DE10224761B3 - Laser beam interferometer has radiation divider feeding measurement arm, reference branch, beam combiner superimposing individual beams from reference branch, measurement arm onto detector in pairs - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlinterterometer zur berührungslosen Abstandsmessung, das eine Laserstrahlungsquelle, welche einen Meßarm und einen Referenzzweig speist, aufweist.The invention relates to a laser beam interterometer for contactless Distance measurement, which is a laser radiation source, which a measuring arm and feeds a reference branch.
Derartige Laserstrahlinterferometer bieten sich zur berührungslosen Abstandsmessung mit sehr hoher Meßgenauigkeit an, insbesondere wenn die Messung über einen Abstand im Meterbereich erfolgen soll. Das dabei ausgenutzte physikalische Wirkprinzip beruht auf der Kohärenz von sich überlagernden Laserstrahlen. Diese überlagerten Laserstrahlen stammen aus einer Quelle, haben jedoch nach einer Teilung in einem Referenz- bzw. einem Meßpfad unterschiedliche Wege zurückgelegt. Laserstrahlinterterometer können dieses Prinzip sowohl zu einer inkrementellen als auch zu absoluten Messungen umsetzen. Für eine absolute Messung wird in einem Laserstrahlinterterometer Strahlung bei mindestens zwei Wellenlängen benötigt.Such laser beam interferometer offer for contactless Distance measurement with very high measuring accuracy, in particular if the measurement over a distance should be in the meter range. The exploited physical principle of action is based on the coherence of overlapping Laser beams. These overlaid Laser beams come from a source, but have after division different paths in a reference path or a measurement path kilometer. Laser interinterometers can this principle to both an incremental and an absolute Implement measurements. For an absolute measurement is made in a laser beam interterometer at at least two wavelengths needed.
Dies ist in einem inkohärenten Längenmeßverfahren
möglich,
bei dem eine Sendestrahlleistung hinsichtlich der Sendefrequenz
moduliert wird, so daß die
Messung einer Phasendifferenz zwischen hin- und rücklaufender Strahlleistung
eine Längeninformation über das
Objekt vermittelt. Dieses Prinzip ermöglicht ein kohärent arbeitendes,
frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar (auch FMCW-Laserradar
oder Chirped Laser Radar bezeichnet), das den Abstand zum Objekt
unter Ausnutzung der Signallaufzeit durch Messung der Differenz
zwischen Sende- und Empfangsfrequenz ermittelt. Ein solches Laserradar
ist in der Veröffentlichung
A., Slotwinski et al., „Utilizing
GaAIAs Laser Diodes as a Source for Frequency Modulated Contineous
Wave (FMCW) Coherent Laser Radars", Proc. SPIE Vol. 1043, Laser Diode
Technology and Applications, 1989, S. 245–251 beschrieben. Auch die
Ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserstrahlinterferometer kann zwar eine Abstandsmessung durchführen, jedoch ist eine Vermessung eines Objektes damit nicht möglich.A frequency-modulated continuous wave laser beam interferometer can carry out a distance measurement, but it is a measurement of an object is not possible.
Eine solche kontaktlose Objektvermessung ist aber für viele Anwendungen wünschenswert, beispielsweise, wenn die Form eines Objektes überprüft werden soll, wie dies u. a. bei Verschleißmessungen, z. B. von Fahrdrähten elektrischer Bahnen, der Fall ist.Such a contactless object measurement is but for many applications desirable for example, if the shape of an object is to be checked, as u. a. for wear measurements, e.g. B. of contact wires electrical railways, the case is.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Laserstrahlinterferometer mit einer Laserstrahlungsquelle, die einen Meßarm und einen Referenzzweig speist, so weiterzubilden, daß eine berührungslose Vermessung eines Objektes möglich ist.The object of the invention is therefore based on a laser beam interferometer with a laser radiation source, the one measuring arm and feeds a reference branch, so that a non-contact Measurement of an object is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserstrahlinterferometer das eine Laserstrahlungsquelle, die einen Meßarm und einen Referenzzweig speist, eine Strahlaufspaltungseinrichtung, die aus einem von der Laserstrahlungsquelle abgegebenem Strahlbündel im Meßarm und im Referenzzweig je einem Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugt, und eine Strahlvereinigungseinrichtung aufweist, die Einzelstrahlen aus dem Referenzzweig und die vom Objekt rückgestreuten Einzelstrahlen aus dem Meßarm auf einer Detektoreinrichtung jeweils paarweise überlagert.According to the invention, this object is achieved by a laser beam interferometer which is a laser radiation source which a measuring arm and feeds a reference branch, a beam splitter, which from a beam emitted by the laser radiation source in measuring arm and one subject each in the reference branch generated with a plurality of individual beams, and a beam combining device comprises the individual beams from the reference branch and those from the object backscattered Single beams from the measuring arm superimposed in pairs on a detector device.
Das erfindungsgemäße Konzept erzeugt im Meßarm einen Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen, die auf das Objekt gerichtet werden. Die vom Objekt jeweils in Richtung der auftreffenden Einzelstrahlen zurückgestreute Strahlungsleistung wird mit dem Referenzstrahl, der ebenfalls in einen Fächer aus Einzelstrahlen aufgeteilt wurde, zur Interferenz gebracht. Durch die Aufteilung der Strahlbündel in Fächer aus Einzelstrahlen wirkt der erfindungsgemäße Aufbau für jeden Einzelstrahl wie ein eigenständiges Laserstrahlinterferometer, soweit die Vermessung des Objektes betroffen ist. Durch die Vielzahl von Einzelstrahlen kann damit zu entsprechend vielen Punkten des Objektes der Abstand gemessen werden, woraus sich automatisch eine Information über den Umriß des Objektes und damit eine Vermessung des Objektes ergibt.The concept according to the invention produces one in the measuring arm subjects with a multitude of single beams directed at the object become. The one from the object in the direction of the individual rays hitting it backscattered Radiant power is measured with the reference beam, which is also in a fan was divided from individual beams, brought to interference. By the division of the beam into subjects from individual beams, the structure according to the invention acts like a single beam independent Laser beam interferometer, as far as the measurement of the object is concerned is. Due to the large number of individual beams, there can be too many Points of the object's distance are measured, which automatically results information about the outline of the Object and thus a measurement of the object results.
Unter dem Begriff „Objekt" wird dabei eine zu vermessende Struktur verstanden, es kann sich also dabei durchaus um ein Element eines größeren Gegenstandes handeln.Under the term "object" one understood structure to be measured, so it may well around an element of a larger object act.
Im erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer werden zur Vermessung eines Objektes die Einzelstrahlen aus Referenzzweig und Meßarm paarweise zur Überlagerung gebracht. Dabei ist unter diesem Begriff zu verstehen, daß im Meßarm die Strahlung erfaßt wird, die in Richtung der auf das Objekt gerichteten Einzelstrahlen zurückgestreut wird. Deren Intensität kann abhängig vom Rückstreuvermögen bzw. der Geometrie des vermessenden Objektes stark variieren. Mitunter wird überhaupt keine Strahlungsenergie in Richtung eines eingestrahlten einzelnen Meßstrahles zurückgestreut, beispielsweise weil das Objekt vollständig absorbiert oder der in Rede stehende Einzelstrahl überhaupt nicht auf das Objekt trifft. Auch solche Fälle mit verschwindend rückgestreuter Strahlungsintensität werden hier als paarweise Überlagerung mit dem zugehörigen Einzelstrahl des Referenzzweiges aufgefaßt.In the laser beam interferometer according to the invention the individual beams from the reference branch are used to measure an object and measuring arm in pairs for overlay brought. It is to be understood by this term that the radiation in the measuring arm detected that is in the direction of the individual beams directed at the object backscattered becomes. Their intensity can be dependent of the backscattering capacity or vary the geometry of the surveying object greatly. from time to time will at all no radiant energy towards an irradiated individual measuring beam backscattered, for example because the object is completely absorbed or the one in question standing single jet at all does not hit the object. Even such cases with vanishingly backscattered radiation intensity are overlaid here in pairs with the associated Detected single beam of the reference branch.
Für jeden Einzelstrahl kann der Objektabstand ermittelt werden. Dabei ist das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer allerdings nicht auf die Anwendung des Prinzips eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Laserradars eingeschränkt, sondern kann auch anderweitig in bekannter Weise als kohärentes Interferometer eingesetzt werden, das eine gleichzeitige Vermessung einer Vielzahl von Punkten eines Objektes ermöglicht.The object distance can be determined for each individual beam. However, the laser beam interferometer according to the invention is not restricted to the application of the principle of a frequency-modulated continuous wave laser radar, son it can also be used in a known manner as a coherent interferometer, which enables simultaneous measurement of a large number of points of an object.
Beispielsweise kann der Laserstrahl gepulst und die Impulslaufzeit erfaßt werden. Auch kann bei geeigneten Objekten eine kohärente Aufsummation der im Interferenzpunkt überlagerten Strahlung, die je nach ihrer Teilung in Referenzzweig und Meßarm unterschiedliche Wege zurückgelegt hat, erfolgen. Wird dabei nur eine Wellenlänge im Interferometer ausgewertet, so liegt ein inkrementelles Verfahren vor. Für eine nicht-inkrementelle, d. h. absolut messende Laserstrahlinterferometrie ist eine Meßinformation bei mindestens zwei verschiedenen Laserwellenlängen erforderlich. Dann kann die Längendifferenz zwischen Meßarm und Referenzzweig eindeutig innerhalb der halben synthetischen Wellenlänge der beiden Laserwellenlängen bestimmt werden, wobei sich die synthetische Wellenlänge aus dem durch die Betragsdifferenz dividierten Produkt der Laserwellenlängen ergibt. Alternativ kann zur absoluten Laserstrahlinterferometrie auch die Emissionswellenlänge der Laserstrahlungsquelle von einem Anfangswert zu einem Endwert durchgestimmt werden. Bei diesen Meßverfahren ist allerdings die Kohärenz im Meßstrahl unabhängig vom Meßort erforderlich, weshalb sich diese Verwendungen des erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometers nur bei die Kohärenz nicht zerstörenden, sogenannten kooperativen Objektoberfläche anbieten werden.For example, the laser beam pulsed and the pulse transit time are recorded. Also, if appropriate Objects a coherent Summation of the radiation superimposed in the interference point, each after their division into reference branch and measuring arm different ways traveled has to be done. If only one wavelength is evaluated in the interferometer, so there is an incremental procedure. For a non-incremental, d. H. absolutely measuring laser beam interferometry is measurement information required for at least two different laser wavelengths. Then can the difference in length between measuring arm and reference branch clearly within half the synthetic wavelength of the two laser wavelengths can be determined, the synthetic wavelength the product of the laser wavelengths divided by the difference in magnitude. As an alternative to absolute laser beam interferometry Emission wavelength the laser radiation source from an initial value to an end value be tuned. With these measuring methods, however, the coherence in the measuring beam independently from the measurement site required, which is why these uses of the laser beam interferometer according to the invention only with the coherence not destructive, so-called cooperative object surface will offer.
Bei technischen, sogenannten nicht-kooperativen Oberflächen stellt sich bei der Vermessung eines Objektes dagegen die Problematik, daß die Wechselwirkung eines Laserstrahls mit dem Objekt die räumliche Kohärenz zerstört, da an solchen Oberflächen gestreutes Licht nur noch in benachbarten Raumpunkten feste Phasenbeziehungen aufweist. Eine inkrementelle Laserstrahlinterferometrie ist deshalb an technischen Objekten meist nicht möglich. Zwar könnte man dieses Problem durch die Montage spezieller Reflektoren am zu vermessenden Objekt umgehen, jedoch wäre damit ein nachteiliger Übergang von berührungsloser zu berührender Vermessung verbunden. In solchen Fällen bietet sich deshalb die erwähnte Verwendung des Interferometers als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar an, indem der Objektabstand unter Ausnutzung der Signallaufzeit durch Messung der Differenz zwischen einer Sende- und einer Empfangsfrequenz bestimmt wird.In the case of technical, so-called non-cooperative surfaces On the other hand, the problem arises when measuring an object, that the interaction of a laser beam with the object destroys the spatial coherence, since such surfaces are scattered Light only has fixed phase relationships in neighboring spatial points having. Incremental laser beam interferometry is therefore mostly not possible on technical objects. You could this problem by mounting special reflectors on the surface to be measured Bypass object, however an adverse transition of non-contact to be touched Survey connected. In such cases, therefore mentioned Use of the interferometer as a frequency-modulated continuous wave laser radar by the object distance using the signal propagation time by measuring the difference between a transmit and a receive frequency is determined.
Das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer ist insbesondere zur Fernvermessung von Objekten aus großen Abständen geeignet, d. h. wenn die Objektabmessung zwischen einem Zehntel und einem Zehntausendstel des Meßabstandes liegt, oder Auflösungen zwischen einem Hundertstel und einem Millionstel des Meßabstandes erreicht werden sollen. Da in solchen Fällen naturgemäß die Anforderung an ein möglichst großes Signal/Rausch-Verhältnis besteht, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, eine Laserstrahlungsquelle zu verwenden, die zwei überlagerte, linear polarisierte Lichtbündel abgibt, wobei die Polarisationsrichtungen der Lichtbündel um 90° gegeneinander verdreht sind und eine Detektoreinrichtung verwendet wird, die einen Polteiler und zwei Detektoren aufweist. Im Laserstrahlinterferometer propagieren dann zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen, wodurch im Endeffekt jeder Einzelstrahl verdoppelt ist, da er nach beiden Polarisationsrichtungen ausgewertet wird. Bei dieser Weiterbildung werden in einem Aufbau zwei Meßinterferometer verwirklicht, die zugleich eine Objektvermessung vornehmen, wobei der instrumentelle Aufwand nur unwesentlich steigt, insbesondere nicht verdoppelt wird.The laser beam interferometer according to the invention is particularly suitable for remote measurement of objects from large distances, d. H. if the object dimension is between a tenth and a Ten thousandths of the measuring distance lies, or resolutions between one hundredth and one millionth of the measuring distance should be achieved. Because in such cases the requirement is natural to one if possible great Signal / noise ratio consists in an advantageous development of the invention intended to use a laser radiation source, the two superimposed, linearly polarized light beams emits, the polarization directions of the light beams around Twisted 90 ° against each other and a detector device is used which has a pole divider and has two detectors. Propagate in the laser beam interferometer then two different directions of polarization, which ultimately results every single beam is doubled because it is in both polarization directions is evaluated. This training course is being built up two measuring interferometers realized who also make an object measurement, the Instrumental expenditure increases only insignificantly, especially not is doubled.
Wird ein derart weitergebildetes Laserstrahlinterferometer als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar betrieben, kann die Frequenzmodulierung der überlagerten, linarpolarisierten Lichtbündel gegenläufig erfolgen, so daß sich die beiden, in Laserstrahlinterferometer propagierenden überlagerten Lichtbündel nicht nur durch die um 90° gegeneinander verdrehte Polarisationsrichtung, sondern auch in der momentanen Wellenlänge, bzw. Frequenz unterscheiden. Dadurch ist eine verstärkte Entkopplung erreicht und ein Übersprechen zwischen den beiden Polarisationsrichtungen weitestgehend vermieden.Is such a further developed Laser beam interferometer operated as a frequency-modulated continuous wave laser radar, can the frequency modulation of the superimposed, linearly polarized light beam opposite take place so that the two superimposed propagating in laser beam interferometers light beam not only through the 90 ° against each other twisted direction of polarization, but also in the current one Wavelength, or differentiate frequency. This means increased decoupling reached and a crosstalk largely avoided between the two polarization directions.
Die Länge des Referenzzweiges wirkt sich im erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer unmittelbar auf die zur Objektvermessung ausgewertete Interferenzerscheinung aus. Die optische Weglänge des Referenzzweiges sollte deshalb unter normalen Betriebsbedingungen möglichst konstant bleiben. Dies kann besonders einfach erreicht werden, indem der Referenzzweig eine Glasfaserstrecke aufweist. Eine solche Glasfaserstrecke bringt zusätzlich den Vorteil, daß die Länge des Referenzzweiges relativ einfach auf die Länge des Meßarms abgestimmt werden kann, ohne daß dabei die Größe des Aufbaus des Laserstrahlinterferometers wesentlich beeinflußt würde. Es ist deshalb vorteilhaft, die Glasfaserstrecke auf die Länge des Meßarms abzustimmen, so daß der Referenzzweig im wesentlichen der Länge des zu erwartenden Meßarms entspricht, auf den sich der Abstand zum Objekt unmittelbar auswirkt.The length of the reference branch is effective themselves in the laser beam interferometer according to the invention directly on the interference phenomenon evaluated for object measurement out. The optical path length The reference branch should therefore be used under normal operating conditions preferably remain constant. This can be achieved particularly easily by using the Has a fiber optic link. Such an optical fiber link brings additional the advantage that the Length of Reference branch can be adjusted relatively easily to the length of the measuring arm, without doing it the size of the construction of the Laser beam interferometer would be significantly affected. It is therefore advantageous the fiber optic line on the length of the measuring arm vote so that the Reference branch essentially corresponds to the length of the measuring arm to be expected, which is directly affected by the distance to the object.
Wird das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar betrieben, ermöglicht der kohärente Überlagerungsempfang bereits im optischen Bereich eine erhebliche Verstärkung des Nutzsignals, womit sehr große Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten erreicht werden können. Dabei treten allerdings mitunter erhebliche Nichtlinearitäten gegenüber Parametern der Betriebsbedingungen auf, beispielsweise sind die Durchstimmeigenschaften von Laserstrahlungsquellen regelmäßig stark nichtlinear. Je nach Einsatz, insbesondere zu erwartendem Temperaturbereich, kann eine Kalibrierung bzw. Korrektur des Laserstrahlinterferometers erforderlich werden. Um hierbei den Meßbetrieb aufrechterhalten zu können, ist es zweckmäßig, die Umgebungsbedingungen während der Messung zu erfassen und eine entsprechende Korrektur, beispielsweise gemäß einer vorher bestimmten Kalibrierkurve vorzunehmen.If the laser beam interferometer according to the invention is operated as a frequency-modulated continuous wave laser radar, the coherent overlay reception enables a considerable amplification of the useful signal even in the optical range, with which very large dynamic ranges and sensitivities can be achieved. However, considerable non-linearities with respect to parameters of the operating conditions sometimes occur, for example the tuning properties of laser radiation sources are regularly highly non-linear. Depending on the application, in particular the expected temperature range, calibration or correction can be carried out ture of the laser beam interferometer. In order to be able to maintain measuring operation, it is expedient to record the ambient conditions during the measurement and to carry out a corresponding correction, for example in accordance with a previously determined calibration curve.
In einer diesbezüglich besonders vorteilhaft weitergehenden Ausbildung ist eine Korrekturinterferometeranordnung vorgesehen, die Strahlung aus der Laserstrahlungsquelle analysiert. Dabei ist es der Korrekturgüte besonders förderlich, wenn die Korrekturinterferometeranordnung möglichst viele Komponenten mit dem Laserstrahlinterferometer gemeinsam hat, also Strahlung aus dem eigentlichen Interferometer zur Analyse auskoppelt. Eine besonders gute Korrektur kann erreicht werden, wenn die Korrekturinterferometeranordnung hinsichtlich der Bauteile, die nicht mit dem eigentlichen Laserstrahlinterterometer geteilt werden oder werden können, einen parallelen Aufbau aufweist.In a particularly advantageous way in this regard Training, a correction interferometer arrangement is provided, the radiation from the laser radiation source is analyzed. It is it the correction goodness particularly beneficial, if the correction interferometer arrangement has as many components as possible common to the laser beam interferometer, i.e. radiation from decouples the actual interferometer for analysis. A particularly good one Correction can be achieved if the correction interferometer arrangement regarding the components that are not with the actual laser beam interterometer can be shared or become has a parallel structure.
Wenn der Referenzzweig eine Glasfaserstrecke aufweist, ist es zweckmäßig, daß die Korrekturinterferometeranordnung ebenfalls eine entsprechende Glasfaserstrecke umfaßt. Werden zwei überlagerte, linear polarisierte Lichtbündel im Laserstrahlinterterometer eingesetzt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese überlagerten Lichtbündel ebenfalls in der Korrekturinterferometeranordnung propagieren und in zwei durch einen Polteiler beaufschlagten Detektoren erfaßt werden. Die Detektorsignale der Korrekturinterferometeranordnung können sowohl für eine Meßdatenkorrektur als auch für einen entsprechenden Abgleich der Laserstrahlungsquelle eingesetzt werden.If the reference branch is a fiber optic link it is expedient that the correction interferometer arrangement also includes a corresponding fiber optic link. Become two layered, linearly polarized light beams used in the laser beam interterometer, it has proven to be advantageous if they overlap Beams of light as well propagate in the correction interferometer arrangement and in two detectors acted upon by a pole divider. The detector signals of the correction interferometer arrangement can both for one Meßdatenkorrektur for as well a corresponding adjustment of the laser radiation source is used become.
Für die Verwendung des Laserstrahlinterferometers als frequenzmoduliertes Laserradar ist es zweckmäßig, daß die Laserstrahlungsquelle innerhalb gewisser Grenzen durchstimmbar ist. Natürlich könnte eine Frequenzmodulation auch durch nachgeschaltete Elemente erfolgen, jedoch ist dies regelmäßig baulich aufwendig. Besonders bevorzugt sind aufgrund der geringen Baugroße frequenzmodulierbare Laserdioden.For the use of the laser beam interferometer as a frequency modulated Laser radar, it is appropriate that the laser radiation source is tunable within certain limits. Of course one could Frequency modulation also take place through downstream elements, however, this is regularly structural consuming. Due to the small size, frequency modulators are particularly preferred Laser diodes.
Die Strahlaufspaltungseinrichtung erzeugt im Laserstrahlinterferometer die Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen, mit denen das Objekt vermessen wird. Prinzipiell kann diese Aufspaltung an beliebiger Stelle im Laserstrahlinterterometer erfolgen, solange sichergestellt ist, daß das Objekt mit dem Fächer aus Einzelstrahlen beleuchtet wird, und die entsprechend rückgestreute Strahlung des Objektes mit den entsprechend zugeordneten Einzelstrahlen des Referenzzweiges zur Überlagerung gebracht wird. Unter dem Gesichtspunkt, daß diese Überlagerung für das Meßergebnis bedeutsam ist, hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, die Fächererzeugung vor der Aufteilung des Strahlengangs in Meßarm und Referenzzweig vorzunehmen, da dann ein identischer Divergenzwinkel der Fächer sichergestellt ist, der eine einfache und dennoch exakte paarweise Überlagerung der Einzelstrahlen erlaubt. Es ist deshalb eine Weiterbildung des Laserstrahlinterferometers bevorzugt, bei der die Strahlaufspaltungseinrichtung ein Gitter, das die Fächer mit der Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugt, sowie einen ersten Strahlteiler aufweist. Ist der Strahlteiler dann dem Gitter nachgeschaltet, ergibt sich der geschilderte Vorteil der einfachen Überlagerung, da in den Referenzzweig sowie den Meßarm bereits von Anfang an ein entsprechender Fächer aus Einzelstrahlen eingekoppelt wird.The beam splitter generates the subjects with a multitude of in the laser beam interferometer Single beams with which the object is measured. in principle this splitting can take place anywhere in the laser beam interterometer as long as it is ensured that the object with the fan out Single beams are illuminated, and the correspondingly backscattered Radiation of the object with the correspondingly assigned individual beams of the reference branch for overlay brought. From the point of view that this overlap for the measurement result What is significant, it has proven to be particularly expedient, the subject production before dividing the beam path into measuring arm and reference branch, because then an identical divergence angle of the subjects is ensured, the a simple yet exact paired overlay of the individual beams allowed. It is therefore a further development of the laser beam interferometer preferred, in which the beam splitting device is a grating, that the subjects generated with the large number of individual beams, as well as a first Has beam splitter. If the beam splitter is then connected downstream of the grating, there is the described advantage of simple superimposition, since in the reference branch and the measuring arm right from the start a corresponding subject Single beams is injected.
Natürlich kann die Anordnung von Gitter und Strahlteiler auch umgekehrt werden, so daß zuerst der Strahlteiler das von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Strahlenbündel eine in Strahlung für den Meßarm und Strahlung für den Referenzzweig aufteilt. Die derart aufgeteilten Anteile können dann durch ein oder mehrere Gitter aufgefächert werden. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß die Länge des Referenzzweiges zu einem großen Teil nur von einem Strahlbündel, nicht dagegen von einem Fächer von Einzelstrahlen durchlaufen wird, was unter dem Gesichtspunkt der Strahlführung bzw. geringerer Anfälligkeit für störende strahlabschwächende Effekte vorteilhaft ist. Insbesondere bietet sich dann die Möglichkeit, in die Referenzstrecke eine Glasfaser einzubinden, die die erforderliche optische Weglänge bereitstellt. Lägen dagegen zu diesem Punkt im Strahlgang bereits ein Fächer aus Einzelstrahlen vor, würde eine entsprechende Vielzahl an Glasfaserstrecken benötigt, was einen erheblichen apparativen Aufwand darstellt.Of course, the arrangement of Grid and beam splitter are also reversed, so that the first Beam splitter the beam generated by the laser radiation source in radiation for the measuring arm and radiation for splits the reference branch. The shares so divided can then by one or more grids fanned out become. This structure has the advantage that the length of the reference branch increases a big one Part of just one beam, not against it from a fan is traversed by single rays, which is from the point of view the beam guidance or less vulnerability for annoying beam attenuating effects is advantageous. In particular, there is the possibility to incorporate a glass fiber into the reference path that meets the requirements optical path length provides. BE REDUCED on the other hand, a fan already exists in the beam path at this point Single rays before, would a corresponding variety of fiber optic lines needs what represents a considerable expenditure on equipment.
Das Gitter zur Erzeugung der Einzelstrahlen muß für die erforderliche Strahltrennung sorgen. Besonders bevorzugt ist ein holographisches Gitter, da dieses kostengünstig herstellbar und unkritisch gegenüber Fehljustierungen ist.The grid for generating the individual beams must be the required Ensure beam separation. A holographic is particularly preferred Grid because this is inexpensive producible and uncritical to Is misalignments.
In der erwähnten Variante, bei der die Aufteilung in die Fächer mit Einzelstrahlen erst nach der Trennung des Strahlenbündels in Meßarm und Referenzzweig erfolgt, bietet es sich unter dem Gesichtspunkt einer möglich paßgenauen Überlagerung der Einzelstrahlen des Fächers vor dem Detektor als vorteilhaft an, die Auffächerung der Strahlbündel in Meßarm und Referenzzweig durch ein und dasselbe Gitter zu bewirken, insbesondere wenn in den Referenzzweig eine Glasfaserstrecke eingebunden ist. Es ist deshalb bevorzugt, daß bei der oben erwähnten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometers mit einem Gitter und einem ersten Strahlteiler, der erste Strahlteiler das von der Laserstrahlungsquelle abgegebene Strahlbündel in ein in die Glasfaserstrecke des Referenzzweiges eingespeistes Referenzstrahlbündel und in ein in den Meßarm eingespeistes Meßstrahlbündel aufteilt, wobei das Gitter vom Referenzstrahlbündel und vom Meßstrahlbündel parallel durchstrahlt wird und die Strahlvereinigungseinrichtung mittels eines zweiten Strahlteilers dann die Einzelstrahlen der Fächer paarweise überlagert. Mit diesem Ansatz wird nicht nur ein sehr kompakter Aufbau erreicht, da nur eine Glasfaserstrecke zur Erzeugung der erforderlichen optischen Weglänge im Referenzzweig benötigt wird, es kann auch, insbesondere bei der Verwendung eines holographischen Gitters, durch die Verwendung nur eines einzigen Gitters für eine identische Auffächerung der beiden Strahlbündel gesorgt werden, was vorteilhaft für eine einfache und dennoch exakte, paarweise Überlagerung der Einzelstrahlen ist.In the variant mentioned, in which the division into the compartments with individual beams only takes place after the beam bundle has been separated into the measuring arm and reference branch, it is advantageous from the point of view of a possible precisely fitting superposition of the individual beams of the fan in front of the detector, the fanning out of the To effect beam bundles in the measuring arm and reference branch through one and the same grating, in particular if a glass fiber link is integrated in the reference branch. It is therefore preferred that in the above-mentioned development of the laser beam interferometer according to the invention with a grating and a first beam splitter, the first beam splitter divides the beam bundle emitted by the laser radiation source into a reference beam bundle fed into the glass fiber path of the reference branch and into a measuring beam bundle fed into the measuring arm, the grating being irradiated in parallel by the reference beam and by the measuring beam and the beam combining device then superimposing the individual beams of the subjects in pairs by means of a second beam splitter. With this approach will not only a very compact design is achieved, since only one glass fiber link is required to generate the required optical path length in the reference branch, and in particular when using a holographic grating, the use of only a single grating can ensure an identical fanning out of the two beam bundles , which is advantageous for a simple, yet exact, pair-wise superposition of the individual beams.
Das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer ist besonders für die Vermessungen von Objekten aus großer Ferne geeignet. Die maximale Meßgenauigkeit bei der Vermessung eines Objektes wird dabei natürlich immer dann erreicht, wenn der Bereich, über den die Einzelstrahlen des Fächers verteilt sind, möglichst genau der zu vermessenden Objektgeometrie entspricht, d. h. wenn möglich alle Einzelstrahlen auf den zu vermessenden Objektbereich fallen. Um diese Bedingung zu erfüllen, muß der Divergenzwinkel des Strahlenfächers an den Abstand zum vermessenden Objekt sowie an dessen Größe angepaßt sein. Hierzu ist es denkbar, die Eigenschaften der Strahlaufteilungseinrichtung anzupassen, beispielsweise ein entsprechendes Gitter zu verwenden. Da dann aber mitunter bei der Anpassung an unterschiedliche Objekt- bzw. Vermessungsgeometrien ein erheblicher Eingriff in den optischen Aufbau des Interferometers erforderlich wäre, ist es vorteilhaft, im Meßarm einer Optik anzuordnen, die den Divergenzwinkel der Einstrahlen des Fächers im Meßarm an die Entfernung zum Objekt und an die Objektgröße anpaßt. Auch kann dann auf sich während der Vermessung auftretende Änderungen von Objektabstand oder -größe reagiert werden.The laser beam interferometer according to the invention is especially for suitable for the measurement of objects from a great distance. The maximum measurement accuracy of course, when measuring an object, if the area over which the individual beams of the fan distribute are, if possible corresponds exactly to the object geometry to be measured, d. H. if possible all individual rays fall on the object area to be measured. To meet this requirement must the Divergence angle of the fan of rays be adapted to the distance to the object being measured and its size. For this purpose, it is conceivable for the properties of the beam splitting device to adapt, for example to use an appropriate grid. But then sometimes when adapting to different object or surveying geometries a considerable intervention in the optical structure of the interferometer would be necessary, it is advantageous in measuring arm arrange an optics that the divergence angle of the irradiation of the fan in the measuring arm adapts to the distance to the object and the object size. Even then can on itself while changes occurring during the measurement reacted by object distance or size become.
Wie bereits erwähnt, sollte das Objekt durch die im Meßarm ausgefächerten Einzelstrahlen möglichst vollständig erfaßt werden. Dies bedingt eine entsprechende Ausrichtung des Laserstrahlinterterometers zum Objekt. Oftmals ist es jedoch nicht möglich, das Laserstrahlinterferometer in der dazu erforderlichen Lage anzuordnen. Ein Beispiel dafür ist die Vermessung von Fahrdrähten elektrischer Bahnen, bei denen die Lage eines Laserstrahlinterferometers an einem Meßfahrzeugs innerhalb enger Grenzen vorgegeben ist, so daß das Laserstrahlinterferometer nicht immer die wunschgemäße Blickrichtung zum Objekt hat. Für solche Anwendungen ist es zweckmäßig, einen entsprechenden Spiegel im Meßarm vorzusehen, der den Fächer auf das Objekt richtet. Ändert sich nun die Lage des Objektes, kann eine ansonsten unvermeidliche Neuausrichtung des Laserstrahlinterferometers zum Objekt vermieden werden, wenn der Spiegel als Drehspiegel ausgestaltet wird, der so eingestellt wird, daß der Fächer im Meßarm auf das Objekt fällt.As mentioned earlier, the object should be through the in the measuring arm fanned out Single beams if possible Completed detected become. This requires an appropriate alignment of the laser beam interterometer to the object. However, it is often not possible to use the laser beam interferometer to be arranged in the required position. One example of this is surveying of contact wires electrical orbits where the location of a laser beam interferometer a measuring vehicle is specified within narrow limits so that the laser beam interferometer does not always the direction you want to the object. For such applications, it is appropriate to to provide the corresponding mirror in the measuring arm, the fan aimed at the object. change now the location of the object can be an otherwise inevitable Realignment of the laser beam interferometer to the object avoided if the mirror is designed as a rotating mirror, the is set so that the subjects in the measuring arm the object falls.
Die Intensität der jeweils paarweise überlagerten Einzelstrahlen muß, insbesondere bei einem frequenzmodulierten Dauerstrich-Laserradar mit einer möglichst geringen Nachweisgrenze erfaßt werden. Hier bieten sich zuvorderst entsprechende Detektortelder, beispielsweise Arrays oder Zeilen an. Dabei kann es jedoch beträchtlichen Aufwand mit sich bringen, Detektoren, die eine niedrige Nachweisgrenze haben, in einem Detektorfeld zusammenzufassen, das die entsprechenden Abmessungen hat. Für solche Fälle ist es vorteilhaft, Einzeldetektoren zu verwenden, denen jeweils ein Faserkoppler derart vorgeschattet ist, daß die Eingänge der Faserkoppler mit der erforderlichen geometrischen Struktur angeordnet sind, in der die überlagerten Einzelstrahlen auf die Detektoreinheit fallen. Diese geometrische Anordnung wird regelmäßig die Aufreihung entlang einer Gerade sein. Das Konzept, Faserkoppler zu verwenden, bietet einen beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteil, da kostengünstige, massenproduzierte aber dennoch hochempfindliche Einzelphotoempfänger eingesetzt werden können. Darüber hinaus können solche Einzelempfänger auch relativ einfach hinsichtlich ihrer Detektionscharakteristiken korrigiert werden, was bei feldförmigen Detektoren zwar prinzipiell auch möglich ist, meist jedoch aufwendiger oder hinsichtlich der Leistungsfähigkeit eingeschränkt ist. Besonders bieten sich als Detektoren dabei Gallium-Arsenid-Avalanche-Dioden an, die eine geringe Nachweisgrenze und ein sehr gutes Dynamikverhalten aufweisen.The intensity of the two superimposed in pairs Single rays, especially with a frequency-modulated continuous wave laser radar with one if possible low detection limit become. Corresponding detector fields are available here first for example arrays or rows. However, it can be considerable Bring effort to use detectors that have a low detection limit have to summarize in a detector field that the corresponding Has dimensions. For such cases it is advantageous to use individual detectors, each of which a fiber coupler is pre-shaded so that the inputs of the fiber coupler with the required geometric structure are arranged in which the superimposed Single beams fall onto the detector unit. This geometric The arrangement is regular Lined up along a straight line. The concept, fiber coupler to use offers a considerable economic Advantage because inexpensive, mass-produced but still highly sensitive single photo receivers used can be. Furthermore can such individual recipients also corrected relatively easily with regard to their detection characteristics become what at field-shaped Although detectors are also possible in principle, they are usually more complex or in terms of performance limited is. Gallium arsenide avalanche diodes, one of which are particularly suitable as detectors have a low detection limit and very good dynamic behavior.
Das erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer kann vielfältig dort eingesetzt werden, wo es auf die kontaktlose Fernvermessung der Geometrie eines Objektes ankommt. Da das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer, insbesondere, wenn das Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrich-Laserradars verfolgt wird, eine besonders schnelle Vermessung ermöglicht, kann es mit besonderem Gewinn überall dort verwendet werden, wo kurze Meßzeiten bzw. ein hoher Meßtakt nötig sind. Eine solche Anwendung findet sich beispielsweise bei der Vermessung des Verschleißzustandes eines Fahrdrahtes einer elektrischen Bahn, da dann mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer eine Strecke, deren Fahrdraht es zu vermessen gilt, mit hoher Geschwindigkeit abgefahren werden kann.The laser beam interferometer according to the invention can be varied be used where it is based on contactless remote measurement arrives at the geometry of an object. Since the laser beam interferometer according to the invention, especially when the principle of frequency modulated continuous wave laser radar tracked, enables a particularly fast measurement, can do it anywhere with special profit be used where short measuring times or a high measuring cycle are necessary. Such an application can be found, for example, in measurement the state of wear a contact wire of an electric train, since then with the laser beam interferometer according to the invention a route whose contact wire needs to be measured at high speed can be driven.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The invention is described below Reference to the drawing is explained in more detail by way of example. In the drawings show:
In
Der Laserradar
Die Überlagerung der Strahlung aus
Referenzarm und Meßarm
erfolgt dabei solange reproduzierbar kohärent, solange sich das Objekt
innerhalb der Rayleigh-Länge
des Fokusses der Optik
Die Zwischenfrequenz ZF oder Differenzfrequenz νDiff ist
dabei zu jedem Zeitpunkt die Betragdifferenz zwischen Sendefrequenz νs und
Empfangsfrequenz νr. Sie ergibt sich als mit dem gesuchten
Abstand (Differenz der Längen
von Meßarm
Somit kann bei Kenntnis der Zwischenfrequenz ZF der Abstand R als das durch den doppelten Frequenzhub dividierte Produkt aus Differenzfrequenz, Modulationsperiode und Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden: With knowledge of the intermediate frequency ZF, the distance R can be determined as the product of the difference frequency, modulation period and speed of light divided by the double frequency deviation:
Man muß dazu lediglich aus dem Interferenzsignal
Dabei steigt die Auflösung mit der Zahl der erfaßten Maxima. Daraus folgt, daß bei ausreichender Signalstärke die Auflösung nicht von geometrischen Bedingungen abhängt, sondern nur noch vom Frequenzhub (FH-TF). Natürlich ist die Meßdauer von der Zahl der erfaßten Intensitätsmaxima abhängig. Die Auflösung ist damit auch von der Meßzeit abhängig, was im Ergebnis natürlich nicht überrascht.The resolution increases with the number of detected maxima. It follows that if the signal strength is sufficient, the resolution does not depend on geometric conditions, but only on the frequency swing (FH-TF). Of course, the measurement time is dependent on the number of recorded intensity maxima. The resolution is therefore also dependent on the measurement time, which of course is not surprising in the result.
Ein wesentlicher Unterschied des
Aufbaus der
Die derart gegentaktig frequenzveränderten sowie
senkrecht zueinander polarisierten Strahlen werden über einen
Strahlteiler
Im Meßarm
Die Detektoreinrichtung weist einen Pol-Strahlteiler
Wie bereits erwähnt, geht in die Bestimmung der
Abstände,
d. h. in die Geometrievermessung des Objektes
Die Laserdiode
Die Detektorzeilen
Die Ansteuerung der Laserdioden
Danach liegen für jeden der sechzehn Meßorte
Durch die Verwendung zweier, orthogonal zueinander
linear polarisierter Strahlenbündel
im Interferometer und die erwähnte
Multiplikation der Interferometersignale können Fehlmessungen durch Dopplerverschiebungen
der Meßfrequenz
aufgrund der Relativbewegung von Fahrdraht
Nach Auskopplung der Strahlung über entsprechende
Faserkoppler erfolgt durch die Polfilter
An einem nachgeschalteten ersten Teiler T1 wird das entstandene Bündel polarisationsneutral im Verhältnis 19:1 in ein Meß- und ein Referenzbündel geteilt, die jeweils in eine polarisationserhaltende Monomode-Faser RF, RM eingekoppelt werden.On a downstream first The resulting bundle becomes divisor T1 polarization-neutral in relation 19: 1 into a measuring and shared a reference bundle, each in a polarization-maintaining monomode fiber RF, RM be coupled.
Die vom Meßbündel durchlaufene Faser RF sorgt
dafür,
daß die
Strahlgeometrie des Meßbündels nach
Austritt aus der Faser der Geometrie des Referenzbündels nach
Austritt aus der Faser RM gleicht. Während die Faser RF somit lediglich
die Funktion eines Raumfilters erfüllt, erzeugt die Faser RM als
Bestandteil des Referenzarmes zusätzlich die für die Messung
erforderliche Wegdifferenz; sie ist also Bestandteil des Referenzarmes
Das Meßbündel durchläuft im Meßarm
Ein Teil der am Objekt reflektierten bzw. zurückgestreuten Strahlung gelangt auf dem gleichen Weg zurück zum Teiler T2 und wird in Richtung der Blende BI2 abgelenkt. Aus den sechzehn dort vorliegenden, die Blende BI2 durchlaufenden Unendlichbündeln erzeugt die Linse L7 ein Bild des Objektpunktrasters, welches von einem Polteiler PT2 nach den Polarisationsebenen getrennt auf zwei als Detektorarrays ausgebildete Empfänger E1 und E2 aufgeteilt wird.Part of the radiation reflected or backscattered on the object reaches the same Way back to the divider T2 and is deflected towards the aperture BI2. From the sixteen infinity bundles present there, passing through the aperture BI2, the lens L7 generates an image of the object point raster, which is divided by a pole divider PT2 according to the polarization planes into two receivers E1 and E2 designed as detector arrays.
Die Empfänger E1 und E2 umfassen sechzehn (nicht dargestellte) Fasern, in deren Enden die sechzehn Unendlichbündel von der Linse L7 eingekoppelt werden. Am anderen Ende der Fasern befinden sich Gallium-Indium-Arsenid-Photodioden. Die Einheit aus den sechzehn Photodioden mit den vorgeschalteten Faserkopplern wirkt als Empfänger. Die Anordnung der offenen Enden der Faserkopplern entspricht dabei dem Punktraster, d. h. der Linie aus sechzehn Spots in den beiden Bildebenen der Meßinterferometer.The receivers E1 and E2 comprise sixteen Fibers (not shown), in the ends of which the sixteen infinity bundles of the lens L7 are coupled. Located on the other end of the fibers gallium indium arsenide photodiodes. The unit from the sixteen Photodiodes with the upstream fiber couplers act as receivers. The order the open ends of the fiber couplers correspond to the grid of points, d. H. the line of sixteen spots in the two image planes of the measuring interferometer.
Im Referenzarm
Das Referenzbündel im Meßinterferometer durchstrahlt
das Gitter G parallel zum Meßbündel und
wird ebenfalls in sechzehn Einzelbündel zerlegt. In gleicher Weise
wie im Meßarm
Um an den Empfängern E1 und E2 Interferenzen
zu erhalten, werden die sechzehn Einzelstrahlen aus Meßarm
Im Unterschied zum scheniatisch dargestellten
Laserradar
Nach dem Durchlaufen der Fasern RF
und RM passieren die beiden Bündel
das Gitter G räumlich
getrennt, d. h. seitlich versetzt, wodurch die sechzehn Einzelstrahlen
des Referenzarms
Die Verwendung der drei Teiler T1,
T2 und T3 ermöglicht
weiter eine für
die Signalgewinnung günstige
Aufteilung der Intensitäten
von Meßarm
Die vom Objekt
Die zwischen dem Gitter
Die
Über
Faserkoppler FK1, FK3, FK5 und FK7 werden die aufgeteilten Strahlanteile
in polarisationserhaltende Monomode-Fasern eingekoppelt. Der Faserkoppler
FK1 speist dabei eine Faser RM, die Teil des Referenzarms
Nach Austritt der durch die Faser
RF geführten
Strahlung am Faserkoppler FK4 wird das Meßbündel am Gitter G in einen (senkrecht
zur Darstellungsebene) liegenden Fächer aus Einzelstrahlen aufgetrennt.
Eine Linse L1, L2 und L3 sowie Blenden BI1 und BI2 aufweisende Optik
fokussiert die Einzelstrahlbündel
auf das (nicht dargestellte) Objekt in Meßarm
Die Strahlung des Referenzarmes
Die Besonderheit an dem Aufbau der
Die Strahlung für das Korrekturinterferometer durchläuft ebenfalls eine als optischer Isolator dienende zwischen zwei Faserkopplern FK5 und FK6 geschaltete Monomode-Faser RF sowie eine die nötige Wegstreckendifferenz erzeugende, ebenfalls zwischen zwei Faserkopplern FK7 und FK8 liegende Faser RK. Über Spiegel sowie einen Teiler T4 wird die Strahlung aus Meßarm und Referenzarm des Korrekturinterferometers an einem Teiler T4 überlagert und über eine Linse L8 auf zwei Empfänger EK1 und EK2 abgebildet, wobei ein der Linse L8 nachgeschalteter Polteiler PTK die Auftrennung nach den Polarisationsebenen bewirkt.The radiation for the correction interferometer goes through also one serving as an optical isolator between two fiber couplers FK5 and FK6 switched monomode fiber RF as well as the necessary distance difference producing fiber, also lying between two fiber couplers FK7 and FK8 RK. over Mirror and a divider T4, the radiation from the measuring arm and Reference arm of the correction interferometer superimposed on a divider T4 and over a lens L8 on two receivers EK1 and EK2 shown, with a lens L8 downstream Pole splitter PTK effects the separation according to the polarization planes.
Bei einem quadratischen oder rechteckigem Querschnittes
eines Fahrdrahtes
Der vom Umlenkspiegel
Das Laserradar
Da bei einer elektrischen Bahn die
Länge eines
einzelnen Fahrdrahtes
Da sich an den Überlappungsbereichen die Elastizität des Fahrdrahtsystems
im Vergleich zur übrigen
Strecke ändert,
kann dort auch der Verschleiß des
Fahrdrahtes
Falls sich der Fahrdraht
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |