JP5666314B2 - 電気光学距離測定ユニット - Google Patents

Description

本発明は電気光学距離測定の分野に関し、特に請求項１のプリアンブルに従う電気光学距離測定ユニットに関する。

従来技術
そのような電気光学距離測定は、たとえばＥＰ−Ａ−１ ６４７ ８３８で知られている。前記出願の内容は全体として、絶対距離測定のためのフィゾー法の機能を明らかにするために取り入れられる。本発明にとって重要であることは、この方法において、出て行きそして戻る測定光が変調器において変調されることである。測定光はレーザ、特にダイオードレーザによって生成される。前記変調の周波数の変化により、検出された測定光ビームの最小値が決定される（または、実質的に同じ意味では、強度の微分のゼロクロスである）。測定装置と再帰反射器の間の測定経路の長さは、最小周波数から決定される。測定光ビーム中の光学素子による付加的な偏光が、二次収差としての上記最小値を移動させることがわかっている。結果として、測定が乱されるとともに、補償の測定が実行されなければならない。偏光の乱れは、たとえば測定ビーム中の付加的なビーム偏向ミラーまたは再帰反射器によって起こり得る。

ＷＯ ９７／１８４８６は、フィゾー法に従う電気光学絶対距離測定を開示する。その場合において、レーザビームは、生成されて、焦点光学ユニットおよび光アイソレータによってレーザ光を直線偏光させるための偏光ビームスプリッタに導かれ、そしてその後に、電気光学変調器と、外部の付加的な偏光の影響を除くためのさらなる電気光学結晶と、λ／４板（lambda/4 retarder）と、外部の光学ユニットとによる測定経路に導かれる。測定経路に沿って戻る光は、上記の素子を偏光ビームスプリッタまで通過するとともに、後者によって検出器に導かれる。評価ユニットは、検出器の信号に基づいて測定経路の長さを決定する役割を果たす。

ＥＰ １ ７４４ １１９は、光学コヒーレンストモグラフィのための装置を記載する。これは、光周波数範囲に亘りスイープする光を用いる。その光は、広帯域光源、たとえば「エッジエミッティングＬＥＤ（ＥＬＥＤ）」または「スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）」または「ファイバフルオレッセントソース（ＥＤＦＦＳ）」によって生成される。光源からの光は、たとえばファブリペローフィルタまたは音響光学フィルタによって、その光が、選択された周波数線（frequency line）を有する予め定められた周波数範囲に亘りスイープするようにフィルタされる。広帯域光源からの光の残りは、したがって取除かれる。

発明の概要
それゆえに、本発明の目的は、上記の不利な点を取除く、導入部において記載されたタイプの電気光学距離測定を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を備える電気光学距離測定によって達成される。
対応する電気光学距離測定ユニットは、したがって、光源を備え、距離測定ユニットにおけるその光源の放出光は、（変調器の屈折係数の温度補償のため）、少なくとも、偏光ビームスプリッタと、電気光学変調器と、λ／４板とによる測定経路へと導かれる。測定経路に沿って戻る、すなわち反射する光は、少なくとも、λ／４板と、電気光学変調器と偏光ビームスプリッタとによって検出器へと導かれる。さらに、距離測定ユニットは、電気光学変調器の変調周波数および検出器の信号に従って測定経路の長さを決定するための評価ユニットを備える。光源は、放出光の幅広いスペクトルを有する。好ましくは、光源は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤまたはＳＬＥＤ）である。レーザ光源に代えてスーパールミネッセントダイオードを用いるときのさらなる利点は、光源の前の光アイソレータが不要になることであり、前記アイソレータは、戻り光がレーザに進入して後者が発光するよう励起するのを防止することを目的とする。光アイソレータは、ただ１つの（伝搬）方向における特定の偏光方向を有する光波を伝達するが、反対方向（阻止方向）における任意の偏光の光を吸収する。

本発明は、広帯域光源を使用するが、正確に制御された波長を有する狭帯域（レーザ）光源が、高い測定精度を得るために、対象とされた方法で用いられる、電気光学距離測定のための従来の構成とは一致していない。驚くべきことに、さらに以下で説明されるように、広帯域測定光の結果として生じる偏差は相互に補償する。

電気光学変調器は、好ましくは、光の偏光を変調する。原理的には、本来のフィゾー法のように、振幅を変調する変調器を用いることもまた可能である。現実には、しかしながら、これは外乱の影響を受けやすい。

検出器の信号は、好ましくは、変調器によって逆変調された戻り信号に対応する。電気光学変調器の変調周波数は、無線周波数の範囲、すなわち、たとえば２ＧＨｚから２．５ＧＨｚまでの範囲にある。

驚くべきことに、広帯域光源の場合には、変調周波数が変化する場合における検出器の信号の最小値の周波数位置が、測定光の偏光の乱れによって、もはや（少なくとも重要でない程度に）影響を受けないことがわかる。結果として、これまでは慣習的であった、距離測定ユニットがレーザダイオードによって動作するときに必要となる補償装置は、もはや要求されなくなる。距離測定ユニットの構成が単純化される。

光源の最小帯域幅は、好ましくは、変調器のパラメータを有する以下の関係によって決定される。

この場合において、ｎ_oは、複屈折変調材料の通常波長依存屈折率であり、ｎ_eは、複屈折変調材料の異常波長依存屈折率であり、ｌ_crystalは、結晶の長さであり、λは波長であり、Δλは帯域幅である。Δλの最小値は、したがってこの条件に由来する。

光源の周波数は、実質的には望むように選ばれることが可能であり、たとえば異なるタイプのスーパールミネッセントダイオード（たとえば６５０ｎｍ、または７５０ｎｍ、または７９５ｎｍ、または８００ｎｍ、または８３０ｎｍ、または８４０ｎｍ、または８５０ｎｍ、または１２７０ｎｍ、または１３００ｎｍ、または１４００ｎｍ、または１４８０ｎｍ、または１５５０ｎｍの波長を有する）が使用されることができる。

本発明の１つの好ましい実施形態において、光の周波数および帯域は、ビーム経路に配置された光バンドパスフィルタによって安定化されることができる。この場合において、フィルタの帯域は、好ましくは、上記のように決定された光源の最小の要求帯域よりも若干大きく、たとえば２０％大きい。

さらなる好ましい実施形態は従属請求項から明らかになる。
図面の簡単な説明
本発明の主題は、添付の図面において各場合が概略的に示された、好ましい例示的な実施形態に基づいて、これまで以上に詳しく以下に説明される。

フィゾー距離測定ユニットの構造を示す図である。 従来技術に従う、変調周波数と検出器の信号との間の依存性の特徴的プロファイルを示す図である。 本発明に従う、変調周波数と検出器の信号との間の依存性の特徴的プロファイルを示す図である。

図において用いられる参照符号およびその意味は、参照符号のリストにおいて総括される。原則として、同一の部分には図において同一の参照符号が与えられる。

発明の具体化の方法
図１は、絶対距離測定のためのフィゾー距離測定ユニットの構造を示す。光源１は測定光を放出し、その測定光はコリメータ２と、偏光ビームスプリッタ３と、電気光学変調器５と、位相板（retarder）または位相差板（retarder plate）６およびビームエキスパンダ７とによって、測定経路８へ導かれる。測定経路８は、典型的には、数メートルから数百メートル、適切であるならば数キロメートルもの長さを有する。測定経路８の終端において、反射器、典型的にはキューブコーナ再帰反射器またはトリプルリフレクタ９が、測定光を反射する。後者は、戻り測定光として、ビームエキスパンダ７と、位相差板６と、電気光学変調器５と、偏光ビームスプリッタ３とを通過して検出器４を通る。電気光学変調器５は、好ましくは、出て行きそしてまた戻る測定光の偏光を変調する。この目的のため、それは、高周波変調周波数で変調器５を駆動するためのデバイスを有する。位相差板６はλ／４板であり、したがって直線偏光から円偏光を生成し、そして二重経路の後には、直線偏光であるが、９０°回転した偏光方向、すなわち変調結晶における変調の交換軸を有する直線偏光を再び生成する。検出器４は戻り光の強度を測定する。評価ユニット１１は、前記検出器４の出力信号を処理し、検出信号の最小値を繰返し決定するために電気光学変調器５の変調周波数を制御し、フィゾー法に従う距離の決定を実行する。さらにそのような距離測定ユニットの一般的に知られた素子、たとえばフィルタ、ポーラライザ、ミラーなどが存在することができるが、明確さのために図に示されていない。

フィゾー法に従う絶対距離測定の機能のために、導入部で引用されたＥＰ−Ａ−１ ６４７ ８３８が参照される。

本発明の１つの好ましい実施形態において、光バンドパスフィルタ１２が付加的に存在する。前記フィルタは図１において破線によって示されており、例としては直接的に光源１の前に示されている。しかしながら、バンドパスフィルタ１２は光源１と検出器４との間のビーム経路におけるいかなる他の場所に配置されることもまた可能である。バンドパスフィルタ１２は、通過する光のスペクトルを、光変調器５において用いられる変調材料に従って制限するとともに、特に、伝達する光の波長を安定化させる。

図２は、従来技術に従う変調周波数ｆと検出器信号の振幅Ａとの間の依存性の特徴的プロファイルを示す。その図は、ｆに対するＡのプロファイルの１つの最小値を示す。破線は、偏光の乱れがない理想的なプロファイルを示し、実線は偏光の乱れを有するプロファイルを示す。偏光の乱れは、実際には、距離測定ユニット１０または再帰反射器９の少なくとも１つの要素に存在し、光は、その波長および／またはその要素を通過する偏光の方向に依存するが、付加的に偏光され、すなわち偏光が変化させられる（「超過偏光（excess polarization）」）。

偏光変調は、２つの相互に直交する光ベクトル成分の位相の変調とみなすことができる。したがって、たとえば直線偏光が円偏光となるように、それら偏光方向の間の位相を付加的にシフトさせることができる。そのような外乱要素は、特に、偏向ミラー（図示せず）および再帰反射器９である。電気光学変調器５の場合、そのような外乱は、特に、電気光学変調器５が最適に調整されていない（共振において動作した「平坦でない」変調器）、すなわち電気的励起周波数とその共振周波数とが一致していないときに最小周波数のシフトをもたらす。再帰反射器９の場合には、通常では再帰反射器は三面鏡（キューブコーナミラー）として具体化されるが、偏光の影響は、測定ビーム８に対して回転するとともに傾く再帰反射器９のために変化する。結果として、検出器４による測定が関係する限りは、このことは（周波数ｆｉにおける）理想的な最小値Ｍｉから乱された最小値Ｍｒへの最小値のシフトをもたらす。乱された最小値Ｍｒは、異なる周波数ｆｒに対応し、したがってまた再帰反射器９に関する、異なる乱れた測定距離に対応する。

図３は、本発明に従う変調周波数と検出器信号との間の依存性の特徴的プロファイルを示す。破線は偏光の乱れのない理想的プロファイルを示し、実線は偏光の乱れを有するプロファイルを示す。狭帯域の光源１の場合においては、ＤＣ信号成分（ＤＣ成分）の振幅は変調周波数および変調結晶の温度に依存することが明らかである。しかしながら広帯域光源の場合には、ＤＣ成分は波長で平均された方法で上昇し、その結果、最小値Ｍｒが生じる周波数は変化しないままに保たれる！この有利な効果は、乱れた最小値を正しくするための計量的な補償測定を省くことを可能にする。

光源１は、好ましくは、放出光の固有の帯域を有するスーパールミネッセントダイオード、または他の光源である。ＬｉＴａＯ _３ が電気光学変調器５における変調材料として用いられるとき、帯域幅は少なくとも１０ナノメートル、好ましくは少なくとも１５ナノメートルとなるべきである。３０から４０ナノメートルの帯域幅は良い結果を与える。ＬｉＮｂＯ _３ が変調材料として用いられるとき、帯域幅は、記載された有利な効果が生じるために少なくとも５から１０ナノメートルとなるべきである。これらの帯域幅は、好ましくは７９５ナノメーターの光波長に対して真に保持される。もし光バンドパスフィルタ１２が存在するならば、それは通過する光を、最大で、変調材料に対応する帯域幅に制限する。フィルタの帯域幅はしたがって、少なくとも、光源の要求される帯域と同じぐらい広く、より良い結果のためには、光源の要求される帯域に対していくらか広い（なぜならここでは一般に、フィルタは光源よりもより鋭く帯域幅を制限するためである）。

光源１は、好ましくは、小さい発光領域および放出光の高い強度を有する。光源１の発光領域は、この目的のため、好ましくは１０平方マイクロメートルより小さく、特に４平方マイクロメートルより小さい。放出光の強度は、ビーム経路における伝達ロスおよび温度の影響を考慮して、目の安全性に関する規定によって一般的に制限される。結果として、光源から光の形態で放出される強度またはパワーは、典型的には３から５ミリワットである。

１ 光源、２ コリメータ、３ 偏光ビームスプリッタ、４ 検出器、５ 電気光学変調器、６ λ／４板、７ ビームエキスパンダ、８ 測定経路、９ 再帰反射器、１０ 距離測定ユニット、１１ 制御および評価ユニット、１２ バンドパスフィルタ、Ｍｉ 理想的最小値、Ｍｒ 実際の最小値。

Claims (10)

1. 電気光学距離測定ユニット（１０）であって、
   光源（１）を備え、前記距離測定ユニット（１０）における光源の放出光は、少なくとも偏光ビームスプリッタ（３）と、電気光学変調器（５）と、λ／４板（６）とによって測定経路（８）に導かれて、前記測定経路（８）に沿って戻る光は、少なくとも前記λ／４板（６）と、前記電気光学変調器（５）と、前記偏光ビームスプリッタ（３）とによって検出器（４）に導かれ、さらに、前記電気光学変調器（５）の変調周波数と前記検出器（４）の信号とに従って前記測定経路（８）の長さを決定するための評価ユニット（１１）を備え、前記光源（１）は、前記放出光の幅広いスペクトルを有し、
   ｎ_oが変調材料の通常の波長依存屈折率であり、ｎ_eが変調材料の異常波長依存屈折率であり、ｌ_crystalが変調結晶の長さであり、λが光源の波長であるときに、前記光源の帯域Δλが、
   の条件を満たす、電気光学距離測定ユニット。
2. 前記評価ユニット（１１）は、フィゾー法に従って前記測定経路（８）の長さを測定するように設計される、請求項１に記載の距離測定ユニット（１０）。
3. 前記電気光学変調器（５）は、通過する光の偏光を変調するために設けられる、請求項１または２に記載の距離測定ユニット（１０）。
4. 前記光源（１）の前記発光領域は、１０平方マイクロメートルより小さい、請求項１〜３のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。
5. 前記光源（１）によって放出される前記光の強度は、３ミリワットと５ミリワットとの間である、請求項１〜４のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。
6. 前記変調材料は、ＬｉＴａＯ _３ であり、前記放出光の前記スペクトルは、少なくとも１０ナノメートルの帯域幅を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。
7. 前記変調材料は、ＬｉＮｂＯ _３ であり、前記放出光の前記スペクトルは、少なくとも５ナノメートルの帯域幅を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。
8. 前記光源（１）は、スーパールミネッセントダイオードである、請求項１〜７のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。
9. 前記光源（１）の前におけるビーム経路に、光アイソレータが配置されていない、請求項１〜８のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。
10. 周波数および帯域幅を安定させるための光バンドパスフィルタ（１２）が、ビーム経路に配置される、請求項１〜９のいずれかに記載の距離測定ユニット（１０）。