專利名稱：光電距離測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電距離測(cè)量裝置的領(lǐng)域，尤其是涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的 光電距離測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
這種光電距離測(cè)量裝置例如從EP-A-I 647 838中公知。并入所述申請(qǐng)的整體內(nèi) 容以解釋用于測(cè)量絕對(duì)距離的Fizeau方法的工作原理。對(duì)于本發(fā)明重要的是，在調(diào)制器中 對(duì)該方法情況下輸出的和返回的測(cè)量光進(jìn)行調(diào)制。所述測(cè)量光由激光器、尤其是二極管激 光器生成。在所述調(diào)制的頻率改變的情況下，確定所檢測(cè)的測(cè)量光束的強(qiáng)度的最小值(或 者基本上含義相同地，該強(qiáng)度的導(dǎo)數(shù)的過零點(diǎn))。根據(jù)最小值頻率可以確定測(cè)量設(shè)備與后向 反射器之間的測(cè)量段的長(zhǎng)度?？梢钥闯?，由光學(xué)元件在測(cè)量光束中引起的附加偏振使該最 小值的位置移動(dòng)作為二階誤差。由此干擾該測(cè)量，并且必須采取補(bǔ)償措施。偏振的干擾例 如可能由于測(cè)量射束或后向反射器中的附加的射束偏轉(zhuǎn)鏡引起。WO 97/18486示出一種按照Fizeau方法的光電絕對(duì)距離測(cè)量裝置。在此，激光 束被生成，并且通過聚焦光學(xué)單元和光學(xué)隔離器被引導(dǎo)到偏振分束器上以用于對(duì)激光進(jìn) 行線性偏振，并且隨后通過光電調(diào)制器、用于除去外部附加偏振的影響的另一光電晶體、 lambda/4減速器以及輸出光學(xué)單元被引導(dǎo)到測(cè)量段上。沿著該測(cè)量段返回的光通過所提到 的元件一直到達(dá)偏振分束器并且被該偏振分束器引導(dǎo)到檢測(cè)器上。分析單元用于借助于檢 測(cè)器信號(hào)來確定該測(cè)量段的長(zhǎng)度。EP 1 744 119描述一種用于光學(xué)相干斷層掃描的裝置。其中使用覆蓋一光學(xué)頻率 范圍的光。所述光由寬帶源生成，該寬帶源例如是“邊緣發(fā)射的LED(ELED) ”或超發(fā)光二極 管(SLD)或“熒光纖維源(EDFFS) ”。來自所述源的光例如被Fabry-Perot濾波器或聲光濾 波器濾波，使得所述光以所選擇的頻率線來覆蓋預(yù)先給定的頻率范圍。因此，寬帶源的其余 光被濾除。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是，提供開始時(shí)所述類型的光電距離測(cè)量裝置，該光電距離測(cè) 量裝置克服了上述缺陷。該任務(wù)由具有權(quán)利要求1的特征的光電距離測(cè)量裝置解決。因此，相應(yīng)的光電距離測(cè)量?jī)x具有光源，該光源在距離測(cè)量?jī)x中發(fā)射的光至少通 過偏振分束器、光電調(diào)制器和lambda/4減速器(用于調(diào)制器折射系數(shù)的溫度補(bǔ)償)被引導(dǎo) 到測(cè)量段上。沿著該測(cè)量段返回的、即反射的光至少通過減速器、光電調(diào)制器和偏振分束器 而被引導(dǎo)到檢測(cè)器。此外該距離測(cè)量?jī)x具有分析單元以用于按照光電調(diào)制器的調(diào)制頻率和 檢測(cè)器的信號(hào)來確定該測(cè)量段的長(zhǎng)度。所述光源具有所發(fā)射的光的廣譜。所述光源優(yōu)選是 超發(fā)光二極管(SLD或SLED)。使用超發(fā)光二極管而不是激光源的另一優(yōu)點(diǎn)是，在所述光源 前面不需要光隔離器，其中所述光隔離器將阻止返回的光進(jìn)入到激光器中并激勵(lì)發(fā)射。光
3隔離器是光學(xué)組件，該光學(xué)組件只允許特定偏振方向的光波在一個(gè)(通過)方向上通過，但 在反方向(阻擋方向)吸收任意偏振的光。使用寬帶源的本發(fā)明與用于光電距離測(cè)量的常見構(gòu)造不同，在用于光電距離測(cè)量 的常見構(gòu)造中，有針對(duì)性地使用具有精確控制的波長(zhǎng)的窄帶(激光)光源，以達(dá)到高的測(cè)量 精度。令人驚訝地發(fā)現(xiàn)_如在下文中實(shí)施的那樣，通過寬帶測(cè)量光產(chǎn)生的偏差相互補(bǔ)償。光電調(diào)制器優(yōu)選調(diào)制光的偏振。原則上也可以如在原來的Fizeau方法中那樣使 用調(diào)制幅值的調(diào)制器；但是這在實(shí)踐中易受干擾的影響。所述檢測(cè)器信號(hào)優(yōu)選地對(duì)應(yīng)于返回的并且被調(diào)制器反向調(diào)制的信號(hào)的強(qiáng)度。光電 調(diào)制器的調(diào)制頻率處于高頻范圍內(nèi)，即例如處于2GHZ至2. 5GHz的范圍內(nèi)。令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，在寬帶光源的情況下，檢測(cè)器信號(hào)的最小值的頻率位置在調(diào)制 頻率變化的情況下不再受到測(cè)量光的偏振的影響(至少不明顯地受到影響)。由此，不再需 要到目前為止常見的在具有激光二極管的距離測(cè)量?jī)x運(yùn)行時(shí)所必需的補(bǔ)償裝置。距離測(cè)量 儀的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。光源的最小帶寬優(yōu)選通過下面的與調(diào)制器參數(shù)的關(guān)系來確定 cools]
λ在此η。是雙折射調(diào)制材料的與波長(zhǎng)有關(guān)的尋常折射率，是雙折射調(diào)制材料的與 波長(zhǎng)有關(guān)的異常折射率，lMstall是晶體的長(zhǎng)度，λ是波長(zhǎng)，以及Δ λ是帶寬。因此從該條 件中得出Δ λ的最小值。光源的頻率基本上可以任意選擇，從而可以使用各種類型的超發(fā)光二極管(例如 具有 650、750、795、800、830、840、850、1270、1300、1400、1480 或 1550nm 波長(zhǎng)的超發(fā)光二極管)。光的頻率和帶寬可以在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中通過在光路中布置的光學(xué)帶通 濾波器來穩(wěn)定。在該情況下，濾波器的帶寬優(yōu)選至少略大于上面確定的所述源的所需最小 帶寬，例如至少大20%。其他的優(yōu)選實(shí)施方式從從屬權(quán)利要求中得知。


下面借助于在所附附圖中示出的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明主題。分別示意性 地圖1示出Fizeau距離測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)；圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)制頻率與檢測(cè)器信號(hào)之間的相關(guān)性的特征曲線；以及圖3示出根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制信號(hào)與檢測(cè)器信號(hào)之間的相關(guān)性的特征曲線。在附圖中使用的附圖標(biāo)記及其含義在附圖標(biāo)記列表中概括性地列出。原則上，圖 中相同的部件配備有相同的附圖標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式圖1示出用于測(cè)量絕對(duì)距離的Fizeau距離測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)光源1發(fā)射測(cè)量光，該 測(cè)量光通過準(zhǔn)直儀2、偏振分束器3、光電調(diào)制器5、減速器或減速板6以及擴(kuò)束器7而被引導(dǎo)到測(cè)量段8上。該測(cè)量段8典型地是幾米到幾百米長(zhǎng)，必要時(shí)也可以是幾千米長(zhǎng)。在該 測(cè)量段8的末端，反射器-典型地是立方角后向反射器或三角柱反射器9-對(duì)測(cè)量光進(jìn)行反 射。該測(cè)量光作為返回的測(cè)量光通過擴(kuò)束器7、減速板6、光電調(diào)制器5以及偏振分束器3 到達(dá)檢測(cè)器4。光電調(diào)制器5優(yōu)選對(duì)輸出的以及返回的測(cè)量光的偏振進(jìn)行調(diào)制。為此，該 光電調(diào)制器5具有以高頻的調(diào)制頻率來控制調(diào)制器5的裝置。減速板6是lambda/4板，因 此從線偏振光中生成圓偏振光，并且在兩次通過之后又生成線偏振的光，但是偏振方向被 旋轉(zhuǎn)90°，也就是說調(diào)制晶體中的調(diào)制軸被互換。檢測(cè)器4測(cè)量返回光的強(qiáng)度。分析單元 11處理該檢測(cè)器4的輸出信號(hào)，控制光電調(diào)制器5的調(diào)制頻率以迭代地確定檢測(cè)器信號(hào)的 最小值，并且按照Fizeau方法執(zhí)行距離確定?？赡艽嬖谶@種距離測(cè)量?jī)x的其他一般公知的 元件，如濾波器、偏振器、反射鏡等，但是出于清晰的緣故沒有繪出。對(duì)于按照Fizeau方法的絕對(duì)距離測(cè)量的工作原理，參閱開始時(shí)引述的EP_A_1 647 838。此外在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中存在光學(xué)的帶通濾波器12。該帶通濾波器12在 圖1中用虛線示出，示例性地直接在光源1之前。但是，該帶通濾波器12也可以布置在光 源1與檢測(cè)器4之間的光路中的任意其他位置。該帶通濾波器12按照在光學(xué)調(diào)制器5中 所使用的調(diào)制材料來限制通過的光的光譜，并且尤其是使通過的光的波長(zhǎng)穩(wěn)定。圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)制頻率f與檢測(cè)器信號(hào)的幅值A(chǔ)之間的相關(guān)性的特征 曲線。該圖示出A關(guān)于f的曲線的最小值。虛線示出在沒有偏振干擾情況下的理想曲線， 而實(shí)線示出具有偏振干擾的曲線。所述偏振干擾在于，在距離測(cè)量?jī)x10或后向反射器9的 至少一個(gè)部件中，光與其波長(zhǎng)和/或其在通過所述部件時(shí)的偏振取向有關(guān)地被額外偏振， 即在偏振方面被改變(“excess polarization，過量偏振”)。偏振調(diào)制可以看作為兩個(gè)互相垂直的光向量分量的相位調(diào)制。因此，這些偏振方 向之間的相位可以被額外地移動(dòng)，使得例如線偏振光變成圓偏振的。這樣的干擾部件尤其 是沒有繪出的偏轉(zhuǎn)鏡和后向反射器9。在光電調(diào)制器5的情況下，尤其是在光電調(diào)制器5未 被最優(yōu)地調(diào)諧(諧振運(yùn)行的“非平面”調(diào)制器)，即光電調(diào)制器5的電激勵(lì)頻率與該光電調(diào) 制器5的諧振頻率不一致時(shí)，這種干擾引起最小值頻率的移動(dòng)。在通常被實(shí)施為三角柱反 射鏡(立方角反射鏡)的后向反射器9的情況下，對(duì)偏振的影響通過如下方式被改變后向 反射器9關(guān)于測(cè)量光束8旋轉(zhuǎn)并傾斜。因此，就通過檢測(cè)器4的測(cè)量而言，這引起最小值從 理想最小值Mi (在頻率fi處)移動(dòng)到受到干擾的最小值Mr。該受到干擾的最小值Mr對(duì)應(yīng) 于另一頻率fr并且因此對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的與后向反射器9之間的另一錯(cuò)誤距離。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制頻率與檢測(cè)器信號(hào)之間的相關(guān)性的特征曲線。虛線示 出在偏振干擾情況下的理想曲線，而實(shí)線示出具有偏振干擾的曲線?？梢钥闯?，在光源1的 窄帶寬的情況下，直流信號(hào)分量(DC分量)的幅值與調(diào)制晶體的調(diào)制頻率和溫度有關(guān)。但 是在寬帶源的情況下，DC分量在波長(zhǎng)范圍內(nèi)平均地上升，因此出現(xiàn)最小值Mr時(shí)的頻率保持 不變！該有利效應(yīng)允許省掉用于校正受到干擾的最小值的測(cè)量技術(shù)上的補(bǔ)償措施。光源1優(yōu)選是超發(fā)光二極管，或者具有所發(fā)射的光的特定帶寬的其它光源。在使 用LiTa03作為光電調(diào)制器5中的調(diào)制材料時(shí)，該帶寬應(yīng)該為至少10納米，優(yōu)選至少15納 米。30至40納米的帶寬得出良好的結(jié)果。在使用LiNb03作為調(diào)制材料時(shí)，該帶寬應(yīng)該為 至少5至10納米，由此出現(xiàn)所述有利效應(yīng)。這些帶寬優(yōu)選地適用于795納米的光波長(zhǎng)。如果存在可選的帶通濾波器12，則該帶通濾波器12將通過的光最高限制到與使用的調(diào)制材 料相應(yīng)的這種帶寬。因此，濾波器帶寬至少與所要求的光源帶寬一樣寬，最好比所要求的光 源帶寬略寬(因?yàn)樵谶@里濾波器一般對(duì)帶寬的限制比對(duì)源的限制更嚴(yán)格)。
光源1優(yōu)選地具有所發(fā)射的光的小照射面積和高強(qiáng)度。對(duì)此，光源1的照射面積 優(yōu)選小于10平方微米，尤其是小于4平方微米。在考慮到光路中的傳輸損失和溫度影響的 情況下，所發(fā)射的光的強(qiáng)度一般受到涉及眼睛安全的規(guī)定的限制。由此，強(qiáng)度或由光源以光 的形式發(fā)出的功率典型地為3至5毫瓦。附圖標(biāo)記列表
1光源
2準(zhǔn)直儀
3偏振分束器
4檢測(cè)器
5光電調(diào)制器
6lambda/4減速器
7擴(kuò)束器
8測(cè)量段
9后向反射器
10距離測(cè)量?jī)x
11控制和分析單元
12帶通濾波器
Mi理想最小值
Mr實(shí)際最小值
權(quán)利要求
一種光電的距離測(cè)量?jī)x(10)，具有光源(1)，該光源(1)在距離測(cè)量?jī)x(10)中發(fā)射的光至少通過偏振分束器(3)、光電調(diào)制器(5)和lambda/4減速器(6)而被引導(dǎo)到測(cè)量段(8)上，并且沿著測(cè)量段(8)返回的光至少通過減速器(6)、光電調(diào)制器(5)和偏振分束器(3)而被引導(dǎo)到檢測(cè)器(4)，此外距離測(cè)量?jī)x(10)具有分析單元(11)以用于按照光電調(diào)制器(5)的調(diào)制頻率和檢測(cè)器(4)的信號(hào)來確定該測(cè)量段(8)的長(zhǎng)度，其特征在于，該光源(1)具有所發(fā)射的光的廣譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中分析單元(11)被設(shè)計(jì)為按照Fizeau 方法來測(cè)量所述測(cè)量段(8)的長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中光電調(diào)制器(5)被設(shè)置用于調(diào)制 所通過的光的偏振。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中光源(1)具有所發(fā)射的光的小 照射面積和高強(qiáng)度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中光源(1)的照射面積小于10 平方微米，優(yōu)選小于4平方微米。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中從光源(1)發(fā)射的光的強(qiáng)度在 3至5毫瓦之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中調(diào)制材料是LiTa03，并且所發(fā) 射的光的光譜具有至少10納米、優(yōu)選至少15納米的帶寬。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中調(diào)制材料是LiNb03，并且所發(fā) 射的光的光譜具有至少5納米、優(yōu)選至少8納米的帶寬。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中光源(1)是超發(fā)光二極管。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中在光路中在光源(1)前面沒 有布置光學(xué)隔離器。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中布置有用于使光路中的頻率 和帶寬穩(wěn)定的光學(xué)帶通濾波器(12)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的距離測(cè)量?jī)x(10)，其中光源的帶寬Δλ滿足下面的條件Τλ—其中η。是調(diào)制材料的與波長(zhǎng)有關(guān)的尋常折射率，I是調(diào)制材料的與波長(zhǎng)有關(guān)的異常折 射率，lMstall是調(diào)制晶體的長(zhǎng)度，以及λ是光源的波長(zhǎng)。
全文摘要
光電距離測(cè)量?jī)x(10)具有光源(1)，該光源(1)在距離測(cè)量?jī)x(10)中發(fā)射的光至少通過偏振分束器(3)、光電調(diào)制器(5)和減速器(6)被引導(dǎo)到測(cè)量段(8)上。沿著測(cè)量段(8)返回的光至少通過減速器(6)、光電調(diào)制器(5)和偏振分束器(3)被引導(dǎo)到檢測(cè)器(4)。此外距離測(cè)量?jī)x(10)具有控制和分析單元(11)以用于按照光電調(diào)制器(5)的調(diào)制頻率和檢測(cè)器(4)的信號(hào)來確定測(cè)量段(8)的長(zhǎng)度。光源(1)具有所發(fā)射的光的廣譜并且優(yōu)選是超發(fā)光二極管。
文檔編號(hào)G01S7/499GK101952741SQ200980105569
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者D·邁爾, T·呂蒂 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司