(57)【要約】  本発明は、空間分解式のオブジェクト距離検出のための装置に関する。本装置には、周波数シフト帰還型の放射源と位置検出式のオブジェクト検出センサとが設けられており、周波数シフト帰還型の放射源は、距離検出に使用される放射をオブジェクトへ照射する。オブジェクト照明のための周波数シフト帰還型の放射源には、放出周波数成分うなり強度上昇のための手段が設けられており、位置検出式のオブジェクト検出センサは、オブジェクトから入射された放射とオブジェクトから入射されなかった放射とのうなり強度を検出するように構成されている。
2005515416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間分解を伴うオブジェクト距離測定のための装置であって、
距離検出に使用される放射をオブジェクトに照射するための周波数シフト帰還型の放射源と、位置検出式のオブジェクト検出センサとが設けられている形式のものにおいて、
オブジェクト照明するための前記周波数シフト帰還型の放射源は、放出周波数成分うなり強度上昇のための手段を有するように構成されており、
前記位置検出式のオブジェクト検出センサは、オブジェクトから入射された放射と、オブジェクトから入射されない放射とのうなり強度を検出するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
放出周波数成分うなり強度上昇のための手段は、非確率的な放出周波数成分うなり強度上昇のための手段として構成されており、および／または、入射光源を有し、
前記入射光源は、たとえば入射レーザであり、有利には、特に光は共振器へ入射され、
前記共振器によって、周波数シフト帰還型の放射源が形成され、
たとえば特に、前記放射源の増幅媒体へ入射され、
たとえば、前記入射光源は上方または下方の増幅率閾値（Ｇ＝１）に近い放射周波数の放射を放出するように構成されており、および／または前記入射光源は、周波数シフト帰還型の放出源の増幅帯域幅と関連して入射光を入射するため、狭帯域であり、たとえば周波数シフト帰還型の放射源の増幅の帯域幅の５％より小さい帯域幅、特に周波数シフト帰還型の放射源の増幅の帯域幅の１％より小さい帯域幅を有し、
および／または前記入射光源は、光搬送波の強度および／または位相に関して変調された光を入射するように構成されており、
前記入射光源はたとえば、入射光の強度および／または位相を規則的に変調するように構成されており、
および／または前記入射光源は、強度および／または位相の変調を時間とともに変化させて該変調を実施し、
前記変調は、たとえば周期的な変調であり、
たとえば前記入射光源は、少なくとも一時的に、線形に変調周波数を変更するように構成されており、
たとえば前記入射光源は、放射源によって検出すべき距離と周波数シフト帰還型の放射源から得られたチャープレートとによって得られる周波数の大きさである周波数を有する変調を行うように構成されており、および／または該周波数に近い周波数を有する変調を行うように構成されており、
たとえば、周波数シフト帰還型の放射源もレーザであり、
たとえば、該周波数シフト帰還型の放射源の増幅媒体として共振器内部の光ファイバが設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
周波数シフト帰還型の放射源はレーザであり、
放出周波数成分うなり強度上昇のための手段は、シード光を第１のレーザへ入射するシードレーザであり、
前記シードレーザは、周波数変調され、
前記シードレーザの周波数変調の周波数を、検出すべき距離に適合するための手段が設けられている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
シード周波数を徐々に、たとえば段階的に変更するための手段が設けられており、
たとえば前記手段は、シード周波数を特定の測定時間Ｔにわたって一定に維持するように構成されており、および／または各シード周波数の平均値を中心として、たとえば距離の空白部を回避するのに十分な偏移で掃引するように構成されており、および／または、フェーズが繰り返される際にシード周波数変化を、たとえばフェーズの繰り返しの際に周波数の分解能を体系的に減少させることによって変化させるように構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
オブジェクト検出センサにて検出されたうなり強度に関するオブジェクト検出センサ信号をフィルタリングするためにフィルタが設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記フィルタリングは、交流信号成分をフィルタリングによって取り出すように構成されており、
交流信号成分はたとえば、シード周波数であり、および／またはシード周波数を中心として狭帯域にある、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
オブジェクト検出センサ信号を調整するために信号増幅部が設けられており、
請求項５または６に従って構成する場合、フィルタリングステージの後方に増幅ステージが設けられており、
たとえば、所定の信号調整を調整するために少なくとも１つの閉ループおよび／または開ループ制御回路が設けられており、
前記所定の信号調整は、たとえば所定の増幅である、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
シード周波数に依存するオブジェクト検出センサ信号シグナチャに基づいて距離を検出するためのステージが設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
シード周波数に依存するオブジェクト検出センサ信号シグナチャに基づいて距離を検出するための前記ステージは、シード周波数の変化時に、要求されたように調製されたオブジェクト検出センサ信号の最大値に到達したことに応答して距離検出を行うように構成されており、
および／または、シード周波数の変化時に、要求されたように調製された前記オブジェクト検出センサ信号の実効値、たとえば実数の実効値、たとえば整流およびローパスフィルタリングによって得られた実効値に応答して距離検出を行うように構成されており、
および／または、たとえばシード周波数が含まれた周波数ウィンドウにある実効値に応答して距離検出を行うように構成されており、
および／または、オブジェクト検出センサ信号中のシード周波数成分の強度に応答して距離検出を行うように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
シード周波数を時間とともに変化させるためのステージが設けられており、
オブジェクト検出センサ信号評価ステージが、距離に関する測定値として、所定のオブジェクト信号シグナチャに到達するまでの時間を表す値を検出し、
前記値を検出する際、たとえば閾値および／または最大値に到達するまでの時間が測定され、
アナログの最大値維持回路が設けられており、
前記最大値維持回路は、値を書き込むための所属のデジタルレジスタを使用して時間的な信号経過を検出するために使用され、
前記値は、たとえばシード周波数に関する値であり、
前記シード周波数に関する値は、たとえば掃引時間値および／またはカウンタ値であり、
書き込むべき値を、アナログの閾値および／または最大値の到達に依存して決定する回路が設けられており、
および／または、たとえば、周波数に依存するオブジェクト検出センサ信号シグナチャを微分するために微分ステージが設けられており、
前記微分はたとえば、信号コンパレータ出力を同時に、ノイズの影響を低減させて考慮することによって行われる、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
位置検出式のオブジェクト検出センサは、放射を同時に受信し、および／または放射を時間的に密接に連続して続いて受信し、および／または、オブジェクト照射の戻り受信と該オブジェクトからの別の光とから放射を評価するように構成されており、
たとえば、周波数シフト帰還型の放射源は、赤外線を放射するように構成されており、
および／または、位置検出式のオブジェクト検出センサは特に、オブジェクトからの別の光として可視光を受信するように構成されており、たとえばオブジェクト検出センサ信号は、戻り受信された放射および別の光に対して、異なる信号調製後に評価される、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
位置検出式のオブジェクト検出センサは、オブジェクト照射の戻り受信および／またはオブジェクトからの別の光から、放射をピクセルごとに検出するように構成されており、
該位置検出式のオブジェクト検出センサはたとえば、カラーフィルタリングサンプルによって多色検出を行うためにマルチピクセルチップを有し、および／または、異なる波長領域にある光および／または放射に対して別個のマルチピクセル素子が設けられており、
前記別個のマルチピクセル素子はたとえば、オブジェクト撮像光線路にある光線分割器を介して照明され、
たとえば、イメージ位置一致を実行するためにイメージ位置補正ステージが設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
位置検出式のオブジェクト検出センサは、オブジェクト照明の戻り受信および／またはオブジェクトからの別の光から放射をピクセルごとに検出するように構成されており、
複数の評価ユニットが設けられており、
前記評価ユニットは、たとえば各１つのピクセルであり、たとえば評価反復周波数および／またはイメージ反復周波数を上昇させるために使用される、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
空間分解によるオブジェクト距離検出のための方法であって、
前記オブジェクト距離検出を、周波数シフト帰還型の放射源と、位置検出式のオブジェクト検出センサとによって実施し、
前記周波数シフト帰還型の放射源は、距離検出に使用される放射をオブジェクトに照射する形式の方法において、
放出周波数成分うなり強度を、オブジェクトを照明するための前記周波数シフト帰還型の放射源にて、周波数シフト帰還型の放射源の確率的な変動によって求められた尺度を上回って上昇させ、
オブジェクトから入射された放射および該オブジェクトから入射されなかった放射のうなり強度を、距離を表す信号として求めることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項の上位概念に関する。すなわち、周波数シフト帰還型の放射源を使用してオブジェクトからの距離を測定することに関する。
【０００２】
以前から、距離を光学的に測定することが知られてきた。短い光パルスを送信して、後方拡散または反射されたパルスを受信するまでの時間を測定する音響測定と並んで、とりわけ干渉法が知られている。
【０００３】
干渉法では、光線は基準光線とオブジェクト光線とに分割される。オブジェクト光線はオブジェクトに入射され、このオブジェクトから戻り受信される。その後、受光器にて基準光線とオブジェクト光線とがオーバーラップされ、このオーバーラップ信号から、該オブジェクトがどの程度離れているかが推定される。このプロセスによって、構成に応じて高精度の測定が実現される。しかし、オブジェクトが異なる場所に広がっている場合、深度測定は困難になる。
【０００４】
さらに、周波数偏移帰還型レーザないしは周波数シフト帰還型レーザ（Frequency-Shifted-Feedback-Laser、ＦＳＦレーザ）によって距離を測定することも知られている。ＦＳＦレーザの例は、F. V. Kowalski、P. D. HaleおよびS. J. Shattilの論文『Broadband continuous-wave lasers』（Opt. Lett. 13, 622 (1988)）およびP. D. HaleおよびF. V. Kowalskiの論文『Output characteristics of a frequency shifted feedback laser: theory and experiment』（IEE J. Quantum Electron. 26, 1845 (1990)）ならびにK. NAKAMURA, T. MIYAHARA, M. YOSHIDA, T. HARAおよびH. ITOの論文『A new technique of optical ranging by a frequency-shifted feedback laser』（IEEE Photonics Technology Letters, 第１０巻、１９９８年、１７７２頁から）に記載されている。このようなレーザを距離測定のために使用する例は、K. NAKAMURA, T. MIYAHARAおよびH. ITOの論文『Observation of a highly phase-correlated chirped frequency comb output from a frequency-shifted feedback laser』（Applied Physics Letters, 第７２巻、Ｎｏ．２１、２６３１頁から）およびK. NAKAMURA, F. ABE, K. KASAHARA, T. HARA, M. SATOおよびH. ITOの論文『Spectral Characteristics of an All Solid-State Frequency-Shifted Feedback Laser』（IEEE-JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 第３３巻、１０３頁から）に詳細に記載されている。さらに、I. C. M. Littler, S. BalleおよびK. Bergmannの『The cw modeless laser: Spectral control, performance data and build-up dynamics』（Opt. Commun. 88, 514 (1992)）およびS. Balle, F. V. KowalskiおよびK. Bergmannの『Frequency shifted feedback dye laser operating at small frequency shift』（Opt. Commun. 102, 166 (1993)）ならびにG. Bonnet, S. Balle, Th. KraftおよびK. Bergmannの『Dynamics and self-modelocking of a Titanium-Sapphire laser with intracvacity frequency shift』（Opt. Commun. 123, 790 (1996)）に記載されている。最後に挙げられた３つの文書では、従来技術によるＦＳＦレーザがさらに詳細に説明されている。これらの文書は、ＤＥ１００４５５３５と同様に、全面的に引用されて開示されている。ＦＳＦレーザが空間分解による距離測定のために使用される構成は、ＤＥ１００４５５３５．２およびＰＣＴ／ＥＰ０１／１０４１６に記載されている。
【０００５】
端的に説明すると、共振器に増幅媒体の他に音響光学式変調器が設けられているＦＳＦレーザによる距離測定の原理は、以下の通りである。増幅媒体に入射された光波は、増幅率が１より大きな周波数に対してのみ光増幅される。他のすべての周波数では、光は通常のように減衰される。光共振器は、振動する弦と同じように有利な周波数を有する。この有利な周波数は、いわゆる共振器モードである。各共振器モードは所定の周波数を有する。すなわち各共振器モードは、厳密に設定された波長の光に相応する。したがって、増幅する媒体の増幅率が１より大きい各共振器モードは、有利に検出される。
【０００６】
これが基本的に、音響光学式変調器を使用しないレーザの特性である。ここで音響光学式変調器が励起されると、物質振動によって、密度が異なる場所の格子が運動を開始する。この密度の格子で、共振器内を循環する光が回折され、この光のフォトンが、音響光学式変調器の密度振動に特徴的なフォトンと相互作用を開始し、回折された光の周波数が音響光学式変調器の励振周波数だけシフトされる。その結果、レーザモードの周波数は時間とともに少しずつシフトされる。すなわち、モードの周波数は時間とともに変化される。１つより多くのモードが存在する場合、このことは、共振器にて振動を開始するすべてのモードに当てはまる。ここではもちろん、どのくらい増幅率１を上回って増幅プロフィールが経過するかということに応じて、振動開始する個々のモードの強度は異なっており、モード強度は周波数に応じて変化する。また、すべてのモードの周波数も同様に時間とともに変化することも明白である。換言すれば、異なる時点で放出される光の周波数は異なっている。
【０００７】
ここで、検出器等の場所に光線が入射し、この光線が、異なる長さの光路を介して入射される場合、また、異なる時点でレーザから放出された場合、相互間に周波数差が存在しなければならない。この周波数差はうなり周波数として、光感知式のエレメントにて検出される。このうなり周波数から、波長が推定される。
【０００８】
公知の測定装置は、上記で引用された文書に、より詳細に記載されている。
【０００９】
実際には、測定受信器における信号には、雑音が非常に多く含まれていることが判明している。検出すべき距離が固定的である場合、うなり周波数スペクトル内に雑音は存在せず、はっきりした個々の線が検出される。しかし実際にはそうではなく、ＦＳＦレーザによって非常に幅広い構造が得られ、はっきりした線は得られない。この構造によって、得られる測定結果の品質は非常に大きな悪影響を受けてしまう。
【００１０】
望ましいのは、公知の構成および方法を変更して、可用性を向上させることである。
【００１１】
本発明の課題は、産業上の適用のために新たなものを提供することである。
【００１２】
この課題の解決手段は、従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明の第１の重要な側面では、空間分解によるオブジェクト距離検出のための次のような装置が提供される。すなわち、距離測定に使用される放射をオブジェクトに照射するための周波数シフト帰還型の放射源と、位置検出式のオブジェクト検出センサとが設けられており、オブジェクトに照射するための該周波数シフト帰還型の放射源には、放出周波数成分うなり強度上昇のための手段が設けられており、該位置検出式のオブジェクト検出センサは、オブジェクトから入射される放射およびオブジェクトから入射されない放射のうなり強度を検出するように構成されている装置が提供される。
【００１４】
ここで認識されているのは、従来技術の解釈において優勢である仮定、すなわち、周波数シフト型のレーザの個々のモードに由来するうなり成分は相互に加算されるという仮定は的確ではないこと、すなわちこれらのうなり成分は、むしろ相殺されるということだけではない。驚いたことに、すなわち従来技術にてＦＳＦレーザによって形成された信号の基礎となっているのは、公知のレーザの動作中にノイズが発生することによって、すなわち強度および／または位相のゆらぎが発生することによって、理論的に比較的正確な分析にて実際に期待される、相互に可干渉性である周波数成分の完全な消去が引き起こされるのが阻止され、この周波数成分が発生する。それゆえ、ＦＳＦレーザを使用する従来技術による測定の際に発生したノイズは、レーザのノイズの結果として見なされるのではなく、レーザのノイズすなわちレーザの内因性のゆらぎによって発生するものが本来の測定信号自体である。この認識に基づいて提案されているのは、放出された放射の周波数成分のうなりの強度を上昇させるための手段を放射源に設けるだけでなく、この認識を、空間分解によるオブジェクト距離検出を改善するために使用することである。
【００１５】
有利な変形形態では、放出周波数成分うなり強度上昇のための手段は、非確率的な放出周波数成分うなり強度上昇のための手段として構成されている。すなわちこの手段は、自然放出によってとりわけ増幅媒体にて引き起こされた強度上昇によって強度上昇を引き起こす。
【００１６】
典型的には、光を放射源へ入射する入射光源が設けられている。すなわち、シード放射領域がそこに形成される。これに対して択一的に、幾らかポンピング光を変調することによって、周波数成分の完全な消去を、定常動作状態にて同時放出によって決められた程度を超えて妨害することも可能である。しかし、このことは典型的には、水準寿命等に基づいて比較的有利ではないか、または、幾らか迅速な損失メカニズムを増幅媒体自体に引き起こしてしまう。それゆえ、入射光源を設けることは特に有利である。というのも、こうすることは、多くの有利な構成を実現できる構造的に簡単な手段であるからだ。
【００１７】
特に有利な変形形態では、入射光源は入射レーザである。この放射は共振器へ供給され、とりわけ周波数シフト帰還型の放射源の増幅媒体の内部および／または表面へ供給される。
【００１８】
有利には入射光源は、周波数シフト帰還型の放射源の増幅媒体の増幅率が１である波長に近い波長で光を放出するように構成されている。ここでは光は選択的に、上方の閾値または下方の閾値の波長に近似して入射される。入射される光線の周波数は典型的には、増幅率Ｇが１より大きい領域内にあり、この領域外にはない。しかし、閾値に非常に近似して入射されたシード放射と、とりわけこのシード放射の変調では、特に一時的にこの閾値を上回ることがある。しかし、数回の共振器循環後に遅くとも１回の増幅が行われるように入射周波数を選択することが、常に有利である。
【００１９】
有利には、入射光源は放射を狭帯域で放出するように構成される。ここでは狭帯域であるということは、周波数シフト帰還型の放射源の増幅媒体の増幅帯域幅と関連付けられる。狭帯域とはここでは、増幅帯域の幅が５％以下であること、有利には１％以下であることとされる。特に有利な変形形態では、厳密に定義された可変調の周波数および／または振幅を有する信号モード入射レーザが、入射のために使用される。
【００２０】
有利には、入射光線の強度および／または位相が変更される。この変更は、強度および／または位相を規則的に変調することによって、すなわち所定の規則性に従って、および／または制限を受けて強度および／または位相を変調することによって実施される。しかしこの変調は、必ずしも均一でなくてもよい。
【００２１】
特に有利には、変調が一定ではなく、入射光線の変調の強度および／または位相が時間とともに変化するように構成すると有利である。このことは特に有利には、周期的に実施される。とりわけ、強度変調の周波数が所定の時間間隔内で線形に変更されると有利である。というのも、入射光線の変調周波数が線形に変化することにより、得られたうなり信号の評価が、とりわけ距離検出の際に格段に容易になるからだ。
【００２２】
入射光源から放出された放射の位相および／または強度が変調される場合、有利にはこの変調の周波数は、いわゆるチャープレートと放射源によってその時点で検出される距離とから得られる周波数に近いと有利である。チャープレートはここでは、周波数シフト帰還型の放射源内部の音響光学式変調器または別の変調器から、共振器内の放射の循環時間と関連して決定される。
【００２３】
ここで述べておきたいのは、放射源は典型的には、周波数シフト帰還型レーザとされる。この周波数シフト帰還型レーザは、とりわけ赤外線領域で動作し、とりわけ目に対して安全な領域で動作する。通信機器において特に低コストで使用でき、かつ技術的に良好に開発された波長領域もまた、本発明のために適用することができる。このことによって、配置および装置を構成する際に、低コストで入手可能な要素を使用することができる。
【００２４】
したがって、有利なのは次のような装置である。すなわち、周波数シフト帰還型レーザはレーザによって形成され、放出周波数成分うなり強度上昇のための手段は、第１のレーザへシード光を入射する周波数変調型のシードレーザであり、該装置には、シードレーザ周波数変調を被検出距離に適合する手段も設けられている装置である。換言すれば、空間分解式によるオブジェクト距離検出のための装置は、同調可能なシードレーザを有し、うなり信号はシードレーザ同調に依存して検出されるように構成することが提案される。
【００２５】
特に有利には、シード周波数が徐々に変更されるように構成されている。こうすることによって、安定的なうなりを調整し、かつこのうなりをセンサにて検出するために十分な時間がその都度得られる。ここでは、シード周波数を段階的に変更し、所定の測定時間にわたって一定に維持することができる。択一的に、シード周波数をその都度、所定の値の前後で掃引することができる。こうすることによって、シード周波数同調の周波数の急激な上昇が発生し、特定の距離を検出することができず、ひいては個々のオブジェクトまたはオブジェクトの部分領域に関して距離をまったく検出できず、および／または不正確にしか距離を検出できなくなるということが回避される。シード周波数は体系的に、異なる経過で変更することもでき、異なる段階等で変更することもできる。その際にはオブジェクトの距離は、複数のフェーズからの信号を考慮して検出されることを理解すべきである。
【００２６】
特に有利には、オブジェクト検出センサによって検出されたうなり強度関連のオブジェクト検出センサ信号はフィルタリングされる。フィルタはとりわけ、交流信号成分のみをフィルタリングして取り出すように構成される。特に有利には、関連の信号がシード周波数の領域でのみ現れ、このシード周波数を基礎として狭帯域でフィルタリングされるように構成される。ここでは、フィルタはシード周波数に同調されており、および／または所定の狭帯域性を有する。ここで、アーティファクトによって、はっきりした周波数成分が高い割合で、調製されたオブジェクト検出センサ信号中に現れ、この周波数成分はシード周波数からずれている場合があることを述べておきたい。このような妨害信号は、狭帯域フィルタによって特に良好にフィルタリング除去することができる。
【００２７】
オブジェクト検出センサ信号の調製には、典型的には信号増幅が含まれている。ここでは、フィルタリングステージの後に増幅を行うと有利である。というのも、この位置において非常に大きな増幅が可能であり、それ自体に非常に弱いうなり信号もまた評価することができるからだ。とりわけ、閉ループ制御および／または別の調整による増幅に関連して、閉ループおよび／または開ループ制御による信号調製が有利であることが理解される。このことによって、大きな間隔で測定することもできる。とりわけ、その都度の増幅がその時点のシード周波数に依存するように構成することができる。このようにして、所定のシード周波数が所定の間隔に相応し、それゆえ間隔に比例する増幅、たとえば１／ｒ２または１／ｒ４の比での増幅が合理的になる。
【００２８】
典型的には、オブジェクト検出センサ信号のシグナチャもまた、シード周波数の同調に依存して検出される。こうするため、オブジェクト検出センサ信号の最大値をシード周波数の同調時に検出するか、または実効値を検出する。前記最大値は上記のように、シード周波数同調に対してとりわけ段階的に経過する。前記実効値は実数の実効値として、たとえば、有利にはバンドパスフィルタリングおよび増幅されたオブジェクト検出センサ信号が整流およびローパスフィルタリングされた後に得られ、および／または、距離検出の際に実効値は、所定の周波数ウィンドウで検出される。
【００２９】
シード周波数変化に伴うオブジェクト検出センサ信号の変化分を利用して距離検出を行うか、ないしは、シード周波数変化が時間とともに行われるのであれば、オブジェクト検出センサ信号が時間とともに変化することを利用して距離検出を行うことができる。こうすると、ノイズによって信号が急速に変動し、ひいては大きな変化分が引き起こされることがあるので、信号比較器出力を同時に考慮することによって、ノイズの影響を低減することができる。それゆえ、場合によっては調整されたオブジェクト検出センサ信号が十分に大きければ、変化分の変化のみを考慮することができる。というのもこのような場合、１つもノイズの影響が存在しないことが前提とされているからだ。このような評価によって、所定の特性の間の時間と関連して距離測定値が求められる。前記所定の特性はたとえば、シード周波数の掃引ないしは連続的な周波数変化の開始時からのオブジェクト検出センサ信号中の最大値の到達である。このことはアナログ回路を使用して行われ、アナログ回路によって、とりわけその都度の最大値が維持され、オブジェクト検出センサ信号がそれ以上上昇しない場合、「最大値到達信号」が形成されることを述べておく。この「最大値到達信号」を介して、シード周波数に関するカウンタ値または掃引持続時間信号のカウンタ値がデジタルレジスタに書き込まれる。
【００３０】
特に有利な変形形態は、赤外線を放出する周波数シフト帰還型のＦＳＦレーザを放射源として使用することである。一方ではこのことによって、相応する赤外線領域にて、目に対して安全な固有動作が可能になり、他方では、目に見える色を変化させずに、可視光で同時に検出されるオブジェクトへ放射することができる。このオブジェクトは有利には、同時に可視光で検出される。ここで述べておきたいのは、同一のオブジェクト検出センサによって、時間的に相互に密接してうなり強度を検出した後、該オブジェクトからの自然光を検出できることである。このような場合、有利には同一のピクセルからの信号に対して異なる信号調製が行われることも理解できる。別の手段は、ＣＭＯＳアレイまたはＣＣＤアレイ等のマルチピクセルチップによってオブジェクトを検出することである。このようなマルチピクセルチップはとりわけ、それ自体に公知のように多色検出のために構成される。「色」として、オブジェクトからチップへの放射ないしは該放射のオーバーラップが、基準光路を介して入射された放射成分とともに検出される。前記放射は、赤外線であると有利であるが、このことは必須ではない。別個のセンサ素子フィールドが、異なる色ないしはＩＲ光および可視光に対して使用される場合、それ自体に公知のように、画像位置検出ステップにおいて画像位置一致を使用することができる。
【００３１】
ここで本発明を以下で、図面に基づいて例解する。
【００３２】
図面
図１  本発明による装置のための、周波数シフト帰還型の放射源の構成を概略的に示している。
【００３３】
図２  線形のチップにおける個々のレーザモードの周波数の変化を、時間上にプロットして示している。
【００３４】
図３  周波数シフト帰還型の光線源のすべての成分（モード）の同時の変化を示している。
【００３５】
図４  所定の増幅曲線（図の上方）におけるＦＳＦレーザの周波数スペクトルを示している。
【００３６】
図５  本発明による回路を有する距離測定のための構成を概略的に示している。
【００３７】
図６  従来技術から得られるようなうなり周波数スペクトルが、位置に依存するアーティファクト構造と、斜めに該イメージを貫通する縞として識別される弱い測定信号とともにグレースケールで示された図である。
【００３８】
図７  シード放射周波数変調に依存するうなり周波数信号の一例を示している。
【００３９】
図８  本発明による装置の構成の一例を示している。
【００４０】
図１では、一般的に１と示されている周波数シフト帰還型の放射源１は、放出周波数成分うなり強度上昇手段２を有している。
【００４１】
周波数シフト帰還型の放射源１はこの実施例では、周波数シフト帰還型のリングレーザである。リングレーザ１のリング共振器は、２つの高反射性の鏡１ａ，１ｂと音響光学式変換器１ｃとによって形成されている。この音響光学式変調器１ｃには、アクチュエータとして圧電素子１ｃ１と、入力プリズム１ｃ２および出力プリズム１ｃ３とが配属されている。音響光学式変調器１ｃは共振器リング内に配置されているので、０番目の回折次数が出力結合される。この０番目の回折次数は、ビーム３として図示されている。それに対して１番目の回折次数は、共振器内にて循環する光を発生させる。音響光学式変調器１ｃは、公知のように音響光学式変調によって周波数シフトされた１番目の回折次数に対して９０％より大きな回折効率が得られるように選定されている。さらにこのジオメトリは、該音響光学式変調器１ｃに所属するプリズム１ｃ２，１ｃ３の分散が補償され、かつコンパクトに構成できるように選定されている。
【００４２】
２つの高反射性の鏡１ａと１ｂとの間には、ファイバ媒体１ｄが配置されている。このファイバ媒体１ｄには、ファイバ入力結合光学系１ｄ１およびファイバ出力結合光学系１ｄ２が配属されている。このファイバへ超小型のレーザからエネルギーが入射され、このファイバは増幅媒体として使用される。前記超小型のレーザは、ここではダイオードレーザ（図示されていない）として構成されている。入力結合は、ファイバカプラ１ｅにて行われる。ここに図示されたファイバは、従来のイッテルビウムファイバである。このイッテルビウムファイバでは、大きな増幅帯域幅を使用することができる。この増幅帯域幅は、ここではたとえば少なくとも７０ｎｍからであり、１．２μｍを中心とするスペクトル領域にある。このようなエレメントは、光学的な通信の分野から問題なく入手することができる。その他にも別の構成も同様に使用することができ、たとえば１．０６μｍで数ｎｍの帯域幅を有するＹＡＧを基礎としたファイバレーザ、またはたとえば１．５μｍのエルビウムを基礎とするファイバレーザ等も使用することができる。
【００４３】
ＦＳＦレーザの構成は、以上で述べられたように実質的には従来通りである。ここでは、放出周波数成分うなり強度上昇のための手段が設けられている。この手段のためにファイバカプラ２ａが設けられており、このファイバカプラ２ａを介してファイバへ入射光が、入力結合光学系２ｃを介して入力結合される。この入射光は２ｂで示されている。入射光２ｂは入射レーザ（図示されていない）に由来し、この入射レーザの光搬送波の振幅および位相は、時間とともに変化するように変調される。入射レーザないしはシードレーザは、ＦＳＦリングレーザ１ないしはファイバ１ｄの増幅プロフィールのアップチャートに対してここでは下方の箇所Ｇ＝１に近い波長を有する放射を放出する。ここで、図４を参照されたい。イメージの上方の部分において増幅プロフィールは実線として示されており、それとともに増幅率閾値１も示されている。この増幅率閾値１は水平に示されている。シードレーザの光搬送波の周波数は、垂直な破線として示されている。
【００４４】
ここで、ファイバカプラ２ａを介しての入力結合に対して択一的および／または付加的に、入射光線を高反射性の鏡のうち１つによって、たとえば鏡１ａにて光線２ｂ２によって示されているように入力結合することも可能であり、および／または、矢印２ｂ３によって示されているように音響光学式変調器へ入力結合することもできる。補足的にここで述べておきたいのは、ここでは入射光とは異なるポンプ光は、１ｅ１によって示されているように、ファイバカプラを介してポンプ光線１ｅ１から増幅ファイバ１ｂへ入力結合できるだけでなく、たとえば高反射性の鏡を介してポンプ光を入力結合することもできる。このことは、鏡１ｂの近くの光線１ｅ２によって示されている。
【００４５】
この回路は、次のように駆動される。
【００４６】
ポンプ光がファイバ１ｄへ入射されると、そこでレーザ駆動を引き起こす反転が行われる。音響光学式変調器のピエゾドライバ１ｃ１が励振され、周波数シフト帰還型レーザのリングが閉成される。ファイバから放出された光は鏡１ａを介して、プリズム１ｃ２を通過し、音響光学式変調器１ｃ１を通過し、プリズム１ｃ３を通過して伝搬する。その際、この光の大部分は音響光学式変調器の高い回折効率に相応して鏡１ｂ１へ偏向され、ファイバ１ｄへ入射される。
【００４７】
音響光学式変調器１ｃを通過することによって、光の周波数も同時に変化する。すなわち、一方の鏡１ａにて所定の周波数で音響光学式変調器の方向に伝搬した光は、シフトされた周波数ないしは波長で他方の高反射性の鏡１ｂに到達する。シフトされた周波数を有するこの光は、ファイバ１ｄにて増幅され、再び鏡１ａを通過して音響光学式変調器１ｃによってさらに周波数シフトされ、鏡１ｂへ伝搬し、それが繰り返される。こうすることにより、その都度通過するごとに周波数がシフトされる。周波数が変化する速度は、光が循環するのに必要な時間と、音響光学式変調器における周波数シフトがどのくらい大きいかということに依存する。このようなシフトは、共振器において増幅できるすべての成分ないしはモードに対して行われ、ＦＳＦレーザのモードを示す周波数の櫛も次第に、特に同時にシフトされる。いわゆる「チャープ」が行われる。このことは図３に示されており、それに対して図２には、所定の線形のチャープでの周波数の変化が示されている。
【００４８】
このような光は、距離測定のために使用される。まずこのことを、空間分解されない干渉計の構成と関連して基本的にのみ説明する。このことは図５に示されており、本発明による光源１と、該光源１の出力結合光線３における光線分割エレメント４と、基準面６' に対する基準路６と、測定物７' に対する測定路７とが示されている。基準物６' からの光線および測定物７' からの光線は、検光器５へ供給される。
【００４９】
このような構成にてシード光源の駆動前に検光器で現れた状態が、図６に示されている。ここでは、レーザ回路のうなり周波数スペクトルが、測定回路の袖６および７の距離差ΔＬの関数としてグレースケールで示されている。このグレースケールの図示ではまず、位置に依存しない線が示されている。この線はすなわち、距離差ΔＬによって変化しないので、このイメージでは水平に延在する線である。この線は、定常波成分によって音響光学式変調器にて発生され、共振器循環時間に応じて繰り返される。さらに、本来の測定信号にノイズが強く現れているのが示されている。この測定信号は、対角線上に暗色の縞としてイメージを貫通している。
【００５０】
ここで、入射光源が駆動され、特に増幅率曲線の下方の領域に近い搬送周波数で駆動される。すなわち、増幅率が１より大きい領域内にある。垂直に破線で示された光学的な搬送周波数は変調され、特にこの実施例では増幅変調される。この変調自体もまた一定ではなく、いわゆるチャープレートαから近似的に求められた周波数によって変化する。すなわち、共振器循環時間によって除算された共振器循環から近似的に求められた周波数によって変化する。またこの周波数は、図５の構成では、測定光線路と基準光線路との間の距離差ΔＬに沿った光伝搬時間によっても決定される。したがって、入射光の変調周波数は一定に維持されず、いわゆるシグナチャ値だけ変化する。このシグナチャ値はすなわち、チャープレートαとΔＬから以下の数式によって得られた値である。
Δν＝α×ΔＬ×ｃ−１  ここでは、ｃは光速である。
【００５１】
このシグナチャ周波数を中心として変調周波数は変化する。特に、この変調周波数は有利には、線形および鋸歯の形状で変化する。このようにして、図７に示されたような強度が検光器にて得られる。ここでは、非常にはっきりとした鋭い強度ピークが得られること、すなわち該信号は非常に小さいノイズを有し、とりわけ従来技術にて可能であったよりも小さいノイズ、ひいてはより正確な測定結果を有することが見て取れる。重要なのは、入射光線変調およびうなり周波数強度が相互に密接に関連していることと、うなり周波数強度最大値は、入射変調周波数が、チャープレートを考慮して所定の距離差で期待された周波数に相応する場合に得られることである。
【００５２】
このことはここでは、次のことを基礎としている。入射レーザの放射を増幅領域の縁部にて入射することにより、共振器においてモードが、幅ΔνＡＯＭで増幅帯域幅全体にわたってシフトされ、レーザは、実際にノイズのない定常的な均衡状態へ移行することはない。このようにしなければ、レーザはこの均衡状態へ移行してしまう。したがって、うなりスペクトルの出現に関する従来のイメージは誤りであり、実際に、ノイズのない場合にはうなりの強度は消えてしまうことが理解される。
【００５３】
ここで、得られた信号構造の構造幅が増幅帯域幅によって決定されることが確認できる。すなわち、周波数シフト帰還型の放射光源つまりＦＳＦレーザの帯域幅が大きいことによって、空間分解能が良好になることが確認できる。その上、距離測定精度は実質的にチャープ量によって決定されるので、音響光学式変調器による大きな周波数シフトを選択し、かつＦＳＦレーザ共振器の小さなレーザ共振器長を選択することが望ましい。
【００５４】
距離測定の際と、場合によっては所定の時間間隔での連続的な距離測定の際に、速度および／または加速度も測定すると、非常に高い精度が得られることが確認できる。この精度は実質的には、音響光学式変調器のドライバ周波数定数と、測定時間中のレーザ共振器の長さの安定性とにだけ依存する。さらに、うなり周波数検出の精度等のパラメータだけを考慮することもできる。体系的に、約１０−６〜１０−８の分解能および精度が得られることが理解できる。信号雑音比が格段に向上されたことによって、非常に小さなパワーで測定を実施することができる。というのも、検出された信号中の高周波成分のみをうなりとして検出すればよく、さらにこのことは、既知の周波数または近似的に既知の周波数で実施されるからだ。
【００５５】
図８では、全体的に１００によって示された空間分解によるオブジェクト距離検出のための装置１００には、距離検出に使用される放射１０３をオブジェクト１０２に照射するための周波数シフト帰還型の放射源１０１と、位置検出式のオブジェクト検出センサ１０４とが設けられている。前記周波数シフト帰還型の放射源１０１は、ここでは赤外線の周波数シフト帰還型レーザ１０１として形成されており、この放射源１０１にはシードレーザ１０５が配属されている。シードレーザ１０５は、変調されたシード光をＦＳＦレーザ１０１の増幅媒体へ供給する。このシード光は段階的に周波数変更される。オブジェクト検出センサ１０４は、オブジェクトから放射１０３を受け取り、光線分割ユニット１０６によって基準光を、所定の長さの基準路を介してＦＳＦレーザ１０１から受け取り、放射１０７によって示されているように、オブジェクト１０２から可視光を受け取る。ここで、放射源１０１からオブジェクト１０２へＦＳＦ光を配向し、オブジェクト１０８からオブジェクト検出センサへの光ないしは距離検出用の放射を収集する際、光線分割、減光のために、従来の光学的エレメントを設けられることも記載しておく。この従来の光学的エレメントは１０９で示されており、この構成は、従来技術において通常であるように、各波長、所望の撮像特性等を考慮して実現される。ここで述べておきたいのは、全方位のモニタリングおよび検出が可能になり、しかも対象が該装置の周囲の領域または部分領域になるように構成できることである。このことはたとえば、該装置の部品のすべてまたは一部を機械的に回転支承または自在支承することによって実現される。
【００５６】
ここで説明されたシード入射によるＦＳＦレーザの全般的な原理から理解されるように、基準光と、照射されたオブジェクト１０２から受け取られた光１０８とをオーバーラップさせることにより、センサ１０４にうなり信号が入射される。この信号は、シードレーザ１０５を変調するためのシード周波数が、周波数シフト帰還型の放射源１０１の放射のチャープレートとオブジェクト光１０８〜１０３が付加的に伝搬した距離とから、上記の数式に従って得られる場合に最大になる。ここでＣＭＯＳアレイとして構成されたセンサ１０４の各ピクセルには評価回路１１０が配属されており、この評価回路によって、オブジェクト検出センサ１０４の各ピクセルからの電気的信号が狭帯域にフィルタリングされ、適切な増幅によって調製された後、評価回路１１０に設けられた最大値維持回路へ供給される。この最大値維持回路は各時点で、調製された前記信号の瞬時値とそれ以前に検出された最大値とを比較して、この最大値を下回る場合、停止信号を出力する。この最大値を下回るということは、信号の降下によって示される。停止信号はカウンタへ供給され、このカウンタは、段階的に変更される複数のシード信号周波数を超えるシード信号掃引の開始時にカウントを開始する。したがって、各ピクセルに対して格納された停止値は、オブジェクト検出センサ信号シグナチャが最大値を有する信号に相応する。公知のチャープレートと、とりわけ基準光線路長に関する幾何的な比と、時間的なシード周波数信号特性とを使用することによって、各ピクセルに対して、該ピクセルで撮像されたオブジェクト領域の適切な距離値が求められる。上記のように、オブジェクトの距離を求めるのと並んで、従来の２次元のイメージをデジタルで検出し、適切な電子回路によって、たとえばイメージのオーバーラップが実現される。このようにして、記録された２次元の平面イメージ内の各ポイントにて深度値が求められ、空間的なイメージが得られる。このような構成によって照明フィールドが特に良好に検出され、記録された周辺の形状を使用してイメージ合成が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による装置のための、周波数シフト帰還型の放射源の構成を概略的に示している。
【００５８】
【図２】線形のチップにおける個々のレーザモードの周波数の変化を、時間上にプロットして示している。
【００５９】
【図３】周波数シフト帰還型の光線源のすべての成分（モード）の同時の変化を示している。
【００６０】
【図４】所定の増幅曲線（図の上方）におけるＦＳＦレーザの周波数スペクトルを示している。
【００６１】
【図５】本発明による回路を有する距離測定のための構成を概略的に示している。
【００６２】
【図６】従来技術から得られるような、位置に依存するアーティファクト構造と、画像を貫通する縞によって斜行として識別される弱い測定信号構造とを有するうなり周波数スペクトルをグレースケールで示している。
【００６３】
【図７】シード放射周波数変調に依存するうなり周波数信号の一例を示している。
【００６４】
【図８】本発明による装置の構成の一例を示している。
【図１】
2005515416.tif 000003
【図２】
2005515416.tif 000004
【図３】
2005515416.tif 000005
【図４】
2005515416.tif 000006
【図５】
2005515416.tif 000007
【図６】
2005515416.tif 000008
【図７】
2005515416.tif 000009
【図８】
2005515416.tif 000010
【国際調査報告】
2005515416.tif 000011
2005515416.tif 000012
2005515416.tif 000013
2005515416.tif 000014
2005515416.tif 000015
2005515416.tif 000016