DE112018007552B4

DE112018007552B4 - Optische-Distanz-Messungseinrichtung und Bearbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE112018007552B4
Application number: DE112018007552.4T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Onohara; Hiroki Goto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: DE112018007552T5; TWI787384B; TW202001209A; US20210011157A1; US11977157B2; CN112236688A; JP6797329B2; WO2019239491A1; CN112236688B; JPWO2019239491A1

Abstract

Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3), umfassend:eine optische Ausgabeeinheit (10) zum Ausgeben von frequenzdurchgelaufenem Licht, dessen Frequenz sich mit Verstreichen von Zeit ändert, als Referenzlicht, Multiplexen polarisierter Wellen des frequenzdurchgelaufenen Lichts, und Ausgeben von frequenzdurchgelaufenem Licht von ersten und zweiten polarisierten Wellen, die orthogonal zueinander sind;eine optische Übertragungs-und-Empfangseinheit (16) zum Ausstrahlen des frequenzdurchgelaufenen Lichts von ersten und zweiten polarisierten Wellen zu einem Messungsziel, und Empfangen des von dem Messungsziel reflektierten frequenzdurchgelaufenen Lichts als reflektiertes Licht;eine optische Interferenzeinheit (21) zum Trennen des reflektierten Lichts in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle, Extrahieren erster und zweiter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und Extrahieren dritter und vierter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts;eine Polarisationsdrehungseinheit (25) zum Erwerben einer oder mehrerer Komponenten von horizontalen und vertikalen Komponenten einer polarisierten Welle durch Drehen eines Polarisationswinkels eines ersten komplexen Signals, aufweisend die ersten und zweiten Komponenten, und eines Polarisationswinkels eines zweiten komplexen Signals, aufweisend die dritten und vierten Komponenten; undeine Distanz-Berechnungseinheit (27) zum Berechnen, auf Grundlage der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen Komponenten, einer Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts, und Berechnen einer Distanz zu dem Messungsziel aus der Differenz.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Optische-Distanz-Messungseinrichtung, die eine Distanz zu einem Messungsziel misst, und eine Bearbeitungseinrichtung, die die Optische-Distanz-Messungseinrichtung umfasst.
Hintergrund zum Stand der Technik
In der folgenden Patentliteratur 1 wird eine Fremdkörper-Erfassungseinrichtung offenbart, die in der Lage ist, eine dreidimensionale Form eines Suchziels zu erfassen.
Die in Patentliteratur 1 unten offengelegte Fremdkörper-Erfassungseinrichtung umfasst ein optisches Ausgabemittel, das einen Laserstrahl ausgibt, und ein Abtastungsmittel, das einen Suchbereich eines Suchziels mit Hilfe des Laserstrahls abtastet.
Ferner umfasst die Fremdkörper-Erfassungseinrichtung Polarisationstrennungsmittel zum Trennen von Streulicht von dem Suchziel für jede Polarisationskomponente, wenn das Suchziel mit dem Laserstrahl angestrahlt wird, und erste und zweite Lichtempfangsmittel zum Empfangen jeder Polarisationskomponente des Streulichts.
Ferner umfasst die Fremdkörper-Erfassungseinrichtung erste und zweite Phasendifferenzerfassungsmittel zum Erfassen der Phasendifferenzen zwischen dem Laserlicht und jeder Polarisationskomponente des Streulichts und Erfassen der Empfangsintensitäten der jeweiligen Polarisationskomponenten des Streulichts.
Ferner umfasst die Fremdkörper-Erfassungseinrichtung ein Signalverarbeitungsmittel zum Berechnen einer Depolarisationsrate des Streulichts auf Grundlage des Erfassungsergebnisses, Berechnen einer Trennungsdistanz von dem Fremdkörper in Übereinstimmung mit dem Berechnungsergebnis der Depolarisationsrate und Ausgeben der Form des Fremdkörpers.
Daher kann die Fremdkörper-Erfassungseinrichtung die dreidimensionale Form des Fremdkörpers unabhängig von der Polarisationskomponente des zurückkehrenden Lichts erfassen.
Patentliteratur 2 beschreibt eine optische Abstandsmessvorrichtung, die eine erste Laserquelle zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahls, eine zweite Laserquelle zur Erzeugung eines zweiten Lichtstrahls, wobei die Wellenformen für den ersten und den zweiten Lichtstrahl um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind, so dass der erste Lichtstrahl nach oben gechirpt wird, wenn der zweite Lichtstrahl nach unten gechirpt wird und umgekehrt, ein erstes optisches Element zum Kombinieren des ersten und des zweiten Lichtstrahls zu einem kombinierten Lichtstrahl und zum Aufspalten eines beliebigen zurückkehrenden Teils des kombinierten Lichtstrahls in einen dritten und einen vierten Lichtstrahl, einen ersten Detektor zum Empfangen des dritten Lichtstrahls und einen zweiten Detektor zum Empfangen des vierten Lichtstrahls.
Patentliteratur 3 beschreibt ein Störlicht-tolerantes Dauerstrich-Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich in Anwesenheit unerwünschter diskreter und verteilter Störreflexionen aus dem Messsystem selbst. Das Messsystem weist einen interferometrischen Aufbau auf, eine optische Phasenmodulation des verwendeten Laserlichtes mit treppenförmigem Verlauf, eine in Bezug auf die Treppenfunktion synchrone Abtastung der Detektorsignale und eine nach der Lage der Störreflexionen zu bestimmenden optischen Weglänge des Referenzarms des Interferometers.
Patentliteratur 4 beschreibt einen Laserlicht-Transceiver, der so konfiguriert ist, dass er eine Polarisationsänderungseinheit zum Ausgeben eines von einer Transmissionslichtquelle ausgegebenen Laserlichtstrahls in eine Richtung, die der Polarisation des Laserlichtstrahls entspricht, enthält, während die Polarisation des Laserlichtstrahls in Bezug auf die Zeit geändert wird.
Liste zitierter Schriften
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2011-185837 A
Patentliteratur 2: EP 1 853 952 B1
Patentliteratur 3: DE 10 2015 004 272 A1
Patentliteratur 4: EP 3 182 152 A1

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
In der in Patentliteratur 1 offengelegten Fremdkörper-Erfassungseinrichtung kann bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl, falls eine Polarisationsebene des Lichts gedreht wird, eine Empfangsintensität jeder Polarisationskomponente des durch das Suchziel gestreuten Streulichts verringert werden.
Die Fremdkörper-Erfassungseinrichtung hat das Problem, dass sich die Messungsgenauigkeit der Distanz zu dem Suchziel verschlechtert, falls die Empfangsintensität jeder Polarisationskomponente des Streulichts reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das obige Problem zu lösen, und ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Optische-Distanz-Messungseinrichtung und eine Bearbeitungseinrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Entfernung zu einem Messungsziel zu messen, selbst wenn eine Polarisationsebene des Lichts gedreht wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die Optische-Distanz-Messungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine optische Ausgabeeinheit zum Ausgeben von frequenzdurchgelaufenem Licht, dessen Frequenz sich mit Ablauf von Zeit ändert, als Referenzlicht, Multiplexen polarisierter Wellen des frequenzdurchgelaufenen Lichts, und Ausgeben des frequenzdurchgelaufenem Lichts von ersten und zweiten polarisierten Wellen, die orthogonal zueinander sind; eine optische Übertragungs-und-Empfangseinheit zum Ausstrahlen des frequenzdurchgelaufenen Lichts von ersten und zweiten polarisierten Wellen zu einem Messungsziel, und Empfangen des von dem Messungsziel reflektierten frequenzdurchgelaufenen Lichts als reflektiertes Licht; eine optische Interferenzeinheit zum Trennen des reflektierten Lichts in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle, Extrahieren erster und zweiter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts, Extrahieren dritter und vierter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts; eine Polarisationsdrehungseinheit zum Erwerben einer oder mehrerer Komponenten von horizontalen und vertikalen Komponenten einer polarisierten Welle durch Drehen eines Polarisationswinkels eines ersten komplexen Signals, aufweisend die ersten und zweiten Komponenten, und eines Polarisationswinkels eines zweiten komplexen Signals, aufweisend die dritten und vierten Komponenten; eine Distanz-Berechnungseinheit zum Berechnen, auf Grundlage der durch die Polarisationsdrehungseinheit erworbenen Komponenten, einer Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts, und Berechnen einer Distanz zu dem Messungsziel aus der Differenz.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß dieser Erfindung ist die Optische-Distanz-Messungseinrichtung eingerichtet, zu umfassen: eine optische Interferenzeinheit zum Trennen des reflektierten Lichts in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle, Extrahieren erster und zweiter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und Extrahieren dritter und vierter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und eine Polarisationsdrehungseinheit zum Erwerben einer oder mehrerer Komponenten von horizontalen und vertikalen Komponenten einer polarisierten Welle durch Drehen eines Polarisationswinkels eines ersten komplexen Signals, aufweisend die ersten und zweiten Komponenten, und eines Polarisationswinkels eines zweiten komplexen Signals, aufweisend die dritten und vierten Komponenten, so dass eine Distanz-Berechnungseinheit, auf Grundlage der durch die Polarisationsdrehungseinheit erworbenen Komponenten, eine Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts berechnet und eine Distanz zu dem Messungsziel aus der Differenz berechnet. Daher kann die Optische-Distanz-Messungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Distanz zu dem Messungsziel berechnen, selbst wenn die Polarisationsebene von Licht gedreht ist.
Figurenliste

1 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend eine Verarbeitungseinrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend eine Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend eine Signalverarbeitungseinheit 24 der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Hardwarekonfigurationsdiagramm, darstellend Hardware der Signalverarbeitungseinheit 24.
5 ist ein Hardwarekonfigurationsdiagramm eines Computers, wenn die Signalverarbeitungseinheit 24 durch Software oder Firmware implementiert ist.
6 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Innenseite einer optischen Interferenzeinheit 21 und einer O/E-Wandlereinheit 22.
7 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Innenseite einer Polarisationsdrehungseinheit 25.
8 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Innenseite einer Phasenkompensationseinheit 26.
9 ist ein erläuterndes Diagramm, darstellend die Distanzmessungsverarbeitung durch die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3.
10 ist ein erläuterndes Diagramm, darstellend eine Wellenform eines Sägezahnwellensignals.
11 ist ein erläuterndes Diagramm, darstellend Phasenkompensationsverarbeitung der Phasenkompensationseinheit 26.

Beschreibung von Ausführungsformen
Um diese Erfindung näher zu erläutern, wird im Folgenden eine Form der Ausführung dieser Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend eine Bearbeitungseinrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform.
In 1 entspricht ein Messungsziel 1 einem Werkstück, das durch die Bearbeitungseinrichtung 2 zu bearbeiten ist.
Die Bearbeitungseinrichtung 2 umfasst eine Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3, eine Bearbeitungseinheit 4 und eine Inspektionseinheit 5.
Die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 ist eine Einrichtung, die die Distanz zu dem Messungsziel 1 misst und die gemessene Distanz an jede von der Bearbeitungseinheit 4 und der Inspektionseinheit 5 ausgibt.
Die Bearbeitungseinheit 4 bearbeitet das Messungsziel 1 auf Grundlage der von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 ausgegebenen Distanz.
Als ein Bearbeitungsbeispiel der Bearbeitungseinheit 4 kann eine Bearbeitung des Polierens des Messungsziels 1 oder Bearbeitung des Schneidens des Messungsziels 1 betrachtet werden, so dass die von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 ausgegebene Distanz mit dem Planungswert abgeglichen ist.
Die Inspektionseinheit 5 inspiziert die Oberflächenrauhigkeit des Messungsziels 1 oder die Unebenheit des Messungsziels 1 auf Grundlage der von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 ausgegebenen Distanz.
Als ein Beispiel für die Inspektion der Inspektionseinheit 5 kann eine Inspektion zum Bestimmen, ob oder ob nicht die von der Optische-Distanz-Messungseinheit 3 ausgegebene Distanz mit dem Planungswert abgeglichen ist, betrachtet werden.
2 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 gemäß der ersten Ausführungsform.
In 2 umfasst eine optische Ausgabeeinheit 10 einen Frequenzänderungssignalgenerator 11, eine Laserlichtquelle 12, einen Optokoppler 13, einen Phasenmodulationssignalgenerator 14 und eine Polarisationsmultiplexeinheit 15.
Die optische Ausgabeeinheit 10 gibt ein frequenzdurchgelaufenes Licht einer ersten polarisierten Welle, deren Frequenz sich mit Ablauf von Zeit ändert, als Referenzlicht an einen Signalprozessor 20 aus.
Die optische Ausgabeeinheit 10 multiplext die polarisierten Wellen des frequenzdurchgelaufenen Lichts und gibt das frequenzdurchgelaufene Licht der ersten und zweiten polarisierten Wellen, die orthogonal zueinander sind, an die optische Übertragungs-und-Empfangseinheit 16 aus.
Bei der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 gemäß der ersten Ausführungsform wird angenommen, dass die erste polarisierte Welle eine horizontal polarisierte Welle und die zweite polarisierte Welle eine vertikal polarisierte Welle ist.
Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und zum Beispiel kann die erste polarisierte Welle eine vertikal polarisierte Welle sein und die zweite polarisierte Welle kann eine horizontal polarisierte Welle sein.
Der Frequenzänderungssignalgenerator 11 gibt an die Laserlichtquelle 12 ein Frequenzänderungssignal aus, dessen Frequenz sich mit Ablauf von Zeit ändert.
Das vom Frequenzänderungssignalgenerator 11 ausgegebene Frequenzänderungssignal kann ein Sägezahnwellensignal, ein Dreieckswellensignal oder dergleichen sein. Bei der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 gemäß der ersten Ausführungsform wird angenommen, dass der Frequenzänderungssignalgenerator 11 ein Sägezahnwellensignal als das Frequenzänderungssignal ausgibt.
Die Laserlichtquelle 12 ist zum Beispiel durch einen Laser mit verteilter Rückkopplung realisiert. Die Laserlichtquelle 12 ist über eine optische Faser mit dem Optokoppler 13 verbunden.
Die Laserlichtquelle 12 gibt frequenzdurchgelaufenes Licht einer horizontal polarisierten Welle, deren Frequenz sich mit Ablauf von Zeit auf Grundlage des von dem Frequenzänderungssignalgenerator 11 ausgegebenen Sägezahnwellensignals ändert, wiederholt an den Optokoppler 13 aus.
Der Optokoppler 13 ist über eine optische Faser mit der Polarisationsmultiplexeinheit 15 verbunden, und ist außerdem über eine optische Faser mit der optischen Interferenzeinheit 21 verbunden.
Der Optokoppler 13 teilt das frequenzdurchgelaufene Licht einer horizontal polarisierten Welle, die von der Laserlichtquelle 12 ausgegeben wird, in zwei Lichtstrahlen auf, gibt einen frequenzdurchgelaufenen Lichtstrahl nach Verzweigung zu der Polarisationsmultiplexeinheit 15 aus, und gibt den anderen frequenzdurchgelaufenen Lichtstrahl nach Verzweigung zu der optischen Interferenzeinheit 21 als Referenzlicht aus.
Der Phasenmodulationssignalgenerator 14 erzeugt ein Phasenmodulationssignal zur Phasenumtastung des frequenzdurchgelaufenen Lichts und gibt das Phasenmodulationssignal an die Polarisationsmultiplexeinheit 15 aus.
Die Polarisationsmultiplexeinheit 15 ist über eine optische Faser mit einem Zirkulator 17 verbunden.
Die Polarisationsmultiplexeinheit 15 erzeugt frequenzdurchgelaufenes Licht einer vertikal polarisierten Welle aus dem frequenzdurchgelaufenen Licht der horizontal polarisierten Welle, die von dem Optokoppler 13 ausgegeben wird, und multiplext das frequenzdurchgelaufene Licht der horizontal polarisierten Welle und das frequenzdurchgelaufene Licht der vertikal polarisierten Welle.
Die Polarisationsmultiplexeinheit 15 führt Phasenumtastung des frequenzdurchgelaufenen Lichts nach Polarisationsmultiplexen entsprechend dem von dem Phasenmodulationssignalgenerator 14 ausgegebenen Phasenmodulationssignal durch und gibt das frequenzdurchgelaufene Licht nach der Phasenumtastung an den Zirkulator 17 aus.
Die Phasenumtastung kann QPSK (Quadrature Phase Shift Keying = Quadraturphasenumtastung) oder BPSK (Binary Phase Shift Keying = binäre Phasenumtastung) sein, aber in der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 der ersten Ausführungsform wird angenommen, dass die Phasenumtastung QPSK ist. Die Polarisationsmultiplexeinheit 15 gibt bei Phasenumtastung des frequenzdurchgelaufenen Lichts durch QPSK wiederholt vier Phasenzustände, die einem binären Signal von zum Beispiel „00“, „01“, „10“, „11“ zugeordnet sind, als das frequenzdurchgelaufene Licht nach der Phasenumtastung an den Zirkulator 17 aus.
Die optische Übertragungs-und-Empfangseinheit 16 umfasst einen Zirkulator 17 und eine Linse 18.
Die optische Übertragungs-und-Empfangseinheit 16 bestrahlt das Messungsziel 1 mit dem frequenzdurchgelaufenen Licht, das von der Polarisationsmultiplexeinheit 15 ausgegeben wird, und empfängt das von dem Messungsziel 1 reflektierte frequenzdurchgelaufene Licht als reflektiertes Licht.
Der Zirkulator 17 ist über eine optische Faser mit der optischen Interferenzeinheit 21 verbunden.
Der Zirkulator 17 gibt das von der Polarisationsmultiplexeinheit 15 ausgegebene frequenzdurchgelaufene Licht an die Linse 18 aus und gibt das von der Linse 18 ausgegebene reflektierte Licht an die optische Interferenzeinheit 21 aus.
Die Linse 18 emittiert das frequenzdurchgelaufene Licht des Zirkulars 17 zu dem Messungsziels 1 in den Raum.
Die Linse 18 sammelt das von dem Messungsziel 1 reflektierte frequenzgewobene Licht als reflektiertes Licht und gibt das reflektierte Licht an den Zirkulator 17 aus.
Der Signalprozessor 20 umfasst die optische Interferenzeinheit 21, eine optoelektrische Wandlereinheit (im Folgenden als „O/E-Wandlereinheit“ bezeichnet) 22, eine Analog-Digital-Wandlereinheit (im Folgenden als „A/D-Wandlereinheit“ bezeichnet) 23 und die Signalverarbeitungseinheit 24.
Die optische Interferenzeinheit 21 ist über eine optische Faser mit der O/E-Wandlereinheit 22 verbunden.
Die optische Interferenzeinheit 21 trennt das von dem Zirkulator 17 ausgegebene reflektierte Licht in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle.
Die optische Interferenzeinheit 21 extrahiert eine erste Komponente P_H,I und eine zweite Komponente P_H,Q aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts und extrahiert eine dritte Komponente P_V,I und eine vierte Komponente P_V,Q aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts.
Die erste Komponente P_H,I und die zweite Komponente P_H,Q sind zueinander orthogonale Komponenten, und falls der Winkel der ersten Komponente P_H,I θ ist, ist der Winkel der zweiten Komponente P_H,Q θ+90°.
Die dritte Komponente P_V,I und die vierte Komponente P_V,Q sind zueinander orthogonale Komponenten, und falls der Winkel der dritten Komponente P_V,I gleich α ist, ist der Winkel der vierten Komponente P_V,Q gleich α+90°.
Zum Beispiel entspricht die erste Komponente P_H,I der horizontalen Komponente, deren in der horizontal polarisierten Welle enthaltene Phase 0° beträgt, und die zweite Komponente P_H,Q entspricht der vertikalen Komponente, deren in der horizontal polarisierten Welle enthaltene Phase 90° beträgt. Wenn jedoch das von der Linse 18 emittierte frequenzdurchgelaufene Licht von dem Messungsziel 1 reflektiert wird, stimmt, falls die Polarisationsebene gedreht wird, die erste Komponente P_H,I nicht mit der horizontalen Komponente, aufweisend eine Phase von 0°, überein, und die horizontale Komponente und die vertikale Komponente sind vermischt. Darüber hinaus stimmt die zweite Komponente P_H,Q nicht mit der vertikalen Komponente, aufweisend eine Phase von 90°, überein, und die horizontale Komponente und die vertikale Komponente sind vermischt.
Die dritte Komponente P_V,I und die vierte Komponente P_V,Q, die in der vertikal polarisierten Welle enthalten sind, sind die gleichen wie die erste Komponente P_H,I und die zweite Komponente P_H,Q.
Die optische Interferenzeinheit 21 gibt jeweils die erste Komponente P_H,I, die zweite Komponente P_H,Q, die dritte Komponente P_V,I und die vierte Komponente P_V,Q an die O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Die O/E-Wandlereinheit 22 wandelt jeweils die erste Komponente P_H,I, die zweite Komponente P_H,Q, die dritte Komponente P_V,I und die vierte Komponente P_V,Q, die von der optischen Interferenzeinheit 21 ausgegeben werden, in ein elektrisches Signal um.
Die O/E-Wandlereinheit 22 gibt jeweils eine erste Komponente P'_H,I, eine zweite Komponente P'_H,Q, eine dritte Komponente P'_V,I und eine vierte Komponente P'_V,Q, bei denen es sich um elektrische Signale handelt, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
Die A/D-Wandlereinheit 23 wandelt jeweils die erste Komponente P'_H,I, die zweite Komponente P'_H,Q, die dritte Komponente P'_V,I und die vierte Komponente P'_V,Q, die von der O/E-Wandlereinheit 22 ausgegeben werden, von einem analogen Signal in ein digitales Signal um.
Die A/D-Wandlereinheit 23 gibt jeweils eine erste Komponente P''_H,I, eine zweite Komponente P''_H,Q, eine dritte Komponente P''_V,I und eine vierte Komponente P''_V,Q, die Digitalsignale sind, an die Polarisationsdrehungseinheit 25 der Signalverarbeitungseinheit 24 aus.
Wie in 3 dargestellt, umfasst die Signalverarbeitungseinheit 24 eine Polarisationsdrehungseinheit 25, eine Phasenkompensationseinheit 26 und eine Distanzberechnungseinheit 27.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Signalverarbeitungseinheit 24 der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Hardwarekonfigurationsdiagramm, darstellend Hardware der Signalverarbeitungseinheit 24.
In 3 ist die Polarisationsdrehungseinheit 25 zum Beispiel durch eine Polarisationsdrehungsschaltung 71, die in 4 dargestellt ist, realisiert.
Die Polarisationsdrehungseinheit 25 konstruiert ein komplexes Signal e_H (erstes komplexes Signal) aus der ersten Komponente P''_H,I und der zweiten Komponente P''_H,Q, die von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegeben werden.
Die Polarisationsdrehungseinheit 25 konstruiert ein komplexes Signal ev (zweites komplexes Signal) aus der dritten Komponente P''_V,I und der vierten Komponente P''_V,Q, die von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegeben werden.
Die Polarisationsdrehungseinheit 25 dreht den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_H und den Polarisationswinkel des komplexen Signals ev, um sowohl die horizontale Komponente P_H als auch die vertikale Komponente P_V zu erwerben, und gibt sowohl die horizontale Komponente P_H als auch die vertikale Komponente P_V an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
Die Phasenkompensationseinheit 26 ist zum Beispiel durch eine Phasenkompensationsschaltung 72 realisiert, die in 4 dargestellt ist.
Die Phasenkompensationseinheit 26 konstruiert ein komplexes Signal e_H,V aus der horizontalen Komponente P_H und der vertikalen Komponente P_V, die von der Polarisationsdrehungseinheit 25 ausgegeben werden.
Die Phasenkompensationseinheit 26 führt Phasenkompensationsverarbeitung des Entfernens der Phase einer Rauschgkomponente, die in einer Phase des komplexen Signals e enthalten ist, durch, und gibt ein oder mehrerer Komponenten der horizontalen Komponente P'_H und der vertikalen Komponente P'_V in dem komplexen Signal nach der Phasenkompensationsverarbeitung an die Distanzberechnungseinheit 27 aus.
Die Distanzberechnungseinheit 27 umfasst eine Spektrum-Berechnungseinheit 28, eine Spektrum-Auswahleinheit 29 und eine Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30.
Die Distanzberechnungseinheit 27 berechnet auf Grundlage einer oder mehrerer Komponenten der horizontalen Komponente P'_H nach der Phasenkompensationsverarbeitung und der vertikalen Komponente P'_V nach der Phasenkompensationsverarbeitung eine Differenz Δf zwischen der Frequenz des reflektierten Lichts und der Frequenz des Referenzlichts und führt Verarbeitung des Berechnens der Distanz zu dem Messungsziel 1 aus der Differenz Δf durch.
Die Spektrum-Berechnungseinheit 28 ist zum Beispiel durch eine Spektrum-Berechnungsschaltung 73 realisiert, die in 4 dargestellt ist.
Die Spektrum-Berechnungseinheit 28 führt Verarbeitung des Berechnens eines Frequenzspektrums fs_H der horizontalen Komponente P'_H durch Fourier-Transformieren der horizontalen Komponente P'_H, die von der Phasenkompensationseinheit 26 ausgegeben wird, durch.
Zudem führt die Spektrum-Berechnungseinheit 28 Verarbeitung des Berechnens eines Frequenzspektrums fs_V der vertikalen Komponente P'_V durch Fourier-Transformieren der vertikalen Komponente P'_V, die von der Phasenkompensationseinheit 26 ausgegeben wird, durch.
Die Spektrum-Berechnungseinheit 28 gibt jeweils das Frequenzspektrum fs_H der horizontalen Komponente P'_H und das Frequenzspektrum fs_V der vertikalen Komponente P'_V an die Spektrum-Auswahleinheit 29 aus.
Hier berechnet die Spektrum-Berechnungseinheit 28 sowohl das Frequenzspektrum fs_H als auch das Frequenzspektrum fs_V, kann aber auch nur eines von dem Frequenzspektrum fs_H und dem Frequenzspektrum fs_V berechnen.
Wenn die Spektrum-Berechnungseinheit 28 eines von dem Frequenzspektrum fs_H und dem Frequenzspektrum fs_V berechnet, ist die Spektrum-Auswahleinheit 29 in der nachfolgenden Stufe nicht notwendig. Die Spektrum-Berechnungseinheit 28 gibt beim Berechnen eines von dem Frequenzspektrum fs_H und dem Frequenzspektrum fs_V das berechnete Frequenzspektrum an die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 aus.
Die Spektrum-Auswahleinheit 29 ist zum Beispiel durch eine Spektrum-Auswahleinheit 74 realisiert, die in 4 gezeigt ist.
Die Spektrum-Auswahleinheit 29 wählt eines von dem Frequenzspektrum fs_H und dem Frequenzspektrum fs_V aus, die von der Spektrum-Berechnungseinheit 28 ausgegeben werden.
Das heißt, die Spektrum-Auswahleinheit 29 vergleicht das in dem Frequenzspektrum fs_H enthaltene Spitzenspektrum mit dem in dem Frequenzspektrum fs_V enthaltenen Spitzenspektrum und wählt das Frequenzspektrum mit dem größeren Spitzenspektrum aus.
Die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 ist zum Beispiel durch eine Distanzberechnungsverarbeitungsschaltung 75 realisiert, die in 4 dargestellt ist.
Die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 führt Verarbeitung des Berechnens einer Differenz Δf zwischen der Frequenz, die sich auf die Frequenzkomponente des reflektierten Lichts bezieht, und der Frequenz, die sich auf die Frequenzkomponente des Referenzlichts bezieht, auf Grundlage des durch die Spektrum-Auswahleinheit 29 ausgewählten Frequenzspektrums durch.
Weiterhin führt die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 Verarbeitung des Berechnens der Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 zu dem Messungsziel 1 aus der berechneten Differenz Δf durch.
In 3 wird angenommen, dass die Polarisationsdrehungseinheit 25, die Phasenkompensationseinheit 26, die Spektrum-Berechnungseinheit 28, die Spektrum-Auswahleinheit 29 und die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30, die die Bestandteile der Signalverarbeitungseinheit 24 sind, jeweils durch dedizierte Hardware implementiert sind, wie in 4 gezeigt. Das heißt, es wird angenommen, dass die Signalverarbeitungseinheit 24 durch die Polarisationsdrehungsschaltung 71, die Phasenkompensationsschaltung 72, die Spektrum-Berechnungsschaltung 73, die Spektrum-Auswahlschaltung 74 und die Distanzberechnungsverarbeitungsschaltung 75 implementiert ist.
Jede von der Polarisationsdrehungsschaltung 71, der Phasenkompensationsschaltung 72, der Spektrum-Berechnungsschaltung 73, der Spektrum-Auswahlschaltung 74 und der Distanzberechnungsverarbeitungsschaltung 75 entspricht beispielsweise einer einzelnen Schaltung, einer zusammengesetzten Schaltung, einem programmierten Prozessor, einem parallelprogrammierten Prozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer Kombination davon.
Die Bestandteile der Signalverarbeitungseinheit 24 sind nicht auf diejenigen beschränkt, die durch dedizierte Hardware implementiert sind, sondern die Signalverarbeitungseinheit 24 kann durch Software, Firmware oder eine Kombination aus Software und Firmware implementiert sein.
Die Software oder Firmware ist in dem Speicher des Computers als ein Programm gespeichert. Der Computer bedeutet Hardware, die ein Programm ausführt, und entspricht beispielsweise einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einer zentralen Verarbeitungseinheit, einer Verarbeitungseinheit, einer arithmetischen Einheit, einem Mikroprozessor, einem Mikrocomputer, einem Prozessor oder einem digitalen Signalprozessor (DSP).
5 ist ein Hardwarekonfigurationsdiagramm eines Computers, wenn die Signalverarbeitungseinheit 24 durch Software oder Firmware implementiert ist.
Wenn die Signalverarbeitungseinheit 24 durch Software oder Firmware implementiert ist, ist ein Programm, das den Computer veranlasst, den Verarbeitungsvorgang der Polarisationsdrehungseinheit 25, der Phasenkompensationseinheit 26, der Spektrum-Berechnungseinheit 28, der Spektrum-Auswahleinheit 29 und der Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 auszuführen, in einem Speicher 81 gespeichert. Dann führt ein Prozessor 82 des Computers das in dem Speicher 81 gespeicherte Programm aus.
Weiterhin zeigt 4 ein Beispiel, in dem jedes Bestandteil der Signalverarbeitungseinheit 24 durch dedizierte Hardware implementiert ist, und 5 zeigt ein Beispiel, in dem die Signalverarbeitungseinheit 24 durch Software oder Firmware implementiert ist. Einige Bestandteile der Signalverarbeitungseinheit 24 können jedoch durch dedizierte Hardware implementiert sein, und die übrigen Bestandteile können durch Software oder Firmware implementiert sein.
6 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Innenseite der optischen Interferenzeinheit 21 und der O/E-Wandlereinheit 22.
In 6 teilt ein Optokoppler 21a das von dem Optokoppler 13 ausgegebene Referenzlicht in zwei Lichtstrahlen auf, gibt ein Referenzlicht nach Verzweigung zu einem ersten optischen 90°-Hybrid 21c aus und gibt das andere Referenzlicht nach Verzweigung zu einem zweiten optischen 90°-Hybrid 21d aus.
Ein PBS 21b ist ein Polarisationsstrahlteiler, der das von dem Zirkulator 17 ausgegebene reflektierte Licht in reflektiertes Licht einer horizontal polarisierten Welle und reflektiertes Licht einer vertikal polarisierten Welle trennt.
Der PBS 21b gibt das reflektierte Licht einer horizontal polarisierten Welle an das erste optische 90°-Hybrid 21c aus und gibt das reflektierte Licht einer vertikal polarisierten Welle an das zweite optische 90°-Hybrid 21d aus.
Das erste optische 90°-Hybrid 21c bewirkt, dass das reflektierte Licht der horizontal polarisierten Welle, die von dem PBS 21b ausgegeben wird, und das Referenzlicht, das von dem Optokoppler 21a ausgegeben wird, miteinander interferieren, und extrahiert die erste Komponente P_H,I der horizontal polarisierten Welle und die zweite Komponente P_H,Q der horizontal polarisierten Welle aus dem Interferenzlicht des reflektierten Lichts und des Referenzlichts.
Das erste optische 90°-Hybrid 21c gibt die erste Komponente P_H,I an Pin-Fotodioden 22a, 22b der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Außerdem gibt das erste optische 90°-Hybrid 21c die zweite Komponente P_H,Q an Pin-Fotodioden 22c, 22d der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Das zweite optische 90°-Hybrid 21d bewirkt, dass das reflektierte Licht der vertikal polarisierten Welle, die von dem PBS 21b ausgegeben wird, und das Referenzlicht, das von dem Optopkoppler 21a ausgegeben wird, miteinander interferieren, und extrahiert die dritte Komponente P_V,I der vertikal polarisierten Welle und die vierte Komponente P_V,Q der vertikal polarisierten Welle aus dem Interferenzlicht des reflektierten Lichts und des Referenzlichts.
Das zweite optische 90°-Hybrid 21d gibt die dritte Komponente P_V,I an Pin-Fotodioden 22e, 22f der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Zudem gibt das zweite optische 90°-Hybrid 21d die vierte Komponente P_V,Q an Pin-Fotodioden 22g, 22f der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Die Pin-Fotodioden 22a, 22b sind Elemente, in denen ein Strom fließt, der direkt proportional zur ersten Komponente P_H,I ist, die von dem ersten optischen 90°-Hybrid 21c ausgegeben wird.
An der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22a und der Pin-Fotodiode 22b erscheint ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zur ersten Komponente P_H,I ist.
Die Pin-Fotodioden 22c, 22d sind Elemente, in denen ein Strom fließt, der direkt proportional zur zweiten Komponente P_H,Q ist, die von dem ersten optischen 90°-Hybrid 21c ausgegeben wird.
An der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22c und der Pin-Fotodiode 22d erscheint ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zur zweiten Komponente P_H,Q ist.
Die Pin-Fotodioden 22e, 22f sind Elemente, in denen ein Strom fließt, der direkt proportional zur dritten Komponente P_H,I ist, die von dem zweiten optischen 90°-Hybrid 21d ausgegeben wird.
An der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22e und der Pin-Fotodiode 22f erscheint ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zur dritten Komponente P_H,I ist.
Die Pin-Fotodioden 22g, 22h sind Elemente, in denen ein Strom fließt, der direkt proportional zur vierten Komponente P_V,Q ist, die von dem zweiten optischen 90°-Hybrid 21d ausgegeben wird.
An der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22g und der Pin-Fotodiode 22h erscheint ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zur vierten Komponente P_V,Q ist.
Ein Verstärker 22i verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22a und der Pin-Fotodiode 22b erscheint, und gibt die erste Komponente P'_H,I, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
Ein Verstärker 22j verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22c und der Pin-Fotodiode 22d erscheint, und gibt die zweite Komponente P'_H,Q, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
Ein Verstärker 22k verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22e und der Pin-Fotodiode 22f erscheint, und gibt die dritte Komponente P'_V,I, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
Ein Verstärker 22m verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22g und der Pin-Fotodiode 22f erscheint, und gibt die vierte Komponente P'_V,Q, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
7 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Innenseite einer Polarisationsdrehungseinheit 25.
In 7 konstruiert eine Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 das komplexe Signal e_H aus der ersten Komponente P'_H,I, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes digitales Signal ist, und der zweiten Komponente P''_H,Q, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes digitales Signal ist.
Die Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 gibt das komplexe Signal e_H jeweils an eine erste Multiplikationsschaltung 53 und eine zweite Multiplikationsschaltung 54 aus.
Eine Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52 konstruiert das komplexe Signal e_V aus der dritten Komponente P''_V,I, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes digitales Signal ist, und der vierten Komponente P''_V,Q, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes digitales Signal ist.
Die Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52 gibt das komplexe Signal e_V jeweils an eine dritte Multiplikationsschaltung 55 und eine vierte Multiplikationsschaltung 56 aus.
Die erste Multiplikationsschaltung 53 multipliziert das komplexe Signal e_H, das von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 ausgegeben wird, mit einem Koeffizienten h_xx, der von einer Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_H zu drehen, und gibt ein komplexes Signal e_H1, das ein komplexes Signal nach der Drehung ist, an eine erste Addierschaltung 57 aus.
Die zweite Multiplikationsschaltung 54 multipliziert das komplexe Signal e_H, das von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 ausgegeben wird, mit einem Koeffizienten h_yx, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_H zu drehen, und gibt ein komplexes Signal e_H2, das ein komplexes Signal nach der Drehung ist, an eine zweite Addierschaltung 58 aus.
Die dritte Multiplikationsschaltung 55 multipliziert das komplexe Signal e_V, das von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52 ausgegeben wird, mit einem Koeffizienten h_xy, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_V zu drehen, und gibt ein komplexes Signal e_V1, das ein komplexes Signal nach der Drehung ist, an die erste Addierschaltung 57 aus.
Die vierte Multiplikationsschaltung 56 multipliziert das komplexe Signal ev, das von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52 ausgegeben wird, mit einem Koeffizienten h_yy, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_V zu drehen, und gibt ein komplexes Signal e_V2, das ein komplexes Signal nach der Drehung ist, an die zweite Addierschaltung 58 aus.
Die erste Addierschaltung 57 addiert das komplexe Signal e_H1, das von der ersten Multiplikationsschaltung 53 ausgegeben wird, und das komplexe Signal e_V1, das von der dritten Multiplikationsschaltung 55 ausgegeben wird, und gibt ein addiertes Signal e_H1+V1 des komplexen Signals e_H1 und des komplexen Signals e_V1 an die Steuerschaltung 59 aus.
Die zweite Addierschaltung 58 addiert das komplexe Signal e_H2, das von der zweiten Multiplikationsschaltung 54 ausgegeben wird, und das komplexe Signal e_V2, das von der vierten Multiplikationsschaltung 56 ausgegeben wird, und gibt ein addiertes Signal e_H2+V2 des komplexen Signals e_H2 und des komplexen Signals e_V2 an die Steuerschaltung 59 aus.
Die Steuerschaltung 59 passt den Koeffizienten h_xx, den Koeffizientenh_yx, den Koeffizienten h_xy und den Koeffizienten h_yy jeweils an, so dass der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H1+V1 0° beträgt und der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H2+V2 90° beträgt.
Wenn der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H1+V1 0° beträgt und der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H2+V2 90° beträgt, gibt die Steuerschaltung 59 an die erste Addierschaltung 57 ein Steuersignal, das anzeigt, dass das addierte Signal e_H1+V1 ausgegeben wird, als die horizontale Komponente P_H an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
Wenn ferner der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H1+V1 0° beträgt und der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H2+V2 90° beträgt, gibt die Steuerschaltung 59 an die zweite Addierschaltung 58 ein Steuersignal, das anzeigt, dass das addierte Signal e_H2+V2 ausgegeben wird, als die vertikale Komponente P_V an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
8 ist ein Konfigurationsdiagramm, darstellend die Innenseite einer Phasenkompensationseinheit 26.
In 8 konstruiert eine Phasenermittlungseinheit 61 ein komplexes Signal e_H,V aus der horizontalen Komponente P_H und der vertikalen Komponente P_V, die von der Polarisationsdrehungseinheit 25 ausgegeben werden.
Die Phasenermittlungseinheit 61 ermittelt eine Phase θ_noise der in dem komplexen Signal e_H,V enthaltenen Rauschkomponente zum Beispiel mit Hilfe der m-ten Potenz-Methode.
In der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 der ersten Ausführungsform ist m = 4, weil die Phasenumtastung QPSK ist. Daher kann die Phasenermittlungseinheit 61 die Phase θ_noise der Rauschkomponente durch Potenzieren der Phase des komplexen Signals e_H,V mit vier ermitteln.
Die Phasenermittlungseinheit 61 subtrahiert die Phase θ_noise der Rauschgkomponente von der Phase des komplexen Signals e_H,V und gibt das komplexe Signal e'_H,V nach der Phasensubtraktion an jeweils eine erste Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 62 und eine zweite Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 63 aus.
Die erste Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 62 gibt die horizontale Komponente P'_H in dem komplexen Signal e'_H,V, das von der Phasenermittlungseinheit 61 ausgegeben wird, an die Spektrum-Berechnungseinheit 28 aus.
Die zweite Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 63 gibt die vertikale Komponente P'_V in dem komplexen Signal e'_H,V, das von der Phasenermittlungseinheit 61 ausgegeben wird, an die Spektrum-Berechnungseinheit 28 aus.
9 ist ein erläuterndes Diagramm, darstellend die Distanzmessungsverarbeitung durch die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3.
9 zeigt ein Beispiel, in dem die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 die Distanzen zu den drei Messungszielen 1 misst.
Die drei Messungsziele 1, die in 9 gezeigt sind, sind an entsprechenden Positionen X₁, X₂, und X₃ vorhanden und die Distanzen von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 sind L₁, L₂, und L₃. Das Verhältnis von L₁ < L₂ < L₃ ist festgelegt.
Als nächstes wird der Betrieb der in 2 gezeigten Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 beschrieben.
Die optische Ausgabeeinheit 10 gibt als Referenzlicht das frequenzdurchgelaufene Licht einer horizontal polarisierten Welle, deren Frequenz sich mit Ablauf von Zeit ändert, an den Signalprozessor 20 aus.
Zudem multiplext die optische Ausgabeeinheit 10 die polarisierten Wellen des frequenzdurchgelaufenen Lichts und gibt das frequenzdurchgelaufene Licht einer horizontal polarisierten Welle und einer vertikal polarisierten Welle an die optische Übertragungs-und-Empfangseinheit 16 aus.
Anschließend wird der Ausgabebetrieb des frequenzdurchgelaufenen Lichts durch die optische Ausgabeeinheit 10 konkret beschrieben.
Der Frequenzänderungssignalgenerator 11 gibt an die Laserlichtquelle 12 ein Sägezahnwellensignal als ein Frequenzänderungssignal aus, dessen Frequenz sich mit Ablauf von Zeit ändert.
10 ist ein erläuterndes Diagramm, darstellend eine Wellenform eines Sägezahnwellensignals.
Das Sägezahnwellensignal ist ein Signal, dessen Frequenz sich mit Ablauf von Zeit von der Minimalfrequenz f_min auf die Maximalfrequenz f_max ändert.
Wenn die Frequenz des Sägezahnwellensignals die Maximalfrequenz f_max erreicht, kehrt es einmal zur Minimalfrequenz f_min zurück und wechselt dann wieder von der Minimalfrequenz f_min zur Maximalfrequenz f_max.
Auf Empfangen des Sägezahnwellensignals von dem Frequenzänderungssignalgenerator 11 gibt die Laserlichtquelle 12 an den Optokoppler 13 das frequenzdurchgelaufene Licht einer horizontal polarisierten Welle, deren Frequenz sich mit Ablauf von Zeit synchron mit der Frequenzänderung des Sägezahnwellensignals ändert, aus.
Dabei kann die Frequenz des frequenzdurchgelaufenen Lichts gleich der Frequenz des Sägezahnwellensignals sein, ist aber im Allgemeinen höher als die Frequenz des Sägezahnwellensignals, und die Frequenz des frequenzdurchgelaufenen Lichts steigt mit zunehmender Frequenz des Sägezahnwellensignals und sinkt mit abnehmender Frequenz des Sägezahnwellensignals. Daher wird die Wellenform des frequenzdurchgelaufenen Lichts zu einer Sägezahnwelle.
Auf Empfangen des frequenzdurchgelaufenen Lichts der horizontal polarisierten Welle von der Laserlichtquelle 12 teilt der Optokoppler 13 das frequenzdurchgelaufene Licht in zwei Lichtstrahlen auf, gibt das eine frequenzdurchgelaufene Licht nach Verzweigung an die Polarisationsmultiplexeinheit 15 aus und gibt das andere frequenzdurchgelaufene Licht nach Verzweigung an die optischen Interferenzeinheit 21 als Referenzlicht aus.
Der Phasenmodulationssignalgenerator 14 erzeugt ein Phasenmodulationssignal zur Phasenmodulation des durch QPSK frequenzdurchgelaufenen Lichts und gibt das Phasenmodulationssignal an die Polarisationsmultiplexeinheit 15 aus.
Auf Empfangen des frequenzdurchgelaufenen Lichts der horizontal polarisierten Welle von dem Optokoppler 13 erzeugt die Polarisationsmultiplexeinheit 15 das frequenzdurchgelaufene Licht der vertikal polarisierten Welle aus dem frequenzdurchgelaufenen Licht der horizontal polarisierten Welle und multiplext das frequenzdurchgelaufene Licht der horizontal polarisierten Welle und das frequenzdurchgelaufene Licht der vertikal polarisierten Welle.
Die Polarisationsmultiplexeinheit 15 führt Phasenumtastung des frequenzdurchgelaufenen Lichts nach Polarisationsmultiplexen entsprechend dem von dem Phasenmodulationssignalgenerator 14 ausgegebenen Phasenmodulationssignal durch und gibt das frequenzdurchgelaufene Licht nach der Phasenumtastung an den Zirkulator 17 aus.
Der Zirkulator 17 gibt das von der Polarisationsmultiplexeinheit 15 ausgegebene frequenzdurchgelaufene Licht an die Linse 18 aus.
Auf Empfangen des frequenzdurchgelaufenen Lichts von dem Zirkulator 17, emittiert die Linse 18 das frequenzdurchgelaufene Licht zu dem Messungsziel 1 in den Raum.
Da sich die Wellenform des frequenzdurchgelaufenen Lichts durch den Einfluss von Phasenfluktuation oder dergleichen in der Laserlichtquelle 12 ändert, kann sich die Polarisationsebene bei Reflexion durch das Messungsziel 1 drehen.
Die Linse 18 sammelt das von dem Messungsziel 1 reflektierte frequenzgewobene Licht als reflektiertes Licht und gibt das reflektierte Licht an den Zirkulator 17 aus.
Auf Empfangen des reflektierten Lichts von der Linse 18 gibt der Zirkulator 17 das reflektierte Licht an die optische Interferenzeinheit 21 aus.
Auf Empfangen des Referenzlichts von dem Optokoppler 13 teilt der Optokoppler 21a der optischen Interferenzeinheit 21 das Referenzlicht in zwei Lichtstrahlen auf, gibt ein Referenzlicht nach der Verzweigung an das erste optische 90°-Hybrid 21c aus und gibt das andere Referenzlicht nach der Verzweigung an das zweite optischen 90°-Hybrid 21d aus.
Auf Empfangen des reflektierten Lichts von dem Zirkulator 17 trennt der PBS 21b das reflektierte Licht in reflektiertes Licht einer horizontal polarisierten Welle und reflektiertes Licht einer vertikal polarisierten Welle.
Der PBS 21b gibt das reflektierte Licht einer horizontal polarisierten Welle an das erste optische 90°-Hybrid 21c aus und gibt das reflektierte Licht einer vertikal polarisierten Welle an das zweite optische 90°-Hybrid 21d aus.
Das erste optische 90°-Hybrid 21c bewirkt, dass das reflektierte Licht der horizontal polarisierten Welle, die von dem PBS 21b ausgegeben wird, und ein Referenzlicht nach der Verzweigung, das von dem Optokoppler 21a ausgegeben wird, miteinander interferieren.
Das erste optische 90°-Hybrid 21c extrahiert aus dem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der horizontal polarisierten Welle und des Referenzlichts die erste Komponente P_H,I der horizontal polarisierten Welle und die zweite Komponente P_H,Q der horizontal polarisierten Welle.
Das erste optische 90°-Hybrid 21c gibt die erste Komponente P_H,I der horizontal polarisierten Welle an die Pin-Fotodioden 22a, 22b der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Ferner gibt das erste optische 90°-Hybrid 21c die zweite Komponente P_H,Q der horizontal polarisierten Welle an die Pin-Fotodioden 22c, 22d der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Das zweite optische 90°-Hybrid 21d bewirkt, dass das reflektierte Licht einer vertikal polarisierten Welle, das von dem PBS 21b ausgegeben wird, und ein Referenzlicht nach der Verzweigung, das von dem Optokoppler 21a ausgegeben wird, miteinander interferieren.
Das zweite optische 90°-Hybrid 21d extrahiert aus dem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der vertikal polarisierten Welle und dem Referenzlicht die dritte Komponente P_V,I und die vierte Komponente P_V,Q der vertikal polarisierten Welle.
Das zweite optische 90°-Hybrid 21d gibt die dritte Komponente P_V,I der vertikal polarisierten Welle an die Pin-Fotodioden 22e, 22f der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
Zudem gibt das zweite optische 90°-Hybrid 21d die vierte Komponente P_V,Q der vertikal polarisierten Welle an die Pin-Fotodioden 22g, 22f der O/E-Wandlereinheit 22 aus.
In den Pin-Fotodioden 22a, 22b der O/E-Wandlereinheit 22 fließt ein Strom, der direkt proportional zur ersten Komponente P_H,I ist, die von dem ersten optischen 90°-Hybrid 21c ausgegeben wird.
Daher erscheint an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22a und der Pin-Fotodiode 22b ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zu der ersten Komponenten P_H,I ist.
Ein Verstärker 22i verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22a und der Pin-Fotodiode 22b erscheint, und gibt die erste Komponente P'_H,I, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
In den Pin-Fotodioden 22c, 22d der O/E-Wandlereinheit 22 fließt ein Strom, der direkt proportional zur zweiten Komponente P_H,Q ist, die von dem ersten optischen 90°-Hybrid 21c ausgegeben wird.
Daher erscheint an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22c und der Pin-Fotodiode 22d ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zu der zweiten Komponenten P_H,Q ist.
Ein Verstärker 22j verstärkt das elektrische Signal, das an dem Verbindungspunkt zwischen der Pin-Fotodiode 22c und der Pin-Fotodiode 22d erscheint, und gibt die zweite Komponente P'_H,Q, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
In den Pin-Fotodioden 22e, 22f der O/E-Wandlereinheit 22 fließt ein Strom, der direkt proportional zur dritten Komponente P_V,I ist, die von dem zweiten optischen 90°-Hybrid 21d ausgegeben wird.
Daher erscheint an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22e und der Pin-Fotodiode 22f ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zur dritten Komponente P_V,I ist.
Ein Verstärker 22k verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22e und der Pin-Fotodiode 22f erscheint, und gibt die dritte Komponente P'_V,I, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
In den Pin-Fotodioden 22g, 22f der O/E-Wandlereinheit 22 fließt ein Strom, der direkt proportional zur vierten Komponente P_V,Q ist, die von dem zweiten optischen 90°-Hybrid 21d ausgegeben wird.
An der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22g und der Pin-Fotodiode 22h erscheint ein elektrisches Signal mit einer Spannung, die direkt proportional zur vierten Komponente P_V,Q ist.
Ein Verstärker 22m verstärkt das elektrische Signal, das an der Verbindungsstelle zwischen der Pin-Fotodiode 22g und der Pin-Fotodiode 22f erscheint, und gibt die vierte Komponente P'_V,Q, die das verstärkte elektrische Signal ist, an die A/D-Wandlereinheit 23 aus.
Die A/D-Wandlereinheit 23 wandelt jeweils die erste Komponente P'_H,I, die zweite Komponente P'_H,Q, die dritte Komponente P'_V,I und die vierte Komponente P'_V,Q, die von der O/E-Wandlereinheit 22 ausgegeben werden, von einem analogen Signal in ein digitales Signal um.
Die A/D-Wandlereinheit 23 gibt jeweils eine erste Komponente P''_H,I, eine zweite Komponente P''_H,Q, eine dritte Komponente P''_V,I und eine vierte Komponente P''_V,Q, die Digitalsignale sind, an die Polarisationsdrehungseinheit 25 der Signalverarbeitungseinheit 24 aus.
Die Polarisationsdrehungseinheit 25 konstruiert ein komplexes Signal e_H, aufweisend die erste Komponente P''_H,I und die zweite Komponente P''_H,Q, die von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegeben werden, wodurch die erste Komponente P''_H,I mit der horizontalen Komponente abgeglichen wird und die zweite Komponente P''_H,Q mit der vertikalen Komponente abgeglichen wird.
Ferner dreht die Polarisationsdrehungseinheit 25 das komplexe Signal ev, aufweisend die dritte Komponente P''_V,I und die vierte Komponente P''_V,Q, die von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegeben werden, wodurch die dritte Komponente P''_V,I mit der horizontalen Komponente abgeglichen wird, und die vierte Komponente P''_V,Q mit der vertikalen Komponente abgeglichen wird.
Die Polarisationsdrehungseinheit 25 dreht das komplexe Signal e_H, so dass die erste Komponente P''_H,I mit der horizontalen Komponente abgeglichen wird und die zweite Komponente P''_H,Q mit der vertikalen Komponente abgeglichen wird, selbst wenn die Polarisationsebene des Lichts gedreht wird.
Die Polarisationsdrehungseinheit 25 dreht das komplexe Signal e_V, so dass die dritte Komponente P''_V,I mit der horizontalen Komponente abgeglichen wird, und die vierte Komponente P''_V,Q mit der vertikalen Komponente abgeglichen wird, selbst wenn die Polarisationsebene des Lichts gedreht wird.
Wenn das komplexe Signal e_H jedoch eine Rauschkomponente enthält, stimmt in dem Fall, in dem die Polarisationsdrehungseinheit 25 nur das komplexe Signal e_H dreht, ist die erste Komponente P''_H,I nicht mit der horizontalen Komponente abgeglichen, und die zweite Komponente P''_H,Q ist nicht mit der vertikalen Komponente abgeglichen.
Wenn das komplexe Signal e_V jedoch eine Rauschkomponente enthält, stimmt in dem Fall, in dem die Polarisationsdrehungseinheit 25 nur das komplexe Signal ev dreht, ist die dritte Komponente P''_V,I nicht mit der horizontalen Komponente abgeglichen, und die vierte Komponente P''_V,Q ist nicht mit der vertikalen Komponente abgeglichen.
Die Polarisationsdrehungsverarbeitung durch die Polarisationsdrehungseinheit 25 wird im Folgenden konkret beschrieben.
Die Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 konstruiert das komplexe Signal e_H aus der ersten Komponente P''_H,I, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes Digitalsignal ist, und der zweiten Komponente P''_H,Q, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes Digitalsignal ist.
Die Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 gibt das komplexe Signal e_H jeweils an eine erste Multiplikationsschaltung 53 und eine zweite Multiplikationsschaltung 54 aus.
Eine Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52 konstruiert das komplexe Signal ev aus der dritten Komponente P''_V,I, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes Digitalsignal ist, und der vierten Komponente P''_V,Q, die ein von der A/D-Wandlereinheit 23 ausgegebenes Digitalsignal ist.
Die Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52 gibt das komplexe Signal evjeweils an die dritte Multiplikationsschaltung 55 und die vierte Multiplikationsschaltung 56 aus.
Auf Empfangen des komplexen Signals e_H, das von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51 ausgegeben wird, multipliziert die erste Multiplikationsschaltung 53 das komplexe Signal e_H mit einem Koeffizienten h_xx, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_H zu drehen.
Die erste Multiplikationsschaltung 53 gibt das komplexe Signal e_H1, das das gedrehte komplext Signal ist, an die erste Addierschaltung 57 aus.
Auf Empfangen des komplexen Signals e_H von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 51, multipliziert die zweite Multiplikationsschaltung 54 das komplexe Signal e_H mit dem Koeffizienten h_yx, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_H zu drehen.
Die zweite Multiplikationsschaltung 54 gibt das komplexe Signal e_H2, das das gedrehte komplexe Signal ist, an die zweite Addierschaltung 58 aus.
Auf Empfangen des komplexen Signals e_V von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52, multipliziert die dritte Multiplikationsschaltung 55 das komplexe Signal e_V mit dem Koeffizienten h_xy, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_V zu drehen.
Die dritte Multiplikationsschaltung 55 gibt das komplexe Signal e_V1, das das gedrehte komplexe Signal ist, an die erste Addierschaltung 57 aus.
Auf Empfangen des komplexen Signals e_V von der Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit 52, multipliziert die vierte Multiplikationsschaltung 56 das komplexe Signal e_V mit dem Koeffizienten h_yy, der von der Steuerschaltung 59 ausgegeben wird, um den Polarisationswinkel des komplexen Signals e_V zu drehen.
Die zweite Multiplikationsschaltung 56 gibt das komplexe Signal e_H2, das das gedrehte komplexe Signal ist, an die zweite Addierschaltung 58 aus.
Die erste Addierschaltung 57 addiert das komplexe Signal e_H1, das von der ersten Multiplikationsschaltung 53 ausgegeben wird, und das komplexe Signal e_V1, das von der dritten Multiplikationsschaltung 55 ausgegeben wird, und gibt ein addiertes Signal e_H1+V1 des komplexen Signals e_H1 und des komplexen Signals e_V1 an die Steuerschaltung 59 aus.
Die zweite Addierschaltung 58 addiert das komplexe Signal e_H2, das von der zweiten Multiplikationsschaltung 54 ausgegeben wird, und das komplexe Signal e_V2, das von der vierten Multiplikationsschaltung 56 ausgegeben wird, und gibt ein addiertes Signal e_H2+V2 des komplexen Signals e_H2 und des komplexen Signals e_V2 an die Steuerschaltung 59 aus.
Die Steuerschaltung 59 erfasst als ein Rückkopplungssignal jeweils das von der ersten Addierschaltung 57 ausgegebene addierte Signal e_H1+V1 und das von der zweiten Addierschaltung 58 ausgegebene addierte Signal e_H2+V2.
Die Steuerschaltung 59 führt Rückkopplungssteuerung des Anpassens jewiels des Koeffizienten h_xx, des Koeffizientenh_yx, des Koeffizienten h_xy und des Koeffizienten h_yy durch, so dass der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H1+V1 0° beträgt und der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H2+V2 90° beträgt.
Wenn der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H1+V1 0° beträgt und der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H2+V2 90° beträgt, gibt die Steuerschaltung 59 an die erste Addierschaltung 57 ein Steuersignal, das anzeigt, dass das addierte Signal e_H1+V1 ausgegeben wird, als die horizontale Komponente P_H an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
Wenn ferner der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H1+V1 0° beträgt und der Polarisationswinkel des addierten Signals e_H2+V2 90° beträgt, gibt die Steuerschaltung 59 an die zweite Addierschaltung 58 ein Steuersignal, das anzeigt, dass das addierte Signal e_H2+V2 ausgegeben wird, als die vertikale Komponente P_V an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
Auf Empfangen des Steuersignals von der Steuerschaltung 59 gibt die erste Addierschaltung 57 das addierte Signal e_H1+V1 als die horizontale Komponente P_H an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
Auf Empfangen des Steuersignals von der Steuerschaltung 59 gibt die zweite Addierschaltung 58 das addierte Signal e_H2+V2 als die vertikale Komponente P_V an die Phasenkompensationseinheit 26 aus.
Hier gibt die erste Addierschaltung 57 das addierte Signal e_H1+V1 als die horizontale Komponente P_H an die Phasenkompensationseinheit 26 aus, falls aber die im addierten Signal e_H1+V1 enthaltene Rauschkomponente klein genug ist, um ignoriert zu werden, ist die Phasenkompensationsverarbeitung der Phasenkompensationseinheit 26 nicht notwendig. Daher kann die erste Addierschaltung 57 die horizontale Komponente P_H an die Spektrum-Berechnungseinheit 28 ausgeben, ohne das addierte Signal e_H1+V1 an die Phasenkompensationseinheit 26 auszugeben.
Zudem gibt die zweite Addierschaltung 58 das addierte Signal e_H2+V2 als die vertikale Komponente P_V an die Phasenkompensationseinheit 26 aus, falls aber die im addierten Signal e_H2+V2 enthaltene Rauschkomponente klein genug ist, um ignoriert zu werden, ist die Phasenkompensationsverarbeitung der Phasenkompensationseinheit 26 nicht notwendig. Daher kann die zweite Addierschaltung 58 die vertikale Komponente P_V an die Spektrum-Berechnungseinheit 28 ausgeben, ohne die vertikale Komponente P_V an die Phasenkompensationseinheit 26 auszugeben.
Die Phasenkompensationseinheit 26 führt die Phasenkompensationsverarbeitung des Entfernens einer Rauschkomponente durch, die in dem komplexen Signal e_H,V enthalten ist, das aus der horizontalen Komponente P_H und der vertikalen Komponente P_V, die aus der Polarisationsdrehungseinheit 25 ausgegeben werden, konstruiert ist. Die Rauschkomponente kann eine Phasenfluktuation oder dergleichen in der Laserlichtquelle 12 sein.
Wenn das komplexe Signal e_H,V eine Rauschkomponente enthält, weicht die Phase θ_H der horizontalen Komponente P_H um die Phase θ_noise der Rauschkomponente um 0° ab.
Wenn das komplexe Signal e_H,V eine Rauschkomponente enthält, weicht die Phase θ_V der vertikalen Komponente P_V um die Phase θ_noise der Rauschkomponente um 90° ab.
11 ist ein erläuterndes Diagramm, darstellend die Phasenkompensationsverarbeitung der Phasenkompensationseinheit 26.
Anschließend wird die Phasenkompensationsverarbeitung der Phasenkompensationseinheit 26 unter Bezugnahme auf 11 konkret beschrieben.
Zunächst konstruiert die Phasenkompensationseinheit 61 ein komplexes Signal e_H,V aus der horizontalen Komponente P_H und der vertikalen Komponente P_V, die von der Polarisationsdrehungseinheit 25 ausgegeben werden.
Das Konstruieren des komplexes Signals e_H,V aus der horizontalen Komponente P_H und der vertikalen Komponente P_V ist eine bekannte Technik, so dass auf dien detaillierte Beschreibung davon verzichtet wird.
Die wahre Phase des komplexen Signals e_H,V ist θ_signal, dargestellt durch die folgende Gleichung (1), aber wenn die Phase des komplexen Signals e_H,V die Phase θ_noise der Rauschkomponente enthält, ist die wahre Phase (θ_signal + θ_noise). $θ_{S i g n a l} = 0, \frac{π}{2}, π, \frac{3 π}{2}$
Ferner ist die elektrische Potenz W des komplexen Signals e_H,V proportional zur Phase (θ_signal + θ_noise) des komplexen Signals e_H,V, wie im folgenden Ausdruck (2) dargestellt. $W \propto exp {- j (θ_{S i g n a l} + θ_{n o i s e})}$
Wenn die Phase θ_noise der Rauschkomponente, die in der Phase des komplexen Signals e_H,V enthalten ist, mit der m-ten Potenz-Methode berechnet wird, ist m bei der m-ten Potenz-Methode 4, da die Phasenumtastung durch die Polarisationsmultiplexeinheit 15 QPSK ist. Im Übrigen, falls die Phasenumtastung durch die Polarisationsmultiplexeinheit 15 BPSK ist, ist m bei der m-ten Potenz-Methode 2.
Daher ist der Wert, der durch Potenzieren der Phase (θ_signal + θ_noise) des komplexen Signals e_H,V mit vier erhalten wird, 4 × θ_noise.
11 zeigt, dass die wahre Phase θ_signal des komplexen Signals e_H,V verschwindet und nur noch 4 × θ_noise übrig bleibt, indem die Phase (θ_signal + θ_noise) des komplexen Signals e_H,V mit vier potenziert wird.
Es ist zu beachten, dass, da die Phasenumtastung durch die Polarisationsmultiplexeinheit 15 QPSK ist, die elektrische Potenz W des komplexen Signals e_H,V, wie im folgenden Ausdruck (3) gezeigt, auch proportional zu einem Wert ist, der durch Potenzieren der Phase (θ_signal + θ_noise) des komplexen Signals e_H,V mit vier erhalten wird. $W \propto exp {- j (4 \times θ_{n o i s e})}$
Die Phasenermittlungseinheit 61 berechnet 4 × θ_noise durch Potenzieren der Phase (θ_signal + θ_noise) des komplexen Signals e_H,V mit vier.
Als nächstes berechnet die Phasenermittlungseinheit 61 die Phase θ_noise der Rauschgeräuschkomponente durch Multiplizieren von 4 × θ_noise mit 1/4.
Die Phasenermittlungseinheit 61, wie in der folgenden Gleichung (4) dargestellt, subtrahiert die Phase θ_noise der Rauschkomponente von der Phase (θ_signal + θ_noise) des komplexen Signals e_H,V. $θ_{s i g n a l}^{'} = (θ_{s i g n a l} + θ_{n o i s e}) - θ_{n o i s e}$
Die Phasenermittlungseinheit 61 gibt das komplexe Signal e'_H,V nach Phasensubtraktion an eine oder mehrere Phasenkompensationsverarbeitungseinheiten der ersten Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 62 und der zweiten Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 63 aus.
Auf Empfangen des komplexen Signals e'_H,V von der Phasenermittlungseinheit 61 gibt die erste Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 62 die horizontale Komponente P'_H in dem komplexen Signal e'_H,V an die Spektrum-Berechnungseinheit 28 aus.
Auf Empfangen des komplexen Signals e'_H,V von der Phasenermittlungseinheit 61 gibt die zweite Phasenkompensationsverarbeitungseinheit 63 die vertikale Komponente P'_V in dem komplexen Signal e'_H,V an die Spektrum-Berechnungseinheit 28 aus.
Auf Empfangen der horizontalen Komponente P'_H von der Polarisationsdrehungseinheit 25, berechnet die Spektrum-Berechnungseinheit 28 das Frequenzspektrum fs_H der horizontalen Komponente P'_H durch Fourier-Transformieren der horizontalen Komponente P'_H.
Zudem, auf Empfangen der vertikalen Komponente P'_V von der Polarisationsdrehungseinheit 25, berechnet die Spektrum-Berechnungseinheit 28 das Frequenzspekturm fs_V der vertikalen Komponente P'_V durch Fourier-Transformieren der vertikalen Komponente P'_V.
Die Spektrum-Berechnungseinheit 28 gibt jeweils das Frequenzspektrum fs_H der horizontalen Komponente P'_H und das Frequenzspektrum fs_V der vertikalen Komponente P'_V an die Spektrum-Auswahleinheit 29 aus.
Die Spektrum-Auswahleinheit 29 wählt eines von dem Frequenzspektrum fs_H und dem Frequenzspektrum fs_V aus, die von der Spektrum-Berechnungseinheit 28 ausgegeben werden, und gibt das ausgewählte Frequenzspektrum an die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 aus.
Das heißt, die Spektrum-Auswahleinheit 29 vergleicht das in dem Frequenzspektrum fs_H enthaltene Spitzenspektrum mit dem in dem Frequenzspektrum fsv enthaltenen Spitzenspektrum und wählt das Frequenzspektrum mit dem größeren Spitzenspektrum aus.
Da der Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Licht die optische Interferenzeinheit 21 erreicht, später liegt als der Zeitpunkt, zu dem das Referenzlicht die optische Interferenzeinheit 21 erreicht, besteht eine Zeitdifferenz zwischen der Ankunftszeit des reflektierten Lichts an der optischen Interferenzeinheit 21 und der Ankunftszeit des Referenzlichts an der optischen Interferenzeinheit 21.
Das Frequenzspektrum fs_H und das Frequenzspektrum fs_V enthalten eine Frequenzdifferenzkomponente, die der obigen Zeitdifferenz entspricht, und die Frequenzdifferenz ist direkt proportional zu der Distanz zu dem Messungsziel 1. Die Frequenzdifferenz ist die Differenz zwischen der Frequenz des reflektierten Lichts und der Frequenz des Referenzlichts.
Daher kann unabhängig davon, welches Frequenzspektrum aus dem Frequenzspektrum fs_H und dem Frequenzspektrum fs_V ausgewählt wird, die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 in der nachfolgenden Stufe die der Zeitdifferenz entsprechende Frequenzdifferenzkomponente berechnen. Da jedoch das Frequenzspektrum mit dem größeren Spitzenspektrum die Berechnungsgenauigkeit der Frequenzdifferenz in der Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 verbessert, wählt die Spektrum-Auswahleinheit 29 das Frequenzspektrum mit dem größeren Spitzenspektrum aus.
9 zeigt ein Messungsziel 1 mit einer Distanz L₁ von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3, ein Messungsziel 1 mit einer Distanz L₂, und ein Messungsziel 1 mit einer Distanz L₃.
Im Beispiel von 9, wenn das zur optischen Interferenzeinheit 21 reflektierte Licht das vom Messungsziel 1, dessen Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 L₁ beträgt, reflektierte Licht ist, beträgt die Frequenzdifferenz Δf zwischen der Frequenz des reflektierten Lichts und der Frequenz des Referenzlichts Δf₁. Das von dem Messungsziel 1, dessen Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 L₁ beträgt, reflektierte Licht ist das reflektierte Licht in der durch die Abtastung (X₁) angegebenen Zeitspanne.
Wenn das zur optischen Interferenzeinheit 21 reflektierte Licht das vom Messungsziel 1, dessen Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 L₂ beträgt, reflektierte Licht ist, beträgt die Frequenzdifferenz Δf Δf₂. Das von dem Messungsziel 1, dessen Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 L₂ beträgt, reflektierte Licht ist das reflektierte Licht in der durch die Abtastung (X₂) angegebenen Zeitspanne.
Wenn das zur optischen Interferenzeinheit 21 reflektierte Licht das von dem Messungsziel 1, dessen Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 L₃ beträgt, reflektiert Licht ist, beträgt die Frequenzdifferenz Δf Δf₃. Das von dem Messungsziel 1 reflektierte Licht, dessen Distanz von der Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 L₃ beträgt,ist das reflektierte Licht in der durch die Abtastung (X₃) angegebenen Zeitspanne. Die Beziehung von Δf₁ < Δf₂ < Δf₃ ist festgelegt.
Auf Empfangen des Frequenzspektrums von der Spektrum-Auswahleinheit 29 berechnet die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 die in dem Frequenzspektrum enthaltene Frequenzdifferenz Δf.
Die Distanzberechnungsverarbeitungseinheit 30 berechnet die Distanz L von der Optische-Distanz-Berechnungseinrichtung 3 zu dem Messungsziel 1 aus der Frequenzdifferenz Δf.
Da die Verarbeitung selbst zum Berechnen der Distanz L aus der Frequenzdifferenz Δf eine bekannte Technik ist, wird auf eine detaillierte Beschreibung davon verzichtet.
Gemäß der oben erläuterten ersten Ausführungsform ist die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 eingerichtet, aufzuweisen: die optische Interferenzeinheit 21 zum Trennen des reflektierten Lichts in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle, Extrahieren erster und zweiter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und Extrahieren dritter und vierter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und eine Polarisationsdrehungseinheit 25 zum Erwerben einer oder mehrerer Komponenten von horizontalen und vertikalen Komponenten einer polarisierten Welle durch Drehen eines Polarisationswinkels eines ersten komplexen Signals, aufweisend die ersten und zweiten Komponenten, und eines Polarisationswinkels eines zweiten komplexen Signals, aufweisend die dritten und vierten Komponenten, so dass die Distanz-Berechnungseinheit 27, auf Grundlage der durch die Polarisationsdrehungseinheit 25 erworbenen Komponenten, eine Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts berechnet und eine Distanz zu einem Messungsziel 1 aus der Differenz berechnet. Daher kann die Optische-Distanz-Messungseinrichtung 3 die Distanz zu dem Messungsziel 1 berechnen, selbst wenn die Polarisationsebene von Licht gedreht ist.
Es ist zu beachten, dass die Erfindung der vorliegenden Anmeldung in der Lage ist, jeden der Bestandteile der Ausführungsform zu modifizieren oder einen der Bestandteile der Ausführungsform innerhalb des Umfangs der Erfindung wegzulassen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist für eine Optische-Distanz-Messungseinrichtung geeignet, die die Distanz zu einem Messungsziel berechnet.
Ferner ist die vorliegende Erfindung für eine Bearbeitungseinrichtung geeignet, die die Optische-Distanz-Messungseinrichtung umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Messungsziel,
2: Bearbeitungseinrichtung,
3: Optische-Distanz-Messungseinrichtung,
4: Bearbeitungseinheit,
10: optische Ausgabeeinheit,
11: Frequenzänderungssignalgenerator,
12: Laserlichtquelle,
13: Optokoppler,
14: Phasenmodulationssignalgenerator,
15: Polarisationsmultiplexeinheit,
16: optische Übertragungs-und-Empfangseinheit,
17: Zirkulator,
18: Linse,
20: Signalprozessor,
21: optische Interferenzeinheit,
21a: Optokoppler,
21b: PBS,
21c: erstes optisches 90°-Hybrid,
21d: zweites optisches 90°-Hybrid,
22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f, 22g, und 22h: Pin-Photodiode,
22i, 22j, 22k, und 22m: Verstärker,
51 und 52: Komplexes-Signal-Ausgabeeinheit,
53: erste Multiplikationsschaltung,
54: zweite Multiplikationsschaltung,
55: dritte Multiplikationsschaltung,
56: vierte Multiplikationsschaltung,
57: erste Addierschaltung,
58: zweite Addierschaltung,
59: Steuerschaltung,
61: Phasenermittlungseinheit,
62: erste Phasenkompensationsverarbeitungseinheit,
63: zweite Phasenkompensationsverarbeitungseinheit,
71: Polarisationsdrehungsschaltung,
72: Phasenkompensationsschaltung,
73: Spektrum-Berechnungsschaltung,
74: Spektrum-Auswahlschaltung,
75: Distanzberechnungsverarbeitungsschaltung,
81: Speicher,
82: Prozessor

Claims

Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3), umfassend: eine optische Ausgabeeinheit (10) zum Ausgeben von frequenzdurchgelaufenem Licht, dessen Frequenz sich mit Verstreichen von Zeit ändert, als Referenzlicht, Multiplexen polarisierter Wellen des frequenzdurchgelaufenen Lichts, und Ausgeben von frequenzdurchgelaufenem Licht von ersten und zweiten polarisierten Wellen, die orthogonal zueinander sind; eine optische Übertragungs-und-Empfangseinheit (16) zum Ausstrahlen des frequenzdurchgelaufenen Lichts von ersten und zweiten polarisierten Wellen zu einem Messungsziel, und Empfangen des von dem Messungsziel reflektierten frequenzdurchgelaufenen Lichts als reflektiertes Licht; eine optische Interferenzeinheit (21) zum Trennen des reflektierten Lichts in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle, Extrahieren erster und zweiter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und Extrahieren dritter und vierter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts; eine Polarisationsdrehungseinheit (25) zum Erwerben einer oder mehrerer Komponenten von horizontalen und vertikalen Komponenten einer polarisierten Welle durch Drehen eines Polarisationswinkels eines ersten komplexen Signals, aufweisend die ersten und zweiten Komponenten, und eines Polarisationswinkels eines zweiten komplexen Signals, aufweisend die dritten und vierten Komponenten; und eine Distanz-Berechnungseinheit (27) zum Berechnen, auf Grundlage der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen Komponenten, einer Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts, und Berechnen einer Distanz zu dem Messungsziel aus der Differenz.
Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die Distanz-Berechnungseinheit (27) umfasst: eine Spektrum-Berechnungseinheit (28) zum Berechnen, falls eine horizontale Komponente durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworben ist, eines Frequenzspektrums der horizontalen Komponente, und, falls eine vertikale Komponente durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworben ist, eines Frequenzspektrums der vertikalen Komponente, und eine Distanzberechnungsverarbeitungseinheit (30) zum Berechnen, auf Grundlage des durch die Spektrum-Berechnungseinheit (28) berechneten Frequenzspektrums, einer Differenz zwischen der Frequenz des reflektierten Lichts und der Frequenz des Referenzlichts, und Berechnen, aus der Differenz, der Distanz zu dem Messungsziel.
Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die Polarisationsdrehungseinheit (25) beide, die horizontale Komponente und die vertikale Komponente, erwirbt, und die Distanz-Berechnungseinheit (27) umfasst: eine Spektrum-Berechnungseinheit (28) zum Berechnen eines Frequenzspektrums der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen horizontalen Komponente und Berechnen eines Frequenzspektrums der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen vertikalen Komponente, eine Spektrum-Auswahleinheit (29) zum Auswählen eines von dem Frequenzspektrum der horizontalen Komponente und dem Frequenzspektrum der vertikalen Komponente, die durch die Spektrum-Berechnungseinheit (28) berechnet sind, und eine Distanzberechnungsverarbeitungseinheit (30) zum Berechnen einer Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts auf Grundlage des durch die Spektrum-Auswahleinheit (29) ausgewählten Frequenzspektrums und Berechnen der Distanz zu dem Messungsziel aus der Differenz.
Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die Polarisationsdrehungseinheit (25) beide, die horizontale Komponente und die vertikale Komponente, erwirbt, und die Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) ferner umfasst: eine Phasenkompensationseinheit (26) zum Konstruieren eines komplexen Signals aus der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen horizontalen Komponente und der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen vertikalen Komponente, Durchführen von Phasenkompensationsverarbeitung des Entfernens einer Phase einer Rauschkomponente, die in einer Phase des komplexen Signals enthalten ist, und Ausgeben einer oder mehrerer Komponenten der horizontalen Komponente und der vertikalen Komponente in dem komplexen Signal nach der Phasenkompensationsverarbeitung an die Distanzberechnungseinheit (27).
Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die optische Interferenzeinheit (21) aufweist: einen Optokoppler (21a), der das von der optischen Ausgabeeinheit (10) ausgegebene Referenzlicht in zwei Lichtstrahlen aufteilt, einen Polarisationsstrahlteiler (21b), der das von der optischen Übertragungs-und-Empfangseinheit (16) empfangene reflektierte Licht in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle trennt, ein erstes optisches 90°-Hybrid 21c), das die ersten und zweiten Komponenten aus dem reflektierten Licht der ersten polarisierten Welle, das durch den Polarisationsstrahlteiler (21b) getrennt ist, und einem Referenzlicht, das durch den Optokoppler (21a) geteilt ist, extrahiert, und ein zweites optisches 90°-Hybrid (21d), das die dritten und vierten Komponenten aus dem reflektierten Licht der zweiten polarisierten Welle, das durch den Polarisationsstrahlteiler (21b) getrennt ist, und dem anderen Referenzlicht, das durch den Optokoppler (21a) geteilt ist, extrahiert.
Bearbeitungseinrichtung (2), umfassend: eine Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3), die eine Distanz zu einem Messungsziel misst; und eine Bearbeitungseinheit (4) zum Bearbeiten des Messungsziels auf Grundlage der durch die Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) gemessenen Distanz, wobei die Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) umfasst: eine optische Ausgabeeinheit (10) zum Ausgeben von frequenzdurchgelaufenem Licht, dessen Frequenz sich mit Ablauf von Zeit ändert, als Referenzlicht, Multiplexen polarisierter Wellen des frequenzdurchgelaufenen Lichts, und Ausgeben des frequenzdurchgelaufenem Lichts von ersten und zweiten polarisierten Wellen, die orthogonal zueinander sind, eine optische Übertragungs-und-Empfangseinheit (16) zum Ausstrahlen des frequenzdurchgelaufenen Lichts von ersten und zweiten polarisierten Wellen zu einem Messungsziel, und Empfangen des von dem Messungsziel reflektierten frequenzdurchgelaufenen Lichts als reflektiertes Licht, eine optische Interferenzeinheit (21) zum Trennen des reflektierten Lichts in ein reflektiertes Licht einer ersten polarisierten Welle und ein reflektiertes Licht einer zweiten polarisierten Welle, Extrahieren erster und zweiter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der ersten polarisierten Welle und des Referenzlichts, und Extrahieren dritter und vierter Komponenten, die orthogonal zueinander sind, aus einem Interferenzlicht des reflektierten Lichts der zweiten polarisierten Welle und des Referenzlichts, eine Polarisationsdrehungseinheit (25) zum Erwerben einer oder mehrerer Komponenten von horizontalen und vertikalen Komponenten einer polarisierten Welle durch Drehen eines Polarisationswinkels eines ersten komplexen Signals, umfassend die ersten und zweiten Komponenten, und eines Polarisationswinkels eines zweiten komplexen Signals, umfassend die dritten und vierten Komponenten; und eine Distanz-Berechnungseinheit (27) zum Berechnen, auf Grundlage der durch die Polarisationsdrehungseinheit (25) erworbenen Komponenten, einer Differenz zwischen einer Frequenz des reflektierten Lichts und einer Frequenz des Referenzlichts, und Berechnen einer Distanz zu dem Messungsziel aus der Differenz.
Bearbeitungseinrichtung (2) nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Inspektionseinheit zum Inspizieren der Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) auf Grundlage der durch die Optische-Distanz-Messungseinrichtung (3) gemessenen Distanz.