DE4400680A1 - Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts unter Verwendung des Self- Mixing Interferenzverfahrens.

Allgemein basieren Vorrichtungen zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekt auf dem Prinzip des Michelson- Interferometers, bei dem ein Referenzstrahl und ein von dem Objekt reflektierter Strahl auf einer Auswerteeinheit zur Interferenz gebracht werden. Auch das im folgenden noch näher beschriebene Self-Mixing Interferenzverfahren zur Bestimmung von Abstandsänderungen basiert im wesentlichen auf der Auswertung von Signaländerungen, die die gleiche Form wie klassische Interferenzerscheinungen aufweisen. Insbesondere können mit derartigen Vorrichtungen Abstandsänderungen ermittelt werden.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Fig. 6 zunächst ein konventionelles Interferometer zur Abstandsänderungsmessung beschrieben werden, welches auf dem Michelson-Interferometer basiert. Ein derartiges herkömmliches Interferometer ist beispielsweise aus Jackson, D.A., "Monomode fibre optic interferometer and their application in sensing system in Optical Fiber Sensors" von A.N. Chester, S. Martillecci und A.M. Verga Scheggi in Martinus Nÿhoff, Seiten 1-33, 1987 bekannt. Das Interferometer CI umfaßt eine Ansteuerelektronik D, eine Laserdiode LD, einen Isolator I, einen Strahlteiler BS, einen Spiegel M, einen Fotodetektor P und eine Auswerteeinheit AE. Das von der Laserdiode LD ausgesandte Laserlicht wird über den Strahlteiler BS in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, wobei der eine Teilstrahl von dem Spiegel M, der fest steht, auf den Strahlteiler BS reflektiert wird. Der zweite Teilstrahl wird von einer optischen Fläche an einem in einem Abstand d (d₁, d₂) vom Strahlteiler BS angeordneten Objekt T reflektiert. Die beiden Teil strahlen interferieren somit am Strahlteiler BS und die resultierende Strahlung wird an der Auswerteeinheit AE unter Verwendung des Fotodetektors P nachgewiesen.

Unter der Annahme einer monochromatischen Laserdiode, deren Energiespektrum in Fig. 7a) dargestellt ist, ergibt sich an dem Fotodetektor P der in Fig. 7b) dargestellte normierte Intensitätsverlauf. Der Abstand zwischen zwei Maxima in Fig. 7b) beträgt jeweils eine Wellenlänge λ des von der Laserdiode LD ausgesandten Laserlichts. Wenn also eine Abstandsänderung von d₁ nach d₂ des Objekts T auftritt, so wie dies in Fig. 6 schematisch angedeutet ist, kann durch Zählen der Nulldurchgänge unter Bezugnahme auf die Wellenlänge λ des ausgesandten Lichtes die Abstandsänderung des Objekts T auf Grundlage der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Δd = d₁ - d₂ = n × λ/2 (1)

wobei n die Anzahl der am Fotodetektor P bei der Abstandsänderung gezählten Nulldurchgänge ist. Somit kann also durch Auswertung des Intensitätsverlaufs gemäß Fig. 7b) die Abstandsänderung und (wenn zusätzlich die Zeit gemessen wird) die Geschwindigkeit bestimmt werden. Die Auswertung des Intensitätsverlauf erfordert in der Regel zwei oder vier Abtastungspunkte pro Wellenlänge (Maxima, Minima, größte positive und negative Steigung), so daß die Meßauflösung λ/4 beträgt.

Ein wesentlicher Nachteil dieses herkömmlichen Interferometers CI, so wie es in Fig. 6 dargestellt ist, liegt jedoch darin, daß die Kohärenzlänge der Laserdiode LD (d. h. die Länge für die eine Phasenbeziehung zwischen den beiden Teil strahlen des Laserstrahls vorhanden ist) die maximale Entfernung begrenzt, in der Abstandsänderungen ausgewertet werden können. Die Kohärenzlänge des Lasers stellt nämlich die maximale Entfernung für eine mögliche Interferenz der beiden Teilstrahlen dar, da die Phasenbeziehung nicht über beliebige Entfernungen aufrechterhalten werden kann. Die Kohärenzlänge einer Laserdiode ist ganz allgemein definiert als

l = 1/λ (2)

wobei δ [gemessen in Wellenzahlen 1/cm] die spektrale Malbwertbreite der von der Laserdiode LD ausgesandten Laserstrahlung ist. Dies hat bei der praktischen Anwendung zur Folge, daß möglichst schmalbandige (d. h. single-mode) Laserdioden eingesetzt werden müssen, um die Messung bei großen Entfernungen zu ermöglichen. Selbst single-mode Laserdioden besitzen jedoch eine nicht beliebig schmale Halbwertsbreite und somit ist die Entfernung, an der Abstandsänderungen bestimmt werden können, begrenzt. Außerdem sind single-mode Laserdioden (mit schmaler Halbwertsbreite) sehr viel teurer als multi-mode Laserdioden (um einen Faktor von 10-100) und somit wird die Meßvorrichtung für große Entfernungen relativ kostenaufwendig.

Ein anderes Verfahren zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts T, welches das oben bereits erwähnte Self-Mixing Interferenzverfahren (im folgenden als SMI-Verfahren bezeichnet) verwendet, ist beispielsweise in De Groot, P.J., "Ranging and velocimetry signal generation in a backscatter­ modulated laser diode", App. Optics 27, Seiten 4475-4480, 1988, Koelink, M.K., Slot, M., de Muel, F.F.M., Greve, J., Graaff R., Dassel, A.C.M., Aarnoudse, J.G. "Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fibre-coupled semiconductor laser: Theory", Appl. Opt. 31, Seiten 3401- 3408, 1992 beschrieben und in Fig. 1 dargestellt. Dieses SMI- Verfahren kann unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erklärt werden. Das SMI-Verfahren bestimmt eine Abstandsänderung (d₁ → d₂ = Δd) durch Auswertung von Signalen, die die gleiche Form wie die klassische Interferenz aufweist. In Fig. 1 umfaßt die Lasereinheit SMI wiederum eine Ansteuerelektronik A/D mit einer Laserdiode LDP, die ein Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge λ₁ auf eine Fläche des Objekts T strahlt. Das von der Fläche durch Reflexion oder Streuung in die Lasereinheit SMI zurückgekoppelte Licht führt in der Lasercavity der Laserdiode LDP zu verschiedenen Effekten, wie Änderung im Laserspektrum bzw. Änderung der Ausgangsamplitude. Während in üblichen Laseranwendungen diese Rückkopplung durch geeignete Maßnahmen (beispielsweise Filter) und Bauteile unterdrückt wird, wird bei dem SMI-Verfahren der Effekt der Rückkopplung bewußt zur Messung der Abstandsänderung verwendet, da die Veränderungen des Laserspektrums Aussagen über verschiedenen physikalische Größen wie Abstandsänderungen des Objekts T aufweisen. Der von der Laserdiode LDP ausgesandte Strahl wird also vom Objekt T in die Lasercavity zurückgekoppelt und erzeugt damit in der Lasercavity Interferenzerscheinungen, die am "hinteren" Ausgang der Lasercavity mit einer Auswerteeinheit in Form einer Fotodiode detektiert werden können.

An der Fotodiode P werden also Wechselwirkungen ausgewertet, die die Form von klassischen Interferenzerscheinungen aufweisen. Diese Wechselwirkungen sind in De Groot, P.J., "Ranging and velocimetry signal generation in a backscatter­ modulated laser diode", App. Optics 27, Seiten 4475-4480, 1988, Koelink, M.K., Slot, M., de Muel, F.F.M., Greve, J., Graaff R., Dassel, A.C.M., Aarnoudse, J.G. "Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fibre-coupled semiconductor laser: Theory", Appl. Opt. 31, Seiten 3401- 3408, 1992 eingehend beschrieben.

Bei der Laserdiode LDP kann es sich um eine mono-mode oder multi-mode Laserdiode handeln, wobei das Ausgangssignal des Fotodetektors im Prinzip den gleichen Verlauf wie in Fig. 7b) zeigt, wie dies in Fig. 2 angezeigt ist. D.h. insbesondere ist die maximale Entfernung, bei der Abstandsänderungen vorgenommen werden können durch die Kohärenzlänge der single-mode Laserdiode beschränkt. Dies bedeutet jedoch, daß für eine bestimmte Laserdiode LDP nur ein bestimmter Meßbereich (z. B. entlang der meßbaren Abstände) vorhanden ist.

Wie in Fig. 2 angedeutet, bestimmt die Kohärenzlänge δ der Laserdiode LDP die Einhüllende des Meßbereichs, in dem Abstandsänderungen erfaßt werden können. Gemäß Gleichung (2) ist dieser Meßbereich also sehr schmal, wenn die Entfernung zum Objekt T sehr groß ist. Wie bei dem unter Fig. 1 erwähnten Interferometer muß auch bei dem SMI-Verfahren deshalb eine single-mode Laserdiode mit möglichst schmaler Halbwertsbreite verwendet werden. Da die Halbwertsbreite jedoch nicht beliebig klein gemacht werden kann, besteht auch bei dem herkömmlichen SMI-Verfahren der Nachteil der Entfernungsbeschränkung und die hohen Kosten für eine hohe erreichbare Genauigkeit.

Außerdem ergeben sich, wie auch Fig. 3 zeigt, nur eine Anzahl von diskreten Meßbereichen, in denen (bei gegebener Halbwertsbreite der Laserdiode LD) Abstandsmessungen durch Auswertungen der Interferenz-ähnlichen Wechselwirkungen möglich sind. In Fig. 3 existieren also bei fest vorgegebener single­ mode Laserdiode eine Anzahl von Meßbereichen, wobei lediglich in den Meßbereichen ein Auswertung der Interferenzerscheinungen gemäß Fig. 2, 7b) möglich ist.

Der Hauptnachteil des eingangs beschriebenen Interferometers, und des SMI-Meßaufbaus, liegt also darin, daß ein fest definierter Zusammenhang zwischen der Kohärenzlänge der Laserdiode LDP und der maximalen Entfernung zum Objekt T, in der Abstandsänderungen gemessen werden können, besteht.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht somit darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts unter Verwendung des SMI- Verfahrens vorzusehen, bei der die maximale Meßentfernung und die Meßbereiche nicht durch die Kohärenzlänge der Laserdiode beschränkt sind.

Gelöst wird dieses technische Problem durch eine Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts unter Verwendung des SMI-Verfahrens, welche die folgenden Merkmale umfaßt:

• a) eine Lasereinheit zur Aussendung eines Laserlichts auf das Objekt und zum Empfang des vom Objekt in die Lasereinheit reflektierten bzw. gestreuten Laserlichtes, wobei durch charakteristische Parameter der Lasereinheit eine Vielzahl von periodisch auftretenden Abstands-Meßbereichen der Vorrichtung für eine Messung von Abstandsänderungen definiert sind;
• b) eine Auswerteeinheit zur Bestimmung von Abstandsänderungen des Objektes in den einzelnen Meßbereichen durch Auswertung von Wechselwirkungserscheinungen des ausgesandten Laserlichtes mit dem in die Lasereinheit reflektierten Laserlicht; und
• c) eine Einrichtung zur Einstellung der Einhüllenden und der Periodizität der Vielzahl der Meßbereiche zueinander im Wege einer Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschränkt die Kohärenzlänge den Meßbereich, in dem Abstandsänderungen detektiert werden sollen nicht, da eine Einrichtung vorhanden ist, die die Meßbereiche, so wie sie in Fig. 3 diskret dargestellt sind, selektiv beeinflussen kann, nämlich im Wege der Einstellung von charakteristischen Parametern der Lasereinheit. Da die Einrichtung die Einhüllenden und die Periodizität der Vielzahl der Meßbereiche zueinander einstellt, können beliebige Meßbereiche unabhängig von der Kohärenzlänge der Laserdiode eingestellt werden.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt also darin, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die die charakteristischen Parameter der Laserdiode (geometrische Abmessungen, Treiberstrom usw.) einstellt, so daß die Meßbereiche nicht mehr auf die diskreten Meßbereiche, wie in Fig. 3 dargestellt, beschränkt sind. Somit wird durch Ausnutzung des SMI-Verfahrens mit einer Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit der Zusammenhang zwischen Kohärenzlänge der Laserdiode und der maximalen Entfernung zur Abstandsänderungsmessung aufgehoben. Dies bringt in der Praxis einen wesentlichen Vorteil mit sich, da der gewünschte Meßbereich nicht mehr von der Halbwertsbreite der Laserdiode abhängt und außerdem multi-mode Laserdioden verwendet werden können, die viel billiger sind als single-mode Laserdioden. Somit kann die Lasereinheit in vorteilhafter Weise eine Monomode-Laserdiode oder eine Multimode-Laserdiode umfassen.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die Einrichtung zur Einstellung der charakteristischen Parameter so auszuführen, daß die Einhüllenden der einzelnen Meßbereiche ineinander übergehen und einen einzigen kontinuierlichen Meßbereich bilden.

In vorteilhafter Weise können die charakteristischen Parameter der Lasereinheit die effektive Länge der Lasercavity und die spektrale Halbwertsbreite der Laserdiode umfassen, wobei die Einrichtung zur Einstellung der Periodenlänge der Meßbereiche die effektive Lasercavitylänge beeinflußt und zur Einstellung der Einhüllenden der Meßbereiche die spektrale Halbwertsbreite der Laserdiode einstellt, beispielsweise über den Treiberstrom der Laserdiode. Die Einrichtung zur Einstellung der Einhüllenden und Periodenlänge der Meßbereiche kann auch die Wahl der Lasercavitylänge und der spektralen Halbwertsbreite durch Auswahl der geometrischen Abmessungen der Laserdiode umfassen.

Außerdem ist es vorteilhaft, die Lasercavitylänge durch eine elektro-optische Einrichtung zu beeinflussen, die den Brechungsindex der Lasercavity beeinflußt.

Die Wechselwirkungserscheinungen, die von der Auswerteeinheit ausgewertet werden, können die Form von klassischen Interferenzerscheinungen aufweisen. Die Auswerteeinheit bestimmt dabei in vorteilhafter Weise die Abstandsänderungen des Objekts durch Auswertung der Nulldurchgänge des Interferenz-Intensitätsverlaufs.

In vorteilhafter Weise kann die Lasereinheit weiter umfassen:

• a) eine erste Laserdiode mit einer daran angebrachten ersten Photodiode zur Aussendung einer Strahlung einer ersten Wellenlänge;
• b) eine zweite Laserdiode mit einer daran angebrachten zweiten Photodiode zur Aussendung einer Strahlung einer zweiten Wellenlänge;
• c) eine Strahlteilereinheit zur Kopplung der beiden Strahlungen auf einen gemeinsamen optischen Ausgang, der die gemeinsame Strahlung auf einen Meßort richtet und die vom Meßort reflektierte bzw. gestreute Strahlung in die jeweilige Laserdiode zurückkoppelt; und
• d) wobei die ersten und zweiten Wellenlängen so voneinander unterschiedlich eingestellt sind, daß bei gleichem Meßort eine Phasenverschiebung der beiden Laserintensitätssignale an den Photodioden auftritt.

Mit den beiden Laserdioden mit ihren voneinander unterschiedlich eingestellten Wellenlängen wird in vorteilhafter Weise ein Phasenverschiebung der beiden Laserintensitätssignale auf den beiden Fotodioden auftreten und somit ist es möglich, die Bewegungsrichtung sowie Diskontinuitäten in der Oberfläche einer Schichtstruktur zu detektieren. Die maximalen meßbaren Abstandsänderung des Meßortes sind dabei folgendermaßen definiert:

H = (λ₁ × λ₂)/(8 × (λ₁-λ₂)) (3)

wobei λ₁, λ₂ die Emissionswellenlängen der beiden Laserdioden sind.

Für die Strahlteilereinheit kann in vorteilhafter Weise ein Stahlteiler oder ein faseroptischer Koppler verwendet werden.

Es ist ferner vorteilhaft, in der Lasereinheit eine Vielzahl von Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen vorzusehen, die mittels der Stahlteilereinheit auf den Meßort gekoppelt werden, so daß unterschiedliche Diskontinuitäten und Bewegungsrichtungen gleichzeitig auf Grundlage der oben angegebenen Gleichung (3) ausgewertet werden können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Lasereinheit SMI, die in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen verwendet wird;

Fig. 2 den Verlauf der normierten Interferenzintensität über dem optischen Wegunterschied, die am Ausgang der Laserdiode LDP in Fig. 1 mittels einer Fotodetektoreinheit gemessen wird;

Fig. 3 den Sichtbarkeitsverlauf der SMI-Lasereinheit in Fig. 1;

Fig. 4 zwei Meßbereiche M₁, M₂ des Sichtbarkeitsverlaufs in Fig. 3, wobei

• a) die Einhüllenden der beiden Meßbereiche M₁, M₂ so eingestellt sind, daß zwei diskrete Meßbereiche erzielt werden;
• b) die zwei Meßbereiche aneinander angrenzen; und
• c) ein durchgehender kontinuierlicher Meßbereich über einen weiten optischen Abstandsmeßbereich erzielt wird;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 6 ein herkömmliches Interferometer zur Messung von Abstandsänderungen eines Objekts; und

Fig. 7 das Energiespektrum der Laserdiode LD in Fig. 6 sowie der an der Fotodetektoreinheit P in Fig. 6 gemessenen normierten Intensität über dem optischen Wegunterschied.

Im folgenden wird die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 1-5 erläutert, in denen die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Teile wie in Fig. 6 darstellen.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Wie bereits eingangs beschrieben, werden Abstandsänderungen mit einer derartigen SMI-Lasereinheit durch Auswertung der Wechselwirkungserscheinungen am hinteren Ausgang der Laserdiode LDP ermittelt. Insbesondere zeigt Fig. 1 eine Einrichtung AE, A/D (mit einem Analog/Digital-Wandler A/D) zur Einstellung von charakteristischen Parametern der Lasereinheit SMI. Die SMI-Effekte sind bereits in der oben genannten De Groot, P.J., "Ranging and velocimetry signal generation in a backscatter-modulated laser diode", App. Optics 27, Seiten 4475-4480, 1988, Koelink, M.K., Slot, M., de Muel, F.F.M., Greve, J., Graaff R., Dassel, A.C.M., Aarnoudse, J.G. "Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fibre-coupled semiconductor laser: Theory", Appl. Opt. 31, Seiten 3401-3408, 1992 beschrieben.

Die SMI-Effekte, die bekannt sind, zeigen ein periodisches Verhalten, das durch die sogenannte Sichtbarkeitsfunktion, wie in Fig. 3 dargestellt ist, beschrieben wird. Dies bedeutet, daß in bestimmten Abstands-Meßbereichen ein SMI-Effekt beobachtet wird und in anderen nicht. Die Wiederholungen der SMI- Meßbereiche läßt sich auch experimentell bestätigen (siehe Wang, W.M., Bogler, J.O., Grattan, K.T.V. und Palmer, A.W., "Self-mixing interference in a diode laser: experimental observations and theoretical analysis", Appl. Opt. 32, Seiten 1551-1558, 1993).

Ein bisher nicht bekannter Zusammenhang existiert jedoch in der Sichtbarkeitsfunktion, so wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Folgende Zusammenhänge lassen sich nämlich nachweisen:

• - der Abstand zweier Maxima, d. h. die Periodenlänge zwischen zwei kohärenten Meßbereichen ist gleich der effektiven Lasercavitylänge n × d; und
• - die Meßbereiche mit positiven Ausgangssignal werden durch die Einhüllende des Laserspektrums (Monomode oder Multimode) bestimmt; diese Einhüllende entspricht der spektralen Halbwertsbreite bei einer single-mode Laserdiode.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Vorrichtung, bei dem lediglich eine Änderung von charakteristischen Parametern der Lasereinheit SMI vorgenommen wird, so daß bei gleichbleibender effektiver Laser-Cavitylänge die Einhüllenden der beiden Meßbereiche M₁, M₂ so geändert werden, daß von zwei diskreten Meßbereichen (Fig. a)) ein angrenzender Bereich (Fig. b)) und ein kontinuierlicher Meßbereich (Fig. c)) eingestellt wird. Dies bedeutet, daß durch eine Einstellung der Halbwertsbreite der Laserdiode LDP beispielsweise durch ihren Treiberstrom oder ihre geometrischen Abmessungen die Breite der einzelnen Meßbereiche eingestellt werden können. Somit wird die maximale Entfernung, in der Abstandsänderungen des Objekts T detektiert werden können, nicht mehr durch die Kohärenzlänge der Laserdiodeneinheit beschränkt.

Daraus folgt außerdem, daß bei geeigneter Wahl der Diode die Einhüllende des kohärenten Meßbereichs und der Abstand der Meßbereiche (d. h. die Periodenlänge davon) so ausgelegt werden können, daß eine kontinuierliche Messung des Abstands über beliebige Abstände (siehe Fig. 4c) erfolgen kann. Es ist somit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung unerheblich, ob die Lasereinheit eine Monomode-Laserdiode oder eine Multimode- Laserdiode umfaßt.

Die charakteristischen Parameter der Lasereinheit SMI beeinflussen die effektive Lasercavitylänge und somit die Periodenlänge der gewünschten Meßbereiche, und die spektrale Halbwertsbreite der Laserdiode LDP, die über den Treiberstrom eingestellt werden kann, beeinflußt die Einhüllende der einzelnen Meßbereiche.

Somit ist der Zusammenhang zwischen Kohärenzlänge der Laserdiode und der maximalen Entfernung aufgehoben, die bei den eingangs erwähnten Interferometern einen wesentlichen Nachteil darstellten. Die effektive Lasercavitylänge n × d ist durch die Auswahl der Laserdiode LDP bzw. durch deren geometrischen Abmessungen einstellbar. Außerdem kann die Einrichtung zur Einstellung der effektiven Lasercavitylänge eine elektro­ optische Einrichtung umfassen, die den Brechungsindex n der Lasercavity und somit die effektive Lasercavitylänge und dadurch die Periodenlänge der gewünschten Meßbereiche beeinflußt.

Durch geeignete Wahl der effektiven Lasercavitylänge n × d und δ können mit einer relative breitbandigen Laserdiode ein kontinuierlicher Sichtbarkeitsverlauf, d. h. ein kontinuierlicher Meßbereich erzeugt werden. Damit können mit hoher Auflösung große Abstandsänderungen gemessen werden, die weit über die Möglichkeiten von single-mode Laserdioden hinausgehen. Die SMI-Lasereinheiten mit angepaßter Sichtbarkeitsfunktion sind also bei großer Leistungsfähigkeit wesentlich billiger als die herkömmlichen Interferometer, die oben beschrieben wurden.

Für andere Anwendungen kann der empfindliche Bereich zur Abstandsänderungsdetektion sehr schmal (0,05-0,2 mm) gemacht werden (indem die charakteristischen Parameter der Lasereinheit entsprechend eingestellt werden) und gleichzeitig kann der unempfindliche Bereich an eine gewünschte Meßbereichsbreite angepaßt werden. Gleichzeitig kann der Meßbereich durch die Einstellung der charakteristischen Parameter (d. h. die Einhüllende und die Periodenlänge der Meßbereiche) sehr genau definiert werden. Bei geeigneter Wahl der effektiven Lasercavitylänge und der Halbwertsbreite der Laserdiode kann somit der SMI-Effekt auch so eingestellt werden, daß die Entfernung des empfindlichen Bereichs vom Ausgang der Laserdiode (bzw. einer damit gekoppelten optischen Faser zur Messung) groß ist, beispielsweise 0,5-1 mm, und der Meßbereich selbst sehr schmal ist, beispielsweise 0,05-0,2 mm.

Zur Bestimmung der Abstandsänderung des Objektes wertet die Auswerteeinheit AE die Wechselwirkungserscheinungen aus, die die Form von klassischen Interferenzerscheinungen besitzen. Die Abstandsänderung wird dabei in dem jeweiligen Meßbereich beispielsweise durch Zählung der Nulldurchgänge des normierten Intensitätsverlaufs gemäß Fig. 7b) bestimmt. Im Wege der Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit werden dabei die Meßbereiche, d. h. deren Einhüllenden und deren Periodenlänge entweder selektiv oder kontinuierlich zur Messung der Abstandsänderungen eingestellt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung zur Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit so ausgeführt, daß die effektive Lasercavitylänge n × d und/oder die spektrale Halbwertsbreite δ der Lasereinheit SMI so beeinflußt wird, daß Meßbereiche in gewünschten Abstandsbereichen zu liegen kommen oder daß ein kontinuierlicher Meßbereich geschaffen wird. Da die Einrichtung zur Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit SMI die Einhüllenden bzw. die Periodizität der einzelnen Meßbereiche beeinflussen kann, wird somit die Beschränkung zwischen dem maximalen Abstand und der Kohärenzlänge der Laserdiode aufgehoben. Die Einrichtung stellt also die charakteristischen Parameter der Lasereinheit optimal auf den gewünschten Meßbereich ein.

Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich gegenüber den oben erwähnten konventionellen interferometrischen Vorrichtungen durch folgende Vorteile aus:

• 1. Das Meßprinzip erlaubt die Messung von Abstandsänderungen und es wird nicht wie beim konventionellen Interferometer der optische Gangunterschied bestimmt;
• 2. die Vorrichtung erlaubt die Messung über große Abstände mit sehr hoher Genauigkeit; bei konventionellen Interferometern wird in Gegensatz dazu die maximale Meßentfernung durch die Kohärenzlänge des Lasers vorgegeben;
• 3. die Targetfläche des Objekts T für die Rückreflexion muß keine optische Qualität aufweisen;
• 4. die Vorrichtung ist gegenüber Streulicht unempfindlich und weist ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Daraus resultiert eine höhere Genauigkeit für die Messung von Abstandsänderungen als bei konventionellen interferometrischen Meßmethoden;
• 5. die Vorrichtung kann an eine optische Faser angekoppelt werden, so daß der Laserstrahl über große Abstände in die Nähe des Meßobjekts geführt werden kann;
• 6. die Vorrichtung benötigt keine Justierung und ist somit klein und leicht; und
• 7. die Vorrichtung kann kostengünstiger als konventionelle interferometrische Abstandsbestimmungsvorrichtungen realisiert werden, da keine single-mode Laserdioden mit sehr schmaler Halbwertsbreite verwendet werden müssen.

Fig. 5 stellt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen dar. Zwei Laserdioden LDP₁, LDP₂ in zwei Lasereinheiten SMI₁, SMI₂ senden zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ λ₂ aus, die mittels eines Strahlteilers BS auf das Objekt T zur Abstandsänderungsmessung unter Verwendung des SMI -Verfahrens gestrahlt werden. Die von dem Objekt T reflektierten Wellenlängen werden wellenlängenselektiv in die jeweiligen Lasercavities der Laserdioden LDP₁, LDP₂ zurückreflektiert, wo sie mittels daran angebrachten ersten und zweiten Fotodioden unter Zuhilfenahme der Auswerteeinheit AE detektiert werden. Wie in Fig. 1 arbeitet die Auswerteeinheit AE zur Auswertung der Wechselwirkungserscheinungen der jeweiligen ausgesendeten und reflektierten Teilstrahlen. Bei dieser Konfiguration werden die Ausgangssignale der beiden Laserdioden entweder über einen Strahlteiler oder einen faseroptischen Koppler auf einen gemeinsamen optischen Ausgang gegeben. Die Ausgangswellenlängen sind etwas voneinander unterschiedlich, so daß bei gleichem Meßort eine Phasenverschiebung der beiden Laserintensitäts­ signale auf den Fotodioden auftreten. Die maximalen Höhenunterschiede H, beispielsweise in der Oberfläche des Objektes T, die so gemessen werden können, betragen:

H = (λ₁ × λ₂)/(8 × (λ₁-λ₂)) (4)

wobei λ₁, λ₂ die Emissionswellenlängen der beiden Laserdioden LDP₁, LDP₂ sind.

Folgende Messungen sind mit der zweiten Ausführungsform möglich:

• - Messung der Bewegungsrichtung;
• - Messung von Diskontinuitäten in der Oberflächenstruktur des Objekts T über die Phaseninformation.

Auch bei einer derartigen Ausführungsform ist die Einrichtung zur Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit vorgesehen, um die Meßbereiche der beiden Lasereinheiten SMI₁, SMI₂ selektiv einzustellen, d. h. deren Einhüllenden und die Periodizität der Vielzahl der Meßbereiche.

Bei einem Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen eines Objekts unter Verwendung des Self-Mixing Interferenzverfahrens ordnet der Benutzer also eine Lasereinheit SMI so an, wie in Fig. 1 oder 5 gezeigt, d. h. das von dem Objekt T reflektierte Licht wird in die Lasercavity der Laserdiode LDP zurückreflektiert und eine Fotodetektoreinheit wird an dem Ausgang der Lasercavity angeordnet, um die Interferenzerscheinungen, d. h. die Nulldurchgänge bei Änderung des Abstands des Objekts T auszuwerten. Der Benutzer ordnet das Objekt T in einem gewünschten Meßabstand d₁, d₂ an und stellt danach die charakteristischen Parameter der Lasereinheit SMI, z. B. den Treiberstrom der Laserdiode LDP, so ein, daß der Meßbereich M₁, M₂ in Fig. 4 so eingestellt werden, daß selektiv einer der beiden Meßbereiche M₁, M₂ an dem Entfernungsbereich zu liegen kommt, in dem Abstandsänderungen des Objektes T auftreten. Der Benutzer stellt danach die Breite und Selektivität der Meßbereiche M₁, M₂ über die Einhüllende (d. h. die Kohärenzlänge bzw. Halbwertsbreite der Laserdiode) sowie die Periodenlänge über die Lasercavitylänge ein. Somit kann der Benutzer unabhängig von der Kohärenzlänge der Laserdiode LDP den Meßbereich entweder kontinuierlich über einen weiten Abstandsmeßbereich (s. Fig. 4c)) oder selektiv auf den gewünschten Abstandsmeßbereich (s. Fig. 4a)) selektiv einstellen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Abstandsänderungen in einfacher Weise ohne Beschränkung auf einen bestimmten Meßbereich unabhängig von der Kohärenzlänge der Laserdiode unter Verwendung des Self-Mixing Interferenzverfahren bestimmt werden.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts (T) unter Verwendung des Self-Mixing Interferenzverfahrens (SMI), umfassend:

• a) eine Lasereinheit (SMI) zur Aussendung eines Laserlichts auf das Objekt (T) und zum Empfang des vom Objekt (T) in die Lasereinheit (SMI) reflektierten bzw. gestreuten Laserlichtes, wobei durch charakteristische Parameter der Lasereinheit (SMI) eine Vielzahl von periodisch auftretenden Abstands-Meßbereichen der Vorrichtung für eine Messung von Abstandsänderungen definiert sind;
• b) eine Auswerteeinheit (AE) zur Bestimmung von Abstandsänderungen des Objektes (T) in den einzelnen Meßbereichen durch Auswertung von Wechselwirkungserscheinungen des ausgesendeten Laserlichtes mit dem in die Lasereinheit (SMI) reflektierten Laserlicht; und
• c) eine Einrichtung (A/D) zur Einstellung der Einhüllenden und der Periodenlänge der Vielzahl der Meßbereiche zueinander im Wege einer Einstellung der charakteristischen Parameter der Lasereinheit (SMI).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (A/D) die charakteristischen Parameter so einstellt, daß die Einhüllenden der einzelnen Meßbereiche ineinander übergehen und einen einzigen kontinuierlichen Meßbereich bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinheit (SMI) eine Monomode-Laserdiode (LPD) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinheit (SMI) eine Multimode-Laserdiode (LDP) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (LDP) eine Lasercavity umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Parameter der Lasereinheit (SMI) die effektive Länge der Lasercavity und die spektrale Halbwertsbreite der Laserdiode umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung der Periodenlänge der Meßbereiche die effektive Lasercavitylänge und zur Einstellung der Einhüllenden der Meßbereiche die spektrale Halbwertsbreite der Laserdiode (LDP) einstellt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung der spektralen Halbwertsbreite der Laserdiode (LDP) den Treiberstrom der Laserdiode einstellt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung der effektiven Lasercavitylänge (n.d) eine elektro-optische Einrichtung umfaßt, die den Brechungsindex (n) der Lasercavity steuert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasercavitylänge und die spektrale Halbwertsbreite durch Auswahl der geometrischen Abmessungen der Laserdiode einstellbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßung eine optische Faser, die das Meßsignal nicht beeinflußt mit der Lasereinheit (SMI) gekoppelt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinheit (SMI) umfaßt:

• a) eine erste Laserdiode (LDP1) mit einer daran angebrachten ersten Photodiode zur Aussendung einer Strahlung einer ersten Wellenlänge;
• b) eine zweite Laserdiode (LDP2) mit einer daran angebrachten zweiten Photodiode zur Aussendung einer Strahlung einer zweiten Wellenlänge;
• c) eine Strahlteilereinheit (BS) zur Kopplung der beiden Strahlungen auf einen gemeinsamen optischen Ausgang, der die gemeinsame Strahlung auf einen Meßort richtet und die vom Meßort reflektierte bzw. gestreute Strahlung in die jeweilige Laserdiode zurückkoppelt; und
• d) wobei die ersten und zweiten Wellenlängen (λ₁, λ₂) so voneinander unterschiedlich eingestellt sind, daß bei gleichem Meßort eine Phasenverschiebung der beiden Laserintensitätssignale an den Photodioden auftritt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen meßbaren Abstandsänderungen (H) des Meßorts durch die ersten und zweiten Wellenlängen folgendermaßen definiert sind: H = (λ₁ × λ₂)/(8 × (λ₁-λ₂))λ₁, λ₂: Emissionslängen der beiden Laserdioden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinheit (SMI) eine Vielzahl von Laserdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen umfaßt, die mittels einer Strahlteileinheit (BS) auf den Meßort gekoppelt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinheit (BS) einen Strahlteiler oder einen faseroptischen Koppler umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungserscheinungen die Form von klassischen Interferenzerscheinungen aufweisen und die Auswerteeinheit (AE) die Abstandsänderung durch Zählung der Nulldurchgänge des Interferenz-Intensitätsverlaufs bestimmt.