DE2632431A1 - Verfahren zur kompensierung ortsabhaengiger phasenverzoegerungen bei den emissionen von elektromagnetischen wellen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Kompensierung ortsabhängiger Phasenverzögerungen bei
• den Emissionen von elektromagnetischen Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensierung von phasenungleichen Emissionen elektromagnetischer Wellen in Abhängigkeit vom Emissionsort der Quelle und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
• Das Problem der örtlich unterschiedlichen Verzögerung der Emission von elektromagnetischer Strahlung - insbesondere Licht - tritt vor allem bei der elektro-optischen Entfernungsmessung beeinflussend auf das Ergebnis auf. Die Lichtquelle ist hier meist eine amplitudenmodulierte IR-Strahlung emittierende Diode. In den bekannten Verfahren durchläuft das modulierte Licht die Meßstrecke, wird von einem Reflektor in sich zurückgeworfen und am Emissionsort mit dem ausgehenden Licht phasenkorreliert. Die räumlich ausgedehnte Lichtquelle emittiert jedoch zeitlich etwas unterschiedlich je nach Emissionsort, das heißt, die Phase der Modulation hängt von der Emissionsstelle auf der Lichtquelle ab. Da die Lichtquelle in herkömmlichen Anordnungen auf den Ort des Reflektors abgebildet wird, bewirkt eine seitliche Verschiebung des Reflektors, daß sich die Phasenlage des zurückgeworfenen Meßsignals ändert, d.h., es bestehen Phasendifferenzen in der Reflektorebene. Diese Phasenunsicherheit liegt weit über der angestrebten Meßgenauigkeit im Millimeter- und Submillimeterbereich.
• Um annähernd die erwünschte Genauigkeit zu erreichen, mußten bisher speziell angefertigte Dioden, welche außerdem noch gesondert auszusuchen waren, verwendet werden. Typisch konnten auch hiermit nur Genauigkeiten von ca. 5 mm auf 1 km erreicht werden. Da 1 mm Abstand einer Lichtlaufzeit von 6,6 ps entspricht, d.h., für Hin-und Rücklauf des Lichtes 2 x 3,3 ps, muß bei herkömmlichen Anordnungen die zeitlich unterschiedliche Verzögerung der Modulationsphase in Abhängigkeit von der Emissionsstelle auf der Lichtquelle kleiner als diese 6,6 ps sein, um eine eindeutige Entfernungsangabe mit Millimetergenauigkeit zu erhalten. Diese Phasenhomogenität ist aber von den heutigen Lichtquellen nicht zu erreichen. Die besten Lumineszenzdioden sind immer noch mit einem Phasenunterschied von 30 bis 50 ps behaftet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für ein elektrooptisches Entfernungsmeßgerät zu schaffen, bei dem diese ortsabhängigen Phaseninhomogenitäten kompensiert werden. Dadurch werden genauere Meßergebnisse erreichbar.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der elektromagnetische Wellen emittierenden Quelle ein Resonator so zugeordnet wird, daß Interferenzen gleicher Emissionsrichtung entstehen, wobei diese Interferenzen mittels einer Optik so abgebildet werden, daß ein in der Abbildungsebene liegender Interferenzfleck als neue Emissionsquelle dient. Durch diese Maßnahmen wird nun die emittierende Lichtquelle nicht direkt auf dem Reflektor abgebildet, sondern es wird erst eine Abbildung des Emissionsflecks erzeugt, die dann auf den Reflektor abgebildet wird. Dieser virtuelle Emissionsfleck enthält nunmehr keinen ortsabhängigen Phasenunterschied der Modulation mehr, weil jeder Punkt des Lichtfleckes nicht mehr für einen Ort der Lichtquelle, sondern für eine bestimmte Emissionsrichtung charakteristisch ist, mit anderen Worten ausgedrückt: Jeder Punkt der neuen, virtuellen Lichtquelle entspricht ganz bestimmten Strahlrichtungen der räumlich ausgedehnten Lichtquelle und nicht einem bestimmten Emissionsort. Da jeder Punkt der Lichtquelle als Lambert'scher Strahler angenommen werden kann, stellt nun jeder Punkt des virtuellen Lichtflecks eine Mittelung über alle Phasenunterschiede der ursprünglichen Lichtquelle dar. Da nun die Phase in jedem Punkt der virtuellen Lichtquelle einen Mittelwert aus allen Punkten der realen Lichtquelle bildet, haben die ortsabhängigen Phasenverzögerungen der ursprünglichen Lichtquelle auf die Messung keinen Einfluß mehr.
• Zur Durchführung dieses Verfahrens wird vorgeschlagen, daß nach der Lichtquelle ein Fabry-Perot Resonator, der mit zwei teilverspiegelten planparallelen Flächen versehen ist,und eine kurzbrennweitige Abbildungsoptik angeordnet sind. Im Fabry-Perot Resonator interferieren die Strahlen gleicher Richtung, und diese Interferenzen gleicher Strahlrichtung werden durch die Optik in der Bildebene, die entsprechend der Brennweite f hinter der optischen Linse liegt, als Ringsystem abgebildet. Hierbei bestimmt der Abstand a der Resonatorflächen den Abstand b der abgebildeten Lichtringe und das Reflexionsvermögen der Spiegelflächen die "Feinheit" des Ringsystems.
• Weitere Einzelheiten und Maßnahmen der Erfindung sind in den Ansprüchen festgelegt und in der Beschreibung erläutert.
• Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung.
• Fig.2 zeigt das Ringsystem der elektromagnetischen Strahlung in der Abbildungsebene.
• Fig.3 zeigt die radiale Intensitätsverteilung der Strahlung in der Abbildungsebene.
• Einer Lichtquelle 10 eines elektrooptischen Meßgerätes ist ein Fabry-Perot Resonator 12 zugeordnet. Dieser Resonator 12 ist mit zwei teilverspiegelten Flächen 11ß11' versehen. Es entstehen Interferenzen gleicher Strahlrichtung, die durch die Linse 14 der Optik in der Bildebene 16, die entsprechend der Brennweite f hinter der Linse liegt, als Ringsystem abgebildet werden (Fig. 1). Der Abstand a der Resonatorflächen 11,11' bestimmt nun den Abstand der Lichtringe 17, die Verspiegelung der Resonatorflächen die Feinheit b:d der Ringe (Fig. 3). Zweckmäßigerweise wird der Resonator so eingestellt, daß die achsnächste konstruktive Interferenz nicht als Ring, sondern als intensiver Fleck 17' abgebildet wird. Die nicht in der optischen Achse liegenden konstruktiven Interferenzen können durch eine Lochblende 18 abgedeckt werden.
• Die in der Achse abgebildete Interferenz stellt nun den virtuellen Lichtfleck bzw. die neue Emissionsquelle dar. Da jeder Punkt in der Abbildungsebene 16 eine ganz bestimmte Emissionsrichtung der Lichtquelle charakterisiert, bildet jeder dieser Punkte einen Mittelwert aller Ortspunkte der Lichtquelle 10, so daß in der Abbildungsebene 16 keine Phasenunterschiede der Lichtmodulation auftreten.
• Neben diesem großen Vorteil der Ausmittelung von örtlichen Phasenunterschieden besteht ein weiterer Vorteil darin, daß die Lichtquelle großflächig werden kann, ohne daß sich der Fleckdurchmesser b in der Abbildungsebene ändert. Auf diese Weise kann die Leuchtdichte im virtuellen Emissionsfleck erhöht werden.
• Somit ist durch die vorbeschriebene Erfindung auf einfache Art und Weise eine wesentliche Verbesserung der Phasenhomogenität modulierter Lichtquellen, besonders im Hinblick auf bisher bekannte Entfernungsmeßgeräte geschaffen worden.
• Patentansprüche: L e e r s e i t e

Claims (5)

1. Patentansprüche Verfahren zur Kompensierung zeitlich unterschiedlicher Emissionen elektromagnetischer Wellen in Abhängigkeit vom Emissionsort der Quelle, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Wellen emittierenden Quelle (10) ein Resonator (12) so zugeordnet ist, daß Interferenzen gleicher Emissionsrichtung entstehen, wobei diese Interferenzen mittels einer Optik (14) so abgebildet werden, daß ein in der Abbildungsebene (16) liegender Interferenzfleck (17, 17l) als virtuelle Emissionsquelle dient.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (10) und der Optik (14) ein Fabry-Perot Resonator (12) angeordnet ist, der mit zwei teilverspiegelten planparallelen Flächen (11, 11') versehen ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) aus konfokalen sphärischen teildurchlässigen Spiegeln (11, 11') besteht.
4. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 uiid 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) durch piezoelektrisch gesteuerte Abstandshalter (13) oder durch Brechungsindexänderung des zwischen den Resonatorflächen befindlichen Mediums geregelt wird, so daß die achsparallelen Strahlen konstruktiv interferieren.
5. 5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lochblende in der Abbildungsebene (16) störende Interferenzen ausblendet und nur einen bestimmten Lichtfleck (17, 17') durchläßt.