专利名称：光电距离测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电距离测量装置的领域，尤其是涉及根据权利要求1的前序部分的 光电距离测量仪。
背景技术：
这种光电距离测量装置例如从EP-A-I 647 838中公知。并入所述申请的整体内 容以解释用于测量绝对距离的Fizeau方法的工作原理。对于本发明重要的是，在调制器中 对该方法情况下输出的和返回的测量光进行调制。所述测量光由激光器、尤其是二极管激 光器生成。在所述调制的频率改变的情况下，确定所检测的测量光束的强度的最小值(或 者基本上含义相同地，该强度的导数的过零点)。根据最小值频率可以确定测量设备与后向 反射器之间的测量段的长度。可以看出，由光学元件在测量光束中引起的附加偏振使该最 小值的位置移动作为二阶误差。由此干扰该测量，并且必须采取补偿措施。偏振的干扰例 如可能由于测量射束或后向反射器中的附加的射束偏转镜引起。WO 97/18486示出一种按照Fizeau方法的光电绝对距离测量装置。在此，激光 束被生成，并且通过聚焦光学单元和光学隔离器被引导到偏振分束器上以用于对激光进 行线性偏振，并且随后通过光电调制器、用于除去外部附加偏振的影响的另一光电晶体、 lambda/4减速器以及输出光学单元被引导到测量段上。沿着该测量段返回的光通过所提到 的元件一直到达偏振分束器并且被该偏振分束器引导到检测器上。分析单元用于借助于检 测器信号来确定该测量段的长度。EP 1 744 119描述一种用于光学相干断层扫描的装置。其中使用覆盖一光学频率 范围的光。所述光由宽带源生成，该宽带源例如是“边缘发射的LED(ELED) ”或超发光二极 管(SLD)或“荧光纤维源(EDFFS) ”。来自所述源的光例如被Fabry-Perot滤波器或声光滤 波器滤波，使得所述光以所选择的频率线来覆盖预先给定的频率范围。因此，宽带源的其余 光被滤除。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供开始时所述类型的光电距离测量装置，该光电距离测 量装置克服了上述缺陷。该任务由具有权利要求1的特征的光电距离测量装置解决。因此，相应的光电距离测量仪具有光源，该光源在距离测量仪中发射的光至少通 过偏振分束器、光电调制器和lambda/4减速器(用于调制器折射系数的温度补偿)被引导 到测量段上。沿着该测量段返回的、即反射的光至少通过减速器、光电调制器和偏振分束器 而被引导到检测器。此外该距离测量仪具有分析单元以用于按照光电调制器的调制频率和 检测器的信号来确定该测量段的长度。所述光源具有所发射的光的广谱。所述光源优选是 超发光二极管(SLD或SLED)。使用超发光二极管而不是激光源的另一优点是，在所述光源 前面不需要光隔离器，其中所述光隔离器将阻止返回的光进入到激光器中并激励发射。光
3隔离器是光学组件，该光学组件只允许特定偏振方向的光波在一个(通过)方向上通过，但 在反方向(阻挡方向)吸收任意偏振的光。使用宽带源的本发明与用于光电距离测量的常见构造不同，在用于光电距离测量 的常见构造中，有针对性地使用具有精确控制的波长的窄带(激光)光源，以达到高的测量 精度。令人惊讶地发现_如在下文中实施的那样，通过宽带测量光产生的偏差相互补偿。光电调制器优选调制光的偏振。原则上也可以如在原来的Fizeau方法中那样使 用调制幅值的调制器；但是这在实践中易受干扰的影响。所述检测器信号优选地对应于返回的并且被调制器反向调制的信号的强度。光电 调制器的调制频率处于高频范围内，即例如处于2GHZ至2. 5GHz的范围内。令人惊讶地发现，在宽带光源的情况下，检测器信号的最小值的频率位置在调制 频率变化的情况下不再受到测量光的偏振的影响(至少不明显地受到影响)。由此，不再需 要到目前为止常见的在具有激光二极管的距离测量仪运行时所必需的补偿装置。距离测量 仪的结构得到简化。光源的最小带宽优选通过下面的与调制器参数的关系来确定 cools]
λ在此η。是双折射调制材料的与波长有关的寻常折射率，是双折射调制材料的与 波长有关的异常折射率，lMstall是晶体的长度，λ是波长，以及Δ λ是带宽。因此从该条 件中得出Δ λ的最小值。光源的频率基本上可以任意选择，从而可以使用各种类型的超发光二极管(例如 具有 650、750、795、800、830、840、850、1270、1300、1400、1480 或 1550nm 波长的超发光二极管)。光的频率和带宽可以在本发明优选的实施方式中通过在光路中布置的光学带通 滤波器来稳定。在该情况下，滤波器的带宽优选至少略大于上面确定的所述源的所需最小 带宽，例如至少大20%。其他的优选实施方式从从属权利要求中得知。
下面借助于在所附附图中示出的优选实施例进一步阐述本发明主题。分别示意性 地图1示出Fizeau距离测量仪的结构；图2示出根据现有技术的调制频率与检测器信号之间的相关性的特征曲线；以及图3示出根据本发明的调制信号与检测器信号之间的相关性的特征曲线。在附图中使用的附图标记及其含义在附图标记列表中概括性地列出。原则上，图 中相同的部件配备有相同的附图标记。
具体实施例方式图1示出用于测量绝对距离的Fizeau距离测量仪的结构光源1发射测量光，该 测量光通过准直仪2、偏振分束器3、光电调制器5、减速器或减速板6以及扩束器7而被引导到测量段8上。该测量段8典型地是几米到几百米长，必要时也可以是几千米长。在该 测量段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-对测量光进行反 射。该测量光作为返回的测量光通过扩束器7、减速板6、光电调制器5以及偏振分束器3 到达检测器4。光电调制器5优选对输出的以及返回的测量光的偏振进行调制。为此，该 光电调制器5具有以高频的调制频率来控制调制器5的装置。减速板6是lambda/4板，因 此从线偏振光中生成圆偏振光，并且在两次通过之后又生成线偏振的光，但是偏振方向被 旋转90°，也就是说调制晶体中的调制轴被互换。检测器4测量返回光的强度。分析单元 11处理该检测器4的输出信号，控制光电调制器5的调制频率以迭代地确定检测器信号的 最小值，并且按照Fizeau方法执行距离确定。可能存在这种距离测量仪的其他一般公知的 元件，如滤波器、偏振器、反射镜等，但是出于清晰的缘故没有绘出。对于按照Fizeau方法的绝对距离测量的工作原理，参阅开始时引述的EP_A_1 647 838。此外在本发明的优选实施方式中存在光学的带通滤波器12。该带通滤波器12在 图1中用虚线示出，示例性地直接在光源1之前。但是，该带通滤波器12也可以布置在光 源1与检测器4之间的光路中的任意其他位置。该带通滤波器12按照在光学调制器5中 所使用的调制材料来限制通过的光的光谱，并且尤其是使通过的光的波长稳定。图2示出根据现有技术的调制频率f与检测器信号的幅值A之间的相关性的特征 曲线。该图示出A关于f的曲线的最小值。虚线示出在没有偏振干扰情况下的理想曲线， 而实线示出具有偏振干扰的曲线。所述偏振干扰在于，在距离测量仪10或后向反射器9的 至少一个部件中，光与其波长和/或其在通过所述部件时的偏振取向有关地被额外偏振， 即在偏振方面被改变(“excess polarization，过量偏振”)。偏振调制可以看作为两个互相垂直的光向量分量的相位调制。因此，这些偏振方 向之间的相位可以被额外地移动，使得例如线偏振光变成圆偏振的。这样的干扰部件尤其 是没有绘出的偏转镜和后向反射器9。在光电调制器5的情况下，尤其是在光电调制器5未 被最优地调谐(谐振运行的“非平面”调制器)，即光电调制器5的电激励频率与该光电调 制器5的谐振频率不一致时，这种干扰引起最小值频率的移动。在通常被实施为三角柱反 射镜(立方角反射镜)的后向反射器9的情况下，对偏振的影响通过如下方式被改变后向 反射器9关于测量光束8旋转并倾斜。因此，就通过检测器4的测量而言，这引起最小值从 理想最小值Mi (在频率fi处)移动到受到干扰的最小值Mr。该受到干扰的最小值Mr对应 于另一频率fr并且因此对应于所测量的与后向反射器9之间的另一错误距离。图3示出根据本发明的调制频率与检测器信号之间的相关性的特征曲线。虚线示 出在偏振干扰情况下的理想曲线，而实线示出具有偏振干扰的曲线。可以看出，在光源1的 窄带宽的情况下，直流信号分量(DC分量)的幅值与调制晶体的调制频率和温度有关。但 是在宽带源的情况下，DC分量在波长范围内平均地上升，因此出现最小值Mr时的频率保持 不变！该有利效应允许省掉用于校正受到干扰的最小值的测量技术上的补偿措施。光源1优选是超发光二极管，或者具有所发射的光的特定带宽的其它光源。在使 用LiTa03作为光电调制器5中的调制材料时，该带宽应该为至少10纳米，优选至少15纳 米。30至40纳米的带宽得出良好的结果。在使用LiNb03作为调制材料时，该带宽应该为 至少5至10纳米，由此出现所述有利效应。这些带宽优选地适用于795纳米的光波长。如果存在可选的带通滤波器12，则该带通滤波器12将通过的光最高限制到与使用的调制材 料相应的这种带宽。因此，滤波器带宽至少与所要求的光源带宽一样宽，最好比所要求的光 源带宽略宽(因为在这里滤波器一般对带宽的限制比对源的限制更严格)。
光源1优选地具有所发射的光的小照射面积和高强度。对此，光源1的照射面积 优选小于10平方微米，尤其是小于4平方微米。在考虑到光路中的传输损失和温度影响的 情况下，所发射的光的强度一般受到涉及眼睛安全的规定的限制。由此，强度或由光源以光 的形式发出的功率典型地为3至5毫瓦。附图标记列表
1光源
2准直仪
3偏振分束器
4检测器
5光电调制器
6lambda/4减速器
7扩束器
8测量段
9后向反射器
10距离测量仪
11控制和分析单元
12带通滤波器
Mi理想最小值
Mr实际最小值
权利要求
一种光电的距离测量仪(10)，具有光源(1)，该光源(1)在距离测量仪(10)中发射的光至少通过偏振分束器(3)、光电调制器(5)和lambda/4减速器(6)而被引导到测量段(8)上，并且沿着测量段(8)返回的光至少通过减速器(6)、光电调制器(5)和偏振分束器(3)而被引导到检测器(4)，此外距离测量仪(10)具有分析单元(11)以用于按照光电调制器(5)的调制频率和检测器(4)的信号来确定该测量段(8)的长度，其特征在于，该光源(1)具有所发射的光的广谱。
2.根据权利要求1所述的距离测量仪(10)，其中分析单元(11)被设计为按照Fizeau 方法来测量所述测量段(8)的长度。
3.根据权利要求1或2所述的距离测量仪(10)，其中光电调制器(5)被设置用于调制 所通过的光的偏振。
4.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中光源(1)具有所发射的光的小 照射面积和高强度。
5.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中光源(1)的照射面积小于10 平方微米，优选小于4平方微米。
6.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中从光源(1)发射的光的强度在 3至5毫瓦之间。
7.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中调制材料是LiTa03，并且所发 射的光的光谱具有至少10纳米、优选至少15纳米的带宽。
8.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中调制材料是LiNb03，并且所发 射的光的光谱具有至少5纳米、优选至少8纳米的带宽。
9.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中光源(1)是超发光二极管。
10.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中在光路中在光源(1)前面没 有布置光学隔离器。
11.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中布置有用于使光路中的频率 和带宽稳定的光学带通滤波器(12)。
12.根据前述权利要求之一所述的距离测量仪(10)，其中光源的带宽Δλ满足下面的条件Τλ—其中η。是调制材料的与波长有关的寻常折射率，I是调制材料的与波长有关的异常折 射率，lMstall是调制晶体的长度，以及λ是光源的波长。
全文摘要
光电距离测量仪(10)具有光源(1)，该光源(1)在距离测量仪(10)中发射的光至少通过偏振分束器(3)、光电调制器(5)和减速器(6)被引导到测量段(8)上。沿着测量段(8)返回的光至少通过减速器(6)、光电调制器(5)和偏振分束器(3)被引导到检测器(4)。此外距离测量仪(10)具有控制和分析单元(11)以用于按照光电调制器(5)的调制频率和检测器(4)的信号来确定测量段(8)的长度。光源(1)具有所发射的光的广谱并且优选是超发光二极管。
文档编号G01S7/499GK101952741SQ200980105569
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月19日
发明者D·迈尔, T·吕蒂 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司