DE102022120615A1

DE102022120615A1 - Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz

Info

Publication number: DE102022120615A1
Application number: DE102022120615.7A
Authority: DE
Inventors: Yusuke NAGASAKI; Masayuki Hayakawa; Kazuya Kimura; Hisayasu MORINO
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2023-03-16
Also published as: CN115808673A; US20230090501A1; JP2023042844A

Abstract

Ein optischer Interferenz-Entfernungssensor, der in der Lage ist, Höchstwerte von Interferenzstrahlen zu detektieren und eine Entfernung mit hoher Genauigkeit zu messen, wird bereitgestellt. Ein Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz umfasst: eine durchstimmbare Lichtquelle 110, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert; ein Interferometer 120, das eine Teilungseinheit 121 enthält, die dazu eingerichtet ist, den von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl in Lichtstrahlen aufzuteilen, die in Richtung mehrerer Punkte auf einem Messobjekt ausgestrahlt werden, das Interferometer 121 ist dazu eingerichtet, Interferenzstrahlen mit den jeweiligen aufgeteilten Lichtstrahlen zu bilden, wobei jeder der Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der in Richtung des Messobjekts ausgestrahlt und an dem Messobjekt reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest teilweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet, gebildet wird; eine lichtempfangende Einheit 130, die dazu eingerichtet ist, die Interferenzstrahlen zu empfangen; und eine Verarbeitungseinheit 140, die dazu eingerichtet ist, einen Abstand zu dem Messobjekt zu berechnen, indem sie den detektierten Höchstwert der Interferenzstrahlen einem der mehreren Punkte zuordnet. Für die Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, unterscheiden sich die Differenzen der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In den letzten Jahren haben optische Entfernungssensoren, die berührungslos den Abstand zu einem Messobjekt messen, weite Verbreitung gefunden. Zu den bekannten optischen Entfernungssensoren gehören beispielsweise Entfernungssensoren basierend auf optischer Interferenz, die einen Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen einem Referenzstrahl und einem Messstrahl aus einem von einer durchstimmbaren Lichtquelle emittierten Lichtstrahl erzeugen und den Abstand zu einem Messobjekt auf der Grundlage des Interferenzstrahls messen.
Weiterhin umfassen bekannte konventionelle Entfernungssensoren basierend auf optischer Interferenz auch Sensoren, die dazu eingerichtet sind, dass sie mehrere Strahlen auf ein Messobjekt abstrahlen, um das Messobjekt mit hoher Genauigkeit zu messen.
In einer optischen Messvorrichtung, die in JP 2686124A beschrieben ist, werden stabile Messergebnisse erzielt, indem eine Komponente eines Rücklichtstrahls eines Referenzstrahls, der an mehreren Endflächen von Glasfaserkabeln reflektiert wird, und eine Reflexionskomponente eines Messstrahls, der an der Oberfläche eines Messobjekts reflektiert wird, miteinander kohärent interferieren.
JP 2686124A ist ein Beispiel für den Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG
Doch selbst wenn herkömmliche Entfernungssensoren basierend auf optischer Interferenz so konfiguriert sind, dass sie mehrere Strahlen in Richtung eines Messobjekts abstrahlen, sind diese Sensoren nicht in der Lage, die Entfernung angemessen zu messen, weil sich beispielsweise die Höchstwerte der Interferenzstrahlen überschneiden oder die Höchstwerte nicht erkannt werden können, je nach der Form des Messobjekts.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Entfernungssensoren basierend auf optischer Interferenz bereitzustellen, der in der Lage ist, einen Höchstwert jedes Interferenzstrahls angemessen zu erkennen und eine Entfernung mit hoher Genauigkeit zu messen.
Ein Entfernungssensoren basierend auf optischer Interferenz gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert; ein Interferometer, das eine Teilungseinheit enthält, die dazu eingerichtet ist, den von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl in Lichtstrahlen aufzuteilen, die in Richtung mehrerer Punkte auf einem Messobjekt ausgestrahlt werden, wobei das Interferometer dazu eingerichtet ist, Interferenzstrahlen mit den Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, zu bilden, wobei jeder der Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der in Richtung des Messobjekts ausgestrahlt und an dem Messobjekt reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest teilweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet, gebildet wird; eine lichtempfangende Einheit, die dazu eingerichtet ist, die Interferenzstrahlen des Interferometers zu empfangen; und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Höchstwert der empfangenen Interferenzstrahlen zu ermitteln, und einen Abstand zu dem Messobjekt zu berechnen, indem sie den ermittelten Höchstwert einem der mehreren Punkte zuordnet, wobei sich für die Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, die Differenzen der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl unterscheiden.
Gemäß diesem Aspekt erzeugt das Interferometer einen Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen dem Messstrahl, der in Richtung des Messobjekts abgestrahlt und am Messobjekt reflektiert wird, und dem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest teilweise vom optischen Weg des Messstrahls unterscheidet, für jeden der Lichtstrahlen, die entsprechend der Punkte aufgeteilt sind. Die lichtempfangende Einheit empfängt die Interferenzstrahlen des Interferometers. Die Verarbeitungseinheit detektiert die Höchstwerte der Interferenzstrahlen und berechnet den Abstand zum Messobjekt, indem sie die detektierten Höchstwerte den jeweiligen Punkten zuordnet. Außerdem wird die Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend den Punkten aufgeteilt sind, unterschiedlich gemacht. Daher können die Höchstwerte in geeigneter Weise detektiert werden, und der Abstand zum Messobjekt kann mit hoher Genauigkeit auf Grundlage der den detektierten Höchstwerten entsprechenden Abstandswerten berechnet werden.
In dem obigen Aspekt können die Höchstwerte der Interferenzstrahlen gegeneinander verschoben sein.
Gemäß diesem Aspekt werden die Höchstwerte der Interferenzstrahlen gegeneinander verschoben. Daher können die Höchstwerte besser erkannt werden.
In dem obigen Aspekt kann das Interferometer jeden der Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen einem ersten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des in Richtung des Messobjekts abgestrahlten Messtrahls ist und der an dem Messobjekt reflektiert wird, und einem zweiten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Referenzstrahls ist, der an einer Referenz-oberfläche reflektiert wird, bilden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird jeder Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen dem ersten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Messstrahls ist, der auf das Messobjekt gestrahlt und am Messobjekt reflektiert wird, und dem zweiten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Referenzstrahls ist, der an der Referenzoberfläche reflektiert wird, gebildet. Die Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl wird zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte geteilt sind, unterschiedlich gemacht. Daher können die Höchstwerte in geeigneter Weise detektiert werden und der Abstand zu dem Messobjekt kann mit größerer Genauigkeit berechnet werden, basierend auf den Abstandswerten, die den detektierten Höchstwerten entsprechen.
In dem obigen Aspekt können Positionen der vorderen Enden von Glasfaserkabeln zum Übertragen der jeweiligen Lichtstrahlen, die entsprechend den mehreren Punkten geteilt sind, in einer Richtung der optischen Achse gegeneinander verschoben sein, wobei jedes der vorderen Enden als die Referenzfläche dient.
Gemäß diesem Aspekt sind die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel, die in den optischen Wegen angeordnet sind, in Richtung der optischen Achse verschoben. Daher können die Differenzen der optischen Weglängen in den optischen Wegen unterschiedlichen gemacht werden, und die Höchstwerte können angepasster detektiert werden.
In dem obigen Aspekt kann eine Differenz ΔL in der Differenz der optischen Weglängen zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend den mehreren Punkten geteilt werden, mindestens größer sein als eine Abstandsauflösung δL_FWHM, die dargestellt wird durch: $δ L_{FWHM} = c / n δ f$
(wobei: c: Lichtgeschwindigkeit, n: Brechungsindex in der Differenz der optischen Weglänge, δf: Frequenzabtastbreite).
Gemäß diesem Aspekt wird die Differenz ΔL in der Differenz der optischen Weglängen der optischen Wege größer gemacht als die Abstandsauflösung δL_FWHM. Das ist es möglich, ein Überlappen der mehreren Höchstwerte der Interferenzstrahlen, die von der lichtempfangenden Einheit empfangen werden, zu reduzieren und diese Höchstwerte besser zu detektieren.
Im obigen Aspekt kann die Differenz der optischen Weglängen so eingestellt werden, dass die Abstände zwischen benachbarten Höchstwerten der Interferenzstrahlen unterschiedlich sind, und die Verarbeitungseinheit kann den Abstand zum Messobjekt berechnen, indem sie die detektierten Höchstwerte dem einen der Punkte zuordnet, basierend auf den Abständen zwischen den benachbarten Höchstwerten und einer voreingestellten Differenz der optischen Weglängen.
Gemäß diesem Aspekt ist die Differenz der optischen Weglängen so eingestellt, dass die Abstände zwischen benachbarten Höchstwerten der Interferenzstrahlen unterschiedlich sind. Daher können, selbst wenn ein Höchstwert eines der Interferenzstrahlen verschwindet, die Punkte, denen die detektierten Höchstwerte entsprechen, auf der Grundlage des Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstands zwischen den detektierten Höchstwerten in geeigneter Weise bestimmt werden.
In dem obigen Aspekt kann die Verarbeitungseinheit den Abstand zum Messobjekt berechnen, indem sie den detektierten Höchstwert mit einem der Punkte in Verbindung bringt, basierend auf dem detektierten Höchstwert und einem detektierten Peak eines in der Vergangenheit empfangenen Interferenzstrahls.
Gemäß diesem Aspekt wird der aktuell detektierte Höchstwert auf der Grundlage eines detektierten Höchstwerts jedes in der Vergangenheit empfangenen Interferenzstrahls bestimmt. Selbst wenn also einige Höchstwerte der Interferenzstrahlen verschwinden und nur ein Höchstwert detektiert wird, kann dieser eine Höchstwert einem Punkt zugeordnet werden. Infolgedessen kann der Abstand zum Messobjekt ohne signifikanten Fehler berechnet werden.
In dem obigen Aspekt kann die lichtempfangende Einheit eine Justiereinheit enthalten, die dazu eingerichtet ist eine Lichtmenge der Interferenzstrahlen, die den jeweiligen Punkten entsprechen, auszugleichen.
Gemäß diesem Aspekt gleicht die Justiereinheit die Lichtmenge der Interferenzstrahlen aus, die den jeweiligen Punkten entsprechen. Es ist daher möglich ein Auslöschen eines Höchstwerts, der einem Punkt jedes Interferenzstrahls entspricht, durch die anderen Höchstwerte zu unterdrücken, und einen Höchstwert, der jedem Punkt entspricht, besser zu erkennen.
In dem obigen Aspekt kann die Verarbeitungseinheit eine Signalwellenform erzeugen, indem sie diskrete Werte, die durch eine Frequenzanalyse der von der lichtempfangenden Einheit empfangenen Interferenzstrahlen erhalten wurden, mittels einer Unterpixelschätzung in einen Abstand umwandelt.
Gemäß diesem Aspekt erzeugt die Verarbeitungseinheit eine Signalwellenform, die mittels einer Unterpixelschätzung in einen Abstand umgewandelt wird. Dadurch ist es möglich, einen Höchstwert mit höherer Genauigkeit zu detektieren und den dem Höchstwert entsprechenden Abstand zu berechnen.
In dem obigen Aspekt kann die Verarbeitungseinheit die Entfernung zum Messobjekt durch Mittelung von Abstandswerten erhalten, die durch Zuordnung der detektierten Höchstwerte zu einem der Punkte berechnet werden.
Gemäß diesem Aspekt berechnet die Verarbeitungseinheit den Abstand zum Messobjekt durch weitere Mittelung der Abstandswerte, die durch die Zuordnung der detektierten Höchstwerte zu den Punkten berechnet werden. Daher kann die Verarbeitungseinheit als Mehrkanalsensor den Abstand zum Messobjekt mit höherer Genauigkeit berechnen.
In dem obigen Aspekt kann die Verarbeitungseinheit den Abstand zum Messobjekt durch Mittelung von Abstandswerten erhalten, die auf der Grundlage eines Höchstwerts mit einer Signalintensität, die nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, aus mehreren detektierten Höchstwerten berechnet werden.
Gemäß diesem Aspekt kann die Verarbeitungseinheit den Abstand zum Messobjekt T mit höherer Genauigkeit berechnen, indem sie aus den detektierten Höchstwerten nur die Abstandswerte mittelt, die den Höchstwerten mit großen Signalintensitäten entsprechen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz bereitgestellt werden, der in der Lage ist, einen Höchstwert jedes Interferenzstrahls angemessen zu detektieren und einen Abstand mit hoher Genauigkeit zu messen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer äußeren Erscheinungsform, die eine Skizze eines Wegsensors 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Messung eines Messobjekts T unter Verwendung des Wegsensors 10 der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 ist ein funktionales Blockdiagramm, das einen Überblick über ein Sensorsystem 1 zeigt, das den Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Messung eines Messobjekts T unter Verwendung des Sensorsystems 1 zeigt, das den Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet;
5A ist ein Diagramm, das das Prinzip veranschaulicht, nach dem der Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung das Messobjekt T misst.
5B ist ein Diagramm, das ein anderes Prinzip veranschaulicht, nach dem der Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung das Messobjekt T misst.
6A ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration des Sensorkopfes 20 zeigt.
6B ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration eines im Sensorkopf 20 angeordneten Kollimationslinsenhalters zeigt.
6C ist eine Querschnittsansicht einer inneren Struktur des Sensorkopfes 20.
7 ist ein Blockdiagramm, das die von einem Steuergerät 30 durchgeführte Signalverarbeitung zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen des Abstands zum Messobjekt T zeigt, das von einer Verarbeitungseinheit 59 des Steuergeräts 30 ausgeführt wird.
9A zeigt, wie ein Wellenformsignal (Spannung gegen Zeit) einer Frequenzumwandlung in ein Spektrum (Spannung gegen Frequenz) unterzogen wird.
9B zeigt, wie ein Spektrum (Spannung gegen Frequenz) einer Abstandsumwandlung in ein Spektrum (Spannung gegen Abstand) unterzogen wird.
9C zeigt, wie ein Wert (Abstand, SNR), der einem Höchstwert entspricht, auf der Grundlage eines Spektrums (Spannung gegen Abstand) berechnet wird.
10 ist eine schematische Darstellung einer schematischen Konfiguration eines Entfernungssensors 100 basierend auf optischer Interferenz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Berechnung der Entfernung zu einem Messobjekt T zeigt, das von einer Verarbeitungseinheit 140 ausgeführt wird.
12 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Signalwellenform, die durch Umwandlung der von einer lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen in eine Entfernung erhalten wird.
13 ist ein Diagramm, das kohärente FMCW darstellt.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Berechnung des Abstands zum Messobjekt T zeigt, wobei der Fall berücksichtigt wird, dass die Höchstwerte der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlungen verschwinden.
15 zeigt schematisch, wie Höchstwerte auf der Grundlage eines Signals, das einer Entfernungsumwandlung in ein Spektrum (Spannung gegen Entfernung) unterzogen wird, detektiert werden.
16 zeigt, wie die Verarbeitung in den Schritten S241 bis S243 auf der Grundlage eines erkannten Höchstwerts S1 ausgeführt wird.
17 zeigt, wie die Verarbeitung in den Schritten S251 bis S253 auf der Grundlage von zwei erfassten Höchstwerten S1 und S2 ausgeführt wird.
18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand und den Höchstwerten veranschaulicht, die drei Punkten entsprechen (die den optischen Wegen Abis C entsprechen).
19 zeigt, wie die Verarbeitung in Schritt S260 auf der Grundlage von drei erkannten Höchstwerten S1, S2 und S3 ausgeführt wird.
20 zeigt, wie die Abstandswerte, die den detektierten Höchstwerten entsprechen, korrigiert und gemittelt werden, basierend auf den Werten der Verschiebung der Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel in Richtung der optischen Achse, die in den jeweiligen optischen Wegen A bis C angeordnet sind.
21 ist ein Diagramm, das zeigt, wie eine Justiereinheit die Lichtmengen der von einer lichtempfangenden Einheit empfangenen Rückstrahlen justiert.
22 zeigt, wie eine Signalwellenform erzeugt wird, die mittels einer Unterpixelschätzung in eine Entfernung umgewandelt wird.
23A bis 23C zeigen Varianten von Interferometern, die einen Interferenzstrahl unter Verwendung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls bilden.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFDINUNG
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Zu beachten ist, dass die folgenden Ausführungsformen nur dazu dienen, spezifische Beispiele für die Ausführung der vorliegenden Erfindung zu geben, und nicht dazu gedacht sind, die vorliegende Erfindung in einer begrenzten Weise zu interpretieren. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, sind gleiche Bestandteile in den Zeichnungen so weit wie möglich mit den gleichen Zeichen versehen, und redundante Beschreibungen sind weggelassen worden.
Überblick eines Wegsensors
Zuerst wird eine Übersicht über einen Wegsensor gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung einer Außenansicht eines Wegsensors 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Wegsensor 10 einen Sensorkopf 20 und ein Steuergerät 30, und misst einen Weg zu einem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T).
Der Sensorkopf 20 ist über ein Glasfaserkabel 40 mit dem Steuergerät 30 verbunden. Eine Objektivlinse 21 ist an dem Sensorkopf 20 befestigt. Das Steuergerät 30 umfasst eine Anzeigeeinheit 31, eine Einstellungseinheit 32, eine externe Schnittstelleneinheit (I/F) 33, einen Glasfaserkabelanschluss 34 und eine externe Speichereinheit 35 und beinhaltet auch eine Messungsverarbeitungseinheit 36.
Der Sensorkopf 20 sendet einen Ausgangslichtstrahl von dem Steuergerät 30 in Richtung des Messobjekts T aus, und empfängt einen von dem Messobjekt T reflektierten Strahl. Der Sensorkopf 20 enthält eine Referenzoberfläche um einen Lichtstrahl, der von dem Steuergerät 30 ausgesendet wird und von dem Glasfaserkabel 40 empfangen wird, zu reflektieren, was dazu führt, dass dieser reflektierte Strahl mit dem obengenannten, von dem Messobjekt T reflektierten Strahl interferiert.
Die an dem Sensorkopf 20 befestigte Objektivlinse 21 kann entfernt werden. Die Objektivlinse 21 kann durch eine andere Objektivlinse mit einer geeigneten Brennweite, entsprechend dem Abstand des Sensorkopfes 20 und dem Messobjekt T, ausgetauscht werden. Alternativ kann eine Objektivlinse mit einer veränderlichen Brennweite verwendet werden.
Weiterhin kann, wenn der Sensorkopf 20 installiert ist, ein Leitstrahl (sichtbares Licht) in Richtung des Messobjekts T ausgesendet werden, und der Sensorkopf 20 und/oder das Messobjekt T kann so angeordnet werden, dass das Messobjekt T in einem Messbereich des Wegsensors 10 geeignet positioniert ist.
Das Glasfaserkabel 40 ist an den Glasfaserkabelanschluss 34 angeschlossen, der an dem Steuergerät 30 angeordnet ist und der das Steuergerät 30 mit dem Sensorkopf 20 verbindet. Das Glasfaserkabel 40 leitet einen Lichtstrahl, der in dem Steuergerät 30 emittiert wird, zu dem Sensorkopf 20 und leitet zurückkehrende Strahlen von dem Sensorkopf 20 zu dem Steuergerät 30. Anzumerken ist, dass das Glasfaserkabel 40 an dem Sensorkopf 20 und an dem Steuergerät 30 angebracht und wieder gelöst werden kann, und eine Glasfaser mit zahlreichen Längen, zahlreichen Dicken und zahlreichen Eigenschaften sein kann.
Die Anzeigeeinheit 31 ist beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige, eine organische EL-Anzeige oder ähnliches. Die Anzeigeeinheit 31 zeigt Einstellwerte für den Wegsensor 10, die Lichtmenge des reflektierten Strahls von dem Sensorkopf 20, und Messergebnisse, wie den durch den Wegsensor 10 gemessenen Weg zu dem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T), an.
Die Einstellungseinheit 32 ermöglicht einer nutzenden Person beispielsweise einen mechanischen Taster oder eine berührempfindliche Anzeige zu betätigen, um zum Beispiel notwendige Einstellungen zur Messung des Messobjekts T vorzunehmen. Einige oder alle dieser notwendigen Einstellungen können im Voraus eingestellt werden oder können von einem an die externe Schnittstelleneinheit (I/F) 33 angeschlossenem externen angeschlossenen Gerät (nicht gezeigt) vorgenommen werden. Das externe angeschlossene Gerät kann durch ein Kabel oder drahtlos mittels eines Netzwerks angeschlossen sein.
Hier ist die externe I/F Einheit 33 zum Beispiel aus Ethernet (eingetragene Marke), RS232C, Analogausgang oder ähnlichem gebildet. Die externe I/F Einheit 33 kann mit einer anderen Verbindungseinheit verbunden sein, so dass notwendige Einstellungen von einem externen angeschlossenen Gerät vorgenommen werden, und die Ergebnisse der Messung beispielsweise mit dem Wegsensor 10 auf das externe angeschlossene Gerät übertragen werden können.
Weiterhin können notwendige Einstellungen zur Messung des Messobjekts T auch durch das Steuergerät 30 vorgenommen werden, das Daten von einer externen Speichereinheit 35 empfängt. Die externe Speichereinheit 35 ist ein zusätzliches Speichergerät wie ein USB (Universal Serial Bus) Speicher. Einstellungen oder ähnliches, die zur Messung des Messobjekts T benötigt werden, werden im Voraus dort abgespeichert.
Die Messungsverarbeitungseinheit 36 in dem Steuergerät 30 umfasst zum Beispiel eine durchstimmbare Lichtquelle (Lichtquelle mit variabler Wellenlänge), die einen Lichtstrahl emittiert, während die Wellenlänge kontinuierlich geändert wird, lichtempfangende Elemente, die zurückkehrende Strahlen von dem Sensorkopf 20 empfangen und die empfangenen Strahlen in ein elektrisches Signal umwandeln, einen Signalverarbeitungsschaltkreis, der das elektrische Signal verarbeitet. Die Messungsverarbeitungseinheit 36 führt verschiedene Verfahren unter Benutzung einer Steuereinheit, einer Speichereinheit und dergleichen auf Grundlage der zurückkehrenden Strahlen von dem Sensorkopf 20 durch, so dass letztendlich der Weg zu dem Messobjekt T (der Abstand zu dem Messobjekt T) berechnet wird. Die Details zur Verarbeitung werden später beschrieben.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für eine Messung eines Messobjekts T mit dem Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren umfasst die Schritte S11 bis S14 wie in 2 dargestellt.
In Schritt S11 wird der Sensorkopf 20 platziert. Zum Beispiel wird ein Leitstrahl von dem Sensorkopf 20 in Richtung des Messobjekts T ausgestrahlt, und der Sensorkopf 20 wird, durch Verwendung des ausgestrahlten Leitstahls als Referenz, in einem geeigneten Abstand platziert.
Insbesondere kann die Lichtmenge, der mit dem Sensorkopf 20 empfangenen zurückkehrenden Strahlen, in der Anzeigeeinheit 31 des Steuergeräts 30 angezeigt werden. Die nutzende Person kann auch die Ausrichtung des Sensorkopfs 20 anpassen, den Abstand (Höhenposition) zu dem Messobjekt T oder ähnliches, während die empfangene Lichtmenge überprüft wird. Grundsätzlich ist, wenn der Lichtstrahl von dem Sensorkopf 20 vertikaler (in einem Winkel näher an der Vertikalen) relativ zu dem Messobjekt T ausgestrahlt wird, die Lichtmenge des von dem Messobjekt T reflektierten Strahls größer, und die Lichtmenge, der von dem Sensorkopf 20 empfangenen zurückkehrenden Strahlen, ist auch größer.
Die Objektivlinse 21 kann durch eine Objektivlinse mit einer geeigneten Brennweite, in Übereinstimmung mit dem Abstand zwischen dem Sensorkopf 20 und dem Messobjekt T, ausgetauscht werden.
Wenn keine angemessenen Einstellungen vorgenommen werden können (z.B., weil eine für die Messung benötigte Menge des empfangenen Lichts nicht erreicht wird, oder die Brennweite der Objektivlinse 21 nicht geeignet ist, etc.) wenn das Messobjekt T gemessen wird, kann die nutzende Person durch Anzeige einer Fehlermeldung, einer „Einstellungen unvollständig“ Nachricht oder ähnlichem in der Anzeigeeinheit 31 oder durch Ausgabe einer solchen Nachricht an das externe angeschlossene Gerät benachrichtigt werden.
In Schritt S12 werden verschiedene Messbedingungen für die Messung des Messobjekts T festgelegt. Zum Beispiel stellt die nutzende Person individuelle Kalibrierungsdaten (Funktion etc. zur Korrektur von Linearität) des Sensorkopfes 20, durch Benutzen der Einstellungseinheit 32 in dem Steuergerät 30, ein.
Ebenfalls können verschiedene Parameter eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Dauer der Messung, das Messintervall, eine Schwelle zur Beurteilung, ob ein Messergebnis normal oder abnormal ist, eingestellt werden. Weiterhin kann ein Messzeitraum in Übereinstimmung mit Eigenschaften des Messobjekts T eingestellt werden, wie die Reflektivität und Material des Messobjekts T, und ein Messmodus oder ähnliches entsprechend dem Material des Messobjekts T kann ebenfalls eingestellt werden.
Diese Messbedingungen und verschiedenen Parameter werden durch Bedienung der Einstellungseinheit 32 in dem Steuergerät 30 vorgenommen, können aber alternativ von dem externen angeschlossenen Gerät oder durch Empfangen von Daten der externen Speichereinheit vorgenommen werden.
In Schritt S13 wird das Messobjekt T, mit dem in Schritt S11 eingerichteten Sensorkopf 20, in Übereinstimmung mit den in Schritt S12 festgelegten Messbedingungen und verschiedener Parameter, vermessen.
Genauer gesagt emittiert die durchstimmbare Lichtquelle in der Messungsverarbeitungseinheit 36 in dem Steuergerät 30 einen Lichtstrahl, die lichtempfangenden Elemente empfangen zurückkehrende Strahlen von dem Sensorkopf 20, und der Signalverarbeitungsschaltkreis führt beispielsweise eine Frequenzanalyse, Abstandsumwandlung, Höchstwerterkennung durch, um den Weg zu dem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T) zu berechnen. Die Details der spezifischen Messdatenverarbeitung werden später beschrieben.
In Schritt S14 wird das Resultat der Messung in Schritt S13 ausgegeben. Zum Beispiel wird der Weg zu dem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T), der in Schritt S13 gemessen wurde, mit der Anzeigeeinheit 31 in dem Steuergerät 30 angezeigt oder an das externe angeschlossene Gerät ausgegeben.
Zusätzlich kann angezeigt oder ausgegeben werden, ob der in Schritt S13 gemessene Weg zu dem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T), basierend auf dem in Schritt S12 festgelegten Grenzwert, in einem normalen Bereich ist oder abnormal ist. Weiterhin können in Schritt S12 festgelegte Messbedingungen, verschiedene Parameter, der Messmodus und dergleichen ebenfalls angezeigt oder ausgegeben werden.
Übersicht eines Systems mit Wegsensor
3 ist ein Funktionsblockdiagramm, das einen Überblick über ein Sensorsystem 1, das den Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, zeigt. Das Sensorsystem 1 enthält den Wegsensor 10, ein Steuergerät 11, einen Steuersignaleingangssensor 12 und ein externes angeschlossenes Gerät 12, wie in 3 gezeigt. Der Wegsensor 10 ist mit dem Steuergerät 11 und dem externen angeschlossenen Gerät 13 beispielsweise durch ein Übertragungskabel oder ein externes Anschlusskabel (das ein externes Eingangskabel, ein externes Ausgangskabel, ein Stromkabel usw. umfassen kann) verbunden. Das Steuergerät 11 und der Steuersignaleingangssensor 12 sind mit einer Signalleitung verbunden.
Der Wegsensor 10 misst einen Weg zu dem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T), wie mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Der Wegsensor 10 kann auch die Messergebnisse oder ähnliches an das Steuergerät 11 und das externe angeschlossene Gerät 13 ausgeben.
Das Steuergerät 11 ist beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) und gibt dem Wegsensor 10 während der Messung des Messobjekts T verschiedene Anweisungen.
Zum Beispiel kann das Steuergerät 11 ein Messzeitpunktsignal, basierend auf einem Eingangssignal von dem mit dem Steuergerät 11 verbundenen Steuersignaleingangssensor 12, an den Wegsensor 10 ausgeben und kann auch ein Nullstellungs-Befehlssignal (ein Signal, um einen aktuellen Messwert auf 0 zu setzen) oder ähnliches an den Wegsensor 10 ausgeben.
Der Steuersignaleingangssensor 12 gibt an das Steuergerät 11 ein An/Aus-Signal aus, um die zeitliche Abstimmung der Messung des Messobjekts T für den Wegsensor 10 anzugeben. Zum Beispiel kann der Steuersignaleingangssensor 12 nahe einer Produktionsstraße angebracht sein, in welcher sich das Messobjekt T bewegt und kann in Antwort darauf, dass sich das Messobjekt T an einer bestimmten Position befindet, das An/Aus-Signal an das Steuergerät 11 ausgeben.
Das externe angeschlossene Gerät 13 ist beispielsweise ein PC (Personal Computer). Die nutzende Person kann durch Bedienung des externen angeschlossenen Geräts 13 verschiedene Einstellungen an dem Wegsensor 10 vornehmen.
In einem spezifischen Beispiel werden der Messmodus, der Arbeitsmodus, der Messzeitraum, das Material des Messobjekts T usw. eingestellt.
Als Einstellung für den Messmodus kann beispielsweise ein „intern synchronisierter Messmodus“, bei welchem die Messung periodisch in dem Steuergerät 11 gestartet wird, oder ein „extern synchronisierter Messmodus“, bei welchem die Messung als Antwort auf ein Eingangssignal von außerhalb des Steuergeräts 11 gestartet wird, ausgewählt werden.
Als Einstellung für den Arbeitsmodus kann beispielsweise ein „Betriebsmodus“, bei welchem das Messobjekt T wirklich gemessen wird, oder ein „Einstellungsmodus“, bei dem die Messvoraussetzungen der Messung des Messobjekts T eingestellt werden, ausgewählt werden.
Der „Messzeitraum“ beschreibt einen Zeitraum, in dem das Messobjekt T gemessen wird und wird in Übereinstimmung mit der Reflektivität des Messobjekts T eingestellt. Selbst wenn das Messobjekt T eine niedrige Reflektivität aufweist, kann durch Verlängerung des Messzeitraums das Messobjekt T mit einem geeigneten eingestellten Messzeitraum geeignet gemessen werden.
Als Modus für das Messobjekt T kann beispielsweise ein „Modus für raue Oberflächen“, der passend ist, wenn die Komponenten des von dem Mesobjekt T reflektierten Strahls einen relativ großen Anteil an diffuser Reflektion umfassen, ein „Spiegelmodus“, der passend ist, wenn die Komponenten des von dem Mesobjekt T reflektierten Strahls einen relativ großen Anteil an gerichteter Reflektion umfassen, und ein dazwischenliegender „Standardmodus“ ausgewählt werden.
Demgemäß kann das Messobjekt, durch Einstellen für die Reflektivität und das Material des Messobjekts T geeigneter Einstellungen, mit einer höheren Genauigkeit gemessen werden.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Messen des Messobjekts T mit dem Sensorsystem 1, das den Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie in 4 gezeigt, ist dieses die Schritte S21 bis S24 umfassende Verfahren für den Fall des zuvor erwähnten extern synchronisierten Messmodus.
In Schritt S21 detektiert das Sensorsystem 1 das Messobjekt T, welches ein zu messendes Objekt ist. Insbesondere detektiert der Steuersignaleingangssensor 12, dass das Messobjekt T an einer bestimmten Position entlang der Produktionsstraße angekommen ist.
In Schritt S22 gibt das Sensorsystem 1 eine Anweisung, das in Schritt S21 detektierte Messobjekt unter Verwendung des Wegsensors 10 zu messen. Insbesondere gibt der Steuersignaleingangssensor 12 durch Ausgabe eines An/Aus-Signals an das Steuergerät 11 die zeitliche Abstimmung der Messung des Messobjekts T an. Das Steuergerät 11 gibt ein Signal, basierend auf dem An/Aus-Signal, zur zeitlichen Abstimmung der Messung an den Wegsensor 10 aus, um eine Anweisung zur Messung des Messobjekts T zu geben.
In Schritt S23 misst der Wegsensor 10 das Messobjekt T. Genauer gesagt misst der Wegsensor 10 das Messobjekt T basierend auf der in Schritt S22 empfangenen Messanweisung.
In Schritt S24 gibt das Sensorsystem 1 die Ergebnisse der Messung in Schritt S23 aus. Genauer gesagt veranlasst der Wegsensor 10 die Anzeigeeinheit dazu, das Ergebnis der Auswertung der Messung anzuzeigen, und/oder gibt das Ergebnis an das Steuergerät 11, das externe angeschlossene Gerät 13 oder ähnliches über die externe I/F Einheit 33 aus.
Anzumerken ist, dass die obige Beschreibung mit Bezug auf 4 gemacht wurde, für das Verfahren in dem Fall des extern synchronisierten Messmodus, bei welchem das Messobjekt T gemessen wird, wenn der Steuersignaleingangssensor 12 das Messobjekt T detektiert. Jedoch gibt es keine Einschränkung hierauf. Für den Fall des intern synchronisierten Messmodus wird anstelle der Schritte S21 und S22 beispielsweise eine Anweisung zum Messen des Messobjekts T an den Wegsensor 10 in Abhängigkeit eines voreingestellten Zeitintervalls ausgegeben.
Als nächstes wird das Prinzip beschrieben, nach welchem der Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung das Messobjekt T misst.
5A ist ein Diagramm, das ein Prinzip veranschaulicht, nach dem der Wegsensor gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Messobjekt T misst. Wie in 5A dargestellt, umfasst der Wegsensor 10 den Sensorkopf 20 und das Steuergerät 30. Der Sensorkopf 20 umfasst die Objektivlinse 21 und mehrere Kollimationslinsen 22a bis 22c. Das Steuergerät 30 umfasst eine durchstimmbare Lichtquelle 51, einen optischen Verstärker 52, mehrere Isolatoren 53, 53a, und 53b, mehrere optische Koppler 54, und 54a bis 54e, ein Dämpfungsglied 55, mehrere lichtempfangende Elemente (z.B. Photodetektoren (PD)) 56a bis 56c, eine Multiplexerschaltung 57, eine Analog-zu-Digital (AD) Wandlungseinheit (z.B. Analog-zu-Digital-Wandler) 58, eine Verarbeitungseinheit (z.B. Prozessor) 59, einen Gleichgewichtsdetektor 60, und eine Korrektursignalerzeugungseinheit 61. Jeder optische Koppler 54, 54a bis 54e hat 2 x 2 (Vier) Anschlüsse. Ein Lichtstrahl, der an einem Anschluss an einem Ende eingegeben wird, wird an zwei Anschlüsse am anderen Ende in einem bestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Im Einzelnen hat der optische Koppler 54a der ersten Stufe einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss. Ein in den ersten Anschluss oder den zweiten Anschluss eingegebener Lichtstrahl wird an dem dritten Anschluss und den vierten Anschluss in einem vorbestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Ein in den dritten Anschluss oder den vierten Anschluss eingegebener Lichtstrahl wird mit einem bestimmten Teilungsverhältnis an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss ausgegeben.
Die durchstimmbare Lichtquelle 51 emittiert einen durchstimmbaren Laserstrahl. Die durchstimmbare Lichtquelle 51 kann kostengünstig realisiert werden, indem zum Beispiel ein Verfahren zur Modulation eines VCSEL (Oberflächenemittierer, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit Strom angewendet wird, da Modensprünge aufgrund der kurzen Resonatorlänge dann unwahrscheinlich sind und die Wellenlänge so einfach variiert werden kann.
Der optische Verstärker 52 verstärkt den von der durchstimmbaren Lichtquelle 51 emittierten Strahl. Der optische Verstärker ist ein EDFA (Erbium-dotierter Faserverstärker, erbium-doped fiber amplifier) und ist zum Beispiel ein optischer Verstärker für 1550 nm.
Der Isolator 53 ist ein optisches Element, durch das ein einfallender Lichtstrahl unidirektional übertragen wird und kann auch unmittelbar auf die durchstimmbare Lichtquelle folgen, um die Einwirkung von durch Rückstrahlen erzeugtem Rauschen zu verhindern.
So wird der von der durchstimmbaren Lichtquelle 51 emittierte Lichtstahl durch den optischen Verstärker 52 verstärkt, passiert den Isolator 53 und wird durch den optischen Koppler 54 in Strahlen aufgeteilt, die zu einem Hauptinterferometer und einem Nebeninterferometer führen. Beispielsweise kann der optische Koppler 54 den Lichtstrahl in einem Verhältnis von 90:10 bis 99:1 in die Strahlen aufteilen, die zum Haupt- und Nebeninterferometer laufen.
Der Lichtstrahl, der geteilt wird und zum Hauptinterferometer gelangt, wird durch den optischen Koppler 54a der ersten Stufe weiter in einen Strahl in Richtung des Messobjekts T und in einen Strahl in Richtung des optischen Kopplers 54b der zweiten Stufe geteilt.
Der Lichtstahl, der durch den optischen Koppler 54a der ersten Stufe in Richtung des Messobjekts T geteilt wird, passiert die Kollimationslinse 22a und die Objektivlinse 21 vom vorderen Ende eines Glasfaserkabels im Sensorkopf 20 und wird in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt. Dann interferiert ein Lichtstrahl, der an einer Referenzfläche, die das vordere Ende (Endfläche) dieses Glasfaserkabels ist, reflektiert wird mit einem Lichtstrahl, der am Messobjekt T reflektiert wird, und ein Interferenzstrahl wird gebildet. Der gebildete Interferenzstrahl läuft zu dem optischen Koppler 54a der ersten Stufe zurück und wird anschließend von dem lichtempfangenden Element 56a empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Der Lichtstrahl, der durch den optischen Koppler 54a der ersten Stufe in Richtung des optischen Kopplers 54b der zweiten Stufe geteilt wird, läuft über den Isolator 53a zum optischen Koppler 54b der zweiten Stufe und wird durch den optischen Koppler 54b der zweiten Stufe weiter in Richtung des Sensorkopfes 20 aufgeteilt. Der Lichtstrahl, der in Richtung des Sensorkopfes 20 aufgeteilt wird, durchläuft, wie bei der ersten Stufe, die Kollimationslinse 22b und die Objektivlinse 21 vom vorderen Ende des Glasfaserkabels im Sensorkopf 20 und wird in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt. Dann interferiert ein Lichtstrahl, der an einer Referenzfläche, nämlich dem vorderen Ende (Endfläche) dieses Glasfaserkabels, reflektiert wird, mit einem Lichtstrahl, der an dem Messobjekt T reflektiert wird, und ein Interferenzstrahl wird gebildet. Der gebildete Interferenzstrahl läuft zu dem optischen Koppler 54b der zweiten Stufe zurück und wird durch den optischen Koppler 54b in Strahlen in Richtung des Isolators 53a und in Richtung des lichtempfangenden Elements 56b aufgeteilt. Der Lichtstrahl, der in Richtung des lichtempfangenden Elements 56b geteilt wird, wird von dem lichtempfangenden Element 56b empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dahingegen ist der Isolator 53a dazu eingerichtet, dass er einen Lichtstrahl von dem optischen Koppler 54a der vorherigen Stufe zu dem optischen Koppler 54b der nächsten Stufe überträgt und einen Lichtstrahl vom optischen Koppler 54b der nächsten Stufe zu dem optischen Koppler 54a der vorherigen Stufe unterbricht. Daher wird der in Richtung des Isolators 53a geteilte Strahl unterbrochen.
Der Lichtstrahl, der in Richtung des optischen Kopplers 54c der dritten Stufe durch den optischen Koppler 54b der zweiten Stufe geteilt wird, läuft über den Isolator 53b zum optischen Koppler 54c der dritten Stufe und wird durch den optischen Koppler 54c der dritten Stufe weiter in Richtung des Sensorkopfes 20 geteilt. Der Lichtstrahl, der in Richtung des Sensorkopfes 20 geteilt wird, passiert, wie bei der ersten und zweiten Stufe, die Kollimationslinse 22c und die Objektivlinse 21 vom vorderen Ende eines Glasfaserkabels im Sensorkopf 20 und wird in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt. Dann interferiert ein Lichtstrahl, der am vorderen Ende (Endfläche) dieses Glasfaserkabels reflektiert wird, mit einem Lichtstrahl, der am Messobjekt T reflektiert wird, und ein Interferenzstrahl wird gebildet. Der gebildete Interferenzstrahl läuft zum optischen Koppler 54c der dritten Stufe zurück und wird vom optischen Koppler 54c in Strahlen in Richtung des Isolators 53b und in Richtung des lichtempfangenden Elements 56c aufgeteilt. Der Lichtstrahl, der in Richtung des lichtempfangenden Elements 56c aufgespalten wird, wird vom lichtempfangenden Element 56c empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dahingegen ist der Isolator 53b dazu eingerichtet, dass er einen Lichtstrahl von dem optischen Koppler 54b der vorherigen Stufe zu dem optischen Koppler 54c der nächsten Stufe überträgt und einen Lichtstrahl vom optischen Koppler 54c der nächsten Stufe zu dem optischen Koppler 54b der vorherigen Stufe unterbricht. Daher wird der in Richtung des Isolators 53b geteilte Strahl unterbrochen.
Zu beachten ist, dass der Lichtstrahl, der durch den optischen Koppler 54c der dritten Stufe in eine andere Richtung als in die Richtung des Sensorkopfes 20 geteilt wird, nicht zum Messen des Messobjekts T verwendet wird. Daher ist es vorzuziehen diesen Lichtstrahl mit dem Dämpfungsglied 55 abzuschwächen, damit er nicht reflektiert und zurückgeschickt wird.
Somit ist das Hauptinterferometer ein Interferometer mit drei Stufen optischer Wege (drei Kanäle) von denen jeder eine Differenz der optischen Weglängen aufweist, die doppelt so groß ist (Hin- und Rückweg) wie die Distanz zwischen dem vorderen Ende (Endfläche) des Glasfaserkabels des Sensorkopfs 20 und dem Messobjekt T, und es werden drei Interferenzstrahlen gebildet, die jeweils den Differenzen der optischen Weglängen entsprechen.
Die lichtempfangenden Elemente 56a bis 56c empfangen die Interferenzstrahlen vom Hauptinterferometer und erzeugen elektrische Signale in Abhängigkeit von der Leistung der empfangenen Lichtstrahlen, wie oben erwähnt.
Die Multiplexerschaltung 57 multiplexiert die von den lichtempfangenden Elementen 56a bis 56c ausgegebenen elektrischen Signale.
Die AD-Wandlereinheit 58 empfängt das elektrische Signal von der Multiplexerschaltung 57 und wandelt dieses elektrische Signal von einem analogen Signal in ein digitales Signal um (AD-Wandlung). Dabei führt die AD-Wandlereinheit 58 die AD-Wandlung auf der Grundlage eines Korrektursignals aus der Korrektursignalerzeugungseinheit 61 des Nebeninterferometers durch.
Das Nebeninterferometer erhält das Interferenzsignal, um Nichtlinearitäten der Wellenlängen während des Durchstimmens der Wellenlängen mit der durchstimmbaren Lichtquelle 51 zu korrigieren, und erzeugt ein Korrektursignal, genannt K-Takt.
Genauer gesagt wird der Lichtstrahl, der durch den optischen Koppler 54 geteilt wird und zum Nebeninterferometer geleitet wird, durch den optischen Koppler 54d weiter geteilt. Hier werden die optischen Weglängen der aufgeteilten Lichtstrahlen so konfiguriert, dass sie eine Differenz aufweisen, indem Glasfaserkabel mit unterschiedlichen Längen zwischen den optischen Kopplern 54d und 54e verwendet werden, und vom optischen Koppler 54e z.B. ein Interferenzstrahl ausgegeben wird, der der Differenz der optischen Weglängen entspricht. Der Gleichgewichtsdetektor 60 empfängt den Interferenzstrahl vom optischen Koppler 54e, verstärkt das optische Signal und wandelt es in ein elektrisches Signal um, wobei er das Rauschen entfernet, indem er eine Differenz zu einem Signal mit entgegengesetzter Phase bildet.
Zu beachten ist hierbei, dass der optische Koppler 54d und der optische Koppler 54e den Lichtstrahl in einem Verhältnis von 50:50 aufteilen können.
Die Korrektursignalerzeugungseinheit 61 ermittelt die Nichtlinearitäten der Wellenlängen während des Durchstimmens mit der durchstimmbaren Lichtquelle 51 auf der Grundlage des elektrischen Signals vom Gleichgewichtsdetektor 60, erzeugt einen K-Takt, der den Nichtlinearitäten entspricht und gibt den erzeugten K-Takt an die AD-Wandlereinheit 58 aus.
Aufgrund der Nichtlinearitäten der Wellenlängen während des Durchstimmens mit der durchstimmbaren Lichtquelle 51 sind die Abstände zwischen den Wellen des analogen Signals, das vom Hauptinterferometer in die AD-Wandlereinheit 58 eingegeben wird, nicht gleich. Die AD-Wandereinheit 58 führt eine AD-Wandlung (Abtastung) durch und korrigiert dabei die Abtastzeit auf der Grundlage des oben erwähnten K-Taktes, so dass die Abstände zwischen den Wellen gleich groß sind.
Anzumerken ist, dass der K-Takt ein Korrektursignal ist, das, wie oben erwähnt, zur Abtastung des analogen Signals des Hauptinterferometers verwendet wird. Daher muss der K-Takt so erzeugt werden, dass er eine höhere Frequenz hat als das analoge Signal des Hauptinterferometers. Genauer gesagt kann die Differenz der optischen Weglängen zwischen dem optischen Koppler 54d und dem optischen Koppler 54e im Nebeninterferometer größer sein als die Differenz der optischen Weglängen zwischen den vorderen Enden (Endflächen) des Glasfaserkabels im Hauptinterferometer und dem Messobjekt T. Alternativ kann die Korrektursignalerzeugungseinheit 61 die Frequenz durch Multiplikation (z.B. mit einem Faktor 8, usw.) erhöhen.
Die Verarbeitungseinheit 59 erhält das digitale Signal, das einer AD-Wandlung unterzogen wurde und dessen Nichtlinearität durch die AD-Wandlereinheit 58 korrigiert wurde, und berechnet den Weg zu dem Messobjekt T (Abstand zu dem Messobjekt T) auf der Grundlage des digitalen Signals. Genauer gesagt führt die Verarbeitungseinheit 59 eine Frequenzumwandlung des digitalen Signals unter Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation (FFT, fast Fourier transform) durch und berechnet den Abstand durch deren Analyse. Die Details der Verarbeitung durch die Verarbeitungseinheit 59 werden später beschrieben.
Es ist anzumerken, dass die Verarbeitungseinheit 59 die Verarbeitung in Höchstgeschwindigkeit durchführen muss, und daher in vielen Fällen durch einen integrierten Schaltkreis wie ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) realisiert wird.
Hier ist die Multiplexerschaltung 57 auf der stromaufwärts liegenden Seite der AD-Wandlereinheit 58 angeordnet, kann alternativ aber auch auf der stromabwärts liegenden Seite der AD-Wandlereinheit 58 angeordnet sein. Das Ausgangssignal der mehreren lichtempfangenden Elemente 56a bis 56c kann auch separat einer AD-Wandlung unterzogen und dann von der Multiplexerschaltung 57 gemultiplext werden.
Auch sind hier im Hauptinterferometer drei Stufen der optischen Wege vorgesehen. Der Sensorkopf 20 strahlt Messstrahlen von den jeweiligen optischen Wegen in Richtung des Messobjekts T ab, und der Abstand zu dem Messobjekt T wird zum Beispiel auf der Grundlage der Interferenzstrahlen (Rückstrahlen) gemessen, die von den jeweiligen optischen Wegen (Mehrkanal) stammen. Die Anzahl der Kanäle in dem Hauptinterferometer ist nicht auf drei beschränkt, sondern kann auch ein oder zwei, vier oder mehr betragen.
5B ist ein Diagramm, das ein anderes Prinzip veranschaulicht, mit dem ein Wegsensor 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung das Messobjekt T messen kann. Wie in 5B gezeigt, umfasst dieser Wegsensor 10 einen Sensorkopf 20 und ein Steuergerät 30. Der Sensorkopf umfasst eine Objektivlinse 21 und mehrere Kollimationslinsen 22a bis 22c. Das Steuergerät 30 umfasst eine durchstimmbare Lichtquelle 51, einen optischen Verstärker 52, mehrere Isolatoren 53, 53a und 53b, mehrere optische Koppler 54 und 54a bis 54j, ein Dämpfungsglied 55, mehrere lichtempfangende Elemente (z.B. Photodetektoren (PD)) 56a bis 56c, einen Multiplexschaltkreis 57, einen Analog-zu-Digital (AD) Wandlereinheit (z.B. Analog-Digital-Wandler) 58, eine Verarbeitungseinheit (z.B. Prozessor) 59, einen Gleichgewichtsdetektor 60, und eine Korrektursignalerzeugungseinheit 61. Der in 5B gezeigte Wegsensor 10 unterscheidet sich von dem in 5A gezeigten Wegsensor 10 vor allem dadurch, dass der erstere die optischen Koppler 54f bis 54j aufweist. Das Prinzip dieser unterschiedlichen Konfigurationen wird im Vergleich zu 5a detailliert beschrieben. Jeder optische Koppler 54, 54a bis 54j hat 2 x 2 (Vier) Anschlüsse. Ein Lichtstrahl, der an einem Anschluss an einem Ende eingegeben wird, wird an zwei Anschlüsse am anderen Ende in einem bestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Im Einzelnen hat der optische Koppler 54a der ersten Stufe einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss. Ein in den ersten Anschluss oder den zweiten Anschluss eingegebener Lichtstrahl wird an dem dritten Anschluss und den vierten Anschluss in einem vorbestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Ein in den dritten Anschluss oder den vierten Anschluss eingegebener Lichtstrahl wird mit einem bestimmten Teilungsverhältnis an den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss ausgegeben.
Der von der durchstimmbaren Lichtquelle 51 emittierte Lichtstrahl wird durch den optischen Verstärker 52 verstärkt und durch den optischen Koppler 54 über den Isolator 53 in einen zur Seite des Hauptinterferometers und einen zur Seite des Nebeninterferometers gerichteten Strahl aufgeteilt. Der geteilte und zur Seite des Hauptinterferometers laufende Lichtstrahl wird durch den optischen Koppler 54f weiter in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt.
Der Messstrahl wird vom optischen Koppler 54a der ersten Stufe durch die Kollimationslinse 22a und die Objektivlinse 21 geleitet und zum Messobjekt T gestrahlt und am Messobjekt T, wie mit Bezug auf 5A beschrieben, reflektiert. In 5A interferiert der Lichtstrahl, der an der Referenzoberfläche reflektiert wird, die das vordere Ende (Endfläche) einer Glasfaser ist, mit dem Lichtstrahl, der am Messobjekt T reflektiert wird, und ein Interferenzstrahl wird gebildet. In 5B hingegen ist die Referenzfläche, die den Lichtstrahl reflektiert, nicht vorhanden. Mit anderen Worten, wird in 5B kein Licht, das wie in 5A an der Referenzfläche reflektiert wird, erzeugt, und daher läuft nur der am Messobjekt T reflektierte Strahl zum optischen Koppler 54a der ersten Stufe zurück.
Ähnlich wird der Lichtstrahl, der vom optischen Koppler 54a der ersten Stufe in Richtung des optischen Kopplers 54b der zweiten Stufe geteilt wird, durch den optischen Koppler 54b der zweiten Stufe durch die Kollimationslinse 22b und die Objektivlinse 21 geleitet und in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt, am Messobjekt T reflektiert und zum optischen Koppler 54b der zweiten Stufe zurückgeführt. Der Lichtstrahl, der vom optischen Koppler 54b der zweiten Stufe in Richtung des optischen Kopplers 54c der dritten Stufe aufgespalten wird, wird durch den optischen Koppler 54c der dritten Stufe durch die Kollimationslinse 22c und die Objektivlinse 21 geführt und in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt, am Messobjekt T reflektiert und zum optischen Koppler der dritten Stufe 54c zurückgeführt.
Andererseits wird der durch den optischen Koppler 54f geteilte Referenzstrahl durch den optischen Koppler 54g weiter in Strahlen aufgeteilt, die zu den optischen Kopplern 54h, 54i und 54j laufen.
In dem optischen Koppler 54h interferiert der am Messobjekt T reflektierte und vom optischen Koppler 54a ausgestrahlte Messstrahl mit dem vom optischen Koppler 54g ausgestrahlten Referenzstrahl, so dass ein Interferenzstrahl entsteht. Dieser Interferenzstrahl wird von dem lichtempfangenden Element 56a empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Mit anderen Worten: Ein Lichtstrahl wird durch den optischen Koppler 54f in den Messstrahl und den Referenzstrahl aufgeteilt, ein Interferenzstrahl wird entsprechend der Differenz der optischen Weglängen zwischen dem optischen Weg des Messstrahls (einem optischen Weg in dem der Lichtstrahl vom optischen Koppler 54f über den optischen Koppler 54a, die Kollimationslinse 22a und die Objektivlinse 21 am Messobjekt T reflektiert wird und den optischen Koppler 54h erreicht) und dem optischen Weg des Referenzstrahls (ein optischer Weg, in dem der Lichtstrahl vom optischen Koppler 54f den optischen Koppler 54h über den optischen Koppler 54g erreicht). Dieser Interferenzstrahl wird von dem lichtempfangenden Element 56a empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Ähnlich wird im optischen Koppler 54i ein Interferenzstrahl entsprechend der Differenz der optischen Weglängen zwischen dem optischen Weg des Messstrahls (ein optischer Weg in dem der Lichtstrahl des optischen Kopplers 54f über die optischen Koppler 54a und 54b, die Kollimationslinse 22b und die Objektivlinse 21 am Messobjekt T reflektiert wird und den optischen Koppler 54i erreicht) und dem optischen Weg des Referenzstrahls (ein optischer Weg, in dem der Lichtstrahl vom optischen Koppler 54f den optischen Koppler 54i über den optischen Koppler 54g erreicht) gebildet. Dieser Interferenzstrahl wird von dem lichtempfangenden Element 56b empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
In dem optischen Koppler 54j wird ein Interferenzstrahl gebildet, der der Differenz der optischen Weglängen zwischen dem optischen Weg des Messstrahls (ein optischer Weg, in dem der Lichtstrahl vom optischen Koppler 54f über die optischen Koppler 54a, 54b und 54c, die Kollimationslinse 22c und die Objektivlinse 21 an dem Messobjekt T reflektierte wird und den optischen Koppler 54j erreicht) und dem optischen Weg des Referenzstrahls (ein optischer Weg, in dem der Lichtstrahl von dem optischen Koppler 54f den optischen Koppler 54j über den optischen Koppler 54g erreicht) entspricht. Dieser Interferenzstrahl wird von dem lichtempfangenden Element 56c empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Es ist anzumerken, dass die lichtempfangenden Elemente 56a bis 56c beispielsweise symmetrische Fotodetektoren sind.
Das Hauptinterferometer verfügt also über drei Stufen optischer Wege (drei Kanäle) und bildet drei Interferenzstrahlen, die den jeweiligen Differenzen der optischen Weglängen zwischen den Messstrahlen, die am Messobjekt T reflektiert und in die optischen Koppler 54h, 54i, und 54j eingeben werden, und den Referenzstrahlen entsprechen, die über die optischen Koppler 54f und 54g in die optischen Koppler 54h, 54i und 54j eingegeben werden.
Anzumerken ist, dass die Differenz der optischen Weglängen zwischen einem Messstrahl und einem Referenzstrahl auch so eingestellt werden kann, dass sie zwischen den drei Kanälen unterschiedlich ist. Zum Beispiel können die optischen Weglängen ab dem optischen Koppler 54g je nach optischem Koppler 54h, 54i und 54j unterschiedlich sein.
Der Abstand zu dem Messobjekt T und dergleichen wird auf der Grundlage der Interferenzstrahlen gemessen, die von den jeweiligen optischen Wegen (Mehrkanal) stammen.
Konfiguration des Sensorkopfes
Im Folgenden wird der Aufbau des Sensorkopfes beschrieben, der in dem Wegsensor 10 verwendet wird.
6A ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration des Sensorkopfes 20 zeigt. 6B ist eine perspektivische Ansicht einer schematischen Konfiguration eines Kollimationslinsenhalters, der innerhalb des Sensorkopfes 20 angeordnet ist. 6C ist eine Ansicht eines Querschnitts einer inneren Struktur des Sensorkopfes.
In dem Sensorkopf 20 sind die Objektivlinse 21 und die Kollimationslinsen in einem Objektivlinsenhalter 23 angeordnet, wie in 6A gezeigt. Zum Beispiel sind die einzelnen Seiten des Objektivlinsenhalters 23, die die Objektivlinse 21 umgeben, etwa 10 mm lang und der Objektivlinsenhalter 23 hat eine Länge von etwa 22 mm in Richtung der optischen Achse.
Wie in 6B gezeigt, wird eine Kollimationslinseneinheit 24 gebildet, indem eine Kollimationslinse 22 mit einem Klebematerial an den Kollimationslinsenhalter geklebt wird. Der Strahldurchmesser kann durch Einführen eines Glasfaserkabels in Abhängigkeit der eingeführten Länge angepasst werden. Der Durchmesser jeder Kollimationslinse 22 beträgt beispielsweise 2 mm.
Drei Kollimationslinsen 22a bis 22a werden von dem Kollimationslinsenhalter gehalten und bilden die Kollimationslinseneinheiten 24a bis 24c, und drei Glasfaserkabel werden in die jeweiligen Kollimationslinseneinheiten 24a bis 24c in Übereinstimmung mit den drei Kollimationslinsen 22a bis 22c eigeführt, wie in 6C gezeigt. Anzumerken ist, dass die drei Glasfaserkabel alternativ auch von dem Kollimationslinsenhalter gehalten werden können.
Diese Glasfaserkabel und die Kollimationslinseneinheit 24a bis 24c werden, zusammen mit der Objektivlinse 21, durch den Objektivlinsenhalter 23 gehalten und bilden den Sensorkopf 20.
Dabei sind die drei Kollimationslinseneinheiten so gegeneinander verschoben, dass sie unterschiedliche Differenzen der optischen Weglängen in Bezug auf ihre Positionen in Richtung der optischen Achse im Sensorkopf 20 bilden, wie in 6C gezeigt.
Der Objektivlinsenhalter 23 und die Kollimationslinseneinheiten 24a bis 24c, die den Sensorkopf 20 bilden, können aus einem Metall (z.B. A2017) hergestellt werden, das eine hohe Festigkeit aufweist und mit hoher Genauigkeit verarbeitet werden kann.
7 ist ein Blockdiagramm, dass eine Signalverarbeitung in dem Steuergerät 30 darstellt. Wie in 7 gezeigt, umfasst das Steuergerät 30 mehrere lichtempfangende Elemente 71a bis 71e, mehrere Verstärkerschaltungen 72a bis 72c, eine Multiplexerschaltung 73, eine AD-Wandlereinheit 74, eine Verarbeitungseinheit 75, eine Differenzverstärkerschaltung 76, und eine Korrektursignalerzeugungseinheit 77.
In dem Steuergerät 30 wird der von der durchstimmbaren Lichtquelle 51 emittierte Lichtstrahl durch den optischen Koppler 54 in einen Strahl, der zum Hauptinterferometer läuft, und einen Strahl, der zum Nebeninterferometer läuft, aufgeteilt, und der Wert des Abstands zum dem Messobjekt T wird durch Verarbeitung des Hauptinterferenzsignals und Nebeninterferenzsignals berechnet, die jeweils von dem Haupt- und Nebeninterferometer erhalten werden, wie in 5A dargestellt.
Die lichtempfangenden Elemente 71a bis 71c entsprechen den in 5A dargestellten lichtempfangenden Elementen 56a bis 56c, empfangen die Hauptinterferenzsignale von dem Hauptinterferometer, und geben die empfangenen Signale als Stromsignale an die jeweilige Verstärkerschaltung 72a bis 72c aus.
Die Verstärkerschaltungen 72a bis 72c wandeln die Stromsignale in Spannungssignale um (I-V Wandlung) und verstärken diese Signale.
Die Multiplexerschaltung 73 multiplexiert die von den Verstärkerschaltungen 72a bis 72c ausgegebenen Spannungssignale und gibt das gemultiplexte Signal als ein Spannungssignal an die AD-Wandlereinheit 74 aus.
Die AD-Wandlereinheit 74 entspricht der AD-Wandlereinheit 58, die in 5A dargestellt ist, und wandelt das Spannungssignal in ein digitales Signal (AD-Wandlung) auf Grundlage des K-Taktes aus der später beschriebenen Korrektursignalerzeugungseinheit 77 um.
Die Verarbeitungseinheit 75 entspricht der in 5A dargestellten Verarbeitungseinheit 59, wandelt das digitale Signal der AD-Wandlereinheit 74 mittels FFT in eine Frequenz um, analysiert die Frequenz und berechnet den Wert des Abstands zu dem Messobjekt T.
Die lichtempfangenden Elemente 71d und 71e und die Differenzverstärkerschaltung 76, die dem in 5A gezeigten Gleichgewichtsdetektor 60 entsprechen, empfangen die Interferenzstrahlen des Nebeninterferometers, geben Interferenzsignale aus, von denen eins eine invertierte Phase hat, und verstärken die Interferenzsignale und wandeln diese Signale in Spannungssignale um, wobei das Rauschen durch Bildung der Differenz der beiden Signale entfernt wird.
Die Korrektursignalerzeugungseinheit 77 entspricht der in 5A gezeigten Korrektursignalerzeugungseinheit 61, binarisiert das Spannungssignal mittels eines Komparators, erzeugt einen K-Takt und gibt den erzeugten K-Takt an die AD-Wandlereinheit 74 aus. Der K-Takt muss so erzeugt werden, dass er eine höhere Frequenz hat als das Analogsignal des Hauptinterferometers. Daher kann die Korrektursignalerzeugungseinheit 77 die Frequenz durch Multiplikation (z.B. um den Faktor 8 usw.) erhöhen.
Obwohl die Multiplexerschaltung 73 in dem in 7 dargestellten Steuergerät 30 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der AD-Wandlereinheit 74 angeordnet ist, kann sie alternativ auch auf der stromabwärts gelegenen Seite der AD-Wandlereinheit 74 angeordnet sein. Die Ausgabe der lichtempfangenden Elemente 71a bis 71c und der Verstärkerschaltungen 72a bis 72c kann einer AD-Wandlung unterzogen werden und kann anschließenden von der Multiplexerschaltung 73 gemultiplext werden.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Berechnung des Abstands zum Messobjekt T zeigt, das von der Verarbeitungseinheit 59 in der Steuergerät 30 ausgeführt wird. Dieses Verfahren umfasst die Schritte S31 bis S35 wie in 8 dargestellt.
In Schritt S31 führt die Verarbeitungseinheit 59 eine Frequenzumwandlung eines Wellenformsignals (Spannung gegen Zeit) in ein Spektrum (Spannung gegen Frequenz) mit Hilfe der folgenden FFT durch. 9A zeigt, wie das Wellenformsignal (Spannung gegen Zeit) einer Frequenzumwandlung in das Spektrum (Spannung gegen Frequenz) unterzogen wird. $\sum_{t = 0}^{N - 1} ƒ (t) e x p (- i \frac{2 π ω t}{N}) = F (ω)$
N: Anzahl der Datenpunkte
In Schritt S32 führt die Verarbeitungseinheit 59 eine Abstandsumwandlung des Spektrums (Spannung gegen Frequenz) in ein Spektrum (Spannung gegen Abstand) durch. 9B zeigt, wie das Spektrum (Spannung gegen Frequenz) einer Abstandsumwandlung in das Spektrum (Spannung gegen Abstand) unterzogen wird.
In Schritt S33 berechnet die Verarbeitungseinheit 59 Werte (Abstand, SNR), die den Höchstwerten des Spektrums (Spannung gegen Abstand) entsprechen. 9C zeigt, wie diese Werte (Abstand, SNR), die den Höchstwerten entsprechen, auf der Grundlage des Spektrums (Spannung gegen Abstand) berechnet werden.
(1) Höchstwerte der Spannung werden berechnet. Genauer gesagt werden Paare (D_x, V_x) eines Abstandswertes und eines Spannungswertes an einem Abstand, an welchem die Ableitung der Spannung von positiv zu negativ geht, in Bezug auf die in 9C dargestellte Spannung erstellt und in Absteigender Reihenfolge des Spannungswertes angeordnet. $(D_{1}, V_{1}), (D_{2}, V_{2}), (D_{3}, V_{3}), \dots, (D_{n}, V_{n})$
(2) Jede Kombination, bei der die Anzahl der mehreren Köpfe überschritten wird, wird ausgeschlossen. Beispielsweise ist der Wegsensor 10 mit drei Stufen an optischen Wegen in dem Hauptinterferometer ausgestattet, der Sensorkopf 20 strahlt Messstrahlen von den jeweiligen optischen Wegen in Richtung des Messobjekts T ab, und die von den jeweiligen optischen Wegen erhaltenen Interferenzstrahlen (Rückstrahlen) werden empfangen (Anzahl der mehreren Köpfe = 3), wie in 5A dargestellt. Wenn es vier oder mehr Höchstwerte gibt, stammt jeder Höchstwert, der über drei Höchstwerte hinausgeht aus dem Rauschen und kann daher aus den Berechnungen ausgeschlossen werden. Wenn die Anzahl der mehreren Köpfe drei beträgt, sind die Paare (D₁, V₁), (D₂, V₂), (D₃, V₃).
(3) Die erhaltenen Paare werden in der Reihenfolge des Abstands neu angeordnet. Wenn die Paare in aufsteigender Reihenfolge des Abstands angeordnet sind, werden sie in der Reihenfolge (D₃, V₃), (D₁, V₁) und (D₂, V₂) angeordnet.
(4) Es werden Spitze-zu-Spitze-Spannungen ermittelt. Mit anderen Worten erhält man eine Spannung V₃₁ bei einem mittleren Abstand D₃₁ zwischen D₃ und D₁, und eine Spannung V₁₂ bei einem mittleren Abstand D₁₂ zwischen D₁ und D₂. Dann wird eine durchschnittliche Spannung V_n mit dem folgenden Ausdruck berechnet: Vn = (V₃₁ + V₁₂) / 2.
(5) Die jeweiligen SNRs werden berechnet. Im Einzelnen erhält man die folgenden SNRs: SN₁ = V₁ / V_n, SN₂ = V₂ / V_n, und SN₃ = V₃ /V_n.
Somit werden die den Höchstwerten entsprechenden Werte als (Abstand, SNR) = (D₁, SN₁), (D₂, SN₂), (D₃, SN₃) auf der Grundlage des Spektrums (Spannung gegen Abstand) berechnet.
Zurück zu 8, in Schritt S34 korrigiert die Verarbeitungseinheit 59 die Abstandswerte aus den Werten (Abstand, SNR), die den Höchstwerten entsprechen, die in Schritt S33 berechnet wurden. Insbesondere sind die drei Kollimationslinseneinheiten 24a bis 24c (Kollimationslinsen 22a bis 22c und die Glasfaserkabel) in Bezug auf die Position in Richtung der optischen Achse des Sensorkopfes 20 gegeneinander verschoben, wie in 6C gezeigt. Daher werden die Abstandswerte D₁, D₂ und D₃, die den jeweiligen Höchstwerten entsprechen, entsprechend der Verschiebung (z.B. h₁, h₂, h₃, usw.) korrigiert.
Als Ergebnis werden die den Höchstwerten entsprechenden Werte berechnet als (korrigierter Abstand, SNR) = (D₁ + h₁, SN₁), (D₂ + h₂, SN₂), (D₃ + h₃, SN₃).
In Schritt S35 mittelt die Verarbeitungseinheit 59 die Abstandswerte aus den Werten, die den in Schritt S34 berechneten Höchstwerten (korrigierter Abstand, SNR) entsprechen. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, dass die Verarbeitungseinheit 59 aus den Höchstwerten entsprechenden Werten (korrigierter Abstand, SNR) diejenigen korrigierten Abstandswerte mit einem SNR mittelt, der mindestens einen Schwellenwert aufweist und das Ergebnis der Mittelwertbildung als Abstand zum Messobjekt T ausgibt.
Nachfolgend wird eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf charakteristischen Konfigurationen, Funktionen und Eigenschaften liegt. Zu beachten ist, dass der folgende Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz dem unter Bezugnahme auf 1 bis 9 beschriebenen Wegsensor 10 entspricht. Einige oder alle der grundlegenden Konfigurationen, Funktionen und Eigenschaften des vorliegenden Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz sind mit den Konfigurationen, Funktionen und Eigenschaften des unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschriebenen Wegsensors 10 identisch.
Ausführungsbeispiel
Konfiguration eines Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz
10 ist ein schematisches Diagramm, das einen Überblick über eine schematische Konfiguration eines Entfernungssensors 100 basierend auf optischer Interferenz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 10 dargestellt, umfasst der Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz eine durchstimmbare Lichtquelle 110, ein Interferometer 120, eine lichtempfangende Einheit 130 und eine Verarbeitungseinheit 140. Das Interferometer 120 umfasst eine Teilungseinheit 121, die einen einfallenden Lichtstrahl in mehrere optische Wege teilt. Kollimationslinsen 122a bis 122c sind in den jeweiligen optischen Wegen angeordnet. Die lichtempfangende Einheit 130 umfasst ein lichtempfangendes Element 131 und eine AD-Wandlereinheit 132.
Es ist anzumerken, dass ein, mehrere oder alle der Teilungseinheit 121, und der Kollimationslinsen 122a bis 122c die das Interferometer 120 umfasst innerhalb des gleichen Gehäuses angeordnet sind, dass als Sensorkopf ausgelegt ist, wie beispielsweise in 6A bis 6C dargestellt. In dem Sensorkopf kann eine Objektivlinse oder mehrere Linsen vor den Kollimationslinsen 122a bis 122c angeordnet sein. Die Objektivlinse oder Linsen können in dem selben Gehäuse enthalten sein oder können abnehmbar angebracht sein.
Die durchstimmbare Lichtquelle 110 ist mir der Teilungseinheit 121 verbunden und emittiert einen Lichtstrahl unter kontinuierlicher Veränderung der Wellenlänge.
Die Teilungseinheit 121 teilt den eintreffenden, von der durchstimmbaren Lichtquelle 110 emittierten Lichtstrahl in Strahlen mit den optischen Wegen A bis C auf und gibt die geteilten Lichtstrahlen so aus, dass diese Lichtstrahlen auf mehrere (hier: drei) Punkte auf dem Messobjekt gestrahlt werden. Die Teilungseinheit 121 kann beispielsweise ein optischer Koppler sein.
Der in den optischen Weg A geteilte Lichtstrahl fungiert als ein Messstrahl, durchläuft die Kollimationslinse 123a und die Objektivlinse 124 über ein Glasfaserkabel, und wird in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt und an dem Messobjekt T reflektiert. Der reflektierte Strahl (erster reflektierter Strahl), der am Messobjekt T reflektiert wurde, kehrt vom vorderen Ende der Glasfaser durch die Kollimationslinse 122a zur Teilungseinheit 121 zurück.
Der Lichtstrahl, der in den optischen Weg A aufgeteilt wird, dient als Messstrahl und wird über ein Glasfaserkabel in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt, aber ein Teil des Lichtstrahls dient als Referenzstrahl und wird an einer Referenzfläche reflektiert. Dabei dient das vordere Ende des Glasfaserkabels als Referenzfläche, und der an dieser Referenzfläche reflektierte Strahl (zweiter reflektierter Strahl) kehrt über das Glasfaserkabel zur Teilungseinheit 121 zurück.
Betrachtet man die von der Teilungseinheit 121 an das Glasfaserkabel in dem optischen Weg A ausgegebenen Lichtstrahlen, so wird der Messstrahl in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt und kehrt als erster reflektierter Strahl über dieses Glasfaserkabel zur Teilungseinheit 121 zurück, und der Referenzstrahl kehrt, als zweiter reflektierter Strahl, der an der Referenzfläche, die das vordere Ende des Glasfaserkabels ist, reflektiert wird, über dieses Glasfaserkabel zur Teilungseinheit 121 zurück. Daher wird ein Interferenzstrahl in Übereinstimmung mit einer Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl gebildet. Mit anderen Worten ist die Differenz der optischen Weglängen die Umlaufdistanz vom vorderen Ende des Glasfaserkabels im optischen Weg A zum Messobjekt T. Das Interferometer 120 bildet einen Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten reflektierten Strahl, und der gebildete Interferenzstrahl dient als Rückstrahl zur Teilungseinheit 121. Es ist anzumerken, dass sowohl die optischen Weglängen des Messstrahls als auch des Referenzstrahls Werte haben können, die durch Multiplikation der räumlichen Länge des optischen Wegs mit einem Brechungsindex erhalten werden.
Ähnlich fungiert der in den optischen Weg B geteilte Lichtstrahl als ein Messstrahl, durchläuft die Kollimationslinse 122b über ein Glasfaserkabel, und wird in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt und an dem Messobjekt T reflektiert. Der reflektierte Strahl (erster reflektierter Strahl), der am Messobjekt T reflektiert wurde, kehrt vom vorderen Ende der Glasfaser durch die Kollimationslinse 122b zur Teilungseinheit 121 zurück. Ein Teil des Lichtstrahls, der in den optischen Weg B aufgeteilt wird, dient als Referenzstrahl und wird an einer Referenzfläche, die das vordere Ende des Glasfaserkabels ist, reflektiert. Der an dieser Referenzfläche reflektierte Strahl (zweiter reflektierter Strahl) kehrt über das Glasfaserkabel zur Teilungseinheit 121 zurück.
Hier wird ein Interferenzstrahl in Übereinstimmung mit einer Differenz der optischen Weglängenzwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl des Lichtstrahls gebildet, der von der Teilungseinheit 121 an das Glasfaserkabel im optischen Weg B ausgegeben wird. Mit anderen Worten ist die Differenz der optischen Weglängen die Umlaufdistanz vom vorderen Ende des Glasfaserkabels im optischen Weg B zu dem Messobjekt T. Das Interferometer 120 bildet einen Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen dem ersten und zweiten reflektierten Strahl, und der gebildete Interferenzstrahl dient als Rückstrahl zur Teilungseinheit 121.
Ähnlich fungiert der in den optischen Weg C geteilte Lichtstrahl als ein Messstrahl, durchläuft die Kollimationslinse 122c über ein Glasfaserkabel, und wird in Richtung des Messobjekts T abgestrahlt und an dem Messobjekt T reflektiert. Der reflektierte Strahl (erster reflektierter Strahl), der am Messobjekt T reflektiert wurde, kehrt vom vorderen Ende der Glasfaser durch die Kollimationslinse 122c zur Teilungseinheit 121 zurück. Ein Teil des Lichtstrahls, der in den optischen Weg C aufgeteilt wird, dient als Referenzstrahl und wird an einer Referenzfläche, die das vordere Ende des Glasfaserkabels ist, reflektiert. Der an dieser Referenzfläche reflektierte Strahl (zweiter reflektierter Strahl) kehrt über das Glasfaserkabel zur Teilungseinheit 121 zurück.
Hier wird ein Interferenzstrahl in Übereinstimmung mit einer Differenz der optischen Weglängenzwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl des Lichtstrahls gebildet, der von der Teilungseinheit 121 an das Glasfaserkabel im optischen Weg C ausgegeben wird. Mit anderen Worten ist die Differenz der optischen Weglängen die Umlaufdistanz vom vorderen Ende des Glasfaserkabels im optischen Weg C zu dem Messobjekt T. Das Interferometer 120 bildet einen Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen dem ersten und zweiten reflektierten Strahl, und der gebildete Interferenzstrahl dient als Rückstrahl zur Teilungseinheit 121.
So wird der von der durchstimmbaren Lichtquelle 110 emittierte, in die Teilungseinheit 121 einfallende Lichtstrahl durch die Teilungseinheit 121 geteilt. In den optischen Wegen A bis C der geteilten Strahlen werden Interferenzstrahlen gebildet, die von den Differenzen der optischen Weglängen zwischen den Messstrahlen, die in Richtung der jeweiligen Punkte auf dem Messobjekt T eingestrahlt werden, und den Referenzstrahlen abhängen, die an den Referenzflächen, die die vorderen Enden der jeweiligen Glasfaserkabel in den optischen Wegen A bis C sind, reflektiert werden. Diese Interferenzstrahlen werden vom Interferometer 120 als Rückstrahlen an die lichtempfangende Einheit 130 ausgegeben.
Anzumerken ist, dass die Differenz der optischen Weglängen zwischen jedem Messstrahl und einem entsprechenden Referenzstrahl so eingestellt ist, dass sie zwischen den drei Punkten (entsprechend den jeweiligen optischen Wegen A bis C) unterschiedlich ist. Die Details der Differenz der optischen Weglängen werden später beschrieben.
Die lichtempfangende Einheit 130 empfängt die Rückstrahlen (Interferenzstrahlen) von dem Interferometer 120. Das lichtempfangende Element 131 in der lichtempfangenden Einheit 130, das beispielsweise ein Photodetektor ist, wandelt die empfangenen Strahlen in elektrische Signale um. Die AD-Wandlereinheit 132 wandelt diese elektrischen Signale aus analogen Signalen in digitale Signale um.
Es ist anzumerken, dass die lichtempfangende Einheit 130 dazu eingerichtet sein kann, als eine einzige lichtempfangende Einheit 130 die optischen Signale einschließlich der Interferenzstrahlen, die den drei Spots (entsprechend den optischen Wegen A bis C) entsprechen, als Rückstrahlen vom Interferometer 120 empfängt, anstatt die Interferenzstrahlen mit separaten lichtempfangenden Untereinheiten zu empfangen. Auf diese Weise wird eine einfache Konfiguration mit geringen Kosten realisiert.
Die Verarbeitungseinheit 140 berechnet die Entfernung zum Messobjekt T auf der Grundlage der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen. Genauer berechnet die Verarbeitungseinheit 140 die Entfernung zum Messobjekt T, indem sie Höchstwerte der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen erfasst und die erfassten Höchstwerte den oben genannten Punkten (entsprechend den optischen Wegen A bis C) zuordnet. Außerdem ist die Verarbeitungseinheit 140 beispielsweise ein Prozessor, der durch eine integrierte Schaltung wie ein FPGA realisiert ist, und kann eine Frequenzumwandlung der digitalen Eingangssignale mittels FFT durchführen und den Abstand zum Messobjekt T auf der Grundlage der Ergebnisse der Frequenzumwandlung berechnen.
11 ist ein Flussdiagramm, das eine Methode zur Berechnung des Abstands zu dem Messobjekt T darstellt, die von der Verarbeitungseinheit 140 ausgeführt wird. Diese Methode umfasst die Schritte S110 bis S150, wie in 11 gezeigt.
In Schritt S110 führt die Verarbeitungseinheit 140 eine Frequenzumwandlung an einem Signal in Wellenform von der lichtempfangenden Einheit 130 mittels FFT durch, wie beispielsweise in Schritt S31 in 8 gezeigt.
In Schritt S120 wandelt die Verarbeitungseinheit 120 die Frequenzspektrum in einen Abstand um, wie beispielsweise in Schritt S32 in 8 gezeigt.
12 zeigt schematisch ein Beispiel für ein abstandsumgewandelte Signalwellenform in Bezug auf die mit der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen. Wie in 12 dargestellt, erscheinen den drei Punkten entsprechende Höchstwerte (entsprechend den optischen Wegen A bis C) in den Rückstrahlen, die von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangen werden.
In Schritt S130 assoziiert die Verarbeitungseinheit 140 beispielsweise einen Höchstwert mit einem Abstandswert Da zu dem Punkt entsprechend dem optischen Weg A, einen Höchstwert mit einem Abstandswert Db zu dem Punkt entsprechend dem optischen Weg B, und einen Höchstwert mit dem Abstandswert Dc zu dem Punkt entsprechend dem optischen Weg C.
In Schritt S140 korrigiert die Verarbeitungseinheit 140 die Abstandswerte Da bis Dc entsprechend der Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel, die in den jeweiligen optischen Wegen angeordnet sind. Wie oben erwähnt, sind die optischen Wege A bis C so eingerichtet, dass die Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend den drei Punkten aufgeteilt werden, unterschiedlich ist. Als Ergebnis werden die Positionen der vorderen Enden der in den optischen Wegen A bis C angeordneten Glasfaserkabel in Richtung der optischen Achse gegeneinander verschoben. Daher korrigiert die Verarbeitungseinheit 140 die Abstandswerte Da bis Dc entsprechend den Verschiebungswerten und berechnet den Abstand zum Messobjekt T durch Mittelung dieser, entsprechend den Verschiebungswerten korrigierten, Abstandswerte. Was die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel betrifft, können die Kollimationslinseneinheiten, in die die vorderen Enden der jeweiligen Glasfaserkabel eingeführt werden, in Bezug auf die Position in Richtung der optischen Achse verschoben werden, wie beispielsweise in 6C gezeigt.
Da die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel, die in den optischen Wegen A bis C angeordnet sind, in Richtung der optischen Achse verschoben sind, ist die Differenz der optischen Weglängen in den optischen Wegen A bis C unterschiedlich. Die Höchstwerte der Rückstrahlen, die von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangen werden, entsprechend den jeweiligen der drei Punkte (entsprechend der optischen Wege A bis C), erscheinen in verschobener Art und Weise und können daher angemessen detektiert werden.
Als nächstes wird eine kohärente FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave) beschrieben.
13 ist ein Diagramm, das eine kohärente FMCW darstellt. Wie oben erwähnt, emittiert die durchstimmbare Lichtquelle 110 einen Lichtstrahl und variiert kontinuierlich die Wellenlänge (Frequenz). Ein Interferenzstrahl wird, basierend auf einer Differenz der optischen Weglängen zwischen einem Messstrahl, der in Richtung des Messobjekts abgestrahlt und reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der ein einer Referenzfläche reflektiert wird, die das vorderes Ende der Glasfaser ist, gebildet.
Der von der durchstimmbaren Lichtquelle 110 emittierte Lichtstrahl verursacht Interferenz, da der Messstrahl in Bezug auf den Referenzstrahl durch die Differenz der optischen Weglängen verzögert wird, wie in 13 dargestellt. Die lichtempfangende Einheit 130 empfängt dann die Interferenz als ein Überlagerungssignal (Interferenzstrahl), das eine Überlagerungsfrequenz hat, die die Frequenzdifferenz des Messstrahl und des Referenzstrahls ist. Die Überlagerungsfrequenz fb wird durch den folgenden Ausdruck ermittelt: fb = δf / T · 2Ln / c (δf: Frequenzabtastbreite, T: Abtastzeit, L: Differenz der optischen Weglänge, n: Brechungsindex in der Differenz der optischen Weglängen, c: Lichtgeschwindigkeit).
Weiterhin führt die Verarbeitungseinheit 140 eine Frequenzanalyse mittels FFT durch und daher erscheint, wie oben beschrieben, eine Distanz zu dem Messobjekt als ein Höchstwert in der Signalwellenform. Die Klarheit, mit der ein Höchstwert erscheint, hängt von der Abstandsauflösung ab. Die Abstandsauflösung δL_FWHM ergibt sich aus dem folgenden Ausdruck: δL_FWHM = c / nδf (c: Lichtgeschwindigkeit, n: Brechungsindex in der Differenz der optischen Weglänge, δf: Frequenzabtastbreite).
In anderen Worten ist möglich, durch Erhöhung der Frequenzabtastbreite δf die Abstandsauflösung δL_FWHM zu reduzieren, und die Halbwertsbreite des Höchstwerts zu reduzieren, um die Höchstwerte deutlicher erscheinen zu lassen. Als Ergebnis kann der Abstand zu dem Messobjekt genauer berechnet werden.
Wenn mehrere Höchstwerte in der Signalwellenform erscheinen, wie in der vorliegenden Ausführungsform, ist die Differenz ΔL der Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messtrahl und dem Referenzstrahl zwischen den optischen Wegen A bis C vorzugsweise größer als die Abstandsauflösung δL_FWHM, so dass die den drei Punkten (entsprechend den drei Wegen A bis C) entsprechenden Höchstwerte klar erscheinen und angemessen ermittelt werden können.
In Schritt S150 mittelt die, entsprechend den Verschiebungswerten der Glasfaserkabel, korrigierten Abstandswerte entsprechend der in Schritt S140 berechneten Höchstwerte, wie in Schritt S35 in 8 gezeigt, und verwendet das berechnete Mittel als den Abstand zu dem Messobjekt T.
Verarbeitung unter Berücksichtigung des Verschwindens von Höchstwerten
Wie oben beschrieben ist der Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz dazu eingerichtet, die Entfernung zu dem Messobjekt T angemessen zu messen, indem die Höchstwerte der Rückstrahlen, die durch die lichtempfangende Einheit 130 empfangen werden, die den drei Punkten (entsprechend den drei optischen Wegen) entsprechen, klar dargestellt werden. Jedoch gibt es Fälle, in denen die Höchstwerte, beispielsweise auf Grund der Form des Messobjekts, Rauschen der Umgebung, verschwinden.
14 ist ein Flussdiagramm, das eine Methode zur Berechnung des Abstands zu dem Messobjekt T zeigt, wobei Fälle berücksichtigt werden, in denen Höchstwerte der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangene Rückstrahlen verschwinden. Diese Methode umfasst die Schritte S210 bis S310.
Die Schritte S210 und S220 sind die gleichen Schritte wie S110 und S120 und wurden mit Bezug auf 11 beschrieben.
In Schritt S230 detektiert die Verarbeitungseinheit 140 Höchstwerte in einem Signal, das durch die Abstandsumwandlung der durch die lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen in ein Spektrum (Spannung gegen Abstand) erhalten wurde, und ermittelt die Anzahl der Höchstwerte N. Zum Beispiel kann die Anzahl der Höchstwerte, deren Signalintensität nicht kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert Th1 ist, detektiert werden.
15 zeigt schematisch, wie Höchstwerte auf der Grundlage eines Signals erkannt werden, das einer Abstandsumwandlung in ein Spektrum unterzogen wird (Spannung gegen Abstand). Wie in 15 dargestellt, erkennt die Verarbeitungseinheit 140 S1, S2 und S3 mit Signalintensitäten, die nicht kleiner als der Schwellenwert Th1 sind, als Höchstwerte. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinheit 140 die Anzahl der Höchstwerte auf drei festlegen.
Dabei kann der Schwellenwert Th1 voreingestellt sein oder dynamisch variieren. Beispielsweise kann für jeden Höchstwert ein SNR berechnet werden, nachdem das Rauschen zwischen den Höchstwerten geschätzt wurde, und die Anzahl der Höchstwerte mit Signalintensitäten, die den vorgegebenen Schwellenwert Th1 überschreiten (z. B. SNR > 9), kann erkannt werden.
Wenn der vorgegebene Schwellenwert Th1 dynamisch variiert, kann beispielsweise der Rauschpegel situationsabhängig ermittelt und die Anzahl der in den Rückstrahlen enthaltenen Höchstwerte angemessen erfasst werden, auch wenn sich die Lichtmenge, der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen geändert hat, z. B. aufgrund einer Änderung der Art des Messobjekts T oder der Umgebung.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Fälle betrachtet, in denen die Anzahl der detektierten Höchstwerte N „0: drei Höchstwerte sind verschwunden“, „1: zwei Höchstwerte sind verschwunden“, „2: ein Höchstwert ist verschwunden“ und „3: kein Höchstwert ist verschwunden“ ist, und zwar in Bezug auf die Höchstwerte, die den drei Punkten (entsprechend den optischen Wegen A bis C) entsprechen.
Zurück zu 14: Wenn in Schritt S230 die Anzahl der Höchstwerte N gleich 0 ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S310 über. In Schritt S310 gibt die Verarbeitungseinheit 140 eine Fehlermeldung oder den zuvor berechneten Abstandswert aus. Als ein konkretes Beispiel kann die Verarbeitungseinheit 140 den Abstand zum Messobjekt T nicht berechnen, wenn kein Höchstwert erkannt wird. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinheit 140 beispielsweise eine Fehlermeldung in der Anzeigeeinheit 31 in der Steuereinheit 30 anzeigen. Alternativ kann die Verarbeitungseinheit 140 anstelle oder zusätzlich zur Anzeige einer Fehlermeldung den zuvor berechneten Abstandswert anzeigen.
Wenn in Schritt S230 die Anzahl der Höchstwerte N gleich 1 ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S241 über. In Schritt S241 berechnet die Verarbeitungseinheit 140 für den einen erkannten Höchstwert einen Abstandswert D1 auf der Grundlage dieses Höchstwerts.
In Schritt S242 liest die Verarbeitungseinheit 140 Informationen über in der Vergangenheit detektierte Höchstwerte aus. Insbesondere werden Informationen über die größten Höchstwerte der erfassten Höchstwerte der Rückstrahlen, die in der Vergangenheit von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangen wurden, im Speicher abgelegt. Zum Beispiel liest die Verarbeitungseinheit 140 aus dem Speicher die Ordnungsnummern k der größten Höchstwerte, die von der Teilungseinheit 121 in die jeweiligen optischen Pfaden A bis C aufgeteilt wurden, und die Abstandswerte Dmax, die den größten Höchstwerten entsprechen.
In Schritt S243 vergleicht die Verarbeitungseinheit 140 den in Schritt S241 berechneten Abstandswert D1 mit den Abstandswerten Dmax, die den Ordnungsnummern k (Punkte, die den optischen Pfaden A bis C entsprechen) entsprechen, und bestimmt, welcher Ordnungsnummer k (Punkt, der einem der optischen Pfade A bis C entspricht) der Abstandswert D1 entspricht. Konkret berechnet die Verarbeitungseinheit 140 eine Differenz Dgap zwischen dem Abstandswert D1 und jedem der Abstandswerte Dmax, die den jeweiligen Ordnungsnummern k (Punkte, die den jeweiligen optischen Pfaden A bis C entsprechen) entsprechen. Wenn die Differenz Dgap nicht größer als ein vorbestimmter Schwellenwert Th2 (innerhalb eines Bereichs) ist, bestimmt die Verarbeitungseinheit 140, dass der Abstandswert D1 der Ordnungsnummer k (einer der Punkte, die den optischen Pfaden A bis C entsprechen) entspricht.
16 zeigt, wie die Verarbeitung in den Schritten S241 bis S243 auf der Grundlage nur eines erkannten Höchstwerts S1 durchgeführt wird. Wie in 16 dargestellt, sind zwei Höchstwerte verschwunden und nur ein Höchstwert S1 wird erkannt. Der Abstandswert D1 wird auf der Grundlage dieses Höchstwerts S1 berechnet (Schritt S241). Dgap (|Dmax - D1|) wird berechnet, indem der Abstandswert D1 mit dem Abstandswert Dmax verglichen wird, der der Ordnungszahl k entspricht (Punkt, der dem einen der optischen Pfade A bis C entspricht), der in der Vergangenheit gespeichert wurde.
Beispielsweise wird hier angenommen, dass der Abstandswert D1 nahe dem Abstandswert Dmax mit der Ordnungszahl k, die dem optischen Pfad A = 1 entspricht, liegt und Dgap (|Dmax - D1|) im Bereich eines vorgegebenen Schwellenwertes Th2 liegt. Es kann also festgestellt werden, dass der Abstandswert D1, der dem Höchstwert S1 entspricht, ein Abstandswert ist, der dem Höchstwert entspricht, auf Basis des dem optischen Weg A entsprechenden Punkts.
Liegt dagegen Dgap (|Dmax - D1|) nicht im Bereich des vorgegebenen Schwellenwerts Th2, kann der Abstandswert D1, der dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Höchstwert S1 entspricht, nicht auf der Grundlage des Abstandswertes Dmax bestimmt werden, der den in der Vergangenheit gespeicherten Ordnungszahlen k (Punkten, die den optischen Pfaden A bis C entsprechen) entspricht. Dann wird festgestellt, dass ein Fehler aufgetreten ist, und die Verarbeitung geht zu Schritt S310 über.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, selbst wenn nur ein Höchstwert erkannt wird, einen erheblichen Fehler bei der Bestimmung des Abstandswertes zu vermeiden, indem der Abstandswert mit den Informationen über die größten Höchstwerte verglichen wird, die unter den in der Vergangenheit detektierten Höchstwerten gespeichert sind.
Zurück zu 14: wenn in Schritt S230 die Anzahl der Höchstwerte N gleich 2 ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S251 über. In Schritt S251 berechnet die Verarbeitungseinheit 140 für die beiden erkannten Höchstwerte die Abstandswerte D1 und D2 auf der Grundlage dieser Höchstwerte.
In Schritt S252 berechnet die Verarbeitungseinheit 140 einen Höchstwert zu Höchstwert-Abstand (Peak-to-Peak) d1 zwischen den Abstandswerten D1 und D2 auf der Grundlage der zwei Höchstwerte.
In Schritt S253 bestimmt die Verarbeitungseinheit 140 die optischen Wege A bis C, denen die Abstandswerte D1 und D2 entsprechen, auf der Grundlage des Höchstwert-zu-Höchstwert Abstands d1, der in Schritt S252 berechnet wurde und die Differenzen der optischen Weglängen in den optischen Wegen A bis C.
17 zeigt, wie die Verarbeitung in den Schritten S251 bis S253 auf der Grundlage von zwei erkannten Höchstwerten S1 und S2 durchgeführt wird. Wie in 17 dargestellt, ist ein Höchstwert verschwunden und zwei Höchstwerte S1 und S2 werden erkannt. Die Abstandswerte D1 und D2 auf der Grundlage dieser Höchstwerte S1 und S2 werden berechnet (Schritt S251). Dann wird der Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand d1 zwischen den Abstandswerten D1 und D2 auf der Grundlage der beiden jeweiligen Höchstwerte berechnet (Schritt S252).
Dabei werden die jeweiligen Differenzen der optischen Weglängen so eingestellt, dass anhand des Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstands d1 bestimmt werden kann, welchem der optischen Wege A bis C die beiden Höchstwerte S1 und S2 entsprechen. Die Höchstwerte, die den drei Punkten (die den optischen Wegen A bis C entsprechen) entsprechen, erscheinen verschoben zueinander, da die Differenzen der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl zwischen den optischen Wegen A bis C unterschiedlich ist, wie in Bezug auf die 12 und 13 beschrieben. Die Beziehung zwischen dem Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand und den Höchstwerten, die den drei jeweiligen Punkten (entsprechend den optischen Wegen A bis C) entsprechen, wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand und den Höchstwerten, die den drei jeweiligen Punkten (die den optischen Wegen A bis C entsprechen) entsprechen, veranschaulicht. 18 zeigt einen Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand h1 zwischen den Höchstwerten A und B und einen Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand h2 zwischen den Höchstwerten B und C für die Höchstwerte, die den drei jeweiligen Punkten entsprechen (die den optischen Wegen A bis C entsprechen).
Wenn die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel in den optischen Wegen A bis C so angeordnet sind, dass die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Wegen A bis C unterschiedlich ist und h1 ≠ h2 gilt, kann, wenn beispielsweise ein Höchstwert verschwunden ist und der Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand zwischen den beiden erfassten Höchstwerten h1 beträgt, festgestellt werden, dass der Höchstwert C verschwunden ist und die Höchstwerte A und B detektiert wurden. Wenn der Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand zwischen den beiden erfassten Höchstwerten h2 ist, kann festgestellt werden, dass der Höchstwert A verschwunden ist und die Höchstwerte B und C erfasst wurden. Beträgt der Abstand zwischen den beiden erfassten Höchstwerten h1 + h2, so kann festgestellt werden, dass der Höchstwert B verschwunden ist und die Höchstwerte A und C erfasst wurden.
Sind dagegen die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel in den optischen Wegen A bis C so angeordnet, dass die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Wegen A bis C unterschiedlich ist und h1 = h2, ist es schwierig, anhand des Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstands zwischen den beiden detektierten Höchstwerten zu bestimmen, welchem der optischen Wege A bis C die beiden detektierten Höchstwerte entsprechen, wenn beispielsweise ein Höchstwert verschwunden ist.
So kann, wenn ein Höchstwert verschwunden ist und zwei Höchstwerte erkannt wurden, bestimmt werden, welchem der optischen Wege A bis C die beiden Höchstwerte entsprechen, wenn die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel in den optischen Wegen A bis C im Voraus so angeordnet sind, dass die aus den jeweiligen Kombinationen von Höchstwerten berechneten Höchstwerte-zu- Höchstwert-Abstände unterschiedlich sind (Schritt S253).
Wenn auf der Grundlage des Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstands zwischen zwei Höchstwerten bestimmt wird, welchem der optischen Wege A bis C die zwei Höchstwerte entsprechen, kann beispielsweise ein vorgegebener Bereich für den Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand zugelassen werden. Zum Beispiel kann bestimmt werden, dass der Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstand zwischen zwei Höchstwerten h1 oder h2 ist, die vorbestimmt sind, wenn er im Bereich von ±10 % von h1 oder h2 liegt. In diesem Fall werden jedoch die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel in den optischen Wegen A bis C im Voraus so angeordnet, dass 0,9 * h2 - 1,1 * h1 > 0 erfüllt ist und sich die zulässigen Bereiche für h1 und h2 nicht überschneiden.
Zurück zu 14: wenn in Schritt S230 die Anzahl der Höchstwerte N gleich 3 ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S260 über. In Schritt S260 berechnet die Verarbeitungseinheit 140 für die drei erkannten Höchstwerte die Abstandswerte D1, D2 und D3 auf der Grundlage dieser Höchstwerte.
19 zeigt, wie die Verarbeitung in Schritt S260 auf der Grundlage der drei erfassten Höchstwerte S1, S2 und S3 ausgeführt wird. Wie in 19 gezeigt, ist hier kein Höchstwert verschwunden, und drei Höchstwerte S1, S2 und S3 werden detektiert, und die Abstandswerte D1, D2 und D3 werden auf Grundlage dieser Höchstwerte S1, S2 und S3 berechnet.
Zurück zu 14: in Schritt S270 speichert die Verarbeitungseinheit 140 im Speicher Informationen über den größten Höchstwert unter den detektierten Höchstwerten der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen. Wenn beispielsweise ein Höchstwert erkannt wurde, speichert die Verarbeitungseinheit 140 im Speicher die Ordnungsnummer k (Ordnungsnummer, die einen der optischen Wege A bis C angibt), die dem Höchstwert entspricht, und den Abstandswert Dmax davon. Wenn zwei oder drei Höchstwerte erkannt wurden, speichert die Verarbeitungseinheit 140 im Speicher die Ordnungsnummer k (Ordnungsnummer, die einen der optischen Wege A bis C angibt), die dem größten Höchstwert der detektierten Höchstwerte entspricht, und den Abstandswert Dmax für den größte Höchstwert. Die Ordnungszahl k, die einen der optischen Wege A bis C angibt, und der Entfernungswert Dmax für diese Ordnungszahl, die so im Speicher abgelegt sind, werden in den oben genannten Schritten S241 und S243 während der nächsten und nachfolgenden Messungen verwendet.
In Schritt S280 korrigiert die Verarbeitungseinheit 140 die Abstandswerte, die den in Schritt S243, S253 oder S260 erfassten Höchstwerten entsprechen, in Übereinstimmung mit den Positionen der vorderen Enden der in den optischen Wegen A bis C angeordneten Glasfaserkabel. Insbesondere da die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel, die in den optischen Wegen A bis C angeordnet sind, in Richtung der optischen Achse verschoben sind, kann die Verarbeitungseinheit 140 die Abstandswerte, die dem in Schritt S243, S253 oder S260 erfassten Höchstwert entsprechen, basierend auf den Verschiebungswerten korrigieren, wie in Schritt S34, der unter Bezugnahme auf 8 beschrieben ist, und in Schritt S140, der unter Bezugnahme auf 11 beschrieben ist.
In Schritt S290 mittelt die Verarbeitungseinheit 140 die Abstandswerte, die in Schritt S280 korrigiert wurden.
20 zeigt, wie die Abstandswerte, die den detektierten Höchstwerten entsprechen, auf der Grundlage der Verschiebungswerte der vorderen Enden der Glasfaserkabel, die in den optischen Wegen A bis C angeordnet sind, in Richtung der optischen Achse, korrigiert werden und dann gemittelt werden. Wie in 20 gezeigt, werden, wenn beispielsweise die Position des vorderen Endes des im optischen Weg B angeordneten Glasfaserkabels als Referenz dient, die Abstandswerte D1 und D3 basierend auf den Höchstwerten, die den optischen Wegen A und C entsprechenden, jeweils als D1 + h1 beziehungsweise D3 - h2 korrigiert, basierend auf dem Referenzabstandswert D2, der auf dem dem optischen Weg B entsprechenden Höchstwert basiert.
Die Verarbeitungseinheit 140 kann dann den Abstand zu dem Messobjekt T durch Mitteln von D1 + h1, D2, und D3 - h2 berechnen.
Darüber hinaus kann die Verarbeitungseinheit 140 auch Höchstwerte mit Signalintensitäten auswählen, die nicht kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert Th3 sind, und die den ausgewählten Höchstwerten entsprechenden Abstandswerte mitteln. Beispielsweise kann die Hälfte von S1, die die größte Signalintensität von mehreren Höchstwerten aufweist, als Schwellenwert Th3 festgelegt werden, und der Abstand zum Messobjekt T kann durch Mittelung der Abstandswerte (hier D1 + h1, D2, D3 - h2) berechnet werden, die den Höchstwerten mit Signalintensitäten entsprechen, die nicht kleiner als der Schwellenwert Th3 sind. Der Abstand zum Messobjekt T kann mit höherer Genauigkeit berechnet werden, da nur die Abstandswerte, die den Höchstwerten mit großen Signalintensitäten entsprechen, gemittelt werden und die Abstandswerte, die den weniger zuverlässigen oder ungenauen Höchstwerten entsprechen, nicht berücksichtigt werden.
In Schritt S300 gibt die Verarbeitungseinheit 140 den in Schritt S290 gemittelten Abstandswert aus. Beispielsweise zeigt die Verarbeitungseinheit 140 den im Schritt S290 berechneten Abstand zum Messobjekt T in der Anzeigeeinheit 31 an und/oder gibt den berechneten Abstand über die externe I/F-Einheit 33 an das Steuergerät 11, das extern angeschlossene Gerät 13 oder dergleichen aus.
Es ist anzumerken, dass die Verarbeitungseinheit 140 hier die Frequenz in Schritt S220 unmittelbar nach Schritt S210 in einen Abstand umwandelt und in den nachfolgenden Schritten Abstandswerte vergleicht und berechnet. Die Abstandsumwandlung in Schritt S220 muss jedoch nicht unmittelbar nach Schritt S210 durchgeführt werden. Die Verarbeitungseinheit 140 kann alternativ beispielsweise in Schritt S210 oder einem beliebigen nachfolgenden Schritt die Frequenzen vergleichen und berechnen und unmittelbar vor Schritt S300 die Frequenzen in die Entfernung umrechnen. Das Gleiche gilt für die Abstandsumwandlung (Schritte S32 und S120), die in 8 und 11 dargestellt sind.
Wie oben beschrieben, strahlt das Interferometer 120 gemäß dem Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz der vorliegenden Erfindung Lichtstrahlen, die entsprechend drei Punkten aufgeteilt sind, in Richtung des Messobjekts T aus, um Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen Messstrahlen, die in Richtung des Messobjekts T gestrahlt werden und am Messobjekt T reflektiert werden, und Referenzstrahlen, die optische Wege durchlaufen, die sich zumindest teilweise von denen der Messstrahlen unterscheiden, zu bilden, und gibt die gebildeten Interferenzstrahlen als Rückstrahlen aus. Die lichtempfangende Einheit 130 empfängt die Rückstrahlen des Interferometers 120. Die Verarbeitungseinheit 140 detektiert die Höchstwerte der Rückstrahlen und berechnet den Abstand zum Messobjekt T, indem sie die detektierten Höchstwerte den Punkten zuordnet. Die Differenz der optischen Weglängen zwischen einem Messstrahl und einem entsprechenden Referenzstrahl wird zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend den drei Punkten aufgeteilt werden, unterschiedlich gemacht. Daher können die Höchstwerte in geeigneter Weise erfasst werden, und der Abstand zum Messobjekt T kann auf Grundlage der den erfassten Höchstwerten entsprechenden Abstandswerten mit hoher Genauigkeit berechnet werden. Mit anderen Worten ist es möglich, die den drei Punkten (entsprechend den optischen Wegen A bis C) entsprechenden Höchstwerte zu erkennen und den Abstand zum Messobjekt T mit hoher Genauigkeit auf Grundlage der den Höchstwerten entsprechenden Abstandswerten zu messen.
Darüber hinaus kann, selbst wenn ein Signal eines Höchstwerts aufgrund von Speckle (Lichtfleck) verloren geht, ein detektierter Höchstwert angemessen bestimmt werden, indem detektierte Höchstwert mit Informationen bezüglich des größten Höchstwerts verglichen wird, die aus den in der Vergangenheit detektierten Höchstwerten gespeichert wurden, oder indem die Position der vorderen Enden der Glasfaserkabel in den optischen Wegen A bis C angeordnet werden und die Höchstwert-zu-Höchstwert-Abstände angemessen eingestellt werden, so dass die Differenz der optische Weglängen zwischen den optischen Wegen A bis C unterschiedlich ist.
Es ist anzumerken, dass die Teilungseinheit 121 in der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert ist, dass sie einen Lichtstrahl von der durchstimmbaren Lichtquelle 110 in Strahlen mit drei optischen Wegen A bis C aufteilt und Messstrahlen in Richtung dreier Punkte auf dem Messobjekt T abstrahlt. Jedoch gibt es in dieser Hinsicht keine Einschränkung. Die Anzahl der geteilten optischen Wege und die Anzahl der Punkte kann beispielsweise zwei, vier oder mehr betragen.
Der Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auch eine Justiereinheit enthalten. Insbesondere kann der Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz eine Justiereinheit zum Justieren der Lichtmenge der Rückstrahlen, die von der in 10 dargestellten lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen werden, enthalten.
21 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie die Justiereinheit die Lichtmenge der empfangenen Rückstrahlen justiert. Wenn es zum Beispiel einen Unterschied in der Lichtmenge zwischen dem Rückstrahl aus dem optischen Weg A und dem Rückstrahl aus dem optischen Weg B gibt, wie in 21 gezeigt, besteht die Möglichkeit, dass Höchstwerte aus den Rückstrahlen, die von der lichtempfangenden Einheit 130, die aus einer lichtempfangenden Einheit besteht, empfangen werden, aufgrund des Rauschens eines Höchstwerts mit einer großen Lichtmenge, die den andere Höchstwert auslöscht, nicht angemessen erfasst werden können.
Daher ist die Justiereinheit so eingerichtet, dass sie eine geeignete Detektion der Höchstwerte ermöglicht, indem sie die Lichtmenge der Rückstrahlen aus den jeweiligen optischen Wegen ausgleicht.
Die Verarbeitungseinheit 140 des Entfernungssensors 100 basierend auf optischer Interferenz gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auch den Abstand zum Messobjekt T mittels Unterpixelschätzung berechnen. Die Verarbeitungseinheit 140 führt eine Frequenzumwandlung der von der lichtempfangenden Einheit 130 empfangenen Rückstrahlen mittels FFT durch und erzeugt anschließend eine Signalwellenform, die durch Umwandlung der frequenzanalysierten diskreten Werte in den Abstand mittels Unterpixelschätzung bei der Durchführung der Abstandsumwandlung erhalten wird.
22 zeigt, wie die in Abstand umgewandelte Signalwellenform mittels Unterpixelschätzung erzeugt wird. Wie in 22 gezeigt, wird die Signalwellenform durch die Umwandlung von mehreren diskreten Werten in einen Abstand als kontinuierliche Daten erzeugt, während eine Dateninterpolation mittels Unterpixelschätzung durchgeführt wird.
Auf diese Weise wird ein Höchstwert auf der Grundlage der Signalwellenform erkannt, die in geeigneter Weise in einen Abstand umgewandelt wird, und als Ergebnis kann der Abstand zum Messobjekt T mit höherer Genauigkeit berechnet werden.
Variation des Interferometers
In der obigen Ausführungsform verwendet der Entfernungssensor 100 basierend auf optischer Interferenz ein Fizeau-Interferometer, das einen Interferenzstrahl bildet, indem es die vorderen Enden (Endfläche) des Glasfaserkabels in jedem der durch die Teilungseinheit 121 unterteilten optischen Wege A bis C als Referenzflächen (Referenzstrahl und reflektierter Strahl davon) verwendet. Das Interferometer ist jedoch nicht darauf beschränkt.
23A bis 23C zeigen Varianten von Interferometern, die einen Interferenzstrahl unter Verwendung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls bilden. In 23A sind die Positionen der vorderen Enden der Glasfaserkabel in Richtung der optischen Achse verschoben, so dass die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Wegen A bis C, die durch die Teilungseinheit 121 aufgeteilt werden, unterschiedlich ist, während das vordere Ende (Endfläche) jedes Glasfaserkabels als Referenzfläche verwendet wird. Dies ist die Konfiguration des Interferometers 120 (Fizeau-Interferometer) des Entfernungssensors 100 basierend auf optischer Interferenz gemäß der obigen Ausführungsform. Die Referenzfläche kann alternativ so konfiguriert werden, dass ein Lichtstrahl aufgrund eines Unterschieds im Brechungsindex zwischen dem Glasfaserkabel und der Luft reflektiert wird (Fresnel-Reflexion). Außerdem kann das vordere Ende jedes Glasfaserkabels mit einer reflektierenden Schicht überzogen sein. Alternativ kann auch eine Konfiguration verwendet werden, bei der eine nicht reflektierende Beschichtung auf das vordere Ende jedes Glasfaserkabels aufgebracht wird und eine reflektierende Oberfläche, wie zum Beispiel eine Linsenoberfläche, separat angeordnet ist.
In 23B werden in den von der Teilungseinheit 121 geteilten optischen Wegen A bis C optische Messwege Lm1 bis Lm3 zur Führung von Messstrahlen zum Messobjekt T und optische Referenzwege Lr1 bis Lr3 zur Führung von Referenzstrahlen gebildet. An den vorderen Enden der Referenzlichtwege Lr1 bis Lr3 sind Referenzflächen angeordnet (Michelson-Interferometer). Die Referenzflächen können durch Beschichtung der vorderen Enden der Glasfaserkabel mit reflektierenden Schichten oder durch Aufbringen einer nicht reflektierenden Beschichtung auf die vorderen Enden der Glasfaserkabel und durch separate Anordnung von reflektierenden Flächen wie Linsenflächen erzielt werden. In dieser Konfiguration haben die optischen Messwege Lm1 bis Lm3 die gleiche optische Weglänge, während die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Referenzwegen Lr1 bis Lr3 vorgesehen ist, wodurch die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Wegen A bis C unterschiedlich ist. Das optische Design im Sensorkopf kann vereinfacht werden, da die optischen Weglängen der optischen Messweg Lm1 bis Lm3 identisch gemacht werden können.
In 23C werden in den optischen Wegen A bis C, die durch die Teilungseinheit 121 geteilt werden, optische Messwege Lm1 bis Lm3 zur Führung von Messstrahlen zum Messobjekt T und optische Referenzwege Lr1 bis Lr3 zur Führung von Referenzstrahlen gebildet. In den optischen Referenzwegen Lr1 bis Lr3 sind Ausgleichsdetektoren angeordnet (Mach-Zehnder-Interferometer). In dieser Konfiguration haben die optischen Messwege Lm1 bis Lm3 die gleiche optische Weglänge, während die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Referenzwegen Lr1 bis Lr3 vorgesehen ist, wodurch die Differenz der optischen Weglängen zwischen den optischen Wegen A bis C unterschiedlich ist. Das optische Design im Sensorkopf kann somit vereinfacht werden, da die optischen Weglängen der optischen Messwege Lm1 bis Lm3 identisch gemacht werden können.
Das Interferometer ist also nicht auf das oben beschriebene Fizeau-Interferometer beschränkt, sondern kann beispielsweise ein Michelson-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer sein. Es kann jede Art von Interferometer oder eine Kombination dieser Interferometer oder eine andere Konfiguration verwendet werden, solange ein Interferenzstrahl durch Einstellung der Differenz der optischen Weglängen zwischen einem Messstrahl und einem Referenzstrahl gebildet werden kann.
Der in der vorliegenden Ausführungsform beschriebene Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz kann als Wegsensor, Entfernungsmesser, Lidar oder dergleichen zur Messung der Entfernung zum Messobjekt T verwendet werden.
Die oben beschriebene Ausführungsform soll das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern, und beabsichtigt nicht, die vorliegende Erfindung in einer begrenzenden Weise zu interpretieren. Die durch die Ausführungsform bereitgestellten Elemente und die Anordnungen, Materialien, Bedingungen, Formen, Größen und dergleichen dieser Elemente sind nicht auf die als Beispiele beschriebenen beschränkt und können gegebenenfalls geändert werden. Die in verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen können teilweise ersetzt oder kombiniert werden.
Ergänzende Anmerkungen
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz, umfassend:

eine Lichtquelle (110), die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert;
ein Interferometer (120), das eine Teilungseinheit (121) enthält, die dazu eingerichtet ist, den von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl in Lichtstrahlen aufzuteilen, die in Richtung mehrerer Punkte auf einem Messobjekt (T) ausgestrahlt werden, wobei das Interferometer (120) dazu eingerichtet ist, Interferenzstrahlen mit den Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, zu bilden, wobei jeder der Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der in Richtung des Messobjekts (T) ausgestrahlt und an dem Messobjekt (T) reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest teilweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet, gebildet wird;
eine lichtempfangende Einheit (130), die dazu eingerichtet ist, die Interferenzstrahlen des Interferometers zu empfangen; und
eine Verarbeitungseinheit (140), die dazu eingerichtet ist, einen Höchstwert der empfangenen Interferenzstrahlen zu ermitteln, und einen Abstand zu dem Messobjekt zu berechnen, indem sie den ermittelten Höchstwert einem der mehreren Punkte zuordnet,
wobei sich für die Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, die Differenzen der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl unterscheiden.

Bezugszeichenliste

1: Sensorsystem
10: Wegsensor
11: Steuergerät
12: Steuersignaleingangssensor
13: externes angeschlossenes Gerät
20: Sensorkopf
21: Objektivlinse
22, 22a bis 22c: Kollimationslinse
23: Objektivlinsenhalter
24, 24a bis 24c: Kollimationslinseneinheit
30: Steuergerät
31: Anzeigeeinheit
32: Einstellungseinheit
33: Externe Schnittstellen (I/F) Einheit
34: Glasfaserkabelanschluss
35: externe Speichereinheit
36: Messungsverarbeitungseinheit
40: Glasfaserkabel
51: durchstimmbare Lichtquelle
52: optischer Verstärker
53, 53a bis 53b: Isolator
54, 54a bis 54j: optischer Koppler
55: Dämpfungsglied
56a bis 56c: lichtempfangendes Element
57: Multiplexerschaltung
58: AD-Wandlereinheit
59: Verarbeitungseinheit
60: Gleichgewichtsdetektor
61: Korrektursignalerzeugungseinheit
71a bis 71e: lichtempfangendes Element
72a bis 72c: Verstärkerschaltung
73: Multiplexerschaltung
74: AD-Wandlereinheit
75: Verarbeitungseinheit
76: Differenzverstärkerschaltung
77: Korrektursignalerzeugungseinheit
100: Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz
110: durchstimmbare Lichtquelle
120: Interferometer
121: Teilungseinheit
122a bis 122c: Kollimationslinse
130: lichtempfangende Einheit
131: lichtempfangendes Element
132: AD-Wandlereinheit
140: Verarbeitungseinheit
T: Messobjekt
Lm1 bis Lm3: optischer Messweg
Lr1 bis Lr3: optischer Referenzweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2686124 A [0004, 0005]

Claims

Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz, umfassend: eine Lichtquelle (51, 110), die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert; ein Interferometer (120), das eine Teilungseinheit (121) enthält, die dazu eingerichtet ist, den von der Lichtquelle (51, 110) emittierten Lichtstrahl in Lichtstrahlen aufzuteilen, die in Richtung mehrerer Punkte auf einem Messobjekt (T) ausgestrahlt werden, wobei das Interferometer (120) dazu eingerichtet ist, Interferenzstrahlen mit den Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, zu bilden, wobei jeder der Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der in Richtung des Messobjekts (T) ausgestrahlt und an dem Messobjekt (T) reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest teilweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet, gebildet wird; eine lichtempfangende Einheit (130), die dazu eingerichtet ist, die Interferenzstrahlen des Interferometers (120) zu empfangen; und eine Verarbeitungseinheit (59, 75, 140), die dazu eingerichtet ist, einen Höchstwert der empfangenen Interferenzstrahlen zu ermitteln, und einen Abstand zu dem Messobjekt (T) zu berechnen, indem sie den ermittelten Höchstwert einem der mehreren Punkte zuordnet, wobei sich für die Lichtstrahlen, die entsprechend der mehreren Punkte aufgeteilt sind, die Differenzen der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl unterscheiden.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 1, wobei Höchstwerte der Interferenzstrahlen gegeneinander verschoben sind.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Interferometer (120) jeden der Interferenzstrahlen durch Interferenz zwischen einem ersten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des in Richtung des Messobjekts (T) abgestrahlten Messtrahls ist und der an dem Messobjekt (T) reflektiert wird und einem zweiten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Referenzstrahls ist, der an einer Referenzfläche reflektiert wird, bildet.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 3, wobei Positionen der vorderen Enden von Glasfaserkabeln zum Übertragen der jeweiligen Lichtstrahlen, die entsprechend den mehreren Punkten geteilt sind, in einer Richtung der optischen Achse gegeneinander verschoben sind, wobei jedes der vorderen Enden als die Referenzfläche dient.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Differenz ΔL in der Differenz der optischen Weglänge zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend den mehreren Punkten geteilt sind, mindestens größer ist als eine Abstandsauflösung δL_FWHM, wobei: $δ L_{FWHM} = c / n δ f$
(wobei: c: Lichtgeschwindigkeit, n: Brechungsindex in der Differenz der optischen Weglänge, δf: Frequenzabtastbreite).
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Differenz der optischen Weglängen so eingestellt ist, dass die Abstände zwischen benachbarten Höchstwerten der Interferenzstrahlen unterschiedlich sind, und die Verarbeitungseinheit (59, 75, 140) den Abstand zu dem Messobjekt (T) berechnet, indem dem detektierten Höchstwert einer der Punkte zugeordnet wird, auf Grundlage der Abstände zwischen den benachbarten Höchstwerten und einer voreingestellten Differenz der optischen Weglängen.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verarbeitungseinheit (59, 75, 140) den Abstand zu dem Messobjekt (T) berechnet, indem dem detektierten Höchstwert einer der Punkte zugeordnet wird, auf Grundlage des detektierten Höchstwerts und eines detektierten Höchstwerts eines Interferenzstrahls, der in der Vergangenheit empfangen wurde.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die lichtempfangende Einheit (130) eine Justiereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist eine den jeweiligen Punkten entsprechende Lichtmenge der Interferenzstrahlen auszugleichen.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verarbeitungseinheit (59, 75, 140) eine Signalwellenform erzeugt, indem sie diskrete Werte, die durch Frequenzanalyse der von der lichtempfangenden Einheit (130) empfangenen Interferenzstrahlen erhalten wurden, mittels einer Unterpixelschätzung in einen Abstand umwandelt.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verarbeitungseinheit (59, 75, 140) die Entfernung zum Messobjekt (T) durch Mittelung von Abstandswerten erhält, die durch Zuordnung der detektierten Höchstwerte zu einem der Punkte berechnet werden.
Entfernungssensor (100) basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verarbeitungseinheit (59, 75, 140) den Abstand zum Messobjekt (T) durch Mittelung von Abstandswerten erhält, die auf der Grundlage eines Höchstwerts mit einer Signalintensität, die nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, aus mehreren detektierten Höchstwerten berechnet werden.