DE19501526A1

DE19501526A1 - Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts von einer definierten Bezugsebene

Info

Publication number: DE19501526A1
Application number: DE1995101526
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Dieckmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 1996-07-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts von einer definierten Bezugsebene nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung der genannten Art ist aus A.R. Slotwinski, F.E. Goodwin, D.L. Simonson: "Utilizing GaAlAs laser diodes as a source for frequency modulated continous wave (FMCW) coherent laser radars", SPIE, Vol. 1043 Laser diodes techno logy and applications (1989) S. 245-251 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist das zweite optische Interferometer in dem auf das Objekt treffenden Teilstrahl angeordnet und besteht aus einem Mach-Zehnder-Interferometer. Der vom Objekt zum Verzweigungspunkt des ersten Interferometers zurückre flektierte Teilstrahl trifft senkrecht auf den im bestimmten Abstand vom Verzweigungspunkt angeordneten Spiegel, wird von diesem Spiegel zum Verzweigungspunkt zurückreflektiert und im Verzweigungspunkt mit dem anderen Teilstrahl zusammengeführt. Diese zusammengeführten Teilstrahlen werden einander überla gert dem ersten Detektor zugeführt. Das Mach-Zehnder-Inter ferometer definiert eine Referenzentfernung R_ref.

Bei dieser bekannten Einrichtung liegt der Verzweigungspunkt des ersten Interferometers in der Bezugsebene und die Entfer nung R_o von dieser Bezugsebene ist durch

gegeben, wobei N_o die Zahl von während einer vorbestimmten Zeitperiode des periodischen Steuersignals für den wellenlän genabstimmbaren Laser erfaßten bestimmten Phasendurchgängen durch eine bestimmte Phase des Ausgangssignals des dem ersten Interferometer zugeordneten ersten Detektors und N_ref die Zahl von während dieser Zeitperiode erfaßten bestimmten Phasendurchgängen durch eine bestimmte Phase des Ausgangssi gnals des dem zweiten Interferometer zugeordneten zweiten Detektors bedeuten.

Bei derartigen Einrichtungen zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts von einer definierten Bezugsebene, die nach dem FMCW-Prinzip arbeiten, kommt es auf eine präzise Messung der Schwebungsfrequenz an, da diese das Maß für die unbekannte Entfernung des Objekts darstellt. Allerdings wird diese Messung bei einem FMCW-RADAR mit wellenlängenabstimmbarer Laserdiode, beispielsweise einer TTG-Laserdiode (TTG steht für "tunable twinguide"), durch eine nichtlineare Abstimm charakteristik erschwert, die eine zeitabhängige Schwebungs frequenz f_o(t) verursacht.

Zum Kompensieren des Einflusses der Nichtlinearität der Abstimmcharakteristik ist es aus dem vorstehend genannten Dokument bekannt, entweder das zum periodischen Steuern der Frequenz des Laserstrahls verwendete Steuersignal für den Laser so vorzuverzerren, daß in jeder Zeitperiode die opti sche Frequenz des Laserstrahls im wesentlich linear von der Zeit abhängt und/oder daß die optische Frequenz des Laser strahls in beiden Richtungen verschoben wird, um eine symme trische Wellenform zu erhalten.

Es gibt auch die Möglichkeit, das Signal im Frequenzbereich mit Hilfe von Interpolationslogarithmen auszuwerten (siehe U. Glombitza, E. Brinkmeyer: "Coherent frequency-domain reflectometry for characterization of single-mode integrated optical waveguides", IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 11 (1993), S. 1377-1385).

Eine Vorverzerrung vermag beispielsweise Temperaturschwankun gen oder Alterungserscheinungen der Laserdiode nicht zu kompensieren. Eine Signalauswertung mit Hilfe eines als Referenzinterferometer verwendeten zweiten Interferometers, bei der bestimmte Phasendurchgänge durch eine bestimmte Phase sowohl des Ausgangssignals aus dem ersten Detektor als auch des Ausgangssignals aus dem zweiten Detektor gezählt werden, ist durch die erreichbare Zahl der bestimmten Phasendurch gänge durch die bestimmte Phase des Ausgangssignals aus dem zweiten Detektor begrenzt. Da die maximal erreichbare Zahl solcher Phasendurchgänge von der Kohärenzlänge abhängt, ist die Genauigkeit insbesondere bei Verwendung von Laserdioden klein, da diese typischerweise kleine Kohärenzlängen aufwei sen.

Eine Signalauswertung im Frequenzbereich bringt einen hohen technischen Aufwand mit sich.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art bereit zustellen, die auch bei Verwendung von Lasern mit stark nichtlinearer Abstimmcharakteristik und kleiner Kohärenzlänge bei einfachem Aufbau und einfachem Auswerteverfahren eine präzise Entfernungsmessung gestattet.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge mäßen Anordnung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer er findungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 die Frequenz des vom Laser der Einrichtung nach Fig. 1 ausgesandten Laserstrahls in Form einer beispielhaften nichtlinearen Funktion der Zeit t und relativ dazu die entsprechend zeitlich nichtli near sich ändernde Frequenz des vom Objekt reflek tierten Laserstrahls,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des zwischen einer maximalen und einer minimalen Amplitude schwankende Ausgangs signals des ersten optischen Detektors im gleichen zeitlichen Maßstab wie bei der Fig. 2,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals in der gleichen Darstellung wie in Fig. 3 aber in der Zeitachse gedehnt und nur in der Nähe des Beginns und Endes einer Zeitperiode dargestellt, und

Fig. 5 in der gleichen Darstellung wie in Fig. 4 und im gleichen zeitlichen Maßstab den zeitlichen Verlauf des zwischen einer maximalen Amplitude und einer minimalen Amplitude schwankenden Ausgangssignals des zweiten Detektors.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts 5 von einer definierten Bezugsebene 30 besteht in Übereinstimmung mit der aus dem oben erstge nannten Dokument bekannte Einrichtung aus

- einem wellenlängenabstimmbaren Laser 1 zur Erzeugung eines Laserstrahls 10,
- einer Einrichtung 2 zum periodischen Steuern des Lasers 1 derart, daß sich in jeder vorbestimmten Zeitperiode T_m ei ne optische Frequenz f(t) des Laserstrahls 10 bis auf höchstens eine vorbestimmte relative Abweichung δ linear mit der Zeit t ändert,
- einem ersten optischen Interferometer 3, welchem der Laserstrahl 10 zugeführt ist,
- einem zweiten optischen Interferometer 4, welchem ein Teil 11 des Laserstrahls 10 zugeführt ist und das zwei optische Wege 41 und 42 mit definiert voneinander verschiedener optischer Länge L1 bzw. L2 aufweist und aus
- einer Zähleinrichtung 61 zum Zählen einer Häufigkeit des Auftretens bestimmter Phasendurchgänge in bestimmten Aus gangssignalen.

Das erste optische Interferometer 3 erzeugt in einem defi nierten Verzweigungspunkt 31 aus dem zugeführten Laserstrahl 10 zwei frei sich ausbreitende Teilstrahlen 12 und 13. Einer der beiden Teilstrahlen, beispielsweise der Teilstrahl 12, trifft auf das Objekt 5 und wird vom Objekt 5 zum Verzwei gungspunkt 31 zurückreflektiert.

Der andere Teilstrahl 13 trifft bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 1 im Unterschied zu der aus dem oben erstgenannten Dokument bekannten Einrichtung senkrecht auf einen in bestimmtem Abstand d vom Verzweigungspunkt 31 angeordneten Spiegel 33 und wird vom Spiegel 33 zum Verzwei gungspunkt 31 zurückreflektiert.

In dem Verzweigungspunkt 31 werden der vom Objekt 5 zurückre flektierte Teilstrahl 12 und der andere Teilstrahl 13 zusam mengeführt und die zusammengeführten Teilstrahlen 12 und 13 einander überlagert, d. h. optisch miteinander interferie rend, einem ersten optischen Detektor 34 zur Erzeugung eines Ausgangssignals I_1ph zugeführt.

Die Bezugsebene ist durch eine Ebene 30 definiert, die senk recht von dem auf das Objekt 5 treffenden Teilstrahl 12 getroffen und im gleichen Abstand d vom Verzweigungspunkt 31 wie der Spiegel 33 angeordnet ist.

Es könnte auch bei der erfindungsgemäßen Einrichtung so wie bei der aus dem oben erstgenannten Dokument bekannten Ein richtung eingerichtet sein, daß nicht der andere Teilstrahl 13, sondern der vom Objekt 5 zum Verzweigungspunkt 31 zurückreflektierte Teilstrahl vom Verzweigungspunkt 31 senkrecht auf den im bestimmten optischen Abstand d vom Verzweigungspunkt 31 angeordneten Spiegel 33 trifft und vom Spiegel zum Verzweigungspunkt 31 zurückreflektiert wird. In diesem Fall ist, wie in diesem Dokument angedeutet, die Bezugsebene durch eine senkrecht von dem auf das Objekt 5 treffenden Teilstrahl 12 getroffene Ebene gegeben, in welcher der Verzweigungspunkt 31 liegt.

Das Ausgangssignal I_1ph aus dem ersten Detektor 34 hängt von einer in den einander überlagerten Teilstrahlen 12 und 13 enthaltenen optischen Schwebungsfrequenz f_o(t) ab und ist beispielsweise in dem Fall, daß der erste optische Detektor eine Photodiode ist, proportional zu

I_1ph ∝ cos(2πf_o(t)t).

Die Schwebungsfrequenz f_o(t) selbst ist durch

gegeben, wobei R_o die Entfernung des Objekts 5 von der be treffenden Bezugsebene, in der Fig. 1 die Bezugsebene 30, c die Lichtgeschwindigkeit und f(t) die zeitabhängige optische Frequenz des vom Laser 1 erzeugten Laserstrahls 10 bedeuten. Ist f(t) eine lineare Funktion der Zeit t, ist die Schwe bungsfrequenz f_o(t) eine Konstante.

Vom Laserstrahl 10 wird ein Teil 11, der von einem der beiden Teilstrahlen 12 oder 13 oder, wie in der Fig. 1 dargestellt, zwischen dem Laser 1 und dem ersten optischen Interferometer 3 abgezweigt sein kann, dem zweiten optischen Interferometer 4 zugeführt, das von diesem abgezweigten Teil 11 des Laser strahls 10 optisch einen Strahlanteil 111 in den einen optischen Weg 41 und einen anderen Strahlanteil 112 in den anderen optischen Weg 42 einkoppelt. Diese beiden Strahlan teile 111 und 112 werden nach dem Durchlaufen der optischen Wege 41 und 42 zusammengeführt und einander überlagert einem zweiten optischen Detektor 43 zur Erzeugung eines Ausgangssi gnals I_2ph zugeführt, das von einer in diesen überlagerten Strahlanteilen 111 und 112 enthaltenen optischen Schwebungs frequenz f_ref(t) abhängt.

Der definierte Differenzbetrag |L1-L2| zwischen den voneinan der verschiedenen optischen Längen L1 und L2 der beiden optischen Wege 41 und 42 definiert eine Referenzentfernung R_ref und die in den überlagerten Strahlanteilen 111 und 112 enthaltene Schwebungsfrequenz f_ref(t) definiert eine Refe renzschwebungsfrequenz, die beispielsweise in dem Fall, daß der zweite Detektor 43 eine Photodiode ist, proportional zu

I_1ph n∝ cos(2πf_ref(t)t)

ist.

Die Zähleinrichtung 61 erfaßt innerhalb jeder vorbestimmten Zeitperiode T_m während einer in diese vorbestimmte Zeitperi ode T_m fallenden verkürzten Zeitperiode T′_m, deren Beginn T′_o um die doppelte Laufzeit des Lichts zwischen der Bezugsebene 30 und dem Objekt 5 später als der Beginn T_o der vorbestimm ten Zeitperiode T_m liegt und deren Ende mit dem Ende T₁ der Zeitperiode T_m zusammenfällt, bestimmte Phasendurchgänge A_ph durch eine bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 und bestimmte Phasendurchgänge A_ph durch eine bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 und ermittelt eine Zahl N_o von während dieser verkürzten Zeitperiode T′_m erfaßten bestimmten Phasendurch gängen A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 und eine Zahl N_ref von während dieser verkürzten Zeitperiode T′_m erfaßten bestimmten Phasen durchgängen A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssi gnals I_2ph des zweiten Detektors 34.

Der um die doppelte Laufzeit des Lichts zwischen der Bezugs ebene 30 und dem Objekt 5 später als der Beginn T_o der vorbe stimmten Zeitperiode T_m liegende Beginn T′_o der verkürzten Zeitperiode T′_m ist definiert durch den Zeitpunkt, bei dem die Schwebung der Schwebungsfrequenz f_o(t) einsetzt. Dieser Zeitpunkt stellt sich von selbst ein und wird vom ersten Detektor 34 automatisch erfaßt.

Ist der Laser 1 ein Laser mit stark nichtlinearer Abstimmcha rakteristik, beispielsweise eine TTG-Laserdiode, und wird dieser Laser 1 von einem Steuersignal zum Steuern der opti schen Frequenz f(t) des von diesem Laser 1 erzeugten Laser strahls 10 angesteuert, das sich linear mit der Zeit t än dert, so ändert sich aufgrund der nichtlinearen Abstimmcha rakteristik die optische Frequenz f(t) nichtlinear mit der Zeit t.

Wenn sich in diesem Fall beispielsweise das Steuersignal periodisch, aber in jeder vorbestimmten Zeitperiode T_m linear mit der Zeit t ändert, ändert sich in dieser vorbestimmten Zeitperiode T_m die optische Frequenz f(t) des Laserstrahls 10 nichtlinear mit der Zeit t, beispielsweise so, wie es in der Fig. 2 durch die gekrümmte durchgezogene Kurve I dargestellt ist. Die gestrichelte Kurve II in der Fig. 2 stellt die optische Frequenz des vom Objekt 5 zur Bezugsebene 30 zurück gekehrten Teilstrahls 13 dar, die gegenüber der Kurve I um die doppelte Laufzeit des Lichts zwischen der Bezugsebene 30 und dem Objekt 5 zeitversetzt ist. Die strichpunktierte gerade Linie III zeigt vergleichsweise eine während der vorbestimmten Zeitperiode T_m sich in idealer Weise linear mit der Zeit t ändernde optische Frequenz f₁(t) des Laserstrahls 10.

Die zeitlich nichtlineare optische Frequenz f(t) des Laser strahls 10 hat eine zeitlich nicht konstante Schwebungsfre quenz f_o(t) zur Folge, die darin resultiert, daß das während der verkürzten Zeitperiode T′_m periodisch zwischen einer maximalen Amplitude A_1max und einer minimalen Amplitude A_1min schwankende Ausgangssignal I_1ph des ersten Detektors 34 eine zeitlich sich ändernde Periode T_1ph aufweist, die entspre chend dem Beispiel der Kurve I in Fig. 2 vom Beginn T′_o in Richtung zum Ende T₁ dieser verkürzten Zeitperiode T′_m stetig zunimmt, so, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Analoges gilt für die Periode T_2ph des zwischen einer maximalen Amplitude A_2max und einer minimalen Amplitude A_2min schwankenden Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 34 (siehe Fig. 5), dessen Periode T_2ph ebenfalls vom Beginn T′_o in Richtung zum Ende T₁ dieser verkürzten Zeitperiode T′_m stetig zunimmt.

Die optische Frequenz f(t) des Laserstrahls 10 weiche in der vorbestimmten Zeitperiode T_m von der ideal zeitlich linearen optischen Frequenz f₁(t) bis auf höchstens eine vorbestimmte relative Abweichung δ ab, die durch

definiert ist.

Erfindungsgemäß ist unter dieser Voraussetzung eine Zeit punkte-Ermittlungseinrichtung 62 zum

- Ermitteln eines ersten Anfangszeitpunktes t′₁, der durch den Zeitpunkt eines nach Beginn T′_o der verkürzten Zeitpe riode T′_m als einer der ersten dieser erfaßten bestimmten Phasendurchgänge A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Aus gangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 definiert ist,
- Ermitteln eines ersten Endezeitpunkts t′₂, der durch den Zeitpunkt eines vor Ende T₁ dieser verkürzten Zeitperiode T′_m als einer der letzten dieser erfaßten bestimmten Phasen durchgänge A_ph durch diese Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 definiert ist,
- Ermitteln eines zweiten Anfangszeitpunkts t′′₁, der durch den Zeitpunkt eines nach dem ermittelten ersten Anfangszeit punkt t′₁ als erster erfaßten bestimmten Phasendurchgangs A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 42 definiert ist, und
- Ermitteln eines zweiten Endezeitpunkts t′′₂, der durch den Zeitpunkt eines nach dem ermittelten ersten Endezeitpunkt t′₂ als erster erfaßten bestimmten Phasendurchgangs A_ph durch diese Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 42 definiert ist, vorgesehen und überdies ist die Zähleinrichtung 61 so ausgebildet, daß sie die Zahl N_o der im Zeitintervall Δt′ = t′₂ - t′₁ zwischen dem ersten An fangs- und ersten Endezeitpunkt t′₁ und t′₂ erfaßten be stimmten Phasendurchgänge A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 und die Zahl N_ref der im Zeitintervall Δt′′ = t′′₂ - t′′₁ zwischen dem zweiten Anfangs- und zweiten Endezeitpunkt t′′₁ und t′′₂ erfaßten bestimmten Phasendurchgänge A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 ermittelt, wobei danach die Entfernung R_o des Objekts 5 von der Bezugsebene 30 durch die Beziehung errechenbar ist, wobei a eine vorgebbare positive oder nega tive Zahl, beispielsweise eine ganze Zahl einschließlich null sein kann, die im Hinblick auf die Genauigkeit der Entfer nungsmessung vorzugsweise jeweils betragsmäßig kleiner als N_o und kleiner als N_ref gewählt wird. Besonders vorteilhaft ist es, a = 1 zu wählen.

Die relative Genauigkeit ΔR_o/R_o der Entfernungsmessung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist gegeben durch

Diese relative Genauigkeit hängt nicht allein von der Zahl N_ref der bestimmten Phasendurchgänge A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 ab, wie dies bei einer Signalauswertung durch alleinige Zählung der bestimmten Phasendurchgänge der Fall ist, sondern auch von der relativen Abweichung δ, insbesondere dem Maximalwert von δ. Allerdings ist die Genauigkeit nicht allein durch δ, sondern auch durch das Phasenrauschen des Lasers bestimmt. Die Genauigkeit bestimmt sich je nach dem, welche dieser beiden Größen überwiegt.

Ist die Abstimmcharakteristik des Lasers 1 stark nichtlinear, wie es beispielsweise bei einer TTG-Laserdiode der Fall ist, kann die relative Abweichung δ und damit die relative Genau igkeit ΔR_o/R_o unzulässig große Werte annehmen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung 2 zum periodischen Steuern des Lasers 1 einen Steuersignalgenerator 21 zum Erzeugen eines sich in jeder vorbestimmten Zeitperiode T_m linear mit der Zeit t ändernden periodischen Steuersignals S₁(t) zum Steuern der Frequenz f(t) des Laserstrahls 10 und eine Signalverzerrungseinrichtung 22 aufweist, die aus dem linearen Steuersignal S₁(t) ein dem Laser 1 zuzuführendes verzerrtes Steuersignal S₂(t) zum Steuern der Frequenz f(t) des Laserstrahls 10 erzeugt, das sich in jeder vorbestimmten Zeitperiode T_m nichtlinear mit der Zeit t derart ändert, daß die Nichtlinearität der Abstimmcharakteristik des Lasers 1 zumindest annähernd so weit kompensiert ist, daß sich in dieser vorbestimmten Zeitperiode T_m die Frequenz f(t) des Laserstrahls 10 bis höchstens auf die genügend klein zu wählende vorbestimmte relative Abweichung δ linear mit der Zeit t ändert.

Der angestrebte ideale Wert null für die relative Abweichung δ läßt sich trotz einer solchen Vorverzerrung aus verschiede nen Gründen meist nicht oder nicht auf Dauer erreichen, beispielsweise aufgrund der oben erwähnten Temperaturschwan kungen oder Alterungserscheinungen des Lasers, jedoch reicht es wegen der oben angegebenen Abhängigkeit der relativen Genauigkeit AR_o/R_o von der relativen Abweichung δ vorteilhaf terweise aus, eine relative Abweichung δ zuzulassen, wenn sie nur hinreichend klein ist.

Beträgt beispielsweise der zugelassene Maximalwert der rela tiven Abweichung δ nur 0,02, was durchaus möglich ist, so wird eine Verbesserung der relativen Genauigkeit AR_o/R_o um den Faktor 25 gegenüber der bekannten Signalauswertung durch alleinige Zählung der bestimmten Phasendurchgänge erreicht. Aufgrund des erfindungsgemäßen Referenzprinzips werden Tempe raturschwankungen des Lasers 1 und anderer Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung kompensiert. Im Vergleich zu einer Auswertung der Ausgangssignale I_1ph und/oder I_2ph im Frequenzbereich bedingt deren erfindungsgemäße Auswertung im Zeitbereich einen vergleichsweise geringen technischen Auf wand.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind nachstehend dargelegt:

Das erste Interferometer 3 weist vorzugsweise einen im zuge führten Laserstrahl 10 schräg in einem Winkel α von bevor zugt 45° zu einem Achsstrahl 101 des Lasers 10 angeordneten Strahlteilerspiegel 3₁ auf. Der Verzweigungspunkt 31 dieses ersten Interferometers 3 ist dann zweckmäßigerweise durch einen Auftreffpunkt des Achsstrahls 101 auf dem Strahltei lerspiegel 3₁ definiert.

Jeder der optischen Wege 41 und 42 des zweiten Interferome ters 4 ist zweckmäßigerweise durch einen optischen Wellenlei ter bestimmter optischer Länge L1 bzw. L2 definiert. Ein solcher optischer Wellenleiter besteht vorzugsweise aus einer optischen Faser.

Der von der Zeitpunkte-Ermittlungseinrichtung 62 in der jeweiligen verkürzten Zeitperiode T′_m ermittelte erste Anfangszeitpunkt t′₁ muß nicht notwendig der Zeitpunkt des nach dem Beginn T′_o dieser verkürzten Zeitperiode T′_m tatsächlich ersten bestimmten Phasendurchgangs A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 sein, sondern kann der Zeitpunkt eines der ersten dieser be stimmten Phasendurchgänge A_ph sein. Gleiches kann ggf. für den ersten Endezeitpunkt t′₂ gelten, der der Zeitpunkt eines der letzten dieser bestimmten Phasendurchgänge A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detek tors 34 sein kann. Der zweite Anfangs- und Endezeitpunkt t′′₁ bzw. t′′₂ ist immer definiert durch den jeweils nach dem ermittelten ersten Anfangszeitpunkt t′₁ bzw. Endezeitpunkt t′₂ als erster erfaßten bestimmten Phasendurchgangs durch diese Phase des Ausgangssignals I_ph2 des zweiten Detektors 43.

Die bestimmte Phase 0 und/oder der bestimmte Phasendurchgang A_ph durch diese Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 und die bestimmte Phase 0 und/oder der bestimmte Phasendurchgang A_ph durch diese Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 sind vorzugsweise gleiche Phasen und/oder Phasendurchgänge.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Zeitpunktermittlung sei an Hand der der Fig. 3, 4 und 5 näher erläutert. Bei diesen Figuren ist beispielsweise und nicht notwendig ange nommen, daß ein Nullpegel 0 = null des Ausgangssignals I_1ph bzw. I_2ph sowohl des ersten als auch zweiten Detektors 34 bzw. 43 in der Mitte zwischen der maximalen Amplitude A_1max bzw. A_2max und der minimalen Amplitude A_1min bzw. A_2min des betreffenden Ausgangssignals I_1ph bzw. I_2ph liegt.

Wird für jedes der beiden Ausgangssignale I_1ph und I_2ph dieser Nullpegel 0 als die bestimmte Phase gewählt, bezüglich der die bestimmten Phasendurchgänge A_ph des betreffenden Aus gangssignals I_1ph bzw. I_2ph definiert sind, so ist jeder dieser Phasendurchgänge A_ph ein bestimmter Nulldurchgang dieses Ausgangssignals I_1ph bzw. I_2ph , beispielsweise der Nulldurchgang einer Anstiegsflanke des periodischen Aus gangssignals I_1ph bzw. I_2ph, wie dies in den Fig. 3 bis 5 jeweils für einzelne ausgewählte Anstiegsflanken dargestellt ist. Anstelle der Nulldurchgänge A_ph der Anstiegsflanken könnten beispielsweise auch die Nulldurchgänge der Abfall flanken gewählt werden.

Beim Beispiel nach der Fig. 4 ist in der dort angegebenen verkürzten Zeitperiode T′_m der erste Anfangszeitpunkt t′₁ der Zeitpunkt des nach Beginn T′_o dieser verkürzten Zeitperiode T′_m tatsächlich als zweiter auftretenden Nulldurchgangs A_ph einer Anstiegsflanke des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 und der erste Endzeitpunkt t′₂ der Zeitpunkt des vor dem Ende T₁ dieser verkürzten Zeitperiode T′_m tatsächlich als vorletzter auftretenden Nulldurchgangs A_ph einer Anstiegsflanke dieses Ausgangssignals I_1ph.

Folglich muß beim Beispiel nach Fig. 5 bezüglich der ver kürzten Zeitperiode T′_m der zweite Anfangszeitpunkt t′′₁ der Zeitpunkt des nach dem Anfangszeitpunkt t′₁ des Ausgangssi gnals I_1ph des ersten Detektors 34 tatsächlich als erster auftretenden Nulldurchgangs A_ph einer Anstiegsflanke des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 und der zweite Endzeitpunkt t′′₂ der Zeitpunkt des nach dem ersten Endezeit punkt t′₂ des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 tatsächlich als erster auftretenden Nulldurchgangs A_ph einer Anstiegsflanke dieses Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detek tors 43 sein.

Die Zähleinrichtung 61 weist vorzugsweise je einen digitalen Frequenzzähler 610 bzw. 620 auf, die beide zugleich die Zeitpunkte-Ermittlungseinrichtung 62 bilden können. Bei spielsweise können die Zähleinrichtung 61 und Zeitpunkte- Ermittlungseinrichtung 62 wie folgt arbeiten: Die Einrichtung 2 zum periodischen Steuern des Lasers 1 erzeugt einen durch die Dauer T^T sowie deren Beginn T_o ^T und Ende T₁^T definierten ersten Torimpuls, wobei T_o < T_o ^T und T₁^T < T₁ gilt. Dieser Torimpuls steuert den dem ersten Detektor 34 zugeordneten Frequenzzähler 610 an, so daß der Frequenzzähler 610 mit dem ersten er faßbaren Phasendurchgang A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 nach dem Zeitpunkt T_o ^T die Zahl N_o zu zählen beginnt und mit dem ersten er faßbaren Phasendurchgang A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_1ph des ersten Detektors 34 nach dem Zeitpunkt T₁^T die Zählung der Zahl N_o beendet. Es wird ein vom Zeitpunkt t′₁ bis zum Zeitpunkt t′₂ dauernder zweiter Torimpuls erzeugt der den dem zweiten Detektor 43 zugeordne ten Frequenzzähler 620 ansteuert, so daß dieser Frequenzzäh ler 620 mit dem ersten erfaßbaren Phasendurchgang A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 nach dem Zeitpunkt t′₁ die Zahl N_ref zu zählen beginnt und mit dem ersten er faßbaren Phasendurchgang A_ph durch die bestimmte Phase 0 des Ausgangssignals I_2ph des zweiten Detektors 43 nach dem Zeitpunkt t′₂ die Zählung der Zahl N_ref beendet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt trotz einer nicht linearen Abstimmcharakteristik eine präzise Entfernungsmes sung, wobei die Schwebungsfrequenz durch eine einfache Mes sung im Zeitbereich ermittelt wird. Weist das Objekt 5 eine spiegelnde Fläche 50 auf, kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die Entfernung des Objekts 5 mit einer Genauig keit gemessen werden, die lediglich noch vom Phasenrauschen des Lasers 1 beschränkt ist.

In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine im Laserstrahl 10 angeordnete Linse, die den divergent aus dem Laser 1 austretenden Laserstrahl 10 in einen Parallelstrahl kollimiert. Mit 115 ist ein im Laserstrahl 10 angeordneter Strahlteilerspiegel bezeichnet, der den Teil 11 vom Laser strahl 10 abzweigt. Eine in diesem abgezweigten Teil 11 angeordnete Linse 110 fokussiert diesen Teil 11 auf ein Ende eines Wellenleiterverzweigers 40, von dem die beiden Wellen leiter 41 und 42 ausgehen, die in einem Wellenleiterzusammen führer 43 wieder zusammengeführt sind.

Mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrich tung ist bei einer Entfernung R_o des Objekts 5 von der Be zugsebene eine Genauigkeit von 2 µm erreicht worden. Ein geeignetes Anwendungsgebiet einer erfindungsgemäßen Einrich tung ist beispielsweise die Automatisierung und Robotik.

Claims

1. Einrichtung zur Bestimmung der Entfernung R_o eines Objekts (5) von einer definierten Bezugsebene (30), bestehend aus

- einem wellenlängenabstimmbaren Laser (1) mit insbesondere nichtlinearer Abstimmcharakteristik zur Erzeugung eines Laserstrahls (10),
- einer Einrichtung (2) zum vorbestimmt periodischen Steuern des Lasers (1) derart, daß sich in jeder vorbestimmten Zeit periode (T_m) eine optische Frequenz (f(t)) des Laserstrahls (10) bis auf höchstens eine vorbestimmte relative Abweichung (δ) linear mit der Zeit (t) ändert,
- einem ersten optischen Interferometer (3), welchem der Laserstrahl (10) zugeführt ist und welches in einem definierten Verzweigungspunkt (31) aus dem zugeführten Laserstrahl (10) zwei frei sich ausbreitende Teilstrahlen (12, 13) erzeugt, deren einer (12) auf das Objekt (5) trifft und vom Objekt (5) zum Verzweigungspunkt (31) zurückreflektiert wird, wobei einer (13) der beiden Teilstrahlen (12, 13) senkrecht auf einen in einem bestimmtem Abstand (d) vom Verzweigungspunkt (31) angeordneten Spiegel (33) trifft und vom Spiegel (33) zum Verzweigungspunkt (31) zurückreflektiert wird und wobei in dem Verzweigungspunkt (31) der vom Objekt (5) zurückreflektierte Teilstrahl (12) und der andere Teilstrahl (13) zusammengeführt werden und die zusammengeführten Teilstrahlen (12, 13) einander überlagert einem ersten optischen Detektor (34) zur Erzeugung eines Aus gangssignals (I_1ph) zugeführt werden, das von einer in den überlagerten Teilstrahlen (12, 13) enthaltenen optischen Schwebungsfrequenz (f_o(t)) abhängt, wobei die Bezugsebene (30) eine senkrecht von dem auf das Objekt (5) treffenden Teilstrahl (12) getroffene und in bezug auf den Verzweigungspunkt (31) definiert angeordnete Ebene ist,
- einem zweiten optischen Interferometer (4), welchem ein Teil (11) des Laserstrahls (10) zugeführt ist, welches zwei optische Wege (41, 42) mit definiert voneinander verschiedener optischer Länge (L1, L2) aufweist, welches von diesem Teil (11) des Laserstrahls (10) einen Strahlanteil (111) dem einen (41) und einen anderen Strahlanteil (112) dem anderen (42) der beiden optischen Wege (41, 42) zuführt und welches die beiden Strahlanteile (111, 112) nach dem Durch laufen der optischen Wege (41, 42) zusammenführt und einander überlagert einem zweiten optischen Detektor (43) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (I_2ph) zuführt, das von einer in den überlagerten Strahlanteilen (111, 112) enthaltenen optischen Schwebungsfrequenz (f_ref(t)) abhängt, wobei der definierte Differenzbetrag (|L1-L2|) zwischen den voneinander verschiedenen optischen Längen (L1, L2) der beiden optischen Wege (41, 42) eine Referenzentfernung R_ref und die in den überlagerten Strahlanteilen (111, 112) enthal tene Schwebungsfrequenz eine Referenzschwebungsfrequenz (f_ref(t)) definieren, und
- einer Zähleinrichtung (61) zum Erfassen bestimmter Phasen durchgänge (A_ph) durch eine bestimmte Phase (0) des Aus gangssignals (I_1ph) des ersten Detektors (34) innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode (T_m) und Erfassen bestimmter Phasendurchgänge (A_ph) durch eine bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43) während dieser vorbestimmten Zeitperiode (T_m) sowie zum Ermitteln einer Zahl N₀ von in dieser vorbestimmten Zeitperiode (T_m) erfaßten bestimmten Phasendurchgängen (A_ph) durch die be stimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_1ph) des ersten Detektors (34) und einer Zahl N_ref von in dieser vorbestimm ten Zeitperiode (T_m) erfaßten bestimmten Phasendurchgänge (A_ph) durch die bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43),
dadurch gekennzeichnet,
- daß eine Zeitpunkte-Ermittlungseinrichtung (62) zum Ermitteln eines ersten Anfangszeitpunkts (t′₁), der durch den Zeitpunkt eines nach einem um die doppelte Laufzeit des Lichts zwischen der Bezugsebene (30) und dem Objekt (5) später als ein Beginn (T_o) der vorbestimmten Zeitperiode (T_m) liegenden und von selbst sich einstellenden Beginn (T′_o) einer in diese vorbestimmte Zeitperiode (T_m) fallenden und mit dieser vorbestimmten Zeitperiode (T_m) endenden verkürzten Zeitperiode (T′_m) als erster oder einer der ersten erfaßten bestimmten Phasendurchgangs (A_ph) durch die bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_1ph) des ersten Detektors (34) definiert ist,
Ermitteln eines ersten Endezeitpunkts (t′₂)₁ der durch den Zeitpunkt eines vor Ende (T₁) dieser vorbestimmten Zeitperi ode (T_m) als letzter oder einer der letzten erfaßten bestimm ten Phasendurchgangs (A_ph) durch diese Phase (0) des Aus gangssignals (I_1ph) des ersten Detektors (34) definiert ist,
Ermitteln eines zweiten Anfangszeitpunkts (t′′₁), der durch den Zeitpunkt eines nach dem ermittelten ersten Anfangszeit punkt (t′₁) als erster erfaßten bestimmten Phasendurchgangs (A_ph) durch die bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43) definiert ist, und
Ermitteln eines zweiten Endezeitpunkts (t′′₂), der durch einen nach dem ermittelten ersten Endezeitpunkt (t′₁) als erster erfaßten bestimmten Phasendurchgangs (A_ph) durch diese Phase (0) des Ausgangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43) definiert ist, vorgesehen ist, und
- daß die Zähleinrichtung (61) die Zahl N_o der im Zeitin tervall Δt′ (= t′₂-t′₁) zwischen dem ersten Anfangs- und ersten Endezeitpunkt (t′₁₁ t′₂) erfaßten bestimmten Phasen durchgänge (A_ph) durch die bestimmte Phase (0) des Ausgangs signals (I_1ph) des ersten Detektors (34) und die Zahl N_ref der im Zeitintervall Δt′′ (= t′′₂-t′′₁) zwischen dem zweiten Anfangs- und zweiten Endezeitpunkt (t′′₁, t′′₂) erfaßten bestimmten Phasendurchgänge (A_ph) durch die bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43) ermittelt,
- wobei die Entfernung (R_o) des Objekts (5) von der Bezugs ebene (30) durch die Beziehung errechenbar ist, wobei a eine ganze Zahl einschließlich null sein kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß a gleich 1 gewählt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) aus einem TTG-Laser besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2) zum periodischen Steuern des Lasers (1) einen Steuersignalgenerator (21) zum Erzeugen eines sich in jeder vorbestimmten Zeitperiode (T_m) linear mit der Zeit (t) ändernden periodischen Steuersignals (S₁(t)) zum Steuern der Frequenz (f(t)) des Laserstrahls (10) und eine Signalver zerrungseinrichtung (22) aufweist, die aus dem linearen Steuersignal (S₁(t)) ein dem Laser (10) zuzuführendes ver zerrtes Steuersignal (S₂(t)) zum Steuern der Frequenz (f(t)) des Laserstrahls (10) erzeugt, das sich in jeder vorbestimm ten Zeitperiode (T_m) nichtlinear mit der Zeit (t) derart ändert, daß die Nichtlinearität der Abstimmcharakteristik des Lasers (1) annähernd soweit kompensiert ist, daß sich in dieser vorbestimmten Zeitperiode (T_m) die Frequenz (f(t)) des Laserstrahls (10) bis höchstens auf die vorbestimmte relative Abweichung (δ) linear mit der Zeit (t) ändert.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Interferometer (3) einer (12) der beiden Teil strahlen (12, 13) auf das Objekt (5) trifft und vom Objekt (5) zum Verzweigungspunkt (31) zurückreflektiert und der andere Teilstrahl (13) senkrecht auf den im bestimmten opti schen Abstand (d) vom Verzweigungspunkt (31) angeordneten Spiegel (33) trifft und vom Spiegel (33) zum Verzweigungs punkt (31) zurückreflektiert wird, wobei die Bezugsebene (30) durch eine im gleichen Abstand (d) vom Verzweigungspunkt (31) wie der Spiegel (33) angeordnete Ebene gegeben ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Interferometer (3) einen im zugeführten Laser strahl (10) schräg in einem Winkel (α) zu einem Achsstrahl (101) des Laserstrahls (10) angeordneten Strahlteilerspiegel (3₁) aufweist, wobei der Verzweigungspunkt (30) dieses Inter ferometers (3) durch einen Auftreffpunkt des Achsstrahls (101) auf dem Strahlteilerspiegel (3₁) definiert ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Weg (41) des zweiten Interferometers (4) durch einen optischen Wellenleiter bestimmter optischer Länge (L1, L2) definiert ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_1ph) des ersten Detektors (34) und die bestimmte Phase (0) des Aus gangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43) gleiche Phasen sind.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Phasendurchgang (A_ph) durch die bestimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_1ph) des ersten Detektors (34) und der bestimmte Phasendurchgang (A_ph) durch die be stimmte Phase (0) des Ausgangssignals (I_2ph) des zweiten Detektors (43) gleiche Phasendurchgänge sind.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (61) einen digitalen Frequenzzähler (610, 620) aufweist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (5) eine spiegelnde Fläche (50) aufweist.