EP3622246A1 - Abstandsmessanordnung zur bestimmung eines abstandes zu einem objekt - Google Patents

Abstandsmessanordnung zur bestimmung eines abstandes zu einem objekt

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EP3622246A1
EP3622246A1 EP18722565.1A EP18722565A EP3622246A1 EP 3622246 A1 EP3622246 A1 EP 3622246A1 EP 18722565 A EP18722565 A EP 18722565A EP 3622246 A1 EP3622246 A1 EP 3622246A1
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EP
European Patent Office
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phase modulator
distance measuring
signal
measuring arrangement
phase
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18722565.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian AM WEG
Thilo MAY
Jürgen Petter
Peter Eiswirt
Sucheta Sharma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taylor Hobson Ltd
Original Assignee
Taylor Hobson Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taylor Hobson Ltd filed Critical Taylor Hobson Ltd
Publication of EP3622246A1 publication Critical patent/EP3622246A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
    • G02F1/3133—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type the optical waveguides being made of semiconducting materials

Definitions

  • Distance measuring arrangement for determining a distance to an object
  • the present development relates to a distance measuring arrangement for determining a distance to an object, an associated measuring head and a method for determining a distance to an object as well as a computer program for determining a distance to an object.
  • Multi-wavelength interferometer for absolute measurement of distances and topologies of surfaces in a large working distance known.
  • This includes a fiber optic designed multi-wavelength optical sensor, which comprises two or more lasers whose wavelengths in the optical
  • Telecommunications area lie.
  • a sensor head is periodically spatially modulated in the direction of a measuring beam.
  • the optical signals of the lasers used are combined by multiplexers in a common fiber and passed to the sensor head.
  • the spatial modulation of a measuring beam takes place here by means of a
  • Piezoaktuators which thus represents a movable component of the sensor.
  • the distance measuring arrangement To improve precision and accuracy by means of the distance measuring arrangement to be measured distances to an object or to be determined surface topology of the object.
  • a distance measuring arrangement for determining a distance to an object.
  • the distance measuring arrangement comprises at least one first light source for generating at least a first monochromatic and interference-capable light beam of a first wavelength.
  • the light source is further configured to generate at least a second monochromatic and interference-capable light beam of a second wavelength. The first and the second
  • the light source can also be designed to generate further, for example third and / or fourth monochromatic and in each case interference-capable light beams.
  • the light source is for generating monochromatic and interfering light beams in optical telecommunications range between 1520 nm and 1630 nm, or designed to generate wavelengths that may be in the so-called S, C or L band.
  • the distance measuring arrangement further comprises a multiplexer for coupling or combining or overlaying the at least first light beam and the at least second light beam into a common measuring beam. By means of the multiplexer, the at least first light beam and the at least second light beam can be combined or superimposed to form a common measuring beam.
  • the measuring beam thus contains spectral components of the first wavelength and the second wavelength.
  • the first light beam and the second light beam are superimposed.
  • the common measuring beam propagate the at least first light beam and the at least second light beam in parallel and in almost complete transverse coverage.
  • the light source to generate multiple d. H. is configured of up to three, four or even more light beams of different wavelengths, these are also coupled or superimposed with the same multiplexer in the common measuring beam. That is, the measuring beam may contain at least two but also three or four or even more light beams of different wavelengths, or be formed from a superposition of such light beams of different wavelengths.
  • the distance measuring arrangement furthermore has a decoupling element for splitting the measuring beam generated by the multiplexer into a reference beam and into a reference beam
  • the reference beam propagates along a reference path.
  • the signal beam propagated along a signal path.
  • the signal path typically extends from the decoupling element to the object.
  • the signal beam is typically reflected at the object.
  • the reflected signal beam typically propagates back through the signal path.
  • the signal path and the reference path are typically combined again by means of a coupling-in element, so that the reference beam and the signal beam reflected by the object can be interfered with one another.
  • the interfering beams namely the reference beam and the signal beam reflected from the object can be detected interferometrically and / or wavelength selective.
  • the distance measuring arrangement further comprises a phase modulator, which is arranged in the signal path and which is designed to the phase of
  • Signal beam periodically modulate time.
  • a temporally periodic modulation allows a constant or following a predetermined time function following modulation, d. H. a temporal change of the phase of the signal beam.
  • Reference beam according to the temporally periodic modulation of the phase of the signal beam. This simplifies and specifies the interferometric and / or wavelength-sensitive detection and evaluation of an interference signal, which results from a superposition of the reference beam and the signal beam reflected by the object.
  • the temporal periodic modulation of the phase of the signal beam simplifies and specifies the interferometric and / or wavelength-sensitive detection and evaluation of an interference signal, which results from a superposition of the reference beam and the signal beam reflected by the object.
  • Signal beam is typically made by a control of the distance measuring arrangement.
  • a detector arrangement for interferometric and / or wavelength-selective detection of the evaluation beam, d. H. the superposition of the reference beam and the signal beam reflected by the object, can determine a time-averaged intensity of the interference pattern via the temporal periodic modulation of the phase of the signal beam. The time averaged detection of the intensity allows an accurate and precise inference about the relative phase of the reflected signal beam to the phase of the reference beam at the location of the detector array. Any external
  • phase modulator i. H.
  • the relative phase between the reflected can be changed over time in accordance with a predetermined, constantly recurring function
  • Signal beam and the reference beam can be determined with increased accuracy. This improves the accuracy of determining the distance to an object.
  • the too measuring distance to the object results from the relative phase between the reference beam and the signal beam reflected from the object.
  • the phase modulator Since the phase modulator has no mechanically moving components, the phase of the signal beam can be modulated with a comparatively high frequency. It can be provided that the phase modulator is adapted to the phase of the signal beam with a frequency above 1 kHz, with a frequency above 2 kHz, with a frequency above 3 kHz, with a frequency above 5 kHz or with a Frequency of more than 10 kHz, 50 kHz or 100 kHz. Such fast phase modulations can further improve the precision and measurement speed of the distance measurement.
  • the amplitude of the phase modulation can be increased by means of the phase modulator by a predetermined amount.
  • phase modulation and far more than 2 ⁇ , 4 ⁇ , 6 ⁇ , 8 ⁇ and beyond achievable.
  • the temporally periodic modulation can, for example, a sinusoidal
  • phase modulator is particularly designed to continuously and steadily modulate the phase of the signal beam, i. H. to change.
  • the phase modulator can in particular be designed to be of the
  • Signal beam to periodically modulate time. If the signal beam directed towards the object and the signal beam reflected by the object pass through the phase modulator in opposite directions, the phase modulation of the signal beam or of the reflected signal beam relative to the reference beam can be further increased.
  • Phase modulator on an electro-optical modulator EOM is in particular electrically controllable.
  • the phase of the signal beam or the phase of the reflected Signal beam using electrical control signals of a control of
  • the electro-optical modulator can be used by the Pockels or Kerr effect to modulate the phase of the signal beam or the phase of the reflected
  • An electro-optical modulator can be designed as a DC electro-optical modulator or as an RF electro-optical modulator.
  • phase modulator may also have an acousto-optic
  • phase modulator may include a liquid crystal cell as a phase modulating component.
  • phase modulator as
  • Phase modulators are also based on the electro-optic effect. However, it is induced by current injection. Current injection phase modulators are characterized by an increased efficiency at the expense of
  • Thermooptic phase modulators are based on the change of the
  • thermooptical Refractive index as a function of temperature.
  • the temperature can be achieved by feeding power into heating elements, which are arranged on, beside and / or along a waveguide of the phase modulator.
  • Phase modulators can be implemented, for example, as a photonically integrated circuit (as a so-called “photonic integrated circuit”)
  • Phase modulators may be, e.g. be implemented on the basis of indium phosphide (InP), gallium arsenide (GaAs), silicon nitride (SiN) or based on silicon on an insulator (SIO Silicon on Insulator).
  • InP indium phosphide
  • GaAs gallium arsenide
  • SiN silicon nitride
  • SIO Silicon on Insulator silicon on an insulator
  • thermo-optic phase modulators To achieve a 180 ° phase shift, it is necessary, for example, to index 0.5 W in a SiN-based thermo-optic phase modulator.
  • InP or SOI based thermo-optic phase modulators have a much higher efficiency with respect to a phase shift and / or Refractive index change on. It is roughly comparable for InP- and SOI-based phase modulators.
  • the electro-optical modulator has a
  • Crystal body and at least two electrically controllable electrodes electrically connected to the crystal body.
  • the electrodes are typically electrically connected to a controller of the distance measuring arrangement.
  • the controller is designed to be connected to the electrodes of one of the phase modulation to be performed corresponding electrical voltage or an electric current
  • the phase of the propagating through the crystal body signal beam and / or reflected from the object signal beam can be modulated as required.
  • Refractive index change of the crystal body can vary almost instantaneously with the electric field applied across the electrodes to the crystal.
  • comparatively large modulation frequencies in the range above at least 1 kHz but also above 10 kHz can be realized without problems.
  • the crystal body has an anisotropic
  • the crystal I economist can in particular be birefringent
  • Refractive indices can be varied by applying an electric field to achieve phase change or phase modulation.
  • the crystal body is not inversion symmetrical.
  • the crystal body belongs in particular to the class of crystals, which show the linear electro-optical effect, also called Pockels effect.
  • a change in refractive index or change in birefringence changes linearly with the change in the electric field applied to the crystal body.
  • the crystal body may be a photorefractive crystal exhibit. Photorefractive crystals change their refractive index locally depending on the light intensity acting on the crystal.
  • the crystal body has a lithium niobate crystal, a potassium dihydrogen phosphate crystal or a gallium arsenide crystal.
  • Lithium niobate crystals are particularly well suited for the implementation of an electro-optic modulator, in particular a phase modulator.
  • the crystal body has a waveguide.
  • This can be diffused into the crystal structure of the crystal body.
  • the diffused waveguide can be introduced, for example, by titanium diffusion or by proton exchange in the crystal body, for example in a lithium niobate crystal.
  • the waveguide does not have to be designed as a diffused waveguide. It can also be obtained, for example, by doping in a III-V
  • Semiconductor can be generated.
  • the waveguide serves for a controlled transfer of the signal beam and / or the signal beam reflected by the object through the crystal body.
  • any intensity losses of the signal beam to the object directed and / or reflected from the object signal beam can be reduced to a minimum.
  • the electro-optical modulator is operated according to a further embodiment, in particular in transverse geometry.
  • the electrically controllable electrodes lie in a transverse direction with respect to the beam propagation through the crystal body at one or on opposite outer surfaces of the
  • the two electrodes abut against opposite outer sides of the crystal body, so that the electric field lines between the electrodes extend transversely, ie perpendicular to the propagation direction of the signal beam through the crystal body.
  • the electrodes abut against a common surface of the crystal body. You can, for example, abut a common top of the crystal body.
  • the two electrodes are typically on the same surface of the crystal body. Such an arrangement may in particular in combination with the waveguide, which through the
  • Crystal body extends, prove beneficial. In this way it can be ensured that the electric field lines extending between the electrodes cross the waveguide in the transverse direction.
  • the waveguide adjoins that surface of the crystal body against which the electrodes abut. Further, the waveguide extends along the surface of the crystal body.
  • a near-surface arrangement of the waveguide is manufacturing technology comparatively easy to implement. This is especially true when the waveguide is generated by diffusion, such as titanium or by proton exchange. It is particularly provided that the electrodes on the same side of the
  • Abut crystal body along which also extends the waveguide. In this way it can be achieved that extend between the electrodes, for example, arcuately extending electric field lines transversely through the waveguide. Thus, a required refractive index modulation can be generated in the waveguide, which is variable in proportion to the voltage applied to the electrodes voltage.
  • the electrodes extend in parallel
  • the electrodes extend in the longitudinal direction of the waveguide at the surface of the crystal body.
  • a parallel extension of the electrodes to one another as well as to the waveguide allows the formation of a constant electric field along the waveguide.
  • Phase modulation can be particularly well modified and controlled by the applied voltage in this way.
  • the waveguide is between a first Electrode and a second electrode arranged.
  • a symmetrical arrangement of the waveguide between the electrodes is provided.
  • the waveguide may be located approximately midway between the two electrodes.
  • Electrode is arranged as at the second electrode, or vice versa, wherein the waveguide is arranged closer to the second electrode than to the first electrode, are also conceivable.
  • the distance measuring arrangement further comprises a measuring head, in or on which the phase modulator is arranged.
  • the phase modulator is arranged.
  • it is provided to place the phase modulator as close as possible to the object.
  • the signal beam or the signal beam reflected by the object can propagate freely.
  • Phase modulator is arranged in a measuring head, which is to
  • the measuring head is coupled to the multiplexer in a fiber-optic manner.
  • the connection of the measuring head to the light source can also be formed fiber optic.
  • the light source may be fiber optically coupled to the multiplexer.
  • the multiplexer can be coupled to the measuring head in a fiber optic manner.
  • the decoupling element can be implemented fiber optically, so that the at least first and the at least second light beam, the measuring beam formed therefrom and the reference beam are guided entirely within one or more glass fibers.
  • the decoupling element can likewise be integrated into the measuring head so that the measurement beam is split into the reference beam and the signal beam only in the measuring head itself. This allows a comparatively simple and unrestricted handling of the measuring head. This can be due to its fiber optic coupling with the Multiplexer, the light source and a detector assembly are moved freely in space without this would have adverse effects on the interferometric and / or wavelength-selective detection of the Ausensestrahls.
  • the phase modulator is fiber-optically coupled to the multiplexer.
  • the phase modulator can additionally or alternatively be coupled directly to a fiber leading the signal path and / or the reference beam and mechanically connected thereto. For example, a fiber end facing the phase modulator can be directly connected to the
  • Phase modulator mechanically connected.
  • the relevant fiber end and the phase modulator can be connected to one another, for example, by means of an adhesive.
  • the adhesive may be a so-called index
  • Matching adhesive which causes an index matching between the fiber and the phase modulator, in particular between the fiber and a waveguide of the phase modulator.
  • the direct coupling of fiber end and phase modulator avoids free beam propagation between the fiber end and the phase modulator. This may be in terms of assembly technology as well
  • Phase modulator is particularly suitable for miniaturization of
  • the direct coupling of the fiber to the phase modulator also allows the use of integrated optical components and / or an optically integrated design of the
  • the measuring head has an optical system, by means of which the signal beam can be directed to the object and / or a from the object reflected signal beam can be coupled into the measuring head.
  • the optics are designed both for acting on the object with the signal beam and for coupling the signal beam reflected by the object into the measuring head.
  • the measuring head and its optics are therefore designed to measure the distance between the measuring head and the object in reflection geometry.
  • Measuring head at a practicable distance to the object for example in one
  • the phase modulator has an end face facing the optic, which has a surface normal, which is aligned inclined with respect to an optical axis of the optic. There may be a free space between the relevant face of the phase modulator and the optics. Due to the inclined orientation of the exit surface or end face of the
  • Phase modulator with respect to the optical axis of the optics can be reflected back inevitably at the end face resulting back-reflection of the signal emerging from the end face in the direction of the optical signal beam at a predetermined inclination angle to the optical axis in the phase modulator.
  • the return reflection is thus located outside of the reflected back from the object and injected into the phase modulator signal beam.
  • Signal beam through a return reflection at the output of the phase modulator can thus be effectively avoided, or reduced.
  • the angle of inclination between the surface normal and the optical axis is typically between 3 ° and 10 °. It can be between 4 ° and 8 °, alternatively between 4 ° and 6 °. Preferably, the angle is about 5 °.
  • the phase modulator as such has a cubic or rectangular geometry and according to the angle of inclination between the surface normal of the optically inclined end face and the optical axis of the optics is also aligned obliquely to the longitudinal extension of the housing of the sensor head.
  • the phase modulator may have an elongated geometry and be aligned with said angle of inclination correspondingly inclined to the optical axis of the optics. Due to the inclined exit surface of the phase modulator, the optical axis has a geometric kink in the region of the exit surface of the phase modulator within the measuring head.
  • the surface normal of the exit surface or end face of the phase modulator, which faces the optics, can be inclined to a longitudinal axis of the
  • Phase modulator be aligned about its crystal body or its layer structure.
  • Phase modulator so and the surface normal of the exit surface can i.W.
  • Decoupling element and the optics arranged in the signal path can be provided to arrange the decoupling element directly at the beginning of the phase modulator in order, for example, to couple the signal beam coupled out from the measuring beam via the decoupling element directly into the phase modulator with as little loss as possible.
  • the signal beam coupled out from the measuring beam via the decoupling element freely propagates a certain distance and, for example, into an end of the waveguide facing the decoupling element
  • Crystal body is coupled.
  • this has a coupling-in element by means of which the reference beam and the signal beam reflected by the object can be combined with one another to form an evaluation beam.
  • the reference beam and the reflected signal beam are spatially superimposable, so that these two beams are copropagating from one another
  • Detector arrangement can be detected or detected.
  • the evaluation beam formed from the reference beam and the reflected signal beam forms
  • Interference pattern which deals with the distance between the decoupling element and the object changes.
  • Signal beam allows a determination of the distance between the
  • the distance measuring arrangement further comprises a detector arrangement for interferometric and / or wavelength-selective
  • the detector arrangement may in particular comprise a demultiplexer, by means of which the at least first and the at least second light beam of different wavelengths are separable from one another.
  • the reference beam comprises at least a first and a second partial reference beam at a respective first wavelength and a second wavelength. The same applies to the signal beam and to the signal beam reflected by the object.
  • a partial signal beam of the first wavelength interferes with the partial reference beam of the first wavelength.
  • the sub-signal beam of the second wavelength interferes with the sub-reference beam of the second wavelength, etc.
  • third and fourth sub-signal beams of the third and fourth wavelengths different from the first and second wavelengths may each be coupled with third and fourth sub-reference beams third and fourth wavelengths interfere.
  • the detector arrangement can have a plurality of optical detectors, for example photodiodes or the like, optically sensitive sensors which are each designed to detect the interference of the evaluation beam with respect to a predetermined wavelength.
  • the distance measuring arrangement may have a comparatively large measuring range.
  • the combination of several interference patterns based on different wavelengths increases the measuring range of the
  • the Distance measuring arrangement on several centimeters.
  • the Distance measuring arrangement be configured as a heterodyne interferometer.
  • the measuring head has a temperature sensor.
  • the temperature sensor can in particular be signal-technically connected to a detector arrangement or to a control of the distance measuring arrangement.
  • any temperature influences can be measured.
  • the measurement of the temperature enables a temperature-sensitive or temperature-dependent distance measurement.
  • the temperature measurement e.g. a mathematical compensation of any temperature effects done.
  • the temperature sensor may, for example, have a Bragg Grating, in particular a fiber Bragg Grating, to be used e.g. to be able to measure a temperature change of the phase modulator during operation.
  • the temperature sensor may be thermally coupled to the phase modulator and / or to the housing of the measuring head.
  • the measured temperature change can either be computationally compensated or else the sensor head can be provided with a cooling and / or heating element, for example with a Peltier element, which corresponds to the measured temperature of the control of the distance measuring arrangement
  • phase modulator is controllable.
  • the control can be configured to control the temperature of the measuring head as a function of the temperature measured at the phase modulator, in particular to keep it constant.
  • the phase modulator on several layers of n-doped and / or p-doped semiconductor materials, in particular InP, InGaAs, SiN or silicon on an insulator. Such semiconductor materials allow further miniaturization of the phase modulator.
  • Semiconductor layers can be used to form the phase modulator on a Carrier substrate arranged, in particular by means of common coating methods, such as chemical vapor deposition CVD, plasma assisted chemical vapor deposition PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) and / or applied by sputtering or the like.
  • common coating methods such as chemical vapor deposition CVD, plasma assisted chemical vapor deposition PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) and / or applied by sputtering or the like.
  • the phase modulator may in particular be a combination of different III-V materials, i. H. Materials of the 3rd and 5th main group, for example, a combination of multiple layers InP and InGaAs, each with different dopants (n and p) and having different doping densities.
  • the phase modulator can have a III-V semiconductor junction, which then effects a modulation of the refractive index of the relevant layers via an applied voltage, for example with a contact from above and from below or from the side.
  • the use of a phase modulator based on semiconductor materials enables integrated production of the phase modulator and its connection to a fiber.
  • the phase modulator may be provided by a photonic integrated circuit or integrated into a photonic integrated circuit. Semiconductor materials also make it possible to provide a
  • Phase modulator in the form of a chip, for example an integrated optical and / or photonic chip, which can act as a component for an integrated optical design of the phase modulator or the measuring head.
  • the photonic integrated circuit and / or the phase modulator may be in the form of a photonic chip.
  • Provide refractive index modulation for a phase shift of 180 ° can be based on half conductor material with an approximately 2 - 3 mm long
  • Phase modulator already a voltage of 5-8 V be sufficient. Similar effects with lithium niobate require a crystal that is about three to four times longer.
  • the phase modulator can be used, in particular, as a photonically integrated structure be designed.
  • the semiconductor-based phase modulator may further include a waveguide that extends along the longitudinal direction of the phase modulator.
  • a spot-size converter can be provided, in particular for a semiconductor modulator based on semiconductor technology, which is arranged between the fiber end facing the modulator and the input side of the phase modulator facing the fiber end.
  • Phase modulator or its waveguide can for example be designed for beams with a beam width (FWHM) between 3 ⁇ and 10 ⁇ .
  • the spot-size converter can provide as lossless coupling between the fiber and the phase modulator.
  • a spot-size converter can also be connected to the output side of the phase modulator, i. H. be arranged facing the optics of the measuring head.
  • the phase modulator and the spot size converter can both be integrated in a photonic chip.
  • the invention further relates to a measuring head for a previously described distance measuring arrangement.
  • the measuring head comprises a housing, a fiber optic coupling, a phase modulator and an optic.
  • the phase modulator of the distance measuring arrangement is arranged only in that measuring head and is integrated in this.
  • the fiber optic coupling of the probe allows fiber optic connection and disconnection from the rest
  • Distance measuring arrangement to be provided with different measuring heads.
  • the distance measuring arrangement with several, respectively
  • measuring heads are designed. These can differ from each other by their specific optical design, in particular by the way their respective phase modulators. All of the above-described features of the distance measuring arrangement which relate to the phase modulator and / or the measuring head and / or the optics of the measuring head apply equally to the measuring head to be considered separately.
  • a method for determining a Distance to an object comprises the steps of generating at least one first monochromatic and interference-capable light beam of a first wavelength and the step of generating at least one second monochromatic and interference-capable light beam of a second wavelength.
  • the first and the second wavelength are different.
  • the at least first light beam and the at least second light beam are combined or coupled together in a common measuring beam.
  • the common measuring beam thus contains a plurality of spectral components which, viewed individually, are capable of interference.
  • the measuring beam is then spatially divided into a reference beam and a signal beam.
  • the reference beam propagates along a reference path and the signal beam propagates along a signal path.
  • the method further comprises time periodically modulating the phase of the signal beam by means of a phase modulator.
  • the phase modulator is arranged in the signal path.
  • the method includes further steps that are inevitably performed using the above-described distance measuring arrangement. It is provided in particular that the method is carried out using the above-described distance measuring arrangement and that the above-described distance measuring arrangement is designed for carrying out the method described here. In that regard, all the previously described meet
  • the method may further include combining one of the object reflected
  • Signal beam with the reference beam to form a Ausensestrahls include.
  • the reflected signal beam can also propagate through the phase modulator and accordingly receive another phase modulation. The thus formed
  • the evaluation beam can be divided into its individual spectral components, which in themselves are capable of interfering.
  • the individual spectral components of the evaluation beam can then be detected by means of separate detectors.
  • the detectors are typically designed to measure an intensity of the evaluation beam or its spectral components.
  • the evaluation beam further carries an interference pattern or phase information between the reference beam and the reflected signal beam. Since the phase of the signal beam is periodically modulated by the phase modulator, ie it is changed, this change can also be detected at the detector of the detector arrangement.
  • the evaluation beam or its spectral components are averaged over time or detected over a predetermined period of time while the phase of the signal beam is modulated.
  • the time-averaged intensity of the evaluation beam detected by the detectors thus enables a particularly precise measurement of the relative phase position between the reflected signal beam and the reference beam.
  • the precision of the phase measurement and thus the precision of the distance measurement can be increased in this way.
  • phase modulation made concretely by means of the phase modulator is, of course, known to a controller of the distance measuring arrangement. It is taken into account in the interferometric and / or wavelength-selective detection and evaluation of the evaluation beam.
  • the invention further relates to a computer program for determining a distance to an object.
  • the computer program can be executed by an evaluation unit or by a controller, which is data-technologically coupled to a previously described distance measuring arrangement.
  • Computer program includes program means for driving a
  • Phase modulator which is arranged in the signal path of the distance measuring device.
  • the program moduls for driving the phase modulator are designed to periodically modulate the phase of the signal beam in time.
  • the program means are in particular designed to continuously and steadily modulate the phase of the signal beam.
  • the program means are designed to periodically modulate the phase of the signal beam sinusoidally and / or temporally.
  • the Connputerprogrannnn further includes program means for interferometric and / or wavelength-selective evaluation of a detected by a detector array evaluation beam.
  • the program means for evaluating the detected evaluation beam is configured to be connected to a detector of the
  • Detection device present intensity signal over time to integrate and finally mittein over time. Finally, a detection signal integrated over time is indicative of the relative phase angle between the respective spectral components of the reflected signal beam and the reference beam.
  • the computer program is in particular of the evaluation or the
  • FIG. 1 is a block diagram of the distance measuring arrangement
  • FIG. 2 is a schematic representation of a crystal body having a phase modulator, which is designed as an electro-optical modulator,
  • FIG. 3 is a schematic and perspective view of a measuring head of the distance measuring arrangement
  • FIG. 4 shows the measuring head according to FIG. 3 in side view, FIG.
  • FIG. 5 is a plan view of the measuring head according to Figures 3 and 4 from above, 6 shows a cross section along AA according to FIG. 5 through the crystal body I and
  • FIG. 7 is a flowchart of the method for determining a distance to an object.
  • Fig. 8 is a sectional perspective view of an embodiment of the
  • FIG. 9 is a plan view of the measuring head of FIG. 8 from above,
  • 1 1 is an enlarged view of the measuring head in the region of the interface between optical fiber and phase modulator
  • FIG. 12 shows a further schematic representation of a measuring head with a photonic chip. Detailed description
  • a distance measuring arrangement 10 is shown schematically.
  • the distance measuring arrangement 10 is designed as a multi-wavelength interferometer.
  • the distance measuring arrangement 10 has a light source 12 for
  • the interference-capable light beam 12.2 designed.
  • the first light beam 12.1 and the second light beam 12.2 each have a first and a second wavelength, which are different.
  • the light source 12 can in particular be designed to generate further monochromatic and interference-capable light beams, for example a third light beam 12.3 and a fourth light beam 12.4.
  • the light source 12 itself may for this purpose have a plurality of laser light sources, which in each case for generating the at least first, second but also at least a third and / or fourth light beam of different wavelengths are formed.
  • the wavelengths of the interferable light beams that can be generated by the light source 12 are located
  • the infrared range typically in the infrared range. They can be in a range between 1520 nm and 1630 nm.
  • the distance measuring arrangement 10 furthermore has a multiplexer 14, by means of which the different light beams 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 are coupled into a common measuring beam M or can be combined to form a common measuring beam M.
  • the common measuring beam M can have at least two monochromatic spectral components which, viewed in their turn, are capable of interference.
  • the light source 12 may also be coupled to the multiplexer 14 in a fiber optic manner.
  • the common measuring beam M can have up to four different spectral components which are each capable of interference.
  • the multiplexer 14 was fiber-optically coupled to the light source 12.
  • the light source 12 may also be coupled to the multiplexer 14 in a fiber optic manner.
  • the common measuring beam M can have up to four different spectral components which are each capable of interference.
  • the multiplexer 14 was fiber-optically coupled to the light source 12.
  • the light source 12 was fiber-optically coupled to the light source 12.
  • the light source 12 was fiber-optically coupled to the light source 12.
  • Multiplexer 14 fiber optically implemented.
  • the output of the multiplexer 14 may comprise a single optical fiber 41 which terminates in a coupler 16.
  • the coupler 16 may be designed fiber optic. For example, it may comprise a fiber optic circulator.
  • An output of the coupler 16 is optically coupled via a fiber 40 to a measuring head 18. For different types
  • the coupler 16 may also be designed as a partially reflecting mirror or as a beam splitter.
  • Another output of the coupler 16 is via a glass fiber 42 with a
  • the measuring head 18 is sketched in more detail in FIGS. 3 to 5.
  • the measuring head 18 has a housing 19.
  • the glass fiber 40 which is connected at one end to the coupler 16 opens into the interior of the housing 19 of the measuring head 18.
  • the fiber 40 may have a fiber sleeve 48.
  • the glass fiber 40 terminates within the housing 19 of the measuring head 18. It may have a fiber end 44 which is fixed in the fiber sleeve 48. The fiber sleeve 48 can also be firmly connected to the housing 19 of the measuring head 18.
  • the fiber end 44 has a fiber end surface 46. In the present case, the fiber end surface 46 functions both as a decoupling element 45 and as a coupling element 80.
  • the fiber end 44 or the fiber end surface 46 separates, as it were, the measuring beam M arriving from the coupler 16 in a signal beam S and in a reference beam R.
  • the reference beam is reflected back from the fiber end surface 46 , It therefore propagates along a reference path RP back through the glass fiber 40 into the coupler 16.
  • the signal beam S emerging from the fiber end 44 and thus from the fiber end surface 46 propagates along a signal path SP and through a signal path SP
  • Phase modulator 60 Output of the phase modulator, the sensor head 18, an optics 78, for example in the form of a lens or a lens system, by means of which the signal beam S can be focused on a reflective surface of the object 20. From there, the signal beam S is at least partially reflected. The signal beam S 'reflected by the object 20 can be returned via the optics 78
  • Phase modulator 60 are coupled and propagate in the opposite direction to the original signal beam S through the phase modulator 60.
  • the reflected signal beam S ' can be coupled back into the glass fiber 40 via a coupling element 80.
  • the reference beam R and the reflected signal beam S ' may interfere with each other. That resulting interference pattern or the relative phase angle between the
  • reflected signal beam S 'and the reference beam R provides information about the distance between the outcoupling element 45 and the reflective surface of the object 20.
  • the coupling element 80 can also be realized by the fiber end surface 46.
  • the Faserend configuration 46 acts both as a decoupling element 45 and as a coupling element by means of which, starting from a measuring beam M, a reference beam R and a signal beam S separated from each other and by means of which a reflected signal beam S 'again with the
  • the reference beam which along the reference path RP of the
  • Decoupling element 45 or propagated from the fiber end face 46 through the glass fiber 40 in the direction of the coupler 16 is superimposed with the signal beam S 'reflected by the surface of the object 20 and propagated along the signal path SP.
  • the superimposition of the reference beam R and the signal beam S 'reflected by the object 20 will be referred to below as the evaluation beam A.
  • the evaluation beam A propagates in the optical fiber 40 from the measuring head 18 to the coupler 16.
  • the evaluation beam A is guided via the further glass fiber 42 to the detector arrangement 28.
  • the detector arrangement 28 has a demultiplexer 26 which spatially separates the interference-capable spectral components of the evaluation beam A and feeds these individually to the downstream detectors 28.1, 28.2, 28.3, 28.4.
  • the detector 28.1 can be tuned to the first wavelength of the first light beam 12.1.
  • the further detector 28.2 can be tuned to the second wavelength of the at least second light beam 12.2.
  • the wavelengths or the spectral components of the evaluation beam which are separately detectable and measurable from the individual detectors 28.1, 28.2, 28.3 and 28.4, correspond to the wavelengths of the light beams generated by the light source 12.
  • the detector arrangement 28 furthermore has a data acquisition unit 30 which metrologically processes the signals of the individual detectors 28.1, 28.2, 28.3, 28.4.
  • the data acquisition unit 30 may, for example, as FPGA (Field Programmable Gate Array), d. H. be configured as a field programmable grid.
  • the data acquisition unit typically has one or more analog-to-digital converters, by means of which the analog signals which can be generated by the individual detectors 28.1, 28.2, 28.3 or 28.4 can be converted into digital signals.
  • the reference beam also has four individual partial beams, each with a different wavelength. The same applies to the signal beam and to the signal beam reflected from the object.
  • the evaluation beam can then also comprise four pairs of partial beams of the reference beam and the reflected signal beam which are interfering with each other.
  • the data acquisition unit 30 is further provided with a controller 24 of
  • the controller 24 is coupled to an amplifier 22, which in turn amplifies a control signal for the phase modulator 60.
  • the controller 24 is for generating a control signal for the
  • the controller 24 can also be coupled to an external evaluation unit 50 in terms of data technology.
  • the external evaluation unit 50 can be used, for example, as a computer, e.g. be designed as a Tablet PC.
  • the external evaluation unit 50 can furthermore be coupled directly to the data acquisition unit 30 in order to receive the data recorded by the data acquisition unit 30
  • the controller 24 is in particular for generating a time periodically
  • control signal which is amplified by means of the amplifier 22 in terms of its signal amplitude.
  • the amplified control signal is supplied to the phase modulator 60 in order to periodically vary or modulate the phase of the signal beam S or of the reflected signal beam S '.
  • Phase modulation leads to a periodically changing intensity distribution at the detectors 28.1, 28.2, 28.3, 28.4.
  • the exact phase position for the wavelength or for the respective light beams of different wavelengths can be determined.
  • the phase modulator 60 is configured as an electro-optical modulator 61. It has a crystal body 62 with a waveguide 64 extending longitudinally through the crystal body 62. The from the left on the crystal body 62 incident signal beam propagates in the longitudinal direction through the crystal body 62. In the transverse direction, ie perpendicular to the propagation direction of the signal beam S, an electric field is applied to the crystal body 62.
  • the electro-optic modulation results in a refractive index change along the waveguide 64 according to the following law:
  • Crystal body which depends on the respective crystal orientation.
  • the waveguide 64 is formed or arranged on an outer surface, that is to say on an upper side 66 of the crystal body 62.
  • the waveguide 64 In the propagation direction to the left and right of the waveguide 64 are two electrodes 72, 74, which extend parallel to each other and parallel to the waveguide 64.
  • the electrodes 72, 74 extend approximately along the entire longitudinal extension of the waveguide.
  • the waveguide 64 extends in particular through the entire crystal body 62. It has an end 63 facing the fiber end 44, which opens into an end face of the crystal body 62 facing the fiber end 44.
  • the waveguide 64 has an end 65 facing the optics 78, which opens into an end face of the crystal body 62 facing the optic 78.
  • the waveguide 64 and the two electrodes 72, 74 are located on one and the same surface 66 of the crystal body 62.
  • the electric field lines 75 extending approximately arcuately between the electrodes 72, 74 can be approximately transversal through the waveguide 64. Ie. the direction of the field lines 75 runs approximately perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide 64.
  • a corresponding phase modulation can be modulated onto the signal beam S or the reflected signal beam S 'with almost no time delay.
  • modulation frequencies in the range above 1 kHz, above 2 kHz, above 5 kHz or even above 10 or 100 kHz can be realized.
  • the measurement accuracy and measurement speed, in particular for scanning a surface of the object 20 can be increased in this way.
  • a modulation frequency of more than 1 kHz or several kilohertz allows a rapid scanning of a surface of the object 20.
  • the distance to individual measuring points on the surface of the object can be determined more quickly with increasing modulation frequency.
  • the increase in the modulation frequency of the phase modulation allows an increase in the speed of a scanning movement of the scanning head 18 relative to the object 20, approximately to measure its surface.
  • a flow chart of the method for determining a distance to an object 20 is shown schematically in FIG.
  • a first step 100 for example by means of the light source 12 at least a first
  • monochromatic and interference-capable light beam 12.1 generates a first wavelength.
  • at least one second monochromatic and interference-capable light beam of a second wavelength is simultaneously generated for this purpose, wherein the second wavelength of the first wavelength
  • step 104 the first light beam and the second light beam are coupled or combined to form a common measuring beam or
  • the measuring beam thus formed is divided in the following step 106 into a reference beam R and into a signal beam.
  • the reference beam propagates along a reference path RP and the signal beam S propagates along a signal path SP.
  • the signal beam is used in step 108 by means of the
  • Phase modulator periodically modulated in terms of its phase position. Further optional method steps according to the intended use of the above-described distance measuring arrangement 10, to superimpose the signal beam S 'reflected by the object 20 with the reference beam R and thereby to generate an evaluation beam A containing an interference pattern.
  • the evaluation beam A is again spatially divided with regard to its spectral components corresponding to the at least first and second different wavelengths.
  • the individual spectral components are then detected separately by means of a detector arrangement 28.
  • the respective intensities are measured at the detector while the signal beam is still temporally periodically modulated. This leads to a corresponding modulation of the light intensity measurable at the individual detectors.
  • a temporal averaging can make a precise statement about the relative phase position of the respective spectral component of the reflected signal beam and reference beam, which in turn makes it possible to draw conclusions about the absolute distance between the outcoupling element 45 and the surface of the object 20.
  • FIGS. 8-1 1 show an implementation of a measuring head 18, which has a housing 19 in which a phase modulator 60 and an optic 78 are arranged.
  • An optical fiber in particular a glass fiber 40, can be arranged detachably on the measuring head 18 by means of a fiber coupling 86. But it can also be permanently connected and permanently connected to the measuring head 18.
  • the housing 19 has an extension 19a, at the free end of the optics 78, for example in the form of a spherical or aspherical lens 78 is arranged.
  • the fiber coupling 86 can be designed, for example, as a fiber-implemented plug connection.
  • the phase modulator 60 here has an elongated rectangular
  • the phase modulator 60 may be configured, for example, as a lithium niobate crystal, as previously described in FIGS. 3-6. Alternatively, the phase modulator 60 may comprise multiple layers of n-doped and / or p-doped semiconductor materials.
  • the phase modulator 60 may be implemented as an integrated photonic phase modulator, for example, in a photonic chip 161 as shown in FIG.
  • the fiber end 44 facing the phase modulator 60 can in particular be mechanically connected directly to an entry or end surface 83 of the phase modulator 60. It is particularly conceivable that an exposed fiber end 44 by means of an adhesive with the end face 83 of the phase modulator 60, for example, the crystal body 62 or with the end face 183 of a
  • phase modulator 60 Semiconductor layer structure 162, as indicated in Fig. 12, connected.
  • the most direct possible coupling between phase modulator 60 and fiber end 44 is advantageous for lossless signal transmission.
  • a so-called index matching adhesive is provided in particular, which is matched to the refractive index of the fiber 40 and / or the refractive index of the waveguide 64.
  • the measuring head 18 may optionally be designed with a temperature sensor 90. This can be connected to the controller 24 of the distance measuring arrangement 10 by signal technology. By means of the temperature sensor 90, the temperature of the measuring head 18 and / or the phase modulator 60 can be determined precisely. This allows an active temperature control, for example, with a further optional cooling and / or heating element (not shown) or the purely computational compensation of any temperature influences on the measurement signal.
  • the measuring head 18 also has an electrical plug-in connection 82, which enables electrical contacting of the electrodes 72, 74 with the amplifier 22.
  • the electrical connection between the connector 82 and along the waveguide 64 extending electrodes 72, 74 is not explicitly shown for the sake of clarity as possible.
  • the inclination angle W in the illustration according to FIG. 10 is approximately 5 °. It can vary between 3 ° and 10 °.
  • the phase modulator 60 is also aligned inclined to the longitudinal extent of the extension 19a.
  • the surface normal of the end face 85 inclined by the angle W to the longitudinal axis of the phase modulator 60 for example of the Be aligned crystal body 62.
  • Phase modulator 60 also extends at an angle of inclination W.
  • the inclined configuration of the exit-side end face 85 of the phase modulator 60 results in a back reflection RF of the signal beam S directed to the object, which inevitably arises at the exit surface 85, extending outside the signal beam S 'reflected by the object 20 and thus not superimposed with the signal beam S '.
  • An impairment of the reflected from the object 20 and via the optics 78 again in the phase modulator 60 coupled signal beam S 'by a back-reflection RF can thus be avoided or reduced to a minimum.
  • FIG. 1 the mechanical connection of the fiber end 44 is shown to the end face 83 of the crystal body 62.
  • a fiber core 40b exposed by a fiber sheath 40a is in direct mechanical contact with the face 83 of the phase modulator 60, in particular in direct mechanical contact with the waveguide 64 of the phase modulator 60.
  • An index matching adhesive may be provided for the mechanical connection.
  • phase modulator 160 which is integrated in a so-called photonic chip 161.
  • the photonic chip 161 may be arranged in or on the measuring head 18.
  • the photonic chip 161 has a substrate 100 with a layer structure 162 of a plurality of differently doped semiconductor layers. In the layer structure 162 is also a waveguide 164. Das
  • Fiber end 44 may also be adhered directly to the layer structure 162. However, the fiber end 44 may also be optically coupled to the photonic chip 161 and the phase modulator 160 while maintaining an air gap.
  • the photonic chip may further comprise at least a so-called spot size
  • Converter 1 10 which, between the fiber end 44 and a
  • the entrance-side end face 183 of the phase modulator 160 is arranged.
  • spot-size converter 110 can also be provided between an exit-side end face 185 and the optics 78.
  • a Surface normal of the exit surface of the spot-size converter 1 10, which faces the optics 78, can also, as previously for the embodiment of FIG. 10th
  • Phase modulator 160 to avoid.
  • the beam geometry predetermined by the fiber 40 in particular a beam size or a beam cross-section, can be adapted to the requirements of the waveguide 164.
  • the beam size or beam geometry, starting from the fiber 40 for the waveguide 164 can be reduced by means of the spot size converter 110, which is likewise arranged on the chip 161.
  • one or more electrodes 172, 174 may be provided for a refractive index modulation to be induced electrically.
  • the designed as a photonic chip phase modulator 160 may be configured in particular as an electro-optical phase modulator or as a thermo-optical phase modulator.
  • the implementation as a photonic chip allows a
  • phase modulators 160 can be produced and configured simultaneously on a single wafer.
  • the possibly connected directly to the front end face 83, 183 of the phase modulator 60, 160 fiber end 44 can both as
  • Decoupling element 45 and act as a coupling element 80 for the reference beam or reflected signal beam.
  • the end face 83, 183 of the phase modulator 60, 160 may be provided with a mirror layer, or coated. at
  • Implementation of a photonic chip 161 may be a corresponding, i. H. the fiber 40 facing edge of the chip 161 as a mirror surface for forming the reference beam or for the division of the measuring beam in the reference beam and
  • the mirror surface can have a reflectance of more than 30%, more than 50% and up to 99%.
  • the phase modulator 160 shown in FIG. 12 may also be thermally coupled to a temperature sensor 190.
  • the temperature sensor 190 which has, for example, a fiber Bragg Grating, can be implemented as a photonic integrated circuit and on the same substrate 100 as the
  • Phase modulator 160 may be arranged.
  • the temperature sensor 190 and the phase modulator 160 and the semiconductor layer structure 162 may be integrated together in the photonic chip 161.
  • the temperature sensor 190 like the previously described temperature sensor 90, may be coupled to the controller 24 in terms of data or signaling.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Abstandsmessanordnung zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt (20), wobei die Abstandsmessanordnung folgendes umfasst: - zumindest eine Lichtquelle (12) zur Erzeugung zumindest eines ersten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls (12.1) einer ersten Wellenlänge und zur Erzeugung zumindest eines zweiten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls (12.2) einer zweiten Wellenlänge, - einen Multiplexer(14) zum Koppeln oder Kombinieren des zumindest ersten Lichtstrahls (12.1) und des zumindest zweiten Lichtstrahls (12.2) in einen gemeinsamen Messstrahl (M), - einem Auskoppelelement (45) zum Aufteilen des Messstrahls (M) in einen Referenzstrahl (R) und in einen Signalstrahl (S), wobei der Referenzstrahl (R) entlang eines Referenzpfads (RP) und wobei der Signalstrahl (S) entlang eines Signalpfads (SP) propagiert, - einen Phasenmodulator (60; 160), welcher im Signalpfad (SP) angeordnet ist und welcher dazu ausgestaltet ist, die Phase des Signalstrahls (S) zeitlich periodisch zu modulieren.

Description

Abstandsmessanordnung zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Entwicklung betrifft eine Abstandsmessanordnung zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt, einen zugehörigen Messkopf sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt als auch ein Computerprogramm zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt.
Hintergrund
Aus der DE 10 2008 033 942 B3 ist ein faseroptisches
Mehrwellenlängeninterferometer zur absoluten Vermessung von Abständen und Topologien von Oberflächen in großem Arbeitsabstand bekannt. Dieses umfasst einen faseroptisch konzipierten optischen Mehrwellenlängen-Sensor, welcher zwei oder mehr Laser umfasst, deren Wellenlängen im optischen
Telekommunikationsbereich liegen. Ein Sensorkopf ist dabei in Richtung eines Messstrahls periodisch räumlich modulierbar. Die optischen Signale der verwendeten Laser werden durch Multiplexer in einer gemeinsamen Faser zusammengeführt und zum Sensorkopf geleitet.
Die räumliche Modulation eines Messstrahls erfolgt hierbei mittels eines
Piezoaktuators, welcher folglich eine bewegliche Komponente des Sensors dargestellt. Für die periodisch räumliche Modulation des Messstrahls sind
entsprechende mechanische Bewegungen im Sensor zu applizieren. Diesen sind hinsichtlich Amplitude und Frequenz mechanisch bedingte Grenzen gesetzt. Des Weiteren werden durch mechanisch bewegte Bauteile oder Komponenten des Sensors unweigerlich Schwingungen erzeugt, die unter Umständen zu
messtechnischen Problemen und/oder zur einer hörbaren Geräuschentwicklung führen können, die mitunter als störend empfunden wird.
Es ist demgegenüber Zielsetzung, eine verbesserte Abstandsmessanordnung zur Bestimmung eines Abstandes und/oder zur quantitativen Erfassung von Abständen und/oder Topologien von Oberflächen bereitzustellen, die möglichst ohne
mechanisch bewegte Komponenten implementierbar ist, welche eine verminderte Geräuschentwicklung aufweist und welche vorrichtungstechnisch vergleichsweise einfach zu implementieren und anzusteuern ist. Es ist ferner Zielsetzung, die
Präzision und Genauigkeit mittels der Abstandsmessanordnung zu messenden Abstände zu einem Objekt oder einer zu ermittelnden Oberflächentopologie des Objekts zu verbessern.
Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen.
Diese Aufgabe wird mit einer Abstandsmessanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , einem Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt nach Anspruch 17 sowie mit einem Computerprogramm gemäß
Patentanspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils
Gegenstand abhängiger Patentansprüche. Insoweit ist eine Abstandsmessanordnung zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt vorgesehen. Die Abstandsmessanordnung umfasst zumindest eine erste Lichtquelle zu Erzeugung zumindest eines ersten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls einer ersten Wellenlänge. Die Lichtquelle ist ferner zur Erzeugung zumindest eines zweiten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls einer zweiten Wellenlänge ausgestaltet. Die erste und die zweite
Wellenlänge sind unterschiedlich. Die Lichtquelle kann ferner zur Erzeugung weiterer, beispielsweise dritter und/oder vierter monochromatischer und jeweils interferenzfähiger Lichtstrahlen ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle zu Erzeugung von monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahlen im optischen Telekommunikationsbereich zwischen 1520 nm und 1630 nm, bzw. zu Erzeugung von Wellenlängen ausgestaltet, die im sogenannten S-, C-oder L-Band liegen können. Die Abstandsmessanordnung weist ferner einen Multiplexer zum Koppeln oder Kombinieren bzw. Überlagern des zumindest ersten Lichtstrahls und des zumindest zweiten Lichtstrahls in einen gemeinsamen Messstrahl auf. Mittels des Multiplexers können der zumindest erste Lichtstrahl und der zumindest zweite Lichtstrahl zur Bildung eines gemeinsamen Messstrahls miteinander kombiniert oder überlagert werden. Der Messstrahl beinhaltet somit spektrale Anteile der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge. Im gemeinsamen Messstrahl sind der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl überlagert. Im gemeinsamen Messstrahl propagieren der zumindest erste Lichtstrahl und der zumindest zweite Lichtstrahl parallel und in nahezu vollständiger transversaler Überdeckung.
Wenn die Lichtquelle zu Erzeugung mehrerer, d. h. von bis zu drei, vier oder noch weiteren Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen ausgestaltet ist, werden diese ebenfalls mit demselben Multiplexer im gemeinsamen Messstrahl gekoppelt bzw. überlagert. Das heißt, der Messstrahl kann zumindest zwei aber auch drei oder vier oder noch weitere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge enthalten, bzw. aus einer Superposition solcher Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge gebildet sein.
Die Abstandsmessanordnung weist ferner ein Auskoppelelement zum Aufteilen des vom Multiplexer erzeugten Messstrahls in einen Referenzstrahl und in einen
Signalstrahl auf. Der Referenzstrahl propagiert dabei entlang eines Referenzpfads. Der Signalstrahl propagierte dabei entlang eines Signalpfads. Mittels des
Auskoppelelements werden der Referenzpfad und der Signalpfad voneinander getrennt. Der Signalpfad erstreckt sich typischerweise vom Auskoppelelement zum Objekt. Am Objekt wird der Signalstrahl typischerweise reflektiert. Der reflektierte Signalstrahl propagiert typischerweise über den Signalpfad zurück. Der Signalpfad und der Referenzpfad werden typischerweise mittels eines Einkoppelelements wieder miteinander vereint, sodass der Referenzstrahl und der vom Objekt reflektierte Signalstrahl miteinander interferierbar sind. Mittels einer Detektoranordnung sind die miteinander interferierenden Strahlen, nämlich der Referenzstrahl und der vom Objekt reflektierte Signalstrahl interferometrisch und/oder wellenlängenselektiv erfassbar. Die Abstandsmessanordnung weist ferner einen Phasenmodulator auf, welcher im Signalpfad angeordnet ist und welcher dazu ausgestaltet ist, die Phase des
Signalstrahls zeitlich periodisch zu modulieren. Eine zeitlich periodische Modulation ermöglicht eine konstante oder entsprechend einer vorgegebenen Zeitfunktion folgende Modulation, d. h. eine zeitliche Veränderung der Phase des Signalstrahls.
Folglich ändert sich auch die Interferenz von reflektiertem Signalstrahl und
Referenzstrahl entsprechend der zeitlich periodischen Modulation der Phase des Signalstrahls. Dies vereinfacht und präzisiert die interferometrische und/oder wellenlängensensitive Erfassung und Auswertung eines Interferenzsignals, welches aus einer Überlagerung des Referenzstrahls und des vom Objekt reflektierten Signalstrahls resultiert. Die zeitlich periodische Modulation der Phase des
Signalstrahls wird typischerweise von einer Steuerung der Abstandsmessanordnung vorgenommen. Eine Detektoranordnung zur interferometrischen und/oder wellenlängenselektiven Erfassung des Auswertestrahls, d. h. der Überlagerung des Referenzstrahls und des vom Objekt reflektierten Signalstrahls, kann über die zeitliche periodische Modulation der Phase des Signalstrahl eine zeitlich gemittelte Intensität des Interferenzmusters ermitteln. Die zeitlich gemittelte Detektion der Intensität ermöglicht einen genauen und präzisen Rückschluss über die relative Phase des reflektierten Signalstrahls zur Phase des Referenzstrahls am Ort der Detektoranordnung. Etwaige externe
Störeinflüsse aber auch messtechnisch bedingte Toleranzen einer Phasenmessung können auf diese Art und Weise rechnerisch kompensiert werden. Indem die Phase des Signalstrahls mittels eines Phasenmodulators periodisch moduliert, d. h. über die Zeit gemäß einer vorgegebenen stetig wiederkehrenden Funktion verändert wird kann die relative Phase zwischen dem reflektierten
Signalstrahl und dem Referenzstrahl mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden. Dies verbessert die Genauigkeit der Bestimmung des Abstandes zu einem Objekt. Der zu messende Abstand zum Objekt ergibt sich aus der relativen Phase zwischen dem Referenzstrahl und dem vom Objekt reflektierten Signalstrahl.
Da der Phasenmodulator keine mechanisch bewegten Bauteile aufweist kann die Phase des Signalstrahls mit vergleichsweise hoher Frequenz moduliert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Phasenmodulator dazu ausgebildet ist, die Phase des Signalstrahls mit einer Frequenz oberhalb von 1 kHz, mit einer Frequenz oberhalb von 2 kHz, mit einer Frequenz oberhalb von 3 kHz, mit einer Frequenz oberhalb von 5 kHz oder mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz, 50 kHz oder 100 kHz zu modulieren. Derart schnelle Phasenmodulationen können zur weiteren Verbesserung der Präzision und Messgeschwindigkeit der Abstandsmessung beitragen.
Zudem kann die Amplitude der Phasenmodulation mittels des Phasenmodulators um ein vorgegebenes Maß gesteigert werden. Es sind Phasenmodulation und von weit mehr als 2π, 4π, 6ττ, 8π und darüber hinaus erzielbar.
Die zeitlich periodische Modulation kann beispielsweise eine sinusförmige
Modulation aufweisen. Denkbar sind ferner sägezahnförmige oder rechteckige Modulationen der Phase. Der Phasenmodulator ist insbesondere dazu ausgestaltet, die Phase des Signalstrahls kontinuierlich und stetig zu modulieren, d. h. zu ändern.
Der Phasenmodulator kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, den vom
Messstrahl abgezweigten Signalstrahl als auch den vom Objekt reflektierten
Signalstrahl zeitlich periodisch zu modulieren. Durchlaufen der zum Objekt gerichtete Signalstrahl und der vom Objekt reflektierte Signalstrahl den Phasenmodulator in entgegengesetzten Richtungen, so kann die Phasenmodulation des Signalstrahls bzw. des reflektierten Signalstrahls gegenüber dem Referenzstrahl weiter gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Abstandsmessanordnung weist der
Phasenmodulator einen elektrooptischen Modulator EOM auf. Der elektrooptische Modulator ist insbesondere elektrisch ansteuerbar. Mittels des elektrooptischen Modulator kann die Phase des Signalstrahls bzw. die Phase des reflektierten Signalstrahls mithilfe von elektrischen Steuersignalen einer Ansteuerung der
Abstandsmessanordnung gezielt moduliert bzw. zeitlich verändert werden. Der elektrooptische Modulator kann unter Ausnutzung des Pockels- oder Kerr-Effekts zur Modulation der Phase des Signalstrahls bzw. der Phase des reflektierten
Signalstrahls ausgestaltet sein. Ein elektrooptischer Modulator kann als DC elektrooptischer Modulator oder als RF elektrooptischer Modulator ausgestaltet sein.
Alternativ hierzu kann der Phasenmodulator auch einen akustooptischen
Phasenmodulator aufweisen oder als solcher ausgestaltet sein. Auch kann der Phasenmodulator eine Flüssigkristallzelle als phasenmodulierende Komponente aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der Phasenmodulator als
Stromeinspeisungs-Phasenmodulator (current injection phase modulator) oder als thermooptischer Phasenmodulator ausgestaltet sein. Stromeinspeisungs-
Phasenmodulatoren basieren ebenso auf dem elektrooptischen Effekt. Er wird jedoch durch Stromeinspeisung induziert. Stromeinspeisungs-Phasenmodulatoren zeichnen sich durch eine erhöhte Effizienz auf Kosten der
Modulationsgeschwindigkeit aus.
Thermooptische Phasenmodulatoren basieren auf der Änderung des
Brechungsindex in Abhängigkeit der Temperatur. Die Temperatur kann durch Stromeinspeisung in Heizelemente erfolgen, die auf, neben und/oder entlang einem Wellenleiter des Phasenmodulators angeordnet sind. Thermooptische
Phasenmodulatoren können beispielsweise als photonisch integrierte Schaltung (als sogenannter„photonic integrated circuit") implementiert sein. Solche
Phasenmodulator können, z.B. auf Basis von Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAs), Siliziumnitrid (SiN) oder auf Basis von Silizium auf einem Isolator (SIO Silicon on Insulator) implementiert sein.
Zur Erzielung einer 180° Phasenverschiebung ist etwa die Indizierung von 0,5 W in einen auf SiN basierenden thermooptischen Phasenmodulatoren erforderlich. InP - oder SOI- basierte thermooptische Phasenmodulatoren weisen eine weitaus höhere Effizienz im Hinblick auf eine Phasenverschiebung und/oder Brechungsindexänderung auf. Sie ist für InP- und SOI- basierte Phasenmodulatoren in etwa vergleichbar.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der elektrooptische Modulator einen
Kristallkörper und zumindest zwei elektrisch mit dem Kristallkörper verbundene elektrisch ansteuerbare Elektroden auf. Die Elektroden sind typischerweise mit einer Steuerung der Abstandsmessanordnung elektrisch verbunden. Die Steuerung ist dazu ausgestaltet, an den Elektroden einer der vorzunehmenden Phasenmodulation korrespondierende elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom
bereitzustellen, sodass der Kristallkörper in Abhängigkeit des jeweils
vorherrschenden und über die Elektroden angelegten elektrischen Feldes seinen Brechungsindex ändert.
Mit der elektrisch induzierten Brechungsindexänderung des Kristallkörpers ist die Phase des durch den Kristallkörper propagierenden Signalstrahls und/oder des vom Objekt reflektierten Signalstrahls bedarfsgerecht modulierbar. Die
Brechungsindexänderung des Kristallkörpers kann nahezu verzögerungsfrei mit dem über die Elektroden an den Kristall angelegten elektrischen Feldes variieren. Insoweit können vergleichsweise große Modulationsfrequenzen im Bereich oberhalb von zumindest 1 kHz aber auch oberhalb von 10 kHz problemlos realisiert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Kristallkörper eine anisotrope
Kristallstruktur auf. Der Kristal Ikörper kann insbesondere doppelbrechend
ausgestaltet sein. Er kann entlang unterschiedlicher Kristallachsen unterschiedliche Brechungsindices aufweisen. Der Brechungsindex bzw. die unterschiedlichen
Brechungsindices können durch Anlegen eines elektrischen Feldes zur Erzielung einer Phasenänderung oder Phasenmodulation variiert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Kristallkörper nicht inversionssymmetrisch. Der Kristall körpers gehört insbesondere zu der Klasse Kristalle, die den linearen elektrooptischen Effekt, auch Pockels-Effekt genannt, zeigen. Eine Änderung des Brechungsindex bzw. die Änderung der Doppelbrechung ändert sich linear zur Änderung des an den Kristallkörpers angelegten elektrischen Feldes. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der Kristallkörpers einen photorefraktiven Kristall aufweisen. Photorefraktive Kristalle ändern ihren Brechungsindex lokal in Abhängigkeit der auf den Kristall einwirkenden Lichtintensität.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Kristallkörpers einen Lithiumniobat Kristall, einen Kaliumdihydrogenphosphat Kristall oder einen Galliumarsenid Kristall auf. Lithiumniobat Kristalle eignen sich besonders gut für die Implementierung eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines Phasenmodulator.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Kristal Ikörpers einen Wellenleiter auf. Dieser kann in die Kristallstruktur des Kristallkörpers eindiffundiert sein. Der eindiffundierte Wellenleiter kann beispielsweise durch Titan-Eindiffusion oder durch Protonenaustausch in den Kristallkörper, beispielsweise in einen Lithiumniobat Kristall eingebracht sein. Der Wellenleiter muss nicht als eindiffundierten Wellenleiter ausgestaltet sein. Er kann auch beispielsweise durch Dotierung in einem lll-V
Halbleiter erzeugt werden.
Der Wellenleiter dient einem kontrollierten Überführen des Signalstrahl und/oder des vom Objekt reflektierten Signalstrahls durch den Kristallkörper. Mittels des
Wellenleiters kann ein unkontrolliertes Divergieren des Signalstrahls während seiner Propagation durch den Kristallkörper vermieden werden. Die transversale
Ausdehnung des Signalstrahls bleibt während seiner Propagation durch den
Wellenleiter weitreichend konstant.
Auch können etwaige Intensitätsverluste des Signalstrahls zum Objekt gerichteten und/oder vom Objekt reflektierten Signalstrahls auf ein Minimum reduziert werden.
Der elektrooptische Modulator wird nach einer weiteren Ausgestaltung insbesondere in Transversalgeometrie betrieben. D. h. die elektrisch ansteuerbaren Elektroden liegen in transversaler Richtung in Bezug auf die Strahlpropagation durch den Kristallkörpers an einer oder an gegenüberliegenden Außenoberflächen des
Kristallkörpers an. Es ist prinzipiell denkbar, dass die beiden Elektroden an gegenüberliegenden Außenseiten des Kristallkörpers anliegen, sodass sich die elektrischen Feldlinien zwischen den Elektroden transversal, d. h. senkrecht zur Propagationsrichtung des Signalstrahls durch den Kristallkörpers erstrecken. Nach einer weiteren Ausgestaltung liegen die Elektroden an einer gemeinsamen Oberfläche des Kristal Ikörpers an. Sie können beispielsweise an einer gemeinsamen Oberseite des Kristallkörpers anliegen. Die beiden Elektroden liegen typischerweise an derselben Oberfläche des Kristall körpers an. Eine derartige Anordnung kann sich insbesondere in Kombination mit dem Wellenleiter, welcher sich durch den
Kristall körper erstreckt, als vorteilhaft erweisen. Auf diese Art und Weise kann sichergestellt werden, dass die zwischen den Elektroden verlaufenden elektrischen Feldlinien den Wellenleiter in transversaler Richtung kreuzen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung grenzt der Wellenleiter an diejenige Oberfläche des Kristall körpers an, an welcher die Elektroden anliegen. Ferner erstreckt sich der Wellenleiter entlang der Oberfläche des Kristallkörpers. Eine oberflächennahe Anordnung des Wellenleiters ist herstellungstechnisch vergleichsweise einfach zu verwirklichen. Dies gilt insbesondere wenn der Wellenleiter durch Eindiffusion, beispielsweise von Titan oder durch Protonenaustausch erzeugt wird. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Elektroden an derselben Seite des
Kristallkörpers anliegen, entlang welcher sich auch der Wellenleiter erstreckt. Auf diese Art und Weise kann erreicht werden, dass sich die zwischen den Elektroden beispielsweise bogenförmig erstreckenden elektrischen Feldlinien transversal durch den Wellenleiter erstrecken. Somit kann eine geforderte Brechungsindexmodulation im Wellenleiter erzeugt werden, welche proportional mit der an den Elektroden anliegenden Spannung veränderbar ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung erstrecken sich die Elektroden parallel
zueinander. Sie erstrecken sich ferner parallel zur Längsrichtung des Wellenleiters. Mithin erstrecken sich die Elektroden in Längsrichtung des Wellenleiters an der Oberfläche des Kristallkörpers. Eine parallele Erstreckung der Elektroden zueinander als auch zum Wellenleiter ermöglicht die Bildung eines konstanten elektrischen Feldes entlang des Wellenleiters. Eine Brechungsindexänderung bzw.
Phasenmodulation kann auf diese Art und Weise durch die angelegte Spannung besonders gut modifiziert und kontrolliert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Wellenleiter zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet. Mithin ist zum Beispiel eine symmetrische Anordnung des Wellenleiters zwischen den Elektroden vorgesehen. Der Wellenleiter kann sich in etwa mittig zwischen den beiden Elektroden befinden. Asymmetrische Ausgestaltungen, wobei der Wellenleiter näher an der ersten
Elektrode als an der zweiten Elektrode angeordnet ist, oder umgekehrt, wobei der Wellenleiter näher an der zweiten Elektrode als an der ersten Elektrode angeordnet ist, sind ebenfalls denkbar.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Abstandsmessanordnung ferner einen Messkopf auf, in oder an welchem der Phasenmodulator angeordnet ist. Es ist insbesondere vorgesehen, den Phasenmodulator möglichst nahe zum Objekt zu platzieren. Zwischen dem Phasenmodulator und dem Objekt kann der Signalstrahl bzw. der vom Objekt reflektierte Signalstrahl frei propagieren. Indem der
Phasenmodulator in einem Messkopfs angeordnet ist, welcher zum zu
vermessenden Objekt ausgerichtet ist, kann die freie Propagationsstrecke des Signalstrahls und/oder des vom Objekt reflektierten Signalstrahls auf ein Minimum reduziert werden. Etwaige externe Störeinflüsse können auf diese Art und Weise minimiert werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf faseroptisch mit dem Multiplexer gekoppelt. Die Anbindung des Messkopfs an die Lichtquelle kann ferner ebenfalls faseroptisch ausgebildet sein. Die Lichtquelle kann mit dem Multiplexer faseroptisch gekoppelt sein. Ferner kann der Multiplexer mit dem Messkopf faseroptisch gekoppelt sein. Auch das Auskoppelelement kann faseroptisch implementiert sein, sodass der zumindest erste und der zumindest zweite Lichtstrahl, der hieraus gebildete Messstrahls als auch der Referenzstrahl gänzlich innerhalb einer oder mehrerer Glasfasern geführt sind.
Lediglich der vom Messstrahl ausgekoppelte Signalstrahl und der vom Objekt reflektierte Signalstrahl können frei propagieren. Das Auskoppelelement kann ebenfalls in den Messkopf integriert sein, sodass eine Aufteilung des Messstrahls in den Referenzstrahl und in den Signalstrahl erst im Messkopf selbst erfolgt. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache und uneingeschränkte Handhabung des Messkopfs. Dieser kann aufgrund seiner faseroptischen Kopplung mit dem Multiplexer, der Lichtquelle als auch mit einer Detektoranordnung frei im Raum bewegt werden ohne dass dies nachteilige Auswirkungen auf die interferometrische und/oder wellenlängenselektiven Erfassung des Auswertestrahls hätte. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Phasenmodulator faseroptisch mit dem Multiplexer gekoppelt. Der Phasenmodulator kann ergänzend oder alternativ hierzu unmittelbar mit einer den Signalpfad und/oder den Referenzstrahl führenden Faser gekoppelt und mechanisch mit dieser verbunden sein. So kann beispielsweise ein dem Phasenmodulator zugewandtes Faserende unmittelbar mit dem
Phasenmodulator mechanisch verbunden sein. Das betreffende Faserende und der Phasenmodulator können beispielsweise mittels eines Klebstoffs miteinander verbunden sein. Bei dem Klebstoff kann es sich um einen sogenannten Index
Matching Klebstoff handeln, welcher ein Index Matching zwischen der Faser und dem Phasenmodulator, insbesondere zwischen der Faser und einem Wellenleiter des Phasenmodulators bewirkt.
Durch die unmittelbare Kopplung von Faserende und Phasenmodulator wird eine freie Strahlpropagation zwischen dem Faserende und dem Phasenmodulator vermieden. Dies kann sich in montagetechnischer Hinsicht als auch zu
Wartungszwecken als vorteilhaft erweisen. Auch können etwaige Einkopplungs- sowie Auskopplungsverluste beim Übergang zwischen Faser und Phasenmodulator reduziert werden. Dies kann zu einer Verbesserung der Signalqualität und/oder Signalauswertung führen. Die unmittelbare optische Kopplung zwischen dem Faserende und dem
Phasenmodulator eignet sich insbesondere zur Miniaturisierung der
Abstandsmessanordnung, insbesondere des Messkopfs, in welchem beide, das Faserende und der Phasenmodulator angeordnet sind. Die unmittelbare Ankopplung der Faser an den Phasenmodulator ermöglicht ferner die Verwendung integrierter optischer Komponenten und/oder eine optisch integrierte Ausgestaltung des
Phasenmodulators im Messkopf.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Abstandsmessanordnung weist der Messkopf eine Optik auf, mittels welcher der Signalstrahl zum Objekt richtbar ist und/oder ein vom Objekt reflektierter Signalstrahl in den Messkopf einkoppelbar ist. Von Vorteil ist die Optik sowohl zur Beaufschlagung des Objekts mit dem Signalstrahl als auch zum Einkoppeln des vom Objekt reflektierten Signalstrahls in den Messkopf ausgestaltet. Der Messkopf und seine Optik sind folglich zur Messung des Abstandes zwischen dem Messkopf und dem Objekt in Reflexionsgeometrie ausgestaltet. Die
Verwendung und Implementierung lediglich einer einzigen Optik, beispielsweise einer Kollimationslinse ermöglicht eine in praktischer Hinsicht leicht handhabbare Positionierung des Messkopfs relativ zum Objekt. Mittels der Optik kann der
Messkopf in einem praktikablen Abstand zum Objekt, beispielsweise in einem
Abstand von mehreren Zentimetern platziert werden, sodass für die
Abstandsmessung bzw. für ein Abscannen der Oberfläche des Objekts zu dessen Oberfläche-und/oder Topologievermessung der Objektoberfläche eine Berührung von Messkopf und Objekt sicher ausgeschlossen werden kann. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Phasenmodulator eine der Optik zugewandte Stirnfläche auf, die eine Flächennormale aufweist, die gegenüber einer optischen Achse der Optik geneigt ausgerichtet ist. Zwischen der betreffenden Stirnfläche des Phasenmodulators und der Optik kann sich ein Freiraum befinden. Durch die geneigte Ausrichtung der Austrittsfläche oder Stirnfläche des
Phasenmodulator gegenüber der optischen Achse der Optik kann ein unweigerlich an der Stirnfläche entstehender Rückreflex des aus der Stirnfläche in Richtung Optik austretenden Signalstrahls unter einem vorgegebenen Neigungswinkel zur optischen Achse in den Phasenmodulator zurück reflektiert werden. Der Rückreflex befindet sich somit außerhalb des vom Objekt zurückreflektieren und in den Phasenmodulator eingekoppelten Signalstrahls. Eine Beeinträchtigung des Messsignals bzw. des
Signalstrahls durch einen Rückreflex am Ausgang des Phasenmodulators kann somit effektiv vermieden, beziehungsweise reduziert werden.
Der Neigungswinkel zwischen der Flächennormalen und der optischen Achse beträgt typischerweise zwischen 3° und 10°. Er kann zwischen 4° und 8°, alternativ zwischen 4° und 6° betragen. Bevorzugt beträgt der Winkel etwa 5°.
Es kann vorgesehen sein, dass der Phasenmodulator als solcher eine kubische oder rechteckige Geometrie aufweist und entsprechend des Neigungswinkels zwischen der Flächennormalen der der Optik zugeneigten Stirnfläche und der optischen Achse der Optik ebenfalls geneigt zur Längserstreckung des Gehäuses des Sensorkopfs ausgerichtet ist. Mit anderen Worten kann der Phasenmodulator eine längserstreckte Geometrie aufweisen und dem genannten Neigungswinkel entsprechend geneigt zur optischen Achse der Optik ausgerichtet sein. Aufgrund der geneigten Austrittsfläche des Phasenmodulators weist die optische Achse innerhalb des Messkopfs einen geometrischen Knick im Bereich der Austrittsfläche des Phasenmodulators auf.
Die Flächennormale der Austrittsfläche oder Stirnfläche des Phasenmodulators, welcher der Optik zugewandt ist kann geneigt zu einer Längsachse des
Phasenmodulators, etwa seiner Kristallkörpers oder seiner Schichtstruktur ausgerichtet sein. Der der Neigungswinkel zwischen der Längsachse des
Phasenmodulator so und der Flächennormalen der Austrittsfläche kann i.W.
identisch zu dem Neigungswinkel zwischen der Flächennormalen und der optischen Achse der nachgelagerten Optik sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Phasenmodulator zwischen dem
Auskoppelelement und der Optik im Signalpfad angeordnet. Es kann vorgesehen sein, das Auskoppelelement direkt eingangs des Phasenmodulators anzuordnen, um beispielsweise den über das Auskoppelelement vom Messstrahl ausgekoppelten Signalstrahl direkt und möglichst verlustfrei in den Phasenmodulator einzukoppeln. Es ist aber auch denkbar, dass der über das Auskoppelelement vom Messstrahl ausgekoppelte Signalstrahl eine gewisse Strecke frei propagiert und beispielsweise in ein dem Auskoppelelement zugewandtes Ende des Wellenleiters des
Kristallkörpers eingekoppelt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Abstandsmessanordnung weist diese ein Einkoppelelement auf, mittels welchem der Referenzstrahl und der vom Objekt reflektierte Signalstrahl zur Bildung eines Auswertestrahls miteinander kombinierbar sind. Der Referenzstrahl und der reflektierte Signalstrahl sind insbesondere räumlich überlagerbar, sodass diese beiden Strahlen kopropagierend von einer
Detektoranordnung erfassbar bzw. detektierbar sind. Der aus dem Referenzstrahl und dem reflektierten Signalstrahl gebildete Auswertestrahl bildet ein
Interferenzmuster, welches sich mit dem Abstand zwischen dem Auskoppelelement und dem Objekt ändert. Die Vermessung bzw. die datentechnische Erfassung der Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und des vom Objekt reflektierten
Signalstrahls ermöglicht eine Bestimmung des Abstandes zwischen dem
Auskoppelelement und der den Signalstrahl reflektierenden Oberfläche des Objekts.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Abstandsmessanordnung ferner eine Detektoranordnung zur interferometrischen und/oder wellenlängenselektiven
Erfassung des Auswertestrahls auf. Die Detektoranordnung kann insbesondere einen Demultiplexer aufweisen, mittels welchem der zumindest erste und der zumindest zweite Lichtstrahl unterschiedlicher Wellenlänge voneinander separierbar sind. Der Referenzstrahl umfasst zumindest einen ersten und einen zweiten Teil- Referenzstrahl bei jeweils einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge. Gleiches gilt für den Signalstrahl und für den vom Objekt reflektierten Signalstrahl. Ein Teil-Signalstrahl der ersten Wellenlänge interferiert mit dem Teil-Referenzstrahl der ersten Wellenlänge. Der Teil-Signalstrahl der zweiten Wellenlänge interferiert mit dem Teil-Referenzstrahl der zweiten Wellenlänge usw. Auch dritte und vierte Teil- Signalstrahl der dritten und vierten Wellenlängen, die sich von den ersten und zweiten Wellenlängen unterscheiden, können jeweils mit dritten und vierten Teil- Referenzstrahlen dritter und vierter Wellenlängen interferieren.
Mittels des Demultiplexers und der nachgeschalteten Detektoranordnung können die entsprechenden Auswertestrahlen, mithin die unterschiedlichen spektralen Anteile des Auswertestrahls separat und daher wellenlängenselektiv erfasst werden. Die Detektoranordnung kann insoweit mehrere optische Detektoren, beispielsweise Photodioden oder dergleichen optisch sensitive Sensoren aufweisen, welche jeweils dazu ausgebildet sind, die Interferenz des Auswertestrahls bezüglich einer vorgegebenen Wellenlänge zu detektieren.
Durch das gleichzeitige interferometrische und/oder wellenlängenselektive Erfassen einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen oder spektralen Anteile des
Auswertestrahls kann die Abstandsmessanordnung einen vergleichsweise großen Messbereich aufweisen. Die Kombination mehrerer Interferenzmuster auf Basis unterschiedlicher Wellenlängen vergrößert den Messbereich der
Abstandsmessanordnung auf mehrere Zentimeter. Insoweit kann die Abstandsmessanordnung als Heterodyn-Interferometer ausgestaltet sein.
Für die Ermittlung des Abstandes zu einem Objekt sind zwar mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen. Die Interferenzen der einzelnen
Lichtstrahlen werden jedoch separat gemessen und detektiert. Für die Bestimmung des Abstandes zum Objekt werden die einzelnen auf Basis unterschiedlicher
Wellenlängen gemessenen Interferenzen miteinander kombiniert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Messkopf einen Temperatursensor auf. Der Temperatursensor kann insbesondere mit einer Detektoranordnung oder mit einer Steuerung der Abstandsmessanordnung signaltechnisch verbunden sein.
Mittels des Temperatursensors können etwaige Temperatureinflüsse gemessen werden. Die Messung der Temperatur ermöglicht eine temperatursensitive bzw. temperaturabhängige Abstandsmessung. Mittels der Temperaturmessung kann z.B. eine rechnerische Kompensation etwaiger Temperatureffekte erfolgen.
Der Temperatursensor kann zum Beispiel ein Bragg Gräting, insbesondere ein Faser Bragg Gräting aufweisen, um z.B. eine Temperaturänderung des Phasenmodulators während des Betriebs messen zu können. Der Temperatursensor kann thermisch mit dem Phasenmodulator und/oder mit dem Gehäuse des Messkopfs gekoppelt sein.
Die gemessene Temperaturänderung kann entweder rechnerisch kompensiert werden oder aber der Sensorkopf kann mit einem Kühl- und/oder Heizelement, beispielsweise mit einem Peltier Element versehen sein, welches entsprechend der gemessenen Temperatur von der Steuerung der Abstandsmessanordnung
ansteuerbar ist. Die Steuerung kann insoweit dazu ausgestaltet sein, die Temperatur des Messkopfs in Abhängigkeit der am Phasenmodulator gemessenen Temperatur zu regeln, insbesondere konstant zu halten. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Phasenmodulator mehrere Schichten aus n-dotierten und/oder p-dotierten Halbleitermaterialen, insbesondere InP, InGaAs, SiN oder Silizium auf einem Isolator auf. Derartige Halbleitermaterialien ermöglichen eine weitere Miniaturisierung des Phasenmodulators. Die einzelnen
Halbleiterschichten können zur Bildung des Phasenmodulators auf einem Trägersubstrat angeordnet, insbesondere mittels gängiger Beschichtungsverfahren, etwa chemischer Gasphasenabscheidung CVD, Plasma unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung PECVD (plasma enhaced chemical vapor deposition) und/oder mittels Sputtern oder dergleichen aufgebracht sein.
Der Phasenmodulator kann insbesondere eine Kombination verschiedener lll-V Materialien, d. h. Materialien der 3. und der 5. Hauptgruppe, beispielsweise eine Kombination von mehreren Lagen InP und InGaAs, jeweils mit unterschiedlichen Dotierungen (n und p) sowie mit unterschiedlichen Dotierungsdichten aufweisen. Beispielweise kann der Phasenmodulator zur Bereitstellung eines elektrooptischen Effekts einen lll-V Halbleiterübergang aufweisen, der dann über eine angelegte Spannung, beispielsweise mit einer Kontaktierung von oben und von unten oder von der Seite eine Modulation des Brechungsindex der betreffenden Schichten bewirkt. Die Verwendung eines Phasenmodulators auf Basis von Halbleitermaterialien ermöglicht eine integrierte Fertigung des Phasenmodulators sowie seiner Anbindung an eine Faser. So kann der Phasenmodulator von einer photonisch integrierten Schaltung bereitgestellt sein oder in eine photonisch integrierte Schaltung integriert sein. Halbleitermaterialien ermöglichen ferner die Bereitstellung eines
Phasenmodulators in Form eines Chips, beispielsweise eines integrierten optischen und/oder photonischen Chips, welcher als Baustein für eine integrierte optische Ausgestaltung des Phasenmodulator bzw. des Messkopfs fungieren kann. Die photonisch integrierte Schaltung und/der Phasenmodulator können in Form eines photonischen Chips vorliegen.
Die genannten Halbleitermaterialien können bereits bei Anlegen einer
vergleichsweise geringen Spannung eine verhältnismäßig große
Brechungsindexmodulation bereitstellen. Für eine Phasenverschiebung von 180° kann bei einem etwa 2 - 3 mm langen auf Halbeleitermaterial basierten
Phasenmodulator bereits eine Spannung von 5-8 V ausreichend sein. Vergleichbare Effekte mit Lithiumniobat erfordern einen Kristall, der etwa um das Drei- bis Vierfache länger ist.
Der Phasenmodulator kann insbesondere als photonisch integrierte Struktur ausgestaltet sein. Der auf Halbleiterbasis bereitgestellte Phasenmodulator kann ferner einen Wellenleiter bzw. eine wellenleitende Struktur aufweisen, die sich entlang der Längsrichtung des Phasenmodulators erstreckt. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann insbesondere für einen auf Halbleitertechnik basierenden Phasenmodulator ein Spot-Size Konverter vorgesehen sein, welcher zwischen dem dem Modulator zugewandten Faserende und der dem Faserende zugewandten Eingangsseite des Phasenmodulators angeordnet ist. Der
Phasenmodulator bzw. dessen Wellenleiter kann beispielsweise für Strahlen mit einer Strahlbreite (FWHM) zwischen 3 μιτι und 10 μιτι ausgelegt sein. Der Spot-Size Konverter kann eine möglichst verlustfreie Kopplung zwischen der Faser und dem Phasenmodulator bereitstellen. Ein Spot-Size Konverter kann ferner auch an der Ausgangsseite des Phasenmodulators, d. h. der Optik des Messkopfs zugewandt angeordnet sein. Der Phasenmodulator und der Spot-Size Konverter können beide in einem photonischen Chip integriert sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner einen Messkopf für eine zuvor beschriebene Abstandsmessanordnung. Der Messkopf umfasst ein Gehäuse, eine faseroptische Kopplung, einen Phasenmodulator und eine Optik. Insbesondere ist der Phasenmodulator der Abstandsmessanordnung einzig in jenem Messkopf angeordnet und ist in diesen integriert. Die faseroptische Kopplung des Messkopfs ermöglicht ein faseroptisches Verbinden und Trennen von der übrigen
Abstandsmessanordnung. Hierdurch wird es ermöglicht, ein und dieselbe
Abstandsmessanordnung mit unterschiedlichen Meßköpfen zu versehen.
Insbesondere kann die Abstandsmessanordnung mit mehreren, jeweils
unterschiedlich konfigurierten Meßköpfen ausgestaltet werden. Diese können sich durch ihre konkrete optische Ausgestaltung, insbesondere durch die Art und Weise ihrer jeweiligen Phasenmodulatoren voneinander unterscheiden. Sämtliche zuvor beschriebenen Merkmale der Abstandsmessanordnung, die den Phasenmodulator und/oder den Messkopf und/oder die Optik des Messkopfs betreffen gelten gleichermaßen auch für den isoliert zu betrachtenden Messkopf.
Nach einem weiteren Aspekt ist ferner ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt vorgesehen. Das Verfahren umfasst hierbei die Schritte der Erzeugung zumindest eines ersten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls einer ersten Wellenlänge sowie den Schritt der Erzeugung zumindest eines zweiten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls einer zweiten Wellenlänge. Die erste und die zweiten Wellenlänge sind dabei unterschiedlich. In einem weiteren Schritt werden der zumindest erste Lichtstrahl und der zumindest zweite Lichtstrahl in einem gemeinsamen Messstrahl miteinander kombiniert oder miteinander gekoppelt. Der gemeinsame Messstrahl enthält somit mehrere spektrale und für sich betrachtet interferenzfähige Anteile.
Der Messstrahl wird anschließend in einen Referenzstrahl und in einen Signalstrahl räumlich aufgeteilt. Der Referenzstrahl propagiert entlang eines Referenzpfads und der Signalstrahl propagiert entlang eines Signalpfads. Das Verfahren umfasst ferner ein zeitlich periodisches Modulieren der Phase des Signalstrahls mittels eines Phasenmodulators. Der Phasenmodulator ist im Signalpfad angeordnet.
Typischerweise umfasst das Verfahren noch weitere Schritte, die bei Verwendung der zuvor beschriebenen Abstandsmessanordnung zwangsläufig durchgeführt werden. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Verfahren unter Verwendung der zuvor beschriebenen Abstandsmessanordnung durchgeführt wird und dass die zuvor beschriebene Abstandsmessanordnung zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Insoweit treffen sämtliche zuvor beschriebenen
Merkmale, Vorteile und erläuterten Funktionen der Abstandsmessanordnung gleichermaßen für das hier vorgesehene Verfahren zu; und umgekehrt.
Das Verfahren kann ferner ein Kombinieren eines vom Objekt reflektierten
Signalstrahls mit dem Referenzstrahl zur Bildung eines Auswertestrahls umfassen. Der reflektierte Signalstrahl kann ebenfalls durch den Phasenmodulator propagieren und demgemäß eine weitere Phasenmodulation erhalten. Der so gebildete
Auswertestrahl kann schließlich in seine einzelnen spektralen Komponenten, welche für sich betrachtet interferenzfähig sind, aufgeteilt werden. Die einzelnen spektralen Anteile des Auswertestrahls können alsdann mittels gesonderter Detektoren detektiert werden. Die Detektoren sind typischerweise zur Messung einer Intensität des Auswertestrahls bzw. seiner spektralen Komponenten ausgebildet. Der Auswertestrahl trägt ferner ein Interferenzmuster bzw. eine Phaseninformation zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Signalstrahl. Indem die Phase des Signalstrahls zeitlich periodisch mittels des Phasenmodulators so moduliert, d. h. geändert wird, ist diese Änderung auch am Detektor der Detektoranordnung erkennbar.
Es ist nach einer weiteren Ausgestaltung insbesondere vorgesehen, dass der Auswertestrahl bzw. seine spektralen Komponenten zeitlich gemittelt bzw. über einen vorgegebenen Zeitraum erfasst werden während die Phase des Signalstrahl moduliert wird. Die zeitlich gemittelte und mittels der Detektoren erfasste Intensität des Auswertestrahl ermöglicht somit eine besonders präzise Messung der relativen Phasenlage zwischen dem reflektierten Signalstrahl und dem Referenzstrahl. Die Präzision der Phasenmessung und damit auch die Präzision der Abstandsmessung kann auf diese Art und Weise gesteigert werden.
Die mittels des Phasenmodulators konkret vorgenommene Phasenmodulation ist einer Steuerung der Abstandsmessanordnung natürlich bekannt. Sie wird bei der interferometrischen und/oder wellenlängenselektiven Erfassung und Auswertung des Auswertestrahl berücksichtigt.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Computerprogramm zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt. Das Computerprogramm ist dabei von einer Auswerteeinheit oder von einer Steuerung ausführbar, die datentechnisch mit einer zuvor beschriebenen Abstandsmessanordnung gekoppelt ist. Das
Computerprogramm umfasst Programmmittel zum Ansteuern eines
Phasenmodulators, welcher im Signalpfad der Abstandsmesseinrichtung angeordnet ist. Die Program mm ittel zum Ansteuern des Phasenmodulators sind dazu ausgestaltet, die Phase des Signalstrahls zeitlich periodisch zu modulieren. Die Programmmittel sind insbesondere dazu ausgebildet, die Phase des Signalstrahls kontinuierlich und stetig zu modulieren. Beispielsweise sind die Programmmittel dazu ausgestaltet, die Phase des Signalstrahls sinusförmig und/oder zeitlich periodisch zu modulieren. Das Connputerprogrannnn umfasst ferner Programmmittel zur interferometrischen und/oder wellenlängenselektiven Auswertung eines mittels einer Detektoranordnung erfassten Auswertestrahls. Insbesondere ist das Programmmittel für die Auswertung des erfassten Auswertestrahl dazu ausgestaltet, ein an einem Detektor der
Detektionseinrichtung vorliegendes Intensitätssignal über die Zeit zu integrieren und schließlich über die Zeit zu mittein. Ein über die Zeit integriertes Detektionssignal ist schließlich für die relative Phasenlage zwischen den jeweiligen spektralen Anteilen des reflektierten Signalstrahls und des Referenzstrahls kennzeichnend. Das Computerprogramm ist insbesondere von der Auswerteeinheit oder der
Steuerung der zuvor beschriebenen Abstandsmessanordnung durchführbar. Insoweit gelten sämtliche zuvor beschriebenen Merkmale, Vorteile und Funktionen der Abstandsmessanordnung auch gleichermaßen für das Computerprogramm; und umgekehrt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der
Abstandsmessanordnung, des Verfahrens zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt sowie des Computerprogramms werden in der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Abstandsmessanordnung, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines einen Kristall körper aufweisenden Phasenmodulators, welcher als elektrooptischer Modulators ausgestaltet ist,
Fig. 3 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Messkopfs der Abstandsmessanordnung,
Fig. 4 der Messkopf gemäß Fig. 3 in Seitenansicht,
Fig. 5 eine Draufsicht auf den Messkopf gemäß der Figuren 3 und 4 von oben, Fig. 6 einen Querschnitt entlang A-A gemäß Fig. 5 durch den Kristal Ikörper und
Fig. 7 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt.
Fig. 8 eine geschnitten Perspektive Darstellung einer Ausgestaltung des
Messkopfs,
Fig. 9 eine Draufsicht auf den Messkopf gemäß Fig. 8 von oben,
Fig. 10 eine vergrößerte Darstellung des Messkopfs im Bereich der Schnittstelle zwischen Phasenmodulator und Optik, und
Fig. 1 1 eine vergrößerte Darstellung des Messkopfs im Bereich der Schnittstelle zwischen optischer Faser und Phasenmodulator,
Fig. 12 eine weitere schematische Darstellung eines Messkopfs mit einem photonischen Chip. Detaillierte Beschreibung
Im Blockschaltbild der Fig. 1 ist eine Abstandsmessanordnung 10 schematisch dargestellt. Die Abstandsmessanordnung 10 ist als Mehrwellenlängeninterferometer ausgestaltet. Die Abstandsmessanordnung 10 weist eine Lichtquelle 12 zur
Erzeugung zumindest eines ersten monochromatischen interferenzfähigen
Lichtstrahls 12.1 und zumindest eines zweiten monochromatische und
interferenzfähigen Lichtstrahls 12.2 ausgestaltet. Der erste Lichtstrahl 12.1 und der zweite Lichtstrahl 12.2 weisen je eine erste und eine zweite Wellenlänge auf, die unterschiedlich sind.
Die Lichtquelle 12 kann insbesondere zur Erzeugung weiterer monochromatischer und interferenzfähiger Lichtstrahlen, beispielsweise eines dritten Lichtstrahls 12.3 sowie eines vierten Lichtstrahls 12.4 ausgebildet sein. Die Lichtquelle 12 selbst kann hierzu mehrere Laserlichtquellen aufweisen, welche jeweils zur Erzeugung des zumindest ersten, zweiten aber auch zumindest eines dritten und/oder vierten Lichtstrahls unterschiedlicher Wellenlänge ausgebildet sind. Die Wellenlängen der von der Lichtquelle 12 erzeugbaren interferenzfähigen Lichtstrahlen liegen
typischerweise im Infrarotbereich. Sie können in einem Bereich zwischen 1520 nm und 1630 nm liegen.
Die Abstandsmessanordnung 10 weist ferner einen Multiplexer 14 auf, mittels welchem die unterschiedlichen Lichtstrahlen 12.1 , 12.2, 12.3, 12.4 in einen gemeinsamen Messstrahl M eingekoppelt oder zu einem gemeinsamen Messstrahl M kombinierbar sind. Der gemeinsame Messstrahl M kann zumindest zwei monochromatische und für sich betrachtet interferenzfähige Spektralanteile aufweisen. Die Lichtquelle 12 kann ebenfalls faseroptisch mit dem Multiplexer 14 gekoppelt sein. Insbesondere kann der gemeinsame Messstrahl M bis zu vier unterschiedliche und jeweils interferenzfähige Spektralanteile aufweisen. Der Multiplexer 14 kam faseroptisch mit der Lichtquelle 12 gekoppelt sein. Insbesondere kann der
Multiplexer 14 faseroptisch implementiert sein. Der Ausgang des Multiplexers 14 kann eine einzige Glasfaser 41 aufweisen, die in einen Koppler 16 mündet. Auch der Koppler 16 kann faseroptisch konzipiert sein. Er kann beispielsweise einen faseroptischen Zirkulator umfassen. Ein Ausgang des Kopplers 16 ist über eine Faser 40 mit einem Messkopf 18 optisch gekoppelt. Für andersartige
Ausgestaltungen der Abstandsmessanordnung kann der Koppler 16 auch als teilreflektierender Spiegel oder als Strahlteiler ausgestaltet sein.
Ein weiterer Ausgang des Kopplers 16 ist über eine Glasfaser 42 mit einer
Detektoranordnung 28 optisch gekoppelt. Der Messkopf 18 ist in den Figuren 3 bis 5 näher skizziert. Der Messkopfs 18 weist ein Gehäuse 19 auf. Die Glasfaser 40, welche mit einem Ende mit dem Koppler 16 verbunden ist mündet in das Innere des Gehäuses 19 des Messkopfs 18. Für einen definierten Anschluss kann die Faser 40 eine Fasermuffe 48 aufweisen.
Die Glasfaser 40 endet innerhalb des Gehäuses 19 des Messkopfs 18. Sie kann ein Faserende 44 aufweisen, welches in der Fasermuffe 48 fixiert ist. Die Fasermuffe 48 kann ferner fest mit dem Gehäuse 19 des Messkopfs 18 verbunden sein. Das Faserende 44 weist eine Faserendfläche 46 auf. Die Faserendfläche 46 fungiert vorliegend sowohl als Auskoppelelement 45 als auch als Einkoppelelement 80. Das Faserende 44 bzw. die Faserendfläche 46 separiert sozusagen den vom Koppler 16 ankommenden Messstrahl M in einem Signalstrahl S und in einen Referenzstrahl R. Der Referenzstrahl wird von der Faserendfläche 46 zurückreflektiert. Er propagiert folglich entlang eines Referenzpfad RP zurück durch die Glasfaser 40 in den Koppler 16. Der aus dem Faserende 44 und somit von der Faserendfläche 46 austretende Signalstrahl S propagiert entlang eines Signalpfads SP und durch einen
Phasenmodulator 60. Ausgangs des Phasenmodulator weist der Sensorkopf 18 eine Optik 78, beispielsweise in Form einer Linse oder eines Linsensystems auf, mittels welcher der Signalstrahl S auf eine reflektierende Oberfläche des Objekts 20 fokussierbar ist. Von dort wird der Signalstrahl S zumindest zum Teil reflektiert. Der vom Objekt 20 reflektierte Signalstrahl S' kann über die Optik 78 wieder in
entgegengesetzter Richtung zum ursprünglichen Signalstrahl S in den
Phasenmodulator 60 eingekoppelt werden und in entgegengesetzter Richtung zum ursprünglichen Signalstrahl S durch den Phasenmodulator 60 propagieren.
Alsdann kann der reflektierte Signalstrahl S' über ein Einkoppelelement 80 wieder in die Glasfaser 40 eingekoppelt werden. In der Glasfaser können der Referenzstrahl R und der reflektierte Signalstrahl S' miteinander interferieren. Dass sich hierbei ergebende Interferenzmuster bzw. die relative Phasenlage zwischen dem
reflektierten Signalstrahl S' und dem Referenzstrahl R gibt Aufschluss über den Abstand zwischen dem Auskoppelelement 45 und der reflektierenden Oberfläche des Objekts 20.
Das Einkoppelelement 80 kann ebenfalls von der Faserendfläche 46 verwirklicht sein. In der vorliegenden Ausgestaltung fungiert die Faserendfläche 46 sowohl als Auskoppelelement 45 als auch als Einkoppelelement mittels welcher ausgehend von einer Messstrahl M ein Referenzstrahl R und ein Signalstrahl S voneinander separiert und mittels welchem ein reflektierte Signalstrahl S' wieder mit dem
Referenzstrahl kombiniert werden kann. Die vorliegende Ausgestaltung ist rein exemplarisch. Es sind mannigfaltige andere Ausgestaltung oder andere Interferometer-Implementierungen für die Abstandsmessanordnung 10,
beispielsweise nach dem Mach-Zehnder oder Michelson-Prinzip denkbar. Der Referenzstrahl, welcher entlang des Referenzpfads RP von dem
Auskoppelelement 45 bzw. von der Faserendfläche 46 durch die Glasfaser 40 in Richtung zum Koppler 16 propagiert, wird mit dem von der Oberfläche des Objekts 20 reflektierten Signalstrahl S', welcher entlang des Signalpfad SP propagiert überlagert. Die Überlagerung des Referenzstrahls R und des vom Objekt 20 reflektierten Signalstrahl S' wird nachfolgend als Auswertestrahl A bezeichnet.
Der Auswertestrahl A propagiert in der Glasfaser 40 vom Messkopf 18 zum Koppler 16. Im Koppler 16 wird der Auswertestrahl A über die weitere Glasfaser 42 zur Detektoranordnung 28 geleitet. Die Detektoranordnung 28 weist einen Demultiplexer 26 auf, welcher die interferenzfähigen Spektralanteile des Auswertestrahls A räumlich separiert und diese einzeln den nachgeschalteten Detektoren 28.1 , 28.2, 28.3, 28.4 zuführt. So kann der Detektor 28.1 auf die erste Wellenlänge des ersten Lichtstrahls 12.1 abgestimmt sein. Der weitere Detektor 28.2 kann auf die zweite Wellenlänge des zumindest zweiten Lichtstrahls 12.2 abgestimmt sein. Gleiches gilt für den dritten Detektor 28.3 und für den vierten Detektor 28.4. Die Wellenlängen bzw. die spektralen Anteile des Auswertestrahls, welche jeweils gesondert von den einzelnen Detektoren 28.1 , 28.2, 28.3 und 28.4 detektierbar und messbar sind entsprechen den Wellenlängen der von der Lichtquelle 12 erzeugten Lichtstrahlen. Die Detektoranordnung 28 weist ferner eine Datenerfassungseinheit 30 auf, welche die Signale der einzelnen Detektoren 28.1 , 28.2, 28.3, 28.4 messtechnisch aufbereitet. Die Datenerfassungseinheit 30 kann beispielsweise als FPGA (Field Programmable Gate Array), d. h. als feldprogrammierbares Gitter ausgestaltet sein. Die Datenerfassungseinheit weist typischerweise einen oder mehrere Analog-Digital- Wandler auf, mittels welchen die von den einzelnen Detektoren 28.1 , 28.2, 28.3 oder 28.4 erzeugbaren analogen Signale in digitale Signale unwandelbar sind.
Sind insgesamt beispielsweise vier interferenzfähige Lichtstrahlen 12.1 , 12.2, 12.3, 12.4 unterschiedlichen Wellenlängen vorgesehen so gibt es jeweils vier spektrale Anteile bzw. vier Teilstrahlen des Messstrahls. Mithin weist auch der Referenzstrahl vier einzelne Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge auf. Selbiges trifft für den Signalstrahl und für den vom Objekt reflektierten Signalstrahl zu. Der
Auswertestrahl kann alsdann ebenfalls vier Paare von miteinander interferierenden Teilstrahlen des Referenzstrahls und des reflektierten Signalstrahls umfassen.
Die Datenerfassungseinheit 30 ist ferner mit einer Steuerung 24 der
Abstandsmessanordnung 10 gekoppelt. Die Steuerung 24 ist mit einem Verstärker 22 gekoppelt, welcher wiederum ein Steuersignal für den Phasenmodulator 60 verstärkt. Die Steuerung 24 ist zur Erzeugung eines Steuersignals für den
Phasenmodulator 60 ausgestaltet. Die Steuerung 24 ist ferner mit einer externen Auswerteeinheit 50 datentechnisch koppelbar. Die externe Auswerteeinheit 50 kann beispielsweise als Computer, so z.B. als Tablet PC ausgebildet sein. Die externe Auswerteeinheit 50 kann ferner auch direkt mit der Datenerfassungseinheit 30 gekoppelt sein, um die von der Datenerfassungseinheit 30 aufgenommenen
Datensignale zu verarbeiten.
Die Steuerung 24 ist insbesondere zur Erzeugung eines zeitlich periodisch
variierenden Steuersignals ausgestaltet, welches mittels des Verstärkers 22 hinsichtlich seiner Signalamplitude verstärkt wird. Das verstärkte Steuersignal wird dem Phasenmodulator 60 zugeführt, um die Phase des Signalstrahl S bzw. des reflektierten Signalstrahl S' zeitlich periodisch zu variieren bzw. zu modulieren.
Während der zeitlichen Modulation findet keine oder nur eine vernachlässigbare Relativbewegung zwischen dem Messkopf 18 und dem Objekt 20 statt. Die
Phasenmodulation führt zu einer sich periodisch ändernden Intensitätsverteilung an den Detektoren 28.1 , 28.2, 28.3, 28.4. Über eine zeitliche Mittelung der
Intensitätsmodulation an den Detektoren kann die genaue Phasenlage für die betreffende Wellenlänge bzw. für die betreffenden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge bestimmt werden.
In Fig. 2 ist schematisch die Funktionsweise des Phasenmodulator 60 skizziert. Der Phasenmodulator 60 ist als elektrooptischer Modulator 61 ausgestaltet. Er weist einen Kristallkörpers 62 mit einem sich in Längsrichtung durch den Kristallkörper 62 erstreckenden Wellenleiter 64 auf. Der von links auf den Kristallkörpers 62 auftreffende Signalstrahl propagiert in Längsrichtung durch den Kristallkörpers 62. In transversaler Richtung, d. h. senkrecht zur Propagationsrichtung des Signalstrahl S wird an den Kristallkörpers 62 ein elektrisches Feld angelegt. Die elektrooptische Modulation führt zu einer Brechungsindexänderung entlang des Wellenleiters 64 gemäß der folgenden Gesetzmäßigkeit:
<p(t) = (2π/λ) L An(t) = (π/λ) n 3 r V(t) (L/d), mit λ als Wellenlänge des Lichtstrahls, V(t) einer von der Steuerung 24 erzeugten zeitlich variierenden Spannung, mit d als dem Abstand zwischen den Elektroden, L der Länge der Propagationsstrecke des Lichtstrahls durch den Kristallkörper und An(t) als der spannungsinduzierten Änderung des Brechungsindex. Diese bestimmt sich aus n, dem unmodifizierten Brechungsindex des Materials in der jeweils gewählten Geometrie, wobei r den effektiven elektrooptischen Tensor des
Kristallkörpers darstellt, welcher von der jeweiligen Kristallausrichtung abhängt.
In der Darstellung gemäß der Figuren 3 bis 6 ist ferner gezeigt, dass der Wellenleiter 64 an einer Außenoberfläche, mithin an einer Oberseite 66 des Kristallkörpers 62 ausgebildet bzw. angeordnet ist. In Propagationsrichtung betrachtet links und rechts vom Wellenleiter 64 befinden sich zwei Elektroden 72, 74, welche sich zueinander parallel als auch parallel zum Wellenleiter 64 erstrecken. Die Elektroden 72, 74 erstrecken sich in etwa entlang der gesamten Längserstreckung des Wellenleiters. Der Wellenleiter 64 erstreckt sich insbesondere durch den gesamten Kristallkörper 62. Er weist ein dem Faserende 44 zugewandtes Ende 63 auf, welches in eine dem Faserende 44 zugewandte Stirnfläche des Kristallkörpers 62 mündet.
Gegenüberliegend weist der Wellenleiter 64 ein der Optik 78 zugewandtes Ende 65 auf, welches in eine der Optik 78 zugewandte Stirnfläche des Kristallkörpers 62 mündet. Der Wellenleiter 64 und die beiden Elektroden 72, 74 befinden sich an ein und derselben Oberfläche 66 des Kristallkörpers 62. Wie insbesondere im Querschnitt gemäß Fig. 6 gezeigt können die sich in etwa bogenförmig zwischen den Elektroden 72, 74 erstreckenden elektrischen Feldlinien 75 in etwa transversal durch den Wellenleiter 64 erstrecken. D. h. die Richtung der Feldlinien 75 verläuft in etwa senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters 64.
Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden 72, 74 kann nahezu ohne Zeitverzögerung eine entsprechende Phasenmodulation auf den Signalstrahl S bzw. den reflektierten Signalstrahl S' aufmoduliert werden. Mittels des elektrooptischen Phasenmodulators 60 können Modulationsfrequenzen im Bereich oberhalb von 1 kHz, oberhalb von 2 kHz, oberhalb von 5 kHz oder auch oberhalb von 10 oder 100 kHz realisiert werden. Die Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit, insbesondere für das Abscannen einer Oberfläche des Objekts 20 können auf diese Art und Weise gesteigert werden. Eine Modulationsfrequenz von mehr als 1 kHz oder mehreren Kilohertz ermöglicht ein zügiges Abscannen einer Oberfläche des Objekts 20. Der Abstand zu einzelnen Messpunkten auf der Oberfläche des Objekts kann mit größer werdender Modulationsfrequenz zügiger ermittelt werden. Insofern erlaubt die Steigerung der Modulationsfrequenz der Phasenmodulation eine Steigerung der Geschwindigkeit einer abscannenden Bewegung des Messkopfs 18 relativ zum Objekt 20, etwa um dessen Oberfläche zu vermessen.
In Fig. 7 ist schließlich ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt 20 schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 100 wird beispielsweise mittels der Lichtquelle 12 zumindest ein erster
monochromatischer und interferenzfähiger Lichtstrahl 12.1 einer ersten Wellenlänge erzeugt. Im nachfolgenden Schritt 102 wird gleichzeitig hierzu zumindest ein zweiter monochromatischer und interferenzfähiger Lichtstrahl einer zweiten Wellenlänge erzeugt, wobei sich die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge
unterscheidet.
Im nachfolgenden Schritt 104 werden der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl zur Bildung eines gemeinsamen Messstrahls gekoppelt oder kombiniert bzw.
überlagert. Der so gebildete Messstrahl wird im nachfolgenden Schritt 106 in einen Referenzstrahl R und in einen Signalstrahl aufgeteilt. Der Referenzstrahl propagiert entlang eines Referenzpfad RP und der Signalstrahl S propagiert entlang eines Signalpfad SP. Der Signalstrahl wird im weiteren Schritt 108 mittels des
Phasenmodulators zeitlich periodisch hinsichtlich seiner Phasenlage moduliert. Weitere optionale Verfahrensschritte sehen gemäß der bestimmungsgemäßen Verwendung der zuvor beschriebenen Abstandsmessanordnung 10 vor, den vom Objekt 20 reflektierten Signalstrahl S' mit dem Referenzstrahl R zu überlagern und hierdurch einen ein Interferenzmuster beinhaltenden Auswertestrahl A zu erzeugen.
Der Auswertestrahl A wird hinsichtlich seiner spektralen Anteile entsprechend der zumindest ersten und zweiten unterschiedlichen Wellenlängen wieder räumlich aufgeteilt. Die einzelnen spektralen Anteile werden alsdann gesondert mittels einer Detektoranordnung 28 detektiert. Hierbei werden die jeweiligen Intensitäten am Detektor gemessen während der Signalstrahl nach wie vor zeitlich periodisch moduliert wird. Dies führt zu einer entsprechenden Modulation der an den einzelnen Detektoren messbaren Lichtintensität. Über eine zeitliche Mittelung kann schließlich eine präzise Aussage über die relative Phasenlage des jeweiligen spektralen Anteils von reflektiertem Signalstrahl und Referenzstrahl getroffen werden, die wiederum Rückschlüsse über den absoluten Abstand zwischen dem Auskoppelelement 45 und der Oberfläche des Objekts 20 ermöglicht.
Die Figuren 8-1 1 zeigen eine Implementierung eines Messkopfs 18, welcher ein Gehäuse 19 aufweist, in welchem ein Phasenmodulator 60 und eine Optik 78 angeordnet sind. Eine optische Faser, insbesondere eine Glasfaser 40 kann mittels einer Faserkopplung 86 lösbar am Messkopf 18 angeordnet sein. Sie kann aber auch unlösbar und fest mit dem Messkopfs 18 verbunden sein. Das Gehäuse 19 weist einen Fortsatz 19a auf, an dessen freien Ende die Optik 78, beispielsweise in Form einer sphärischen oder asphärischen Linse 78 angeordnet ist. Die Faserkopplung 86 kann beispielsweise als faserimplementierte Steckverbindung ausgestaltet sein.
Der Phasenmodulator 60 weist vorliegend eine längserstreckte rechteckige
Geometrie auf. Der Phasenmodulator 60 kann beispielsweise als Lithiumniobat Kristall, wie zuvor in den Figuren 3 - 6 beschrieben, ausgestaltet sein. Alternativ kann der Phasenmodulator 60 mehrere Schichten aus n-dotierten und/oder p-dotierten Halbleitermaterialen aufweisen. Der Phasenmodulator 60 kann als integrierter photonischer Phasenmodulator, beispielsweise in einen photonischen Chip 161 , wie in Fig. 12 gezeigt, implementiert sein. Das dem Phasenmodulator 60 zugewandte Faserende 44 kann insbesondere unmittelbar mit einer Eintritts- oder Stirnfläche 83 des Phasenmodulator 60 mechanisch verbunden sein. Es ist insbesondere denkbar, dass ein freiliegendes Faserende 44 mittels eines Klebstoffs mit der Stirnfläche 83 des Phasenmodulators 60, beispielsweise des Kristallkörpers 62 oder mit der Stirnfläche 183 einer
Halbleiterschichtstruktur 162, wie in Fig. 12 angedeutet, verbunden ist. Eine möglichst direkte Kopplung zwischen Phasenmodulator 60 und Faserende 44 ist für eine verlustfreie Signalübertragung von Vorteil . Für die adhäsive Verbindung zwischen dem Faserende 44 und einer Eintrittsfläche 83 des Phasenmodulators 60 ist insbesondere ein sogenannter Index Matching Klebstoff vorgesehen, welcher auf den Brechungsindex der Faser 40 und/oder den Brechungsindex des Wellenleiters 64 abgestimmt ist.
Der Messkopf 18 kann optional mit einem Temperatursensor 90 ausgestaltet sein. Dieser kann mit der Steuerung 24 der Abstandmessanordnung 10 signaltechnisch verbunden sein. Mittels des Temperatursensors 90 kann die Temperatur des Messkopfs 18 und/oder des Phasenmodulators 60 präzise ermittelt werden. Dies ermöglicht eine aktive Temperaturregelung, beispielsweise mit einem weiteren optionalen Kühl- und/oder Heizelement (nicht dargestellt) oder aber die rein rechnerische Kompensation etwaiger Temperatureinflüsse auf das Messsignal.
Der Messkopf 18 weist ferner eine elektrische Steckverbindung 82 auf, die eine elektrische Kontaktierung der Elektroden 72, 74 mit dem Verstärker 22 ermöglicht. Die elektrische Verbindung zwischen der Steckverbindung 82 und den entlang dem Wellenleiter 64 verlaufenden Elektroden 72, 74 ist aus Gründen einer möglichst übersichtlichen Darstellung nicht explizit gezeigt.
Wie insbesondere anhand Fig. 9 erkennbar ist eine Längsachse des
Phasenmodulators 60 gegenüber einer optischen Achse O der Optik 78 geringfügig geneigt. Jener Neigungswinkel W beträgt in der Darstellung gemäß Fig. 10 etwa 5°. Er kann zwischen 3° und 10° variieren. Diesem Neigungswinkel W entsprechend ist der Phasenmodulator 60 auch geneigt zur Längserstreckung des Fortsatzes 19a ausgerichtet. Gleichermaßen kann die Flächennormale der Stirnfläche 85 um den Winkel W geneigt zur Längsachse des Phasenmodulators 60, beispielsweise des Kristallkörpers 62 ausgerichtet sein.
Die Flächennormale einer der Optik 78 zugewandten Stirnfläche 85 des
Phasenmodulators 60 erstreckt sich ebenfalls unter einem Neigungswinkel W. Jene geneigte Ausgestaltung der austrittsseitigen Stirnfläche 85 des Phasenmodulators 60 führt dazu, dass ein unweigerlich an der Austrittsfläche 85 entstehender Rückreflex RF des auf das Objekt gerichteten Signalstrahls S außerhalb des vom Objekt 20 reflektierten Signalsstrahl S' verläuft und somit nicht mit dem Signalstrahl S' überlagert. Eine Beeinträchtigung des vom Objekt 20 reflektierten und über die Optik 78 wieder in den Phasenmodulator 60 eingekoppelten Signalstrahls S' durch einen Rückreflex RF kann somit vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert werden.
In Fig. 1 1 ist die mechanische Anbindung des Faserende 44 an die Stirnfläche 83 des Kristallkörpers 62 gezeigt. Ein von einer Faserummantelung 40a freigelegte Faserkern 40b steht in direktem mechanischen Kontakt zur Stirnfläche 83 des Phasenmodulators 60, insbesondere in direktem mechanischen Kontakt mit dem Wellenleiter 64 des Phasenmodulators 60. Für die mechanische Anbindung kann ein Index Matching Klebstoff vorgesehen sein. Die weitere Darstellung gemäß Fig. 12 zeigt rein schematisch eine weitere
Implementierung eines Phasenmodulators 160, welcher in einen sogenannten photonischen Chip 161 integriert ist. Der photonische Chip 161 kann im oder am Messkopf 18 angeordnet sein. Der photonische Chip 161 weist ein Substrat 100 mit einer Schichtstruktur 162 aus mehreren unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten auf. In der Schichtstruktur 162 befindet sich ebenfalls ein Wellenleiter 164. Das
Faserende 44 kann ebenfalls unmittelbar an die Schichtstruktur 162 angeklebt sein. Das Faserende 44 kann aber auch unter Einhaltung eines Luftspalts optisch mit dem photonischen Chip 161 und mit dem Phasenmodulator 160 gekoppelt sein. Der photonische Chip kann ferner zumindest einen sogenannten Spot-Size
Konverter 1 10 aufweisen, welcher zwischen dem Faserende 44 und einer
eintrittsseitigen Stirnfläche 183 des Phasenmodulator 160 angeordnet ist.
Gleichermaßen kann auch zwischen einer austrittsseitigen Stirnfläche 185 und der Optik 78 ein weiterer Spot-Size Konverter 1 10 vorgesehen sein. Eine Flächennormale der Austrittsfläche des Spot-Size Konverters 1 10, welche der Optik 78 zugewandt ist, kann ebenfalls, wie zuvor zur Ausgestaltung der Fig. 10
beschrieben, ebenfalls gegenüber der optischen Achse der Optik 78 unter einem vorgegebenen Winkel W geneigt ausgerichtet sein, um Rückreflexe in den
Phasenmodulator 160 zu vermeiden.
Mittels eines Spot-Size Konverters kann die die durch die Faser 40 vorgegebene Strahlgeometrie, insbesondere eine Strahlgröße oder ein Strahlquerschnitt auf die Anforderungen des Wellenleiters 164 angepasst werden. Typischerweise kann mittels des ebenfalls auf dem Chip 161 angeordneten Spot-Size Konverters 1 10 die Strahlgröße oder Strahlgeometrie ausgehend von der Faser 40 für den Wellenleiter 164 verkleinert werden.
In oder an der Schichtstruktur 162 können ein oder mehrere Elektroden 172, 174 für eine elektrisch zu induzierende Brechungsindexmodulation vorgesehen sein. Der als photonischer Chip ausgestaltete Phasenmodulator 160 kann insbesondere als elektrooptischer Phasenmodulator oder als thermooptischer Phasenmodulator ausgestaltet sein. Die Implementierung als photonischer Chip ermöglicht eine
massenfertigungstaugliche und besonders kosteneffiziente Fertigung. So können in einem oder in mehreren Prozessschritten auf einem einzigen Wafer gleichzeitig mehrere solcher Phasenmodulatoren 160 hergestellt und konfiguriert werden. Das unter Umständen unmittelbar mit der frontseitigen Stirnfläche 83, 183 des Phasenmodulator 60, 160 verbundene Faserende 44 kann sowohl als
Auskoppelelement 45 als auch als Einkoppelelement 80 für den Referenzstrahl bzw. reflektierten Signalstrahl fungieren. Die Stirnfläche 83, 183 des Phasenmodulators 60, 160 kann mit einer Spiegelschicht versehen, bzw. beschichtet sein. Bei
Implementierung eines photonischen Chips 161 kann eine entsprechende, d. h. der Faser 40 zugewandte Kante des Chips 161 als Spiegelfläche zur Bildung des Referenzstrahls bzw. zur Aufteilung des Messstrahls in Referenzstrahl und
Signalstrahl fungieren. Die Spiegelfläche kann einen Reflexionsgrad von mehr als 30 %, mehr als 50 % und bis zu 99 % aufweisen. Optional kann der in Fig. 12 gezeigte Phasenmodulator 160 auch thermisch mit einem Temperatursensor 190 gekoppelt sein. Der Temperatursensor 190, welcher zum Beispiel ein Fiber-Bragg Gräting aufweist, kann als photonisch integrierte Schaltung implementiert sein und auf demselben Substrat 100 wie der
Phasenmodulator 160 angeordnet sein. Mithin können der Temperatursensor 190 und der Phasenmodulator 160 bzw. die Halbleiterschichtstruktur 162 gemeinsam in den photonischen Chip 161 integriert sein. Der Temperatursensor 190 kann ähnlich wie der zuvor beschriebene Temperatursensor 90 daten- oder signaltechnisch mit der Steuerung 24 gekoppelt sein.
Bezug sze ich en l iste
10 Abstandsmessanordnung
12 Lichtquelle
14 Multiplexer
16 Koppler
18 Kopf
19 Gehäuse
19a Fortsatz
20 Objekt
22 Verstärker
24 Steuerung
26 Demultiplexer
28 Detektoranordnung
28.1 Detektor
28.2 Detektor
28.3 Detektor
28.4 Detektor
30 Erfassungseinheit
40 Glasfaser
44a Faserummantelung
44b Faserkern
41 Glasfaser
42 Glasfaser
44 Faserende45Auskoppelelement
46 Faserendfläche
48 Fasermuffe
50 Auswerteeinheit
60 Phasenmodulator
61 elektrooptischer Modulator
62 Kristall körpers
63 Ende
64 Wellenleiter
65 Ende 66 Oberfläche
72 Elektrode
74 Elektrode
75 Feldlinien
78 Optik
80 Einkoppelelement
82 elektrische Steckverbindung
83 Stirnfläche
85 Stirnfläche
86 faseroptische Kopplung
90 Temperatursensor
100 Substrat
1 10 Spot-Size Konverter 60 Phasenmodulator
161 photonischer Chip
162 Schichtstruktur
164 Wellenleiter
172 Elektrode
174 Elektrode
183 Stirnfläche
85 Stirnfläche
190 Temperatursensor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Abstandsmessanordnung zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt (20), wobei die Abstandsmessanordnung folgendes umfasst: zumindest eine Lichtquelle (12) zur Erzeugung zumindest eines ersten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls (12.1 ) einer ersten Wellenlänge und zur Erzeugung zumindest eines zweiten
monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls (12.2) einer zweiten Wellenlänge, einen Multiplexer (14) zum Koppeln oder Kombinieren des zumindest ersten Lichtstrahls (12.1 ) und des zumindest zweiten Lichtstrahls (12.2) in einen gemeinsamen Messstrahl (M), einem Auskoppelelement (45) zum Aufteilen des Messstrahls (M) in einen Referenzstrahl (R) und in einen Signalstrahl (S), wobei der
Referenzstrahl (R) entlang eines Referenzpfads (RP) und wobei der
Signalstrahl (S) entlang eines Signalpfads (SP) propagiert, einen Phasenmodulator (60; 160), welcher im Signalpfad (SP) angeordnet ist und welcher dazu ausgestaltet ist, die Phase des
Signalstrahls (S) zeitlich periodisch zu modulieren.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 1 , wobei der Phasenmodulator (60; 160) einen elektrooptischen Modulator (61 ) aufweist.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 2, wobei der elektrooptische Modulator (61 ) einen Kristall körper (62) und zumindest zwei elektrisch mit dem Kristallkörper (62) verbundene elektrisch ansteuerbare Elektroden (72, 74) aufweist. Abstandsmessanordnung nach Anspruch 3, wobei der Kristallkörper (62) einen Lithiumniobat Kristall, einen Kaliumdihydrogenphosphat Kristall oder einen Galliumarsenid Kristall aufweist.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Kristallkörper (62) einen Wellenleiter (64) aufweist.
Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die Elektroden (72, 74) an einer gemeinsamen Oberfläche (66) des Kristallkörpers (62) anliegen.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 5 und 6, wobei sich die Elektroden (72, 74) parallel zueinander und entlang einer Längsrichtung des
Wellenleiters (64) erstrecken.
Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner einen Messkopf (18) aufweist, in oder an welchem der Phasenmodulator (60; 160) angeordnet ist.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 8, wobei der Messkopf (18) faseroptisch mit dem Multiplexer (14) gekoppelt ist.
Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Phasenmodulator (60; 160) faseroptisch mit dem Multiplexer (14) gekoppelt ist.
Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei der Messkopf (18) eine Optik (78) aufweist, mittels welcher der Signalstrahl (S) zum Objekt (20) richtbar ist und/oder ein vom Objekt (20) reflektierter Signalstrahl (S') in den Messkopf (18) einkoppelbar ist.
12. Abstandsmessanordnung nach Anspruch 1 1 , wobei eine der Optik (78) zugewandte Stirnfläche (85) des Phasenmodulators (60; 160) eine Flächennormale (N) aufweist, die gegenüber einer optischen Achse der Optik (78) geneigt ausgerichtet ist.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei der
Phasenmodulator (60; 160) zwischen dem Auskoppelelement (45) und der Optik (78) im Signalpfad (SP) angeordnet ist.
Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner ein Einkoppelelement (80) aufweist, mittels welchem der Referenzstrahl (R) und der vom Objekt (20) reflektierte Signalstrahl (S') zur Bildung eines Auswertestrahls (A) miteinander kombinierbar sind.
Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Detektoranordnung (28) zur interferometrischen und/oder wellenlängenselektiven Erfassung des Auswertestrahls (A) aufweist.
16. Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Messkopf (18) einen Temperatursensor (90; 190) aufweist. 17. Abstandsmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Phasenmodulator (160) mehrere Schichten aus n-dotierten und/oder p-dotierten Halbleitermaterialen, insbesondere InP, GaAs, InGaAs, SiN und/oder Silizium auf einem Isolator aufweist. 18. Messkopf (18) für eine Abstandsmessanordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, welcher ein Gehäuse (19), eine faseroptische Kopplung, einen Phasenmodulator (60: 160) und eine Optik (78) aufweist.
19. Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt (20), mit den Schritten:
Erzeugung zumindest eines ersten monochromatischen und interferenzfähigen Lichtstrahls (12.1 ) einer ersten Wellenlänge, Erzeugung zumindest eines zweiten monochromatischen und
interferenzfähigen Lichtstrahls (12.2) einer zweiten Wellenlänge,
Koppeln oder Kombinieren des zumindest ersten Lichtstrahls (12.1 ) und des zumindest zweiten Lichtstrahls (12.2) in einen gemeinsamen Messstrahl (M),
Aufteilen des Messstrahls (M) in einen Referenzstrahl (R) und in einen Signalstrahl (S), wobei der Referenzstrahl (R) entlang eines Referenzpfads (RP) und wobei der Signalstrahl (S) entlang eines Signalpfads (SP) propagiert, zeitlich periodisches Modulieren der Phase des Signalstrahls (S) mittels eines Phasenmodulators (60; 160), welcher im Signalpfad (SP) angeordnet ist.
Computerprogramm zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt (20), welches von einer Auswerteeinheit (50) oder einer Steuerung (24) ausführbar ist, die datentechnisch mit einer Abstandsmessanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17 gekoppelt ist, wobei das
Computerprogramm folgendes umfasst:
Programmmittel zum Ansteuern eines Phasenmodulators (60), welcher im Signalpfad (SP) der Abstandsmesseinrichtung (10) angeordnet ist, wobei die Programmmittel dazu ausgestaltet sind, die Phase des Signalstrahls (S) zeitlich periodisch zu modulieren,
Programmmittel zur interferometrischen und/oder
wellenlängenselektiven Auswertung eines mittels einer Detektoranordnung (28) erfassten Auswertestrahls (A).
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