisses des Umsetzungsteils 160 und eines Extraktionsergebnisses des Extraktionsteils 170 eine Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht. Zum Beispiel berechnet der Berechnungsteil 180 die Entfernung d von dem optischen Kopfteil 140 zu dem zu messenden Objekt 10 auf der Grundlage der Frequenz ν_B des Schwebungssignals und der Hohlraumfrequenz v_C.
Der Anzeigeteil 190 zeigt das Berechnungsergebnis des Berechnungsteils 180 an. Der Anzeigeteil 190 kann eine Anzeige oder dergleichen enthalten und das Berechnungsergebnis anzeigen. Außerdem kann der Anzeigeteil 190 das Berechnungsergebnis in einer Speichereinheit oder dergleichen speichern. Der Anzeigeteil 190 kann das Berechnungsergebnis über ein Netz oder dergleichen einer externen Einrichtung zuführen.
Die oben beschriebene Messvorrichtung 100 kann durch Analysieren der Frequenzdifferenz zwischen dem reflektierten Licht des auf das zu messende Objekt 10 ausgestrahlten Messlichts und dem Referenzlicht die Entfernung d zwischen der Messvorrichtung 100 und dem zu messenden Objekt 10 messen. Das heißt, die Messvorrichtung 100 kann einen kontaktlosen und zerstörungsfreien optischen Entfernungsmesser bilden. Nachfolgend wird eine detailliertere Konfiguration der Messvorrichtung 100 beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel der Laservorrichtung 110]
2 zeigt ein Konfigurationsbeispiel der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Laservorrichtung 110 aus 2 zeigt ein Beispiel des FSFL. Die Laservorrichtung 110 enthält einen optischen Hohlraum und versetzt einen Laserstrahl in dem optischen Hohlraum in Schwingungen. Der optische Hohlraum der Laservorrichtung 110 enthält einen optischen Hohlraum, der einen Frequenzschieber 112, ein Verstärkungsmedium 114, einen WDM-Koppler 116, eine Pumplichtquelle 117 und einen Ausgangskoppler 118 enthält.
Der Frequenzschieber 112 verschiebt eine Frequenz von auszugebendem Licht um eine näherungsweise konstante Frequenz. Der Frequenzschieber 112 ist z. B. ein akusto-optischer Frequenzschieber (AOFS) mit akusto-optischen Elementen. Ein Betrag der Frequenzverschiebung durch den Frequenzschieber 112 ist hier als +ν_S definiert. Das heißt, der Frequenzschieber 112 verschiebt die Frequenz des um den Hohlraum umlaufenden Lichts, um die Frequenz für jede Runde um ν_S zu erhöhen.
Dem Verstärkungsmedium 114 wird Pumplicht zugeführt und es verstärkt das Eingangslicht. Das Verstärkungsmedium 114 ist z. B. eine Lichtleitfaser, die mit Störstellen dotiert ist. Die Störstellen sind z. B. Seltenerdelemente wie etwa Erbium, Neodym, Ytterbium, Terbium, Thulium oder dergleichen. Dem Verstärkungsmedium 114 wird über den WDM-Koppler 116 das Pumplicht von der Pumplichtquelle 117 zugeführt. Der Ausgangskoppler 118 gibt einen Teil des Lichts, das in dem Hohlraum in Laserschwingungen versetzt worden ist, an eine externe Einrichtung aus.
Das heißt, die in 2 gezeigte Laservorrichtung 110 enthält einen Faserringlaser mit dem Frequenzschieber 112 in dem Hohlraum. Vorzugsweise enthält die Laservorrichtung 110 ferner einen Isolator in dem Hohlraum. Außerdem kann die Laservorrichtung 110 ein optisches Bandpassfilter aufweisen, das Licht eines vorgegebenen Wellenlängenbands in dem Hohlraum durchlässt. Im Folgenden werden die Frequenzeigenschaften des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Laserstrahls beschrieben.
3 zeigt ein Beispiel des von der Laservorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Laserstrahls. 3 zeigt links ein Lichtspektrum des von der Laservorrichtung 110 zu dem Zeitpunkt to ausgegebenen Laserstrahls. In dem Lichtspektrum gibt die horizontale Achse die Lichtstärke an und gibt die vertikale Achse die Frequenz des Lichts an. Außerdem sind mehrere Längsmoden des Lichtspektrums durch die Zahlen q bezeichnet. Die Frequenzen der mehreren Längsmoden sind näherungsweise in konstanten Frequenzintervallen angeordnet. Unter der Annahme, dass τ_RT (= 1/ν_C) die Zeit bezeichnet, in der das Licht um den Hohlraum umläuft, sind die mehreren Längsmoden, wie durch die folgende Gleichung repräsentiert ist, in Intervallen von 1/τ_RT (= ν_C) angeordnet. Es wird angemerkt, dass vo die Anfangsfrequenz des Lichtspektrums zu dem Zeitpunkt to ist. $v_{q} (t_{0}) = v_{0} + \frac{q}{τ_{R T}}$
3 zeigt rechts Änderungen der Frequenzen der mehreren durch die Laservorrichtung 110 ausgegebenen Längsmoden im Verlauf der Zeit. Auf der rechten Seite von 3 gibt die horizontale Achse die Zeit an und gibt die vertikale Achse die Frequenz an. Das heißt, 3 zeigt auf der rechten Seite eine Änderung der Frequenz des von der Laservorrichtung 110 ausgegebenen Laserstrahls im Zeitverlauf und zeigt auf der linken Seite eine Momentanfrequenz des Laserstrahls zum Zeitpunkt t₀.
Jedes Mal, wenn das Licht in dem Hohlraum in der Laservorrichtung 110 in dem Hohlraum umläuft, erhöht der Frequenzschieber 112 die Frequenz des in dem Hohlraum umlaufenden Lichts um vs. Das heißt, die Änderungsrate der Frequenz dv/dt (d. h. die Chirp-Rate) wird näherungsweise gleich ν_S/τ_RT, da die Frequenz jeder der Moden für jedes Verstreichen von τ_RT um ν_S zunimmt. Somit ändern sich die mehreren durch Gleichung 1 repräsentierten Längsmoden im Verlauf der Zeit t, wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist. $v_{q} (t) = v_{0} + \frac{v_{s}}{τ_{R T}} t + \frac{q}{τ_{R T}}$
[Einzelheiten eines Entfernungsmessprozesses]
Die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform misst die Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10 unter Verwendung der Laservorrichtung 110, die die durch Gleichung 2 repräsentierten Frequenzelemente ausgibt. Es wird angenommen, dass eine Differenz der optischen Wege zwischen dem Referenzlicht und dem reflektierten Licht nur die Entfernung 2d, d. h. die Entfernung d, über die hin- und hergegangen worden ist, ist und dass die der Entfernung 2d entsprechende Ausbreitungsverzögerung Δt ist. Das heißt, wenn das Messlicht von dem zu messenden Objekt 10 zu dem Zeitpunkt t reflektiert worden und zurückgekehrt ist, ist die Frequenz des zurückgekehrten reflektierten Lichts näherungsweise an die frühere Frequenz, d. h. zu einer Zeit Δt früher als der Zeitpunkt t, angepasst, und kann somit durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $v_{q} (t - Δ t) = v_{0} + \frac{v_{s}}{τ_{R T}} (t + Δ t) + \frac{q}{τ_{R T}}$
Andererseits kann das Referenzlicht zum Zeitpunkt t auf ähnliche Weise wie mit Gleichung 2 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, wobei das Referenzlicht ν_q'(t) ist. $v_{q'} (t) = v_{0} + \frac{v_{s}}{τ_{R T}} t + \frac{q'}{τ_{R T}}$
Da der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 das reflektierte Licht und das Referenzlicht überlagert, werden zwischen den mehreren durch Gleichung 3 ausgedrückten Längsmoden und den mehreren durch Gleichung 4 ausgedrückten Längsmoden mehrere Schwebungssignale erzeugt. Unter der Annahme, dass die Frequenzen dieser Schwebungssignale ν_B(m, d) sind, kann ν_B(m, d) durch die folgende Gleichung aus den Gleichungen 3 und 4 ausgedrückt werden, wobei m ein Intervall der Längsmodennummern (= q-q') und Δt = 2d/c ist. $ν_{B} (m, d) = v_{q'} (t) - v_{q} (t - Δ t) = \frac{v_{s}}{τ_{R T}} \cdot \frac{2 d}{c} - \frac{m}{τ_{R T}}$
Aus Gleichung 5 wird die Entfernung d durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wobei 1/τ_RT = ν_C ist. $d = \frac{c}{2 v_{s} v_{c}} {ν_{B} (m, d) + m v_{c}}$
Aus Gleichung 6 ist zu verstehen, dass die Entfernung d durch Bestimmen des Intervalls m der Längsmodennummern aus einem Frequenzbeobachtungsergebnis des Schwebungssignals berechnet werden kann. Es wird angemerkt, dass das Intervall m durch Detektieren einer Änderung der Schwebungssignale bestimmt werden kann, wenn der Betrag der Frequenzverschiebung vs der Laservorrichtung 110 geändert wird. Da ein derartiges Verfahren zum Bestimmen des Intervalls m, wie im Patentdokument 1 oder dergleichen beschrieben ist, bekannt ist, ist eine ausführliche Beschreibung weggelassen.
Da das beobachtete Schwebungssignal immer eine positive Frequenz ist, wird das auf der Seite der negativen Frequenz erzeugte Schwebungssignal in der Berechnung auf die positive Seite zurückgeklappt und als ein Bildsignal beobachtet. Nachfolgend wird die Erzeugung eines derartigen Bildsignals beschrieben.
4 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Frequenz des durch die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektierten Schwebungssignals und der Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10. In 4 gibt die horizontale Achse die Entfernung d an und gibt die vertikale Achse die Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals an. Die mehreren durch die durchgezogenen Linien in 4 gezeigten Geraden sind Graphen, die die wie in Gleichung 5 gezeigte Beziehung der Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals in Bezug auf die Entfernung d für jeden der mehreren Werte von m zeigen.
Wie in 4 gezeigt ist, werden mehrere Schwebungssignale, die dem Wert von m entsprechen, erzeugt. Allerdings sind mehrere Schwebungssignale mit gleichen Werten von m näherungsweise auf derselben Frequenz auf der Frequenzachse überlagert, da die mehreren sowohl in dem reflektierten Licht als auch in dem Referenzlicht enthaltenen Längsmoden näherungsweise in konstanten Frequenzintervallen vc angeordnet sind. Zum Beispiel sind mehrere Schwebungssignale näherungsweise auf derselben Frequenz überlagert und werden als ein einzelnes Linienspektrum beobachtet, wenn ein Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und vc beobachtet wird.
Außerdem wird ferner der Absolutwert der Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals in dem negativen Bereich kleiner als 0 als das Bildsignal beobachtet. Das heißt, der Graph des Gebiets, in dem die vertikale Achse aus 4 kleiner als 0 ist, wird mit einer Frequenz 0 als eine Grenze zurückgeklappt. 4 zeigt das zurückgeklappte Bildsignal durch mehrere Strichlinien. Da nur das Positive und das Negative der zurückgeklappten Bildsignale umgekehrt wird, sind die Bildsignale auf der beobachteten Frequenzachse bei derselben Frequenz wie der Absolutwert der Frequenz, bevor sie zurückgeklappt worden sind, überlagert. Zum Beispiel befinden sich das Schwebungssignal und das Bildsignal jeweils bei unterschiedlichen Frequenzen, es sei denn, dass die Frequenzen des Schwebungssignals und des Bildsignals vc/2 werden, wenn ein Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und ν_C beobachtet wird.
Wie oben beschrieben ist, werden in dem Beobachtungsband zwischen den Frequenzen 0 und ν_C zwei Linienspektren erzeugt, die (i) das Schwebungssignal ν_B(m, d) und (ii) das Bildsignal ν_B(m', d), dessen Wert von m von dem des Schwebungssignals ν_B(m, d) verschieden ist, sind. Als ein Beispiel ist hier m' = m + 1. In diesem Fall kann der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 ein derartiges Bildsignal unter Verwendung einer Quadraturdetektion aufheben. Nachfolgend werden der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und der Umsetzungsteil 160, die die Quadraturdetektion verwenden, beschrieben.
5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und des Umsetzungsteils 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 führt eine Quadraturdetektion des reflektierten Lichts und des Referenzlichts aus. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 enthält einen optischen 90-Grad-Hybrid 152, einen ersten fotoelektrischen Umsetzungsteil 154 und einen zweiten fotoelektrischen Umsetzungsteil 156.
Der optische 90-Grad-Hybrid 152 verzweigt das eingegebene reflektierte Licht bzw. das eingegebene Referenzlicht in zwei. Der optische 90-Grad-Hybrid 152 multiplexiert eines der verzweigten reflektierten Lichtsignale und eines der verzweigten Lichtsignale mit einem Optikkoppler oder dergleichen, um das erste Schwebungssignal zu erzeugen. Der optische 90-Grad-Hybrid 152 multiplexiert das andere verzweigte reflektierte Licht und das andere verzweigte Referenzlicht mit dem Optikkoppler oder dergleichen, um das zweite Schwebungssignal zu erzeugen. Der optische 90-Grad-Hybrid 152 erzeugt hier, nachdem er zwischen den zwei verzweigten Referenzlichtsignalen eine Phasendifferenz von 90 Grad erzeugt hat, ein Schwebungssignal. Zum Beispiel multiplexiert der optische 90-Grad-Hybrid 152 das verzweigte reflektierte Licht mit einem des verzweigten Referenzlichts und multiplexiert er das verzweigte reflektierte Licht mit Licht, das durch das andere verzweigte Referenzlicht erzeugt wird, das durch eine π/2-Wellenlängen-Platte geht.
Der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 und der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 empfangen das multiplexierte reflektierte Licht und das Referenzlicht und setzen sie in elektrische Signale um. Sowohl der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 als auch der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 kann eine Fotodiode oder dergleichen sein. Sowohl der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 als auch der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 sind z. B. eine symmetrische Fotodiode. In 5 ist angenommen, dass der erste fotoelektrische Umsetzungsteil 154 ein erstes Schwebungssignal erzeugt und dass der zweite fotoelektrische Umsetzungsteil 156 ein zweites Schwebungssignal erzeugt. Wie oben beschrieben wurde, führt der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 durch Multiplexieren zweier Referenzlichtsignale bzw. zweier reflektierter Lichtsignale mit Phasen, die sich um 90 Grad unterscheiden, die Quadraturdetektionen aus und gibt er zwei Schwebungssignale an den Umsetzungsteil 160 aus.
Der Umsetzungsteil 160 führt an den zwei Schwebungssignalen eine Frequenzanalyse aus. Es wird hier ein Beispiel beschrieben, in dem der Umsetzungsteil 160 die Frequenzanalyse unter Verwendung des ersten Schwebungssignals als ein I-Signal und des zweiten Schwebungssignals als ein Q-Signal ausführt. Der Umsetzungsteil 160 enthält einen ersten Filterteil 162, einen zweiten Filterteil 164, einen ersten AD-Umsetzer 202, einen zweiten AD-Umsetzer 204, einen ersten Taktsignal-Zuführungsteil 210 und einen Frequenzanalyseteil 220.
Der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 verringern Signalkomponenten in einem Frequenzband, das sich von einem Frequenzband, das ein Benutzer oder dergleichen analysieren möchte, unterscheidet. Das Frequenzband, das der Benutzer oder dergleichen analysieren möchte, ist hier von 0 bis ν_C eingestellt. Der erste Filterteil 162 und der zweite Filterteil 164 sind z. B. Tiefpassfilter, die Signalkomponenten mit einer Frequenz gleich oder kleiner als vc durchlassen. In diesem Fall führt der erste Filterteil 162 das erste Schwebungssignal, das durch Verringern der Signalkomponenten mit einer höheren Frequenz als der Frequenz vc erhalten wird, dem ersten AD-Umsetzer 202 zu. Außerdem führt der zweite Filterteil 164 das durch Verringern der Signalkomponenten mit einer höheren Frequenz als der Frequenz vc erhaltene zweite Schwebungssignal dem zweiten AD-Umsetzer 204 zu.
Der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 setzen analoge Signale in digitale Signale um. Zum Beispiel setzt der erste AD-Umsetzer 202 das erste Schwebungssignal in ein digitales Signal um und setzt der zweite AD-Umsetzer 204 das zweite Schwebungssignal in ein digitales Signal um. Der erste Taktsignal-Zuführungsteil 210 führt dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 erste Taktsignale zu. Dadurch setzen der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 die analogen Signale näherungsweise mit derselben ersten Abtastrate wie einer Taktfrequenz des empfangenen ersten Taktsignals in die digitalen Signale um.
Wenn hier das Beobachtungsband von 0 bis v_C ist, ist die Frequenz der Schwebungssignale höchstens die Hohlraumfrequenz vc des optischen Hohlraums. Somit führt der erste Taktsignal-Zuführungsteil 210 dem ersten AD-Umsetzer 202 und dem zweiten AD-Umsetzer 204 erste Taktsignale mit einer Frequenz größer oder gleich dem Doppelten der Hohlraumfrequenz vc des optischen Hohlraums zu, wodurch die Schwebungssignale beobachtet werden können.
Der Frequenzanalyseteil 220 setzt das erste Schwebungssignal und das zweite Schwebungssignal in Frequenzdaten um. Als ein Beispiel führt der Frequenzanalyseteil 220 an dem ersten Schwebungssignal und an dem zweiten Schwebungssignal eine digitale Fourier-Transformation (DFT) aus. Der Frequenzanalyseteil 220 addiert das in die Frequenzdaten umgesetzte erste Schwebungssignal als den Realteil und das in die Frequenzdaten umgesetzte zweite Schwebungssignal als den Imaginärteil und hebt das Bildsignal auf. Wie oben beschrieben wird, setzt der Umsetzungsteil 160 die Schwebungssignale in die digitalen Signale bei der ersten Abtastrate um und führt dann die Frequenzanalyse an den digitalen Signalen durch. Es wird angemerkt, dass der Umsetzungsteil 160 einen Frequenzanalyseteil 220 unter Verwendung einer integrierten Schaltung oder dergleichen konfigurieren kann, nachdem die Schwebungssignale in die digitalen Signale umgesetzt worden sind. Im Folgenden werden die Quadraturdetektion in dem Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und die Frequenzanalyse in dem Umsetzungsteil 160 beschrieben.
6 zeigt ein Beispiel einer Übersicht der Quadraturdetektion durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und durch den Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In 6 gibt die horizontale Achse die Frequenz des Schwebungssignals an und gibt die vertikale Achse die Signalstärke an. 6 zeigt ein Frequenzspektrum des I-Signals oder des Q-Signals. Wie in dem oberen Teil von 6 gezeigt ist, weisen die Frequenzspektren sowohl des I- als auch des Q-Signals näherungsweise dieselbe Spektralform auf. Zum Beispiel werden in dem I-Signal und in dem Q-Signal in einem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_C ein Schwebungssignal ν_B(m, d) und ein Bildsignal ν_B(m+1, d) beobachtet. In diesem Fall existieren in dem I- und in dem Q-Signal in einem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und -vc auf der negativen Seite ein Schwebungssignal -ν_B(m, d) und ein ursprüngliches Schwebungssignal -ν_B(m+1, d) des Bildsignals.
Da das I-Signal und das Q-Signal hier Signalkomponenten sind, die durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 Quadratur-detektiert werden, enthalten sie unterschiedliche Phaseninformationen, selbst wenn die Spektralformen dieselben sind. Zum Beispiel sind in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_C auf der positiven Seite Phasen des Bildsignals ν_B(m+1, d) des I-Signals und des Bildsignals ν_B(m+1, d) des Q-Signals wechselweise invertiert. Ähnlich sind in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und -vc auf der negativen Seite Phasen des Schwebungssignals -ν_B(m, d) des I-Signals und des Schwebungssignals -ν_B(m, d) des Q-Signals wechselweise invertiert.
Wie in dem unteren Teil von 6 gezeigt ist, verstärken sich somit die Schwebungssignale der Frequenz ν_B(m, d) in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_C gegenseitig und heben sich die Bildsignale der Frequenz ν_B(m+1, d) gegenseitig auf, wenn der Frequenzanalyseteil 220 unter Verwendung des I-Signals und des Q-Signals I + jQ berechnet. Ähnlich verstärken sich in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und -v_C die Schwebungssignale mit der Frequenz -ν_B(m+1, d) gegenseitig und heben sich die Schwebungssignale mit der Frequenz -ν_B(m, d) gegenseitig auf.
Gemäß dem Frequenzanalyseergebnis des Frequenzanalyseteils 220 wird in dem Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_C ein Schwebungssignal für die Frequenz ν_B(m, d) beobachtet. Da die Messvorrichtung 100 das Bildsignal auf diese Weise aufheben kann, kann die Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals detektiert werden. Zum Beispiel gibt der Frequenzanalyseteil 220 als die Frequenz ν_B(m, d) des Schwebungssignals eine Frequenz aus, bei der die Signalstärke des umgesetzten Frequenzsignals am höchsten ist.
Die durch die Messvorrichtung 100 gemessene Entfernung d wird hier durch Gleichung 6 ausgedrückt. Aus Gleichung 6 ist zu sehen, dass die Entfernung d unter Verwendung dreier Frequenzen vc, ν_S und ν_B(m, d) berechnet werden kann. Unter den drei Frequenzen kann ν_B(m, d) wie oben beschrieben detektiert werden. Da v_C und ν_S die auf der Grundlage von in der Laservorrichtung 110 verwendeten Komponenten bestimmten Frequenzen sind, sollten außerdem vc und vs im Idealfall feste Werte sein. Da vs der Betrag der Frequenzverschiebung durch den Frequenzschieber 112 ist, kann hier ν_S unter Verwendung einer Einrichtung mit einem stabilen Verschiebungsvertrag als der Frequenzschieber 112 im Wesentlichen als der feste Wert angesehen werden.
Da vc einer optischen Länge des Hohlraums der Laservorrichtung 110 entspricht, kann sie sich andererseits wegen Umgebungsschwankungen wie etwa der Temperatur ändern. Falls die Laservorrichtung 110 z. B. der wie in 2 beschriebene Faserringlaser ist und der Hohlraum durch Lichtleitfasern gebildet ist, kann sich die Hohlraumlänge näherungsweise um 10 ppm ändern, wenn sich eine Umgebungstemperatur um ein Grad Celsius ändert. Es wird angemerkt, dass die Hohlraumlänge durch solche Umgebungsschwankungen selbst dann geändert werden kann, wen die Laservorrichtung 110 ein Festkörperlaser wie etwa ein Halbleiterlaser oder dergleichen ist. Somit extrahiert der Extraktionsteil 170 die der Hohlraumlänge entsprechende Hohlraumfrequenz, um eine derartige Änderung der Hohlraumlänge zu überwachen. Der Extraktionsteil 170 wird im Folgenden beschrieben.
7 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Extraktionsteils 170 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Extraktionsteil 170 enthält einen fotoelektrischen Umsetzungsteil und extrahiert die Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht, aus elektrischen Signalen, die durch den fotoelektrischen Umsetzungsteil umgesetzt wurden. Der Extraktionsteil 170 enthält einen dritten fotoelektrischen Umsetzungsteil 172, einen dritten Filterteil 174, einen dritten AD-Umsetzer 176 und einen Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178.
Der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 setzt das Überwachungslicht in ein elektrisches Signal um. Der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 kann eine Fotodiode oder dergleichen sein. Wie in 4 beschrieben ist, gibt die Laservorrichtung 110 den frequenzmodulierten Laserstrahl mit den mehreren in Frequenzintervallen angeordneten Längsmoden, die näherungsweise an die Hohlraumfrequenz v_C eingepasst sind, aus. Somit wird ein elektrisches Signal ausgegeben, das die Hohlraumfrequenz vc enthält, wenn der dritte fotoelektrische Umsetzungsteil 172 an dem frequenzmodulierten Laserstrahl eine fotoelektrische Umsetzung ausführt.
Der dritte Filterteil 174 lässt innerhalb des durch den dritten fotoelektrischen Umsetzungsteil 172 umgesetzten elektrischen Signals eine Signalkomponente mit der Hohlraumfrequenz v_C des optischen Hohlraums durch. Der dritte Filterteil 174 weist z. B. ein Hochpassfilter und/oder ein Tiefpassfilter und/oder ein Bandpassfilter und/oder ein Bandsperrfilter auf. 7 zeigt ein Beispiel, in dem der dritte Filterteil 174 das Bandpassfilter ist.
Der dritte AD-Umsetzer 176 setzt eingegebene analoge Signale in digitale Signale um. Der dritte AD-Umsetzer 176 setzt analoge Signale synchron zu einem Taktsignal mit einer Frequenz größer oder gleich dem Doppelten der Resonanzfrequenz vc in digitale Signale um. Der dritte AD-Umsetzer 176 arbeitet z. B., wenn er das erste Taktsignal von dem Taktsignal-Zuführungsteil 210 empfängt.
Der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 führt die Frequenzanalyse an den Signalkomponenten, die den dritten Filterteil durchlaufen haben, durch. Der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 setzt zunächst das von dem dritten AD-Umsetzer 176 ausgegebene digitale Signal in Frequenzdaten um. Als ein Beispiel führt der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 an dem digitalen Signal eine digitale Fourier-Transformation (DFT) aus. Der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 analysiert die Frequenzdaten hinsichtlich der Frequenz und gibt eine Hohlraumfrequenz v_C aus. Zum Beispiel gibt der Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil 178 als die Hohlraumfrequenz v_C eine Frequenz aus, bei der die Signalstärke der Frequenzdaten am größten ist.
Wie oben beschrieben wurde, extrahiert der in 7 gezeigte Extraktionsteil 170 aus dem Überwachungslicht die Signalkomponente der Hohlraumfrequenz v_C und gibt die Signalkomponente mit der Hohlraumfrequenz v_C aus. Somit kann der Extraktionsteil 170 die Signalkomponente der Hohlraumfrequenz vc, die der Änderung entspricht, selbst dann extrahieren und ausgeben, wenn sich die Hohlraumlänge der Laservorrichtung 110 wegen einer Schwankung der Umgebungstemperatur ändert. Da der Berechnungsteil 180 den festen Wert ν_S, den auf die oben beschriebene Weise detektierten ν_B(m, d) und die Hohlraumfrequenz vc verwendet, ist es möglich, eine der Schwankung der Umgebungstemperatur entsprechende Entfernung d zu berechnen.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Messvorrichtung 100 die Verringerung der Messgenauigkeit selbst dann unterdrücken, wenn die Umgebungsschwankungen auftreten, da die Messvorrichtung 100 die Hohlraumfrequenz vc entsprechend den Umgebungsschwankungen überwacht und die Hohlraumfrequenz v_C in der Berechnung der Entfernung d widerspiegelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Laservorrichtung 110 in einer temperaturstabilisierten gesteuerten Kammer wie etwa einer Thermostatkammer angeordnet sein, um den Einfluss von Umgebungsschwankungen zu verringern und um die Verringerung der Messgenauigkeit der Messvorrichtung 100 zu unterdrücken.
Da die oben erwähnte Messvorrichtung 100 dazu neigt, eine große Vorrichtung zu sein, können allerdings Probleme wie etwa die Erhöhungen der Kosten, ein erhöhter Aufwand, der für die Schaltungseinstellung nötig ist, oder dergleichen und eine erhöhte Einbaufläche oder dergleichen auftreten. Somit ermöglicht die Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die Verringerung der Genauigkeit mit einer einfachen Konfiguration selbst dann zu unterdrücken, wenn solche Umgebungsschwankungen auftreten. Nachfolgend wird eine derartige Messvorrichtung beschrieben.
[Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 300]
8 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit dem zu messenden Objekt 10. In der in 8 gezeigten Messvorrichtung 300 sind Operationen, die näherungsweise dieselben wie jene der Messvorrichtung 100 gemäß der in 1 gezeigten vorliegenden Ausführungsform sind, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und sind ihre Beschreibungen weggelassen. Die Messvorrichtung 300 enthält ferner einen ersten Analyseteil 310 und einen zweiten Analyseteil 320.
Der Verzweigungsteil 120 verzweigt den frequenzmodulierten Laserstrahl, der von der Laservorrichtung 110 ausgegeben wird, in das Referenzlicht und das Messlicht. Der Verzweigungsteil 120 ist z. B. ein faseroptischer Koppler mit einem Eingang und zwei Ausgängen. Im Beispiel von 8 liefert der Verzweigungsteil 120 das Messlicht zum optischen Zirkulator 130 und das Referenzlicht zum Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150. Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt ein Schwebungssignal auf der Grundlage des Messlichts und des Referenzlichts. Der Umsetzungsteil 160 setzt das Schwebungssignal, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt wurde, in ein digitales Signal um.
Der erste Analyseteil 310 führt eine Frequenzanalyse am digitalen Signal, das durch den Umsetzungsteil 160 umgesetzt wurde, durch. Der erste Analyseteil 310 detektiert eine Frequenz v_B des Schwebungssignals unter Verwendung der Frequenzanalyse und gibt sie aus.
Der zweite Analyseteil 320 führt die Frequenzanalyse an einem Teil des digitalen Signals, das durch den Umsetzungsteil 160 umgesetzt wurde, durch. Der zweite Analyseteil 320 detektiert die Hohlraumfrequenz v_C des Laserhohlraums unter Verwendung der Frequenzanalyse und gibt sie aus.
Der Berechnungsteil 180 berechnet die Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht auf der Grundlage der Analyseergebnisse des ersten Analyseteils 310 und des zweiten Analyseteils 320. Zum Beispiel berechnet der Berechnungsteil 180 die Entfernung d vom optischen Kopfteil 140 zum zu messenden Gegenstand 10 auf der Grundlage der Frequenz v_B des Schwebungssignals und der Hohlraumfrequenz v_C.
Die oben erwähnte Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform detektiert die Hohlraumfrequenz vc durch Durchführen der Frequenzanalyse am Schwebungssignal, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt wurde, ohne Verwendung des Extraktionsteils 170, der in 1 und 7 beschrieben wird. Dann wird das Schwebungssignal, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt wurde, beschrieben.
9 zeigt ein Beispiel des Schwebungssignals, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wurde. Die horizontale Achse von 9 gibt die Frequenz an und die vertikale Achse gibt den Signalpegel an. Das Schwebungssignal, das in 9 gezeigt ist, zeigt ein Beispiel einer Signalwellenform, durch die ein Bildsignal wie z. B. das I-Signal oder das Q-Signal, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 ausgegeben wird, erzeugt wird. Zum Beispiel werden, wie in 4 beschrieben wird, das Schwebungssignals v_B(m, d), v_B(m-1, d), v_B(m-2, d) usw. und die gefalteten Bildsignale v_B(m+1, d), v_B(m+2, d), v_B(m+3, d) usw. beobachtet.
10 zeigt ein Beispiel eines Ergebnisses des Filterns des Schwebungssignals, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt wurde, gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die horizontale Achse von 10 gibt die Frequenz an und die vertikale Achse gibt den Signalpegel an. Das Schwebungssignal, das in 10 gezeigt ist, zeigt ein Beispiel des Schwebungssignals, in dem Signalkomponenten, die die Frequenz vc überschreiten, verringert werden, indem Signalkomponenten im Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_C den ersten Filterteil 162 oder den zweiten Filterteil 164 durchlaufen.
In diesem Fall werden, wie in 6 beschrieben wird, die Schwebungssignale v_B(m, d) und die Bildsignale v_B(m+1, d) im Frequenzband zwischen den Frequenzen 0 und v_C beobachtet. Da die Bildsignale v_B(m+1, d) die Signalkomponenten sind, die bei der Frequenz v_C gefaltet sind, ist hier die Summe der Frequenz der Schwebungssignale v_B(m, d) und der Frequenz der Bildsignale v_B(m+1, d) gleich vc. Dies bleibt gleich, selbst wenn das Beobachtungsband ein Frequenzband zwischen den Frequenzen (k-1)·v_C und k·v_C ist, wobei die Summe der Frequenz der Schwebungssignale v_B(m, d) und der Frequenz der Bildsignale v_B(m+1, d) gleich k·v_C ist. Hier ist k eine ganze Zahl gleich 1 oder mehr.
Wie oben beschrieben wird, kann, da die Summe eines Schwebungssignals und eines Bildsignals, die einander benachbart sind, ein konstantes Vielfaches der Frequenz v_C ist, die Messvorrichtung 300 die Hohlraumfrequenz v_C vom Schwebungssignal erhalten, ohne die Hohlraumfrequenz v_C aus dem Überwachungslicht unter Verwendung des Extraktionsteils 170 zu extrahieren. Dann werden der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150, der Umsetzungsteil 160, der erste Analyseteil 310 und der zweite Analyseteil 320 einer derartigen Messvorrichtung 300 beschrieben.
11 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150, das Umsetzungsteils 160, des ersten Analyseteils 310 und des zweiten Analyseteils 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Im Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 und im Umsetzungsteil 160, die in 11 gezeigt sind, werden Operationen, die etwa die gleichen sind, wie die des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und des Umsetzungsteil 160 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 5 gezeigt sind, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird unterlassen.
Der Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 quadraturdetektiert das reflektierte Licht und das Referenzlicht und gibt das erste Schwebungssignal und das zweite Schwebungssignal, die zueinander orthogonal sind, aus. Der Umsetzungsteil 160 besitzt den ersten Filterteil 162, den zweiten Filterteil 164, den ersten AD-Umsetzer 202, den zweiten AD-Umsetzer 204 und den ersten Taktsignal-Zuführungsteil 210 und setzt das erste Schwebungssignal und das zweite Schwebungssignal in digitale Signale um. Operationen des oben erwähnten Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 und des Umsetzungsteils 160 sind dieselben wie die Operationen, die in 5 und dergleichen beschrieben werden.
Der erste Analyseteil 310 analysiert eine erste Signalkomponente, die der Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals. Der erste Analyseteil 310 erzeugt die erste Signalkomponente, die aus (i) einem Realteil, der durch Durchführen einer Frequenzumsetzung an einem digitalen Signal, das durch den ersten AD-Umsetzer 202 ausgegeben wird, erzeugt wird, und (ii) einem Imaginärteil, der durch Durchführen einer Frequenzumsetzung an einem digitalen Signal, das durch den zweiten AD-Umsetzer 204 ausgegeben wird, erzeugt wird, besteht. Auf diese Weise detektiert der erste Analyseteil 310 die Frequenz v_B des Schwebungssignals durch Durchführen der Frequenzanalyse an der ersten Signalkomponente auf der Grundlage des ersten Schwebungssignals und des zweiten Schwebungssignals. Das heißt, Operationen des ersten Analyseteils 310 sind dieselben wie die Operationen des Frequenzanalyseteils 220, der in 5 oder dergleichen beschrieben wird, und ihre genaue Beschreibung wird hier unterlassen.
Der zweite Analyseteil 320 analysiert eine zweite Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz des Laserhohlraums entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals. Die zweite Signalkomponente, an der der zweite Analyseteil 320 die Frequenzanalyse durchführt, ist eine Signalkomponente auf der Grundlage des ersten Schwebungssignals oder des zweiten Schwebungssignals. Zum Beispiel erzeugt der zweite Analyseteil 320 die zweite Signalkomponente durch Durchführen der Frequenzumsetzung am digitalen Signal, das durch den ersten AD-Umsetzer 202 oder den zweiten AD-Umsetzer 204 ausgegeben wird.
11 zeigt ein Beispiel, in dem der zweite Analyseteil 320 die zweite Signalkomponente durch Durchführen der Frequenzumsetzung am digitalen Signal, das durch den zweiten AD-Umsetzer 204 ausgegeben wird, erzeugt. Der zweite Analyseteil 320 analysiert die zweite Signalkomponente, erhält eine Frequenz des Schwebungssignals v_B(m, d) und eine Frequenz des Bildsignals v_B(m+1, d) und zählt die zwei erhaltenen Frequenzen zusammen, um die Hohlraumfrequenz vc des Laserhohlraums zu berechnen.
Wie oben beschrieben wird, detektiert der erste Analyseteil 310 die Frequenz v_B des Schwebungssignals und detektiert der zweite Analyseteil 320 die Hohlraumfrequenz v_C des optischen Hohlraums. Deshalb kann der Berechnungsteil 180 die Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht auf der Grundlage der Analyseergebnisse der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente berechnen.
Wie oben beschrieben wird, detektiert selbst dann, wenn sich die Hohlraumlänge der Laservorrichtung 110 aufgrund von Umgebungsschwankungen oder dergleichen ändert, die Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Schwebungssignal v_B(m, d) und die Hohlraumfrequenz vc, die den Schwankungen entsprechen. Da der Berechnungsteil 180 den festen Wert v_S, das Schwebungssignal v_B (m, d), das in der oben beschriebenen Weise detektiert wurde, und die Hohlraumfrequenz v_C verwendet, ist es entsprechend möglich, die Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10, die der Schwankung der Umgebungstemperatur entspricht, zu berechnen.
Da außerdem die Messvorrichtung 300 die Hohlraumfrequenz v_C auf der Grundlage des Schwebungssignals, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 ausgegeben wird, detektiert, ist der Extraktionsteil 170 oder dergleichen zum Überwachen der Hohlraumfrequenz vc nicht nötig. Deshalb kann die Messvorrichtung 300 die Verringerung der Genauigkeit mit einer einfachen Konfiguration unterbinden, ohne den Umfang der Vorrichtung zu vergrößern.
Es wurde das Beispiel beschrieben, in dem der zweite Analyseteil 320 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Hohlraumfrequenz vc durch Zusammenzählen der Frequenzen des Schwebungssignals v_B(m, d) und des Bildsignals v_B(m + 1, d) berechnet, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Der zweite Analyseteil 320 kann z. B. die Hohlraumfrequenz v_C direkt detektieren. Wie in 9 und 10 gezeigt ist, wird die Signalkomponente, die der Laser-Hohlraumfrequenz v_C entspricht, dem Schwebungssignal, das durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt wurde, überlagert.
Dies ist ein Ergebnis eines Ungleichgewichts des Stärkepegels von optischen Signalen, die in den ersten fotoelektrischen Umsetzungsteil 154 bzw. den zweiten fotoelektrischen Umsetzungsteil 156 eingegeben werden, das durch eine Fehlanpassung oder dergleichen im optischen 90-Grad-Hybrid 152 des Schwebungssignal-Erzeugungsteils 150 verursacht wird. Selbst wenn eine derartige Fehlanpassung auftritt, kann dann, wenn das Signal/Rausch-Verhältnis der Schwebungssignaldetektion durch die Messvorrichtung 300 nicht abnimmt, der zweite Analyseteil 320 die Hohlraumfrequenz v_C durch Analysieren der Schwebungssignale, die durch den Schwebungssignal-Erzeugungsteil 150 erzeugt werden, direkt erhalten. In diesem Fall kann die Entfernung d, die der Schwankung der Umgebungstemperatur entspricht, berechnet werden, da der Berechnungsteil 180 den festen Wert v_S, das detektierte v_B(m, d) und die Hohlraumfrequenz v_C verwenden kann.
Es wurde das Beispiel beschrieben, in dem die Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Hohlraumfrequenz vc zusätzlich zum Messen des Schwebungssignals v_B(m, d) detektiert und die Entfernung d zwischen dem optischen Kopfteil 140 und dem zu messenden Objekt 10 berechnet. Wenn ein Beobachtungsergebnis der Änderung der Hohlraumlänge für die Entfernungsmessung verwendet wird, wird auf diese Weise eine Beobachtungsschwankung der Hohlraumlänge der Schwankung der Entfernungsmessung überlagert, was einen Anstieg der Schwankung der Entfernungsmessung verursacht. Hier wird unter der Annahme, dass die Schwankung der Entfernungsmessung Δd ist, eine Schwankung in einer Messung des Schwebungssignals Δv_B ist und eine Schwankung in einer Messung der Hohlraumfrequenz Δv_C ist, die Schwankung der Entfernungsmessung Δd durch die folgende Gleichung ausgedrückt. ${(Δ d)}^{2} = {(\frac{\partial d}{\partial ν_{B}})}^{2} \cdot {(Δ ν_{B})}^{2} + {(\frac{\partial d}{\partial ν_{C}})}^{2} \cdot {(Δ ν_{C})}^{2}$
Wie in Gleichung 7 gezeigt ist, lässt sich unter Verwendung des Messergebnisses der Hohlraumfrequenz erkennen, dass die Schwankung der Entfernungsmessung Δd um einen Ausdruck, der die Messschwankung Δv_C der Hohlraumfrequenz enthält, ansteigt. Deshalb kann die Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Messschwankung Δv_C der Hohlraumfrequenz verringern, um die Messung einer Entfernung mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen.
Zum Beispiel kann der Zeitpunkt, zu dem der zweite Analyseteil 320 die Hohlraumfrequenz v_C detektiert, später als der Zeitpunkt, zu dem das Schwebungssignal v_B(m, d) des ersten Analyseteils 310 gemessen wird, gesetzt werden. In diesem Fall kann z. B. eine Taktfrequenz, die für einen Betrieb des zweiten Analyseteils 320 synchronisiert werden soll, langsamer sein als eine Taktfrequenz, die für einen Betrieb des ersten Analyseteils 310 synchronisiert werden soll. Ferner kann ein Ausgangssignal des zweiten Analyseteils 320 gefiltert werden. Dann wird eine derartige Messvorrichtung 300 beschrieben.
12 zeigt ein Variantenbeispiel der Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gemeinsam mit dem zu messenden Objekt 10. In der Messvorrichtung 300, die in 12 gezeigt ist, werden die Operationen, die im Wesentlichen dieselben sind wie die der Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird unterlassen. Die Messvorrichtung 300 des Variantenbeispiels enthält ferner ein digitales Filter 330 und einen zweiten Taktsignal-Zuführungsteil 340.
Das digitale Filter 330 filtert das Analyseergebnis des zweiten Analyseteils 320 digital. Das digitale Filter 330 filtert die Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz vc, die durch den zweiten Analyseteil 320 ausgegeben wird, entspricht, und verringert die Messschwankung Δv_C der Hohlraumfrequenz vc. Das digitale Filter 330 ist z. B. ein Kalman-Filter, ein Gauß-Filter, ein Filter mit gleitendem Durchschnitt oder dergleichen. Das digitale Filter 330 kann ferner ein Ausdünnungsfilter, ein Hochpassfilter, ein Tiefpassfilter, ein Bandpassfilter und/oder ein Bandstoppfilter oder dergleichen enthalten.
Der zweite Taktsignal-Zuführungsteil 340 liefert zweite Taktsignale zum digitalen Filter 330. Ferner kann der zweite Taktsignal-Zuführungsteil 340 die zweiten Taktsignale zum zweiten Analyseteil 320 liefern. Darüber hinaus kann der erste Taktsignal-Zuführungsteil 210 die ersten Taktsignale zum ersten Analyseteil 310 liefern.
Da die Detektion der Hohlraumfrequenz v_C durch den zweiten Analyseteil 320 und ein Filterungsprozess, der durch das digitale Filter 330 durchgeführt wird, zum Messen der Fluktuation der Hohlraumfrequenz vc, die durch die Umgebungstemperatur oder dergleichen verursacht wird, dienen, kann die Taktfrequenz, die für diese Verarbeitungsoperationen verwendet wird, relativ niedrig sein. Zum Beispiel können die zweiten Taktsignale, die durch den zweiten Analyseteil 320 und das digitale Filter 330 verwendet werden, eine Taktfrequenz besitzen, die niedriger ist als die Taktfrequenz des ersten Taktsignals, das verwendet wird, um das das Schwebungssignal zum Messen der Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht zu messen.
Deshalb liefert der zweite Taktsignal-Zuführungsteil 340 das zweite Taktsignal, das eine niedrigere Taktfrequenz als das erste Taktsignal besitzt, zum digitalen Filter 330. Dadurch führt das digitale Filter 330 eine digitale Filterung bei einer Abtastrate durch, die langsamer ist als die Abtastrate, bei der der erste AD-Umsetzer 202 und der zweite AD-Umsetzer 204 die Eingangssignale in die digitalen Signale umsetzen.
Deshalb gibt z. B. selbst dann, wenn die Messschwankung Δv_C der Hohlraumfrequenz v_C der Hohlraumfrequenz v_C, die durch den zweiten Analyseteil 320 ausgegeben wird, überlagert ist, das digitale Filter 330 die Hohlraumfrequenz vc, die die verringerte Messschwankung Δv_C besitzt, aus. Ein derartiger Filterprozess des digitalen Filters 330 kann durch einen bekannten Algorithmus oder dergleichen realisiert werden, ohne eine spezielle Vorrichtung oder dergleichen bereitzustellen. Deshalb kann die Messvorrichtung 300 die Entfernung d zum zu messenden Gegenstand 10 mit höherer Genauigkeit messen, während ein Anstieg der Kosten unterbunden wird.
Ein Teil der Messvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist z. B. durch eine integrierte Schaltung oder dergleichen gebildet. In diesem Fall enthält mindestens ein Teil des Berechnungsteils 180, des Anzeigeteils 190, des Frequenzanalyseteils 220, des ersten Analyseteils 310, des zweiten Analyseteils 320 und des digitalen Filters 330 z. B. eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA), einen digitalen Signalprozessor (DSP) und/oder eine Zentraleinheit (CPU). Außerdem kann die Messvorrichtung 300 eine Speichereinheit enthalten.
Die Speichereinheit kann ein Betriebssystem (OS) und verschiedene Informationen wie etwa Programme speichern, die in einem Computer oder dergleichen ausgeführt werden, wenn der Computer oder dergleichen als Teil des Berechnungsteils 180, des Anzeigeteils 190, des Frequenzanalyseteils 220, des ersten Analyseteils 310, des zweiten Analyseteils 320 und des digitalen Filters 330 arbeitet. Außerdem kann die Speichereinheit verschiedene Informationen speichern, die eine Datenbank enthalten, die zur Zeit der Ausführung der Programme referenziert werden soll. Zum Beispiel wirkt der Computer durch Ausführen der Programme, die in der Speichereinheit gespeichert sind, mindestens als Teil des Berechnungsteils 180, des Anzeigeteils 190, des Frequenzanalyseteils 220, des ersten Analyseteils 310, des zweiten Analyseteils 320 und des digitalen Filters 330.
Die Speichereinheit enthält z. B. einen Nur-Lese-Speicher (ROM), in dem ein Basis-Eingabe-/Ausgabe-System (BIOS) oder dergleichen eines Computers oder dergleichen gespeichert ist, und einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), der als ein Arbeitsbereich dient. Außerdem kann die Speichereinheit eine Vorrichtung mit hoher Speicherkapazität wie etwa ein Festplattenlaufwerk (HDD) und/oder ein Festkörperlaufwerk (SSD) enthalten. Außerdem kann der Computer ferner eine Graphikverarbeitungseinheit (GPU) oder dergleichen enthalten.
Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Der technische Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den in den obigen Ausführungsformen erläuterten Schutzumfang beschränkt und es ist möglich, in dem Schutzumfang der Erfindung verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorzunehmen. Zum Beispiel kann die gesamte Vorrichtung oder ein Teil davon mit irgendeiner Einheit konfiguriert sein, die funktional oder physisch verteilt oder integriert ist. Ferner sind in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung neue beispielhafte Ausführungsformen, die durch beliebige Kombinationen von ihnen erzeugt werden, enthalten. Ferner weisen Wirkungen der neuen Ausführungsform, die durch die Kombinationen hervorgebracht wird, ebenfalls die Wirkung der ursprünglichen beispielhaften Ausführungsform zusammen auf.
Bezugszeichenliste

10: zu messendes Objekt
100: Messvorrichtung
110: Laservorrichtung
112: Frequenzschieber
114: Verstärkungsmedium
116: WDM-Koppler
117: Pumplichtquelle
118: Ausgangskoppler
120: Verzweigungsteil
130: optischer Zirkulator
140: optischer Kopfteil
150: Schwebungssignal-Erzeugungsteil
152: optischer 90-Grad-Hybrid
154: erster fotoelektrischer Umsetzungsteil
156: zweiter fotoelektrischer Umsetzungsteil
160: Umsetzungsteil
162: erster Filterteil
164: zweiter Filterteil
170: Extraktionsteil
172: dritter fotoelektrischer Umsetzungsteil
174: dritter Filterteil
176: dritter AD-Umsetzer
178: Hohlraumfrequenz-Ausgabeteil
180: Berechnungsteil
190: Anzeigeteil
202: erster AD-Umsetzer
204: zweiter AD-Umsetzer
210: erster Taktsignal-Zuführungsteil
220: Frequenzanalyseteil
300: Messvorrichtung
310: erster Analyseteil
320: zweiter Analyseteil
330: digitales Filter
340: zweiter Taktsignal-Zuführungsteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3583906 [0002]

Claims

Messvorrichtung (300), die umfasst: eine Laservorrichtung (110), die einen optischen Hohlraum aufweist und einen frequenzmodulierten Laserstrahl mit mehreren Moden ausgibt; einen Verzweigungsteil (120), der einen Teil des frequenzmodulierten Laserstrahls, der durch die Laservorrichtung (110) als Referenzlicht ausgegeben wird, und wenigstens etwas des verbleibenden Teils des frequenzmodulierten Laserstrahls als ein Messlicht verzweigt; einen Schwebungssignal-Erzeugungsteil (150), der durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird, ein Schwebungssignal erzeugt; einen ersten Analyseteil (310), der eine erste Signalkomponente, die einer Differenz einer Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals analysiert; einen zweiten Analyseteil (320), der eine zweite Signalkomponente, die einer Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals analysiert; und einen Berechnungsteil (180), der auf der Grundlage von Analyseergebnissen der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente die Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht berechnet.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 1, wobei der Schwebungssignal-Erzeugungsteil (150) das reflektierte Licht und das Referenzlicht quadraturdetektiert und ein erstes Schwebungssignal und ein zweites Schwebungssignal, die zueinander orthogonal sind, ausgibt, und der erste Analyseteil (310) eine Frequenzanalyse an der ersten Signalkomponente auf der Grundlage des ersten Schwebungssignals und des zweiten Schwebungssignals durchführt, und der zweite Analyseteil (320) die Frequenzanalyse an der zweiten Signalkomponente auf der Grundlage des ersten Schwebungssignals oder des zweiten Schwebungssignals durchführt.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 2, wobei der zweite Analyseteil (320) die Frequenzanalyse an der zweiten Signalkomponente durchführt und die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums berechnet.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 3, wobei der zweite Analyseteil (320) Frequenzen des Schwebungssignals und eines Bildsignals, die einander benachbart sind, unter Schwebungssignalen und Bildsignalen, die in der zweiten Signalkomponente enthalten sind, erhält und die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums durch Zusammenzählen der zwei erhaltenen Frequenzen berechnet.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 3, wobei der zweite Analyseteil (320) die Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums durch Analysieren hinsichtlich der Frequenz einer Signalkomponente, die der Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht, aus der zweiten Signalkomponente erhält.
Messvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, die ferner umfasst: einen ersten AD-Umsetzer (202), der das erste Schwebungssignal in ein digitales Signal umsetzt; und einen zweiten AD-Umsetzer (204), der das zweite Schwebungssignal in ein digitales Signal umsetzt, wobei der erste Analyseteil (310) die erste Signalkomponente, die aus (i) einem Realteil, der durch Durchführen einer Frequenzumsetzung am digitalen Signal, das durch den ersten AD-Umsetzer (202) ausgegeben wird, erzeugt wird, und (ii) einen Imaginärteil, der durch Durchführen einer Frequenzumsetzung am digitalen Signal, das durch den zweiten AD-Umsetzer (204) ausgegeben wird, erzeugt wird, besteht, erzeugt und der zweite Analyseteil (320) die zweite Signalkomponente durch Durchführen der Frequenzumsetzung an dem digitalen Signal, das durch den ersten AD-Umsetzer (202) oder den zweiten AD-Umsetzer (204) ausgegeben wird, erzeugt.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 6, die ferner ein digitales Filter (330), das ein Analyseergebnis des zweiten Analyseteils (320) digital filtert, umfasst.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 7, wobei das digitale Filter (330) eine digitale Filterung bei einer Abtastrate durchführt, die langsamer ist als eine Abtastrate, bei der der erste AD-Umsetzer (202) und der zweite AD-Umsetzer (204) Eingangssignale in die digitalen Signale umsetzen.
Messverfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Ausgeben eines frequenzmodulierten Laserstrahls mit mehreren Moden von einer Laservorrichtung (110) mit einem optischen Hohlraum; Verzweigen einen Teil des frequenzmodulierten Laserstrahls als Referenzlicht und wenigstens etwas des verbleibenden Teils als Messlicht; Erzeugen eines Schwebungssignals durch Mischen des Referenzlichts und von reflektiertem Licht, das durch Einstrahlen des Messlichts auf ein zu messendes Objekt (10) reflektiert wird; Analysieren einer ersten Signalkomponente, die einer Differenz einer Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals; Analysieren einer zweiten Signalkomponente, die einer Hohlraumfrequenz des optischen Hohlraums entspricht, auf der Grundlage des Schwebungssignals; und Berechnen einer Differenz der Ausbreitungsentfernung zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht auf der Grundlage von Analyseergebnissen der ersten Signalkomponente und der zweiten Signalkomponente.