專(zhuān)利名稱(chēng)：用于絕對(duì)距離的電光測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種到一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)距離的電光測(cè)量裝置，它包括產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)直的線(xiàn)偏振激光束的裝置，包括電光調(diào)制器，用于調(diào)制和解調(diào)帶有一定順序調(diào)制頻率的激光束的偏振，包括一個(gè)和目標(biāo)點(diǎn)相耦合的反射體，包括電光檢測(cè)器，用于在最小亮度范圍內(nèi)確定所發(fā)射的調(diào)制激光束和由目標(biāo)點(diǎn)接收并且解調(diào)的激光束之間的調(diào)制相位值，并確定相應(yīng)的調(diào)制頻率值；以及包括用帶有零調(diào)制相位的兩個(gè)相鄰調(diào)制頻率計(jì)算距離的裝置。
一種這樣的測(cè)量設(shè)備在專(zhuān)利EP 0 205 406 B1中已經(jīng)描述。這種測(cè)量設(shè)備所依據(jù)的原則相應(yīng)于所謂費(fèi)澤奧(Fizeau)的齒輪方法。在此方法中，起初一束光線(xiàn)通過(guò)一個(gè)齒輪被周期性打斷，然后發(fā)送至反射體并且最后在齒輪上第二次被周期性打斷。在回程光線(xiàn)消光的情況下，根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，通過(guò)比較一個(gè)齒輪齒到下一個(gè)齒槽的運(yùn)行時(shí)間來(lái)確定光線(xiàn)的運(yùn)行時(shí)間。
在專(zhuān)利EP 0 205 406 B1所描述的測(cè)量設(shè)備中，采用一個(gè)電光晶體代替齒輪作為調(diào)制器。這時(shí)測(cè)量光束不再被周期性打斷，而是一個(gè)橢圓型偏振光被周期性改變。如果人們用幾百兆赫的正弦信號(hào)在電光晶體里調(diào)制一個(gè)線(xiàn)性偏振光束，其偏振平面就晶體軸而言，位于適當(dāng)位置，并且反射光束部分在反轉(zhuǎn)方向第二次通過(guò)晶體時(shí)經(jīng)歷進(jìn)一步的調(diào)制，那么人們?cè)诖_定的調(diào)制頻率下，就再次得到原來(lái)的不隨時(shí)間變化的線(xiàn)性偏振光，并且在合適的檢偏振器中觀(guān)察到亮度熄滅。
在這種情況下任何時(shí)刻恰好有整數(shù)個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)處于在調(diào)制晶體和反射體之間的雙倍測(cè)量距離中。當(dāng)人們沒(méi)有觀(guān)察到亮度極小時(shí)，人們可以通過(guò)改變測(cè)量距離或調(diào)制波長(zhǎng)的方法觀(guān)察到亮度極小。調(diào)制波長(zhǎng)通過(guò)調(diào)制頻率被改變，運(yùn)行時(shí)間和調(diào)制波長(zhǎng)成比例。測(cè)量距離是調(diào)制波長(zhǎng)的整倍數(shù)的條件可以清楚的在不同調(diào)制頻率中調(diào)準(zhǔn)。然而絕對(duì)距離可以通過(guò)兩個(gè)相鄰的這樣的調(diào)制頻率明確地確定。
首先使用鉭酸鋰晶體作為調(diào)制器，因?yàn)闉榱似裾{(diào)制它需要一個(gè)相對(duì)低的調(diào)制電壓。這時(shí)調(diào)制交流電壓通過(guò)在微波空腔諧振器中的裝置用通常方式感應(yīng)地加在晶體里產(chǎn)生。然而這種晶體的缺點(diǎn)是，用于調(diào)制的有效靜態(tài)雙折射十分強(qiáng)烈地依賴(lài)于溫度。這意味著，在測(cè)量原理中利用的亮度極小值視溫度依賴(lài)關(guān)系而變平坦，甚至于變?yōu)樽畲笾担虼藴y(cè)量距離將不準(zhǔn)確或成為不可能。
為了補(bǔ)償前面所提到的溫度影響可以把與測(cè)量光束波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)片接在調(diào)制晶體后。測(cè)量光束在從反射體的返回中再一次通過(guò)1/4波長(zhǎng)片，從而第二次通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)90°的偏振旋轉(zhuǎn)，因此與溫度有關(guān)的調(diào)制晶體的雙折射作用通過(guò)相對(duì)晶體軸交換偏振可以在任何時(shí)刻達(dá)到補(bǔ)償。
測(cè)量裝置通常使用在目標(biāo)位置光束方向設(shè)置反射體，例如一個(gè)立方角反射體。這種系統(tǒng)最大可達(dá)到的測(cè)量精確度處于微米范圍。為了達(dá)到一個(gè)盡可能完全的偏振解調(diào)制，必需保證通過(guò)其他光學(xué)部件沒(méi)有疊加與發(fā)送和返回的光線(xiàn)的射束方向相一致的雜散光，并且保證通過(guò)外部部件對(duì)偏振的影響盡可能小，否則上面提到的借助于λ/4片的補(bǔ)償會(huì)受到干擾。
為了確定調(diào)制相位，也就是說(shuō)為了靈敏的探測(cè)最小光亮度，把幾百兆赫調(diào)制信號(hào)的頻率調(diào)制從約10千赫頻移提升到500千赫。頻率調(diào)制信號(hào)的振幅是調(diào)制相位的量度。特別是在亮度最小值時(shí)調(diào)制相位等于零(一階導(dǎo)數(shù))。
在專(zhuān)利EP 0 313 518 B1公開(kāi)了一種比前面所述量測(cè)裝置進(jìn)一步發(fā)展的裝置，它可以測(cè)量到天然目標(biāo)或反射膜的距離。為此，把偏振調(diào)制的準(zhǔn)直的測(cè)量光束聚焦到目標(biāo)物是必不可少的。這個(gè)解決方案是從如下知識(shí)出發(fā)，即許多從一個(gè)具有寬散射特性的目標(biāo)物上擴(kuò)展的光點(diǎn)過(guò)多返回的光束成分在晶體中解調(diào)時(shí)通過(guò)新的和傾斜的具有不同調(diào)制效果的路徑。在這種情況下得不到對(duì)應(yīng)調(diào)制相位的亮度極小的均勻線(xiàn)偏振。如果與此相反由于聚焦人們處理一個(gè)很小的光點(diǎn)，所以從原有光路散射出的散射光部分，在測(cè)量裝置中沒(méi)有遮蓋要找的極小值就簡(jiǎn)單地消失了。由于光點(diǎn)的聚焦，在這種測(cè)量布置中，這種量測(cè)與測(cè)量光束入射到目標(biāo)點(diǎn)的方向完全無(wú)關(guān)。
偏振調(diào)制的費(fèi)澤奧系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)形式是大家熟悉的。
在專(zhuān)利US 3,200,698中有一種測(cè)量裝置是眾所周知的，借助于它可以調(diào)整到反射物體的精確距離。一束線(xiàn)偏振光通過(guò)一個(gè)設(shè)置在微波諧振腔內(nèi)的雙折射晶體被周期性橢圓型極化。在從物體反射后該束橢圓型偏振光重新通過(guò)晶體。在精確調(diào)整物體距離時(shí)橢圓型偏振再變回線(xiàn)性偏振，并且從檢偏振器透射的強(qiáng)度是最小的。目標(biāo)只要用測(cè)微螺桿從預(yù)先設(shè)定的位置開(kāi)始移動(dòng)，直到調(diào)整到最小信號(hào)為止。
在專(zhuān)利US 3,424,531中描述了一種距離測(cè)量裝置，由它向一個(gè)測(cè)量目標(biāo)發(fā)射兩種不同波長(zhǎng)的測(cè)量光束。一個(gè)調(diào)制器處在兩束測(cè)量光束共同通過(guò)的往返路徑上，該調(diào)制器周期性地打斷測(cè)量光束。這種測(cè)量方法相當(dāng)于齒輪方法。使用帶有不同波長(zhǎng)的測(cè)量應(yīng)該掌握在測(cè)量范圍內(nèi)的大氣湍流和折射率的改變，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑測(cè)量的修正。
在專(zhuān)利SU 882 734 C中描述了一種可移動(dòng)的機(jī)器人，它包括一個(gè)到固定反射體的絕對(duì)距離的光測(cè)量裝置。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中，測(cè)量光束通過(guò)一個(gè)自動(dòng)控制的跟蹤鏡持續(xù)地對(duì)準(zhǔn)反射體。距離測(cè)量設(shè)備用一束振幅調(diào)制激光束工作，它和上述費(fèi)澤奧方法相比非常不精確。
在專(zhuān)利US 4 714 339 C中描述了一個(gè)位置固定的設(shè)備，它用于自動(dòng)跟蹤固定在機(jī)器人一只臂上的反射體，此外，移動(dòng)距離當(dāng)反射體在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)可以被測(cè)量。激光干涉儀系統(tǒng)被用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)反射體之間的距離。用這種系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)距離的測(cè)量極其精確，處于亞微米范圍。
在專(zhuān)利DE 43 06 884 A1中描述了一種相位調(diào)制激光干涉儀，它主要包括在參考光束路徑里的一個(gè)相位調(diào)制器。由相位調(diào)制參考光束和測(cè)量光束構(gòu)成一個(gè)疊加的信號(hào)。相位調(diào)制器由一個(gè)正弦形信號(hào)控制，由此同樣還產(chǎn)生一個(gè)對(duì)此相位耦合的混合頻率信號(hào)。疊加信號(hào)和混合頻率信號(hào)倍增混合，并且在帶通濾波之后，求出沿著測(cè)量路徑的待測(cè)量的距差。這種方法簡(jiǎn)化了相位調(diào)制器的控制。
在干涉儀中用于絕對(duì)距離值的測(cè)量必須從一個(gè)確定的參考點(diǎn)出發(fā)并且不允許被打斷。對(duì)激光束的相干性和波型的穩(wěn)定性要求很高。
在試驗(yàn)時(shí)，一個(gè)按照費(fèi)澤奧方法工作的測(cè)量裝置通過(guò)一個(gè)自動(dòng)控制的跟蹤鏡向一個(gè)地點(diǎn)可改變安排的反射體定向發(fā)射激光束，結(jié)果是，通過(guò)在射束方向斜立的跟蹤鏡上的反射以及通過(guò)立方體角反射體斜立面的反射，測(cè)量光束的偏振被如此強(qiáng)烈地改變，以至于待測(cè)量的亮度極小不再可以充分精確檢測(cè)，以便達(dá)到系統(tǒng)要求的測(cè)量精度。
因此本發(fā)明以下面的任務(wù)為基礎(chǔ)，即基本上消除以費(fèi)澤奧方法工作的裝置的測(cè)量精度對(duì)調(diào)制器晶體的特性、干擾光的影響以及外部所留有附加的偏振的依賴(lài)關(guān)系。因此特別應(yīng)該達(dá)到，使該測(cè)量裝置是可以與一個(gè)使光束轉(zhuǎn)向的跟蹤鏡相結(jié)合和與一個(gè)干涉儀測(cè)量系統(tǒng)組合在一起使用的。
這項(xiàng)任務(wù)在本文一開(kāi)始所描述類(lèi)型的測(cè)量裝置中根據(jù)本發(fā)明通過(guò)以下方式得以解決，調(diào)制器包括一個(gè)帶有電極的調(diào)制晶體，該電極和一個(gè)可改變的直流電源相連接，提供一個(gè)控制設(shè)備，該控制設(shè)備在不同的直流電壓下，通過(guò)調(diào)制晶體主偏振的一個(gè)完整周期，依次確定在有關(guān)調(diào)制頻率下的最小亮度范圍內(nèi)調(diào)制相位值，儲(chǔ)存所測(cè)量的數(shù)值并且取平均，在不為零的平均值時(shí)，測(cè)量在微小改變的調(diào)制頻率下重復(fù)，并且用插入法確定調(diào)制相位平均值為零所屬的調(diào)制頻率。
與直流電壓有關(guān)的偏振可以疊加到普通的調(diào)制晶體上。從優(yōu)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)制晶體前后放置時(shí)，其中一個(gè)完成高頻偏振調(diào)制，另一個(gè)產(chǎn)生與直流電壓有關(guān)的主偏振。這樣可以特別避免一些結(jié)構(gòu)上的困難，這些困難是由在微波空腔諧振器中安置一個(gè)調(diào)制晶體裝置產(chǎn)生的。
控制設(shè)備以有益的方式包括一個(gè)發(fā)生器，它用來(lái)在一個(gè)主偏振的周期中逐級(jí)提高直流電壓值。
利用施加到調(diào)制晶體上的直流電壓改變其主偏振。在沒(méi)有高頻調(diào)制情況下以及在對(duì)垂直對(duì)準(zhǔn)的晶體出端的光z-軸呈45°角入射線(xiàn)性偏振光的情況下出現(xiàn)的偏振稱(chēng)為主偏振。與給定的晶體長(zhǎng)度有關(guān)，主偏振的位置通過(guò)一定的直流電壓值周期性地重復(fù)。對(duì)于一個(gè)改變360°的主偏振，也就是說(shuō)，一個(gè)垂直于光軸振蕩的s分量滯后于平行于光軸振蕩的p分量360°，例如在置入的鉭酸鋰晶體情況下，需要約500V(半波電壓約250V)。
依照本發(fā)明，在每次找到一個(gè)可辨認(rèn)的亮度極小后，在其所屬的調(diào)制頻率下經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的周期主偏振改變一次。在通過(guò)一個(gè)完整周期的主偏振時(shí)產(chǎn)生一個(gè)平均的調(diào)制相位，因此為了進(jìn)一步的測(cè)量唯有正確測(cè)定調(diào)制頻率是決定性的。這個(gè)調(diào)制頻率可以識(shí)別如下，只在所選擇的調(diào)制頻率與對(duì)應(yīng)于調(diào)制相位的最小值調(diào)制頻率一致時(shí)，在與主調(diào)制的有關(guān)決定的調(diào)制相位值的平均值才變?yōu)榱?。通過(guò)逐步改變亮度極小附近的調(diào)制頻率，從取平均的調(diào)制相位值能夠內(nèi)推所屬的調(diào)制頻率值。
主偏振的改變應(yīng)該通過(guò)一個(gè)完整的周期進(jìn)行。由于光二次通過(guò)晶體，在晶體里施加半波電壓時(shí)，探測(cè)器中已經(jīng)產(chǎn)生一個(gè)完整的周期，因?yàn)閟-和p-分量的延遲在往返行程中各為180°。但是主偏振的改變主要通過(guò)一個(gè)完整的周期在晶體里產(chǎn)生，因?yàn)橐呀?jīng)確認(rèn)，這時(shí)在探測(cè)器中產(chǎn)生測(cè)量值的兩個(gè)周期并不精確一致。這歸因于主偏振周期的開(kāi)始和結(jié)束是與溫度有關(guān)，并由此而不確定。因此，在探測(cè)器中對(duì)兩個(gè)周期的求平均提供了一個(gè)改進(jìn)的平均值。
根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量裝置，現(xiàn)在反射體在空間可以自由移動(dòng)地調(diào)整，激光束通過(guò)一個(gè)自動(dòng)控制的跟蹤鏡追蹤反射體。激光束通過(guò)一個(gè)分反射鏡以適當(dāng)?shù)姆绞綄?dǎo)向跟蹤鏡上，因此從反射體返回的激光束的一部分通過(guò)該分反射鏡能夠被導(dǎo)向到對(duì)位置敏感的探測(cè)器上，它促使跟蹤鏡實(shí)現(xiàn)跟蹤。
尤其是也可能使用一種二向色的分反射鏡，所以能夠使用不同于測(cè)量裝置所用的另一種波長(zhǎng)進(jìn)行跟蹤調(diào)整和確定偏轉(zhuǎn)角。尤其在美國(guó)專(zhuān)利US 4714 339 C中公開(kāi)的一種帶有跟蹤控制的激光干涉儀系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)二向色分反射鏡和用于絕對(duì)距離測(cè)量的激光束耦合，并且在從反射體返回時(shí)與其再去耦。這能帶來(lái)好處，因?yàn)橐杂幸娣绞绞褂猛獠钍礁缮鎯x需要一個(gè)氦-氖激光器做為相干光源，然而一個(gè)激光二級(jí)管可以用于費(fèi)澤奧測(cè)量系統(tǒng)，這里，線(xiàn)偏振特性對(duì)于電光偏振調(diào)制是決定性的。
因?yàn)樵诩す馔獠钍礁缮鎯x中使用的激光束也是線(xiàn)偏振的，而且它不取決于在費(fèi)澤奧測(cè)量方法中的光波長(zhǎng)，所以一種根據(jù)多普勒方法工作的激光外差式干涉儀的測(cè)量光束，如同例如在專(zhuān)利EP 0 194 941 A2中所描述的，也可以有利地在費(fèi)澤奧系統(tǒng)中做為測(cè)量光束使用。重要的是，在費(fèi)澤奧系統(tǒng)中偏振調(diào)制不改變干涉儀光束的相干性，因此光頻率的多普勒偏移的利用不受干擾。另一方面在外差式-干涉儀中光頻率的偏移不影響費(fèi)澤奧測(cè)量方法，因?yàn)樵谶@里只有偏振調(diào)制的波長(zhǎng)是決定性的。因此偏振調(diào)制器可以插入到從干涉儀來(lái)的光程中，并且它和一個(gè)分反射鏡串聯(lián)，通過(guò)此分反射鏡從反射體返回的光束的一部分被分路，并且偏轉(zhuǎn)以便和干涉儀的參考光束疊加。
一種用于絕對(duì)距離的測(cè)量裝置和一種用于相對(duì)距離測(cè)量裝置的組合開(kāi)辟了例如為機(jī)器人校準(zhǔn)的新的可能性。在靜止?fàn)顟B(tài)，原始坐標(biāo)可以借助于絕對(duì)距離測(cè)量測(cè)出。對(duì)干涉儀數(shù)據(jù)同時(shí)的數(shù)據(jù)分析允許詳細(xì)描述關(guān)于機(jī)械的穩(wěn)定性和甚至機(jī)器人系統(tǒng)的振動(dòng)特性。藉助于干涉儀對(duì)隨后的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。然后終止位置的坐標(biāo)通過(guò)干涉儀測(cè)量給出，但也可以通過(guò)重復(fù)的絕對(duì)測(cè)量被檢驗(yàn)。此外兩種測(cè)量信息的結(jié)合可以從本質(zhì)上提高測(cè)定到移動(dòng)目標(biāo)絕對(duì)距離的精確性。
下面依靠附圖示出的實(shí)施例更加詳細(xì)地描述這項(xiàng)發(fā)明。這些附圖是

圖1測(cè)量裝置和基于干涉儀的跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合以及圖2組合到跟蹤系統(tǒng)的干涉儀光程中的測(cè)量裝置。
在圖1中一只激光二級(jí)管1產(chǎn)生測(cè)量光束。它是分量制約的約為100∶1的線(xiàn)偏振。在一個(gè)光聚焦系統(tǒng)2之后，一束狹窄和平行的光束通過(guò)一個(gè)光學(xué)隔離器3，這只光學(xué)隔離器防止激光運(yùn)行過(guò)程中受回程光的干擾。一個(gè)起偏振的分光鏡4僅允許激光二級(jí)管1的主要的線(xiàn)偏振成分進(jìn)入費(fèi)澤奧系統(tǒng)。此外這種分光鏡4用做費(fèi)澤奧系統(tǒng)的偏振分析儀。因此落到與電光調(diào)制器5所設(shè)的晶體軸成45°的光在具有可變頻率約850-1000兆赫茲的交變電場(chǎng)周期地加到電光晶體上的作用下被偏振調(diào)制。一個(gè)1/4波長(zhǎng)片6以大家熟悉的方式用于補(bǔ)償在調(diào)制晶體中雙折射隨溫度的變化，即在回程光中通過(guò)兩次1/4波長(zhǎng)移動(dòng)，更換了對(duì)電光調(diào)制器的晶軸的偏振的取向。
為了消除外部附加偏振對(duì)1/4波長(zhǎng)片工作方式有損害的影響，設(shè)置另一個(gè)電光晶體7，一個(gè)可變直流電壓源10施加直流電壓到這個(gè)電光晶體上。這時(shí)原則上也可以通過(guò)一個(gè)可變直流電壓源11直接把直流電壓加到調(diào)制器5的調(diào)制晶體8上。這如虛線(xiàn)所示。也可以通過(guò)溫度變化改變晶體的雙折射。考慮到與此有關(guān)的技術(shù)上的化費(fèi)，所以這兩種選擇不再進(jìn)一步描述。
一個(gè)振蕩器13用于控制電光調(diào)制器5，它具有可變的并且通過(guò)一個(gè)相位穩(wěn)定回路12的程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生的調(diào)制頻率，如前述為850-1000兆赫茲。相位穩(wěn)定回路12包括一個(gè)沒(méi)有畫(huà)出的合成器，并且它通過(guò)PLL電路穩(wěn)定到10兆赫的石英參考頻率。所有系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)分析通過(guò)一個(gè)帶有微處理器的控制設(shè)備19協(xié)調(diào)和進(jìn)行。
由振蕩器13，調(diào)制器5和相位穩(wěn)定回路12組成的子系統(tǒng)所需要的頻帶寬總共約150兆赫茲。在測(cè)量過(guò)程中頻率是這樣調(diào)整的，即最小回程光落到一個(gè)做為檢偏器的分光鏡4后所設(shè)置的光敏二級(jí)管15上。一只放大器16用于放大這種測(cè)量信號(hào)。
一個(gè)掃頻發(fā)生器14在回路12中產(chǎn)生一個(gè)正弦頻率調(diào)制，它在相敏探測(cè)器17(鎖定放大器)中用來(lái)探測(cè)信號(hào)極小值。附加疊置調(diào)制頻率改進(jìn)了最小位置的精確探測(cè)。就像已經(jīng)提到的，在費(fèi)澤奧測(cè)量方法中，在某種調(diào)制頻率下，產(chǎn)生這個(gè)最小位置時(shí)，所給定的到反射體的距離是調(diào)制波長(zhǎng)一半的數(shù)倍。在控制設(shè)備19中，絕對(duì)距離由兩個(gè)這種對(duì)應(yīng)于相鄰最小位置的頻率計(jì)算出來(lái)。
不同于測(cè)量調(diào)制頻率的相敏探測(cè)器17，在強(qiáng)度測(cè)量電路18中測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，也就是一般的光亮度。關(guān)于費(fèi)澤奧測(cè)量方法的補(bǔ)充信息可參閱在本文一開(kāi)始提到的專(zhuān)利EP 0205 406 B1。
對(duì)于到大約100m測(cè)量距離，要求測(cè)量光束少量發(fā)散。為此光束在準(zhǔn)直器9中被擴(kuò)展。這個(gè)被擴(kuò)展的光束通過(guò)一個(gè)二向色性分光鏡23被耦合輸入測(cè)量光束25中或從測(cè)量光束25耦合出來(lái)。測(cè)量光束25通過(guò)跟蹤鏡24通向做為立方體角反射體設(shè)置的反射體26。
在從費(fèi)澤奧系統(tǒng)發(fā)射后，測(cè)量光束的偏振應(yīng)盡可能少的改變，因?yàn)榫拖裨诒疚囊婚_(kāi)始所提到的附加于偏振調(diào)制中出現(xiàn)的固定的偏振改變導(dǎo)至測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度下降。因?yàn)閮A斜于光束安置的介電層，例如分光層，具有強(qiáng)烈的偏振作用，所以在這里要盡可能注意補(bǔ)償或避免偏振的影響。在固定的角度狀況下補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)如下即光通過(guò)兩束等同的但與光束方向旋轉(zhuǎn)90°的光學(xué)分量被導(dǎo)向。這可以在分光鏡23實(shí)現(xiàn)如下即它由兩個(gè)同等的組合在一起的分光層組成。
優(yōu)化跟蹤鏡24以使它的鍍膜在所需要的各種入射角范圍內(nèi)，垂直和平行偏振分量間有盡可能小的相位偏差?？梢约缺苊飧郊悠癜l(fā)生在這種部件上也避免發(fā)生在反射體26上。
此外在圖1示出一種干涉儀系統(tǒng)20，它的細(xì)節(jié)例如由本文一開(kāi)始描述的專(zhuān)利US 4 714 339 C中可以獲悉。這種系統(tǒng)的測(cè)量光束有另一個(gè)波長(zhǎng)，并且同樣通過(guò)分光鏡23被耦合輸入到測(cè)量光束25和從測(cè)量光束25耦合輸出。通過(guò)另一個(gè)分光鏡21，從反射體26返回的干涉儀光束中的一部分被引向位置敏感的二級(jí)管22以進(jìn)行跟蹤控制。
很顯然也可以使用一種簡(jiǎn)單的分光鏡23，它使屬于費(fèi)澤奧系統(tǒng)的測(cè)量光束的一部分通過(guò)，并且直接引向位置敏感的二級(jí)管22，隨后該二極管控制一個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
依照本發(fā)明所述，帶有測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰最小位置的費(fèi)澤奧系統(tǒng)的測(cè)量算法通過(guò)一個(gè)附加的流程被擴(kuò)展，它消除了由于不可避免的外部偏振的影響產(chǎn)生的測(cè)量不可靠性。
首先，通過(guò)在回路12中的合成器自動(dòng)調(diào)節(jié)的調(diào)制頻率，在強(qiáng)度測(cè)量電路18和相位敏感探測(cè)器17中尋找第一個(gè)最小位置。這時(shí)，探測(cè)器17測(cè)量由掃頻發(fā)生器14產(chǎn)生的頻率調(diào)制的相位和振幅。這是信號(hào)振幅對(duì)頻率的一階導(dǎo)數(shù)。信號(hào)振幅的最小位置相當(dāng)于頻率調(diào)制的振幅過(guò)零點(diǎn)。
在尋找用于距離計(jì)算必需的第二最小位置后，現(xiàn)在為了在固定的與最小值相應(yīng)的所予期的調(diào)制頻率情況下作精密測(cè)量，調(diào)制器7的主偏振通過(guò)可變直流電壓源10經(jīng)過(guò)一個(gè)周期被旋轉(zhuǎn)。為此直流電壓逐步地從零到兩倍的半波電壓(例如500V)施加到調(diào)制器7上。這時(shí)，通過(guò)半波電壓在相敏探測(cè)器17中產(chǎn)生的正弦變化的值被儲(chǔ)存在控制設(shè)備19中。因?yàn)樘綔y(cè)器17的鎖定數(shù)值是振幅值對(duì)頻率的一階導(dǎo)數(shù)值，所以當(dāng)調(diào)制頻率精確處于調(diào)制相位值的極小時(shí)，所儲(chǔ)存值的平均值精確等于零。
根據(jù)第二次以及可能其它的同類(lèi)測(cè)量帶有一些偏移的調(diào)制頻率，在偏離零的平均值情況下最小的精確位置能夠被內(nèi)插。精確測(cè)量可以在其他的極小值重復(fù)，特別是已經(jīng)在第一最小值中重復(fù)。在相應(yīng)的算入現(xiàn)有值之中時(shí)它導(dǎo)致提高的測(cè)量可靠性和精確性。
在圖2中描繪了一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，在該測(cè)量系統(tǒng)中，絕對(duì)距離量測(cè)裝置組裝在干涉儀的光程中。這種干涉儀系統(tǒng)20，在例如專(zhuān)利EP 0 194 941 A2中已描述。同樣費(fèi)澤奧系統(tǒng)30也應(yīng)包括所有相應(yīng)的在圖1中示出并闡述的部件(4-19)。
一束沒(méi)有擴(kuò)展的光束從干涉儀系統(tǒng)20射出，該光束是線(xiàn)偏振的，模式穩(wěn)定的以及通過(guò)聲光調(diào)制器頻率偏移的。這束光通過(guò)圖1示出的檢偏振器4射入費(fèi)澤奧系統(tǒng)30，并且在附加的偏振調(diào)制后通過(guò)準(zhǔn)直器9離開(kāi)系統(tǒng)。
與圖1的裝置相比，屬干涉儀系統(tǒng)20的分光鏡31和偏轉(zhuǎn)鏡32，33，是新的。通過(guò)這些部件從反射體26返回的光束25的一部分被用來(lái)與干涉儀的參考光束干涉。與參考光束相比附加在它上面的偏振調(diào)制不防礙干涉。
如圖1所示一部分從反射體26返回的光束通過(guò)分光鏡23導(dǎo)向位置敏感探測(cè)器22，由此產(chǎn)生一個(gè)用于跟蹤鏡的控制信號(hào)。
權(quán)利要求
1.到一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)距離的電光測(cè)量裝置，它包括產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)直的線(xiàn)偏振激光束的裝置，包括電光調(diào)制器，用于調(diào)制和解調(diào)帶有一定順序調(diào)制頻率的激光束的偏振，包括一個(gè)和目標(biāo)點(diǎn)相耦合的反射體，包括電光檢測(cè)器，用于在最小亮度范圍內(nèi)確定所發(fā)射的調(diào)制激光束和由目標(biāo)點(diǎn)接收并且解調(diào)的激光束之間的調(diào)制相位值，并確定相應(yīng)的調(diào)制頻率值；以及包括用帶有零調(diào)制相位的兩個(gè)相鄰調(diào)制頻率計(jì)算距離的裝置，其特征為調(diào)制器(5)包括一個(gè)帶有電極的調(diào)制晶體(8；7)，這些電極和一個(gè)可改變的直流電壓源(11；10)相連，并且提供一個(gè)控制系統(tǒng)(19)，該控制系統(tǒng)在不同的直流電壓下，通過(guò)調(diào)制晶體(8；7)主偏振的一個(gè)完整周期，依次確定在最小亮度范圍內(nèi)所屬的調(diào)制頻率下的調(diào)制相位值，儲(chǔ)存所測(cè)量的數(shù)值并且取平均，在不為零的平均值時(shí)，測(cè)量在微小改變的調(diào)制頻率下重復(fù)，并且用插入法決定屬于調(diào)制相位平均值為零的調(diào)制頻率。
2)根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量裝置，其特征為調(diào)制器(5)包括一個(gè)只有頻率調(diào)制的調(diào)制晶體(8)和另一個(gè)只加直流電壓的調(diào)制晶體(7)。
3)根據(jù)權(quán)利要求1或2所述測(cè)量裝置，其特征為控制設(shè)備(19)包括一個(gè)發(fā)生器用于在一個(gè)主偏振周期內(nèi)逐步提高直流電壓值。
4)根據(jù)權(quán)利要求1至3所述測(cè)量裝置，其特征為反射體(26)在空間設(shè)置成可以自由移動(dòng)并且激光束通過(guò)一個(gè)自動(dòng)控制的跟蹤鏡(24)跟蹤反射體(26)。
5)根據(jù)權(quán)利要求4所述測(cè)量裝置，其特征為激光束通過(guò)一個(gè)分光鏡(23)導(dǎo)向跟蹤鏡(24)。
6)根據(jù)權(quán)利要求5所述測(cè)量裝置，其特征為提供一個(gè)二向色性的分光鏡(23)。
7)根據(jù)權(quán)利要求6所述測(cè)量裝置，其特征為為了相對(duì)距離測(cè)量運(yùn)動(dòng)的反射體(26)與一個(gè)激光干涉儀(20)耦合，其中干涉儀的光程和測(cè)量裝置的光程聚集在二向色性分光鏡(23)上。
8)根據(jù)權(quán)利要求7所述測(cè)量裝置，其特征為；干涉儀光束的激光波長(zhǎng)和測(cè)量裝置的光束的激光波長(zhǎng)是不同的。
9)根據(jù)權(quán)利要求1至4所述測(cè)量裝置，其特征為偏振調(diào)制器(8；7)被安插到分光鏡(31)前從激光干涉儀(20)來(lái)的光程中，分光鏡(31)分路一部分從反射體(26)回來(lái)的光束用于與干涉儀的參考光束疊加。
全文摘要
用于到一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)距離的電光測(cè)量裝置。對(duì)于根據(jù)費(fèi)澤奧法必要的光偏振調(diào)制的補(bǔ)充,根據(jù)發(fā)明所述規(guī)定:調(diào)制器包括一個(gè)帶有電極的調(diào)制晶體(8;7),這些電極和一個(gè)可變的直流電壓源(11;10)相連,并且配備一個(gè)控制系統(tǒng)(19),該控制系統(tǒng)在不同的直流電壓下,通過(guò)調(diào)制晶體主偏振的一個(gè)完整周期,依次確定在最小亮度范圍內(nèi)所屬的調(diào)制頻率下的調(diào)制相位值,儲(chǔ)存所測(cè)量的數(shù)值并且取平均,在不為零的平均值時(shí),測(cè)量在微小改變的調(diào)制頻率下重復(fù),并且用插入法決定屬于調(diào)制相位平均值為零的調(diào)制頻率。這種測(cè)量裝置特別適合與一個(gè)基于干涉儀的跟蹤系統(tǒng)耦合。
文檔編號(hào)G01S17/36GK1172532SQ96191462
公開(kāi)日1998年2月4日 申請(qǐng)日期1996年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月15日
發(fā)明者D·梅爾 申請(qǐng)人:萊卡公開(kāi)股份有限公司