DE3608075C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Abstands eines Gegenstandes unter Verwendung eines Laserstrahls mit einem Laseroszillator, dessen Oszillatorfrequenz modulierbar ist, und mit einem optischen Meßsystem, bei dem der Laserstrahl vom Gegenstand reflektiert wird, wobei ein erster reflektierter Strahl erzeugt wird, und der Laserstrahl von einem in vorbestimmtem Abstand angeordneten Standardreflektor reflektiert wird, wobei ein zweiter reflektierter Strahl erzeugt wird, und daß der erste und zweite reflektierte Strahl zur Bildung einer Meßschwebungswelle einander überlagert werden.

Derartige Vorrichtungen zur Abstandsmessung sind bekannt. Insbesondere ist aus der US-PS 35 42 472 eine Vorrichtung zur Abstandsmessung unter Verwendung eines Laserstrahls bekannt, bei der kohärentes Licht mit verschiedenen Frequenzkomponenten sowohl auf ein Ziel als auch auf einen Referenzreflektor in bekannter Entfernung abgestrahlt wird. Dabei wird die Zielentfernung aus der Überlagerung der beiden reflektierten Strahlen ermittelt.

Frequenzabweichungen in diesen bekannten Vorrichtungen reagieren sehr empfindlich auf Temperaturänderungen und andere Störungen, so daß die genaue Bestimmung des Abstandes eines Objektes mit Hilfe derartiger Vorrichtungen häufig erschwert wird, zumal es zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit wünschenswert ist, die jeweilige Anzahl der Schwebungswellen auch nach Bruchteilen zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Abstandsmessung nach der eingangs genannten Art die Meßgenauikgkeit zu erhöhen und störende Einflüsse durch Temperaturschwankungen und dergleichen weitgehend zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dieser Anordnung kann der zu bestimmende Abstand eines Objektes bestimmt werden, ohne daß etwaige Frequenzabweichungen zu berücksichtigen sind. Somit wird eine hohe Meßgenauigkeit erzielt. Trotzdem ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung verhältnismäßig einfach und kostengünstig.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung, welche ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführt,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für ein Meßgerät gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Prinzips einer konventionellen Technik und

Fig. 4 eine Stromverlaufsform (Wellenform), welche an den Halbleiterlaser angelegt wird.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Vor dieser Beschreibung der Erfindung wird zunächst das Prinzip einer konventionellen Technik beschrieben, auf der die Erfindung basiert.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein Halbleiterlaser 1, welcher als Laseroszillator verwendet wird, von einer Gleichstromquelle 2 versorgt, um in einem einzigen Modus zu schwingen, um so einen Laserstrahl zu erzeugen. Zusätzlich wird die Oszillationsfrequenz des Lasers 1 in Übereinstimmung mit der Größe eines Antriebsstromes moduliert. Der Laserstrahl, welcher durch den Halbleiterlaser 1 erzeugt wird, passiert eine konvexe Linse 3, einen Strahlenteiler 4 und eine Linsengruppe 5, welche eine konkave und eine konvexe Linse umfaßt, um auf ein zu bestimmendes Objekt zu treffen, welches eine rauhe Oberfläche aufweist. Der vom Objekt 6 reflektierte Strahl wird anfänglich durch den Strahlenteiler 4 reflektiert und passiert dann durch eine konvexe Linse 7, um auf ein Lichtempfangselement 8, wie z. B. eine Photodiode, aufzutreffen, welche ein Signal zur Beaufschlagung eines Meßgerätes 9 erzeugt.

Andererseits wird ein Teil des Laserstrahles vom Halbleiterlaser 1 durch den Strahlenteiler 4 reflektiert, um auf einen Standardreflektor 10, wie z. B. einen Spiegel oder ein Prisma, aufzutreffen, welches um einen vorgegebenen Abstand L 1 von diesem entfernt angeordnet ist. Der vom Standardreflektor 10 reflektierte Strahl wird durch den Strahlenteiler 4 geschickt, um dem reflektierten Strahl vom Objekt 6 überlagert zu werden, worauf der kombinierte Strahl durch die konvexe Linse 7 gelangt, um auf das Element 8 aufzutreffen.

Es kann hieraus gesehen werden, daß es eine Phasendifferenz zwischen beiden reflektierten Strahlen gibt, welche in das Meßgerät 9 eingegeben werden, aufgrund einer Zeitverzögerung (zeitliche Nacheilung), welche durch die Differenz in den Pfadlängen verursacht ist. Insbesondere entspricht die Zeitverzögerung dem zweifachen Wert der Differenz zwischen dem Abstand L 1, der zwischen dem Strahlenteiler 4 und dem Standardreflektor 10 gemessen wurde und einem Abstand L 2, der zwischen dem Strahlenleiter 4 und dem Objekt 6 gemessen wurde.

Unter dieser Bedingung wird die Größe eines Antriebsstromes, welche von der Gleichstromquelle 2 zum Halbleiterlaser 1 geliefert wird, durch einen Modulator 11 gesteuert, so daß ein modulierender Strom von linearer Wellenform, wie in Fig. 4 gezeigt, an den Laser 1 angelegt wird, um eine lineare Modulation der Oszillationsfrequenz in der gleichen Weise wie der modulierende Strom zu erzeugen. Folglich ändert sich die Phasendifferenz in einer Weise, die der Änderung in der Frequenz des Laserstrahls entspricht und erzeugt somit eine Schwebungswelle.

Der Zweck des Meßgerätes 9 liegt darin, die Anzahl der Wellen Nb in der messenden Schwebungswelle zu bestimmen. Die ermittelte Schwebungsfrequenz Nb ermöglicht die Berechnung des Abstandes zum Objekt 6. Mit der Bezeichnung der Zeitdifferenz zwischen den überlagerten reflektierten Strahlen durch τ, der Differenz zwischen den Abständen L 1 und L 2 durch R und der Lichtgeschwindigkeit durch c, ergibt sich die Differenz τ wie folgt:

τ = 2R/c (1)

Wenn die Frequenzabweichung mit der der Laser 1 moduliert wird mit δ bezeichnet wird, kann die Anzahl der Wellen Nb in der Schwebungswelle wie folgt ausgedrückt werden:

Nb = δ τ. (2)

Folglich ergibt sich bei Kombination der Gleichungen (1) und (2):

R = c · Nb/(2δ). (3)

Die Frequenzabweichung δ kann zuvor bestimmt werden beim Modulieren des Lasers 1. Folglich erlaubt die Anzahl der Wellen Nb in der Schwebungswelle, die durch das Meßgerät 9 bestimmt ist, die Berechnung der Differenz R und folglich des Abstandes L 2 zum Objekt 6 entsprechend dieser Gleichung.

Während jedoch, wie zuvor erwähnt, die Frequenzabweichung δ zuvor bestimmt werden muß, um die Messung des Abstandes zum Objekt 6 zu gestatten, ist die Abweichung δ in bedeutendem Maße auf eine Änderung anfällig unter dem Einfluß der Temperaturänderungen, woraus ein erhöhter Meßfehler verursacht wird.

Aus diesem Grund wird gemäß der Erfindung ein optisches Referenzsystem, welches eine Referenzschwebungswelle ableitet oder herleitet, mit einem optischen Meßsystem kombiniert oder in dieses einbezogen, welches die zuvor erwähnte messende Schwebungswelle ableitet, so daß der Abstand L 2 zum Objekt 6 in einer Weise berechnet werden kann, daß er frei von Einflüssen der Frequenzabweichung δ ist. Insbesondere wird die Gleichung (3) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vom optischen Meßsystem abgeleitet. In ähnlicher Weise leitet das optische Referenzsystem die folgende Beziehung ab bzw. her:

Rr = c · Nr/(2δ), (4)

wobei Rr die Differenz zwischen den Abständen zum ersten und zweiten Referenzreflektor im optischen Referenzsystem verkörpert und einen bekannten Wert aufweist. Nr verkörpert die Anzahl der Wellen in der Referenzschwebungswelle.

Durch Kombination der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich:

R = Rr · Nb/Nr. (5)

Diese Gleichung erlaubt die Berechnung der Differenz R der Abstände. Es ist ersichtlich, daß die für die Berechnung verwendete Gleichung die Frequenzabweichung δ nicht miteinbezieht, welche ein Element der Ungewißheit verkörpert und erlaubt somit die Bestimmung eines Abstandes mit einer höheren Präzision.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 1, in der die Teile, die den Teilen gemäß Fig. 3 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Diese Fig. 1 beinhaltet ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung und wird im folgenden im Detail beschrieben. Wie dargestellt, ist das optische Meßsystem 15, welches in Fig. 3 gezeigt ist, und welches verwendet wird, um eine messende Schwebungswelle abzuleiten, kombiniert mit einem optischen Referenzsystem 16, welches eine Referenzschwebungswelle ableitet bzw. erzeugt.

Ein Laserstrahl, welcher in das optische Referenzsystem 16 eingeleitet wird, umfaßt einen Teil der Laserstrahlung vom Halbleiterstrahler 1, welcher oben erwähnt wurde, welcher durch einen Strahlenteiler 17 abgeleitet wird, welcher zwischen der konvexen Linse 3 und dem Strahlenteiler 4 angeordnet ist, der im optischen Meßsystem 15 verwendet wird. Ein Teil dieses Laserstrahls wird durch einen Strahlenteiler 18 reflektiert, um auf einen ersten Referenzreflektor 19 zu treffen, wie z. B. einen Spiegel oder ein Prisma, welches hiervon räumlich entfernt um einen vorgegebenen Abstand angeordnet ist. Der verbleibende Laserstrahl gelangt durch den Strahlenteiler 18, um auf einen zweiten Referenzreflektor 20, wie z. B. einen Spiegel oder ein Prisma aufzutreffen, welches hiervon um einen weiteren vorgegebenen Abstand entfernt angeordnet ist. Es ist zu erwähnen, daß der Abstand zwischen dem ersten Referenzreflektor 19 und dem Strahlenteiler 18 unterschiedlich ist, vom Abstand zwischen dem zweiten Referenzreflektor 20 und dem Strahlenteiler 18.

Der Strahl, welcher durch den ersten Referenzreflektor 19 reflektiert wird, läuft durch den Strahlenteiler 18 und eine Konvexlinse 21, um auf das Lichtempfangselement 22 aufzutreffen. Andererseits wird der Strahl, der durch den zweiten Referenzreflektor 20 reflektiert wird, durch den Strahlenteiler 18 reflektiert, um dem reflektierten Strahl von dem ersten Referenzreflektor 19 überlagert zu werden, worauf er durch die konvexe Linse 21 läuft, um auf das Element 22 aufzutreffen. Ein Signal, welches durch das Element 22 erzeugt wird, wird an ein Meßgerät 23 angelegt, welches ebenso ein Signal von dem Lichtempfangselement 8 empfängt, welches mit dem optischen Meßsystem 15 gekoppelt ist.

Wenn daher der Modulator 11 verwendet wird, um den Laserstrahl zu modulieren, welcher vom Halbleiterlaser 1 abgegeben wird, mit einem Modulierstrom mit linearer Wellenform, wird ein Signal, welches eine Meßschwebungswelle verkörpert, vom optischen Meßsystem 15 zum Meßgerät 23 übertragen, und zwar zur gleichen Zeit, wie eine Referenzschwebungswelle vom optischen Referenzsystem 16 zum Meßgerät 23 geliefert wird.

In der vorliegenden Erfindung ist das Meßgerät 23 ausgebildet, um den Modulator 11 dazu zu veranlassen, die Frequenz des Laserstrahls über ein gegebenes Meßzeitintervall zu modulieren, insbesondere ein Zeitintervall, welches für eine gegebene Anzahl von ganzen Wellen im zu ermittelnden Meßschwebungssignal erforderlich ist. Da die Frequenz der Meßschwebungswelle vom Abstand L 2 zum Objekt 6 abhängt, ändert sich daher die Meßzeit in einer Weise entsprechend dem Abstand L 2. Jedoch wird in jedem Falle die Zahl der Wellen in der Meßschwebungswelle, welche einer unbekannten Meßzeit entspricht, als eine vorgegebene Konstante gewählt.

Andererseits beginnt das Meßgerät 23, die Zahl der Wellen in der Referenzschwebungswelle, im selben Zeitpunkt zu zählen, in dem es anfängt, die Zahl der Wellen in der Meßschwebungswelle zu zählen. Wenn es eine gegebene, ganze Zahl von ganzen Wellen in den Meßschwebungswellen gezählt hat oder wenn die nicht bekannte Meßzeit verstrichen ist, stoppt es das Zählen der Zahl der Wellen in der Referenzschwebungswelle. Gewöhnlich ist eine solche Zahl von Wellen in der Referenzschwebungswelle nicht einer ganzen Zahl gleich. Jedoch ist das Meßgerät 23 ausgebildet, um die Zahl der Wellen in dem Referenzschwebungssignal zu bestimmen, und zwar mit einer Präzision, die besser ist als der Dezimalpunkt (Komma).

Wenn die Zahl der Wellen im Meßschwebungssignal und die Zahl der Wellen im Referenzschwebungssignal, welches während der unbekannten Meßzeit gezählt wird und somit das Verhältnis beider Zahlen der Wellen erhalten wird, ist es möglich, den Abstand L 2 zum Objekt 6 gemäß der Gleichung (5) zu berechnen, wenn die Meßzeit unbekannt bleibt.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm mit einer spezifischen Ausbildung des Meßgerätes 23. Insbesondere umfaßt das Gerät 23 ein Paar von Wellenformumformern 30, 31, die das Referenzschwebungssignal und das Meßschwebungssignal von den entsprechenden Lichtempfangselementen 8, 22 empfangen, um somit eine Umformungsoperation durchzführen. Die geformten Signale werden einem Paar von entsprechenden ganzen Wellenzählern 32, 33 zugeführt, von denen jeder arbeitet, um die Zahlen der ganzen Wellen in jeder Schwebungswelle zu zählen.

Der Zähler 32, der das Meßschwebungssignal empfängt, ist mit einer Voreinstellschaltung 34 für ganze Zahlen verbunden. Wenn der Zähler 32 eine ganze Zahl von ganzen Wellen im Meßschwebungssignal gezählt hat, welche durch die Voreinstellschaltung 34 voreingestellt ist, liefert der Zähler 32 dann ein Zählbefehlsignal 35, welches an den Zähler 33 angelegt wird, welcher mit dem Referenzsystem verbunden ist und unterbricht somit die Zähloperation der Zahl der Wellen im Referenzschwebungssignal durch den Zähler 33.

Es ist ersichtlich, daß der Zähler 33 in der Lage ist, nur eine ganze Zahl von ganzen Wellen im Referenzschwebungssignal zu zählen. Um eine Zahl von Wellen zu ermitteln, welche kleiner ist als der Dezimalpunkt, ist ein Taktgenerator 36 vorgesehen. Der Taktgenerator 36 erzeugt einen Takt von weit höherer Freqeuenz als die Frequenz der Referenzschwebungswelle. Ein solcher Takt wird durch einen Taktzähler 37 gezählt.

Jedes Mal, wenn der Zähler 33 eine ganze Welle in der Referenzschwebungswelle zählt, liefert er ein Rücksetzsignal 38, welches an den Zähler 37 angelegt wird, um ihn zurückzusetzen. Wenn der Zähler 32, der mit dem Meßsystem verknüpft ist, ein Zählstopbefehlsignal 35 abgegeben hat, wird dieses Signal auch an den Taktzähler 37 angelegt, um seine Zähloperation zu unterbrechen. Unter dieser Bedingung ist es ersichtlich, daß der Taktzähler 37 eine Zählung aufweist, die einer Zahl von Wellen entspricht, die innerhalb einer Periode oder eine Anzahl von Wellen enthalten ist, die geringer als der Dezimalpunkt ist.

Der Abstand zu den Referenzreflektoren 19, 20 wird konstant gehalten. Somit kann in der Frequenz des Schwebungssignales keine Änderung vorhanden sein. Daher weist der Taktzähler 37 eine gegebene Zählung für eine Periode des Referenzschwebungssignales auf. Als Ergebnis kann eine Zählung im Taktzähler 37, welche erhalten wird, wenn das Zählstopbefehlsignal 35 abgegeben wird, mit der Zählung verglichen werden, die einer Periode entspricht, um somit zu ermöglichen, daß die Zahl der Wellen, die kleiner ist als der Dezimalpunkt für das Referenzschwebungssignal bestimmt wird. Eine solche Berechnung für die Ermittlung der Zahl der Wellen die kleiner ist als der Dezimalpunkt wird durch eine Berechnungsschaltung 39 ausgeführt. Durch Weiterleitung des Zählinhaltes im Zähler 33 und des Zählinhaltes im Taktzähler 37 zur Berechnungsschaltung 39 kann die letztere den Abstand L 2 zum Objekt 6 berechnen, welches auf einer Anzeige 40 angezeigt werden kannn. Daher ist die Anzeige 40 in der Lage, die Zahl der Wellen in der Referenzschwebungsstelle anzuzeigen, die mit einer Präzision berechnet wurde, welche besser ist als der Dezimalpunkt.

In der beschriebenen Ausführungsform arbeitet der Zähler 33, um den Taktzähler 37 jedes Mal dann zurückzusetzen, wenn er eine ganze Welle in der Referenzschwebungswelle gezählt hat. Jedoch kann er alternativ hierzu derart arbeiten, daß er eine Gesamtzahl von Wellen über die Meßzeit zählt.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Zahl der Wellen in dem Meßschwebungssignal und die Zahl der Wellen im Referenzschwebungssignal direkt bestimmt, um hiervon das Verhältnis zu bilden. Jedoch können die Frequenz des Meßschwebungssignals und die Frequenz des Referenzschwebungssignals ermittelt werden durch eine geeignete Frequenzmeßeinheit, um das Verhältnis beider Frequenzen zu bilden, welches dazu verwendet werden kann, um das Verhältnis zwischen der Anzahl der Wellen im Meßschwebungssignal und der Anzahl der Wellen im Referenzschwebungssignal indirekt abzuleiten. Außerdem ist es im Wege der Durchführung einer zweidimensionalen Ablenkung bzw. Abtastung von in X- und Y-Richtung zu bestimmenden Punkten für die Berechnung der Abstände zu diesen Punkten auch möglich, eine dreidimensionale Konfiguration eines zu ermittelnden Objektes zu bestimmen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Messung des Abstands eines Gegenstandes unter Verwendung eines Laserstrahls mit einem Laserstrahloszillator (1), dessen Oszillatorfrequenz modulierbar ist, und mit einem optischen Meßsystem (15), bei dem der Laserstrahl vom Gegenstand reflektiert wird, wobei einer erster reflektierter Strahl erzeugt wird, und der Laserstrahl von einem in vorbestimmtem Abstand (L 1) angeordneten Standartreflektor (10) reflektiert wird, wobei ein zweiter reflektierter Strahl erzeugt wird, und daß der erste und zweite reflektierte Strahl zur Bildung einer Meßschwebungswelle einander übelagert werden, gekennzeichnet durch ein optisches Referenzsystem (16), bei dem der Laserstrahl von ersten und zweiten, in vorgegebenem gegenseitigem Abstand angeordneten Referenzreflektoren (19, 20) reflektiert wird, um dritte und vierte reflektierte Strahlen zu erzeugen, welche zur Bildung einer Referenzschwebungswelle einander überlagert werden, und durch eine Meßvorrichtung (23) zur Ermittlung der jeweiligen Anzahl von Wellen in der Meßschwebungswelle und in der Referenzschwebungswelle, die in den jeweiligen optischen Systemen (15, 16) erzeugt werden, und zur Bildung eines Verhältniswertes zwischen der Anzahl von Wellen zwecks Berechnung des Abstandes des Gegenstandes auf der Basis dieses Verhältniswertes und der bekannten Abstände der Reflektoren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (23)

• - einen Zähler (32, 33) für ganze Wellen zur Zählung einer ganzzahligen Anzahl von ganzen Wellen in einer zweiten Schwebungswelle, welche zumindest die Meß- oder Referenzschwebungswelle verkörpert.
• - einen Taktgenerator (36) zur Erzeugung eines Taktes mit einer Frequenz, die höher ist als die Frequenz einer ersten Schwebungswelle, welche jeweils die andere der Meß- und Referenzschwebungswellen verkörpert, und
• - einen Taktzähler (37) zum Zählen des vom Taktgenerator (36) erzeugten Taktes

umfaßt, wobei der Zähler (32, 33) für ganze Wellen wirksam wird, wenn er eine vorgegebene Anzahl von ganzen Wellen in der zweiten Schwebungswelle gezählt hat, um einen Zählvorgang durch den Taktzähler (37) zu unterbrechen, und wobei eine Zählung im Taktzähler (37), welche zu einer Zeit erzielt wird, in der sein Zählvorgang unterbrochen wird, relativ zu einer Zählung des Taktzählers, welche einer Periode der ersten Schwebungswelle entspricht, zur Berechnung der Anzahl der Wellen in der ersten Schwebungswelle verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Meßvorrichtung (23) ein Paar von Zählern (32, 33) für ganze Wellen aufweist, von denen jeder die Anzahl von ganzen Wellen in der jeweils zugeordneten Meß- bzw. Referenzschwebungswelle zählt,
• - der Zähler (32) für ganze Wellen, der die Anzahl der ganzen Wellen in der ersten Schwebungswelle zählt, wirksam wird, um den Taktzähler (37) jedesmal dann zurückzusetzen, wenn er eine ganze Welle in der ersten Schwebungswelle zählt,
• - der Taktzähler (37) daraufhin erneut zur Taktzählung startet, wobei eine vorgegebene Anzahl von ganzen Wellen in der zweiten Schwebungswelle, die durch den der zweiten Schwebungswelle zugeordneten Zähler (33) für ganze Wellen gezählt werden, wirksam wird, um einen Zählvorgang durch den Taktzähler (37) zu unterbrechen, und
• - eine Zählung, die durch den der ersten Schwebungswelle zugeordneten Zähler (32) für ganze Wellen bewahrt wird, sowie die Zählung im Taktzähler (37), welche bei Unterbrechung seiner Zählung bewahrt wird, und die Zählung im Taktzähler (37), welche einer Periode der ersten Schwebungswelle entspricht, zur Berechnung der Anzahl von Wellen in der ersten Schwebungswelle verwendet werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator (1) einen Halbleiterlaser umfaßt.