DE10224761B3

DE10224761B3 - Laserstrahlinterferometer

Info

Publication number: DE10224761B3
Application number: DE10224761A
Authority: DE
Inventors: Günter Rudolph; Michael Dr. Kempe
Original assignee: VEB Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG; Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-06-05

Abstract

Es wird beschrieben ein Laserstrahlinterferometer zur berührungslosen Vermessung eines Objektes (2), wobei das Laserstrahlinterferometer (1) eine Laserstrahlungsquelle (5, 18), die einen Meßarm (3) und einen Referenzzweig (4) speist, aufweist, eine Strahlaufspaltungseinrichtung (7, 22) vorgesehen ist, die aus einem von der Laserstrahlungsquelle (5, 18) abgegebenen Strahlbündel im Meßarm (3) und im Referenzzweig (4) je einen Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugt, und eine Strahlvereinigungseinrichtung (7) vorgesehen ist, die Einzelstrahlen aus dem Referenzzweig und die vom Objekt (2) rückgestreuten Einzelstrahlen aus dem Meßarm (3) auf einer Detektoreinrichtung (10) jeweils paarweise überlagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlinterterometer zur berührungslosen Abstandsmessung, das eine Laserstrahlungsquelle, welche einen Meßarm und einen Referenzzweig speist, aufweist.
Derartige Laserstrahlinterferometer bieten sich zur berührungslosen Abstandsmessung mit sehr hoher Meßgenauigkeit an, insbesondere wenn die Messung über einen Abstand im Meterbereich erfolgen soll. Das dabei ausgenutzte physikalische Wirkprinzip beruht auf der Kohärenz von sich überlagernden Laserstrahlen. Diese überlagerten Laserstrahlen stammen aus einer Quelle, haben jedoch nach einer Teilung in einem Referenz- bzw. einem Meßpfad unterschiedliche Wege zurückgelegt. Laserstrahlinterterometer können dieses Prinzip sowohl zu einer inkrementellen als auch zu absoluten Messungen umsetzen. Für eine absolute Messung wird in einem Laserstrahlinterterometer Strahlung bei mindestens zwei Wellenlängen benötigt.

Dies ist in einem inkohärenten Längenmeßverfahren möglich, bei dem eine Sendestrahlleistung hinsichtlich der Sendefrequenz moduliert wird, so daß die Messung einer Phasendifferenz zwischen hin- und rücklaufender Strahlleistung eine Längeninformation über das Objekt vermittelt. Dieses Prinzip ermöglicht ein kohärent arbeitendes, frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar (auch FMCW-Laserradar oder Chirped Laser Radar bezeichnet), das den Abstand zum Objekt unter Ausnutzung der Signallaufzeit durch Messung der Differenz zwischen Sende- und Empfangsfrequenz ermittelt. Ein solches Laserradar ist in der Veröffentlichung A., Slotwinski et al., „Utilizing GaAIAs Laser Diodes as a Source for Frequency Modulated Contineous Wave (FMCW) Coherent Laser Radars", Proc. SPIE Vol. 1043, Laser Diode Technology and Applications, 1989, S. 245–251 beschrieben. Auch die DE 35 87 492 T2 , die DE 33 06 709 C2 , die DE 1960 0491 C1 und die DE 31 36 993 C2 schildern laserbasierte Abstandsmeßverfahren.

Ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserstrahlinterferometer kann zwar eine Abstandsmessung durchführen, jedoch ist eine Vermessung eines Objektes damit nicht möglich.

Eine solche kontaktlose Objektvermessung ist aber für viele Anwendungen wünschenswert, beispielsweise, wenn die Form eines Objektes überprüft werden soll, wie dies u. a. bei Verschleißmessungen, z. B. von Fahrdrähten elektrischer Bahnen, der Fall ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Laserstrahlinterferometer mit einer Laserstrahlungsquelle, die einen Meßarm und einen Referenzzweig speist, so weiterzubilden, daß eine berührungslose Vermessung eines Objektes möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserstrahlinterferometer das eine Laserstrahlungsquelle, die einen Meßarm und einen Referenzzweig speist, eine Strahlaufspaltungseinrichtung, die aus einem von der Laserstrahlungsquelle abgegebenem Strahlbündel im Meßarm und im Referenzzweig je einem Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugt, und eine Strahlvereinigungseinrichtung aufweist, die Einzelstrahlen aus dem Referenzzweig und die vom Objekt rückgestreuten Einzelstrahlen aus dem Meßarm auf einer Detektoreinrichtung jeweils paarweise überlagert.

Das erfindungsgemäße Konzept erzeugt im Meßarm einen Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen, die auf das Objekt gerichtet werden. Die vom Objekt jeweils in Richtung der auftreffenden Einzelstrahlen zurückgestreute Strahlungsleistung wird mit dem Referenzstrahl, der ebenfalls in einen Fächer aus Einzelstrahlen aufgeteilt wurde, zur Interferenz gebracht. Durch die Aufteilung der Strahlbündel in Fächer aus Einzelstrahlen wirkt der erfindungsgemäße Aufbau für jeden Einzelstrahl wie ein eigenständiges Laserstrahlinterferometer, soweit die Vermessung des Objektes betroffen ist. Durch die Vielzahl von Einzelstrahlen kann damit zu entsprechend vielen Punkten des Objektes der Abstand gemessen werden, woraus sich automatisch eine Information über den Umriß des Objektes und damit eine Vermessung des Objektes ergibt.

Unter dem Begriff „Objekt" wird dabei eine zu vermessende Struktur verstanden, es kann sich also dabei durchaus um ein Element eines größeren Gegenstandes handeln.

Im erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer werden zur Vermessung eines Objektes die Einzelstrahlen aus Referenzzweig und Meßarm paarweise zur Überlagerung gebracht. Dabei ist unter diesem Begriff zu verstehen, daß im Meßarm die Strahlung erfaßt wird, die in Richtung der auf das Objekt gerichteten Einzelstrahlen zurückgestreut wird. Deren Intensität kann abhängig vom Rückstreuvermögen bzw. der Geometrie des vermessenden Objektes stark variieren. Mitunter wird überhaupt keine Strahlungsenergie in Richtung eines eingestrahlten einzelnen Meßstrahles zurückgestreut, beispielsweise weil das Objekt vollständig absorbiert oder der in Rede stehende Einzelstrahl überhaupt nicht auf das Objekt trifft. Auch solche Fälle mit verschwindend rückgestreuter Strahlungsintensität werden hier als paarweise Überlagerung mit dem zugehörigen Einzelstrahl des Referenzzweiges aufgefaßt.

Für jeden Einzelstrahl kann der Objektabstand ermittelt werden. Dabei ist das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer allerdings nicht auf die Anwendung des Prinzips eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Laserradars eingeschränkt, sondern kann auch anderweitig in bekannter Weise als kohärentes Interferometer eingesetzt werden, das eine gleichzeitige Vermessung einer Vielzahl von Punkten eines Objektes ermöglicht.

Beispielsweise kann der Laserstrahl gepulst und die Impulslaufzeit erfaßt werden. Auch kann bei geeigneten Objekten eine kohärente Aufsummation der im Interferenzpunkt überlagerten Strahlung, die je nach ihrer Teilung in Referenzzweig und Meßarm unterschiedliche Wege zurückgelegt hat, erfolgen. Wird dabei nur eine Wellenlänge im Interferometer ausgewertet, so liegt ein inkrementelles Verfahren vor. Für eine nicht-inkrementelle, d. h. absolut messende Laserstrahlinterferometrie ist eine Meßinformation bei mindestens zwei verschiedenen Laserwellenlängen erforderlich. Dann kann die Längendifferenz zwischen Meßarm und Referenzzweig eindeutig innerhalb der halben synthetischen Wellenlänge der beiden Laserwellenlängen bestimmt werden, wobei sich die synthetische Wellenlänge aus dem durch die Betragsdifferenz dividierten Produkt der Laserwellenlängen ergibt. Alternativ kann zur absoluten Laserstrahlinterferometrie auch die Emissionswellenlänge der Laserstrahlungsquelle von einem Anfangswert zu einem Endwert durchgestimmt werden. Bei diesen Meßverfahren ist allerdings die Kohärenz im Meßstrahl unabhängig vom Meßort erforderlich, weshalb sich diese Verwendungen des erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometers nur bei die Kohärenz nicht zerstörenden, sogenannten kooperativen Objektoberfläche anbieten werden.

Bei technischen, sogenannten nicht-kooperativen Oberflächen stellt sich bei der Vermessung eines Objektes dagegen die Problematik, daß die Wechselwirkung eines Laserstrahls mit dem Objekt die räumliche Kohärenz zerstört, da an solchen Oberflächen gestreutes Licht nur noch in benachbarten Raumpunkten feste Phasenbeziehungen aufweist. Eine inkrementelle Laserstrahlinterferometrie ist deshalb an technischen Objekten meist nicht möglich. Zwar könnte man dieses Problem durch die Montage spezieller Reflektoren am zu vermessenden Objekt umgehen, jedoch wäre damit ein nachteiliger Übergang von berührungsloser zu berührender Vermessung verbunden. In solchen Fällen bietet sich deshalb die erwähnte Verwendung des Interferometers als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar an, indem der Objektabstand unter Ausnutzung der Signallaufzeit durch Messung der Differenz zwischen einer Sende- und einer Empfangsfrequenz bestimmt wird.

Das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer ist insbesondere zur Fernvermessung von Objekten aus großen Abständen geeignet, d. h. wenn die Objektabmessung zwischen einem Zehntel und einem Zehntausendstel des Meßabstandes liegt, oder Auflösungen zwischen einem Hundertstel und einem Millionstel des Meßabstandes erreicht werden sollen. Da in solchen Fällen naturgemäß die Anforderung an ein möglichst großes Signal/Rausch-Verhältnis besteht, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, eine Laserstrahlungsquelle zu verwenden, die zwei überlagerte, linear polarisierte Lichtbündel abgibt, wobei die Polarisationsrichtungen der Lichtbündel um 90° gegeneinander verdreht sind und eine Detektoreinrichtung verwendet wird, die einen Polteiler und zwei Detektoren aufweist. Im Laserstrahlinterferometer propagieren dann zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen, wodurch im Endeffekt jeder Einzelstrahl verdoppelt ist, da er nach beiden Polarisationsrichtungen ausgewertet wird. Bei dieser Weiterbildung werden in einem Aufbau zwei Meßinterferometer verwirklicht, die zugleich eine Objektvermessung vornehmen, wobei der instrumentelle Aufwand nur unwesentlich steigt, insbesondere nicht verdoppelt wird.

Wird ein derart weitergebildetes Laserstrahlinterferometer als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar betrieben, kann die Frequenzmodulierung der überlagerten, linarpolarisierten Lichtbündel gegenläufig erfolgen, so daß sich die beiden, in Laserstrahlinterferometer propagierenden überlagerten Lichtbündel nicht nur durch die um 90° gegeneinander verdrehte Polarisationsrichtung, sondern auch in der momentanen Wellenlänge, bzw. Frequenz unterscheiden. Dadurch ist eine verstärkte Entkopplung erreicht und ein Übersprechen zwischen den beiden Polarisationsrichtungen weitestgehend vermieden.

Die Länge des Referenzzweiges wirkt sich im erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer unmittelbar auf die zur Objektvermessung ausgewertete Interferenzerscheinung aus. Die optische Weglänge des Referenzzweiges sollte deshalb unter normalen Betriebsbedingungen möglichst konstant bleiben. Dies kann besonders einfach erreicht werden, indem der Referenzzweig eine Glasfaserstrecke aufweist. Eine solche Glasfaserstrecke bringt zusätzlich den Vorteil, daß die Länge des Referenzzweiges relativ einfach auf die Länge des Meßarms abgestimmt werden kann, ohne daß dabei die Größe des Aufbaus des Laserstrahlinterferometers wesentlich beeinflußt würde. Es ist deshalb vorteilhaft, die Glasfaserstrecke auf die Länge des Meßarms abzustimmen, so daß der Referenzzweig im wesentlichen der Länge des zu erwartenden Meßarms entspricht, auf den sich der Abstand zum Objekt unmittelbar auswirkt.

Wird das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar betrieben, ermöglicht der kohärente Überlagerungsempfang bereits im optischen Bereich eine erhebliche Verstärkung des Nutzsignals, womit sehr große Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten erreicht werden können. Dabei treten allerdings mitunter erhebliche Nichtlinearitäten gegenüber Parametern der Betriebsbedingungen auf, beispielsweise sind die Durchstimmeigenschaften von Laserstrahlungsquellen regelmäßig stark nichtlinear. Je nach Einsatz, insbesondere zu erwartendem Temperaturbereich, kann eine Kalibrierung bzw. Korrektur des Laserstrahlinterferometers erforderlich werden. Um hierbei den Meßbetrieb aufrechterhalten zu können, ist es zweckmäßig, die Umgebungsbedingungen während der Messung zu erfassen und eine entsprechende Korrektur, beispielsweise gemäß einer vorher bestimmten Kalibrierkurve vorzunehmen.

In einer diesbezüglich besonders vorteilhaft weitergehenden Ausbildung ist eine Korrekturinterferometeranordnung vorgesehen, die Strahlung aus der Laserstrahlungsquelle analysiert. Dabei ist es der Korrekturgüte besonders förderlich, wenn die Korrekturinterferometeranordnung möglichst viele Komponenten mit dem Laserstrahlinterferometer gemeinsam hat, also Strahlung aus dem eigentlichen Interferometer zur Analyse auskoppelt. Eine besonders gute Korrektur kann erreicht werden, wenn die Korrekturinterferometeranordnung hinsichtlich der Bauteile, die nicht mit dem eigentlichen Laserstrahlinterterometer geteilt werden oder werden können, einen parallelen Aufbau aufweist.

Wenn der Referenzzweig eine Glasfaserstrecke aufweist, ist es zweckmäßig, daß die Korrekturinterferometeranordnung ebenfalls eine entsprechende Glasfaserstrecke umfaßt. Werden zwei überlagerte, linear polarisierte Lichtbündel im Laserstrahlinterterometer eingesetzt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese überlagerten Lichtbündel ebenfalls in der Korrekturinterferometeranordnung propagieren und in zwei durch einen Polteiler beaufschlagten Detektoren erfaßt werden. Die Detektorsignale der Korrekturinterferometeranordnung können sowohl für eine Meßdatenkorrektur als auch für einen entsprechenden Abgleich der Laserstrahlungsquelle eingesetzt werden.

Für die Verwendung des Laserstrahlinterferometers als frequenzmoduliertes Laserradar ist es zweckmäßig, daß die Laserstrahlungsquelle innerhalb gewisser Grenzen durchstimmbar ist. Natürlich könnte eine Frequenzmodulation auch durch nachgeschaltete Elemente erfolgen, jedoch ist dies regelmäßig baulich aufwendig. Besonders bevorzugt sind aufgrund der geringen Baugroße frequenzmodulierbare Laserdioden.

Die Strahlaufspaltungseinrichtung erzeugt im Laserstrahlinterferometer die Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen, mit denen das Objekt vermessen wird. Prinzipiell kann diese Aufspaltung an beliebiger Stelle im Laserstrahlinterterometer erfolgen, solange sichergestellt ist, daß das Objekt mit dem Fächer aus Einzelstrahlen beleuchtet wird, und die entsprechend rückgestreute Strahlung des Objektes mit den entsprechend zugeordneten Einzelstrahlen des Referenzzweiges zur Überlagerung gebracht wird. Unter dem Gesichtspunkt, daß diese Überlagerung für das Meßergebnis bedeutsam ist, hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, die Fächererzeugung vor der Aufteilung des Strahlengangs in Meßarm und Referenzzweig vorzunehmen, da dann ein identischer Divergenzwinkel der Fächer sichergestellt ist, der eine einfache und dennoch exakte paarweise Überlagerung der Einzelstrahlen erlaubt. Es ist deshalb eine Weiterbildung des Laserstrahlinterferometers bevorzugt, bei der die Strahlaufspaltungseinrichtung ein Gitter, das die Fächer mit der Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugt, sowie einen ersten Strahlteiler aufweist. Ist der Strahlteiler dann dem Gitter nachgeschaltet, ergibt sich der geschilderte Vorteil der einfachen Überlagerung, da in den Referenzzweig sowie den Meßarm bereits von Anfang an ein entsprechender Fächer aus Einzelstrahlen eingekoppelt wird.

Natürlich kann die Anordnung von Gitter und Strahlteiler auch umgekehrt werden, so daß zuerst der Strahlteiler das von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Strahlenbündel eine in Strahlung für den Meßarm und Strahlung für den Referenzzweig aufteilt. Die derart aufgeteilten Anteile können dann durch ein oder mehrere Gitter aufgefächert werden. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß die Länge des Referenzzweiges zu einem großen Teil nur von einem Strahlbündel, nicht dagegen von einem Fächer von Einzelstrahlen durchlaufen wird, was unter dem Gesichtspunkt der Strahlführung bzw. geringerer Anfälligkeit für störende strahlabschwächende Effekte vorteilhaft ist. Insbesondere bietet sich dann die Möglichkeit, in die Referenzstrecke eine Glasfaser einzubinden, die die erforderliche optische Weglänge bereitstellt. Lägen dagegen zu diesem Punkt im Strahlgang bereits ein Fächer aus Einzelstrahlen vor, würde eine entsprechende Vielzahl an Glasfaserstrecken benötigt, was einen erheblichen apparativen Aufwand darstellt.

Das Gitter zur Erzeugung der Einzelstrahlen muß für die erforderliche Strahltrennung sorgen. Besonders bevorzugt ist ein holographisches Gitter, da dieses kostengünstig herstellbar und unkritisch gegenüber Fehljustierungen ist.

In der erwähnten Variante, bei der die Aufteilung in die Fächer mit Einzelstrahlen erst nach der Trennung des Strahlenbündels in Meßarm und Referenzzweig erfolgt, bietet es sich unter dem Gesichtspunkt einer möglich paßgenauen Überlagerung der Einzelstrahlen des Fächers vor dem Detektor als vorteilhaft an, die Auffächerung der Strahlbündel in Meßarm und Referenzzweig durch ein und dasselbe Gitter zu bewirken, insbesondere wenn in den Referenzzweig eine Glasfaserstrecke eingebunden ist. Es ist deshalb bevorzugt, daß bei der oben erwähnten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometers mit einem Gitter und einem ersten Strahlteiler, der erste Strahlteiler das von der Laserstrahlungsquelle abgegebene Strahlbündel in ein in die Glasfaserstrecke des Referenzzweiges eingespeistes Referenzstrahlbündel und in ein in den Meßarm eingespeistes Meßstrahlbündel aufteilt, wobei das Gitter vom Referenzstrahlbündel und vom Meßstrahlbündel parallel durchstrahlt wird und die Strahlvereinigungseinrichtung mittels eines zweiten Strahlteilers dann die Einzelstrahlen der Fächer paarweise überlagert. Mit diesem Ansatz wird nicht nur ein sehr kompakter Aufbau erreicht, da nur eine Glasfaserstrecke zur Erzeugung der erforderlichen optischen Weglänge im Referenzzweig benötigt wird, es kann auch, insbesondere bei der Verwendung eines holographischen Gitters, durch die Verwendung nur eines einzigen Gitters für eine identische Auffächerung der beiden Strahlbündel gesorgt werden, was vorteilhaft für eine einfache und dennoch exakte, paarweise Überlagerung der Einzelstrahlen ist.

Das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer ist besonders für die Vermessungen von Objekten aus großer Ferne geeignet. Die maximale Meßgenauigkeit bei der Vermessung eines Objektes wird dabei natürlich immer dann erreicht, wenn der Bereich, über den die Einzelstrahlen des Fächers verteilt sind, möglichst genau der zu vermessenden Objektgeometrie entspricht, d. h. wenn möglich alle Einzelstrahlen auf den zu vermessenden Objektbereich fallen. Um diese Bedingung zu erfüllen, muß der Divergenzwinkel des Strahlenfächers an den Abstand zum vermessenden Objekt sowie an dessen Größe angepaßt sein. Hierzu ist es denkbar, die Eigenschaften der Strahlaufteilungseinrichtung anzupassen, beispielsweise ein entsprechendes Gitter zu verwenden. Da dann aber mitunter bei der Anpassung an unterschiedliche Objekt- bzw. Vermessungsgeometrien ein erheblicher Eingriff in den optischen Aufbau des Interferometers erforderlich wäre, ist es vorteilhaft, im Meßarm einer Optik anzuordnen, die den Divergenzwinkel der Einstrahlen des Fächers im Meßarm an die Entfernung zum Objekt und an die Objektgröße anpaßt. Auch kann dann auf sich während der Vermessung auftretende Änderungen von Objektabstand oder -größe reagiert werden.

Wie bereits erwähnt, sollte das Objekt durch die im Meßarm ausgefächerten Einzelstrahlen möglichst vollständig erfaßt werden. Dies bedingt eine entsprechende Ausrichtung des Laserstrahlinterterometers zum Objekt. Oftmals ist es jedoch nicht möglich, das Laserstrahlinterferometer in der dazu erforderlichen Lage anzuordnen. Ein Beispiel dafür ist die Vermessung von Fahrdrähten elektrischer Bahnen, bei denen die Lage eines Laserstrahlinterferometers an einem Meßfahrzeugs innerhalb enger Grenzen vorgegeben ist, so daß das Laserstrahlinterferometer nicht immer die wunschgemäße Blickrichtung zum Objekt hat. Für solche Anwendungen ist es zweckmäßig, einen entsprechenden Spiegel im Meßarm vorzusehen, der den Fächer auf das Objekt richtet. Ändert sich nun die Lage des Objektes, kann eine ansonsten unvermeidliche Neuausrichtung des Laserstrahlinterferometers zum Objekt vermieden werden, wenn der Spiegel als Drehspiegel ausgestaltet wird, der so eingestellt wird, daß der Fächer im Meßarm auf das Objekt fällt.

Die Intensität der jeweils paarweise überlagerten Einzelstrahlen muß, insbesondere bei einem frequenzmodulierten Dauerstrich-Laserradar mit einer möglichst geringen Nachweisgrenze erfaßt werden. Hier bieten sich zuvorderst entsprechende Detektortelder, beispielsweise Arrays oder Zeilen an. Dabei kann es jedoch beträchtlichen Aufwand mit sich bringen, Detektoren, die eine niedrige Nachweisgrenze haben, in einem Detektorfeld zusammenzufassen, das die entsprechenden Abmessungen hat. Für solche Fälle ist es vorteilhaft, Einzeldetektoren zu verwenden, denen jeweils ein Faserkoppler derart vorgeschattet ist, daß die Eingänge der Faserkoppler mit der erforderlichen geometrischen Struktur angeordnet sind, in der die überlagerten Einzelstrahlen auf die Detektoreinheit fallen. Diese geometrische Anordnung wird regelmäßig die Aufreihung entlang einer Gerade sein. Das Konzept, Faserkoppler zu verwenden, bietet einen beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteil, da kostengünstige, massenproduzierte aber dennoch hochempfindliche Einzelphotoempfänger eingesetzt werden können. Darüber hinaus können solche Einzelempfänger auch relativ einfach hinsichtlich ihrer Detektionscharakteristiken korrigiert werden, was bei feldförmigen Detektoren zwar prinzipiell auch möglich ist, meist jedoch aufwendiger oder hinsichtlich der Leistungsfähigkeit eingeschränkt ist. Besonders bieten sich als Detektoren dabei Gallium-Arsenid-Avalanche-Dioden an, die eine geringe Nachweisgrenze und ein sehr gutes Dynamikverhalten aufweisen.

Das erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer kann vielfältig dort eingesetzt werden, wo es auf die kontaktlose Fernvermessung der Geometrie eines Objektes ankommt. Da das erfindungsgemäße Laserstrahlinterferometer, insbesondere, wenn das Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrich-Laserradars verfolgt wird, eine besonders schnelle Vermessung ermöglicht, kann es mit besonderem Gewinn überall dort verwendet werden, wo kurze Meßzeiten bzw. ein hoher Meßtakt nötig sind. Eine solche Anwendung findet sich beispielsweise bei der Vermessung des Verschleißzustandes eines Fahrdrahtes einer elektrischen Bahn, da dann mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahlinterferometer eine Strecke, deren Fahrdraht es zu vermessen gilt, mit hoher Geschwindigkeit abgefahren werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 schematisch ein Laserstrahlinterferometer, mit dem ein Objekt vermessen wird,
2 den Frequenzverlauf eines modulierten Sendelaserstrahls sowie den Frequenzverlauf eines empfangenen Laserstrahls bei einem als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar arbeitenden Laserstrahlinterferometer,
3 einen zeitlichen Verlauf der Intensität eines Signals mit einer Zwischenfrequenz, die bei der Verwendung eines Laserstrahlinterferometers als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Laserradar anfällt,
4 eine schematische Darstellung eines Laserstrahlinterferometers mit zwei Korrekturinterferometern,
5 eine detailliertere Darstellung eines Laserstrahlinterferometers, ähnlich dem Aufbau der 4,
6 eine weitere Ausführungsform eines Laserstrahlinterferometers, ähnlich dem Aufbau der 4,
7 eine detailliertere Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Laserstrahlinterferometers,
8 ein Profil eines mit einem Laserstrahlinterferometers zu vermessenden Fahrdrahtes und
9 zeigt eine Anordnung eines Laserstrahlinterferometers auf einem Meßfahrzeug zur Erfassung des Verschleißzustandes eines Fahrdrahtes einer elektrischen Bahn.
In 1 ist ein Laserradar 1 schematisch dargestellt, um das Funktionsprinzip erläutern zu können. Es dient zur Vermessung eines Objektes 2, in einem Meßarm 3 des Interferometeraufbaus des Laserradars 1 liegt. Dabei wird vom Objekt 2 in den Meßarm 3 rückgestreute Strahlung mit in einen Referenzarm 4 eingekoppelter Strahlung zur Interferenz gebracht und aus der Auswertung der Interferenzerscheinungen auf den Abstand zum Objekt 2 geschlossen.
Der Laserradar 1 weist eine Laserdiode 5 auf, die monochromatisches kohärentes Licht mit einer Trägerfrequenz von 300 THz erzeugt, d. h. die Wellenlänge liegt in der Größenordnung von 1 μm. Die Strahlung der Laserdiode 5 wird dabei nach einem noch zu beschreibenden Schema durchgestimmt, wobei der Modulationshub in der Größenordnung von 300 GHz bzw. 1 nm liegt, und passiert einen optischen Isolator 6, der die Laserdiode 5 vor eventuell zurückreflektierter Strahlung schützt. Dann wird das Lichtstrahlbündel von einem Strahlteiler 7 in zwei Bündel geteilt. Ein Referenzstrahl wird in den Referenzarm 4 geleitet und gelangt dort zu einem Spiegel 8. Das andere Bündel wird als Meßstrahl mit einem Objektiv 9 auf das Objekt 2 fokussiert. Nach der Reflektion am Spiegel 9 bzw. der Rückstreuung am Objekt 8 treffen beide Strahlen wieder auf den Strahlteiler 7 und werden kohärent überlagert zur Photodiode 10 geleitet. Das Signal der Photodiode 10 wird von einem Verstärker 11 ausgelesen, verstärkt und über eine (als gestrichelte Linie eingezeichnete) Verbindung an eine Auswerteeinheit 12 weiterleitet. Diese wiederum gibt entsprechende Steuersignale an eine Modulatorsteuerung 13, die die Wellenlängendurchstimmung der Laserdiode 5 steuert.
Die Überlagerung der Strahlung aus Referenzarm und Meßarm erfolgt dabei solange reproduzierbar kohärent, solange sich das Objekt innerhalb der Rayleigh-Länge des Fokusses der Optik 9 befindet.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Frequenz des Sendesignals 14 sowie des Empfangssignals 15 über der Zeit t aufgetragen. Wie zu sehen ist, wird die Frequenz des Sendesignals 14, d. h. die Frequenz der von der Laserdiode 5 ausgesandten Strahlung ausgehend von einer Trägerfrequenz TF über einen Frequenzhub FH sägezahnartig verstellt. Das Signal mit der Sendefrequenz 14 liegt in Form der Strahlung aus dem Referenzarm 4 an der Photodiode 10 an. Das Empfangssignal 15, das zeitlich verschoben an der Photodiode 10 ankommt, stammt dagegen aus dem Meßarm 3. Grund für diese zeitliche Verzögerung ist eine größere optische Weglänge des Meßarmes 3 gegenüber dem Referenzarm 4, welche durch den bis dahin nicht bekannten Abstand des Objektes 2 bedingt ist. Die Mischung der Strahlung aus Meßarm 3 und Referenzarm 4, d. h. aus Sendesignal 14 und Empfangssignal 15 führt zu einer Zwischenfrequenz ZF, die in 2 schematisch dargestellt ist.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intensität des Signales an der Photodiode 14, in Form eines Interferenzsignales 16. Die in diesem Signal auftretende Periode ist durch die Zwischenfrequenz ZF bedingt und damit ein Maß für den Abstand des Objektes 2.
Die Zwischenfrequenz ZF oder Differenzfrequenz ν_Diff ist dabei zu jedem Zeitpunkt die Betragdifferenz zwischen Sendefrequenz ν_s und Empfangsfrequenz ν_r. Sie ergibt sich als mit dem gesuchten Abstand (Differenz der Längen von Meßarm 4 und Referenzarm 3) R multiplizierter Quotient aus doppeltem Frequenzhub Δν und Produkt aus Modulationsperiode T_m und Lichtgeschwindigkeit c:
Somit kann bei Kenntnis der Zwischenfrequenz ZF der Abstand R als das durch den doppelten Frequenzhub dividierte Produkt aus Differenzfrequenz, Modulationsperiode und Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden:
Man muß dazu lediglich aus dem Interferenzsignal 15 die Anzahl der Schwingungen innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts erfassen. Die Auswerteeinheit 12 kann somit als einfacher Zähler realisiert werden. Werden zur Vereinfachung nur die Zahl von Intensitätsmaxima innerhalb der Modulationsperiode erfaßt, kann der Abstand sogar als durch die doppelte Differenzfrequenz geteiltes Produkt von Anzahl der Intensitätsmaxima und Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden.
Dabei steigt die Auflösung mit der Zahl der erfaßten Maxima. Daraus folgt, daß bei ausreichender Signalstärke die Auflösung nicht von geometrischen Bedingungen abhängt, sondern nur noch vom Frequenzhub (FH-TF). Natürlich ist die Meßdauer von der Zahl der erfaßten Intensitätsmaxima abhängig. Die Auflösung ist damit auch von der Meßzeit abhängig, was im Ergebnis natürlich nicht überrascht.
4 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Interferometers, das im wesentlichen dem Aufbau der 1 folgt. Das Interferometer 1 der 4 dient zur Vermessung Fahrdrahtes 17. Entsprechende Bauteile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen belegt; bezüglich ihrer Beschreibung wird, soweit nötig, auf die Schilderung zu 1 verwiesen.
Ein wesentlicher Unterschied des Aufbaus der 4 zur Schemadarstellung der 1 besteht allerdings darin, daß neben der Laserquelle 5 noch eine zweite Laserquelle 18 vorgesehen ist. Die Strahlung beider Laserquellen speist das Laserstrahlradar 1. Dabei werden die beiden Laserstrahlquellen, wie in 4 schematisch dargestellt ist, gegentaktig frequenzverändernd durchgestimmt; dies ist durch entsprechende Sägezahnlinien neben den Laserdioden 5 bzw. 18 dargestellt. Durch die gegentaktige Ansteuerung wird eine Laserstrahlungsquelle in der Frequenz aufwärts verändert, während die andere abwärts gestimmt wird. Die Strahlung der Laserdioden 5, 18 wird polarisiert. Dazu ist der Laserdiode 18 ein Polfilter, der Laserdiode 5 ein Polfilter 2 nachgeordnet. Dabei erfolgt ein lineare Polarisation, wobei die Polarisationsrichtungen der beiden Strahlen um 90° zueinander verdreht sind, d. h. die Polarisationsrichtungen stehen senkrecht aufeinander.
Die derart gegentaktig frequenzveränderten sowie senkrecht zueinander polarisierten Strahlen werden über einen Strahlteiler 21 vereinigt und fallen dann nach Durchlauf des optischen Isolators 6, der hier als Raumfilter durch zwischen zwei entsprechende Faserkoppler geschaltete Lichtleitfaser ausgebildet ist, auf ein holographisches Gitter 22, das den vereinigten Laserstrahl in siebzehn einzelne Laserstrahlen gleicher Intensität auftrennt. Aus dem derart gebildeten Fächer aus siebzehn Einzelstrahlen wird über einen Strahlteiler 23 ein Einzelstrahl abgeteilt und in eine noch zu erläuternde Korrekturinterferometeranordnung eingespeist. Die im Fächer verbleibenden sechzehn Einzelstrahlen werden dann über den Strahlteiler 7 entweder in den Referenzarm 4 oder in den Meßarm 3 geleitet.
Im Meßarm 3 ist ein Drehspiegel 26 vorgesehen, der die sechzehn Einzelstrahlen des Fächers auf den Fahrdraht 17 richtet. Das Objektiv 9 ist dabei so ausgestaltet, daß der Querschnitt des Fächers in der Objektebene im wesentlichen der Ausdehnung des Fahrdrahtes 17 entspricht. An der Oberfläche des Fahrdrahtes 17 haben die Einzelstrahlen dabei einen Durchmesser von etwa 0,2 mm und einen Rasterabstand von 1,7 mm. Damit ist ein Optimum zwischen Auflösung einerseits und Übersprechen der Strahlen untereinander andererseits erreicht. Die Breite des Fächers beträgt damit etwa 25 mm. Dies ist ein Meßfenster, in dem ein Fahrdraht 17 vermessen werden kann. Nach Reflexion am Spiegel 8 bzw. Rückstreuung am Fahrdraht 17 wird die Strahlung in den beiden Fächern zurückgeführt, durch den Strahlteiler 7 vereinigt und über eine Optik geleitet und so kohärent gemischt der Detektoreinrichtung zugeführt. Um im Referenzarm 4 ein unnötiges Auseinanderlaufen des Fächers zu vermeiden, ist im Referenzarm 4 eine Optik 24 angeordnet, die im wesentlichen dem Objektiv 9 entspricht. Der mittlere Abstand zwischen Drehspiegel 26 und Fahrdraht 17 beträgt etwa drei Meter, wobei die den Meßbereich vorgebenden Extremwerte zwischen 2,75 und 3,25 m liegen. Die Länge des Referenzarmes 4 ist deshalb auf 2,75 m abgestimmt.
Die Detektoreinrichtung weist einen Pol-Strahlteiler 27 auf, der die aus zwei senkrecht zueinander polarisierten Anteilen bestehenden Einzelstrahlen aufteilt und eine Polarisationsrichtung auf eine Detektorzeile 28, die andere auf eine Detektorzeile 29 leitet. Die Detektorzeilen 28 und 29 geben entsprechende Signale des empfangenen kohärent überlagerten gemischten Lichtes der Einzelstrahlen wieder, wobei für jeden Einzelstrahl des Fächers ein eigenes Signal entsprechend dem in 3 dargestellten Interferenzsignal 16 erzeugt wird. Somit kann für jeden Einzelstrahl der Abstand nach den oben angegebenen Beziehungen bestimmt bzw. berechnet werden. Daraus läßt sich aufgrund der Kenntnis der Lage der Einzelstrahlen bzw. des Abstandes der Einzelstrahlen in der Objektebene ein genaues Profil des vermessenen Fahrdrahtes 17 gewinnen.
Wie bereits erwähnt, geht in die Bestimmung der Abstände, d. h. in die Geometrievermessung des Objektes 17 die Differenzfrequenz der Strahlung der Laserdioden 5, 18 ein. Um diese möglichst genau bestimmen bzw. einstellen zu können, ist eine Korrekturmeßanordnung beschrieben, mit der die Strahlung der Laserdioden 5 und 18 analysiert wird. Dazu wird der am Strahlteiler 23 ausgekoppelte siebzehnte Strahl des vom Gitter 22 erzeugten Fächers über einen Pol-Strahlteiler 30 in zwei Korrekturinterferometer 31 und 32 eingeleitet, mit deren Hilfe Nichtlinearitäten und Drifterscheinungen der Laserdioden 5 und 18 sowie der Elektronen ausgeglichen werden. Weiter erlaubt der in den Korrekturinterferometern bekannte Gangunterschied zwischen den beiden Armen des Korrekturinterferometers, die Differenzfrequenz exakt zu bestimmen. Dabei analysiert das Korrekturinterferometer 31 die Strahlung aus der Laserdiode 18, das Korrekturinterferometer 32 die Strahlung aus der Laserdiode 5. Das Verhältnis der Längen der beiden Interferometerarme der Korrekturinterferometer 31 und 32 entspricht dabei vorzugsweise dem Längenverhältnis von Meßarm 3 zur Referenzarm 4, da damit eine einfachere Korrektur der Laserdioden bzw. der von den Detektoren 29 und 28 abgegebenen Signale erreicht werden kann.
Die Laserdiode 5 ist mit Blick auf eine stabile Ausstrahlung monomodaler Strahlung mit einem frequenzselektiven Resonator ausgestattet. Dabei wird für die verwendete Wellenlänge im Infrarotbereich im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine in den Resonator integrierte Struktur verwendet, die den Vorteil hat, daß sie ohne mechanische bewegte Teile rein elektrisch ansteuerbar ist, wodurch eine hohe Durchstimmgeschwindigkeit von etwa 300 GHz in einem Zeitfenster von unter 0,2 ms erreicht wird. Diese hohen Durchstimmgeschwindigkeiten ermöglichen Abstandsmessungen über mehrere Meter. Für Messungen über geringere Entfernungen können aber auch andere Durchstimmittel verwendet werden, beispielsweise ein externer mechanisch-optischer Resonator.
Die Detektorzeilen 28 und 29 sind in der vorliegenden Ausführungsform Silizium-Avalanche-Diodenzeilen mit sechzehn als Detektorarray ausgebildeten Elementen. Dieser Diodentyp liefert ein für die vorliegende Messung ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis. Alternativ könnten auch Indium-Germanium-Arsenid-Detektoren verwendet werden.
Die Ansteuerung der Laserdioden 5 und 18 durch die in 4 schematisch dargestellten Dreiecksignale erfolgt so, daß eine Aufwärts- oder Abwärtsrampe der Frequenz mindestens 512 Perioden im Signal der Korrekturinterferometer 31 und 32 erzeugt. Nach einer Linearisierung der von den Detektorzeilen 28 und 29 gelieferten Meßdaten mit Hilfe der Signale der Korrekturinterferometer 31 und 32 erfolgt die Digitalisierung der Meßwerte und eine zur Eliminierung des Doppler-Effektes notwendige Multiplikation untereinander. Objekte, die eine Bewegungskomponente in Richtung des Meßstrahles haben, erzeugen eine geschwindigkeitsabhängige Zwischenfrequenz (Dopplereffekt), die sich zur entfernungsabhängigen Zwischenfrequenz addiert bzw. subtrahiert, je nach dem, ob der Laser in seiner Frequenz aufwärts oder abwärts durchgestimmt wird (Up-Chirp oder Down-Chirp). Werden die Interterenzsignale bei Laser mit Up-Chirp und mit Down-Chirp miteinander multipliziert, hebt sich der Einfluß der Geschwindigkeit des Objektes auf, und das Meßsignal (d. h. die Zwischenfrequenz) hängt nur noch von der zu bestimmenden Entfernung ab.
Danach liegen für jeden der sechzehn Meßorte 1024 Meßwerte vor, aus denen mittels einer sogenannten Fast-Fourier-Transformation (im folgendem als FFT bezeichnet) die Zwischenfrequenz und damit der Abstand der Meßorte am Fahrdraht 17 zum Interferometer bestimmt wird. Die Durchführung dieser FFT dauert etwa 0,2 ms. Um eine Meßgeschwindigkeit von 0,2 ms pro Profilschnitt zu erreichen, werden die sechzehn Datenströme in sechzehn parallel angeordneten spezifischen FFT-Prozessoren verarbeitet. Die dann parallel anfallenden sechzehn Ergebnisdaten werden einem Computer zur Profilberechnung zugeführt. Bei dieser wird unter anderem eine Mittelung der Profildaten durchgeführt, wobei eine Mittelwertbildung über ca. sechzehn Profile erfolgt. Damit wird bei einer Abtastgeschwindigkeit von 80 km/h eine Ortsauflösung von 18 cm entlang des Fahrdrahtes 17 erreicht.
Durch die Verwendung zweier, orthogonal zueinander linear polarisierter Strahlenbündel im Interferometer und die erwähnte Multiplikation der Interferometersignale können Fehlmessungen durch Dopplerverschiebungen der Meßfrequenz aufgrund der Relativbewegung von Fahrdraht 17 und Interferometer vermieden werden. Der von den Einzelstrahlen im Fächer des Meßarmes 3 umfaßte Bereich (sogenanntes Meßfenster) muß natürlich einer Lageveränderung des Fahrdrahtes 17 folgen, die üblicherweise aufgrund einer leichten Zick-Zack-Verlegung des Fahrdrahtes 17 über den Schienen der Fall ist. Es muß also separat die Drahtposition erfaßt werden, um sicherzustellen, daß möglichst viele Einzelstrahlen im Meßarm 3 auf den Fahrdraht 17 fallen. Dazu ist ein (nicht dargestelltes) Laufzeit-Laserradar vorgesehen, dessen Laserstrahl quer zur Längsrichtung des Fahrdrahtes 17 scannt, um die Position des Fahrdrahtes 17 zu erfassen. Die erfaßte Position wird dann zur Ansteuerung des Drehspiegels 26 ausgewertet.
5 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Laserradars 1, das im wesentlichen dem in 4 schematisch dargestellten Aufbau entspricht. Die Strahlung von den Laserdioden 5 und 18 wird über polarisationserhaltende Monomode-Fasern zugeführt. Diese Fasern sind der besseren Verständlichkeit halber in 5 mit den Bezugszeichen der Laserdioden versehen.
Nach Auskopplung der Strahlung über entsprechende Faserkoppler erfolgt durch die Polfilter 19 und 20 eine Polarisation der Strahlung, und die Teilstrahlbündel werden mittels eines Pol-Strahlteilers PT1 überlagert.
An einem nachgeschalteten ersten Teiler T1 wird das entstandene Bündel polarisationsneutral im Verhältnis 19:1 in ein Meß- und ein Referenzbündel geteilt, die jeweils in eine polarisationserhaltende Monomode-Faser RF, RM eingekoppelt werden.
Die vom Meßbündel durchlaufene Faser RF sorgt dafür, daß die Strahlgeometrie des Meßbündels nach Austritt aus der Faser der Geometrie des Referenzbündels nach Austritt aus der Faser RM gleicht. Während die Faser RF somit lediglich die Funktion eines Raumfilters erfüllt, erzeugt die Faser RM als Bestandteil des Referenzarmes zusätzlich die für die Messung erforderliche Wegdifferenz; sie ist also Bestandteil des Referenzarmes 4.
Das Meßbündel durchläuft im Meßarm 3 dann ein Gitter G, das unter einem bestimmten Winkel zueinander sechzehn Einzelbündel gleicher Intensität erzeugt; die Auffächerung erfolgt senkrecht zur Darstellungsebene. Der Fächer durchläuft einen zweiten Teiler T2 und wird von einer Linse L1 so abgebildet, daß in einer nachgeschalteten Blende BI1 ein verkleinertes Bild des am Objekt geforderten Punktrasters entsteht. Dieses Punktraster wird über den Spiegel Sp10 durch Linsen L2 und L3 auf das (in 5 nicht dargestellte) Objekt abgebildet.
Ein Teil der am Objekt reflektierten bzw. zurückgestreuten Strahlung gelangt auf dem gleichen Weg zurück zum Teiler T2 und wird in Richtung der Blende BI2 abgelenkt. Aus den sechzehn dort vorliegenden, die Blende BI2 durchlaufenden Unendlichbündeln erzeugt die Linse L7 ein Bild des Objektpunktrasters, welches von einem Polteiler PT2 nach den Polarisationsebenen getrennt auf zwei als Detektorarrays ausgebildete Empfänger E1 und E2 aufgeteilt wird.
Die Empfänger E1 und E2 umfassen sechzehn (nicht dargestellte) Fasern, in deren Enden die sechzehn Unendlichbündel von der Linse L7 eingekoppelt werden. Am anderen Ende der Fasern befinden sich Gallium-Indium-Arsenid-Photodioden. Die Einheit aus den sechzehn Photodioden mit den vorgeschalteten Faserkopplern wirkt als Empfänger. Die Anordnung der offenen Enden der Faserkopplern entspricht dabei dem Punktraster, d. h. der Linie aus sechzehn Spots in den beiden Bildebenen der Meßinterferometer.
Im Referenzarm 4 wird die aus der Weglängendifferenz erzeugenden Faser RM ausgekoppelte Strahlung über einen Spiegel Sp12 und einen Spiegel Sp2 zum Gitter G geleitet. Zuvor wird allerdings mit einem Teiler T3 das Referenzbündel noch einmal im Verhältnis 19:1 geteilt. Der geringere abgeteilte Anteil wird zum Betrieb einer Korrekturinterferometeranordnung verwendet, die einen Teiler T4 aufweist, welcher einen Referenzarm mit einem Spiegel Sp7 sowie einen dem Meßarm entsprechenden Zweig mit einer Faser FK und einem Spiegel Sp9 umfaßt. Der Teiler T4 überlagert die Strahlung aus Meß- und Referenzarm des Korrekturinterferometers. Die überlagerte Strahlung wird dann über einen Spiegel Sp8 und einer Linse L5 einem Pol-Strahlteiler PT3 zugeführt, der die Strahlung nach Polarisationsrichtungen separiert und zwei Empfängern EK1 und EK2 zuleitet. Die Weglängenverhältnisse dieser beiden Korrekturinterferometer entsprechen somit exakt denen des eigentlichen Meßinterferometers bei Nennlage des Meßobjekts.
Das Referenzbündel im Meßinterferometer durchstrahlt das Gitter G parallel zum Meßbündel und wird ebenfalls in sechzehn Einzelbündel zerlegt. In gleicher Weise wie im Meßarm 3 erzeugt auch im Referenzarm 4 eine Linse L8 in einer Blende BI3 ein Zwischenbild, das dann von einer Linse L9 wieder nach unendlich abgebildet und dem Teiler T2 zugeführt wird. Zur Vereinfachung des Strahlengangs sind dabei noch Spiegel Sp3, Sp4 und Sp5 zwischengeschaltet.
Um an den Empfängern E1 und E2 Interferenzen zu erhalten, werden die sechzehn Einzelstrahlen aus Meßarm 3 und Referenzarm 4 am Teiler T2 in jeweils gleicher Höhe und unter jeweils gleichen Winkeln zusammengeführt. Die 1:1-Abbildung durch die Linsen L8 und L9 im Referenzarm 4 ermöglicht dies.
Im Unterschied zum scheniatisch dargestellten Laserradar 1 der 4 wird in der Variante der 5 das von den beiden Laserdioden 5 und 18 erzeugte Strahlbündel in Meßbündel und Referenzbündel nicht nach, sondern vor den Durchtritt durch das Gitter G aufgeteilt; der Teiler T1 liegt also vor dem Gitter, und nicht danach. Das hat den Vorteil, daß der größte Teil des Referenzarms 4 nur von einem Strahlbündel anstatt von allen Einzelbündeln durchlaufen wird. Die erforderliche Weglängendifferenz, die in Ausführungsbeispiel der 5 einer Weglänge von 10,8 m in Luft entspricht, kann so raumsparend und günstig durch die Monomode-Faser RM erzeugt werden.
Nach dem Durchlaufen der Fasern RF und RM passieren die beiden Bündel das Gitter G räumlich getrennt, d. h. seitlich versetzt, wodurch die sechzehn Einzelstrahlen des Referenzarms 4 und die sechzehn Einzelstrahlen des Meßarms 3 auf kurzem Wege überlagert werden können. Dies vermindert nicht nur die Baugröße des Laserradars 1, sondern erleichtert auch die exakte Überlagerung der Einzelbündel aus Meßarm 3 und Referenzarm 4 am Strahlteiler T2.
Die Verwendung der drei Teiler T1, T2 und T3 ermöglicht weiter eine für die Signalgewinnung günstige Aufteilung der Intensitäten von Meßarm 3 und Referenzarm 4 und stellt zugleich ein zusätzliches Bündel zum Betrieb der Korrekturinterferometer bereit.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform für ein Laserradar 1. Den Ausführungsformen der 4 und 5 entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Strahlung aus einer Laserdiode 5 wird mittels eines Gitters in Einzelstrahlen aufgefächert und über eine Optik sowie ein Objektiv in einem Meßarm 3 auf das Objekt 2 gerichtet. Zuvor wird allerdings mittels eines Strahlteilers 43 die Strahlung für den Referenzarm abgekoppelt. Zwei Spiegel 45 und 46 sorgen zusammen mit der Optik 24 und dem Spiegel 8 für die entsprechende Weglängendifferenz im Referenzarm 4.
Die vom Objekt 2' rückgestreute Strahlung wird an einem Strahlteiler 44 zu einer Detektorzeile 28 geleitet. Ein weiterer Strahlteiler 47 vereinigt die Strahlung aus dem Meßarm 3 und dem Referenzarm 4.
Die zwischen dem Gitter 22 und dem Objektiv 9 liegenden Linsen sorgen dafür, daß die Fokusebene der aufgetrennten Einzelbündel zwischen den beiden, dem Gitter 22 nachgeordneten Linsen, die Objektebene, in der sich das Objekt 2 befindet, und die Detektorebene, in der sich die Detektorzeile 28 befindet, alle zueinander konjugiert sind. Durch das Verhältnis der Brennweiten des Objektives 9 und der Optik 25 kann die Aufweitung des Einzelstrahlfächers am Objekt 2 an die Größe der Detektorzeile 28 angepaßt werden.
Die 7 zeigt einen weiteren Entwurf für ein Laserradar 1, in dem ebenfalls die Strahlung aus zwei Lasern, hier Diodenlaser DL1 und DL2 mittels eines Polteilers PTL, dem hier Kolliminatoren K1 und K2 vorgeschaltet sind, vereinigt werden. Der Polteiler PTL bewirkt dabei nicht nur die Überlagerung der Einzelstrahlen aus den Diodenlasern DL1, DL2, sondern auch die entsprechende Polarisierung. Über Teiler T1, T2 und T3 wird die Strahlung für das Meßinterferometer (Teiler T1 und T2) sowie das Korrekturinterferometer (T3 sowie nachgeschalteter Spiegel) abgeteilt.
Über Faserkoppler FK1, FK3, FK5 und FK7 werden die aufgeteilten Strahlanteile in polarisationserhaltende Monomode-Fasern eingekoppelt. Der Faserkoppler FK1 speist dabei eine Faser RM, die Teil des Referenzarms 4 des Interferometers ist. Die über den Faserkoppler FK3 angeschlossene Faser RF hat dagegen die Funktion des bereits erwähnten Raumfilters und entspricht der Faser RF der 5.
Nach Austritt der durch die Faser RF geführten Strahlung am Faserkoppler FK4 wird das Meßbündel am Gitter G in einen (senkrecht zur Darstellungsebene) liegenden Fächer aus Einzelstrahlen aufgetrennt. Eine Linse L1, L2 und L3 sowie Blenden BI1 und BI2 aufweisende Optik fokussiert die Einzelstrahlbündel auf das (nicht dargestellte) Objekt in Meßarm 3. Die vom Objekt zurückgestreute Strahlung wird über einen zwischen den Linsen L2 und L3 liegenden Teiler T5 abgeteilt und über einen Spiegel Sp2 durch die Linsen L2, die Blende BI1 sowie die Linse L1 und weiteren Umlenkspiegeln sowie eine Linse L7 und eine Aperturblende ABI einem Polteiler PTE zugeführt, der die Strahlung nach den beiden Polarisationsrichtungen getrennt zu den Empfängern E1 und E2 leitet, denen jeweils eine Feldblende FBI1 und FBI2 vorgeschaltet ist.
Die Strahlung des Referenzarmes 4 wird, nachdem sie an einem Faserkoppler FK2 aus der Faser RM ausgekoppelt wurde, ebenfalls vom Gitter G in einen Fächer aus Einzelstrahlen aufgetrennt. Dieser Fächer durchläuft dann ebenfalls die Linse L2, die Blende BI1 sowie die Linse L2 und wird von einem Spiegel Sp2 zu einem Teiler T6 umgelenkt, der die Strahlung des Referenzarmes 4 mit der vom im Meßarm 3 befindlichen Objekt rückgestreuten Strahlung überlagert.
Die Besonderheit an dem Aufbau der 7 besteht darin, daß alle abgesandten und zurückkommenden Strahlen durch dieselbe, die Linsen L1, L2 und L3 umfassende Optik laufen. Dies wird durch einen leichten Winkelversatz zwischen den beiden Fächern erreicht. Da auch der Fächer des Referenzarmes 4 durch die Linsen L2 und L1 geleitet wird, ist insgesamt ein sehr symmetrischer und damit hinsichtlich eventueller Strahlungsabschwächungen unempfindlicher Aufbau erreicht.
Die Strahlung für das Korrekturinterferometer durchläuft ebenfalls eine als optischer Isolator dienende zwischen zwei Faserkopplern FK5 und FK6 geschaltete Monomode-Faser RF sowie eine die nötige Wegstreckendifferenz erzeugende, ebenfalls zwischen zwei Faserkopplern FK7 und FK8 liegende Faser RK. Über Spiegel sowie einen Teiler T4 wird die Strahlung aus Meßarm und Referenzarm des Korrekturinterferometers an einem Teiler T4 überlagert und über eine Linse L8 auf zwei Empfänger EK1 und EK2 abgebildet, wobei ein der Linse L8 nachgeschalteter Polteiler PTK die Auftrennung nach den Polarisationsebenen bewirkt.
8 zeigt das Profil eines Fahrdrahtes 17, wie er mit dem Laserradar 1 vermessen werden kann. Fahrdrähte mit kreisförmigen Querschnitt sind im Bereich der Deutschen Bahn üblich. Der Fahrdraht 17 hat im Neuzustand eine Höhe H, die dem Durchmesser d entspricht. Mit zunehmendem Verschleiß verbleibt jedoch nur eine Resthöhe RH, da ein Anteil 41 vom Fahrdraht 17 im Betrieb abgeschliffen wird, wodurch nur ein Restdraht 42 verbleibt. Die Resthöhe RH muß oberhalb eines vorgegebenen Mindestwertes liegen. Sie läßt sich bei bekanntem Durchmesser d aus der Spiegelbreite a einfach bestimmen.
Bei einem quadratischen oder rechteckigem Querschnittes eines Fahrdrahtes 17, wie er beispielsweise im Bereich der österreichischen Eisenbahnen Verwendung findet, kann die Resthöhe RH jedoch nicht aus einer Spiegelbreite a berechnet werden, sondern muß durch seitliche Vermessung des Fahrdrahtes 17 erfaßt werden.
9 zeigt eine Vorrichtung zur Vermessung eines Fahrdrahtes 17, die ein Laserradar 1, beispielsweise mit dem Aufbau der 5 verwendet. Das Laserradar 1 ist auf einem Wagendach 33 angebracht und in einem Gehäuse 34 befestigt. Der vom Laserradar 1 erzeugte Strahlfächer 35 wird über einen Umlenkspiegel 36 auf den Fahrdraht 17 gerichtet. Der Fahrdraht 17 liegt dabei in der Darstellung der 9 nicht auf der Mittelsenkrechten durch die Wagenmitte 37, sondern ist seitlich versetzt dazu. Er befindet sich weiter in einer Fahrdrahthöhe 38 über der Oberkante des Wagendachs 33 bzw. über der Oberkante der Schienen.
Der vom Umlenkspiegel 36 auf den Fahrdraht 17 gerichtete Fächer 35 tritt an einem Fenster 40 aus dem Gehäuse 34 aus. Das Fenster 40 schließt das Gehäuse 34, das das Laserradar 1 aufnimmt, so ab, daß die optischen Bauteile des Laserradars 1 vor Verschmutzung geschützt sind. Dabei ist das Fenster 40 vorzugsweise mit einer automatischen Reinigungseinrichtung versehen, beispielsweise einem Scheibenwischer oder einem Dampfstrahler. Darüber hinaus kann das Fenster 40 durch eine Verdunklungseinrichtung, beispielsweise eine Jalousie, abgedunkelt werden, um den Innenraum des Gehäuses 34 bei Nichtbetrieb des Laserradars 1 vor unnötiger Erwärmung durch Sonnenstrahlung zu schützen. Zusätzlich kann die Verdunkelungseinrichtung auch die Funktion des Strahlenschutzes bewirken, indem der Strahlfächer 35 am Austreten aus dem Gehäuse 34 gehindert wird.
Das Laserradar 1 ist bis auf den Drehspiegel 26 auf einem Schlitten 39 befestigt, der in Richtung eines (nicht näher bezeichneten) Pfeiles verschiebbar ist, um eine Anpassung des Laserradars 1 an unterschiedliche Fahrdrahthöhen 38 gewährleisten zu können.
Da bei einer elektrischen Bahn die Länge eines einzelnen Fahrdrahtes 17 auf etwa 1 km begrenzt ist, treten an den jeweiligen Enden Überlappungen zwischen dem vorhergehenden bzw. dem nachfolgendem Fahrdraht 17 auf. In den Überlappungsbereichen verlaufen zwei Drähte über eine Strecke von etwa 60 m Länge in fast gleicher Fahrdrahthöhe 38 in einem horizontalen Abstand von 20 bis 45 cm nebeneinander her. Dabei senkt sich ein Fahrdraht etwas ab, der andere steigt an. Die Höhendifferenz zwischen auf- und absteigenden Draht beträgt zwischen 0 und 15 cm.
Da sich an den Überlappungsbereichen die Elastizität des Fahrdrahtsystems im Vergleich zur übrigen Strecke ändert, kann dort auch der Verschleiß des Fahrdrahtes 17 erhöht sein. Um nun sicherzustellen, daß solche kritischen Stellen vollständig erfaßt werden, sind auf dem Wagendach 33 vorzugsweise in einem Gehäuse 34 zwei unabhängige Laserradare 1 für jeden Draht vorgesehen. Um ein schnelles Auffinden des vom oben seitwärts neu hinzukommenden Fahrdrahtes 17 zu ermöglichen, wird das eingangs verwendete Laufzeit-Laserradar verwendet, dessen nach oben gerichteter Laserstrahl fortwährend quer zur Fahrtrichtung scannt und damit die Höhen- und Seitenlage mehrerer Fahrdrähte 17 erfassen kann, wobei die Meß-Unsicherheit kleiner ist als der vom Strahlenfächer 35 erfaßte Bereich.
Falls sich der Fahrdraht 17 senkrecht über dem Laserradar 1 befindet, kann bei einem rechteckigen Drahtprofil keine Resthöhe gemessen werden. Dies ist besonders im kritischen Bereich, in dem zwei Fahrdrähte überlappen, nachteilhaft. Um bei einem Überlappungsbereich, der in Wagenmitte liegt, dennoch bei rechteckigen Drahtprofil die Resthöhe des Fahrdrahtes 17 erfassen zu können, erfolgt, wie in 9 dargestellt, die Beleuchtung mit dem Strahlenfächer 35 über den Umlenkspiegel 36 von der Seite und nicht von der Mittelsenkrechten zur Wagenmitte 37 aus.

Claims

Laserstrahlinterferometer zur berührungslosen Vermessung eines Objektes (2), wobei – das Laserstrahlinterferometer (1) eine Laserstrahlungsquelle (5, 18), die einen Meßarm (3) und einen Referenzzweig (4) speist, aufweist, – eine Strahlaufspaltungseinrichtung (7, 22) vorgesehen ist, die aus einem von der Laserstrahlungsquelle (5, 18) abgegebenen Strahlbündel im Meßarm (3) und im Referenzzweig (4) je einen Fächer mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugt, und – eine Strahlvereinigungseinrichtung (7) vorgesehen ist, die Einzelstrahlen aus dem Referenzzweig (4) und die vom Objekt (2) rückgestreuten Einzelstrahlen aus dem Meßarm (3) auf einer Detektoreinrichtung (10) jeweils paarweise überlagert.
Laserstrahlinterferometer nach Anspruch 1, mit einer Laserstrahlungsquelle (5, 18), die zwei überlagerte, linear polarisierte Lichtbündel abgibt, wobei die Polarisationsrichtungen der Lichtbündel um 90° gegeneinander verdreht sind, und mit einer Detektoreinrichtung, die einen Polteiler (PT2) und zwei Detektoren (E1, E2) aufweist.
Laserstrahlinterferometer nach einem der obigen Ansprüche, dessen Referenzzweig (4) eine auf die Länge des Meßarms (3) abgestimmte Glasfaserstrecke (RK) aufweist.
Laserstrahlinterferometer nach einem der obigen Ansprüche, das eine Korrekturinterferometeranordnung (31, 32) aufweist, die Strahlung aus der Laserstrahlungsquelle (5, 18) analysiert.
Laserstrahlinterferometer nach einem der obigen Ansprüche, deren Laserstrahlungsquelle (5, 18) durchstimmbar ist.
Laserstrahlinterferometer nach einem der obigen Ansprüche, deren Strahlaufspaltungseinrichtung (7, 22) ein die Fächer mit der Vielzahl von Einzelstrahlen erzeugendes Gitter (G) und einen ersten Strahlteiler (T1) aufweist.
Laserstrahlinterferometer nach den Ansprüchen 3 und 6, bei dem der erste Strahlteiler (T1) das von der Laserstrahlungsquelle (7, 22) abgegebene Strahlbündel in ein in die Glasfaserstrecke (RM) des Referenzzweiges (4) eingespeistes Referenzstrahlbündel und in ein in den Meßarm (3) eingespeistes Meßstrahlbündel aufteilt, wobei das Gitter (G) vom Referenzstrahlbündel und vom Meßstrahlbündel parallel durchstrahlt wird und die Strahlvereinigungseinrichtung mittels eines zweiten Strahlteilers (T2) die Einzelstrahlen der Fächer paarweise überlagert.
Laserstrahlinterferometer nach einem der obigen Ansprüche, dessen Meßarm (3) eine Optik (L2, L3) aufweist, die den Divergenzwinkel der Einzelstrahlen des Fächers im Meßarm (3) an die Entfernung zum Objekt (2, 17) und an die Objektgröße anpaßt.
Laserstrahlinterferometer nach einem der obigen Ansprüche, das einen Drehspiegel (26) aufweist, der im Meßarm (3) den Fächer auf das Objekt (2, 17) richtet.
Laserstrahlinterterometer nach einem der obigen Ansprüche, dessen Detektoreinrichtung mehrere Photodioden mit vorgeschaltetem Faserkoppler aufweist, deren Eingänge in einer Linie aufgereiht sind und einen optischen Eingang der Detektoreinrichtung bilden.
Verwendung eines Laserstrahlinterferometers nach einem der obigen Ansprüche zur Erfassung des Verschleißzustandes von Fahrdrähten elektrischer Bahnen.