DE102022120645A1

DE102022120645A1 - Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz

Info

Publication number: DE102022120645A1
Application number: DE102022120645.9A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Hayakawa; Kazuya Kimura; Yusuke NAGASAKI
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: US20230084723A1; CN115808670A; JP2023042757A

Abstract

Ein Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz, bei welchem Rückstrahlen zwischen optischen Kopplern unterdrückt werden, um die Messgenauigkeit zu verbessern, wird bereitgestellt. Ein Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz umfasst: eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert; mehrere Interferometer, die dazu eingerichtet sind, einen Interferenzstrahl zu bilden, und zwar durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der daraus resultiert, dass an einem Messobjekt ein einfallender Lichtstrahl, der zu dem Messobjekt geführt wird, reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest abschnittsweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet; mehrere Stufen von optischen Kopplern die in Reihe geschaltet sind, wobei jede der mehreren Stufen der optischen Koppler dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl von der Lichtquelle von einer stromaufwärts liegenden Seite her zu empfangen, den empfangenen Lichtstrahl in einen Strahl, der zu einem entsprechenden Interferometer der mehreren Interferometern verläuft, und einen Strahl, der zu einer stromaufwärts liegenden Seite verläuft, aufzuteilen; eine Unterdrückungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zufuhr eines Lichtstrahls von der stromabwärts liegenden Seite zu der stromaufwärts liegen-den Seite der mehreren Stufen der optischen Koppler zu unterdrücken; und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist eine Entfernung zu einem Messobjekt auf der Grundlage von Frequenzen der mehreren Interferenzstrahlen zu berechnen, die von den mehreren Interferometern erzeugt werden.

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.
Insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Messgenauigkeit ist ein mehrstufiger optischer Interferenz-Entfernungssensor bekannt, der mit mehreren Interferometern ausgestattet ist, die Interferenzstrahlen erzeugen. Beispielsweise offenbart Patentdokument 1 eine optische Interferenz-Tomographie-Bildgebungsvorrichtung, die eine Lichtstrahlsteuerung, eine Teilungseinheit, die mehrere Lichtstrahlen von der Lichtstrahlsteuerung in Objektstrahlen und Referenzstrahlen aufteilt, eine Strahlungseinheit, die mehrere Objektstrahlen in Richtung eines Messziels strahlt, und eine Interferenzeinheit, die bewirkt, dass die Objektstrahlen, die von dem Messobjekt gestreut werden, mit den Referenzstrahlen interferieren, und die Strahlen zu einem Lichtempfänger leitet, umfasst.
Ein Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz, der Lichtstrahlen aufteilt, ohne kostspielige Elemente wie einen Zirkulator zu verwenden, wird in Nicht-Patentdokument 1 offengelegt. Mit anderen Worten offenbart dieses Dokument einen Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz, der eine durchstimmbare Lichtquelle, mehrere optische Koppler, mehrere Interferometer, die den jeweiligen optischen Kopplern entsprechen, und eine Lichtempfangseinheit umfasst. Die mehreren optischen Koppler, die der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz umfasst, sind in Reihe geschaltet. Ein Teil eines Lichtstrahls von der durchstimmbaren Lichtquelle wird nacheinander von einem Optischer Koppler der vorherigen Stufe zu einem Koppler der nächsten Stufe geleitet, und der andere Teil des Lichtstrahls wird aufgeteilt und zu den Interferometern geleitet, die den jeweiligen optischer Kopplern entsprechen.
VORBEKANNTE TECHNISCHE DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE
Patentdokument 1: WO 2019/131298A ist ein Beispiel für den Stand der Technik.
NICHT-PATENTDOKUMENTE
Nicht-Patentdokument 1: „Optical Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) Interferometry“ von Jesse Zheng, Springer, 4. Januar 2005, S. 154, ist ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik.
ABRISS DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Ein Rückstrahl von der stromabwärts gelegenen Seite zur stromaufwärts gelegenen Seite kann jedoch in einer Konfiguration auftreten, in der jeder der mehreren in Reihe geschalteten optischen Koppler einen Lichtstrahl in Strahlen aufteilt, die zu den jeweiligen Interferometern laufen. Daher kann sich die Messgenauigkeit verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz bereitzustellen, bei dem Rückstrahlen zwischen optischen Kopplern unterdrückt werden, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Ein Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz gemäß einem Aspekt der vorliegend Erfindung umfasst: eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert; mehrere Interferometer, die dazu eingerichtet sind, einen Interferenzstrahl zu bilden, und zwar durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der daraus resultiert, dass an einem Messobjekt ein einfallender Lichtstrahl, der zu dem Messobjekt geführt wird, reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest abschnittsweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet; mehrere Stufen von optischen Kopplern die in Reihe geschaltet sind, wobei jede der mehreren Stufen der optischen Koppler dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl von der Lichtquelle von einer stromaufwärts liegenden Seite her zu empfangen, den empfangenen Lichtstrahl in einen Strahl, der zu einem entsprechenden Interferometer der mehreren Interferometern verläuft, und einen Strahl, der zu einer stromaufwärts liegenden Seite verläuft, aufzuteilen; eine Unterdrückungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zufuhr eines Lichtstrahls von einer stromabwärts liegenden Seite zu einer stromaufwärts liegenden Seite der mehreren Stufen der optischen Koppler zu unterdrücken; und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist eine Entfernung zu einem Messobjekt auf der Grundlage von Frequenzen der mehreren Interferenzstrahlen zu berechnen, die von den mehreren Interferometern gebildet werden.
Gemäß diesem Aspekt wird die Zuführung eines Lichtstrahls von der stromabwärts liegenden Seite zur stromaufwärts liegenden Seite der optischen Koppler mit mehreren Stufen unterdrückt. Daher kann die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz durch die Unterdrückung von Rückstrahlen zwischen den optischen Kopplern verbessert werden.
In dem obigen Aspekt kann die Unterdrückungseinheit zumindest einen optischen Koppler der mehreren Stufen der optischen Koppler umfassen, wobei der zumindest eine optische Koppler dazu eingerichtet ist eine Lichtmenge eines geteilten Lichtstrahls, der zur stromabwärts liegenden Stufe läuft, größer zu machen als eine Lichtmenge eines geteilten Lichtstrahls, der zum entsprechenden Interferometer läuft.
Gemäß diesem Aspekt wird die Zufuhr eines Lichtstrahls von der stromabwärts liegenden Seite zur stromaufwärts liegenden Seite in den mehreren Stufen der optischen Koppler unterdrückt. Daher kann die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden, indem Lichtstrahlen, die vom optischen Koppler der nächsten Stufe zum optischen Koppler der vorherigen Stufe laufen, unterdrückt werden.
Im obigen Aspekt kann R_i+1 ≥ Ri gelten, wobei Ri ein Verhältnis zwischen der Lichtmenge eines geteilten Lichtstrahls, der zum entsprechenden Interferometer läuft, und der Lichtmenge eines geteilten Lichtstrahls, der zur stromabwärts liegenden Seite läuft, bezeichnet, in Bezug auf einen optischen Koppler der i-ten Stufe der mehreren Stufen an optischen Kopplern.
Dadurch werden Schwankungen der empfangenen Lichtmenge zwischen den Interferometern verringert, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
In dem obigen Aspekt können die Interferometer den Interferenzstrahl durch Interferenz bilden zwischen einem ersten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Messstrahls ist, der auf das Messobjekt gestrahlt wird und an dem Messobjekt reflektiert wird, und einem zweiten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Referenzstrahls ist, der an einer Referenzoberfläche reflektiert wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wird jeder Interferenzstrahl durch Interferenz zwischen dem ersten reflektierten Strahl, das heißt dem Messstrahl, der auf das Messobjekt gestrahlt wird und an dem Messobjekt reflektiert wird, und dem zweiten reflektierten Strahl, das heißt dem Referenzstrahl, der an der Referenzoberfläche reflektiert wird, gebildet. Die Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl wird zwischen den Lichtstrahlen, die entsprechend den mehreren Spots geteilt werden, unterschiedlich gemacht. Infolgedessen können Höchstwerte in geeigneter Weise erkannt werden, und der Abstand zum Messobjekt kann mit hoher Genauigkeit auf der Grundlage der Abstandswerte, die den erkannten Höchstwerten entsprechen, berechnet werden.
In dem obigen Aspekt kann |L_CR,i - (L_CR,i+1 + L_CC,i)| so festgelegt werden, dass es nicht kleiner als ein erster Schwellenwert ist, wobei L_CR,i eine optische Weglänge von einem optischen Koppler der i-ten Stufe zu einer Referenzfläche in einem entsprechenden Interferometer bezeichnet und L_CC,i eine optische Weglänge von dem optischen Koppler der i-ten Stufe zu einem optischen Koppler der i+1-ten Stufe bezeichnet.
Gemäß diesem Aspekt wird die Interferenz zwischen den mehreren Interferenzstrahlen, die von den mehreren Interferometern gebildet werden, unterdrückt, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
Im obigen Aspekt kann der erste Schwellenwert auf der Grundlage eines Frequenzbandes einer lichtempfangenden Einheit festgelegt werden, die dazu eingerichtet ist, die mehreren Interferenzstrahlen in elektrische Signale umzuwandeln und die elektrischen Signale an die Verarbeitungseinheit zu liefern.
Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, Interferenzen zwischen mehreren Interferenzstrahlen entsprechend dem Frequenzband der lichtempfangenden Einheit wirksam zu unterdrücken und die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz zu verbessern.
In dem obigen Aspekt kann die Unterdrückungseinheit eine Trenneinheit umfassen, die zwischen zwei der mehreren Stufen von optischen Kopplern angeschlossen ist und dazu eingerichtet ist einen Lichtstrahl von einem optischen Koppler der vorherigen Stufe zu einem optischen Koppler der nächsten Stufe zu leiten und einen Lichtstrahl von dem optischen Koppler der nächsten Stufe nicht zu dem optischen Koppler der vorherigen Stufe zu leiten.
Demnach können Rückstrahlen von dem optischen Koppler der nächsten Stufe zu dem optischen Koppler der vorherigen Stufe unterdrückt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert wird.
Im obigen Aspekt kann |L_CR,i - L_CL,i| so festgelegt werden, dass es nicht kleiner als ein zweiter Schwellwert ist, wobei L_CR,i eine optische Weglänge von einem optischen Koppler der i-ten Stufe zu einer Referenzoberfläche in einem entsprechenden Interferometer bezeichnet, und L_CL,i bezeichnet eine optische Weglänge von dem optischen Koppler der i-ten Stufe zu der daran angeschlossenen Trenneinheit auf der stromabwärts liegenden Seite.
Hierdurch werden Interferenzen zwischen den von der Trenneinheit reflektierten Strahlen und den von den Interferometern erzeugten Interferenzstrahlen unterdrückt, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert wird.
In dem obigen Aspekt kann der zweiten Schwellenwert auf der Grundlage eines Frequenzbandes einer lichtempfangenden Einheit eingestellt werden, die dazu eingerichtet ist, die mehreren Interferenzstrahlen in elektrische Signale umzuwandeln und die elektrischen Signale an die Verarbeitungseinheit zu liefern.
Demnach ist es möglich, die von der Trenneinheit reflektierten Strahlen und die von den Interferometern erzeugten Interferenzstrahlen entsprechend dem Frequenzband der lichtempfangenden Einheit wirksam zu unterdrücken und damit die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz bereitgestellt werden, bei dem Rückstrahlen zwischen optischen Kopplern unterdrückt werden, um die Messgenauigkeit zu verbessern.
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 ein schematisches Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein schematisches Diagramm, das einen Überblick über die Konfiguration eines Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12A bis 12C zeigen Variationen 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.
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 Sensorkopfes 20 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 Sensorkopfes 20 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 und in Richtung des optischen Kopplers 54c der dritten Stufe aufgeteilt. Der Lichtstrahl, der vom optischen Koppler 54b 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 vom optischen Koppler 54b 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 ein Beispiel für eine Unterdrückungseinheit und eine unterbrechende Einheit und ist 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 vom optischen Koppler 54b 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 der dritten Stufe 54c und wird durch den optischen Koppler der dritten Stufe 54c weiter in Richtung des Sensorkopfes 20 und in Richtung des Dämpfungsglieds 55 geteilt. Der Lichtstrahl, der vom optischen Koppler 54c in Richtung des Sensorkopfes 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 der dritten Stufe 54c zurück und wird vom optischen Koppler 54c in Strahlen in Richtung des Isolators 53b und in Richtung des lichtempfangenden Elements 56c aufgeteilt. Der Isolator 53b ein Beispiel für eine Unterdrückungseinheit und unterdrückt die Zufuhr eines Lichtstrahls von dem optischen Koppler der letzten Stufe 54c zu dem optischen Koppler 54b der vorherigen Stufe. Der Lichtstrahl, der vom optischen Koppler 54c in Richtung des lichtempfangenden Elements 56c aufgespalten wird, wird vom lichtempfangenden Element 56c empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Zu beachten ist, dass der Lichtstrahl, der durch den optischen Koppler der dritten Stufe 54c in Richtung des Dämpfungsglieds 55 geteilt wird, nicht zum Messen des Messobjekts T verwendet wird. Daher wird dieser Lichtstrahl abgeschwächt, 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 Lichtmenge der empfangenen Lichtstrahlen, wie oben erwähnt.
Die Multiplexerschaltung 57 multiplexiert die von den lichtempfangenden Elementen 56a bis 56c ausgegebenen 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 den 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 PDs 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.
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 der dritten Stufe 54c 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) erzeugt. Dieser Interferenzstrahl wird von dem lichtempfangenden Element 56b empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Im optischen Koppler 54j wird ein Interferenzstrahl erzeugt, 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). Dieser Interferenzstrahl wird von dem lichtempfangenden Element 56c empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
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
Als nächstes 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 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, wie 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. $\sum_{t = 0}^{N - 1} f (t) e x p (- i \frac{2 π ω t}{N}) = F (ω)$
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 (Dx, Vx) 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. $(D 1, V 1), (D 2, V 2), (D 3, V 3), \dots, (Dn, Vn)$
(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 Vn mit dem folgenden Ausdruck berechnet: Vn = (V31 + V12) / 2.
(5) Die jeweiligen SNRs werden berechnet. Im Einzelnen erhält man die folgenden SNRs: SN1 = V1 / Vn, SN2 = V2 / Vn, und SN3 = V3 /Vn.

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 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.
Erstes Ausführungsbeispiel
10 ist ein schematisches Diagramm, das einen Überblick über die Konfiguration des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 10 dargestellt, umfasst der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 eine durchstimmbare Lichtquelle 110, optische Koppler 120a bis 120c, ein Dämpfungsglied 122, Interferometer 130a bis 130c, lichtempfangende Einheiten 140a bis 140c und eine Verarbeitungseinheit 150. Anzumerken ist, dass die optischen Koppler 120a bis 120c auch einfach als optische Koppler 120 bezeichnet werden, wenn sie nicht voneinander unterschieden werden müssen. Die Interferometer 130a bis 130c werden auch einfach als Interferometer 130 bezeichnet, wenn sie nicht voneinander unterschieden werden müssen. Die lichtempfangenden Einheiten 140a bis 140c werden auch einfach als lichtempfangende Einheiten 140 bezeichnet, wenn sie nicht voneinander unterschieden werden müssen. Der in 10 gezeigte Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 ist als mehrstufiger Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz konfiguriert, und zwar beispielsweise als Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz mit einer dreistufigen Konfiguration mit drei Interferometern. Die Anzahl der Interferometer (d. h. die Anzahl der Stufen) kann jedoch alternativ auch zwei, vier oder mehr betragen.
Die durchstimmbare Lichtquelle 110 ist direkt oder indirekt über ein anderes Element (optischer Verstärker 52, Isolator 53, optischer Koppler 54, usw.) an einen ersten Anschluss a1 der optischen Koppler 120 angeschlossen und emittiert einen Lichtstrahl unter kontinuierlicher Veränderung der Wellenlänge.
Die optischen Koppler 120a bis 120c sind miteinander in Reihe geschaltet und bilden eine dreistufige Konfiguration. Mit anderen Worten: der optische Koppler 120a bildet eine erste Stufe, die dem Interferometer 130a entspricht, der optische Koppler 120b bildet eine zweite Stufe, die dem Interferometer 130b entspricht, und der optische Koppler 120c bildet eine dritte Stufe, die dem Interferometer 130c entspricht.
Jeder optische Koppler 120 hat 2 x 2 (4) 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 120a der ersten Stufe einen ersten Anschluss a1, einen zweiten Anschluss a2, einen dritten Anschluss a3 und einen vierten Anschluss a4. Ein in den ersten Anschluss a1 oder den zweiten Anschluss a2 eingegebener Lichtstrahl wird an dem dritten Anschluss a3 und den vierten Anschluss a4 in einem bestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Ein in den dritten Anschluss a3 oder den vierten Anschluss a4 eingegebener Lichtstrahl wird mit einem bestimmten Teilungsverhältnis an den ersten Anschluss a1 und den zweiten Anschluss a2 ausgegeben.
Der optische Koppler 120b der zweiten Stufe hat einen ersten Anschluss b1, einen zweiten Anschluss b2, einen dritten Anschluss b3 und einen vierten Anschluss b4. Ein in den ersten Anschluss b1 oder den zweiten Anschluss b2 eingegebener Lichtstrahl wird an dem dritten Anschluss b3 und den vierten Anschluss b4 in einem bestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Ein in den dritten Anschluss b3 oder den vierten Anschluss b4 eingegebener Lichtstrahl wird mit einem bestimmten Teilungsverhältnis an den ersten Anschluss b1 und den zweiten Anschluss b2 ausgegeben.
Der optische Koppler 120c der dritten Stufe hat einen ersten Anschluss c1, einen zweiten Anschluss c2, einen dritten Anschluss c3 und einen vierten Anschluss c4. Ein in den ersten Anschluss c1 oder den zweiten Anschluss c2 eingegebener Lichtstrahl wird an dem dritten Anschluss c3 und den vierten Anschluss c4 in einem bestimmten Teilungsverhältnis ausgegeben. Ein in den dritten Anschluss c3 oder den vierten Anschluss c4 eingegebener Lichtstrahl wird mit einem bestimmten Teilungsverhältnis an den ersten Anschluss c1 und den zweiten Anschluss c2 ausgegeben.
Der erste Anschluss a1 des optischen Kopplers 120a der ersten Stufe ist mit der durchstimmbaren Lichtquelle 110 verbunden und empfängt direkt oder indirekt den einfallenden Lichtstrahl, dessen Wellenlänge sich kontinuierlich ändert, von der durchstimmbaren Lichtquelle 110.
Der optische Koppler 120a der ersten Stufe teilt den von der durchstimmbaren Lichtquelle 110 in den ersten Anschluss a1 eingegebenen Lichtstrahl mit einem bestimmten Teilungsverhältnis und gibt die geteilten Lichtstrahlen an den dritten Anschluss a3 und an den vierten Anschluss a4 aus. Der vom dritten Anschluss a3 des optischen Kopplers 120a der ersten Stufe ausgegebenen Lichtstrahl wird in das Interferometer 130a der ersten Stufe eingeben. Der vom vierten Anschluss a4 des optischen Kopplers 120a der ersten Stufe ausgegebene Lichtstrahl wird in den ersten Anschluss b1 des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe eingegeben.
Der optische Koppler 120b der zweiten Stufe teilt den von dem optischen Koppler 120a der ersten Stufe in den ersten Anschluss b1 eingegebenen Lichtstrahl mit einem bestimmten Teilungsverhältnis und gibt die geteilten Lichtstrahlen an den dritten Anschluss b3 und an den vierten Anschluss b4 aus. Der vom dritten Anschluss b3 des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe ausgegebenen Lichtstrahl wird in das Interferometer 130b der zweiten Stufe eingeben. Der vom vierten Anschluss b4 des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe ausgegebene Lichtstrahl wird in den ersten Anschluss c1 des optischen Kopplers 120c der dritten Stufe eingegeben.
Der optische Koppler 120c der dritten Stufe teilt den von dem optischen Koppler 120b der zweiten Stufe in den ersten Anschluss c1 eingegebenen Lichtstrahl mit einem bestimmten Teilungsverhältnis und gibt die geteilten Lichtstrahlen an den dritten Anschluss c3 und an den vierten Anschluss c4 aus. Der vom dritten Anschluss c3 des optischen Kopplers 120c der dritten Stufe ausgegebenen Lichtstrahl wird in das Interferometer 130c der dritten Stufe eingeben. Der vom vierten Anschluss c4 des optischen Kopplers 120c der dritten Stufe ausgegebene Lichtstrahl wird in das Dämpfungsglied 122 eingegeben.
Die Interferometer 130a bis 130c haben jeweils Sensorköpfe 131a bis 131c. Die Sensorköpfe 131a bis 131c haben jeweils Objektivlinsen 132a bis 132c. Anzumerken ist, dass die Sensorköpfe 131a bis 131c auch entsprechende Kollimationslinsen haben können, die zwischen den vorderen Enden der Glasfasern und den Objektivlinsen 132a bis 132c angeordnet sind.
Der Lichtstrahl, der vom dritten Anschluss a3 des optischen Kopplers 120a der ersten Stufe in das Interferometer der ersten Stufe 130a eintritt, wird über ein Glasfaserkabel in den Sensorkopf 131a eingespeist. Ein Teil des in den Sensorkopf 131a eingegebenen Lichtstrahls wird als Messstrahl über die Objektivlinse 132a auf ein Messobjekt T gestrahlt und an dem Messobjekt T reflektiert. Der an dem Messobjekt T reflektierte Messstrahl wird in den Sensorkopf 131a eingegeben, indem er durch die Objektivlinse 132a im Sensorkopf 131a fokussiert wird. Ein weiterer Teil des in den Sensorkopf 131a eingeleiteten Lichtstrahls dient als Referenzstrahl und wird an einer Referenzoberfläche reflektiert, die sich am vorderen Ende des Glasfaserkabels befindet. Da der Messstrahl und der Referenzstrahl an der Referenzoberfläche des Sensorkopfes 131a miteinander interferieren, wird ein erster Interferenzstrahl gebildet, der einer Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl entspricht. Der erste Interferenzstrahl wird aus dem Interferometer 130a ausgegeben und in den dritten Anschluss a3 des optischen Kopplers 120a eingegeben.
Der vom dritten Anschluss b3 des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe in das Interferometer der zweiten Stufe 130b eingegebene Lichtstrahl wird über ein Glasfaserkabel in den Sensorkopf 131b eingegeben. Ein Teil des in den Sensorkopf 131b eingegebenen Lichtstrahls wird über die Objektivlinse 132b als Messstrahl auf ein Messobjekt T gestrahlt und am Messobjekt T reflektiert. Der am Messobjekt T reflektierte Messstrahl wird in den Sensorkopf 131b eingegeben, indem er durch die Objektivlinse 132b im Sensorkopf 131b fokussiert wird. Ein weiterer Teil des in den Sensorkopf 131b eingeleiteten Lichtstrahls dient als Referenzstrahl und wird an einer Referenzfläche reflektiert, die sich am vorderen Ende des Glasfaserkabels befindet. Da der Messstrahl und der Referenzstrahl an der Referenzfläche des Sensorkopfes 131b miteinander interferieren, wird ein zweiter Interferenzstrahl gebildet, der einer Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl entspricht. Der zweite Interferenzstrahl wird aus dem Interferometer 130b ausgegeben und in den dritten Anschluss b3 des optischen Kopplers 120b eingegeben.
Der vom dritten Anschluss c3 des optischen Kopplers 120c der dritten Stufe ausgegebene Lichtstrahl wird über ein Glasfaserkabel in den Sensorkopf 131c eingegeben. Ein Teil des in den Sensorkopf 131c eingegebenen Lichtstrahls wird als Messstrahl über die Objektivlinse 132c in Richtung eines Messobjekts T gestrahlt und am Messobjekt T reflektiert. Der am Messobjekt T reflektierte Messstrahl wird in den Sensorkopf 131c eingegeben, indem er durch die Objektivlinse 132c im Sensorkopf 131c fokussiert wird. Ein weiterer Teil des in den Sensorkopf 131c eingeleiteten Lichtstrahls dient als Referenzstrahl und wird an einer Referenzfläche reflektiert, die sich am vorderen Ende des Glasfaserkabels befindet. Da der Messstrahl und der Referenzstrahl an der Referenzfläche des Sensorkopfes 131c miteinander interferieren, wird ein dritter Interferenzstrahl gebildet, der einer Differenz der optischen Weglängen zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl entspricht. Der dritte Interferenzstrahl wird aus dem Interferometer 130c ausgegeben und in den dritten Anschluss c3 des optischen Kopplers 120c eingegeben.
Das Dämpfungsglied 122 dämpft den vom vierten Anschluss c4 des optischen Kopplers 120c einfallenden Lichtstrahl, um den reflektierten Strahl zu reduzieren, der zum optischen Koppler 120c gelangt. Der Effekt des Phasenrauschens kann somit durch die Reduzierung des reflektierten Strahls verringert werden, und der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 kann die Entfernung zu dem Messobjekt T mit höherer Genauigkeit messen.
Das optische Element, das mit einem Ende des Glasfaserkabels verbunden ist, das an den optischen Koppler 120c angeschlossenen ist, ist nicht auf das Dämpfungsglied 122 beschränkt und kann alternativ auch jede andere Art von optischem Element sein. Beispielsweise kann alternativ ein Isolator angeschlossen werden, oder das faserführende Ende des Glasfaserkabels kann bearbeitet und eine kernlose Faser oder ähnliches verwendet werden. Auch in diesen Fällen ist es vorteilhaft, den oben erwähnten Effekt des Phasenrauschens zu reduzieren, indem der reflektierte Strahl, der zum optischen Koppler 120c gelangt, durch eine Schmelzverbindung, APC-Polieren oder dergleichen reduziert wird.
Die lichtempfangenden Einheiten 140a bis 140c haben jeweils lichtempfangenden Elemente 141a bis 141c und AD-Wandlereinheiten 142a bis 142c. Die lichtempfangenden Elemente 141a bis 141c sind zum Beispiel Photodetektoren, die von den zweiten Anschlüssen a2 bis c2 der optischen Koppler 120a bis 120c ausgehende Lichtstrahlen empfangen und die empfangenen Lichtstrahlen in elektrische Signale umwandeln. Die AD-Wandlereinheiten 142a bis 142c wandeln diese elektrischen Signale von analogen in digitale Signale um.
Die lichtempfangenden Einheiten 140a bis 140c entsprechen den jeweiligen optischen Kopplern 120a bis 120c und empfangen Lichtstrahlen, die von den zweiten Anschlüssen a2 bis c2 der jeweiligen optischen Koppler 120a bis 120c ausgegeben werden.
Wie oben erwähnt, wird der vom Interferometer der ersten Stufe 130a gebildete erste Interferenzstrahl vom Interferometer 130a ausgegeben und in den dritten Anschluss a3 des optischen Kopplers 120a eingegeben. Der optischen Koppler 120a der ersten Stufe teilt dann den ersten Interferenzstrahl, der in den dritten Anschluss a3 eingegeben wird, in Lichtstrahlen auf, die zum ersten Anschluss a1 und zum zweiten Anschluss a2 mit einem bestimmten Teilungsverhältnis gehen, und gibt die geteilten Lichtstrahlen aus. Die lichtempfangende Einheit 140a empfängt den vom zweiten Anschluss a2 des optischen Kopplers 120a ausgegebenen Lichtstrahl, erzeugt aus dem empfangenen Lichtstrahl ein digitales Signal und liefert das erzeugte digitale Signal an die Verarbeitungseinheit 150.
Wie oben erwähnt, wird der vom Interferometer der zweiten Stufe 130b gebildete zweite Interferenzstrahl vom Interferometer 130b ausgegeben und in den dritten Anschluss b3 des optischen Kopplers 120b eingegeben. Der optische Koppler 120b der zweiten Stufe teilt dann den zweiten Interferenzstrahl, der in den dritten Anschluss b3 eingegeben wird, in Lichtstrahlen auf, die zum ersten Anschluss b1 und zum zweiten Anschluss b2 mit einem bestimmten Teilungsverhältnis gehen, und gibt die geteilten Lichtstrahlen aus. Die lichtempfangende Einheit 140b empfängt den vom zweiten Anschluss b2 des optischen Kopplers 120b ausgegebenen Lichtstrahl, erzeugt aus dem empfangenen Lichtstrahl ein digitales Signal und liefert das erzeugte digitale Signal an die Verarbeitungseinheit 150.
Wie oben erwähnt, wird der vom Interferometer der dritten Stufe 130c erzeugte dritte Interferenzstrahl vom Interferometer 130c ausgegeben und in den dritten Anschluss c3 des optischen Kopplers 120c eingegeben. Der optische Koppler 120c der dritten Stufe teilt dann den dritten Interferenzstrahl, der in den dritten Anschluss c3 eingegeben wird, in Lichtstrahlen auf, die zum ersten Anschluss c1 und zum zweiten Anschluss c2 mit einem bestimmten Teilungsverhältnis gehen, und gibt die geteilten Lichtstrahlen aus. Die lichtempfangende Einheit 140c empfängt den vom zweiten Anschluss c2 des optischen Kopplers 120c ausgegebenen Lichtstrahl, erzeugt aus dem empfangenen Lichtstrahl ein digitales Signal und liefert das erzeugte digitale Signal an die Verarbeitungseinheit 150.
Die Verarbeitungseinheit 150 berechnet die Entfernung zum Messobjekt T auf der Grundlage der von den lichtempfangenden Einheiten 140a bis 140c umgewandelten digitalen Signale. Die Verarbeitungseinheit 150 ist beispielsweise ein Prozessor, der durch eine integrierte Schaltung wie ein FPGA implementiert ist und eine Frequenzumwandlung der digitalen Eingangssignale mittels FFT durchführt und den Abstand zum Messobjekt T auf der Grundlage der Ergebnisse der Frequenzumwandlung berechnet.
Der auf optische Interferenz basierende Entfernungssensor 100 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine Unterdrückungseinheit, die eine Zufuhr von Lichtstrahlen von der stromabwärts gelegenen Seite zur stromaufwärts gelegenen Seite in den mehreren Stufen der optische Koppler 120 unterdrückt. Insbesondere umfasst der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 gemäß der ersten Ausführungsform als Unterdrückungseinheit die optischen Koppler 120, von denen jeder die Lichtmenge eines Lichtstrahls, der geteilt wird und zur nächsten Stufe weitergeht, größer macht als die Lichtmenge eines Lichtstrahls, der geteilt wird und zum entsprechenden Interferometer 130 weitergeht. Zum Beispiel ist der optische Koppler 120a der ersten Stufe ein Beispiel für eine Unterdrückungseinheit, und das Verhältnis zwischen der Lichtmenge des geteilten Lichtstrahls, der zum entsprechenden Interferometer 130a gelangt, und der Lichtmenge des geteilten Lichtstrahls, der zur nächsten Stufe (optischer Koppler 120b der zweiten Stufe) gelangt, kann 10:90 betragen. Außerdem ist der optische Koppler 120b der zweiten Stufe ein Beispiel für die Unterdrückungseinheit, und das Verhältnis zwischen der Lichtmenge des geteilten Lichtstrahls, der zu dem entsprechenden Interferometer 130b gelangt, und der Lichtmenge des geteilten Lichtstrahls, der zur nächsten Stufe (optischer Koppler 120c der dritten Stufe) gelangt, kann 15:85 betragen. Auch der optische Koppler 120c der dritten Stufe ist ein Beispiel für die Unterdrückungseinheit, und das Verhältnis zwischen der Lichtmenge des geteilten Lichtstrahls, der zum entsprechenden Interferometer 130c gelangt, und der Lichtmenge des geteilten Lichtstrahls, der zur nächsten Stufe (Dämpfungsglied 122) gelangt, kann 20:80 betragen. Die Zufuhr von Lichtstrahlen von der stromabwärts gelegenen Seite zur stromaufwärts gelegenen Seite wird somit in den mehreren Stufen der optischen Koppler unterdrückt. Dadurch kann die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz durch Unterdrückung der Rückstrahlen von den Kopplern der nächsten Stufe zu den Kopplern der vorherigen Stufe verbessert werden.
In dem Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 gemäß der ersten Ausführungsform kann eingerichtet werden, dass ein optischer Koppler 120, der weiter von der durchstimmbaren Lichtquelle 110 entfernt ist, ein höheres Verhältnis der Lichtmenge eines Lichtstrahls aufweist, der aufgeteilt wird und zu einem entsprechenden Interferometer 130 gelangt. Mit anderen Worten, wenn i die Anzahl der Stufen der optischen Koppler 120 bezeichnet, die in dem Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 enthalten sind (i ist eine natürliche Zahl von 1 bis n, wobei n die Anzahl der Stufen der optischen Koppler 120 ist, die in dem Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 enthalten sind), und Ri das Teilungsverhältnis bezeichnet, das heißt das Verhältnis der Lichtmenge des Lichtstrahls, die geteilt wird und zum entsprechenden Interferometer 130 gelangt, zu der Lichtmenge des Lichtstrahls, die geteilt wird und zur nächsten Stufe für den optischen Koppler 120 der i-ten Stufe gelangt, dann kann eingerichtet werden, dass R_i+1 ≥ Ri gilt. Im obigen Beispiel ist R₁ beispielsweise 10 / 90, R₂ ist 15 / 85 und R₃ ist 20 / 80. Daher gilt R₃ ≥ R₂ ≥ R₁, und R_i+1 ≥ Ri ist erfüllt (hier i = 1, 2, 3). Dadurch wird die Schwankung der von den Interferometern empfangenen Lichtmenge verringert, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
In dem Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 gemäß der ersten Ausführungsform kann, wenn L_CR,i die optische Weglänge vom optischen Koppler 120 der i-ten Stufe zur Referenzfläche des entsprechenden Interferometers 130 und L_CC,i die optische Weglänge vom optischen Koppler 120 der i-ten Stufe zum optischen Koppler 120 der i+1-ten Stufe bezeichnet, eingerichtet werden, dass |L_CR,i -(L_CR,i+1 + L_CC,i)|nicht kleiner als ein bestimmter Schwellenwert (erster Schwellenwert) ist (wobei „||" einen absoluten Wert bezeichnet). Zu beachten ist, dass beide optischen Weglängen L_CR,i und L_CC,i Werte haben können, die durch Multiplikation der räumlichen Länge des optischen Weges mit dem Brechungsindex erhalten werden. Auf diese Weise wird die Interferenz zwischen mehreren Interferenzstrahlen, die von mehreren Interferometern erzeugt werden, unterdrückt, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
Insbesondere kann der vorgenannte Schwellenwert (erster Schwellenwert) für L_CR,i - (L_CR,i+1 + L_CC,i)auf der Grundlage des Frequenzbandes der lichtempfangenden Einheiten 140 bestimmt werden. Auf diese Weise können Interferenzen zwischen den mehreren Interferenzstrahlen entsprechend dem Frequenzband der lichtempfangenden Einheiten wirksam unterdrückt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
Zweites Ausführungsbeispiel
11 ist eine schematische Darstellung, die einen Überblick über eine Konfiguration des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 200 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst Isolatoren 221a und 221b, zusätzlich zu den Bestandteilen, die in dem oben beschriebenen Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 gemäß der ersten Ausführungsform enthalten sind.
Jeder der Isolatoren 221a und 221b ist ein Beispiel für eine Unterdrückungseinheit, die die Zufuhr von Lichtstrahlen von der nächsten Stufe zu der vorherigen Stufe von den mehreren Stufen der optischen Kopplern unterdrückt, und ist insbesondere ein Beispiel für eine Unterbrechungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Lichtstrahlen von den optischen Kopplern der vorherigen Stufe zu den optischen Kopplern der nächsten Stufe leitet, aber keine Lichtstrahlen von den optischen Kopplern der nächsten Stufe zu den optischen Kopplern der vorherigen Stufe leitet. Wie später im Detail beschrieben wird, sind die Isolatoren 221a und 221b so konfiguriert, dass sie Lichtstrahlen von den optischen Kopplern 120 der vorherigen Stufe zu den optischen Kopplern der nächsten Stufe leiten, aber nicht, um Lichtstrahlen von den optischen Kopplern der nächsten Stufe zu den optischen Kopplern der vorherigen Stufe zu leiten. Auf diese Weise können Rückstrahlen von den optischen Kopplern der nächsten Stufe zu den optischen Kopplern der vorherigen Stufe unterdrückt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
Der Isolator 221a ist optisch zwischen dem vierten Anschluss a4 des optischen Kopplers 120a der ersten Stufe und dem ersten Anschluss b1 des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe angeschlossen. Der Isolator 221a ist so konfiguriert, dass er einen Lichtstrahl vom optischen Koppler 120a der ersten Stufe zum optischen Koppler 120b der zweiten Stufe leitet, aber nicht einen Lichtstrahl vom optischen Koppler 120b der zweiten Stufe zum optischen Koppler 120a der ersten Stufe leitet. Aus diesem Grund unterbricht der Isolator 221a den Lichtstrahl, der vom ersten Anschluss b1 ausgeht und sich in Richtung des optischen Kopplers 120a der ersten Stufe bewegt, des zweiten Interferenzstrahls, der vom dritten Anschluss b3 in den optischen Koppler 120b eingegeben wird, wie oben erwähnt.
Der Isolator 221b ist optisch zwischen dem vierten Anschluss b4 des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe und dem ersten Anschluss c1 des optischen Kopplers 120c der dritten Stufe angeschlossen. Der Isolator 221b ist so konfiguriert, dass er einen Lichtstrahl vom optischen Koppler 120b der zweiten Stufe zum optischen Koppler 120c der dritten Stufe leitet, aber nicht einen Lichtstrahl vom optischen Koppler 120c der dritten Stufe zum optischen Koppler 120b der zweiten Stufe leitet. Daher unterbricht der Isolator 221b den Lichtstrahl, der aus dem ersten Anschluss c1 austritt und sich in Richtung des optischen Kopplers 120b der zweiten Stufe bewegt, des dritten Interferenzstrahls, der vom dritten Anschluss c3 in den optischen Koppler 120c eintritt, wie oben erwähnt.
Von den Isolatoren 221a und 221b können reflektierte Strahlen in Richtung der optischen Koppler 120 der vorherigen Stufe erzeugt werden, und diese reflektierten Strahlen können weiter mit den Interferenzstrahlen interferieren, die von den optischen Kopplern 120 der vorherigen Stufe von den entsprechenden Interferometern 130 empfangen werden. Der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 200 gemäß der zweiten Ausführungsform kann beispielsweise wie folgt eingestellt werden, um die Interferenz zwischen den reflektierten Strahlen, die von den Isolatoren 221a und 221b kommen und sich in Richtung der optischen Koppler 120 der vorherigen Stufe bewegen, und den von den Interferometern 130 erzeugten Interferenzstrahlen zu unterdrücken: Wenn L_CR,i die optische Weglänge vom optischen Koppler der ersten Stufe zum entsprechenden Interferometer und L_CI,i die optische Weglänge vom optischen Koppler der zweiten Stufe zu einem mit dem optischen Koppler der ersten Stufe verbundenen Isolator der nächsten Stufe bezeichnet, kann eingerichtet werden, dass |L_CR,i - L_CI,i | nicht kleiner als ein bestimmter Schwellenwert (zweiter Schwellenwert) ist. Zu beachten ist, dass die beiden optischen Weglängen L_CR,i und L_CI,i Werte haben können, die durch Multiplikation der räumlichen Länge des optischen Weges mit dem Brechungsindex erhalten werden. Auf diese Weise wird die Interferenz zwischen den von den Isolatoren (Trenneinheiten) reflektierten Strahlen und den von den Interferometern gebildeten Interferenzstrahlen unterdrückt, wodurch die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz verbessert werden kann.
Insbesondere kann der vorgenannte Schwellenwert (zweiter Schwellenwert) für |L_CR,i - L_CI,i | auf der Grundlage des Frequenzbandes der lichtempfangenden Einheiten 140 bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Interferenz zwischen den reflektierten Strahlen von den Isolatoren (Trenneinheiten) und den von den Interferometern gebildeten Interferenzstrahlen entsprechend dem Frequenzband der lichtempfangenden Einheiten wirksam zu unterdrücken und die Messgenauigkeit des Entfernungssensors basierend auf optischer Interferenz zu verbessern.
Variation des Interferometers
In den obigen Ausführungen verwendet der Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz 100 Fizeau-Interferometer, die Referenzstrahlen bilden, indem sie die vorderen Enden der Glasfaserkabel in den Interferometern 130a bis 130b als Referenzflächen verwenden. Die Interferometer sind jedoch nicht darauf beschränkt.
12A bis 12C zeigen Varianten von Interferometern, die einen Interferenzstrahl unter Verwendung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls bilden. In 12A sind die vorderen Endpositionen 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 Aufteilungseinheit 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 basierend auf optischer Interferenz 100 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 12B 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 Glasfaserkabei 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 12C 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.
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
120a bis 120c: optischer Koppler
122: Dämpfungsglied
130a bis 130c: Interferometer
131a bis 131c: Sensorkopf
132a bis 132c: Objektivlinse
140a bis 140c: lichtempfangende Einheit
141a bis 141c: lichtempfangendes Element
142a bis 142c: AD-Wandlereinheit
150: Verarbeitungseinheit
221a, 221b: Isolator
a1 bis a4, b1 bis b4, c1 bis c4: Anschluss des optischen Kopplers
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

WO 2019131298 A [0005]

Claims

Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz aufweisend: eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, während sie dessen Wellenlänge kontinuierlich verändert; mehrere Interferometer, die dazu eingerichtet sind, einen Interferenzstrahl zu bilden, und zwar durch Interferenz zwischen einem Messstrahl, der daraus resultiert, dass an einem Messobjekt ein einfallender Lichtstrahl, der zu dem Messobjekt geführt wird, reflektiert wird, und einem Referenzstrahl, der einen optischen Weg durchläuft, der sich zumindest abschnittsweise von einem optischen Weg des Messstrahls unterscheidet; mehrere Stufen von optischen Kopplern die in Reihe geschaltet sind, wobei jede der mehreren Stufen der optischen Koppler dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl von der Lichtquelle von einer stromaufwärts liegenden Seite her zu empfangen, den empfangenen Lichtstrahl in einen Strahl, der zu einem entsprechenden Interferometer der mehreren Interferometern verläuft, und einen Strahl, der zu einer stromaufwärts liegenden Seite verläuft, aufzuteilen; eine Unterdrückungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zufuhr eines Lichtstrahls von einer stromabwärts liegenden Seite zu einer stromaufwärts liegenden Seite der mehreren Stufen der optischen Koppler zu unterdrücken; und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist eine Entfernung zu einem Messobjekt auf der Grundlage von Frequenzen der mehreren Interferenzstrahlen zu berechnen, die von den mehreren Interferometern erzeugt werden.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 1, wobei die Unterdrückungseinheit zumindest einen optischen Koppler aus den mehreren Stufen der optischen Koppler umfasst, wobei der zumindest eine optische Koppler dazu eingerichtet ist eine Lichtmenge eines aufgeteilten Lichtstrahls, der zu der stromabwärts liegenden Stufe läuft, größer zu machen als eine Lichtmenge eines aufgeteilten Lichtstrahls, der zu dem entsprechenden Interferometer läuft.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei R_i+1 ≥ R_i gilt, wobei Ri ein Verhältnis einer Lichtmenge eines geteilten Lichtstrahls, der zu dem entsprechenden Interferometer läuft, zu einer Lichtmenge eines geteilten Lichtstrahls, der zu der stromabwärts liegenden Seite läuft, in Bezug auf einen optischen Koppler der i-ten Stufe der mehreren Stufen der optischen Koppler.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Interferometer den Interferenzstrahl durch Interferenz bilden zwischen einem ersten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Messstrahls ist, der in Richtung des Messobjekts abgestrahlt wird und an dem Messobjekt reflektiert wird, und einem zweiten reflektierten Strahl, der ein reflektierter Strahl des Referenzstrahls ist, der an einer Referenzoberfläche reflektiert wird.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei |L_CR,i - (L_CR,i+1 + L_CC,i)| nicht kleiner als ein erster Schwellenwert ist, wobei L_CR,i eine optische Weglänge von einem optischen Koppler der i-ten Stufe zu einer Referenzoberfläche in einem entsprechenden Interferometer bezeichnet, und L_CC,i eine optische Weglänge von dem optischen Koppler der i-ten Stufe zu einem optischen Koppler der i+1-ten Stufe bezeichnet.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 5, wobei der erste Schwellenwert auf der Grundlage eines Frequenzbandes einer lichtempfangenden Einheit festgelegt wird, die dazu eingerichtet ist mehrere Interferenzstrahlen in elektrische Signale umzuwandeln und die elektrischen Signale an die Verarbeitungseinheit zu liefern.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Unterdrückungseinheit eine Trenneinheit umfasst, die zwischen zwei der mehreren Stufen der optischen Koppler geschaltet ist und die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl von einem optischen Koppler der vorherigen Stufe zu einem optischen Koppler der nächsten Stufe zu leiten und keine Lichtstrahlen von einem optischen Koppler der nächsten Stufe zu einem optischen Koppler der vorherigen Stufe zu leiten.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 7, wobei |L_CR,i - L_CI,i| nicht kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist, wobei L_CR,i eine optische Weglänge von einem optischen Koppler der i-ten Stufe zu einer Referenzoberfläche in einem entsprechenden Interferometer bezeichnet, und L_CL,i eine optische Weglänge von dem optischen Koppler der i-ten Stufe zu der damit verbunden Trenneinheit auf der stromabwärts liegenden Seite bezeichnet.
Entfernungssensor basierend auf optischer Interferenz nach Anspruch 8, wobei der zweite Schwellenwert auf der Grundlage eines Frequenzbandes einer lichtempfangenden Einheit festgelegt wird, die dazu eingerichtet ist mehrere Interferenzstrahlen in elektrische Signale umzuwandeln und die elektrischen Signale an die Verarbeitungseinheit zu liefern.