DE19520663A1

DE19520663A1 - Abstandssensor

Info

Publication number: DE19520663A1
Application number: DE19520663A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Burghoff; Thomas Merker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-12-12

Description

Stand der Technik

Bei Abstandsmessungen nach dem Prinzip der Laufzeitmessung wird ein Lichtimpuls über eine Meßstrecke ausgesendet, an ihrem Endpunkt reflektiert und die Zeit bis zum Eintreffen am Ausgangspunkt gemessen. Die Meßgenauigkeit dieses Verfahrens wird entscheidend durch die Erfassung der Vorderflanke der ausgesandten Lichtimpulse und damit vom Signal-Rauschverhältnis , den Eigenschaften des Schwellwertschalters, der Flankensteilheit der Impulse und, besonders bei kleinen Signalen, von der Überlagerung des Nutzsignals mit einer positiven oder negativen Rauschamplitude bestimmt. Die Fehler bei der Zeitmessung bestimmen die Auflösung der Anordnung.

Eine Anordnung mit Laufzeitmessung, die z. B. zur Erhöhung der Meßgenauigkeit den Spitzenwert des Lichtimpulses als Triggerpunkt nutzt, ist in der Patentschrift DE 44 06 865 beschrieben. In der Schrift DE 44 04 429 wird mit Hilfe von Verzögerungseinrichtungen bei der Impulserzeugung und in der Empfängereinrichtung die Meßgenauigkeit erhöht.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abstandsmessung anzugeben, die Nachteile bekannter Laufzeitmeßverfahren, z. B. den Einfluß des SNR, des Schwellwertschalters, der Flankensteilheit der Impulse und die Einflüsse der Überlagerung des Nutzsignals mit der positiven oder negativen Rauschamplitude minimiert, bei hoher Auflösung den Einsatz von Zählern im 100-MHz-Bereich nicht erfordert und die Arbeitsgeschwindigkeit durch Vermeidung von Mehrfachmessungen erhöht und so z. B. bei einer Meßzeit von <100 µs und einer Impulsfolge von 8,56 MHz eine Meßgenauigkeit von <1% und eine Auflösung von <1 mm bei einer Meßlänge von 10 m erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit einer vorzugsweise im Dauerstrich arbeitenden Laserquelle, einem Kollimator, einem Modulator und einer Empfängereinheit gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Modulator ein Fabry- Perot-Etalon 3 ist, als Oszilator betrieben wird und in Resonanz Impulsfolgen mit doppelter Oszillatorfrequenz erzeugt, die optische Weglänge des Oszillators elektrooptisch und piezoelektrisch beeinflußt wird, ein an den FPE 3 angelegte Gleichspannung die Phasenlage in der Impulsfolge verändert, die Empfängereinheit 5 als Nullindikator mit Empfänger 6, Torschaltung 7 und Frequenzfilter 8 die vom FPE 3 gesendeten und an einem Objekt 9 gestreuten oder reflektierten Impulse in elektrische Signale wandelt, tastet und filtert und dann ein Nullsignal abgibt, wenn die Summe aus Verzögerungszeit t_v und Laufzeit t_L einen vorgegebenen Betrag t_o hat, ein Spannungsregler 9 die an den FPE 3 angelegte Gleichspannung so regelt, daß die Empfängereinheit 5 bei allen Meßlängen ein Nullsignal abgibt, die an der FPE 3 angelegte Gleichspannung ein Maß für die von den Impulsen durchlaufenen Meßstrecke ist und in einem Vergleichskanal 10 mit Empfänger 11 und Frequenzfilter 12 durch Auswertung der am FPE 3 reflektierten optischen Impulse die Abhängigkeit der Gleichspannung von der Verzögerungszeit bzw. Meßlänge bestimmt wird.

Beschreibung

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Kollimator 2 formt aus der Strahlung einer vorzugsweise im Dauerstrich arbeitenden Multi- oder Monomodelaserdiode 1 ein paralleles Lichtbündel. Das Strahlenbündel trifft auf das Fabry-Perot-Etalon 3 unter einem Einfallswinkel α, wobei α so gewählt wird, daß das am FPE 3 reflektierte und durch den Kollimator 2 fokussierte Lichtbündel auf den Empfänger 11 des Vergleichskanal 10 trifft. Die Transmission T_r bzw. Reflexion R eines Fabry-Perot-Etalon berechnet sich mit Gleichung (1) bzw. (2) zu:

Hierbei ist r₁ bzw. r₂ die Amplitude der an den Grenzflächen des FPE 3 reflektierten Lichtwellen und ϕ der Phasenwinkel gemäß Gleichung (3)

mit

oder durch Umstellung

wobei n den Brechungsindex, L die Dicke des FPE 3, λ die Wellenlänge einer Lasermode, Δλ_RFPE den Modenabstand und P die Modenzahl angibt.

Vorteilhaft wählt man, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, den Reflexionsgrad der Vorder- und der Rückseite des FPE 3 für die Lichtwellen zu |r₁|=|r₂|=r. Transmission bzw. Reflexion des FPE 3 werden dann wie folgt berechnet:

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen diese Abhängigkeit als Funktion des Phasenwinkels ϕ mit der Halbwertsbreite 2Δϕ.

Um Einflüsse von Reflexionen und Temperaturschwankungen auf die Stabilität der Laserquelle und damit auf die gesamte Anordnung zu minimieren, werden die Modenabstände Δλ_RFPE des FPE 3 und Δλ_RLD der Quelle 1 erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt. Da die Modenzahlen P im allgemeinen sehr große Werte annehmen (bei der Laserdiode aus Fig. 5 ist z. B. ca. 4657) sind Abweichungen zulässig und werden aus Gl. (6) bzw. (7) durch Überlagerung aller Transmissions- bzw. Reflexionswerte der Lasermode der Lichtquelle 1 berechnet. Die Idendität der Modenzahlen führt gemäß Gl. (3) dazu, daß alle Moden im FPE 3 phasengleich beeinflußt werden oder mit anderen Worten, alle weiteren Betrachtungen brauchen nur für eine Wellenlänge bzw. Mode durchgeführt werden. Modensprünge der Laserquelle haben deshalb auf Grund dieser erfindungsgemäßen Abstimmung der Modenzahlen keinen Einfluß auf die Impulserzeugung im oszillierenden FPE 3. Auch bei Laserdioden 1 mit nur einer logitudinalen Mode sollte diese Abstimmung erfolgen.

Auf Grund der endlichen Lasermodenbreite ist es ohne Beschränkung der Allgemeinheit beim Einsatz von Laserdioden als Lichtquelle 1 vorteilhaft, die spektrale Halbwertsbreite 2Δϕ des FPE 3 der Modenbreite der Laserquelle anzupassen und so die Empfindlichkeit der Anordnung zu optimieren. Beim Einsatz von Laserdioden mit einem Verhältnis von Modenabstand zu Modenbreite von 10/1 ergibt sich für den Fall der Anpasung auch ein Phasenverhältnis π/Δϕ· von 10/1 für den FPE 3. Aus Gl. (6) bzw. Gl. (7) errechnet man den dafür erforderlichen Reflexionsgrad r² des FPE 3.

im Beispiel: r²=0,73.

Die erforderlichen Reflexionsgrade r² des FPE 3 werden in bekannter Weise durch entsprechende optische Schichtsysteme auf den Grenzflächen des FPE 3 realisiert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß mindestens eine leitfähige Schicht auf jeder Seite Bestandteil des Schichtsystems ist. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird die optische Weglänge im FPE 3 durch Gleich- und Wechselfelder beeinflußt

mit

ϕ₀ Phasenwinkel ohne Gleichfeld
ϕ Phasenwinkeländerung durch ein Gleichfeld
Der Zusammenhang zwischen der Änderung des optischen Weges im FPE 3 und der Gleichspannung ist in bekannter Weise durch die elektrooptischen Koeffizienten der eingesetzten Materialien gegeben. Bei der Dimensionierung des Spannungsreglers 9 ist zu berücksichtigen, daß beim FPE 3 nicht nur der Brechungsindex n sondern auch die Dicke L von der angelegten Gleichspannung beeinflußt wird.
ϕ Phasenwinkeländerung durch ein Wechselfeld mit der Frequenz f, dessen Frequenz durch den FPE 3 als Schwinger in einer Oszillatorschaltung bestimmt wird.

Die Phase ϕ₀ wird erfindungsgemäß durch Auswertung der am FPE 3 reflektierten optischen Impulse im Vergleichskanal 10 ausgewertet und durch Änderung der Wellenlänge der Laserquelle in bekannter Weise (Temperatur oder Intensitätsänderung) so gewählt, daß gilt

wobei P eine ganze Zahl ist. Daraus folgt

bzw.

Erfindungsgemäß wird der FPE 3 als Bestandteil einer Oszillatorschaltung zu Resonanzschwingungen mit der Frequenz f angeregt und erzeugt dabei Impulsfolgen mit doppelter Oszillatorfrequenz (Fig. 6). Die Periodendauer der Resonanzschwingung ist T. Die Halbwertsbreite 2ΔT der erzeugten Impulse und der Modulationsgrad werden von den Phasenwinkeländerungen gemäß Gl. (12) bzw. (13) bestimmt. Vorzugsweise wird die Halbwertsbreite 2ΔT der Impulse so gewählt, daß 2ΔT die Laufzeit eines Impulses angibt, der eine Strecke zurückgelegt hat, die der maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht. Durch diese Wahl ist auch beim Start der Anordnung gesichert, daß das Filter 8 ein eindeutiges Stellsignal an den Spannungsregler 9 liefert.

Bei der erfindungsgemäßen Beschränkung der Phasenänderungen auf Δϕ < ϕ < π/x entstehen eindeutige Impulsfolgen (Fig. 6), wobei der Schwerpunkt der Impulse und seine Lage bezüglich der Resonatorfrequenz ausschließlich von der Phasenverschiebung infolge einer angelegten Gleichspannung beeinflußt wird (Fig. 7). Um Impulsformveränderungen durch ϕ zu vermeiden, ist es vorteilhaft ϕ « ϕ zu wählen.

Empfängereinheit

Die im FPE 3 erzeugten Impulse werden am Objekt 4 reflektiert oder gestreut und treffen auf die Empfängereinheit. Die Gesamtlaufzeit der Impulse für die Meßstrecke s (Sender-Objekt) beträgt t_L und berechnet sich mit der Lichtgeschwindigkeit v aus Gl. (12)

t_L = 2s/v (14)

Die Impulse werden im Empfänger 6 in elektrische Signale gewandelt und werden dann in der Torschaltung 7 getastet (Fig. 8). Die Tastung der Tore erfolgt bekannterweise über Vervielfacherschaltungen der Oszillatorfrequenz. Der erfindungsgemäße Zeitabstand der Tore beträgt 2Δt_e*, wobei 2Δt_e* ein ganzzahliger Teil der Periodendauer der Oszillatorfrequenz ist, und vorzugsweise so gewählt wird, daß er der Halbwertsbreite 2ΔT der optischen Impulse entspricht. Um die zur Phasenverschiebung der optischen Impulse notwendige Gleichspannung zu minimieren, wird die Mittenlage der Doppeltore erfindungsgemäß zu t₀ gewählt, wobei t₀ die Laufzeit eines Impulses ist, der eine Strecke s zurückgelegt hat, die vorzugsweise der vorgesehenen maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht. Diese erfindungsgemäße Wahl der Lage der Tore führt dazu, daß bei einer an den FPE 3 angelegten Gleichspannung von 0 Volt die Empfängereinheit 5 dann abgestimmt ist, wenn das zu ortende Objekt einen Abstand von s/2 zur Meßeinheit hat und daß nur jeder zweite optische Impuls in der Empfängereinheit 5 verarbeitet wird. Die Torzeit bzw. die Breite der Impulse wird vorzugsweise zu 2Δt=Δt_e* gewählt. In Fig. 8 sind die Angaben zur Torschaltung dargestellt.

Das Frequenzfilter 8 filtert erfindungsgemäß eine Oberwelle aus dem getasteten Empfangssignal und führt sie als Stellgröße dem Spannungsregler 9 zu. Die Oberwelle wird durch eine Fourieranalyse der Signale nach der Torschaltung 7 ermittelt.

ergeben sich die Fourierkoeffizienten zu

b_k = 0 (17)

wenn erfindungsgemäß

(oder Mehrfache davon) gewählt wird. Hierbei ist k die Ordnung der gefilterten Oberwelle, Δh die Amplitudendifferenz der elektrischen Impulse , 2Δt die Torbreiten und t_o die Mittenlage des Doppeltores.

Wählt man erfindungsgemäß 2Δt=Δt_e*, so erhalten wir

Bei Abstimmung des Empfängerkanals (Nullsignal der k-ten Oberwelle) ist Δh=0 d. h., es stimmt die Lage des Schwerpunktes des optischen Impulses mit der Doppeltormitte überein bzw. die Summe aus Verzögerungszeit t_v und Laufzeit t_L stimmt mit dem vorgegebenen Wert t_o überein (Fig. 9). Auf Grund der großen Torbreite 2Δt und der geringen Bandbreite des Frequenzfilters 8 für die k-te Oberwelle hat die Anordnung im Vergleich zu anderen Meßverfahren ein großes Signal-Rauschverhältnis. Die Auflösung der Anordnung wird durch die Steilheit der Kennlinie T_r(t) im Arbeitspunkt Δϕ bestimmt (Fig. 3, Gl. (12)).

Vergleichskanal

Die Bestimmung der Meßlänge erfolgt bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch Messung der an das FPE 3 angelegten Gleichspannung, die notwendig ist, um den Empfängerkanal 10 auf Nullsignal abzustimmen. Der Zusammenhang zwischen Verzögerungszeit t_v der optischen Impulse und der Gleichspannung ist durch Gleichung (10) gegeben.

Aus Gleichung (19) folgt

Durch Potenzreihenentwicklung erhält man für Gl. (20)

Läßt man bei der Eichung der Anordnung (z. B. Objektortung) einen Fehler von 1% zu, kann die Reihenentwicklung bereits nach dem ersten Glied abgebrochen werden d. h.,

Für genauere Messungen müssen weitere Terme berücksichtigt werden. Es soll darauf hingewiesen werden, daß gemäß Gl. (15) die Verzögerungszeit der opt. Impulse nur dann eindeutig von einer angelegten Gleichspannung abhängt, wenn ϕ konstant ist.

Zur Ermittlung der Größen in Gl. (20) führen wir eine Fourieranalyse der durch Gl. (13) beschriebenen und in Fig. 6 dargestellten optischen Impulse durch.

daraus folgen die Fourierkoeffizienten

Hierbei ist gemäß Fig. 6 2ΔT die Impulsbreite, h die Impulsamplitude, k die Ordnung der gefilterten Oberwelle und t_v die Verzögerungszeit der opt. Impulse. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses der Anordnung wird k erfindungsgemäß so gewählt, daß gilt

2k = T/t_o (26)

und k eine ganze ungerade Zahl ist. Unter diesen Bedingungen erhalten wir, wenn wir die k-te Oberwelle ausfiltern,

a_k = 0 (27)

d. h., der Vergleichskanal 10 ist abgestimmt (Nullsignal), wenn τ/t_v erfindungsgemäß gemäß Gl. 23 den vorgegebenen Wert τ/t₀ (Null oder Vielfache von T/t₀) erreicht hat. Driften der Anordnung können so bei der Berechnung der Meßlänge gemäß Gl. (14) berücksichtigt werden. Bei einer Berechnung der Meßlänge sind evtl. Impulsverformungen bei großen Verzögerungszeiten infolge der an den FPE 3 gelegten Gleichspannung zu berücksichtigen.

Der Wert von t_o wird so gewählt, daß er der Laufzeit eines Impulses entspricht, der eine Weglänge s zurückgelegt hat, die der max. Meßlänge der Anordnung entspricht. Bei einer Anordnung mit Meßgenauigkeit von 1% wird t_o durch Berechnung der Fehlerabweichung der Gleichung (17) von der Gleichung (15) ermittelt.

Eichvorgang

Der Vorgang wird intern nach jedem Einschalten des Geräts, nach jedem Spannungsausfall oder nach dem Anliegen eines externen Steuerbefehls durchgeführt. Der Eichvorgang wird vom Controler 13 gesteuert. Bei der Eichung t_r=f() werden ausgewählte Stützpunkte der Kennlinie erfaßt.

Eichung

- die am FDP 3 liegende Gleichspannung wird auf Null gesetzt.
- die Wellenlänge der Laserquelle wird so verändert, daß Gl. (11) erfüllt ist und der Vergleichskanal ein Nullsignal abgibt
- die Gleichspannung +U₁»0 wird so geregelt, daß der Vergleichskanal ein Nullsignal abgibt
- die Gleichspannung -U₂«0 wird so geregelt, daß der Vergleichskanal ein Nullsignal abgibt.

Die gemessenen Spannungswerte, die durch die Filtereinheit vorgegebene Phasenverschiebung t₀ und die in einem Zähler gemessene Oszillatorfrequenz werden vom Controler 13 bei der Berechnung der Meßlänge gemäß Gl. (14) berücksichtigt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Beträge von -U₁ und +U₂ bei ordnungsgemäßer Eichung identisch sind.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Meßvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 den Transmissionsverlauf des Fabry Perot-Etalons in Abhängigkeit vom Phasenwinkel ϕ,

Fig. 4 den Reflexionsverlauf des FPE 3 in Abhängigkeit vom Phasenwinkel ϕ,

Fig. 5 die Spektralverteilung einer Laserdiode,

Fig. 6 den Transmissionsverlauf des FEP 3 als Funktion der Zeit,

Fig. 7 den Einfluß einer Gleichspannung auf die Phasenlage der vom FEP 3 erzeugten Impulse,

Fig. 8 die Parameter der Torschaltung,

Fig. 9 die Doppelimpulse bei abgestimmter Empfängereinheit, wobei t_L<t₀,

Fig. 10 die Doppelimpulse bei abgestimmter Empfängereinheit, wobei t_L<t₀,

Fig. 11 die Doppelimpulse bei verstimmter Empfängereinheit und

Fig. 12 die zeitliche Lage der Tore in der Empfangseinheit 5 beim zweiten Ausführungsbeispiel.

In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 (Meßlänge 7 m) wird als Laserquelle 1 eine Multimodelaserdiode eingesetzt. Bei einer Arbeitstemperatur von 20°C sind die Parameter dieser Laserdiode:

Die Diode wird bei einer Dauerstrichleistung von 3 mW betrieben und die Intensität mit einer Monitordiode stabilisiert. Mit dem Kollimator 2 wird ein paralleles Strahlenbündel mit einer Restdivergenz von 0,04 mrad bei einem Bündeldurchmesser von 13,5 mm erzeugt. Dieses Bündel trifft unter einem Winkel α auf das FPE 3. Der Winkel α wird dabei so gewählt, daß das am FPE 3 reflektierte und vom Kollimator 2 wieder fokussierte Licht auf die Empfängerdiode 11 der Vergleichseinheit 10 trifft. Das Lichtbündel passiert das oszillierende FPE 3. Dabei werden die in Fig. 6 dargestellten Lichtimpulse mit doppelter Oszillatorfrequenz erzeugt. Der Parameter ϕ wird so gewählt, daß eindeutige Impulsfolgen entstehen. Im Ausführungsbeispiel ist 2ϕ=115 grd. Die Verzögerungszeit bzw. Phasenlage der erzeugten Impulsfolgen wird, wie in Fig. 6 gezeigt, von einer an den FPE 3 angelegten Gleichspannung beeinflußt. Die Phasenverschiebung ϕ ist in bekannter Weise über den elektrooptischen Effekt mit der Gleichspannung gekoppelt. Die Halbwertsbreite 2ΔT der erzeugten optischen Impulse ist im Ausführungsbeispiel 23,36 ns. Dieser Wert ergibt sich aus Gl (13) (T=233,6 ns, r²=0,73 und 2ϕ=115 grd). Der FPE 3 besteht erfindungsgemäß aus LiNbO₃ und ist im z-Schnitt orientiert. Dieser Schnitt vermeidet negative Einflüsse von Polarisationseffekten bei der Pulserzeugung und auf die Temperaturstabilität der Anordnung.

Die Grenzfläche des FPE 3 sind in Lichtrichtung so beschichtet, daß der Reflexionsgrad r²=0,73 ist. Bestandteil des Schichtsystems ist eine ITO-Schicht als Elektrode. Die Dicke des Etalons wird erfindungsgemäß so gewählt, daß die Modenzahlen der Laserdiode 1 und des FPE 3 übereinstimmen.

Die erforderliche Dicke des Etalons berechnet sich im Ausführungsbeispiel mit Gl. (4).

Hierbei ist L die Dicke des FPE 3, λ=824 nm die Wellenlänge der P-Mode der Laserdiode und n=2,2 der Brechungsindex des LiNbO₃. Aus der Dicke des FPE 3 errechnet man mit der Schallgeschwindigkeit des LiNbO₃ (v=7,33 m/s) die Resonanzfrequenz des FPE 3 als Schwinger der Oszillatorschaltung zu:

Die vom FPE 3 erzeugten optischen Impulse treffen auf ein zu erfassendes Objekt. Das am Objekt reflektierte oder gestreute Licht wird von einer nicht dargestellten Linse auf den Empfänger 6 der Empfangseinheit 5 fokussiert und in elektrische Signale gewandelt. Die Signale werden in einer Torschaltung getastet. In Fig. 7 sind die Torparameter definiert. Sie betragen im Ausführungsbeispiel:

Torzeit 2Δt\|11,68 ns
Torabstand 2Δt_e*	23,36 ns
Tormittenlage zu (2m+1)T/2	11,68 ns

Diese Werte ergeben sich bei einer Halbwertsbreite 2ΔT der erzeugten opt. Impulse von 23,6 ns (mit r²=0,73 und 2ϕ=115 grd).

Die in der Torschaltung erzeugten Doppelimpulse werden in der Filtereinheit 8 gefiltert. Die erfindungsgemäß gewählte Mittenfrequenz der Filtereinheit beträgt im Ausführungsbeispiel 21,4 MHz, d. h., in Bezug auf die Oszillatorfrequenz ist k=5. Mit dieser Wahl kann auf Filter der HF-Technik zurückgegriffen werden. Die Amplitude dieser Oberwelle wird dem Spannungsregler 9 als Stellgröße zugeführt und die am FDP 3 angelegte Gleichspannung so geregelt, daß die Amplitude der Oberwelle bei Abstimmung Null ist. Wie in Fig. 9 dargestellt, stimmt im Abstimmungsfall die Mittenlage des Doppeltores mit dem Schwerpunkt des optischen Impulses überein, d. h., die Summe aus Verzögerungszeit t_V und die Laufzeit t_L entspricht demm vorgegebenen Wert t₀. Im Ausführungsbeispiel ist t₀=11,68 ns, d. h. ohne Gleichspannung am FPE 3 (t_v=0) ist die Anordnung dann abgestimmt, wenn das zu ortende Objekt einen Abstand von 3,5 mm zum Abstandssensor hat. Dieser Wert ist erfindungsgemäß so gewählt, um die zur Abstimmung der Anordnung erforderlichen Gleichspannungen zu minimieren. Mit den angegebenen Werten hat das Ausführungsbeispiel einen Meßbereich von 7 m.

Die interne Eichung der Anordnung erfolgt im Vergleichskanal 10. Bei dieser Abstimmung werden ausgezeichnete Stützpunkte der Kennlinie t_v=f(ϕ) bzw. t_v=f() erfaßt. Im Ausführungsbeispiel sind dies t_v=0, t_v=t₀ und t_v=-t₀. Die Abstimmung für den Punkt t_v=0 erfolgt durch Abstimmung der Laserwellenlänge, im Ausführungsbeispiel durch Variation der Laserintensität.

Die Eichung erfolgt durch Abstimmung der Amplitude der k-ten Oberwelle der Resonanzfrequenz auf Nullpegel und erfolgt im Vergleichskanal 10. Gemäß Gl. (26) wird k erfindungsgemäß so gewählt, daß k eine ganze ungerade Zahl ist. Im Ausführungsbeispiel ist k=5, d. h. die Mittenfrequenz des Filters 12 stimmt mit der des Filters 8 überein und ist 21,4 MHz. Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei dieser internen Eichung Veränderungen der Lichtgeschwindigkeit auf der Meßstrecke nicht erfaßt werden. Das Ausführungsbeispiel 2 (Fig. 2) ist für größere Meßstrecken und eine hohe Auflösung konzipiert und unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel 1 in der Empfangseinheit 5 und durch den Einsatz einer zusätzlichen Logikeinheit 15.

Auf Grund der höheren optischen Verluste bei großen Meßlängen wird im Ausführungsbeispiel 2 eine 20 mW Laserdiode im Dauerstrich eingesetzt. Die Empfangseinheit 5 besteht aus einer Empfängerdiode 6, einer Torschaltung 7 mit 7 Doppeltoren und 7 Filtereinheiten 8. Die Empfängerdiode 6 wandelt die optischen Impulse in elektrische Signale. Diese Signale werden den 7 Torschaltungen und nachfolgend den 7 Filtereinheiten zugeführt. (Die 7 Filtereinheiten 8 sind identisch, ihre Mittenfrequenzen betragen 21,4 MHz). Die zeitliche Tastung der 7 Doppeltore ist in Fig. 12 dargestellt. Die Mittenlagen der Dopppeltore berechnen sich zu t_0n=(4_*7-2)Δt_e* und betragen im Ausführungsbeispiel t_0n=23,26 ns, 70,09 ns, 116,82 ns, 163,55 ns, 210,28 ns, 257,00 ns und 303,74 ns. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Tastung mit der Oszillatorfrequenz synchronisiert ist. Die sieben Amplituden der gefilterten Signale werden der Logikeinheit 15 zugeführt und miteinander verglichen und die Signale U_n zur Steuerung dem Spannungsregler 9 zugeführt, für die je nach Polarität gilt:

U_n-1 < U_n < U_n+1 bzw. U_n-1 < U_n < U_n+1

Die Laufzeit t_L der Impulse zur Berechnung der Meßstrecke wird bei dieser Ausführungsvariante 2 nach Polarität wie folgt ermittelt:

t_L = t_on -t_v bzw. t_L = t_on +t_v

Die Verzögerungszeit t_v wird analog zur Ausführungsvariante 1 ermittelt. Die Meßlänge des Ausführungsbeispiels 2 ist 49 m.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß der Vergleich der Ausgangsspannungen U_n der 7 Filterkanäle auch im Controler 13 erfolgen kann und daß die Intensität der Laserquelle 1, zur Verbesserung der Energiebilanz, gepulst werden kann, wobei die minimale Pulsbreite durch die Halbwertsbreite 2ΔT der optischen Impulse und deren Laufzeit bei der maximalen Meßlänge der Anordnung bestimmt wird und die Pulsmitte vorzugsweise mit den Nulldurchgängen der Oszillatorfrequenz übereinstimmt.

Bezugszeichenliste

1 Laserquelle
2 Kollimator
3 Fabry Perot Etalon FPE
4 Objekt
5 Empfängereinheit
6 Empfänger 1
7 Torschaltung
8 Frequenzfilter 1
10 Vergleichskanal
11 Empfänger 2
12 Frequenzfilter 2
13 Controler
14 Ein- und Ausgabeeinheit
15 Logikbaustein

Claims

1. Anordnung zur Abstandsmessung, bestehend aus Laserquelle, Kollimator, Modulator und Empfängereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß

a der Modulator ein Fabry-Perot-Etalon (3) ist, einen akustischen Resonator bildet, als Bestandteil einer Oszillatorschaltung in Schwingungsresonanz betrieben wird und optische Impulse mit doppelter Oszillatorfrequenz erzeugt, deren Phasenlage durch eine an den FPE (3) gelegte Gleichspannung beeinflußt wird,
b eine Empfängereinheit (5) mit Empfänger (6), Torschaltung (7) und Filter (8) ein Nullindikator ist, die die vom FPE (3) erzeugten und an einem Objekt (4) reflektierten oder gestreuten Impulse empfängt, in elektrische Signale wandelt, tastet und filtert und dann ein Nullsignal abgibt, wenn die Summe aus Verzögerungszeit t_V und Laufzeit t_L der Impulse einen vorgegebenen Betrag t₀ aufweist,
c der Spannungsregler (9) die an den FPE (3) angelegte Gleichspannung so regelt, daß bei beliebigen Meßlängen die Empfangseinheit (5) auf Nullpegel abgestimmt ist und die an den FPE (3) gelegte Gleichspannung bei Abstimmung ein Maß für die Meßlänge ist,
d ein Vergleichskanal (10) mit Empfänger (11) und Filter (12) ein Nullindikator ist, die am FPE (3) reflektierten optischen Impulse empfängt, in elektrische Signale wandelt und filtert und dann Nullsignale abgibt, wenn die Verzögerungszeit t_v der empfangenen Lichtimpulse Null ist oder fest vorgegebene Beträge aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (1) im transversalen Grundmodus betrieben wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Modenabstände Δλ_RLD des optischen Resonators der Laserquelle (1) ganzzahlige Vielfache (x) der Modenabstände Δλ_RFPE des optischen Resonators FPE (3) sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Modenabstände Δλ_RLD des optischen Resonators der Laserquelle (1) ganzzahlige Teile (1/x) der Modenabstände Δλ_RFPE des optischen Resonators des FPE (3) sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderung ϕ im FPE (3) durch angelegte Gleich- und Wechselfelder ϕ<π ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderung ϕ im FPE (3) durch angelegte Gleich- und Wechselfilter ϕ<π/x ist.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung des Vergleichskanals (10) bei der Gleichspannung Null durch Änderung der Laserwellenlänge erfolgt und durch Temperatur- oder Intensitätsänderungen der Laserquelle erreicht wird.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzmaterial im FPE (3) LiNbO₃ ist, die Lichtausbreitung in Richtung einer optischen Achse erfolgt und die optische Weglänge im FPE (3) elektrooptisch und piezoelektrisch beeinflußt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (7) ein Doppeltor bildet, der zeitliche Abstand der Tore 2Δt_e* ein ganzzahliger Teil der Periodendauer der Oszillatorschwingung ist und vorzugsweise der Halbwertsbreite 2ΔT der optischen Impulse entspricht, die Doppeltormittel t₀ vorzugsweise so gewählt wird, daß t₀ der Laufzeit eines Impulses entspricht, der eine Strecke zurückgelegt hat, die der maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Breite der einzelnen Tore (Torzeit) 2Δt=Δt_e* ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenz der Filtereinheit (8) ein ganzzahliges Vielfaches k der Oszillatorfrequenz ist und so gewählt wird, daß 4k=T/Δt_e* ist, wobei T die Periodendauer der Oszillatorschwingung und 2Δt_e* der Torabstand ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenz der Filtereinheit (12) ein ganzzahliges ungerades Vielfaches der Oszillatorfrequenz ist und 2k vorzugsweise zu T/t₀ gewählt wird, wobei T die Periodendauer der Oszillatorschwingung und t₀ die Laufzeit eines optischen Impulses ist, der eine Strecke zurückgelegt hat, die der maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht.