SE460382B - Foerfarande foer att faststaella en upptraedande diskrepans mellan tvaa optiska vaegstraeckor samt anordning anpassad foer utfoerande av foerfarandet - Google Patents

Description

460, 382 2 För att begränsa denna beskrivning över teknikens tidigare ståndpunkt kom- mer den efterföljande beskrivningen över kända tekniska utvecklingar att begränsa sig till bestämningen utav avstånd.

I beroende av hur stora avstånd som skall uppmätas, samt vilken noggrannhet och övriga krav som ställs på mätningen, erbjudes olika metoder för optisk avståndsbestämning.

För-att få en närmare anpassning till förutsättningarna för föreliggande uppfinning behandlas enbart de aktiva metoder, där en laserstrålning tillå- tes bära en information om den sökta distansen.

Beroende på laserljuskällans korta våglängd är dess rumsupplösning oslagbar _jämförd med andra typer av sändare, som t.ex. ultraljud och mikrovågssän- dare.

Två principiellt olika typer av metoder, utnyttjade laserljusstrålen, kan särskiljas; interferometriska metoder och modulationsmetoder.

Dessutom kan nämnas andra optiska metoder, som kan begagna sig av laser- ljusstrålar, t.ex. trianguleringsmetoden.

De interferometriska metoderna kan endast användas för mätningar av distan- ser kortare än ungefär halva laserns koherenslängd, d.v.s. i praktiken under ca 50 meters avstånd. Då dessa metoder bygger på den kända Michelsons interferometerprincipen måste en retroreflektor transporteras på en släde över mätsträckans hela längd. Under denna transport räknas en interferens- frans för varje halv ljusvâgslängds förflyttning. De ackumulerade antalet interferensfransar ger så den totala sträckan, när ljusvåglängden är känd.

En variant av denna metod begagnar tvâ fasta våglängder, en s.k. tvåvåg- längdsinterferometer, där skillnadsfrekvensens, fasberoende av avståndet relativt sändaren, ger distansen. Man kan generalisera denna metod till flera fasta våglängder än två.

Dessa metoder är oerhört noggranna (tiondels mikrometer eller bättre), men tar lång tid att genomföra och kräver normalt att mätobjektet kan transpor- teras till en mätplatsl De kräver dessutom relativt dyra 3 460 382 frekvensstabiliserade lasrar, och i många sammanhang är faktiskt erhållen noggrannhet onödigt stor.

Mätningar av längre distanser, med hjälp av laserljus, baseras på olika metoder att mäta den tid som ljuset behöver för att passera den sträcka som skall mätas. I de elektrooptiska metoderna användes laserljuset som bärvåg för en högfrekvent modulering. Amplitud, frekvens eller polarisationsmodule- ringar kan användas. Informationen om avståndet ligger då i modulationsfa- sen hos det återvändande laserljuset.

Med en retroreflektor på 5-km avstånd från lasersändaren är någon centi- meter en typisk noggrannhet för ett avancerat system.

När höga modulationsfrekvenser användes, för att uppnå en god distansupp- lösning, måste flera modulationsfrekvenser användas för att antalet modula- tionscykler i fördröjningen skall kunna bestämmas. Ett specialfall av amp- litudmodulering är att använda korta laserpulser (nanosekunder) och direkt mäta tidsfördröjningen för den reflekterade strålningen. Här användes kraf- tiga GaAs, Nd-YAG, rubin eller kvävelasrar.

Gemensamt för dessa modulationsmetoder är att noggrannheten bestäms till största delen av elektronikens snabbhet. Elektrooptiska komponenter, nöd- vändiga för att modulera det kontinuerliga laserljuset, är dessutom dyr- bara. Trots snabb och dyr utrustning blir noggrannheten inte större än några millimetrar som bäst.

Ytterligare ett exempel på ett förfarande för elektrooptisk avståndsmätning samt en anordning för genomförande av förfarandet utnyttjande laserljus- strålar är beskrivet i den europeiska patentskriften 10 064.

REDOGURELSE FOR FURELIGGANDE UPPFINNING.

TEKHISKT PROBLEM Under beaktande av teknikens tidigare ståndpunkt, såsom den beskrivits ovan, mäste det framstå såsom ett tekniskt problem att med enkla medel kunna skapa förutsättningar för att fastställa en uppträdande diskrepans mellan tvâ ljusstrâlar, var och en passerande en av två optiska vägsträckor och där detta fastställande kan ske med en noggrannhet som är större än den noggrannhet som erbjuds vid elektrooptiska eller pulsade metoder. 460 saze Det är vidare ett tekniskt problem att kunna skapa sådana förutsättningar att angivet fastställande av nämnda diskrepans kan ske lika snabbt eller snabbare än vid de elektrooptiska eller pulsade metoderna, vad gäller ut- nyttjad mättid.a Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att kunna fastställa en uppträdande diskrepans genom att utnyttja billiga och enkla komponenter.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att under utnyttjande av samma strålgång som föreslås vid Michelsons interferometerprincip kunna skapa förutsättningar för att lösa de ovan angivna tekniska problemen utan att därför behöva utnyttja rörliga delar och därmed inte heller kräva en spegelförflyttning för önskad avståndsbestämning.

Det måste också få anses vara ett kvalificerat tekniskt övervägande att kunna komma till den insikten att istället för att variera avståndet i en Michelsens interferomteruppställning vid ett känt fast vâgtal för att fast- ställa en distans ge anvisningar om en möjlighet att kunna variera vâgta- let, genom en frekvensändring av laserljusstrålen, under mätningssekvensen.

Det måste också få anses vara ett kvalificerat tekniskt problem att med enkla medel kunna skapa sådana förutsättningar att noggrannheten i mätvär- D det kan väljas fritt från brâkdelar av millimetrar till större.

Det är också ett tekniskt övervägande att kunna komma till den insikten att noggrannheten för fastställandet utav uppträdande diskrepans kommer att bestänmms av extremvärdena för laserljusstrålens vâgtalsändring under själ- va mätperioden.- K Det mäste också få anses vara ett tekniskt problem att under beaktande av de ovan angivna tekniska övervägandena och lösandet utav de ovan angivna tekniska problemen kunna välja en lämplig ljuskälla eller ljussändare för laserljusstrâlen.

LUSNINGEN Föreliggande uppfinning anvisar ett förfarande och en anordning för att _ kunna fastställa en uppträdande diskrepans mellan tvâ optiska vägsträckor, o 5 46Û 382 och därvid utvärdera ett optiskt avstånd.

För detta ändamål utgår föreliggande uppfinning ifrån att ut- nyttja en ljussändare, som i vart fall under tväravsnittet för fastställande av diskrepansen bringas att alstra en kontinuer- lig, koherent elektromagnetisk strålning, som bringas att ssm- tidigt utsändas över de två vägsträckorna, där strålarna från dessa två vägsträckor i slutet av vägsträckorna åter sammanföres och adderas med varandra genom att dessa riktas mot en detektor, varvid en koherens mellan två vågfronter tillhörande var sin väg- sträcka ger en interferenssignal, vars fasändring i tiden bestäm- mes, varvid ljussändaren, under avsnittet för fastställande av diskrepansen, bringas att ändra sitt vågtal i tiden, varvid en mot ett momentant vâgtal svarande fasändring registreras i nämn- da detektor, och där nämnda fasändring utgör ett mått på nämnda diskrepans.

Utgående ifrån dessa förutsättningar, som i och för sig är ti- digare kända genom Michelsons inteferometerprincip, föreslår föreliggande uppfinning att ljussändaren sänder en strålning med en vâgtalsändring för bildande av ett vâgtalsintervall, beläget inom på förhand bestämda gränser, varvid nämnda diskrepans kan bestämmas ur fasändringens beroende av vågtalsändringen och att som mått på fasändringen och därmed diskrepansen mellan de två optiska vägsträckorna, detekterad i nämnda detektor, räknas an- talet uppträdande interferensfransar. övriga särdrag hos uppfinningen och en anordning för att utföra förfarandet anges i kraven 2 - 18.

FÖRDELAR De fördelar som främst kan få anses vara förknippade med ett för- farande och en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning är att härigenom har det skapats förutsättningar att kunna fast- ställa en uppträdande diskrepans mellan två optiska vägsträckor, genom att utnyttja Michelsens interferometerprincip men föränd- ra denna pâ så sätt att inga rörliga delar och ingen spegelför- 460 5-82 flyttning behövs för nämnda fastställande utan att härför krävs enbart att ljussändaren bringas att ändra sitt vågtal i tiden, åtminstone under ett avsnitt där fastställandet av diskrepansen skall ske.

KORT FIGURBESKRIVNING En för närvarande föreslagen utföringsform av en anordning, uppvisande de för föreliggande uppfinning signifikativa känne- tecknen och som med fördel kan komma till användning för att utöva det för uppfinningen signifikativa förfarandet, skall när- mare beskrivas med hänvisning till bifogad ritning där: figur 1 visar i stark schematisk form en interfe- rometeranordning utnyttjande en enkelmods- laser och kompletterad i enlighet med upp- finningens anvisning samt figur 2 visar ett diagram avsett att utnyttjas för att fastställa uppträdande diskrepans.

BESKRIVNING ÖVER NU FÖRESLAGEN UTFÖRINGSFORM Innan den för uppfinningen anvisade anordningen närmare skall beskrivas kommer de grundläggande förutsättningarna för före- liggande uppfinning att närmare förklaras.

Uppfinningen utnyttjar ett kontinuerligt strålande koherent ljus, som kan utsändas över aktuell mätsträcka, och detta mottages åter och homodyndetekteras allt medan det koherenta ljusets våg- längd ändras, varvid en interferensfransräknare kan ge ett ut- slag med en räknehastighet som beror på mätdistansen. v 'LK 7 460 382 Denna uppfinning grundar sig således på en ljuskällas interferens mellan en från mätpunkten reflekterad stråle, en s.k. objektstråle, och en referens- strâle, vilka efter sammanförande med varandra riktas mot en detektor.

Antag att dessa tvâ strålar var och en för sig, belyser detektorn med in- tensiteten "ïobj" respektive "lref“. När dessa strålar samtidigt belyser detektorn blir intensiteten på grund av interferens; + Iref + 2V I I '1]1Icos(2ffkx) (1) Iaet = Iam Obj ref Här har antagits att de tvâ strålarna är rumskoherenta över detektorns yta.

Ilfl är då beloppet av koherensgraden hos de två strålarna för den tidsför- dröjning som gäller när vägskillnaden mellan dessa är x. i ll kn/aar vagtaiat för ijuskaiian med vagiangaen fi..

Denna principiella strålgâng är densamma som i en traditionell Michelson interferometeruppställning, men mätningen skiljer sig dock i väsentliga delar i det att ingen spegelförflyttning behövs för avstândsbestämningen, inga rörliga delar igår överhuvudtaget i grundprincipen.

Istället för att variera avståndet "x" (jmf. ekvationen 1) vid ett känt fast vâgtal "k" och räkna antalet interferensfransar allteftersom fasen passerar "2lT", varieras nu vågtalet "k" under i övrigt kända förhållanden, medan avståndet "x" är fixt och bestämmas ur fastermens variation enligt ekvationen 1.

Till skillnad från Michelson-laserinterferometern, med dess ofta onödigt stora precision, kan man genom detta förfarande erhålla en onoggrannhet som kan väljas fritt från oändligheten ner till brâkdelar av en millimeter eller ännu mindre.

Noggrannheten bestäms av extremvärdena för laserns vågtalsändring under mätperioden.

Antag att dessa är "kl" respektive "kz". En fransräknare har då registrerat N=Ik1-k2Ix fransar. 460 382 8 Eftersom det okända geometriska avståndet "d" är x/2n, där "n" är bryt- ningsindex hos utbredningsmediet vid aktuellt vågtal får man att d = N/2n Ikl -k2I. (2) Utan fransinterpolation blir då längdupplösningen 4.d=1/2n Ikl-k2I.

För att uppnå en upplösning av exempelvis 1 millimeter i luft genom att enbart räkna heltalsfransar, måste ljuskällan enligt ekvation 2 variera sitt vågtal med 5 cm'l, vilket svarar mot en frekvensändring av 150 giga- herz..Detta är ungefär 100 gånger för mycket för de synliga gaslasrar som finns idag. En färgämneslaser däremot kan klara detta, men inte på så kort tid som är önskvärt. Denna lasertyp är dessutom komplicerad, dyr och otymp- lig. " Den ljuskälla som är bäst lämpad till att lösa detta problem är istället en enkelmod halvledarlaser. En sådan kan svepa över det aktuella vâgtalsomrâ- det på några tiotal nanosekunder (eller godtyckligt làngsamare). 1 fallet GaAlAs-diodlasrar är de dessutom de billigaste lasrar som finns att uppbringa.

Det önskade vågtalssvepet kan åstadkommas genom en snabb ändring av halv~ ledarlaserns drivström, vilket medför en adiabatisk ändring av laserkavi- tetens optiska längd, med ett kontinuerligt vågtalssvep som följd.

För en kommersiellt tillgänglig GaAlAs-laser, med 40 mw kontinuerlig optisk uteffekt vid enkelmod, krävs enbart cza 20nA strömändring av laserns 100mA drivström för att uppnå önskat resultat.

Ett problem som man måste ta hänsyn till hos de billigare typerna av GaAlAs- lasrar är vâglängdsberoende modhopp. Detta problem går att undvika genom att bruka lasern vid de individuella temperaturer och drivströmmar där den uppvisar modstabilitet. Ett enklare men något dyrare sätt är att använda en s.k. distributed feedback (DFB) laser. Dessa oscillerar alltid i samma longitudinella mod. Andra mer sofistikerade tekniska lösningar på modhopps- problemet finns ocksâ att tillgå.

För att mäta upp den vâgtalsändrirg som behövs för en distansberäkning enligt ekvation 2, användes en referenscell. Exempelvis kan en liten del av e 460 582 laserljuset avlänkas genom denna referenscell mot ännu en detektor, eller också kan fransdetektorn användas även för detta ändamål. I det senare fallet mäste dock den nu diskuterade signalen elektroniskt separeras från den till fransräknaren adresserade homodynsignalen. Den nu nämnda referens- cellen skall ha en vågtalsberoende transmission, reflektion eller absorp- tion.

En anordning för detta ändamål är en referenscell fylld med en atomär eller molekylär gas med absorptionsfrekvenser i laserns arbetsområde. I så fall torde data om referensspektret behöva inprogrammeras i en dator, vilken på grundval av referenssignalen får styra laservàgtalet.

En annan anordning för en referenscell, där laserns vågtalsändring kan övervakas och bestämmas, är en optisk referenskavitet, bestående av exemp- elvis en tunn högfinessetalon. Denna anordning är ur praktisk synvinkel mer tilltalande än den atomära cellen, eftersom den absoluta laservåglängden inte har någon avgörande inverkan på funktionen.

Väljer man en längdupplösning på 1 m så används lämpligen en referensin- terferometer, t.ex. en etalon, med ett fritt spektralområde pâ 5 cm'1(150 GH-z). Med intilliggande transmissionstoppar (eller snarare transmissionsuppgångar) som start- respektive stopp-trigg för homodyndetektorns fransräknare blir då räknarens värde lika med det sökta avståndet i mm. Detta tal kan därför skickas direkt till en display utan någon aritmetrisk behandling.

Styrd av en sådan referensinterferometer sveper lasern ett fritt spektral- område ¿5k =l/2ns, där "n" är brytningsindex i referensinterferometern och "s" dess geometriska plattavstànd (om den är av Fabry-Perot typ).

För en luftetalon kommer den i detta exempel att behöva ha en tjocklek av l millimeter.

En fördel med att använda en luftinterferometer som längdtolk i detta sam- wanhang är att temperatur och fuktighet påverkar dess optiska väglängder med samma skalfaktor "n" som mätsträckans optiska väglängd. Dylika mätfel minimeras därför i och med detta. 460 382 10 En referensinterferometer med en längd som utgör en multippel NFP av 1 millimeter går också bra att använda. I det fallet så behövs dock en räk- nare även till referensinterferometern, så att vid en aktiverande referens- frans båda räknarregistrerna nollställs, varefter homodyndetektorns räknare stoppas (alternativt avläses) efter NFP fransar i referenskaviteten. I det generella fallet erhålles distansen ur förhållandet d = s x N/NFP (3) Låt oss belysa referensinterferometerns funktion genom följande konkreta exempel där ett sant avstånd om nio och en tredjedels meter skall uppmätas.

Vi tänker oss en anordning utrustad med en referensinterferometer, och en luftetalon med 10 mm plattavständ. Vid en lågupplösande mätning med två intilliggande resonansordningstal som start- respektive stopptrigg för fransräknaren, ger mätningen resultatet 933 fransar. Ur förhållandet (3) erhålles så distansen a(mm) = 10 X 933/1; a.v.s. 9,33 ïo,o1 meter.

Lasern varierade i detta exempel sitt vâgtal Ikl -k2I = 1 x 1/2ns = 0,5 cm'1 under mätperioden. 0 Med samma anordning göres därefter en mer detaljerad mätning genom att förinställa referensinterferometerns transmissionsräknare till talet 20, så att stoppsignalen till homodynfransräknaren komer först efter 20 resonans- ordningstal hos referensinterferometern. Detta medför att lasern nu istäl- let varierar sitt vågtal Ikl-kzl = 20 x 1/Zns = 10 cm_1 under mätperioden.

I detta fall kommer 18666 fransar att räknas. Ekv. (3) ger då a(nmn = 1o X 18666/zo; d.v.s. 9,3s3of o,ooos meter.

I en avstândsmätare skall referensljusets optiska våglängd ha tagits hänsyn till vid konstruktionen så att en bestämd punkt på anordningen utgör noll- punkten vid distansbestämningarna. Denna punkt skall samtidigt utgöra vrid- ningscentrum i horisontal och vertikalled så att anordningen med hjälp av vinkelsensorer kan prestera data för rumsbeskrivning i polära koordinater. 460 382 11 En referensinterferometers exakta tjockiek "s" kan uppmätas genom att an- vända ekv. (3) vid en mätning på ett känt avstånd "d". Endera kan sedan detta kaiibreringsvärde på "s" användas för föijande mätningar, eiier också kan "s" justeras tiïi ett jämnt tai genom en vridning av referensinterferom- tern från den optiska axein, varvid dess effektiva "s"-värde ändras eniigt s' = s/cos 9 där Q är vinke1n.me11an optiska axein och interferometerpiattornas normai- vektorer. * Med en känsiig detektor, som en avaianchdiod eiier en fotomuitipïikator, kan den här beskrivna avstândsmätaren fungera utan retrorefiektor vid mät- punkten även för större distanser, där tidskoherensen bïir den begränsande faktorn.

Ett optiskt smaibandigt detektorsystem kan då bii nödvändigt så att inte detektionsmättnad uppstår på grund av bakgrundsbeïysning.

Den koherenta detektionsprincipen innebär att signaibidraget från det svaga och diffust reflekterade ïjuset muitipiiceras upp genom interferensen med referensijuset (se ekvation 1). I en anordning där Iref = 1 mw kan exempei- vis signaikomponenten bii Low för en objektsintensitet som är så ïiten som 2,5 x 1O'10W. Detta under förutsättning att koherensytan täcker heïa detek- torn.

Rumskoherens kan reaiiseras genom att ïaserstråien fokuseras på mätpunkten (viiket kan göras automatiskt) och att mottagarens apertur är ïika iiten som sändarens stråldiameter. Diffraktionen från den refiekterande mätpunk- ten garanterar då att koherensytan bïir tiiiräckïigt stor på fransdetektorn samtidigt som iaserstrâiens intensitet utnyttjas optimait (iasern förut- sätts osciiiera i fundamentai mod TEM00).

Häthastigheten hos den nu diskuterade uppfinningen är i praktiken inte begränsad av ijuskäiian och dess moduiering, eftersom svephastigheten för en diodiaser med primitiva medei går att få så hög som 5 cm'1 per mikrosekund. Tidsbegränsningen ïigger därför i stäiiet hos trögheten i fransdetektionssystemet. 460 582 e g.2 g Antag i kommande räkneexempel att detta är 200 MHz (typiskt värde för ett integrerat avalanchediod/förstärkarsystem). Vid en avstândsupplösning d=l mm och med ett mätomrâde pâ 0-20 meter kan då 10 000 oberoende mätningar genomföras varje sekund. För 0-2 meters distanser kan 100 000 oberoende mätningar per sekund genomföras. I praktiken kan därför mättiden dimensio- neras efter följande relation tmàt = 'a/a a x uaatektiansbanabreaa (4).

I det fall att fransinterpoleringselektronik utnyttjas, kommer naturligtvis interpoleringsupplösningsfaktorn in till fördel i ekvation 4.

I det föregående exemplet med distansmätning nio och en tredjedels meter blir optimal mättid med detta 200MHz detektionssystem-S /Jsek respektive 100 psek vid låg respektive hög upplösningsmätning.

För det fall att tidsavsnittet mellan två successiva interferensfransar hos detektorn är så kort att det kan jämföras med objektljusets gångtid, måste den fasförskjutning som uppstår p.g.a. ljusets ändliga hastighet "c" tagas hänsyn till. Denna potentiella felkälla elimineras fullständigt om laser- vâgtalet varieras linjärt i tiden. Åtminstone skall dk/dt under ett tids- avsnitt;At = Zd/c vara lika som under samma tidsavsnitt för mätperiodens slut.

I en anordning som är utformad till att genomföra det beskrivna förfarandet för avståndsmätning, kan ljuskällan spektralt sett även lätt stoppas och låsas till ett fast ljusvågtal, bestämd av referenscellen och dess resonan- sfrekvenser. Härigenom har avstândsmätaren blivit en högupplösande Michel- son-laserinterferometer med alla dess möjligheter. Interferometern kan då _ med hjälp av inbyggd tidtagare även användas som dopplervelocimeter och vibrationsanalysator. Kombinationer av denna mätmod och den spektralsvepan- de mätmoden kan vara relevant vid vissa applikationer.

Eftersom diodlasern drivs med lågspänd elektronik kan den lätt mikroproces- sorstyras och därför mjukvarumässigt programmeras enligt det här beskrivna förfarandet till de användarbestämda funktioner som önskas.

I Påpekas skall också, att mätsträckan inte nödvändigtvis behöver vara en geoneïrisk sådan. Den kan lika gärna utgöras av, helt eller delvis, en 469 382 13 optisk fiber. Sensorer för temperatur, tryck eller någon annan storhet som direkt eller indirekt kan påverka den optiska väglängden i fibern, kan med fördel konstrueras som en interferometer.

Antingen låtes endast objektljusets optiska väg utgöras av en fiber, som i så fall i sin helhet får utgöra sensorn, eller också kan även referenslju- set transporteras genom en fiber. I det senare fallet kan endera de två fibrerna vara exakt lika, men placeras i två skilda fysikaliska miljöer som skall jämföras, eller också kan de tvâ fibrerna vara olika (t.ex. i längd) och placeras i samma fysikaliska miljö i egenskap av en kalibrerbar prob.

En variant av denna sistnämnda prob utgöres av en enda lång enkelmodfiber som transporterar laserljuset från sändaren till mätområdet (dessa kan vara miltals separerade från varandra). Vid mätpunkten skarvas fibern ihop med en fiberstump vars längd eller konstruktion avgör sensorns känslighet.

Reflektion mot skarven respektive mot stumpänden, kan utgöra referens- respektive objektsljus, som båda transporteras tillbaka i den långa fibern mot sändaren och kan där detekteras.

Vid dagens användningar av.fibersensorer bestäms känsligheten hos sensorn en gång för alla vid tillverkningen. Det är dock vanligt att dessa är allt- för känsliga för att kunna användas i olika sanmanhang. Med en optisk väg- längdsmätning enligt det här beskrivna förfarandet kan däremot samma sens- ors känslighet dynamiskt minskas ner till en lämplig nivå alltefter behov.

Tillverkningskostnaderna för en avståndsmätare enligt denna uppfinning kan bli lågt. Detta beror på att interferometern bygger på färdiga enheter som redan massproduceras. Sändaredelen med laser, kollimator, stråldelare och kvartsvåglängdsplattor kan vara densamma som i en CD-skivspelare. Om man nöjer sig med audiofrekvenser för fransdetektionen, kan i själva verket en komplett CD-skivspelare användas, inklusive dess detektorsystem, med kvad- rantdetektor för servostyrning av automatfokusering, automatisk förför- stärkningsnivâ av detektorns ac-audiosignal för optimal digitalisering av i detta fall interferensfransar istället för CD-graverad hålinformation. Mer avancerade mottagarenheter med omvandling till standard TTL pulser åter- finns annars på telekommunikationssidan.

En enkel mikroprocessor kan användas för styrning av systemet. 460 382 i 14 Inte minst beroende på det möjliga låga försäljningspriset är de poten- tiella användningsområdena för denna uppfinning otaliga.

I många applikationer är de befintliga instrumenten endera för dyra, grova eller för noggranna.

Ett stort användningsområde torde vara uppmätning av gamla byggnader, t.ex. för ombyggnad och liknande. En "laserradar" ansluten till ett CAD-system skulle kunna producera ritningsunderlag på en timma, där i dagens läge arkitektfirmorna tillbringar en vecka.

Laserinterferometerns snabbhet medför också att systemet kan vara använd- bart vid industriell processtyrning samt vid produktkontroll vid löpande band.

Inom området fiberoptiska sensorer finns som redan nämnts många möjlig- heter. Möjligheten att växla mellan scannande och stabiliserad laserfunk- tion ökar också möjligheterna för flexibla lösningar av olika slag. gMed hänvisning till figur 1 visas där en interferometer 1 innefattande en ljuskälla 2 i form av en enkelmodslaser en s.k. halvledarlaser eller diod- laser, som utsänder ljusstrålar 3 som i en sträldelare 4 dels tillâtes passera genom ett fokuseringssystem 5 till en mätpunkt 6, reflekteras i mätpunkten 6 genom fokuseringssystemet 5 för att passera en andra strål- delare 7; dels passera en fast reflektor 8 för att bli riktad till den andra stråldelaren 7.

Den ena optiska vägsträckan utgöres av sträckan mellan stråldelaren 4 och fokuseringssystemet 5 samt mätpunkten 6 och åter förbi fokuseringssystemet 5 till den andra stråldelaren 7, medan den andra optiska vägsträckan löper från den första stråldelaren 4 via den fasta reflektorn 8 och till den andra strâldelaren 7. Med strâldelaren 7 samverkar en detektor 10 som i sin tur är ansluten till en räknare 11.

Vidare är ljussändaren 2 förbunden med en styrkrets 12 för att under tids- avsnittet för fastställandet av uppträdande diskrepans kunna ändra avgivet vågtal på ljusstrålen. 460 382 15 Anordningen enligt figur 1 skall nu utnyttjas för att kunna fastställa uppträdande diskrepans mellan de tvâ optiska vägsträckorna och då det här utnyttjas en ljussändare 2, som i vart fall under tidsavsnittet för fast- ställande av diskrepansen bringas att alstra en kontinuerlig, koherent elektromagnetisk strålning 3, som bringats att samtidigt utsändas över de tvâ vägsträckorna 4, 5, 6, 7 resp. 4, 8, 7 och där strålarna från dessa två vägsträckor i slutet av vägsträckorna vid stråldelaren 7 åter sammanföres och adderas med varandra genom att dessa riktas mot en detektor 10 varvid en koherens mellan två vâgfronter tillhörande var sin vägsträcka ger en interferenssignal vars fasändring i tiden bestämmes genom räknaren 11.

Enligt uppfinningen skall alltså ljussändaren, under avsnittet för fast- ställandet av diskrepansen, bringas att ändra sin våglängd i tiden, varvid en mot en momentan våglängd svarande fasändring registreras i en enda de- tektor, den enda fasändring utgöres av ett mått på nämnda diskrepans.

Med hänvisning till figur 2 visas formen för signalen på ljusknippet 13 i relation till medelvärdet 20 och det antages att från ljuskällan 2 utsändes ett ljus med varierande vågtal k = f(t) och under utsändningen av vågtal "kl" bildas en frans 14 och under ett tidsavsnitt där vågtal “k2" utsändes bildas en frans 15 samt under ett tidsavsnitt när vågtal "k3" utsändes bildas en frans 16.

Avståndet mellan dessa fransar kommer att utgöra ett mätt på den utvärde- rade diskrepansen.

Ljussändaren 2 skall kunna bringas att under tidsavsnittet ändra sitt våg- tal som en kontinuerlig (linjär) funktion med avseende på tiden och spe- ciellt föreslås att vågtalsändringen skall väljas som en sâgtandsform eller en triangelform.

Det är möjligt att fastställa det absoluta värdet för diskrepansen vid en första mätning, lagra detta i räknaren 11 samt fastställa absolut värde för diskrepansen vid en andra mätning samt lagra även detta i räknaren 11 och att därefter fastställa diskrepansskillnaden.

Det utnyttjade fastställandet av diskrepansen skulle även kunna användas för att fastställa aktuell temperatur om det antages att den optiska sträc- kan 4, 5, 6 och 7 utgöres av en optisk fiber så kommer 460 382 16 temperaturförändringen att ge en längdförändring som i sin tur kommer att ge en förändrad diskrepans. (à- Detsamma gäller att kunna utnyttja fastställd diskrepans för att fastställa _ aktuellt tryckvärde. l Om diskrepansen skall utnyttjas för att fastställa en ändring i ett magne- tiskt fält föreslås att en optisk fiber täckes eller dopas av ett magne- tiskt påverkbart material som genom magnetfältets påverkan kommer att till- dela den optiska fibren en volyms- brytningsindex- eller formförändring, vilken förändring då kan fastställas som en uppträdande diskrepans mellan de två optiska vägsträckorna.

Uppfinningen anvisar alldeles speciellt möjligheten att kunna uppmäta geo- metriska avstånd.

Ljussändaren 2 skall även kunna sända strålning med en vågtalsändring för bildande av ett vågtalsintervall, beläget inom på förhand bestämda gränser, -varvid nämnda diskrepans kan bestämmas ur fasändringens beroende av väg- talsändringen.

För att kunna mäta vågtalsintervallet i räknaren ll styres ljussändaren 2, i form av en spektralt svepande elektromagnetisk koherent ljuskälla, av en _ referenscell 9 med kända dispersibla transmissions-, absorptions, eller reflektionsegenskaper. Med referenscellen 9 samverkar en detektor 17 som i sin tur är ansluten till en start/stopp-krets 18.

Inom uppfinningens ram faller även möjligheten att låta ett gasspektrum användas för att ge upphov till nämnda dispersibla egenskaperna, ur vilka ett vågtalsintervall kan bestämmas.

Vidare föreslås att en referensinterferometer skall kunna användas för att É ge upphov till nämnda dispersiva egenskaperna ur vilka ett vågtalsintervall kan bestämas. 1 Med hänvisning till figur 2 visas formen för ljusknippet 19 i det fall att referenscellen 9 utgöres av en interferomter med hög finess. Hed en diskri- minatornivå møtsvarande Zlii kretsen 18 kan vågtalsintervallet Ik4 - k5I, liksom vågtalsintervall som utgör en multippel därav. 17 Som ett mått på fasändringen och därmed diskrepansen meiian de två optiska vägsträckorna, detekterade i nämnda detektor 10, räknas antaiet uppträdande interferensfransar i räknaren 11.

Inom uppfinningens ram faiier givetvis att båda vägsträckorna med oiika längd är eiier i vart fa11 en av dessa vägsträckor eiier endast en dei därav, är vaïd från en optisk fiber eiier annan optisk vâgïedare.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad tiiï den ovan såsom exempei angivna utföringsformen utan kan genomgå modifikationer inom ramen för efterföi- jande patentkrav iiïustrerande uppfinningstanken.

Claims (18)

lg 460 382 PATENTKRAV in,

1. Förfarande för att fastställa en uppträdande diskrepans mellan två optiska vägsträckor och därvid utvärdera ett optiskt avstånd, vid vilket utnyttjas en ljussändare (2), som i vart fall under tidsavsnittet för fast- ställande av diskrepansen bringas att alstra en kontinuerlig, koherent elektromagnetisk strålning, som bringas att samtidigt utsändas över de två vägsträckorna (3,4,8,7 resp. 3,4,5,6,7), där strålarna från dessa två väg- sträckor i slutet av vägsträckorna åter sammanföres och adderas med varand- å* ra genom att dessa riktas mot en detektor (10), varvid en koherens mellan två vågfronter tillhörande var sin vägsträcka ger en interferenssignal, vars fasändring i tiden bestänmes, varvid ljussändaren (2), under avsnittet för fastställande av diskrepansen, bringas att ändra sitt vågtal i tiden, varvid en mot ett momentant vágtal svarande fasändring registreras i nämnda detektor (10), och där nämnda fasändring utgör ett mått på nämnda diskre- pans, k ä n n e t e c k n a t därav, att ljussändaren (2) sänder en strålning (3) med en vägtalsändring för bildande av ett vågtalsintervall, beläget inom på förhand bestämda gränser, varvid nämnda diskrepans kan be- stämmas ur fasändringens beroende av vågtalsändringen och att som mått pâ fasändringen och därmed diskrepansen mellan de två optiska vägsträckorna, detekterad i nämnda detektor, räknas (13) antalet uppträdande interferens- fransar.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett fastställt absolutvärde för diskrepansen vid en första mätning lagras (11) och ett fastställt absolutvärde för diskrepansen vid en andra mätning lagras (11) och att diskrepansskillnaden därefter utvärderas.

3. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda diskrepans utnyttjas för att fastställa aktuell temperatur, aktuellt tryckvärde och/eller ändring i ett magnetiskt fält.

4. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda diskrepans utnyttjas för att fastställa ett geometriskt avstånd alternativt skillnaden mellan två uppmätta geometriska avstånd.

5. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att för mätning av nämnda vågtalsintervall användes en referenscell med kända dispersiva transmissions-, absorptions- eller reflektionsegenskaper kopplad 11 L) k 46“ 392 l°l till en ljussändare, i form av en spektralt svepande elektromagnetisk kohe- rent ljuskälla.

6. Förfarande enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett gasspektrum användes för att ge upphov till de nämnda dispersiva egen- skaper ur vilka ett vågtalsintervall kan bestämmas.

7. Förfarande enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att en referensinterferometer alt. referenslängd användes för att ge upphov till de nämnda dispersiva egenskaperna ur vilka ett vâgtalsintervall kan bestämmas.

8. B. Anordning för att fastställa en uppträdande diskrepans mellan tvâ op- tiska vägsträckor, utnyttjande en ljussändare (2), som i vart fall under tidsavsnittet för fastställande av diskrepansen alstrar en kontinuerlig, koherent elektromagnetisk strålning, som bringats att samtidigt bli utsänd över de tvâ vägsträckorna (4,5,6,7 resp. 4,7,8), varvid strålarna från dessa tvâ vägsträckor i slutet av vägsträckorna är äter sanmanförd och adderas med varandra genom att dessa bli riktade mot en detektor (10), varvid en koherens mellan tvâ vâgfronter tillhörande var sin vägsträcka ger en interferenssignal, vars fasändring i tiden är bestämbar, varjämte att ljussändaren (2), under avsnittet för fastställande av diskrepansen, är anordnad att ändra sitt vâgtal i tiden, varvid en mot ett momentant vâgtal svarande fasändring blir registrerbar i nämnda detektor (10), och där nämn- da fasändring utgör ett mått på nämnda diskrepans, k ä n n e t e c k n a d därav, att ljussändaren är anordnad för att sända en strålning med en våg- talsändring för bildande av ett vågtalsintervall, beläget inom på förhand bestämda gränser, varvid nämnda diskrepans är utvärderbar ur fasändringens beroende av vågtalsändringen, och att som mått på fasändringen och därmed diskrepansen mellan de två optiska vägsträckorna (4,5,6,7 resp. 4,8 7), detekterad i nämnda detektor (10), räknas i en räknare (11) antalet upp- trädande interferensfransar.

9. Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att ljussändaren är anordnad att under ett tidsavsnitt att ändra sitt vågtal som en kontinuerlig funktion med avseende på tiden.

10. Anordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att vågtalsändringen är vald som en sâgtandform eller en triangelform. 460 382 020 g

11. Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att fastställt absolutvärde för diskrepansen vid en första mätning är lagrings- bart i en räknare (11) och ett fastställt absolut värde för diskrepansen vid en andra mätning är lagringsbart i en räknare (11) och att diskrepans- skillnaden därefter är utvärderbar medelst subtraktion.

12. Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda diskrepans är omvandlingsbar för att fastställa en aktuell tempera- tur, ett aktuellt tryckvärde och/eller.en aktuell ändring i ett magnetiskt fält.

13. Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda diskrepans är omvandlingsbar för att fastställa ett-geometriskt avstånd alternativt skillnaden mellan två uppmätta geometriska avstånd.

14. Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d 'därav, att för mätning av ett vågtalsintervall är en referenscell (9) med kända dis- persiva transmissions-, absorptions- eller reflektionsegenskaper kopplad till en ljussändaren (2), i form av spektralt svepande elektromagnetisk koherent ljuskälla.

15. Anordning enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k n a d därav, att ett gasspektrum är utnyttjat för att ge upphov till de nämnda dispersiva egenskaper ur vilka ett vâgtalsintervall kan bli utvärderbart.

16. Anordning enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k nya d därav, att en referensinterferometer alt. en referenslängd är utnyttjad för att ge upphov till de nämnda dispersiva egenskaperna ur vilka ett vågtalsintervall kan bli utvärderbart. i

17. Anordning enligt patentkravet 8, k ä“n n e t e c k n a d därav, att en av de båda vägsträckorna eller endast en del därav, är vald från en optisk fiber eller annan optisk vågledare.

18. Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att som ljussändare (2) tjänar en enkelmodslaser, speciellt av typ halvledar- laser (diodlaser). u: fet