DE3730091A1

DE3730091A1 - Interferometrisches distanzmessgeraet

Info

Publication number: DE3730091A1
Application number: DE19873730091
Authority: DE
Inventors: Andre M J Dipl Phys Dr Huiser
Original assignee: Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1988-10-06
Also published as: DE3730091C2; US4929077A; CH676289A5; JPS6413403A; JP2732849B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Distanzmeßgerät zur Messung absoluter Abstände, gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Es sind Vorrichtungen zur elektrooptischen Entfernungsmessung bekannt, welche einen Sender zur Aussendung von modulierten Lichtbündeln enthalten und einen Empfänger, z. B. am Ort des Senders, in welchem das vom Ziel reflektierte Lichtbündel empfangen und mit dem ausgesendeten Lichtbündel verglichen wird. Das Ergebnis einer entsprechenden Vergleichsoperation zwischen beiden Signalen dient zur Berechnung der Entfernung zwischen dem Sender und dem reflektierenden Ziel. Derartige Verfahren und Vorrichtungen beruhen im allgemeinen auf dem Prinzip der Laufzeitmessung oder des Phasenvergleichs zwischen Sende- und Empfangssignal. Obwohl solche Verfahren und Vorrichtungen in letzter Zeit vielfältig verbessert wurden, um die verschiedenen Fehlereinflüsse, insbesondere Phasenfehler, auszuschalten, ist die Meßgenauigkeit prin zipiell auf typisch einige Zehntel Millimeter begrenzt.

Soll die Meßvorrichtung z. B. für industrielle Anwendungen zur präzisen Vermessung von Maschinen- oder Bauteilen ange wendet werden, ist eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bis in den m-Bereich erforderlich. In diesem Bereich würden sich grundsätzlich Interferenz-Komparatoren anbieten, welche je doch mit für den praktischen Einsatz erheblichen Nachteilen behaftet sind, nämlich mit einer besonders hohen Kohärenz- Anforderung an die Lichtquelle, was ein aufwendiges Bauteil bedingt, einer hohen Stabilität des mechanischen Aufbaus und dem damit verbundenen Aufwand. Ferner weist sie entweder nur die Möglichkeit von Vergleichsmessungen und nicht von Ab solutmessungen bei Verwendung von Ein-Frequenz-Systemen auf, oder es ist eine große Anzahl verschiedener Frequenzen für Absolutmessungen erforderlich. Diese Einschränkungen bedeu ten insgesamt eine dermaßen hohe Forderung an die Bestand teile und den Aufbau eines entsprechenden Meßgerätes, daß die massiven Herstellungskosten dem Einsatz eines derartigen Gerätes z. B. in industriellen Produktionsanlagen, im Wege stehen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Distanzmeßgerät zu schaffen, welches einen möglichst gro ßen Meßbereich überdeckt und trotzdem eine Meßgenauigkeit im Bereich von µm aufweist. Schließlich soll es möglichst handelsübliche und einfache Bauteile verwenden, so daß es sich mit vertretbarem Aufwand herstellen läßt und damit in größerer Zahl, z. B. auch in Produktionsanlagen, eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patent anspruch 1 definierten Merkmale gelöst.

Der entscheidende Vorteil dieser Maßnahmen liegt im be sonders effektiven Einsatz von einfachen und preiswerten Bauteilen und in der Möglichkeit, die Meßgenauigkeit prak tisch beliebig bis in den µm-Bereich hinein zu wählen. Die Meßauswertung kann automatisch unter Einsatz eines Rechners und eines entsprechenden Auswertungsprogramms erfolgen. Das anvisierte Ziel braucht keine besonders hohen Reflexions eigenschaften aufzuweisen, da das Signal-/Rauschverhältnis systembedingt erheblich über demjenigen von bisher bekannten Geräten liegt. Der Meßvorgang läuft sehr schnell ab, so daß das Meßergebnis praktisch unmittelbar, ohne Zeitver zögerung, vorliegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels,

Fig. 2 das Prinzip des Strahlengangs zur Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. 3 den ortsabhängigen Verlauf der Intensitätsverteilung nach Überlagerung von Referenz- und Meßstrahl,

Fig. 4 das Strichmuster der Intensitätsverteilung auf der Oberfläche der Diodenanordnung nach Fig. 1,

Fig. 5 den Strahlengang eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 6 das Beispiel einer Auswerteschaltung für die Detektorsignale.

In Fig. 1 ist schematisch der Strahlengang eines Entfernungs messers auf der Basis eines Interferometers dargestellt. Es ist eine Lichtquelle 1 vorgesehen, für die im vorliegenden Fall eine multi-mode Laserdiode mit zeitlich partiell kohä renter Strahlung verwendet wird. In einem Strahlenteiler 2 wird der von der Lichtquelle 1 kommende Strahl in einen Meßstrahl A und einen Referenzstrahl B aufgeteilt. Der Meßstrahl A wird mit Hilfe eines Objektivs 3 auf ein Ziel 4 fokussiert, von welchem der Strahl reflektiert und durch eine optische Sammellinse 5 geleitet wird. Anschließend wird der zurückkommende Strahl durch ein Gitter 6 auf ein dahinter befindliches p-i-n-Dioden-Array 7 geworfen.

Im Dioden-Array 7 findet eine photoelektrische Abtastung des Bildes auf der Array-Oberfläche statt. Der Referenzstrahl B durchläuft im bevorzugten Beispiel einen einstellbaren Mehr fach-Reflektor 8 und anschließend einen Spiegel 9, um von diesem ebenfalls auf das Gitter 6 und die Photodiodenanord nung 7 geleitet zu werden. Dort wird der Referenzstrahl B dem vom Ziel 4 reflektierten Meßstrahl A′ überlagert. Der Spiegel 9 ist als oszillierender Spiegel ausgebildet, wobei die Oszillationsamplitude im vorliegenden Beispiel größen ordnungsmäßig 1 µm beträgt.

Als Mehrfachreflektor 8 kann eine Mehrfach-Spiegelanordnung oder ein anderer geeigneter Hohlraumresonator, z. B. ergänzt oder eine Glasfaseranordnung, verwendet werden. Alle ver wendeten Bauteile sind einfache und damit preiswerte op tische Elemente.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung das Prinzip der Anordnung nach Fig. 1, anhand derer der Meßvorgang plau sibel gemacht werden soll. Dabei läßt Fig. 2 die Hauptele mente der Anordnung, nämlich die Lichtquelle 1, den Strahl teiler 2, die Referenzstrecke L 1, L 1′ mit dem Spiegel 9 und die Meßstrecke L 2, L 2′ mit dem ebenfalls als Spiegel dar gestellten Ziel 4 erkennen. Die Diodenanordnung 7 mit dem davorliegenden Gitter 6 ist in Fig. 2 durch einen Schirm S dargestellt. Ist L die Weglänge zwischen der Lichtquelle 1 und dem Strahlteiler 2, so setzt sich die Referenzstrecke R 1 aus der Summe der Weglängen L + L 1 + L 1′ zusammen. Die Meß strecke R 2 beträgt R 2 = L + L 2 + L 2′. Treffen sich beide Strahlen im Punkt X auf dem Schirm S, setzt sich das elek trische Feld auf der Schirmoberfläche aus den beiden Teil feldern des Referenzstrahls und des Meßstrahls zusammen. Das resultierende elektrische Feld ist abhängig vom Spektrum der Lichtquelle 1 und von den Längen der Referenzstrecke R 1 bzw. der Meßstrecke R 2.

Die Lichtintensität am Punkt X auf dem Schirm S ist dabei proportional dem mittleren Quadrat des Betrages der Summe der beiden Teilfelder. Dabei hängt die Differenz der Weg längen der Referenzstrecke und der Meßstrecke von der Posi tion X auf dem Schirm S ab.

Unter den vereinfachenden Voraussetzungen, daß

- die Optik die Quelle nicht auflöst,
- der Referenzstrahl und der Meßstrahl durch ebene Wellen darstellbar sind,
- die Polarisationsebene senkrecht zur Zeichenebene steht
- die spektrale Verteilung der von der Quelle emittierten Strahlung/g(w)/², mit w als Kreisfrequenz der Strahlung, näherungsweise symmetrisch um w ₀ ist,

ergibt sich durch an sich bekannte mathematische Überle gungen, daß die Modulationsamplitude oder der Kontrast der auf dem Detektor auftretenden Interferenzstreifen propor tional ist zu

G(R ₁ - R ₂) = ∫ dw/g(w ₀ + w)/² cos[w(R ₁ - R ₂)/c], wobei c die Lichtgeschwindigkeit darstellt. Die genannten Voraussetzungen sind jedoch im allgemeinen nicht wesentlich für das Funktionieren des Gerätes.

Für die Intensitätsverteilung I(X) entlang der X-Achse, die der positionsempfindlichen Richtung der Detektoranordnung entspricht, gilt unter den obigen Voraussetzungen:

I(X) = I _r (X) + I _p (X) + 2 [I _r (X)I _p (X)] ^0,5 G(R ₁ - R ₂) cos[k ₀ (R ₁ - R ₂)]

worin k ₀ die mittlere Wellenzahl des verwendeten Lichts bedeutet und I _r sowie I _p die Intensitätsanteile aus dem Referenz- bzw. Meßstrahl sind.

Fig. 3 zeigt als Beispiel eine derartige von der Position X abhängige Intensitätsverteilung I(X).

Die Hüllkurve G(R ₁ - R ₂) stellt das im vorliegenden Fall verwendete Meßkriterium dar, wobei die Hüllkurve symme trisch um den Punkt X ₁ verteilt ist, für den R ₁ = R ₂ ist.

Fig. 4 zeigt das reale Bild, wie es sich auf dem Schirm S für eine Meßanordnung gemäß Fig. 1 darstellt. Es sind Interferenzbilder in Form von Intensitätsstreifen zu erken nen, wobei das Maximum der Hüllkurve G(R ₁ - R ₂) durch Streifen größten Kontrastes gekennzeichnet ist, welches im Beispiel in der Mitte mit R 1 = R 2 angedeutet ist.

Wird in der Prinzipdarstellung nach Fig. 2 das Ziel 4 be wegt, verschiebt sich auf dem Schirm S auch das Kontrast maximum. Damit läßt sich aus der Position des Kontrast maximums der Intensitätsstreifen auf dem Schirm S auf die Position des Ziels 4 rückschließen. Hierin liegt das Prin zip der Entfernungsmessung durch die Anordnung gemäß Fig. 1. Die Positionsbestimmung des Kontrastmaximums geschieht automatisch durch programmgesteuerte Auswertung der vom Dioden-array gelieferten Signale.

Der Abstand zwischen den einzelnen Intensitätsstreifen auf dem Schirm S hängt ab von der Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle sowie vom Winkel, unter welchem Referenz- und Meßstrahl auf den Schirm S fallen. Der Streifenabstand d stellt sich dar als

d = 2 π/[k ₀(sina - sinb)]

worin a und b die Winkel zwischen der Schirmnormalen und den Fortpflanzungsrichtungen des Meß- und des Referenzstrahls darstellen. Die Werte für d liegen im Mikrometerbereich. Die Breite W der Hüllkurve G(R ₁ - R ₂) ist umgekehrt proportional zu k ₀ und der relativen spektralen Breite der benutzten Lichtquelle. Typische Werte für W sind einige Zehntel Milli meter.

Wird nun erfindungsgemäß der Schirm S nach Fig. 2 durch das Gitter 6 aus Fig. 1 ersetzt, wobei die Gitterkonstante gleich dem Streifenabstand d zu sein hat, und wird außerdem der Spiegel 9 periodisch oszilliert, so ergibt sich hinter dem Gitter, also auf der Diodenanordnung 7, eine Intensi tätsschwankung, welche der Hüllkurve G(R ₁ - R ₂) proportional ist. Dieses wechselnde Intensitätssignal wird von der Dio denanordnung 7 erfaßt und in der nachgeschalteten Auswerte einrichtung 10 vorzugsweise programmgesteuert ausgewertet.

Bei der zuvor beschriebenen Anordnung kann die Bandbreite des Nutzsignals groß werden, wenn sich das Ziel bewegt, was zu einem Empfindlichkeitsverlust führen kann. Diese Er scheinung läßt sich beheben, indem z. B. der Referenzstrahl, wie in Fig. 5A dargestellt, in zwei Teile geteilt wird, die durch frequenzverschiebende Elemente 33, 34 um Beträge Δ f in ihrer Frequenz verschoben werden und auf zwei verschiedene Detektoranordnungen 31 und 32 gelenkt werden. Die Signale der beiden Detektoren 31 und 32 werden gemischt, und vom Mischsignal wird nun nur die Komponente in einem schmalen Frequenzbereich um Δ f gemessen. Die Amplitude dieser Kompo nente ist proportional zum Quadrat der Hüllkurve G(R 1 - R 2) und kann wieder zur Distanzbestimmung verwendet werden. Dieses Detektionsprinzip hat den Vorteil, daß die erforder liche Bandbreite bei Bewegung des Zieles um einen Faktor k W kleiner sein darf.

Insbesondere können durch mindestens einen Strahlteiler Referenz- oder Meßwelle in N Teile geteilt werden und die einzelnen Teilstrahlen verschiedenen Weglängen zugeordnet werden, worauf sie auf der Detektoranordnung derart über lagert werden, daß bei Betrachtung eines Punktes auf dem Detektor der n-te Teil eine Weglänge c + n a durchlaufen hat, falls n kleiner ist als M, und eine Weglänge e + n b, falls n größer oder gleich M ist, wobei M < N und z. B. M a = (N - M) b. Aus der Lage des Kontrastmaximums der Inter ferenzstreifen auf der Detektoranordnung, die bei einer Weg länge c + n a auftritt, kann man die Distanz bis auf ein Vielfaches von a bestimmen. Aus der Lage des Kontrastmaxi mums der Interferenzstreifen auf der Detektoranordnung, die bei einer Weglänge e + n b auftritt, kann man die Distanz bis auf ein Vielfaches von b bestimmen. Beide Informationen zusammen erlauben es jedoch, bei geeigneter Wahl von a und b die Mehrdeutigkeit erheblich zu verringern; bisweilen so stark, daß sie praktisch unbedeutend wird.

Fig. 5B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im Strahlengang des Referenzstrahls ein optisches Gitter 21 zur Variation der optischen Weglänge und/oder der Wellenlänge angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann der Abstand zwischen den Interferenzstreifen vergrößert werden, ohne den vom Detektor erfaßten Wegdifferenzbereich einzuschränken. Dies hat den Vorteil, daß herkömmliche Detektor-arrays die Interferenzstreifen ohne weiteres auflösen können. Insbeson dere bei zeitlich veränderlichem Zielabstand ist die Ver wendung einer Impulslichtquelle 1 besonders vorteilhaft.

Zur automatisierten Auswertung der vom Dioden-array 7 ge lieferten Signale enthält die Signalverarbeitungsvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 einen Si gnalverstärker 21, eine Sample- und Hold-Schaltung 22 und einen nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler 26, dessen Ausgang auf einen Rechner 32 geführt ist. Der Rechner ver gleicht die vom Analog/Digital-Wandler erhaltenen Werte mit den in einem Referenzspeicher 24 abgespeicherten Werten und bringt das Ergebnis auf einer Anzeigevorrichtung 25 zur Dar stellung oder gibt die Werte zur Weiterverarbeitung aus.

Aus verschiedenen anwendungsbezogenen Überlegungen und aus Versuchen haben sich folgende bevorzugte Werte für prak tische Ausführungsbeispiele als vorteilhaft erwiesen:

Bei einer in X-Richtung gemessenen wirksamen Schirmbreite des Detektors 7 von h = 50 mm und einer Wellenlänge des verwendeten Lichts von 900 nm sowie einer Spektralbreite der Lichtquelle von 5 nm ergab sich eine Breite W der Hüllkurve G nach Fig. 3 zu W = 200 µm. Bei einer typischen Meßdistanz von 10 m, einer Strahlungsleistung der Lichtquelle von 200 µW, einer Meßperiode von T = 1 ms sowie bei einem diffus streuenden Ziel, z. B. mit einem Reflexionsfaktor von 0,25, ergab sich ein S/N-Verhältnis von 120. Unter diesen Voraussetzungen beträgt bei T = 2 µs die Auflösung sigma = 0,1 mm. Bei T = 2 ms liegt die Auflösung eindeutig im Bereich der interferometrischen Genauigkeit, ohne daß dabei irgend eine Änderung an der Meßvorrichtung vorzunehmen wäre.

Die zuletzt erwähnte Flexibilität bezüglich der Meßgenauig keit stellt einen entscheidenden Vorteil bei der praktischen Verwendung des Gerätes dar. Es sind Grobmessungen und in direktem Wechsel Messungen mit höchster Genauigkeit inner halb kürzester Zeit zu realisieren, ohne daß irgendwelche Änderungen oder Umstellungen an der Meßeinrichtung vorge nommen werden müssen.

Claims

1. Distanzmeßgerät zur Messung absoluter Distanzen, wobei eine von einer zeitlich partiell kohärenten Quelle erzeugte elektromagnetische Welle mit Hilfe eines Strahlteilers in einen Referenzstrahl (B), der eine Referenzstrecke durch läuft, und einen Prüfstrahl (A), der auf einen Prüfling (4) fokussierbar ist, geteilt wird und wobei die vom Prüfling reflektierte Strahlung (A′) mit dem Referenzstrahl (B) zur Interferenz gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine positionsempfindliche Detektoreinrichtung (7) vorgesehen ist, auf welcher Prüf- und Referenzstrahl über mindestens einen Bereich von Wegunterschieden zwischen Prüf- und Refe renzwelle einander überlagert werden, so daß aus der Inten sitätsverteilung auf der Detektorvorrichtung unmittelbar die Kohärenz der beiden Wellen bestimmbar ist, und daß an die Detektorvorrichtung Signalverarbeitungseinrichtungen (10) angeschlossen sind zur programmgesteuerten Auswertung der Intensitätsverteilung und zur Ableitung einer Information über die Distanz des Prüflings.

2. Distanzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenz- und/oder im Meßstrahlengang Mittel (8) zur Veränderung der optischen Weglänge vorgesehen sind.

3. Distanzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine impulsbetriebene Lichtquelle (1) zur Erzeugung von Prüf- und Referenzstrahl (A, B) vorgesehen ist.

4. Distanzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektoreinrichtung (7) ein optisches Gitter (6) mit einem Gitterabstand vorgeschaltet ist, welcher wenig stens näherungsweise dem Abstand der Interferenzstreifen auf der Detektoreinrichtung entspricht, und daß Mittel (9) zur zeitlichen Variation der relativen Lage zwischen Gitter und Interferenzstreifen vorgesehen sind, wobei das dadurch ent stehende zeitlich variierende Moir´-Muster auf die Detektor einrichtung projiziert wird.

5. Distanzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der beiden Strahlengänge (A, B) ein optisches Element (21) zur Variation der optischen Weglänge und/oder der Wellenlänge angeordnet ist.

6. Distanzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang mindestens ein Frequenzschieber zur Verschiebung des Frequenzverhältnisses zwischen Prüf- und Referenzwelle angeordnet ist.

7. Distanzmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl geteilt wird und beide Teilstrahlen mit Hilfe mindestens eines Frequenzschiebers bezüglich der Re ferenzwelle verschoben werden und ohne gegenseitige Weg unterschiede auf die Detektoranordnung geleitet werden, daß die verschiedenen Frequenzkomponenten der Detektorsignale mit Hilfe eines nichtlinearen Elementes gemischt werden, und daß von den Mischsignalen eine Komponente innerhalb eines schmalen Frequenzbandes um die Differenzfrequenz der beiden Teilstrahlen gemessen wird.

8. Distanzmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler vorgesehen ist, mit dessen Hilfe Referenz- und Meßstrahl in N Teile, numeriert von 1 bis N geteilt werden, daß mit Hilfe eines Frequenzschiebers für alle i = 1, . . ., N Teile eine Frequenzverschiebung f(i) der i- ten Teilreferenzwelle gegenüber der i-ten Teilmeßwelle er zeugt wird, so daß f(i) ungleich f(j) ist, falls i nicht gleich j ist, daß die Signale der i-ten Teilreferenzwelle und der i-ten Teilmeßwelle auf der i-ten Detektorzelle einer N-fachen positionsempfindlichen Detektoranordnung überlagert werden und daß die Signale der i-ten mit denen der j-ten Detektorzelle gemischt werden, worauf vom Misch signal die Signalkomponente in einem schmalen Frequenzband um die Differenzfrequenz f(i) - f(j) gemessen wird, um aus dem Ergebnis die Kohärenz zu bestimmen.

9. Distanzmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strahlteiler vorgesehen ist, mit dessen Hilfe Referenz- oder Meßwelle in N Teile teilbar sind, daß die einzelnen Teilstrahlen verschiedenen Weglängen zugeord net sind, worauf sie auf der Detektoranordnung derart über lagert werden, daß bei Betrachtung eines Punktes auf dem Detektor der n-te Teil eine Weglänge c + n a durchlaufen hat, falls n kleiner ist als M, und eine Weglänge d + n b, falls n größer oder gleich M ist.