JP2019049535A - 干渉法距離測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明による装置の有利な実施形態は、従属請求項に記載された手段から得られる。
本発明による干渉法距離測定装置は、少なくとも3つの異なる波長を有する光線束を提供し、かつその格子定数が、発生された波長に同調された少なくとも3つの異なるブラッグ格子を含有するファイバレーザとして形成された多波長光源を含む。さらに、光線束を測定光線束および基準光線束に分割する干渉計ユニットが設けられ、この場合、測定光線束は測定アーム内で測定反射器の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、基準光線束は基準アーム内で定置基準反射器の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受ける。測定および基準反射器から逆反射された測定および基準光線束は干渉して干渉光線束内において重なる。波長ごとにそれぞれ位相がずれた複数の部分干渉信号を発生するように、検出ユニットを介して干渉光線束の分割が行われる。さらに、異なる波長の部分干渉信号から測定反射器に関する絶対位置情報を決定するように適合された信号処理ユニットが設けられている。
ポンプ光源を含み、
1つ以上のレーザ作動ファイバ内に組み込まれた少なくとも3つのブラッグ格子を含み、この場合、ブラッグ格子の各々は大きさπの位相ジャンプを有し、
ポンプ光源から放射されたポンプ光線が、それを介して少なくとも1つのレーザ作動ファイバ内に連結可能な連結光学装置を含むことが可能である。
a)ブラッグ格子の有効格子長さの0%と50%の間のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバは、1つの格子定数を有するブラッグ格子を備えた第1格子部分、異なる格子定数を有する2つの重なりブラッグ格子を備えた第2格子部分並びに異なる格子定数を有する3つの重なりブラッグ格子を備えた第3格子部分を有し、または
b)ブラッグ格子の有効格子長さの50%と100%の間のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバは、1つの格子定数のブラッグ格子を備えた第1格子部分および異なる格子定数を有する2つの重なりブラッグ格子を備えた第2格子部分を有し、または
c)ブラッグ格子の有効格子長さの100%のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバは、1つの格子定数のブラッグ格子を備えた格子部分のみを有してもよい。
a)少なくとも1つのレーザ作動ファイバに所定の機械的張力を付勢する圧電アクチュエータユニット、
b)少なくとも1つのレーザ作動ファイバを所定温度に調節する温度調節ユニット、
c)少なくとも1つのレーザ作動ファイバ用ポンプ光源の所定ポンプ電流を調節する電源の少なくとも1つを含んでもよい。
λ1、λ2、λ3=多波長光源の放射波長
干渉計ユニットは、光線分割ユニット、少なくとも1つの測定方向に沿って可動な測定反射器、定置基準反射器並びに光線結合ユニットを含むことが有利であり、この場合、光線分割ユニットを介して、光線束の、測定および基準光線束への分割が行われ、光線結合ユニットを介して、測定および基準反射器から逆反射された測定および基準光線束の干渉光線束への重ね合わせが行われる。
さらに、検出ユニットは、少なくとも1つの分割素子、少なくとも1つの偏光素子並びに少なくとも9つの光学電子検出器素子からなる後置検出器配列を含むように設計されていてもよい。少なくとも1つの分割素子および少なくとも1つの偏光素子を介して、干渉光線束の、少なくとも3つのグループの干渉光線束への波長に依存した分割が行われ、この場合、少なくとも3つの干渉光線束の各々は、それぞれ位相がずれた少なくとも3つの部分干渉光線束を含む。
波長ごとに異なる波長の位相がずれた電気部分干渉信号から位相値を決定するように、
位相値から、それぞれ異なる合成波長に付属された複数の差位相を形成するように、
追加の粗位置測定を介して得られた粗位置信号並びに差位相を介して測定反射器に関する高精度絶対位置情報を決定するように適合されていることが有利である。
さらに、複数の個別光源を有する場合に対して、異なる波長の複数の光線束をただ1つの共線的光線束にする費用のかかる調節が不必要となる。
上記のように、多波長光源10は、ファイバレーザとして、しかもいわゆるDFBファイバレーザ(DFB、分布フィードバック)の形で形成されている。図2に示すように、ファイバレーザは、中心部品として、適切にドーピングされたファイバコアを有するレーザ作動ファイバ13を含む。ファイバ13内に、連結光学装置12を介して、ファイバの正面側に、ポンプ光源11から放射された、レーザ放射を励起するための光ポンプ光源が連結される。ポンプ光源11として、この場合、976nmの波長を有するポンプ光線を放射するGaAlAsダイオードレーザの形のいわゆる半導体レーザが使用されてもよい。
λ1=1560nm、λ2=1547,11nm、λ3=1534,32nm
3つのブラッグ格子の格子定数di(i=1...3)とそれぞれに付属の波長λi(i=1...3)の間の関係は、この場合、次式により得られる。
λi=放射波長
ni=波長λiにおけるレーザ作動ファイバの屈折率
di=ブラッグ格子の格子定数
i=1、2、3
したがって、エルビウムがドーピングされたレーザ作動ファイバ13の屈折率n1=n2=n3=1,45を用いて、上に例として与えられた波長λ1=1560nm、λ2=1547,11nm、λ3=1534,32nmに対して、付属のブラッグ格子の次の格子定数が得られる。
d1=537,93nm、d2=533,49nm、d3=529,07nm
図2、3並びに6からわかるように、レーザ作動ファイバ13は、この二分割のファイバホルダ14内に機械的に保持される。図6の断面図に示すように、ファイバホルダ14の下部部分は溝形状ないしはV形状の凹部14.1を有し、凹部内にファイバ13が支持される。ファイバホルダ14の上部部分は板状に形成されかつ凹部14.1を被覆する。
さらに、図2および3に、それぞれ概略図で示された圧電アクチュエータユニット15並びに温度調節ユニット16が、ファイバ13のレーザ作動領域に隣接して示されている。これらの部品は、以下に詳細に説明されるように、調節要素として働き、それに、制御ユニット24が、特に所定の波長λ1、λ2、λ3を有するレーザ光線を発生させるように作用する。このために、レーザ作動ファイバ13から放射された、ポンプ波長のフィルタリングのために予めポンプ光フィルタ19を通過した光線束Sの一部が、分離素子20により、フィルタ22および吸収セル21を介して光検出器23に供給され、その出力信号が制御ユニット24に供給される。例えばWDMカップラとして形成されたポンプ光フィルタ19を介して、場合によりまだ光線束S内に含まれているポンプ光部分がフィルタリングされ、これにより、これがそれに続く信号経路内に到達して、そこで例えば光学部品を損傷させることはない。レーザ作動ファイバ13に作用させるために、制御ユニット24を介して、次に、圧電アクチュエータユニット15により、ファイバホルダ14内に挟み付けられたファイバ13のレーザ作動領域にかかる機械的張力が所定のように変化されてもよい。さらに、温度調節ユニット16を介して、ファイバ13のレーザ作動領域の温度を所定のように変化させることが可能である。さらに、希望の波長λ1、λ2、λ3の正確な周波数を保証するために、制御ユニット24を介して、ポンプ光源11のポンプ電流に所定の方法で作用する可能性もまた存在する。制御ユニット24の作動方法のより詳細な説明に関しては、図5の以下の説明が参照される。
図示のように、λ/4板35を通過した後に、回転、線形偏光されたEフィールドから構成された、干渉計ユニットを介して発生された干渉光線束IFが、検出ユニット40に到達する。ここで、第1分割素子41および後置された偏光素子43を介して、干渉光線束IFの、相互に位相がずれた干渉光線束IF90、IF210、IF330への分割が行われる。この場合、第1分割素子41は、それに入射した干渉光線束IFをはじめに空間的に分離された3つの干渉光線束に分割する反射位相格子として形成されている。偏光素子43は、相互にそれぞれ60°だけ回転された偏光方向を有する3つの線形偏光フィルタを含みかつ分割素子41から分離された3つの干渉光線束はそれぞれ120°だけ位相がずれた干渉光線束IF90、IF210、IF330に変換されるように作用する。第1分割素子41および偏光素子42を介しての位相がずれた3つの干渉光線束IF90、IF210、IF330への分割は、図面平面に対して垂直に行われ、すなわち、図7の図においては、偏光素子43の後方に存在する分割された3つの干渉光線束IF90、IF210、IF330は個々に確認可能ではない。3つの干渉光線束IF90、IF210、IF330は、次に、同様に反射位相格子の形に形成されている第2分割素子42に到達する。第2分割素子42を介して、位相がずれた3つの干渉光線束IF90、IF210、IF330の波長に依存した分割が行われ、これにより、それに続いて波長λ1、λ2、λ3ごとにそれぞれ、位相がずれた3つの部分干渉光線束、すなわち、図7には詳細に示されていない全部で9つの部分干渉光線束が存在する。部分干渉光線束は、転向素子44および画像化光学装置45を介して、次に検出器配列46に到達し、検出器配列は、ここでは9つの電気光学検出器素子46.1−46.3を含み、この場合、図7の図においては、それらのうちの一部分のみが確認可能である。画像化光学装置45は、この場合、個々のレンズとしてまたはレンズ配列として形成され、代替態様として、転向素子44と組み合わされてただ1つの構成部品に形成されていてもよい。検出器配列46ないしはその検出器素子46.1−46.9により、9つの部分干渉光線束が検出されかつ9つの電気部分干渉信号Sλ1_90、Sλ1_210、Sλ1_330、Sλ2_90、Sλ2_210、Sλ2_330、Sλ3_90、Sλ3_210、Sλ3_330に変換され、これらは、次に、信号処理ユニットにおいて後続処理される。図7においては、この場合、発生された全体で9つの部分干渉信号Sλ1_90、Sλ1_210、Sλ1_330、Sλ2_90、Sλ2_210、Sλ2_330、Sλ3_90、Sλ3_210、Sλ3_330のうちの3つの部分干渉信号Sλ1_90、Sλ2_90、Sλ3_90のみが示されている。
λ1、λ2、λ3=多波長光源の放射波長
値CAF1およびCAF2は、10と200の間で選択されることが好ましい。
ΔΦ12=Φλ1−Φλ2 (式5a)
第2合成波長Λ2に対して、差位相ΔΦ23の決定が、差位相計算ユニット54.2によって次式により行われる。
ΔΦ23=Φλ2−Φλ3 (式5b)
このように決定された両方の差位相ΔΦ12、ΔΦ23から、次に、差位相計算ユニット54.3により第3合成波長Λ3の差位相ΔΦが次式により決定される。
ΔΦ=ΔΦ12−ΔΦ23 (式5c)
上記のように決定された第1および第3合成波長Λ1、Λ3の両方の差位相ΔΦ12並びにΔΦは、その後に、波長λ1の位相値Φλ1と同様に位置決定ユニット55に供給される。
次に、それに続くステップにおいて、第1合成波長Λ1の差位相ΔΦ12により、測定反射器の絶対距離LΛ1が決定される。ここで、これは、第1波長λ1の信号周期SPΛ1より小さい、すなわち、この例においては390nmより小さい精度で行われる。絶対距離LΛ1は、この場合、次式により決定される。
具体的に説明された実施例のほかに、本発明の範囲内において、さらに他の形態可能性が存在することは当然である。
多波長光源内において、ただ1つのレーザ作動ファイバ内にブラッグ格子を組み込む代わりに、ファイバホルダ内に相互に平行に複数のファイバを配置しかつ各ファイバ内に1つのブラッグ格子のみを組み込むように設計されていてもよい。
本発明による干渉法距離測定装置は、測定および/または校正の課題における上記の使用のほかに、表面の撮像測定に使用されてもよい。それぞれの表面は、この場合、測定反射器として使用されかつ分散して形成されていてもよく、このような使用の場合、そのために、測定反射器は可動に配置されていない。表面ないしは測定反射器の点状走査および表面の各点までの絶対距離の決定により、このようにして、それぞれの表面地形が検出可能である。
11 ポンプ光源
11.1 電源
12 連結光学装置
13、113、213、313 レーザ作動ファイバ
13.1、113.1、213.1、313.1 ブラッグ格子
13.2、113.2、213.2、313.2 位相ジャンプ
13.3 ファイバカバー
13.4 ファイバコア
13.5 ストレス要素
14 ファイバホルダ
14.1 凹部
15 圧電アクチュエータユニット
16 温度調節ユニット
17 固定点
18 固定点
19 ポンプ光フィルタ
20 分離素子
21 吸収セル
22 フィルタ
23 光検出器
24 制御ユニット
25 分離素子
26 光素子
30 干渉計ユニット
31 光線分割ユニット、光線結合ユニット
32 光線分割面、光線結合面
33 測定反射器
34 基準反射器
35 λ/4板
40 検出ユニット
41 第1分割素子
42 第2分割素子
43 偏光素子
44 転向素子
45 画像化光学装置
46 検出器配列
46.1−46.3 光学電子検出器素子、電気光学検出器素子
50 信号処理ユニット
51.1、51.2、51.3 増幅器
52.1、52.2、52.3 AD変換器
53.1−53.3 位相計算ユニット
54.1、54.2、54.3 差位相計算ユニット
55 位置決定ユニット
56 光子素子
57 時間ディジタル変換器ユニット
A 光線領域
AL 吸収線
B 光線領域
C 詳細
d1、d2、d3 格子定数
E 偏光軸
IF 干渉光線束
L 絶対位置情報、絶対距離
LN レーザニードル
M 測定光線束
R 基準光線束
S 光線束
Sλ 部分干渉信号
STOF 光子
TOF 粗位置信号
V オフセット距離
x 測定方向
λ1、λ2、λ3 波長
π 大きさ
Φλ1、Φλ2、Φλ3 位相値
ΔΦ12、ΔΦ23、ΔΦ 差位相
Claims (15)
- 少なくとも3つの異なる波長(λ1,λ2,λ3)を有する光線束(S)を提供し、かつその格子定数(d1,d2,d3)が、発生された波長(λ1,λ2,λ3)に同調された少なくとも3つの異なるブラッグ格子(13.1_λ1,13.1_λ2,13.1_λ3;113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3;213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3;313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)を含有するファイバレーザとして形成された多波長光源(10)を含み、
光線束(S)を測定光線束(M)および基準光線束(R)に分割する干渉計ユニット(30)を含み、この場合、測定光線束(M)は測定アーム内で測定反射器(33)の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、基準光線束(R)は基準アーム内で定置基準反射器(34)の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、測定および基準反射器(33,34)から逆反射された測定および基準光線束(M,R)は干渉して干渉光線束(IF)内において重なり、
波長(λ1,λ2,λ3)ごとにそれぞれ位相がずれた複数の部分干渉信号(Sλ1_90,Sλ1_210,Sλ1_330,Sλ2_90,Sλ2_210,Sλ2_330,Sλ3_90,Sλ3_210,Sλ3_330)を発生するように、それを介して干渉光線束(IF)の分割が行われる検出ユニット(40)を含み、および
異なる波長(λ1,λ2,λ3)の部分干渉信号(Sλ1_90,Sλ1_210,Sλ1_330,Sλ2_90,Sλ2_210,Sλ2_330,Sλ3_90,Sλ3_210,Sλ3_330)から測定反射器(33)に関する絶対位置情報(L)を決定するように適合された信号処理ユニット(50)を含む干渉法距離測定装置。 - 多波長光源(10)は、少なくとも、次の部品を含み、すなわち、
ポンプ光源(11)を含み、
1つ以上のレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)内に組み込まれた少なくとも3つのブラッグ格子(13.1_λ1,13.1_λ2,13.1_λ3;113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3;213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3;313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)を含み、この場合、ブラッグ格子(13.1_λ1,13.1_λ2,13.1_λ3;113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3;213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3;313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)の各々は大きさπの位相ジャンプ(13.2;113.2;213.2;313.2)を有し、
ポンプ光源(11)から放射されたポンプ光線が、それを介して少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)内に連結可能な連結光学装置(12)を含む請求項1に記載の装置。 - 少なくとも3つのブラッグ格子(13.1_λ1,13.1_λ2,13.1_λ3)は、ファイバ伸長方向に沿って、少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13)内に完全に重なって配置され、これにより、全てのブラッグ格子(13.1_λ1,13.1_λ2,13.1_λ3)の位相ジャンプ(13.2)は同じ位置に位置する請求項2に記載の装置。
- 少なくとも3つのブラッグ格子(113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3;213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3;313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)は、ファイバ伸長方向に沿って、所定のオフセット距離(V)だけ相互にずれて配置され、これにより、全てのブラッグ格子(113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3;213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3;313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)の位相ジャンプ(113.2;213.2;313.2)はファイバ伸長方向に沿って同様にオフセット距離(V)だけ相互にずれている請求項2に記載の装置。
- 3つのブラッグ格子の場合でかつ
a)ブラッグ格子の有効格子長さの0%と50%の間のオフセット距離(V)においては、レーザ作動ファイバ(113)は、1つの格子定数(d1,d2,d3)を有するブラッグ格子(113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3)を備えた第1格子部分(113.1a)、異なる格子定数(d1,d2,d3)を有する2つの重なりブラッグ格子(113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3)を備えた第2格子部分(113.1b)並びに異なる格子定数(d1,d2,d3)を有する3つの重なりブラッグ格子(113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3)を備えた第3格子部分(113.1c)を有し、または
b)ブラッグ格子の有効格子長さの50%と100%の間のオフセット距離(V)においては、レーザ作動ファイバ(213)は、1つの格子定数(d1,d2,d3)のブラッグ格子(213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3)を備えた第1格子部分(213.1a)および異なる格子定数(d1,d2,d3)を有する2つの重なりブラッグ格子(213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3)を備えた第2格子部分(213.1b)を有し、または
c)ブラッグ格子の有効格子長さの100%のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバ(313)は、1つの格子定数(d1,d2,d3)のブラッグ格子(313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)を備えた格子部分(313.1a)のみを有する請求項4に記載の装置。 - 少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)は、所定の偏光方向を有するレーザ光線を放射する、エルビウムがドーピングされた単一モードガラス繊維として形成されている請求項2に記載の装置。
- 少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)は、ファイバホルダ(14)内で2つの固定点(17,18)間に張力が与えられて配置され、かつ少なくとも3つのブラッグ格子(113.1_λ1,113.1_λ2,113.1_λ3;213.1_λ1,213.1_λ2,213.1_λ3;313.1_λ1,313.1_λ2,313.1_λ3)は、ファイバホルダ(14)内で両方の固定点(17,18)間の領域内に配置されている請求項2に記載の装置。
- 制御ユニット(24)は、所定の波長(λ1,λ2,λ3)を有するレーザ光線を発生させるために、1つ以上の調節要素を介して多波長光源(10)に作用し、この場合、制御ユニット(24)の入力信号として、異なる波長(λ1,λ2,λ3)の1つのみの光信号から導かれた電気信号が機能する請求項2に記載の装置。
- 調節要素は、次の手段、すなわち、
a)少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)に所定の機械的張力を付勢する圧電アクチュエータユニット(15)、
b)少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)を所定温度に調節する温度調節ユニット(16)、
c)少なくとも1つのレーザ作動ファイバ(13;113;213;313)用ポンプ光源(11)の所定ポンプ電流を調節する電源(11.1)の少なくとも1つを含む請求項8に記載の装置。 - 干渉計ユニット(30)は、光線分割ユニット(31)、少なくとも1つの測定方向(x)に沿って可動な測定反射器(33)、定置基準反射器(34)並びに光線結合ユニット(31)を含み、光線分割ユニット(31)を介して、光線束(S)の、測定および基準光線束(M,R)への分割が行われ、光線結合ユニット(31)を介して、測定および基準反射器(33,34)から逆反射された測定および基準光線束(M,R)の干渉光線束(IF)への重ね合わせが行われる請求項1ないし10のいずれかに記載の装置。
- 光線分割ユニット(31)および光線結合ユニット(31)は共通して光線分割器立方体に形成されている少なくとも請求項11に記載の装置。
- 検出ユニット(40)は、少なくとも1つの分割素子(41,42)、少なくとも1つの偏光素子(43)並びに少なくとも9つの光学電子検出器素子(46.1,...46.9)からなる後置検出器配列(46)を含み、この場合、少なくとも1つの分割素子(41,42)および少なくとも1つの偏光素子(43)を介して、干渉光線束(IF)の、少なくとも3つのグループの干渉光線束(IF90,IF210,IF330)への波長に依存した分割が行われ、少なくとも3つのグループの干渉光線束(IF90,IF210,IF330)の各々は、それぞれ位相がずれた少なくとも3つの部分干渉光線束を含む請求項1ないし12のいずれかに記載の装置。
- 検出ユニット(40)は2つの分割素子(41、42)を含み、分割素子(41)を介して、位相がずれた複数の干渉光線束(IF90,IF210,IF330)への分割が行われ、他の分割素子(42)を介して、複数の部分干渉光線束への波長に依存した分割が行われる請求項13に記載の装置。
- 信号処理ユニット(50)は、
波長(λ1,λ2,λ3)ごとに異なる波長(λ1,λ2,λ3)の位相がずれた電気部分干渉信号(Sλ1_90,Sλ1_210,Sλ1_330,Sλ2_90,Sλ2_210,Sλ2_330,Sλ3_90,Sλ3_210,Sλ3_330)から位相値(Φλ1,Φλ2,Φλ3)を決定するように、
位相値(Φλ1,Φλ2,Φλ3)から、それぞれ異なる合成波長(Λ1,Λ2,Λ3)に付属された複数の差位相(ΔΦ12、ΔΦ23およびΔΦ)を形成するように、
追加の粗位置測定を介して得られた粗位置信号(TOP)並びに差位相(ΔΦ12、ΔΦ23およびΔΦ)を介して測定反射器(33)に関する高精度絶対位置情報(L)を決定するように適合されている請求項1ないし14のいずれかに記載の装置。
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