DE4215984C1

DE4215984C1 - Optical ranging device, e.g. FM laser radar - has laser and associated Faraday rotator sandwiched between two analysers with maximum transparency for 45 degree rotated radiation

Info

Publication number: DE4215984C1
Application number: DE4215984A
Authority: DE
Inventors: Markus-Christian Dr. 8000 Muenchen De Amann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2012-05-15

Abstract

The optical ranging device has a detector (1), an analyser (2), a laser (3), a Faraday rotator (4) and a second analyser positioned in series one behind the other. The output of the laser (3) is directed both ways and received by the analyser (2) and the Faraday rotator (4), providing a rotation in the polarisation direction of 45 degrees. The second analyser (5) receives this radiation and the radiation reflected from the object (6) at the unknown distance and exhibits a max. transparency for the radiation from the Faraday rotator (4), the first analyser having a max transparency for the laser radiation rotated through 45 degrees. Pref a frequency modulated laser (3) is used. ADVANTAGE - Measuring frequency of up to 1000000 measurements per sec. can be used.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Entfernungsmessung mit hoher Meßfrequenz.The present invention relates to an arrangement for optical distance measurement with high measuring frequency.

Bei Entfernungsmessung im Mikrometer-Bereich mit hoher Meßfrequenz (bis über 10⁶ Messungen pro Sekunde) wird üblicherweise die Anordnung, die in Fig. 4 im Schema dargestellt ist, benutzt. Dabei wird ein Laserstrahl aus dem Laser L auf das Objekt O gerichtet und der re flektierte Strahl mit dem Laserstrahl zur Interferenz gebracht. Die interferierenden Strahlen werden in einem Detektor aufgefangen und gemischt. Da sich die Laser frequenz zeitlich ändert (z. B. sägezahnförmig), weisen die beiden Strahlen (der ausgesandte und der reflektierte) aufgrund der zur Weglängendifferenz proportionalen Zeit verschiebung eine unterschiedliche Frequenz auf, die als Mischprodukt elektronisch am Detektor abgenommen werden kann. Außer dem Laser L und dem Detektor D sind in Fig. 4 als Bestandteile der Apparatur noch ein Isolator I und ein Strahlteiler S eingezeichnet. Der Isolator I hindert den reflektierten Strahl daran, in den Laser L einzu dringen. Der Strahlteiler S sorgt für die Reflexion der beiden miteinander zu mischenden Teilstrahlen. Er besteht im wesentlichen aus einem halbdurchlässigen, im Winkel von 45° angeordneten Spiegel. Ein Spiegel M sorgt für die Re flexion des das Objekt O treffenden Teilstrahles. Der von dem Laser zu dem Objekt hinlaufende Strahl ist mit durchgehenden Pfeilen, der reflektierte Strahl mit unter brochenen Pfeilen eingezeichnet. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist die aufwendige Strahlteilung und Justierung sowie die entsprechenden Leistungsverluste. When measuring distances in the micrometer range with a high measuring frequency (up to over 10 ⁶ measurements per second), the arrangement shown in the diagram in FIG. 4 is usually used. A laser beam from the laser L is directed onto the object O and the reflected beam is brought into interference with the laser beam. The interfering rays are collected in a detector and mixed. Since the laser frequency changes over time (e.g. sawtooth-shaped), the two beams (the emitted and the reflected) have a different frequency due to the time shift proportional to the path length difference, which can be electronically removed as a mixed product at the detector. In addition to the laser L and the detector D, an isolator I and a beam splitter S are also shown in FIG. 4 as components of the apparatus. The isolator I prevents the reflected beam from entering the laser L. The beam splitter S ensures the reflection of the two partial beams to be mixed with one another. It essentially consists of a semi-transparent mirror arranged at an angle of 45 °. A mirror M ensures the reflection of the partial beam striking the object O. The beam running from the laser to the object is shown with solid arrows, the reflected beam with broken arrows. A major disadvantage of this arrangement is the complex beam splitting and adjustment as well as the corresponding power losses.

Eine derartige Anordnung ist z. B. in der Veröffentlichung von A. R. Slotwinski: "Utilizing GaAlAs Laser Diodes as a Source for Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Cohe rent Laser Radars" in SPIE 1043, 245 bis 251 (1989) angege ben.Such an arrangement is e.g. B. in the publication by A. R. Slotwinski: "Utilizing GaAlAs Laser Diodes as a Source for Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Cohe Rent Laser Radars "in SPIE 1043, 245 to 251 (1989) ben.

In der US 33 26 078 ist eine Anordnung zur Messung von Rela tivbewegung zwischen Objekten angegeben, bei der zwei Laser gleicher Wellenlänge eingesetzt werden. Durch eine Anordnung mit einem halbdurchlässigen Spiegel wird erreicht, daß sich die Weglängen vom Laser zum Objekt und zurück zwischen diesen Lasern um eine viertel Laserwellenlänge unterscheiden. Die Laser sind mit Brewster-Fenstern versehen. Zwischen den La sern und dem halbdurchlässigen Spiegel, der die Strahlengänge zusammenführt, sind für eine Polarisierung des Lichtes für jeden Laser gesondert Polarisatoren vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Laser sind Fotodetektoren angeord net.In US 33 26 078 an arrangement for measuring Rela tiv movement between objects specified in the case of two lasers same wavelength can be used. By an order with a semi-transparent mirror it is achieved that the path lengths from the laser to the object and back between them Distinguish lasers by a quarter laser wavelength. The Lasers are provided with Brewster windows. Between the La and the semi-transparent mirror that reflects the beam paths are for a polarization of light for each laser has separate polarizers. On the opposite Photodetectors are arranged on the side of the lasers net.

In der US 45 30 600 ist ein Entfernungsmesser beschrieben, bei dem ein Laser, ein Drehpolarisator, ein als Strahlteiler fungierender Polarisator, ein Kollimator und das zu messende Objekt in Reihe hintereinander angeordnet sind. Der von dem Objekt reflektierte Lichtstrahl wird mittels des Strahlteilers zu einem Fotodetektor reflektiert.In US 45 30 600 a range finder is described where a laser, a rotating polarizer, one as a beam splitter functioning polarizer, a collimator and the one to be measured Object are arranged in a row one behind the other. The one from that The light beam reflected by the object is Beam splitter reflected to a photo detector.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zu hochauflösender optischer Entfernungsmessung anzugeben, bei der keine aufwendige Strahlteilung erforderlich ist.The object of the present invention is an arrangement to specify high-resolution optical distance measurement, where no complex beam splitting is required.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine weitere Ausgestaltung ergibt sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is accomplished with the arrangement with the characteristics of Claim 1 solved. Another configuration results itself from the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 1 im Schema dargestellt. Fig. 2 und 3 enthalten Diagramme zur Polarisationsrichtung der Strahlung.The arrangement according to the invention is shown in the diagram in FIG. 1. Fig. 2 and 3 contain plots to the polarization direction of the radiation.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind hintereinander in Reihe angeordnet ein Detektor 1, ein erster Analysator 2 (Polarisator), ein Laser 3, ein Faraday-Rotator 4 und ein zweiter Analysator 5 (Polarisator). Der in Längsrichtung an den Endflächen emittierende Laser 3 ist so ausge richtet, daß die an beiden Seiten austretende Strahlung auf den ersten Analysator 2 bzw. auf den Faraday-Rotator 4 gerichtet ist. Der Faraday-Rotator 4 dreht die Polarisationsrichtung des Laserlichtes um 45°, und zwar in derselben Richtung ortsfest, d. h. unabhängig von der Richtung, in der die Strahlung durch diesen Rotator hin durchtritt. Der Laserstrahl passiert im Anschluß an den Faraday-Rotator 4 den zweiten Analysator 5, der so ausge richtet ist, daß er für die aus dem Faraday-Rotator 4 aus tretende Strahlung maximal durchlässig ist. Die aus dem zweiten Analysator 5 austretende Strahlung wird auf das Objekt 6, dessen Entfernung zu messen ist, gerichtet und von diesem in diesen zweiten Analysator 5 zurückreflektiert. Von der reflektierten Strahlung tritt nur derjenige Anteil durch den zweiten Analysator 5 und erneut in den Faraday- Rotator 4, der die der Ausrichtung des zweiten Analysators 5 entsprechende Polarisationsrichtung hat. Der Faraday- Rotator 4 dreht diese Richtung erneut um 45°, und zwar in derselben Richtung wie zuvor, d. h. bezüglich der Strahlungsrichtung entgegengesetzt. Damit ergibt sich für die aus dem Faraday-Rotator 4 austretende Strahlung ins gesamt eine Drehung der Polarisationsrichtung um 90° bezüglich der Polarisationsrichtung des von dem Laser ur sprünglich ausgesandten Lichtes. Diese um 90° gedrehte re flektierte Strahlung tritt in den Laser 3 ein und wird dort gegebenenfalls verstärkt. Am anderen Ende des Lasers tritt die reflektierte Strahlung zusammen mit dem von dem Laser an diesem Ende ausgesandten Licht aus und in den ersten Analysator 2 ein. Dieser erste Analysator 2 ist bezüglich der Polarisationsebene des von dem Laser ausgesandten Lichtes um 45° gedreht. Dieser erste Analysator 2 ist also für Licht mit einer gegenüber dem Laserlicht um 45° ge drehten Polarisationsrichtung maximal durchlässig. Er ist dann auch gegenüber dem reflektierten Licht um 45° ge dreht, so daß von beiden Strahlen jeweils nur ein Anteil durchgelassen wird. Diese Anteile werden von dem Detektor 1 aufgefangen und verarbeitet.In the arrangement according to the invention, a detector 1 , a first analyzer 2 (polarizer), a laser 3 , a Faraday rotator 4 and a second analyzer 5 (polarizer) are arranged in series. The laser 3 emitting in the longitudinal direction on the end faces is so directed that the radiation emerging on both sides is directed onto the first analyzer 2 or the Faraday rotator 4 . The Faraday rotator 4 rotates the polarization direction of the laser light by 45 °, specifically in the same direction, that is to say independently of the direction in which the radiation passes through this rotator. The laser beam passes after the Faraday rotator 4, the second analyzer 5 , which is designed so that it is maximally transparent to the radiation emerging from the Faraday rotator 4 . The radiation emerging from the second analyzer 5 is directed onto the object 6 , the distance of which is to be measured, and is reflected back by the latter into this second analyzer 5 . Only that portion of the reflected radiation passes through the second analyzer 5 and again into the Faraday rotator 4 that has the polarization direction corresponding to the orientation of the second analyzer 5 . The Faraday rotator 4 rotates this direction again by 45 °, in the same direction as before, ie opposite to the direction of radiation. This results in a total rotation of the polarization direction of 90 ° with respect to the polarization direction of the light originally emitted by the laser for the radiation emerging from the Faraday rotator 4 . This reflected by 90 ° re reflected radiation enters the laser 3 and is amplified there if necessary. At the other end of the laser, the reflected radiation, together with the light emitted by the laser at this end, enters and enters the first analyzer 2 . This first analyzer 2 is rotated by 45 ° with respect to the plane of polarization of the light emitted by the laser. This first analyzer 2 is therefore maximally transparent to light with a polarization direction rotated by 45 ° compared to the laser light. It is then also rotated by 45 ° compared to the reflected light, so that only a portion of each beam is passed. These parts are collected and processed by the detector 1 .

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen die Polarisations richtung der Strahlung in verschiedenen Abschnitten der Anordnung. In Fig. 2 ist der senkrechte durchgezogene Pfeil die Polarisationsrichtung der aus dem Laser 3 in Richtung zum Faraday-Rotator 4 hin austretenden Strahlung. Der Faraday-Rotator 4 dreht die Polarisationsrichtung ent sprechend dem strichpunktierten Pfeil zu dem von links unten nach rechts oben weisenden zweiten durchgezogenen Pfeil. Der Anteil des reflektierten Strahles, der durch den zweiten Analysator 5 durchgelassen wird, hat eine entsprechend geringere Amplitude, die der Länge des ge strichelten Pfeiles entspricht. Wie in Fig. 1 ist der ge strichelte Pfeil jeweils für den reflektierten Strahl gezeichnet. Wenn die Strahlung erneut durch den Faraday- Rotator 4 tritt, wird die Polarisationsrichtung zum zweiten Mal um 45° in der Richtung des strichpunktierten Pfeiles gedreht, so daß die Polarisationsrichtung und Amplitude durch den waagrechten Pfeil in Fig. 2 gegeben ist. Die Strahlung tritt dann erneut in den Laser 3, in dem sie gegebenenfalls verstärkt wird. Um diese Ver stärkung anzudeuten, ist in Fig. 3 der waagrechte ge strichelte Pfeil etwas länger eingezeichnet als in Fig. 2 (größere Amplitude). Die Polarisationsrichtung und Amplitude der aus dem Laser 3 in Richtung zum ersten Analysator 2 austretenden Laserstrahlung ist in Fig. 3 durch den durchgezogenen senkrechten Pfeil dargestellt. Die Ausrichtung des ersten Analysators 2 ist in Fig. 3 als Winkelhalbierende zwischen den Pfeilen angenommen. Die Ausrichtung kann demgegenüber auch um 90° gedreht sein, was denselben Zweck in der erfindungsgemäßen Anordnung erfüllt. Die Ausrichtung dieses ersten Analysators 2 be wirkt, daß nur jeweils die durch die strichpunktierten Linien bezeichneten Projektionen der Lichtamplituden auf die Winkelhalbierende durch den Analysator durchgelassen werden. Die Polarisationsrichtungen für beide Strahlan teile sind dann dieselben, die Längen der Amplituden je weils um den Faktor 2⁻^½ vermindert, was den jeweils längs der Winkelhalbierenden eingezeichneten kürzeren Pfeilen entspricht. Figs. 2 and 3 illustrate the polarization direction of the radiation in different portions of the assembly. In Fig. 2 the vertical solid arrow is the polarization direction of the radiation emerging from the laser 3 in the direction of the Faraday rotator 4 . The Faraday rotator 4 rotates the direction of polarization accordingly the dash-dotted arrow to the second solid arrow pointing from bottom left to top right. The proportion of the reflected beam that is transmitted through the second analyzer 5 has a correspondingly lower amplitude, which corresponds to the length of the dashed arrow. As in Fig. 1, the dashed arrow ge is drawn for the reflected beam. When the radiation passes through the Faraday rotator 4 again, the polarization direction is rotated for the second time by 45 ° in the direction of the dash-dotted arrow, so that the polarization direction and amplitude is given by the horizontal arrow in FIG. 2. The radiation then enters laser 3 again , in which it is optionally amplified. In order to indicate this reinforcement, the horizontal dashed arrow in Fig. 3 is shown somewhat longer than in Fig. 2 (larger amplitude). The direction of polarization and amplitude of the laser radiation emerging from the laser 3 in the direction of the first analyzer 2 is shown in FIG. 3 by the solid vertical arrow. The alignment of the first analyzer 2 is assumed in FIG. 3 as the bisector between the arrows. In contrast, the orientation can also be rotated by 90 °, which serves the same purpose in the arrangement according to the invention. The orientation of this first analyzer 2 be that only the projections of the light amplitudes indicated by the dash-dotted lines on the bisector of the angle are passed through the analyzer. The polarization directions for both parts of the beam are then the same, the lengths of the amplitudes are each reduced by a factor of ^2½ , which corresponds to the shorter arrows drawn along the bisector of the angle.

Zwei Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung sind, daß die beidseitig aus dem Laser austretende Strahlung genutzt wird, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht ist, und daß die Anordnung linear ist, was dadurch er reicht wird, daß der reflektierte Strahl den Laser voll ständig passiert. Die Verwendung des Faraday-Rotators be zweckt, daß die Polarisationsrichtungen der ausgesandten Laserstrahlung und der reflektierten Strahlung orthogonal zueinander sind, so daß eine Wechselwirkung dieser Strahlungsanteile im Laser vermieden ist. Der reflektierte Strahl kann gegebenenfalls im Laser verstärkt werden, so daß die Verminderung der Leistung beider Strahlen um 50% beim Durchtritt durch den ersten Analysator zumindest teilweise kompensiert werden kann.Two basic principles of the present invention are that the radiation emerging from the laser on both sides is used becomes, which increases the sensitivity of the arrangement and that the arrangement is linear, which means that he it is enough that the reflected beam fully fills the laser constantly happening. The use of the Faraday rotator be intends that the polarization directions of the emitted Laser radiation and the reflected radiation orthogonal to each other so that there is an interaction of these Radiation components in the laser is avoided. The reflected If necessary, the beam can be amplified in the laser that the reduction in the output of both beams by 50% at least when passing through the first analyzer can be partially compensated.

Die vorliegende Erfindung stellt ein einfaches Konzept für ein FM-Laserradar dar. Als frequenzmodulierbarer Laser kommt für diese Anordnung insbesondere der TTG-Halb leiterlaser (Tunable Twin Guide) in Frage. Neben dem einfacheren Aufbau weist die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil auf, daß der (ansonsten ungenutzte) rück wärtige Laserstrahl zur Detektion ausgenutzt wird. Daher ist die Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen An ordnungen (vgl. Fig. 4) gesteigert.The present invention represents a simple concept for an FM laser radar. As a frequency-modulated laser, the TTG semiconductor laser (tunable twin guide) is particularly suitable for this arrangement. In addition to the simpler structure, the arrangement according to the invention has the advantage that the (otherwise unused) rear laser beam is used for detection. Therefore, the sensitivity is increased compared to conventional arrangements (see. Fig. 4).

Claims

1. arrangement for optical distance measurement,
in which a detector ( 1 ), a first analyzer ( 2 ), a laser ( 3 ) with radiation exit on both sides, a Faraday rotator ( 4 ), a second analyzer ( 5 ) and an object ( 6 ) along a radiation path whose distance is to be measured are arranged in this order
in which the laser ( 3 ) is oriented such that radiation emerging from the laser ( 3 ) on both sides is directed onto the Faraday rotator ( 4 ) or the first analyzer ( 2 ),
in which the Faraday rotator ( 4 ) causes a rotation of the polarization direction of radiation by 45 °, in which the second analyzer ( 5 ) is oriented such that it is emitted by the laser ( 3 ) and through the Faraday Rotator ( 4 ) de radiation is maximally transmissive and the object ( 6 ) reflects radiation back into it, and
in which the first analyzer ( 2 ) is oriented such that it is maximally transparent to radiation with a polarization direction rotated by 45 ° with respect to the radiation emitted by the laser ( 3 ).

2. Arrangement according to claim 1, wherein the laser ( 3 ) is a frequency-modulated laser.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the laser ( 3 ) radiation with a direction of polarization, which is rotated by 90 ° with respect to the polarization direction of the laser radiation generated by the laser ( 3 ), ver.