DE69422866T2

DE69422866T2 - Optisches Messgerät

Info

Publication number: DE69422866T2
Application number: DE69422866T
Authority: DE
Inventors: Musubu Koishi; Yoshihiko Mizushima; Akira Takeshima; Yoshihisa Warashina
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-08-30
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2014-08-27
Also published as: EP0640846A3; DE69422866D1; JPH0763855A; JP3307730B2; US5534992A; EP0640846A2; EP0640846B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Meßgerät. Ein derartiges Meßgerät kann beispielsweise zur genauen Messung einer Entfernung zu einem Zielgegenstand oder zum Messen eines Gruppenindex eines optischen Weges unter Verwendung optischer Techniken verwendet werden.
Ein Beispiel eines herkömmlichen Entfernungsmeßgerätes ist ein Ultraschallentfernungsmesser, der keine hochgenauen Ergebnisse, sondern nur grobe Anhaltspunkte liefern kann. Das heißt, ein Problem mit dem Ultraschallentfernungsmesser besteht darin, daß eine Meßposition nicht fein bestimmt werden kann, weil es Schwierigkeiten gibt, einen Strahl voll umzusetzen und eine strahlfokussierte Position zu spezifizieren. Ein anderes Problem ist die nicht hinreichende Meßgenauigkeit aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Messung.
Ein Beispiel eines optischen Entfernungsmessers ist ein elektronenoptischer Entfernungsmesser, der ein Phasendifferenzverfahren anwendet, bei dem die Signallichtstärke von einer Sinuswelle oder dergleichen moduliert ist, das Signallicht wird auf einen Zielgegenstand projiziert, eine Phase des Modulationssignals zwischen Senden und Empfangen wird von einer sinusförmigen Intensitätsänderung des reflektierten Lichts gemessen, und eine Entfernung wird basierend auf der Phase bestimmt. Ein derartiger Entfernungsmesser hat jedoch das Problem, daß das Schaltungssystem hierfür aufwendig und teuer ist.
Ein elektronenoptischer Entfernungsmesser, der das Phasendifferenzverfahren anwendet, kann auch als Gruppenindexmesser verwendet werden, wobei die Stärke des Signallichts von einer Sinuswelle oder dergleichen moduliert ist, das Signallicht wird auf einen sich in einer bestimmten Entfernung befindenden Reflektor projiziert, eine Phase des Modulationssignals zwischen Senden und Empfangen wird von einer sinusförmigen Intensitätsänderung des reflektierten Lichts gemessen, und ein Gruppenindex einer Materialfüllung des optischen Weges wird basierend auf der Phase bestimmt. Diese Art Entfernungsmesser leidet jedoch an dem Problem, daß das Schaltungssystem hierfür aufwendig und teuer ist.
Die Forschungsveröffentlichung Nr. 252, April 1985, Seiten 187-189 (D1) beschreibt verschiedene Entfernungsmeßschaltungen, bei denen ein Photosensor mit einem Multiplizierer über ein Hochpaßfilter und einen Begrenzerverstärker verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, die obigen Probleme zu lösen und ein optisches Meßgerät zum Messen einer Entfernung zu einem Zielgegenstand auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt auch, ein optisches Meßgerät zum Messen eines Gruppenindex des optischen Weges auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit zu schaffen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Meßgerät vorgesehen, mit: einem Lichtsendeabschnitt zum Projizieren von einer Intensitätsmodulation gemäß einem Modulationssignal unterzogenem Licht zu einem Zielgegenstand hin; einem photoleitfähigen Lichtempfangselement zum Empfang von vom Zielgegenstand reflektierten intensitätsmoduliertem Licht und zum Erzeugen eines Signals, das dieses darstellt, wobei das photoleitfähige Lichtempfangselement geschaltet ist, um das Modulationssignal zu empfangen, das Produkt aus dem das Empfangslicht und das Modulationssignal darstellende Signal zu errechnen, und um ein Signal abzugeben, das eine Phasendifferenz zwischen dem das Empfangslicht und das Modulationssignal darstellende Signal repräsentiert; einem Frequenzeinstellmittel, das geschaltet ist, um das Ausgangssignal aus dem Lichtempfangselement zum Einstellen einer Frequenz des Modulationssignals zu empfangen, um so das Ausgangssignal aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement auf einem Bezugswert festzuhalten; einem Frequenzzählmittel zum Zählen der Frequenz des gemäß dem Frequenzeinstellmittel eingestellten Modulationssignals; und mit einem Verarbeitungsmittel zum Erzeugen eines charakteristischen Wertes eines optischen Weges vom Lichtsendeabschnitt und dem photoleitfähigen Lichtempfangselement zum Zielgegenstand basierend auf der vom Frequenzzählmittel gezählten Frequenz, gekennzeichnet durch ein Zeitmittlungsmittel zum Empfang des Ausgangssignals aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement und zum Errechnen eines zeitgemittelten Wertes vom Ausgangssignal.
Nachstehend ist in mehr Einzelheiten ein erstes optisches Meßgerät beschrieben, das die vorliegende Erfindung realisiert, das eingerichtet ist mit (a) einem Lichtsendeabschnitt zum Projizieren von durch Intensitätsmodulation eines Lichtträgers gewonnen modulierten Lichts hin zu einem Zielgegenstand, (b) einem Lichtempfangsabschnitt zum Empfang reflektierten modulierten Lichts, das der Zielgegenstand reflektiert und zurückkehrt, und einem Spannungssignal, das eine Wellenform eines modulierten Signals wiedergibt, das zur Intensitätsmodulation des Lichtträgers verwendet wird, das ein Produkt zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Spannungssignal direktes errechnet, das das Rechenergebnisses zeitlich mittelt und ein Signal gemäß einem Wert einer Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Spannungssignal ausgibt, das des weiteren eingerichtet ist mit (c) einem Frequenzeinstellmittel zum Einstellen einer Frequenz des modulierten Lichts, um so einen Zustand zur Signalausgabe von dem Lichtempfangsabschnitt zu halten, der auf einem festen Bezugswert gehalten wird, (d) einem Frequenzzählmittel zum Zählen der Modulationsfrequenz, die nach Einstellen durch das Einstellmittel fest ist, und mit einem (e) Verarbeitungsmittel zum Darstellen einer Entfernung aus dem Lichtsendeabschnitt und dem Lichtempfangsabschnitt zum Zielgegenstand basierend auf der vom Frequenzzählmittel gezählten Frequenz.
Ein zweites optisches Meßgerät, das die vorliegende Erfindung realisiert, ist eingerichtet mit (a) einem Lichtsendeabschnitt zum Projizieren durch Intensitätsmodulation eines Lichtträgers gewonnenen modulierten Lichts, (b) einem Reflexionsmittel, das an einer Stelle in einer vorbestimmten Entfernung vom Lichtsendeabschnitt angeordnet sind, um das modulierte Licht vom Lichtsendeabschnitt zu reflektieren, (c) einem Lichtempfangsabschnitt zum Empfang reflektierten modulierten Lichts, das am Zielgegenstand reflektiert wird und zurückkehrt, und eines Spannungssignal, das eine Wellenform des Modulationssignals wiedergibt, das zur Intensitätsmodulation des Lichtträgers verwendet wird, das ein Produkt zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Spannungssignal direktes errechnet, das das Rechenergebniss zeitlich mittelt und ein Signal gemäß einem Wert einer Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Spannungssignal ausgibt, (d) einem Frequenzeinstellmittel zum Einstellen einer Frequenz des modulierten Lichts, um so einen Zustand für ein Ausgangssignal aus dem Lichtempfangsabschnitt auf einem festen Bezugswert festzuhalten, (e) einem Frequenzzählmittel zum Zählen der Modulationsfrequenz, die vom Frequenzeinstellmittel fest eingestellt ist, und (f) einem Verarbeitungsmitteln zum Gewinnen eines Gruppenindex eines optischen Weges zwischen dem Lichtsendeabschnitt und dem Lichtempfangsabschnitt und dem Reflexionsmittel basierend auf der vom Frequenzzählmittel gezählten Frequenz.
Zusätzlich zu den obigen Anordnungen kann ein optisches Meßgerät, das die vorliegende Erfindung realisiert, so eingerichtet sein, daß das Gerät ausgestattet ist mit einem optischen Kalibrierableitweg zur Beseitigung einer Phasendifferenz, die dem optischen Meßgerät selbst eigen ist, oder mit einer Verzögerungseinheit zum Bereitstellen des Modulationssignals, das vom Frequenzeinstellmittel mit einer Zeitverzögerung abgegeben wird, um das Resultat zum Lichtsendeabschnitt zu liefern.
Das optische Meßgerät kann ausgestattet sein mit: (1) einem photoleitfähigen Lichtempfangselement zum Empfang eines Lichtempfangssignals, zu dem eine Spannungsreflexion einer Wellenform des Modulationssignals angelegt wird, und (2) mit einem Zeitmittlungsmittel zum Empfang eines Ausgangsstromes aus dem photoleitfähigem Lichtempfangselement und zum Errechnen einer zeitliche Mittlung von Werten des abgegebenen Stromsignals, und kann des weiteren über (3) ein Einstellmittel zum Einstellen einer Offsetspannung des photoleitfähigen Lichtempfangselements verfügen.
Das photoleitfähige Lichtempfangselement arbeitet so, daß bei einer konstanten Projektionslichtmenge der Wert der angelegten Spannung ein unabhängig variabler ist, wobei die im photoleitfähigen Lichtempfangselement fließende Stromstärke eine ungerade Funktion der angelegten Spannung in einem vorbestimmten Definitionsbereich ist, der den Wert der angelegten Spannung von 0 V einschließt, und daß bei periodisch angelegter Spannung der Durchschnittswert derselben ungefähr 0 ist und die Amplitude dort eine gerade Funktion der Zeit ist mit dem Ursprungspunkt zur Zeit eines Zwischenpunktes zwischen zwei benachbarten Zeiten mit einer Amplitude von 0. Das photoleitfähige Lichtempfangselement kann beispielsweise ein Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor sein.
Des weiteren kann das zum Lichtempfangsabschnitt gelieferte Spannungssignal durch Phasenmodulation des Modulationssignals mit einem anderen Signal erzeugt werden.
Das Frequenzeinstellmittel kann ausgestattet sein mit:
(1) einem Fehlerverstärker zum Empfang einer Bezugsspannung und eines Ausgangssignals aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement, das den Wert der Differenz zwischen dem Wert der Bezugsspannung und dem Wert des Ausgangssignals aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement verstärkt und ein verstärktes Spannungssignal abgibt; (2) einem Tiefpaßfilter zum Empfang des verstärkten Spannungssignals, das eine Wechselstromkomponente des verstärkten Spannungssignals verringert und im wesentlichen ein Gleichspannungssignal abgibt; und mit (3) einem spannungsgesteuerten Oszillator zum Empfang des im wesentlichen gleichgerichteten Signals, Erzeugen eines Signals (Vb) einer Frequenz gemäß dem Wert des Spannungssignals und zum Ausgeben des elektrischen Signals an den Lichtsendeabschnitt. Das Frequenzeinstellmittel kann ausgestattet sein mit: (1) einem Fehlerverstärker zum Empfang einer Bezugsspannung und eines Ausgangssignals aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement zum Verstärken des Differenzwertes zwischen dem Wert der Bezugsspannung und dem Wert des Ausgangssignals aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement und zur Abgabe des verstärkten Spannungssignals; (2) einem Tiefpaßfilter zum Empfang des verstärkten Spannungssignals, zum Verringern einer Wechselstromkomponente des verstärkten Spannungssignals und zum Abgeben eines ersten im wesentlichen gleichgerichteten Signals; (3) einem ersten Signalwandelmittel zur Abgabe des im wesentlichen gleichgerichteten Signals mit einem ersten Stromwert; (4) einem zweiten Signalwandelmittel zur Abgabe eines im wesentlichen gleichgerichteten Signals mit einem zweiten Stromwert; (5) einem Signaladdiermittel zum Empfang des ersten im wesentlichen gleichgerichteten Signals und des zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Signals und zur Abgabe eines zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Spannungssignals gemäß einem Stromwert der Summe aus dem Stromwert des ersten im wesentlichen gleichgerichteten Signals und dem Stromwert des zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Signals; und mit (6) einem spannungsgesteuerten Oszillator zum Empfang des vom Signaladdiermittel abgegebenen zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Signals, zum Erzeugen eines Signals einer Frequenz gemäß dem Wert des Spannungssignals, und zur Abgabe des Signals an das photoleitfähige Lichtempfangselement.
Da das obige Meßgerät das Frequenzeinstellmittel zum Einstellen der Frequenz vom modulierten Licht besitzt, um so den Zustand der Phasenverriegelung beizubehalten, so daß eine Differenz zwischen der Phase des Modulationssignals und der Phase des reflektierten modulierten Lichts im Lichtempfangsabschnitt konstant ist, ist die Frequenz des Modulationssignals immer zu der Entfernung vom Lichtsendeabschnitt und Lichtempfangsabschnitt zum Zielgegenstand zugehörig oder einem Gruppenindex des optischen Weges. Basierend auf der Frequenz des Modulationssignals zur Zeit der Frequenz des feststehenden Modulationssignals kann folglich die Entfernung zum Zielgegenstand oder der Gruppenindex des optischen Weges zu diesem Zeitpunkt auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit gewonnen werden.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung lediglich anhand eines Beispiels deutlich, und somit kann dieses nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der detaillierten nachstehenden Beschreibung deutlich. Jedoch versteht es sich, daß die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, wobei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben sind, lediglich auf als Veranschaulichung gegeben werden, da dem Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung aus der detaillierten Beschreibung deutlich werden.

ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Aufbauzeichnung, die eine schematische Anordnung eines optischen Meßgerätes einer ersten Art zeigt, in der die vorliegende Erfindung realisiert ist;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die ein Entwurfsbeispiel 1 eines Lichtempfangsabschnitts zeigt;
Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung, die die Arbeitsweise des Lichtempfangsabschitts zeigt;
Fig. 4 bis 7 sind erläuternde Darstellungen, die die Wellenformen von Modulationssignalen zeigen;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung, die ein Entwurfsbeispiel 2 des Lichtempfangsabschnitts zeigt,
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, die ein Entwurfsbeispiel 3 des Lichtempfangsabschnitts zeigt;
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines optischen Meßgerätes einer zweiten Art, bei der die vorliegende Erfindung realisiert ist;
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines optischen Meßgerätes einer dritten Art, bei der die vorliegende Erfindung realisiert ist,
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Meßgerätes;
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Meßgerätes; und
Fig. 14 ist eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Meßgerätes.
Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung eines optischen Meßgerätes einer ersten Art, in der die vorliegende Erfindung realisiert ist. Ein Fehlerverstärker 310 ist so angeordnet, daß eine Bezugsspannung (Vr) an einen Anschluß angelegt ist, während ein Spannungssignal (Vd) an dem anderen Anschluß anliegt und der eine Differenz (Vd - Vr) zwischen dem Wert des Spannungssignals (Vd) und einem Wert der Bezugsspannung (Vr) verstärkt, um eine verstärkte Spannung VI = G · (Vd - Vr) abzugeben. Das Ausgangssignal vom Fehlerverstärker 310 wird an ein Tiefpaßfilter 320 geliefert. Das Tiefpaßfilter 320 wählt nur eine Gleichstromkomponente aus dem Ausgangssignal vom Fehlerverstärker 310 aus, um ein Übergangsansprechen einer Schleife zu bestimmen. Ein Ausgangssignal vom Tiefpaßfilter 320 liefert eine Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 400. Der VCO 400 schwingt mit einer Frequenz gemäß der vom Fehlerverstärker 310 gelieferten Spannung durch das Tiefpaßfilter 320. Ein elektrisches Signal aus dem VCO 400 wird an einen Lichtsendeabschnitt (Sender) 100 geliefert. Der Sender 100 ist versehen mit einer Lichtquelle, beispielsweise mit einer Laserdiode (LD). Der Sender 100 gibt intensitätsmoduliertes Licht von der Lichtquelle gemäß dem elektrischen Signal ab, das vom VCO 400 kommt, und projiziert das modulierte Licht hin zu einem Reflektor (Reflektorplatte 650) in Form eines kollimierten Strahls. Ein vom Reflektor reflektierter Strahl (reflektiertes moduliertes Licht) des modulierten Lichts wird von einem Lichtempfangsabschnitt (Empfänger) 200 empfangen. Der Empfänger 200 empfängt auch ein Modulationssignal aus dem VCO 400 und errechnet eine Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Modulationssignal. Dann errechnet der Empfänger 200 einen zeitlich gemittelten Spannungswert des Phasendifferenzsignals und gibt diesen ab. Der zeitlich gemittelte Spannungswert wird an den anderen Eingangsanschluß des Fehlerverstärkers 310 geliefert. Ein Frequenzzähler 500 stellt eine Frequenz des Modulationssignals vom VCO 400 fest. Der Frequenzzähler 500 kann ersetzt werden durch irgendeine Einrichtung, die die Frequenz messen kann. Beispielsweise sind für anwendbare Einrichtungen eine Kombination eines Frequenz- Spannungs-Wandlers (F/V-Wandler) und ein Voltmeter, eine Kombination eines Frequenzmessers zur Ausgabe einer Spannung, die einem Wiederholzyklus der Impulse proportional ist, und ein Voltmeter und ein Frequenzdiskriminator, wie er beim FM-Detektor verwendet wird, möglich.
Der Empfänger 200 multipliziert die Lichtwelle direkt mit der eingegebenen elektrischen Welle und gibt eine niederfrequente Komponente des Multiplikationsergebnisses als Spannungswert ab.
Fig. 2 ist eine strukturelle Darstellung, die ein Entwurfsbeispiel 1 des Empfängers zeigt, um diese Funktion zu erfüllen. Der Empfänger setzt sich zusammen aus einem photoleitfähigem Empfänger 210 zum Empfangen des reflektierten modulierten Lichts und des Modulationssignals und errechnet ein Produkt zwischen dem reflektierten modulierten Licht als ein Lichtsignal und dem Modulationssignal als ein elektrisches Signal zur Ausgabe eines elektrischen Signals, das eine Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Modulationssignal wiedergibt, Verbindungskondensatoren C1, C2 zum Anlegen eines Spannungssignals einer Wechselspannungskomponente und des Modulationssignals an den photoleitfähigen Empfänger, Drosselspulen L1, L2 zum Durchlassen einer Gleichspannungskomponente eines im photoleitfähigen Empfänger 210 erzeugten Stromes, einen Operationsverstärker A2 und einen Widerstand R2 zum Umsetzen der Wechselspannungskomponente des Stromsignals, der durch die Drosselspule L1 fließt, des photoleitfähigen Empfängers 210 und der Drosselspule L2 in eine Spannung, einem Operationsverstärker A1, einem Kodensator C4 und einem Widerstand R1 zum Errechnen einer zeitlichen Mittlung des solchermaßen umgesetzten Spannungssignals, und einer Vorspannungseinstellung zum Einstellen eines Vorspannungswertes der an den photoleitfähigen Empfänger 210 angelegten Spannung.
Der photoleitfähige Empfänger 210 ist als Metall-Halbleiter- Metall-Empfänger (MSM-Empfänger) aufgebaut. Die Vorspannungseinstellung setzt sich zusammen aus einem variablen Widerstand VR1 zur Einstellung des Vorspannwertes und einer Gleichstromversorgung E1, E2, die in Serie geschaltet ist, und mit zugehörigen Anschlüssen des variablen Widerstands VR1, während eine Verbindung zwischen der Gleichstromversorgung E1 und der Gleichstromversorgung E2 auf Massepotential gesetzt ist.
Im Empfänger 200 wird die Vorspannung so durch den variablen Widerstand VR1 eingestellt, daß das Ausgangssignal nach Empfang des nicht modulierten Lichts "0 V" wird. In diesem Falle kann unter Vernachlässigung von Fluktuationen der Umgebung, die Wechselspannungskomponente VA des reflektierten modulierten Lichts und das Modulationssignal Vb, die die Eingangssignale für den Empfänger 200 sind, folgendermaßen ausgedrückt werden.
Va = VA sin (ωt - Φ)... (1)
wobei VA die Intensitätsamplitude des reflektierten modulierten Lichts (Modulationskomponente) ist;
ω: die Modulationsfrequenz
Φ: die Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Modulationssignal ist.
Vb = VB sin (ωt)... (2)
wobei VB die Spannungsamplitude des Modulationssignals ist. Die Ausgangsspannung Vd vom Empfänger 200 wird durch folgende Formel ausgedrückt:
Vd = < Va · Vb> = < K&sub1; · VAsin (ωt - Φ) · VBsin (ωt)> = < K&sub2; · VA. VB(cos(2ωt - Φ) + cosΦ)> = K&sub2; · VA · VB · cosΦ (3)
wobei < X> die zeitliche Mittlung von X ist und Ki Konstanten (i = 1, 2) sind.
Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung der Arbeitsweise des Empfängers, um eine Beziehung zwischen der Phasendifferenz (Φ) in Formel (1) und der Ausgangsspannung (Vd) darzustellen. In Fig. 3 stellt (a) einen Fall dar, bei dem die Phasendifferenz 0 beträgt (+2nπ; n = ganze Zahl), (b) einen Fall, bei dem die Phasendifferenz π/2 ist (+nπ; n = ganze Zahl), und (c) einen Fall, bei dem die Phasendifferenz π beträgt (+2nπ; n = ganze Zahl).
Wenn der Eingangswert "0 V" am Bezugsspannungsanschluß des Fehlerverstärkers 310 ist, wird der Ausgangsspannungswert VI des Fehlerverstärkers:
VI = G · Vd = G · K&sub2; · cosΦ (4)
wobei G die Verstärkung des Fehlerverstärkers ist. Es ist nämlich
cosΦ = VI/(G · K&sub2;) (5)
Wenn der Fehlerverstärker 310 über eine hinreichend große Verstärkung verfügt (das heißt, wenn G groß genug ist), kann eine derartige phasenverriegelte Schleife (PLL) so aufgebaut werden, daß die Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Licht und dem Modulationssignal immer etwa π/2 (+nπ; n = ganze Zahl) ist. Dann schwingt der VCO 400 auf einer Frequenz gemäß einer Hin-und-Rückweg (L1 + L2) zu einem Reflektor.
Angemerkt sei, daß der Modulationsfrequenzwert nicht einheitlich bestimmt werden kann, selbst wenn ein Verriegelungszustand der PLL eingerichtet ist. Dann wird der Bereich der Schwingungsfrequenzen des VCO 400 vorläufig eingerichtet, um eine Periode 4/3-fach als die Verzögerungszeit (Td) der Hin-und-Rückweg zu haben. Wenn die anfängliche Modulationsfrequenz hinreichend niedrig ist, wird die Phasendifferenz π/2, wenn der VCO 400 auf der Frequenz mit 4/3- fachem Td schwingt.
Die Gruppenverzögerungszeit Td gemäß dem Hin-und-Rückweg kann errechnet werden durch die folgende Formel aus der Oszillationsfrequenz des VCO 400, das heißt, aus einem vom Frequenzzähler 500 gemessenen Wert f:
Td = 3/4 · f&supmin;¹ (6)
wobei f die VCO-Schwingungsfrequenz ist.
Unter der Annahme, daß ein Gruppenindex einer Materialfüllung des optischen Weges bereits bekannt ist und L1 gleich L2 ist (L1 = L2 = L), kann eine Entfernung L vom Td zum Reflektor folgendermaßen errechnet werden:
L = c · Td/ (2 · n)... (7)
wobei n der Gruppenindex der Materialfüllung im optischen Weg und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Da die Meßgenauigkeit der Frequenz normalerweise sechs oder mehr Ziffern umfaßt, kann der Abstand auch mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der VCO 400 ist so eingerichtet, daß der Schwingungsfrequenzbereich abhängig vom Bereich der zu messenden Entfernung ausgewählt wird.
Des weiteren wird angenommen, daß L1 und L2 einander gleich (L1 = L2 = L) und bereits bekannt sind, der Gruppenindex n der Materialfüllung des optischen Weges kann durch folgende Formel aus Td bestimmt werden:
n = c · Td/(2 · L) (8)
wobei n der Gruppenindex der Materialfüllung des optischen Weges und c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Da die Meßgenauigkeit der Frequenz normalerweise sechs oder mehr Ziffern beträgt, kann der Gruppenindex ebenfalls mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der VCO 400 ist so eingerichtet, daß der Schwingungsfrequenzbereich abhängig vom zu messenden Entfernungsbereich ausgewählt wird.
Es wird angenommen, daß der obige optische Entfernungsmesser in der Luft verwendet wird. Eine Änderung der empfangenen Lichtmenge aufgrund von Fluktuationen der Luft verursacht eine Zeitänderung (Jitter) des Schaltungssystems, das bei Variationen des gemessenen Wertes dominant wird. Die Wirkung der Änderung kann jedoch minimiert werden, soweit die Phasendifferenz von π/2 festgehalten wird. Der hier verwendete Empfänger 200, der ein Phasenvergleicher ist, arbeitet als Multiplizierer, so daß im Falle der Eingabe einer selben Frequenz, verschoben um π/2 in der Phase, die Gleichstromkomponente (Phasendiffereninformation) des Ausgangssignals Null wird, ungeachtet der Änderungen der Amplitude. Berücksichtigt man die Zeitabhängigkeit, so kann das reflektierte modulierte Licht Va' als Eingangssignal in den Empfänger 200 folgendermaßen dargestellt werden:
Va'(t) = I&sub0; · V&sub0;(t) + VA · V&sub1;(t) · sin(ωt - Φ) (9)
wobei V&sub0;(t) die Änderung des Hintergrundlichts vom reflektierten modulierten Licht und V&sub1;(t) die zeitliche Änderung der Modulationskomponente vom reflektierten modulierten Licht ist.
Im allgemeinen sind die Frequenzkomponenten der zeitlichen Änderungen von V&sub0;(t) und V&sub1;(t) hinreichend kleiner als die Modulationssignalfrequenz.
Wenn der photoleitfähige Empfänger 210 nicht gesättigt ist, wird die Ausgangsspannung Vd des Empfängers 200 die folgende:
Vd = < Va'(t) · Vb> = K&sub2; · VA · VB · cosΦ · < V&sub1;(t)> (10)
Wenn die Phasendifferenz Φ π/2 beträgt, ist Vd = 0, ungeachtet des Modus von V&sub1;(t). Eine Steuerung zur Aufrechterhaltung der Phasendifferenz von Φ = π/2 kann nämlich die Wirkung der Stärkeänderung des reflektierten modulierten Lichts verhindern.
Fig. 4 bis 7 sind erläuternde Darstellungen, um verschiedene Modulationssignale zu zeigen. Die obige Beschreibung betrifft das Beispiel unter Verwendung der Sinuswelle von Fig. 4 als das Modulationssignal, aber das Modulationssignal kann auch eine andere Wellenform haben. Verwendbare Wellenformen des Modulationssignals können folgendermaßen im Zeit-Amplituden- Koordinatensystem bestimmt werden: (1) Das Signal ist eine periodische Funktion mit konstanter Periode; (2) die zeitliche Mittlung der Amplitude ist "0"; und (3) mit dem Ursprung der Mitte zwischen zwei benachbarten Zeiten mit der Amplitude von Null ist die Amplitude eine gradzahlige Funktion der Zeit. Mit Wellenformen, die diesen Bedingungen genügen, wird das Ausgangssignal vom Empfänger 200 "0 V", wenn die Phasendifferenz eine Viertelperiode ist, ebenso wie im obigen Beispiel. Anwendbare Wellenformen sind nämlich beispielsweise eine Dreieckswelle von Fig. 5, eine Trapezwelle von Fig. 6 und eine Rechteckwelle von Fig. 7.
Der Empfänger 200 kann in Hinsicht auf das Verfahren zum Anlegen des Modulationssignals in der Struktur von Fig. 3 abgewandelt werden. Der Empfänger kann beispielsweise als Entwurfsbeispiel 2 des in Fig. 8 gezeigten Empfängers eingerichtet sein oder als Entwurfsbeispiel 3 des in Fig. 9 gezeigten Empfängers, der dieselbe phasenverriegelte Schleife bildet.
Fig. 10 zeigt eine schematische Anordnung eines optischen Meßgerätes einer zweiten Art, bei der ein optischer Bezugsweg vorgesehen ist. Der optische Bezugsweg dient der Beseitigung einer Gruppenverzögerungsänderung eines Schaltungssystems, das bei einem Abweichen von einem gemessenen Wert dominant werden könnte.
Wenn ein optischer Bezugsweg L3, L4 ausgewählt wird, kann die Formel (6) folgendermaßen abgewandelt werden, wobei die Gruppenverzögerung des Schaltungssystems berücksichtigt ist:
Td&sub1; = 3/4 · f&sub1;&supmin;¹ - Tc&sub1; (11)
Hierbei ist Td&sub1; die Gruppenverzögerungszeit in L3, L4; f&sub1; die VCO-Schwingungsfrequenz; und Tc&sub1; ist die Gruppenverzögerungszeit des Senders und Empfängers.
Wenn der optische Meßweg L1, L2 zu einem Reflektor ausgewählt wird, ergibt sich die folgende Gruppenverzögerung:
Td&sub2; = 3/4 · f&sub2;&supmin;¹ - Tc&sub2;, (12)
wobei Td&sub2; die Gruppenverzögerungszeit in L1, L2; f&sub2; die VCO- Schwingungsfrequenz und Tc&sub2; die Gruppenverzögerungszeit im Sender und Empfänger ist.
Bei Messungen von Td&sub1;, Td&sub2; vor Stattfinden der Verschiebung gilt folgende Beziehung:
Tc&sub1; = Tc&sub2; = Tc (13)
Dann können die nachfolgenden Schritte eine Entfernung L zu einem Meßobjekt in Hinsicht auf einen Bezugspunkt (Entfernung Null) einer Reflexionsplatte 600 im optischen Bezugswege liefern, ohne von der Gruppenverzögerungsverschiebung im Sender und im Empfänger beeinflußt zu werden. Speziell gilt die folgende Formel:
Td = Td&sub2; - Td&sub1; = 3/4 · (f&sub2;&supmin;¹ - f&sub1;&supmin;¹) (14)
Durch Substituieren dieser Formel (14) in die Formel (7) ist die Entfernung L zum Reflektor unter der Annahme, daß der Gruppenindex n der Materialfüllung des optischen Weges bekannt ist, die folgende:
L = 3/4 · c · (f&sub2;&supmin;¹ - f&sub1;&supmin;¹)/(2 · n) (15)
Die Entfernung zum Reflektor ist bekannt; der Gruppenindex n der Materialfüllung des optischen Weges ist der folgende:
n = 3/4 · c · (f2-1 - f1-1)/(2 · L) (16)
In der Anordnung von Fig. 10 ist eine Verzögerungseinheit 450 (Verzögerungszeit = TD) vorgesehen, um den Bereich der Entfernungsmessung aufzuweiten, ohne den Schwingungsfrequenzbereich des VCO 400 zu vergrößern. Die Verzögerung ist in Tc&sub1; von Formel (11) und Tc&sub2; von Formel (12) enthalten.
Wenn ein Entfernungsbereich von 0 bis 100 m ohne die Verzögerungseinheit 450 gemessen wird (das heißt, wenn TD = 0), sind die Modulationsfrequenzen, die für die Messung der minimalen und maximalen Entfernung erforderlich sind, beispielsweise die folgenden:
(1) Etwa 50 MHz für 0 m (wobei eine Summe der Gruppenverzögerungszeiten des Senders und Empfängers etwa 15 ns betragen);
(2) etwa 1,1 MHz für 100 m (wobei eine Summe der Verzögerungszeiten des Senders und Empfängers etwa 682 ns ist).
Somit benötigt der VCO 400 einen Schwingungsfrequenzbereich von etwa 1,1 MHz für 50 MHz. Wenn der Maximalwert das Dreifache des Minimalwertes der Modulationsfrequenz übersteigt, die bei der Entfernungsmessung verwendet wird, ist es möglich, daß die obige Verriegelungsbedingung der Phasenverriegelungsschleife durch eine Vielzahl von Modulationsfrequenzen erreicht wird.
Unter diesen Umständen kann eine passende Verzögerungseinheit abhängig vom Meßentfernungsbereich wie in Fig. 10 eingesetzt werden. Beispielsweise wird eine angenommen, daß eine Verzögerungseinheit 450 mit TD = 500 ns eingestellt ist. Zur Messung des obigen Entfernungsbereichs von 0 bis 100 m sind die Modulationsfrequenzen, die für die Messung der minimalen und maximalen Entfernung erforderlich sind, folgende:
(1) Etwa 1,5 MHz für 0 m (wobei eine Summe der Verzögerungszeit des Senders und Empfängers etwa 500 ns ist);
(2) etwa 643 kHz für 100 m (wobei eine Summe der Verzögerungszeiten des Senders und Empfängers etwa 1,17 us ist).
Der Maximalwert der vom VCO 400 erzeugten Modulationsfrequenz ist somit geringer als das Dreifache des Minimums. Wie zuvor beschrieben, kann die Verzögerungseinheit 450, die gemäß dem Meßentfernungsbereich richtig eingestellt ist, unzweideutig die Modulationsfrequenz zur Phasenverriegelung bestimmen und nähert den Schwingungsfrequenzbereich vom VCO 400 an, wodurch der Aufbau des Gerätes vereinfacht wird.
Fig. 11 zeigt eine schematische Anordnung eines optischen Meßgerätes einer dritten Art, bei der ein optischer Bezugsweg und ein Modulationsfrequenz-Änderungsabschnitt 800 zwischen dem Tiefpaßfilter 320 und dem VCO 400 vorgesehen ist. Der Modulationsfrequenz-Änderungsabschnitt 800 dient der Bestimmung einer Zahl von Wellen einer intensitätsmodulierten Komponente mit der Modulationsfrequenz, die auf dem optischen Weg (L1 + L2) existiert. Wie in Fig. 11 gezeigt, setzt sich der Modulationsfrequenz-Änderungsabschnitt 800 zusammen aus (1) einem D/A-Stromausgangswandler 810 (DA1) vom Mehrzwecktyp zum Empfang eines nahen Gleichspannungssignals V1 aus dem Tiefpaßfilter 320 und einem Standardspannungs-Befehlsausgangssignal aus einer Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt), um ein nahes Gleichstromsignal I1 mit einem Wert abzugeben, der einem Produkt zwischen dem Wert von V1 und dem Wert einer Standardspannung entspricht, (2) aus einem D/A-Stromausgangswandler 820 (DA2) zum Empfang eines Versatzspannungs-Befehlssignals aus der Verarbeitungseinheit zur Eingabe eines Gleichstromsignals I2 mit einem Wert gemäß einem Wert des Versatzspannungs-Befehlssignals, und (3) aus einem Stromaddierer 830 zum Empfang von I1 und I2 zur Ausgabe eines nahen Gleichspannungssignals V2 gemäß einer Summe des Wertes von I1 und des Wertes von I2.
Hier setzt sich der Stromaddierer 830 zusammen aus einem Operationsverstärker A3, der am positiven Eingangsanschluß mit Masse verbunden ist, mit Ausgängen des D/A-Wandlers 810 und D/A- Wandlers 820 mit dem negativen Eingangsanschluß, und mit einem Spannungseingangsanschluß des VCO 400 am Ausgangsanschluß und einem Widerstand R3, der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers A3 an einem Anschluß mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A3 am anderen Anschluß zur Strom-Spannungsumsetzung verbunden ist.
Das oben detailliert beschriebene optische Meßgerät ist eingerichtet zum Messen der Entfernung oder des Gruppenindex der Materialfüllung des optischen Weges (L1 + L2) durch Feststellen des Wertes der phasenverriegelten Modulationsfrequenz, so daß bei größer werdendem Wert der Modulationsfrequenz eine Messung höherer Genauigkeit ausgeführt werden kann. Jedoch kann die Eindeutigkeit der Modulationsfrequenz bei Phasenverriegelung mit dem Anstieg der phasenverriegelten Modulationsfrequenz beibehalten werden.
Das Gerät dieser Art ist somit eingerichtet, daß der Standardspannungswert aus der Verarbeitungseinheit in den D/A- Wandler 810 gebracht wird, wodurch ein Ausgangsstromwert vom D/A- Wandler 820 zuerst nahe 0 im Bereich der Werte der Modulationsfrequenz eingestellt werden, wo eine hinreichende Meßgenauigkeit erzielt werden kann (beispielsweise nahe 10&sup8; Hz), und ein erster phasenverriegelter Modulationsfrequenzwert f1 wird dann gemessen. Für den ersten Modulationsfrequenzwert f1 gilt die folgende Beziehung:
m + 3/4 = f1 · (2L · n/c + Td) (17)
wobei m die Zahl der Modulationswellen im optischen Weg (L1 + L2) ist;
2L der Hin-und-Rückeg zum Reflektor ist;
n der Gruppenindex einer Materialfüllung des optischen Weges (L1 + L2) ist;
c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist; und
Td die Summe der Gruppenverzögerungszeiten des Senders, des Empfängers und der Verzögerungseinheit ist.
An dieser Stelle sind m und L im Falle des Entfernungsmessers oder n im Falle des Gruppenindexmessers unbekannt, und folglich kann ein zu messender Wert nicht bestimmt werden.
Als nächstes stellt die Verarbeitungseinheit einen Erhöhungsbefehl bereit, um das Stromausgangssignal für den D/A- Wandler 820 zu erhöhen. In diesem Falle wird der Betrag der Stromerhöhung, der von der Verarbeitungseinheit angewiesen ist, so eingestellt, daß eine Erhöhung von Δf der durch die Stromerhöhung geänderten Modulationsfrequenz ungefähr gleich einem Wert von Δf1 wird, errechnet nach der folgenden Formel:
Δf1 = (2LMAX/c + Td)&supmin;¹ (18)
wobei LMAX das Maximum der gemessenen Entfernung vom Gerät im Falle der Entfernungsmessung ist, oder
ein Entfernungswert im Falle der Gruppenindexmessung.
Oben wird angenommen, daß n ungefähr "1" ist. Wenn n bei der Messung nicht als "1" angenommen werden kann, wird "c" in der Formel (18) ersetzt durch "c/nMAX", wobei nMAX ein Maximum des zu erwartenden n ist.
Der Ausgangsstrom des D/A-Wandlers 820 wird somit etwa um Δf1 erhöht, um die Phasenverriegelungsfrequenz zu messen. Wenn der Wert der gemessenen Phasenverriegelungsfrequenz mit f1 übereinstimmt, erhöht die Verarbeitungseinheit das Stromausgangssignal des D/A-Wandlers 820 jeder Einheit um etwa Δf1 während der Messung der phasenverriegelten Frequenz. Dieser Prozeß wird für die Phasenverriegelungs-Frequenzänderungen von f1 fortgesetzt. Für eine geänderte Phasenverriegelungsfrequenz f2 gilt die folgende Beziehung:
m + 1 + 3/4 = f2 · (2L · n/c + Td) (19)
Gleichzeitiges Lösen der Gleichungen aus Formel (17) und Formel (19) führt m ergibt
m = (7f1 - 3f2)/[4(f2 - f1)] (20)
Somit kann m aus den gemessenen Werten f1 und f2 gewonnen werden. Einsetzen des Wertes von m in der Formel (17) ergibt die zu messende Entfernung L oder den zu messenden Gruppenindex n.
Im obigen Beispiel sind die D/A-Wandler 810, 820 zum Ausführen der Stromaddition vom Stromausgangstyp, jedoch können auch D/A-Wandler des Spannungstyps verwendet werden, um eine Spannungsaddition auszuführen.
Spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.
Fig. 12 ist eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Meßgerätes, bei dem das optische Meßgerät der in Fig. 10 gezeigten zweiten Art bei einem Lichtleitfaser-Oszilloskop angewandt wird. Laserlicht aus einer Laserdiode (LD) 110 wird durch eine Faser 131 geleitet, um auf einen zu messenden projiziert zu werden. Das Laserlicht wird in der Form eines Strahls kollimiert, so daß es auf einen Punkt des Gegenstands fokussiert ist. Wenn der Zielgegenstand zur Verteilung des Laserlichtstrahls weit genug entfernt ist, wird ein zurückwerfender Reflektor, wie ein Eckwürfelprisma, als Ziel verwendet. Teil des aus der Faser 131 austretenden Lichts wird über Spiegel 610, 620 zu einer Faser 132 geführt (optischer Kalibrierweg).
Andererseits wird Streulicht aus dem Gegenstand zu einem optischen Filter 261 durch Umwechseln eines optischen Schalters 250 zur Auswahl einer Faser 133 geleitet. Das optische Filter 261 ist aus einem Spektroskop oder einem Interferenzfilter aufgebaut. Das optische Filter 261 ist zur Beseitigung von Störkomponenten vorgesehen, wie Beleuchtungslicht, das bei der Beobachtung des Auftretens eines zu messenden Gegenstands verwendet wird. Licht, das das optische Filter 261 durchlaufen hat, wird an ein lichtvariables Dämpfungsglied 262 geliefert. Das lichtvariable Dämpfungsglied 262 ist zur Vermeidung des Sättigens vom photoleitfähigen Empfänger 210 im Empfänger 200 beim Empfang einer exzessiven Lichtmenge aufgrund von Differenzen des Reflexionsvermögens eines entfernten Gegenstands vorgesehen. Insbesondere ist das Dämpfungsglied mit einem Flüssigkristall realisiert, dessen Transmittanz sich mit einer Änderung der angelegten Spannung ändert, PLZT, oder einem mechanischen Umschaltmechanismus vom ND-Filter.
Nach den obigen Prozessen tritt das intensitätsmodulierte gestreute Licht oder das Rückkehrlicht aus dem optischen Meßweg in den Empfänger 200 ein. Der Empfänger 200 errechnet ein Produkt aus dem empfangenen Signal und dem Modulationssignal, das vom VCO 400 kommt, wie schon beschrieben, und führt eine Zeitmittlungsoperation aus, um die Gleichstromkomponente herauszufiltern.
In diesem Ausführungsbeispiel führt ein Phasenmodulator 271 die Phasenmodulation des Modulationssignals aus, das vom VCO 400 kommt, mit einem Schwingungssignal der Frequenz f, die vom Oszillator 272 erzeugt wird, und danach wird das modulierte Signal an den Empfänger 200 geliefert. Da die Frequenz f auf einen Wert gebracht wird, der hinreichend größer als die Bandbreite des Schleifenfilters in der zuvor beschriebenen phasenverriegelten Schleife ist, berührt dies die Phaseneinrasteigenschaften nicht. Im phasenverriegelten Zustand enthält das Signal im Empfänger 200 vor der zeitlichen Mittlung eine Wechselstromkomponente der Frequenz f. Das Signal wird durch einen Verstärker 730 an eine Meßsteuereinheit 710 gebracht, wodurch bestimmt werden kann, ob ein Kurzschluß der Empfangslichtmenge die Verriegelungsphase verschiebt, um einen Fehler bei der Entfernungsmessung hervorzurufen.
Das Ausgangssignal vom Empfänger 200 wird durch den Fehlerverstärker 310 und durch das Tiefpaßfilter 320 zurück zum VCO 400 geliefert. Der VCO 400 erzeugt ein Modulationssignal, das mit einer Frequenz gemäß einem Spannungswert des Eingangssignals schwingt, und gibt dieses an einen LD-Treiber 120 ab. Der LD- Treiber 120 setzt das Ausgangssignal vom VCO 400 in einen Strom um und liefert diesen an die LD 110. Ein Ausgangssignal von der LD 110 wird durch die Faser 131 über die Spiegel 610, 620 zum zu messenden Gegenstand geliefert, um den optischen Weg zur Faser 132 zu kalibrieren.
Ein Teil des Ausgangssignals vom Empfänger 200 wird an die Meßsteuereinheit 710 geleitet, um einen Phasenfeststellfehler aufgrund einer Änderung der Offsetspannung zu vermeiden. Die Meßsteuereinheit 710 stellt die Offsetspannung des Empfängers 200 so ein, daß das Ausgangssignal vom Empfänger 200 "0 V" nach Auftreffen nicht modulierten Lichts wird.
Die Meßsteuereinheit 710 steuert den optischen Wegumschalter und liest für jede Umschaltung eine Frequenz aus, um der Phasenverriegelungsbedingung aus dem Frequenzzähler 500 zu genügen, um die Entfernung zum Meßobjekt zu messen und eine gemessene Entfernung auf einer Anzeige 720 anzuzeigen.
Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels von Fig. 12 wird als nächstes beschrieben. Das Laserlicht aus der LD 110 wird durch die Faser 131 geleitet, um auf den Zielgegenstand projiziert zu werden. Der Empfänger 200 stellt einen Rückkehrstrahl des vom Gegenstand reflektierten Laserlichts fest. Die Gleichspannungs-Ausgangssignalkomponente vom Empfänger wird unter der Bedingung zu Null, daß die Phasendifferenz zwischen dem Laserlicht, das von der LD 110 emittiert wird, und dem Modulationsausgangssignal aus dem VCO π/2 beträgt. Wenn die Ausgangsfrequenz des VCO 400 als phasenverriegelt feststehend wird, ist die Ausgangsfrequenz folglich immer in Übereinstimmung mit der Entfernung von der LD 110 zum Zielgegenstand. Überwachen der Ausgangsfrequenz vom VCO 400 durch den Frequenzzähler 500 kann das Gerät basierend auf einer Ausgabefrequenz zu einer gewissen Zeit einen Abstand zum Gegenstand im Moment in einfacher Weise und mit hoher Genauigkeit festgestellt werden. Wenn die Messung der phasenverriegelten Frequenz ebenfalls durch Auswahl der Faser 133 durch Umschalten des optischen Schalters 250 ausgeführt wird, kann eine Entfernung zum Gegenstand in Hinsicht auf den Bezugspunkt vom Spiegel 610 gewonnen werden als Beseitigung einer Phasendifferenz, die vom Gerät selbst im Ausführungsbeispiel aufkommt.
Als nächstes beschrieben sind spezielle Meßumstände im ersten Ausführungsbeispiel. Jede Faser 131, 132, 133 hat eine Länge von 1,5 m und einen Gruppenindex von 1,5. Die Entfernung vom Emissionsende der Faser 131 zum Spiegel 610 beträgt 5 mm. Die Entfernung vom Spiegel 610 zum Spiegel 620 beträgt 2,5 mm. Die Entfernung vom Spiegel 620 zur Faser 132 beträgt 2,5 mm. Der optische Weg zum Zielgegenstand hat einen durchschnittlichen Index von 1,0. Eine Summe der Gruppenverzögerungszeiten des Senders 100 einschließlich der LD 110, dem Empfänger 200 und der Verstärkungseinheit beträgt 5 ns. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist 3 · 10&sup8; m/s. Unter den obigen Bedingungen wird f&sub1; (gewonnener Wert, wenn das Meßlicht durch den optischen Kalibrierweg abgeleitet wird) durch folgende Formel (11) gewonnen:
f&sub1; = 3/4 · (Td&sub1; + Tc&sub1;)&supmin;¹ = 3/4 · {[2 · 1,5 · 1,5 + (5 + 2,5 + 2,5) · 10&supmin;³]/3 · 10&sup8; + 5 + 10&supmin;&sup9;}&supmin;¹ = 37,437605 · 10&sup6;
Unter der Annahme der Entfernung zwischen dem Spiegel 610 und dem zu messenden Gegenstand mit 20 cm und dem Durchschnittsindex 1,0 wird f&sub2; (gewonnener Wert, wenn das Meßlicht auf den Meßgegenstand projiziert ist) gleichermaßen wie folgt dargestellt:
f&sub2; = 3/4 {[2 · 1,5 · 1,5 + (5 + 5) · 10&supmin;³ + 2 · 0,2]/3 · 10&sup8; + 5 · 10&supmin;&sup9;}&supmin;¹ = 35,101404 · 10&sup6;
Unter der Annahme einer Genauigkeit für die Frequenzmessung mit sechs Ziffern (± 1/1000000) wird ein maximaler Meßfehler ΔL durch folgende Formel (13) errechnet:
ΔL = 0,000002 · 3 · (f&sub2;&supmin;¹ + f&sub1;&supmin;¹) · v&sub0;/(2 · 4) = 12,42 um.
In der obigen Rechnung ist n = 1. Hier wird ein herkömmlicher elektronenoptischer Entfernungsmesser nach dem Phasendifferenzverfahren unter Verwendung einer Modulationswelle von 15 MHz betrachtet. Angenommen wird eine Phasenauflösung von 1/2000, eine Zeitauflösung des Hin-und-Rückweges mit
(15 · 106) - 1/2000 = 33,3 · 10&supmin;¹²
Daraus ergibt sich die Entfernung von:
3 · 108 · 33,3 · 10&supmin;¹²/2 = 5 mm.
Somit ist zu sehen, daß das Gerät nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine weitaus höhere Auflösung in einer einfachen Anordnung erreichen kann als bei der Messung der Phase selbst.
Da das Gerät die Entfernung zum zu messenden Gegenstand exakt messen kann, wie zuvor beschrieben, kann es ebenfalls Abmessungen vom Gegenstand aus einem Feldwinkel des optischen Systems messen. Wenn sich ein derartiges Gerät des ersten Ausführungsbeispiels in einem Endoskop befindet, kann dies als effektiver Index angesehen werden, der bei der Bestimmung einer Bestrahlungsintensität eines Lasers zur Behandlung eines Tumors unter Verwendung von Laserstrahlen geliefert werden kann.
Ebenfalls kann ein einfacher tragbarer Entfernungsmesser aufgebaut werden.
Obwohl das obige Lichtleitfaser-Oszilloskop als ein Beispiel unter Verwendung des optischen Meßgerätes der zweiten Art beschrieben worden ist, kann das optische Meßgerät der ersten Art oder der dritten Art ebenfalls hierfür verwendet werden. Angemerkt sei jedoch, daß bei Verwendung des optischen Meßgerätes der ersten Art die Meßgenauigkeit im Ausführungsbeispiel ohne Abwandlung verringert ist, verglichen mit dem obigen Lichtleitfaser-Oszilloskop, und folglich muß eine Gruppenverzögerungsänderung des Schaltungssystems, das dem Gerät eigen ist, durch eine vorhergehende Messung kompensiert werden. Wenn das optische Meßgerät der dritten Art verwendet wird, ist die Meßgenauigkeit verbessert, aber der Aufbau des Gerätes wird ein bißchen komplizierter.
Fig. 13 ist eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Meßgerätes, bei dem das optische Meßgerät der in Fig. 10 gezeigten zweiten Art bei einem Lichtleitfaser-Oszilloskop angewandt wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind die entfernten Enden der Faser 131 und der Faser 132 eng aneinander, und ein Streukörper 630 ist an die fernen Enden zum Rückkehrteil des Lichts aus der Faser 131 in der Faser 132 vorgesehen. Die fernen Enden der Fasern können in kleinem Umfang aufgebaut sein, und es bedarf keiner Berücksichtigung eines Abstands zwischen dem Faserspiegel 610 und dem Spiegel 620 und dem Abstand zwischen dem Spiegel 620 und der Faser 133 im ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 12. Obwohl das zweite Ausführungsbeispiel mit getrennten Fasern aus Faser 131 und Faser 132 vorgesehen ist, können sie als Einzelfaser gebildet sein. In diesem Falle kann die Reflexion am Faserende ohne den Streukörper 630 verwendet werden.
Dieses Ausführungsbeispiel kann ebenfalls im optischen Meßgerät der ersten Art oder der dritten Art verwendet werden, ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel. Jedoch sei angemerkt, daß bei Verwendung des optischen Meßgerätes der ersten Art die Meßgenauigkeit im Ausführungsbeispiel ohne Abwandlung verringert ist, verglichen mit dem obigen Lichtleitfaser-Oszilloskop, und folglich muß eine Gruppenverzögerungsänderung des Schaltungssystems, die dem Gerät innewohnt, durch vorherige Messung kompensiert werden. Wenn das optische Meßgerät der dritten Art verwendet wird, ist die Meßgenauigkeit verbessert, aber der Aufbau wird etwas komplizierter.
Fig. 14 ist eine Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Meßgerätes, bei dem ein optisches Meßgerät der in Fig. 10 gezeigten zweiten Art für ein Gruppenindexmeßgerät verwendet wird. Das Gerät dieses dritten Ausführungsbeispiels ist so eingerichtet, daß ein Reflektor 650, der sich in einem Abstand L vom Lichterregungsende der Faser 131 befindet und vom Lichteintrittsende der Faser 133, dem Gerät des zweiten Ausführungsbeispiels hinzugefügt ist. Die Verarbeitungseinheit 740 ist so eingerichtet, daß die eingebaute Rechenfunktion der Verarbeitungseinheit 710 im zweiten Ausführungsbeispiel in eine solche zum Errechnen des Gruppenindex abgewandelt ist, und die Anzeige 750 zeigt einen Meßwert des Gerätes an.
Die Arbeitsweise des dritten Ausführungsbeispiels wird als nächstes beschrieben. Das Laserlicht aus der LD 110 wird durch die Faser 131 geleitet, um auf den Zielgegenstand projiziert zu werden. Der Empfänger 200 stellt einen rückkehrenden Strahl des Laserlichts fest, der vom Gegenstand reflektiert wird. Die Gleichspannungs-Ausgangssignalkomponente aus dem Empfänger wird unter der Bedingung zu Null, daß eine Phasendifferenz zwischen dem von der LED 110 emittierten Laserlicht und dem vom VCO 400 abgegebenen Modulationssignal π/2 ist. Wenn folglich die Ausgangsfrequenz des VCO 400 als phasenverriegelt feststehend ist, ist die Ausgangsfrequenz immer eine, die der Entfernung von LD 110 zum Zielgegenstand entspricht. Überwachen der Ausgangsfrequenz des VCO 400 durch Frequenzzähler 500 kann das Gerät basierend auf der Ausgangsfrequenz zu einer gewissen Zeit einen Gruppenindex der Materialfüllung des optischen Weges auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit darstellen. Wenn die Messung der phasenverriegelten Frequenz ebenfalls durch Auswahl der Faser 133 durch Umschalten des optischen Schalters 250 ausgeführt wird, kann ein Gruppenindex der Materialfüllung des optischen Weges durch Beseitigen einer Phasendifferenz gewonnen werden, die aus dem Gerät selbst im dritten Ausführungsbeispiel aufkommt.
Wenn im Gerät der Abstand zwischen dem Empfänger und dem Reflektor 650 durch Luft gebildet ist, kann der Gruppenindex n als gemessener Wert durch die folgenden empirischen Formeln ausgedrückt werden:
(n - 1) · 10&sup8; = [2371,4 + 683939,7 · (130 - σ²)/(130 - σ²)² + 4547,3 · (38,9 + σ²)/(38,9 + σ²)²] · DS + [6487,31 + 174,174 · σ² - 3,55750 · σ&sup4; + 0,61957 · σ&sup6;] · DW (21)
DS = (PS/T) · [1 + PS · (57,90 · 10&supmin;&sup8; - 9,3250 · 10&supmin;&sup4;/T + 0,25844/T)] (22)
DW = (PW/T) · [1 + PW · (1 + (3,7 · 10&supmin;&sup4;) · PW) · (-2,37321 · 10&supmin;³ + 2,23366/6 - 710,792/T² + 7,75141 · 10&sup4;/T³)] (23)
In den obigen Formeln bedeuten
PS: Trockenluftdruck (hpa);
PW: Dampfdruck (hPa);
T: Absolute Temperatur (ºK); und
σ: Inverse Wellenlänge im Vakuum (um&supmin;¹).
(J. C. Owens, "Optical Refractive Index of Air: Dependence an Pressure, Temperature and Composition", Applied Optics 6 (1), 1967, Seiten 51-58). Wenn folglich zwei Werte aus der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und dem Druck bekannt sind, kann eine restlich unbekannte atmosphärische Information errechnet werden unter Verwendung des Gruppenindex n, der mit diesem Gerät gemessen wird.
Das dritte Ausführungsbeispiel kann auch das optische Meßgerät der ersten Art oder der dritten Art gleichermaßen wie im ersten Ausführungsbeispiel verwenden. Angemerkt sei jedoch, daß bei Verwendung des optischen Meßgerätes der ersten Art die Meßgenauigkeit in der Anordnung ohne Abwandlung verringert ist, verglichen mit dem obigen Lichtleitfaser-Oszilloskop, und folglich muß eine Gruppenverzögerungsänderung des Schaltungssystems, das dem Gerät innewohnt, durch vorheriges Messen kompensiert werden. Wenn das optische Meßgerät der dritten Art verwendet wird, ist die Meßgenauigkeit verbessert, aber der Aufbau des Gerätes wird etwas komplizierter.
Angemerkt sei, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern verschiedene Abwandlungen erfahren kann. Beispielsweise kann das Gerät der obigen Ausführungsbeispiels so abgewandelt werden, daß die LD ersetzt wird durch eine LED zur Hochgeschwindigkeitsmodulation. Um Verschlechterungen der Meßgenauigkeit aufgrund eines Abweichens des Senders zu vermeiden, kann ein anderer Empfänger zum Empfang des reflektierten Lichts oder direkten Lichts aus dem optischen Kalibrierweg eingerichtet sein, und ein Ausgangssignal vom Empfänger kann als eine Spannung verwendet werden, die an den photoleitfähigen Empfänger angelegt wird.
Wie oben detailliert beschrieben, ist das erste optische Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung so eingerichtet, daß der Lichtempfangsabschnitt mit dem photoleitfähigen Empfänger direkt eine Differenz zwischen der Phase des Modulationssignals vom Sender und der Phase des reflektierten modulierten Lichts im Empfänger errechnet, und daß das Gerät eine Steuerung zum Einstellen der Frequenz des modulierten Lichts so ausführt, daß die Phasenverriegelungsbedingung unter Verwendung der Rechenergebnisse beibehalten wird, wodurch die Frequenz des Modulationssignals immer dem Abstand vom Sender und Empfänger zum Zielgegenstand entspricht. Wenn die Frequenz feststehend ist, kann folglich die Entfernung zum Zielgegenstand in diesem Moment auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit basierend auf der Frequenz des modulierten Lichts zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden.
Das zweite optische Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung ist des weiteren so eingerichtet, daß ein Lichtempfangsabschnitt mit dem photoleitfähigen Empfänger direkt eine Differenz zwischen der Phase des modulierten Signals vom Sender und der Phase des reflektierten modulierten Lichts im Empfänger errechnet, und daß das Gerät eine Steuerung ausführt, um die Frequenz des modulierten Lichts einzustellen, so daß der Phasenverriegelungszustand unter Verwendung des Meßergebnisses beibehalten wird, wodurch die Frequenz des Modulationssignals immer dem Gruppenindex der Materialfüllung des optischen Weges vom Sender zum Empfänger zum Reflexionsmittel entspricht, eingestellt an einer vorbestimmten Position. Wenn die Frequenz feststehend ist, kann folglich der Gruppenindex der Materialfüllung des optischen Weges zum Reflexionsmittel zu dem Zeitpunkt in einfacher Weise und mit hoher Genauigkeit basierend auf der Frequenz des modulierten Lichts zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden.
Aus der hier beschriebenen Erfindung ist offensichtlich, daß die Erfindung auf verschiedene Weise realisierbar ist. Derartige Variationen werden jedoch nicht als Abweichung von der Erfindung angesehen, und derartige Abwandlungen sind für den Fachmann im Umfang der nachstehenden Patentansprüche abgedeckt.

Claims

1. Optisches Meßgerät, mit:

einem Lichtsendeabschnitt (100) zum Projizieren von einer Intensitätsmodulation gemäß einem Modulationssignal unterzogenem Licht zu einem Zielgegenstand hin;

einem photoleitfähigen Lichtempfangselement (210) zum Empfang von vom Zielgegenstand reflektierten intensitätsmoduliertem Licht und zum Erzeugen eines Signals, das dieses darstellt, wobei das photoleitfähige Lichtempfangselement geschaltet ist, um das Modulationssignal zu empfangen, das Produkt aus dem das Empfangslicht und das Modulationssignal darstellende Signal zu errechnen, und um ein Signal abzugeben, das eine Phasendifferenz zwischen dem das Empfangslicht und das Modulationssignal darstellende Signal repräsentiert;

einem Frequenzeinstellmittel (310, 320, 400), das geschaltet ist, um das Ausgangssignal aus dem Lichtempfangselement zum Einstellen einer Frequenz des Modulationssignals zu empfangen, um so das Ausgangssignal aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement auf einem Bezugswert festzuhalten;

einem Frequenzzählmittel (500) zum Zählen der Frequenz des gemäß dem Frequenzeinstellmittel eingestellten Modulationssignals; und mit

einem Verarbeitungsmittel (710, 740, 800) zum Erzeugen eines charakteristischen Wertes eines optischen Weges vom Lichtsendeabschnitt und dem photoleitfähigen Lichtempfangselement zum Zielgegenstand basierend auf der vom Frequenzzählmittel gezählten Frequenz,

gekennzeichnet durch ein Zeitmittlungsmittel (A1, R1, C4) zum Empfang des Ausgangssignals aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement und zum Errechnen eines zeitgemittelten Wertes vom Ausgangssignal.

2. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem der charakteristische Wert die Länge (L1 + L2) des optischen Weges vom Lichtsendeabschnitt (100) über den Zielgegenstand zum photoleitfähigen Lichtempfangselement (210) ist.

3. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem der charakteristische Wert der Gruppenindex des optischen Weges vom Lichtsendeabschnitt (100) über den Zielgegenstand zum photoleitfähigen Lichtempfangselement (210) ist.

4. Optisches Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, das des weiteren ausgestattet ist mit einem Kalibrier- Lichtableitweg (L3, L4, 131, 132, 610, 620) zum Beseitigen einer Phasendifferenz, die dem optischen Meßgerät selbst eigen ist.

5. Optisches Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, die des weiteren eine Verzögerungseinheit (450) zwischen dem Frequenzeinstellmittel (310, 320, 400) und dem Lichtsendeabschnitt (100) enthält.

6. Optisches Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, das des weiteren ausgestattet ist mit:

einem Einstellmittel (VR1) zum Einstellen einer Offsetspannung, die am photoleitfähigen Lichtempfangselement anliegt.

7. Optisches Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen photoleitfähiges Lichtempfangselement (210) so arbeitet, daß bei einer konstanten Projektionslichtmenge der Wert der angelegten Spannung ein unabhängig variabler ist, wobei die im photoleitfähigen Lichtempfangselement fließende Stromstärke eine ungerade Funktion der angelegten Spannung in einem vorbestimmten Definitionsbereich ist, der den Wert der angelegten Spannung von 0V einschließt, und daß bei periodisch angelegter Spannung der Durchschnittswert derselben ungefähr 0 ist und die Amplitude dort eine gerade Funktion der Zeit ist mit dem Ursprungspunkt zur Zeit eines Zwischenpunktes zwischen zwei benachbarten Zeiten mit einer Amplitude von 0.

8. Optisches Meßgerät nach Anspruch 7, dessen photoleitfähiges Lichtempfangselement ein Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor ist.

9. Optisches Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Frequenzeinstellmittel ausgestattet ist mit:

einem Fehlerverstärker (310) zum Empfang einer Bezugsspannung (Vr) und einem Ausgangssignal (Vd) aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement, das den Wert der Differenz zwischen dem Wert der Bezugsspannung (Vr) und dem Wert des Ausgangssignals (Vd) aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement (210) verstärkt und ein verstärktes Spannungssignal abgibt;

einem Tiefpaßfilter (320) zum Empfang des verstärkten Spannungssignals, das eine Wechselstromkomponente des verstärkten Spannungssignals verringert und im wesentlichen ein Gleichspannungssignal abgibt; und mit

einem spannungsgesteuerten Oszillator (400) zum Empfang des im wesentlichen gleichgerichteten Signals, Erzeugen eines Signals (Vb) einer Frequenz gemäß dem Wert des Spannungssignals und zum Ausgeben des elektrischen Signals an den Lichtsendeabschnitt.

10. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dessen Frequenzeinstellmittel ausgestattet ist mit:

einem Fehlerverstärker (310) zum Empfang einer Bezugsspannung (Vr) und eines Ausgangssignals (Vd) aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement, zum Verstärken des Differenzwertes zwischen dem Wert der Bezugsspannung (Vr) und dem Wert des Ausgangssignals (Vd) aus dem photoleitfähigen Lichtempfangselement (210) und zur Abgabe des verstärkten Spannungssignals;

einem Tiefpaßfilter (320) zum Empfang des verstärkten Spannungssignals, zum Verringern einer Wechselstromkomponente des verstärkten Spannungssignals und zum Abgeben eines ersten im wesentlichen gleichgerichteten Signals;

einem ersten Signalwandelmittel (810) zur Abgabe des im wesentlichen gleichgerichteten Signals (11) mit einem ersten Stromwert;

einem zweiten Signalwandelmittel (820) zur Abgabe eines im wesentlichen gleichgerichteten Signals (12) mit einem zweiten Stromwert;

einem Signaladdiermittel (830) zum Empfang des ersten im wesentlichen gleichgerichteten Signals und des zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Signals und zur Abgabe eines zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Spannungssignals gemäß einem Stromwert der Summe aus dem Stromwert des ersten im wesentlichen gleichgerichteten Signals und dem Stromwert des zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Signals; und mit

einem spannungsgesteuerten Oszillator (400) zum Empfang des vom Signaladdiermittel (830) abgegebenen zweiten im wesentlichen gleichgerichteten Signals, zum Erzeugen eines Signals einer Frequenz gemäß dem Wert des Spannungssignals, und zur Abgabe des Signals an das photoleitfähige Lichtempfangselement (100).