DE19537281A1

DE19537281A1 - Distanzmeßgerät

Info

Publication number: DE19537281A1
Application number: DE19537281A
Authority: DE
Inventors: Thomas Merker; Ulrich Dr Burghoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1997-04-10

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 bestimmt. Die Fehler bei der Zeitmessung bestimmen die Auflösung der Anordnung.

Eine spezielle Anordnung mit Laserquelle, Kollimator, Fabry-Perot-Etalon (FPE) und Empfängereinheit zur Laufzeitmessung wird in der Patentschrift 195 20 663.0 angegeben. Hier erzeugt das FPE, das als Oszillator in Resonanz betrieben wird, optische Impulse. Die Impulsverzögerungszeit wird durch eine an den FPE angelegte Gleichspannung beeinflußt. Die Empfängereinheit ist ein Nullindikator, der dann ein Nullsignal abgibt, wenn die Summe aus Impulslaufzeit und Impulsverzögerungszeit einen vorgegebenen Wert aufweist. Die am FPE anliegende Gleichspannung ist ein Maß für die Impulslaufzeit. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß beim Einsatz von Laserdioden auf Grund von Wellenlängendriften eine kontinuierliche Distanzmessung nicht möglich ist und bei vorgegebener Laserquelle deren Modenabstände die Dicke des FPE und damit auch seine Resonanzfrequenz bzw. die maxi mal zulässige Meßlänge der Anordnung bestimmen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abstandsmessung anzuge ben, die Nachteile bekannter Laufzeitmeßverfahren, z. B. den Einfluß des SNR, minimiert, bei hoher Auflösung den Einsatz von Zählern im GHz-Bereich nicht erfordert und die Ar beitsgeschwindigkeit durch Vermeidung von Mehrfachmessungen erhöht. Eine weitere Auf gabe ist, im Vergleich zur Patentschrift 195 20 663.0, eine kontinuierliche Distanzmessung zu ermöglichen und so den Einfluß der Wellenlängendrift der Laserquelle (1) zu minimieren. Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch eine Anordnung Laserdiode, Kollimator, Fabry- Perot-Etalon, Vergleichskanal und Empfängereinheit gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Einheit mit einer vom Oszillator (8) sinusförmig frequenzmodulierten Laserquelle (1), einem Kollimator (2) und einem FPE (3) Lichtimpulse erzeugt, deren Phasenlage durch eine an den FPE (3) in einem ersten Gebiet angelegte Gleichspannung verändert wird, daß der FPE (3) ein zweites Gebiet aufweist, in dem keine Gleichspannung angelegt wird und die in diesem Gebiet erzeugten optischen Impulse einem Vergleichskanal (7) zugeführt werden, der ein Nullindikator ist und der stetig durch Intensitätsänderungen der Laserdiode (1) ab gestimmt wird, eine Empfängereinheit (10), die an eine<m Objekt (5) gestreuten oder reflek tierten Meßstrahlen empfängtund ein Nullindikator ist, ein Spannungsregler (11) der an den FPE (3) angelegte Gleichspannung so regelt, daß bei allen Meßlängen die Empfängereinheit (10) auf Null abgestimmt ist und in einem Vergleichskanal (6) die Abhängigkeit der Gleich spannung von der Verzögerungszeit bzw. Meßlänge durch Auswertung der am Strahlteiler (4) reflektierten optischen Impulsfolge erfaßt wird.

Beschreibung

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Kollimator (2) formt aus der Strahlung einer frequenzmodulierten Laserdiode (1) ein paralleles Lichtbündel. Das Strah lenbündel trifft auf das Fabry-Perot-Etalon (3) unter einem Einfallswinkel α, wobei α so ge wählt wird, daß das am FPE (3) reflektierte und durch den Kollimator (2) wieder fokussierte Lichtbündel nicht auf die Laserdiode trifft.

Die Transmission T_r eines Fabry-Perot-Etalon zeigt Gleichung (1).

Hierbei ist r die Amplitude der an den Grenzflächen des FPE (3) reflektierten Lichtstrahlen. Die erforderlichen Reflektionsgrade r² des FPE (3) werden in bekannter Weise durch ent sprechende optische Schichtsysteme auf den Grenzflächen des FPE (3) realisiert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß mindestens eine leitfähige Schicht Bestandteil des Schichtsystems ist und daß erfindungsgemäß ein erstes und ein zweites Gebiet des Schichtsystems galvanisch voneinander getrennt sind.

Der Phasenwinkel ϕ ist in Gleichung (2) angegeben.

Hierbei ist n der Brechungsindex und L die Dicke des FPE (3), c die Lichtgeschwindigkeit, Δν der Frequenzhub der modulierten Laserdiode, ν₀ die Laserfrequenz und Δ[nL] die opti schen Wegänderungen im FEE durch ein angelegtes Gleichfeld, ω die Oszillatorkreisfre quenz und t die Zeit.

Wählt man erfindungsgemäß den doppelten Frequenzhub Δν multipliziert mit der Modenzahl kleiner als die Modenfrequenz ν₀, erzeugt die Einheit eindeutige Impulsfolgen mit doppel ter Oszillatorfrequenz, wenn die doppelte optische Weglänge ein ganzzahliges Vielfaches der Modenwellenlänge ist (Gl. 3). Die Phasenlage der Impulse wird dann ausschließlich von der an den FPE (3) angelegten Gleichspannung bestimmt.

2 (nL)₀ = Pλ₀ (3).

In der Anordnung erfolgt erfindungsgemäß die Einhaltung der in Gl. 3 festgelegten Bedin gung durch Änderungen der Laserintensität und damit der Laserfrequenz ν₀ stetig und wird vom Vergleichskanal (7) gesteuert. Verstimmungen der Anordnung infolge von Wellenlän gendriften der Laserdiode können so stetig kompensiert werden. Damit sind im Gegensatz zur in der Schrift 195 20663.0 angegebenen Anordnung kontinuierliche Distanzmessungen möglich.

Die Modenzahl P des FPE (3) muß, wie in der Schrift 195 20663.0 angegeben, mit der Mo denzahl der Laserquelle identisch sein, um Einflüsse von Reflexionen und Temperaturdriften auf die Stabilität der Laserquelle (1) zu minimieren. Die von der erfindungsgemäßen Einheit in einem ersten Gebiet des FPE (3) erzeugten optischen Sendeimpulse werden unter Be rücksichtigung von Gleichung (3) von Gl. (1) und Gl. (5) beschrieben.

Die Sendeimpulsfolge ist in Fig. 2 dargestellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, beeinflußt Δϕ die Phasenlage der Impulse und wird mit Hilfe des elektrooptischen Effekts durch Anlegen einer Gleichspannung in einem ersten Gebiet des FPE (3) variiert.

Empfängereinheit (10)

Die in einem ersten Gebiet des FPE (3) erzeugten Impulse werden am Objekt (5) reflektiert oder gestreut und treffen auf die Empfängereinheit (10). Die Gesamtlaufzeit t_L der Impulse für die Meßstrecke s (Sender-Objekt) berechnet sich mit der Lichtgeschwindigkeit ν aus Gl. (7).

t_L = 2s/ν (7)

Die Impulse werden im Empfänger (10.1) in elektrische Signale gewandelt und dann in der Torschaltung (10.2) getastet (Fig. 4). Die Tastung der Tore wird von einer Oberwelle der im Vergleichskanal (7) empfangenen Impulse gesteuert. Der erfindungsgemaße Abstand der Impulse beträgt 2Δt_e*, wobei 2Δt_e* ein ganzzahliger Teil der Periodendauer ist und vor zugsweise so gewählt wird, daß er der Halbwertsbreite 2ΔT der optischen Impulse ent spricht. Um die zur Phasenverschiebung der optischen Impulse notwendige Gleichspannung zu minimieren, wird die Lage der Doppeltore zu t₀ gewählt, wobei t₀ die Laufzeit eines Im pulses ist, der eine Strecke zurückgelegt hat, die vorzugsweise der vorgesehenen maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht und ein ganzzahliges Vielfaches von Δt_e* ist. Die Wahl der zeitlichen Lage der Tore führt dazu, daß bei einer an den FPE (3) angelegten Gleich spannung von 0 Volt die Empfängereinheit (10) nur dann abgestimmt ist, wenn das zu or tende Objekt einen Abstand von s/2 zur Meßeinheit hat.

Die Torzeit bzw. die Breite der Impulse wird vorzugsweise zu 2Δt = Δt_e* gewählt. In Fig. 4 sind die Angaben zur Torschaltung dargestellt. Das Frequenzfilter (10.3) filtert erfin dungsgemäß eine Oberwelle (k) aus dem getasteten Empfangssignal und führt sie als Stell größe dem Spannungsregler (9) zu. Da die Steuerung der Tastung der vom Empfänger (10.1) abgegebenen elektrischen Signale erfindungsgemäß durch den Vergleichskanal (7) erfolgt, kann durch eine Fourieranalyse der Signale nach der Torschaltung gezeigt werden, daß k eine ganze gerade Zahl sein muß. Bei Abstimmung des Empfängerkanals (10) stimmt die Lage des Schwerpunkts der optischen Impulse mit der Doppeltormitte überein bzw. die Summe aus Verzögerungszeit t_v und Laufzeit t_L ist gleich dem vorgegebenen Wert t₀ (Fig. 5). Auf Grund der großen Torbreite 2Δt und der geringen Bandbreite des Frequenzfil ters (10.3) für die k-te Oberwelle hat die Anordnung im Vergleich zu anderen Meßverfahren großes SNR. Die Auflösung der Anordnung wird durch die Steilheit der Kennlinie T_r(t) im Arbeitspunkt Δϕ bestimmt.

Vergleichskanal (6)

Die Bestimmung der Meßlänge erfolgt bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch Mes sung der an das FPE (3) angelegten Gleichspannung, die notwendig ist um den Empfänger kanal (10) auf Nullsignal abzustimmen. Der Zusammenhang zwischen Verzögerungszeit t_v der optischen Impulse und der optischen Weglängenänderung Δ(nL) durch eine an den FPE (3) angelegte Gleichspannung ist unter Berücksichtigung der Periodizität der cos-Funktion durch Gleichung (8) gegeben.

Aus Gleichung (8) folgt

Um die Zeit zur Berechnung der Verzögerungszeit einzusparen, wird diese Funktion erfin dungsgemäß im Adreßspeicher (12) abgelegt. Notwendige Korrekturfaktoren können dabei berücksichtigt werden.

In der Anordnung wird mit dem Vergleichskanal (6) beim Einschalten des Geräts, nach ei nem Ausfall oder auf externen Steuerbefehl hin bei der Verzögerungszeit t_v = ± t_E die dazu notwendige Gleichspannung überprüft. Dazu werden die am Strahlteiler (4) reflektierten op tischen Impulse von der Empfängereinheit (6.1) in elektrische Signale gewandelt und von der Filtereinheit (6.2 ) gefiltert und die Einheit durch Änderung des Frequenzhubs Δν auf Nullsignal abgestimmt. Wählt man die Filterfrequenz erfindungsgemäß zu f_M = k f, wobei k eine ganze ungerade Zahl ist, erhält man dann ein Nullsignal, wenn 2k = T/t_E ist. Liefert bei diesem Eichprozeß der Vergleichskanal (6) kein Nullsignal, wird der Frequenzhub Δν bei der Aussteuerung der Laserquelle (Δν = f(); Gl. (9)) entsprechend nachgeregelt.

Vergleichskanal (7)

Umstetige Distanzmessungen durchführen zu können, wird im Vergleichskanal (7) erfin dungsgemäß ständig der Arbeitspunkt bei der Lasermodulation ( v₀) so nachgeführt, daß Gleichung (3) erfüllt ist. Das ist gleichbedeutend mit der Tatsache, daß bei einer am FPE (3) anliegenden Gleichspannung von 0 Volt auch die Verzögerungszeit t_v gleich Null ist. Dieser Prozeß muß stetig durchgeführt werden, da eine Drift der Laserfrequenz die Meßge nauigkeit der Anordnung wesentlich beeinflußt. Der Vergleichskanal (7), mit einer Empfän gereinheit (7.1), einer ersten Filtereinheit (7.2) und einer zweiten Filtereinheit (7.3) ist ein Nullindikator und gibt dann ein Nullsignal an der Filtereinheit (7.2 ) ab, wenn die Verzöge rungszeit t_v = 0 ist. Die Mittenfrequenz der Filtereinheit (7.2) ist erfindungsgemäß ein ganz zahliges ungerades Vielfaches der Oszillatorfrequenz der Anordnung. Die zweite Filterein heit (7.3 ) filtert aus der empfangenen Impulsfolge eine ganzzahlige gerade Oberwelle zur Steuerung der Tastung im Empfängerkanal (10) aus.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Distanzmeßgeräts.

Fig. 2 den Transmissionsverlauf des FEP (3) als Funktion der Zeit.

Fig. 3 den Einfluß einer Gleichspannung auf die Phasenlage der vom FEP (3) erzeugten Im pulse.

Fig. 4 die Parameter der Torschaltung.

Fig. 5 einen Abstimmfall der Empfängereinheit (10).

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird als Laserquelle (1) eine Monomodelaserdiode ein besetzt. Bei einer Arbeitstemperatur von 25°C sind die Parameter dieser Laserdiode:

Schwerpunktwellenlänge λ 839 nm
Modenabstand Δλ 0,25 nm
Modenbreite < 0,018 nm

Mit dem Kollimator (2) wird ein paralleles Strahlenbündel mit einer Restdivergenz von 0,5 mrad bei einem Bündeldurchmesser von 6,7 × 2,1 mm² erzeugt. Dieses Bündel trifft unter ei nem 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 nicht auf die Lasserdiode (1) trifft. Die Dicke L des FPE (3) ergibt sich mit der Modenzahl der Laserdiode (1) im Ausfüh rungsbeispiel zu

Der FPE (3) besteht aus LiNbO₃ und ist im z-Schnitt orientiert. Dieser Schnitt vermeidet negative Einflüsse von Polarisationseffekten bei der Impulserzeugung und auf die Stabilität reflektiert (100% ) und trifft auf den Vergleichskanal (7). Dieser Kanal liefert, wie beschrie ben, das Signal für die stetige Einstellung des Arbeitspunktes der Frequenzmodulation der Laserdiode (1) und das Signal zum Tasten der Impulse im Empfängerkanal (10). Das Strahl bündel, daß das erste Gebiet des FPE (3) verläßt, trifft auf den Strahlteiler (4). Ein Teil wird auf den Vergleichskanal (6) reflektiert. Dieser Kanal ist ein Nullindikator und liefert beim Eichvorgang das Steuersignal für den Frequenzhub der Laserdiode (1).

Die Oszillatorfrequenz des Ausführungsbeispiels ist 2.14 MHz. Damit ergeben sich erfin dungsgemäß die Filterfrequenzen zu:

Das Ausführungsbeispiel ist für eine Meßstrecke von 7 m konzipiert. Damit ergeben sich die definierten Zeiten zu:

Der Reflektionskoeffizient an den Grenzflächen des FPE (3 ) ist r² = 0.73 und wird durch ein opt. Schichtsystem mit einer ITO-Schicht realisiert. Der Reflektionskoeffiziet muß, wie be reits in der Schrift 195 20663.0 angegeben, so gewählt werden, daß die Halbwertsbreite der Lasermoden kleiner ist als die Halbwertsbreite der FPE-Moden.

Die von der Einheit erzeugten optischen Impulse treffen auf ein zu erfassendes Objekt. Das am Objekt reflektierte oder gestreute Licht wird auf den Empfänger (10.1) der Empfangs einheit (10) fokussiert und in elektrische Signale gewandelt. Die Signale werden in einer Torschaltung getastet. In Fig. 7 sind die Torparameter definiert. Sie betragen im Ausfüh rungsbeispiel:

Torzeit 2Δt\|23,4 ns
Torabstand 2Δt_e*	46,7 ns
Tormittenlage t₀ zu (2n+1)T/2	23,4 ns

Diese Werte ergeben sich sich bei einer Halbwertsbreite 2ΔT der erzeugten opt. Impulse von 23,4 ns. Die getasteten Signale werden in der Filtereinheit (10.3) gefiltert und dem Span nungsregler (9) als Stellgröße zugeführt und die am FPE (3) angelegte Gleichspannung (er stes Gebiet) so geregelt, daß der Empfängerkanal (10) auf Nullpegel abgestimmt ist. Wie in Fig 5 dargestellt, stimmt im Abstimmungsfall die Mittenlage des Doppeltores mit dem Schwerpunkt des optischen Impulses überein d. h., die Summe aus Verzögerungszeit t_v und der Laufzeit t_L entspricht dem vorgegebenen Wert t₀. Es soll daraufhingewiesen werden, daß weder im Vergleichskanal (6) noch im Vergleichskanal (7) Veränderungen der Lichtge schwindigkeit auf der Meßstrecke erfaßt werden.

Bezugszeichenliste

1 Laserquelle
2 Kollimator
3 Fabry Perot Etalon FPE
4 Strahlteiler
5 Objekt
6 Vergleichskanal (6)
7 Vergleichskanal (7)
8 Oszillator
9 Spannungsregler
10 AD-Wandler
11 Adreßspeicher
12 Ein- und Ausgabeeinheit

Claims

1 Anordnung zur Distanzmessung, bestehend aus Laserquelle, Kollimator und Fabry- Perot-Etalon, der als Bestandteil einer Oszillatorschaltung optische Impulse erzeugt, deren Phasenlage durch eine an den FPE gelegte Gleichspannung beeinflußt wird, einer Empfängereinheit als Nullindikator, die die vom FPE erzeugten und an einem Objekt 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, einem Spannungs regler, der die an den FPE angelegte Gleichspannung so regelt, daß bei beliebigen Meßlängen die Empfangseinheit auf Nullpegel abgestimmt ist und die an den FPE ge legte Gleichspannung bei Abstimmung ein Maß für die Meßlänge ist, einem Ver gleichskanal mit Empfänger und Filter, der ein Nullindikator ist, die am FPE reflektier ten 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, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit mit einer vom Oszillator (8) sinusförmig frequenzmodulierten Laserquelle (1), einem Kollimator (2) und einem FPE (3) optische Impulse erzeugt, deren Phasenlage durch eine an den FPE (3) gelegte Gleichspannung beeinflußt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das FPE (3) zwei galva nisch getrennte Gebiete aufweist, wobei in einem ersten Gebiet die Phasenlage der in diesem Gebiet abgestrahlten Meßimpulse durch Anlegen einer Gleichspannung beein flußt wird und die in einem zweiten Gebiet ohne anliegende Gleichspannung abge strahlten Impulse einem zweiten Vergleichskanal (7), bestehend aus einer Empfän gereinheit (7.1) und Filtereinheit (7.2), zugeführt werden, der ein Nullindikator ist und der dann abgestimmt ist, wenn die Verzögerungszeit t_v dieser Impulse Null ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung des Vergleichskanals (7) stetig durch Intensitätsänderungen der Laserquelle (1) erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem ersten Gebiet am FPE (3) anliegende Gleichspannung in einem AD-Wandler (12) digitalisiert wird und die Zuordnung der Gleichspannung zur Meßlänge der optischen Impulse im Speicherbaustein (13) erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Moden abstände Δλ_RLD des optischen Resonators der Laserquelle (1) und die Modenabstände Δλ_RFPE des optischen Resonators des FPE (3) aufeinander abgestimmt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelte Frequenzhub bei der Modulation der Laserquelle multipliziert mit der Modenzahl P kleiner ist als die Modenfrequenz.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (1) im transversalen Grundmodus betrieben wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfängerkanal (10) mit Empfängereinheit (10.1), Torschaltung (10.2) und Filtereinheit (10.3 ) die Torschaltung (10.2) ein Doppeltor bildet, der zeitliche Abstand der Tore 2Δt_e* ein ganzzahliger Teil der Periodendauer der Oszillatorschwingung ist und die zeitliche Lage t₀ der Doppeltormitte ganzzahlige Vielfache von Δt_e* sind und vorzugsweise so gewählt wird, daß t₀ der Laufzeit eines Impulses entspricht, der eine Strecke zurückgelegt hat, die der maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Breite der einzelnen Tore (Torzeit) 2Δt = Δt_e* und die Mittenfrequenz f_M der Filtereinheit (10.3) ein ganzzah liges Vielfaches der Oszillatorfrequenz ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Vergleichskanal (6) mit Empfänger (6.1) und Filtereinheit (6.2) die Mittenfrequenz f_M der Filtereinheit (6.2) ein ganzzahliges ungerades Vielfaches k der Oszillatorfrequenz ist und 2k vorzugsweise zu T/t₀ gewählt wird, wobei T die Periodendauer der Oszillator schwingung der Anordnung ist und t₀ der Laufzeit eines optischen Impulses entspricht, der eine Strecke zurückgelegt hat, die der maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenz der Filtereinheit (7.2) ein ganzzahliges ungerades Vielfaches der Oszillatorfrequenz ist.