(57)【要約】      （修正有）【課題】絶対干渉法距離測定装置を提供する。【解決手段】干渉法距離測定装置は、少なくとも３つの異なる波長を有する光線束を提供し、かつその格子定数が、発生された波長に同調された少なくとも３つの異なるブラッグ格子を含有するファイバレーザとして形成された多波長光源を有する。さらに、光線束を測定光線束および基準光線束に分割する干渉計ユニットを有する。測定光線束は測定アーム内で測定反射器の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、基準光線束は基準アーム内で定置基準反射器の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受ける。測定および基準反射器から逆反射された測定および基準光線束は干渉して干渉光線束内において重なる。波長ごとにそれぞれ位相がずれた複数の部分干渉信号を発生するように、検出ユニットを介して干渉光線束の分割が行われる。信号処理ユニットにより、異なる波長の部分干渉信号から測定反射器に関する絶対位置情報が決定される。【選択図】図１
2019049535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つの異なる波長（λ１，λ２，λ３）を有する光線束（Ｓ）を提供し、かつその格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）が、発生された波長（λ１，λ２，λ３）に同調された少なくとも３つの異なるブラッグ格子（１３．１＿λ１，１３．１＿λ２，１３．１＿λ３；１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３；２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３；３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）を含有するファイバレーザとして形成された多波長光源（１０）を含み、
光線束（Ｓ）を測定光線束（Ｍ）および基準光線束（Ｒ）に分割する干渉計ユニット（３０）を含み、この場合、測定光線束（Ｍ）は測定アーム内で測定反射器（３３）の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、基準光線束（Ｒ）は基準アーム内で定置基準反射器（３４）の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、測定および基準反射器（３３，３４）から逆反射された測定および基準光線束（Ｍ，Ｒ）は干渉して干渉光線束（ＩＦ）内において重なり、
波長（λ１，λ２，λ３）ごとにそれぞれ位相がずれた複数の部分干渉信号（Ｓλ１＿９０，Ｓλ１＿２１０，Ｓλ１＿３３０，Ｓλ２＿９０，Ｓλ２＿２１０，Ｓλ２＿３３０，Ｓλ３＿９０，Ｓλ３＿２１０，Ｓλ３＿３３０）を発生するように、それを介して干渉光線束（ＩＦ）の分割が行われる検出ユニット（４０）を含み、および
異なる波長（λ１，λ２，λ３）の部分干渉信号（Ｓλ１＿９０，Ｓλ１＿２１０，Ｓλ１＿３３０，Ｓλ２＿９０，Ｓλ２＿２１０，Ｓλ２＿３３０，Ｓλ３＿９０，Ｓλ３＿２１０，Ｓλ３＿３３０）から測定反射器（３３）に関する絶対位置情報（Ｌ）を決定するように適合された信号処理ユニット（５０）を含む干渉法距離測定装置。
【請求項２】
多波長光源（１０）は、少なくとも、次の部品を含み、すなわち、
ポンプ光源（１１）を含み、
１つ以上のレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）内に組み込まれた少なくとも３つのブラッグ格子（１３．１＿λ１，１３．１＿λ２，１３．１＿λ３；１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３；２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３；３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）を含み、この場合、ブラッグ格子（１３．１＿λ１，１３．１＿λ２，１３．１＿λ３；１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３；２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３；３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）の各々は大きさπの位相ジャンプ（１３．２；１１３．２；２１３．２；３１３．２）を有し、
ポンプ光源（１１）から放射されたポンプ光線が、それを介して少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）内に連結可能な連結光学装置（１２）を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも３つのブラッグ格子（１３．１＿λ１，１３．１＿λ２，１３．１＿λ３）は、ファイバ伸長方向に沿って、少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３）内に完全に重なって配置され、これにより、全てのブラッグ格子（１３．１＿λ１，１３．１＿λ２，１３．１＿λ３）の位相ジャンプ（１３．２）は同じ位置に位置する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも３つのブラッグ格子（１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３；２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３；３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）は、ファイバ伸長方向に沿って、所定のオフセット距離（Ｖ）だけ相互にずれて配置され、これにより、全てのブラッグ格子（１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３；２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３；３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）の位相ジャンプ（１１３．２；２１３．２；３１３．２）はファイバ伸長方向に沿って同様にオフセット距離（Ｖ）だけ相互にずれている請求項２に記載の装置。
【請求項５】
３つのブラッグ格子の場合でかつ
ａ）ブラッグ格子の有効格子長さの０％と５０％の間のオフセット距離（Ｖ）においては、レーザ作動ファイバ（１１３）は、１つの格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を有するブラッグ格子（１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３）を備えた第１格子部分（１１３．１ａ）、異なる格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を有する２つの重なりブラッグ格子（１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３）を備えた第２格子部分（１１３．１ｂ）並びに異なる格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を有する３つの重なりブラッグ格子（１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３）を備えた第３格子部分（１１３．１ｃ）を有し、または
ｂ）ブラッグ格子の有効格子長さの５０％と１００％の間のオフセット距離（Ｖ）においては、レーザ作動ファイバ（２１３）は、１つの格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）のブラッグ格子（２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３）を備えた第１格子部分（２１３．１ａ）および異なる格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を有する２つの重なりブラッグ格子（２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３）を備えた第２格子部分（２１３．１ｂ）を有し、または
ｃ）ブラッグ格子の有効格子長さの１００％のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバ（３１３）は、１つの格子定数（ｄ１，ｄ２，ｄ３）のブラッグ格子（３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）を備えた格子部分（３１３．１ａ）のみを有する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）は、所定の偏光方向を有するレーザ光線を放射する、エルビウムがドーピングされた単一モードガラス繊維として形成されている請求項２に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）は、ファイバホルダ（１４）内で２つの固定点（１７，１８）間に張力が与えられて配置され、かつ少なくとも３つのブラッグ格子（１１３．１＿λ１，１１３．１＿λ２，１１３．１＿λ３；２１３．１＿λ１，２１３．１＿λ２，２１３．１＿λ３；３１３．１＿λ１，３１３．１＿λ２，３１３．１＿λ３）は、ファイバホルダ（１４）内で両方の固定点（１７，１８）間の領域内に配置されている請求項２に記載の装置。
【請求項８】
制御ユニット（２４）は、所定の波長（λ１，λ２，λ３）を有するレーザ光線を発生させるために、１つ以上の調節要素を介して多波長光源（１０）に作用し、この場合、制御ユニット（２４）の入力信号として、異なる波長（λ１，λ２，λ３）の１つのみの光信号から導かれた電気信号が機能する請求項２に記載の装置。
【請求項９】
調節要素は、次の手段、すなわち、
ａ）少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）に所定の機械的張力を付勢する圧電アクチュエータユニット（１５）、    
ｂ）少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）を所定温度に調節する温度調節ユニット（１６）、
ｃ）少なくとも１つのレーザ作動ファイバ（１３；１１３；２１３；３１３）用ポンプ光源（１１）の所定ポンプ電流を調節する電源（１１．１）の少なくとも１つを含む請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
多波長光源（１０）は、第１波長（λ１）および２つの他の波長（λ２，λ３）を有するこれらの光線を放射するように適合され、この場合、両方の他の波長（λ２，λ３）に対して、
【数１】
2019049535.tif 000020
および
【数２】
2019049535.tif 000021
が適用され、ここで、
【数３】
2019049535.tif 000022
および
【数４】
2019049535.tif 000023
であり、ここで
λ１，λ２，λ３＝多波長光源の放射波長
【数５】
2019049535.tif 000024
である請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
干渉計ユニット（３０）は、光線分割ユニット（３１）、少なくとも１つの測定方向（ｘ）に沿って可動な測定反射器（３３）、定置基準反射器（３４）並びに光線結合ユニット（３１）を含み、光線分割ユニット（３１）を介して、光線束（Ｓ）の、測定および基準光線束（Ｍ，Ｒ）への分割が行われ、光線結合ユニット（３１）を介して、測定および基準反射器（３３，３４）から逆反射された測定および基準光線束（Ｍ，Ｒ）の干渉光線束（ＩＦ）への重ね合わせが行われる請求項１ないし１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
光線分割ユニット（３１）および光線結合ユニット（３１）は共通して光線分割器立方体に形成されている少なくとも請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
検出ユニット（４０）は、少なくとも１つの分割素子（４１，４２）、少なくとも１つの偏光素子（４３）並びに少なくとも９つの光学電子検出器素子（４６．１，．．．４６．９）からなる後置検出器配列（４６）を含み、この場合、少なくとも１つの分割素子（４１，４２）および少なくとも１つの偏光素子（４３）を介して、干渉光線束（ＩＦ）の、少なくとも３つのグループの干渉光線束（ＩＦ９０，ＩＦ２１０，ＩＦ３３０）への波長に依存した分割が行われ、少なくとも３つのグループの干渉光線束（ＩＦ９０，ＩＦ２１０，ＩＦ３３０）の各々は、それぞれ位相がずれた少なくとも３つの部分干渉光線束を含む請求項１ないし１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
検出ユニット（４０）は２つの分割素子（４１、４２）を含み、分割素子（４１）を介して、位相がずれた複数の干渉光線束（ＩＦ９０，ＩＦ２１０，ＩＦ３３０）への分割が行われ、他の分割素子（４２）を介して、複数の部分干渉光線束への波長に依存した分割が行われる請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
信号処理ユニット（５０）は、
波長（λ１，λ２，λ３）ごとに異なる波長（λ１，λ２，λ３）の位相がずれた電気部分干渉信号（Ｓλ１＿９０，Ｓλ１＿２１０，Ｓλ１＿３３０，Ｓλ２＿９０，Ｓλ２＿２１０，Ｓλ２＿３３０，Ｓλ３＿９０，Ｓλ３＿２１０，Ｓλ３＿３３０）から位相値（Φλ１，Φλ２，Φλ３）を決定するように、
位相値（Φλ１，Φλ２，Φλ３）から、それぞれ異なる合成波長（Λ１，Λ２，Λ３）に付属された複数の差位相（ΔΦ１２、ΔΦ２３およびΔΦ）を形成するように、
追加の粗位置測定を介して得られた粗位置信号（ＴＯＰ）並びに差位相（ΔΦ１２、ΔΦ２３およびΔΦ）を介して測定反射器（３３）に関する高精度絶対位置情報（Ｌ）を決定するように適合されている請求項１ないし１４のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉法距離測定装置に関する。特に、この装置は、相互に可動な２つの物体間の絶対距離の決定に適している。
【背景技術】
【０００２】
相互に可動な２つの物体間の絶対距離の干渉法決定のために、多波長法が既知である。異なる波長の干渉位相の差の形成から、このとき、１つ以上のうなり位相が決定され、うなり位相は、比較的大きな距離範囲にわたる一義的な絶対位置決定を可能にする。対応装置は、この場合、カスケード式に形成され、複数の異なる波長から出発して、複数のうなり位相の発生が実行可能である。このような装置に関しては、例えばＵＳ６４９６２６６Ｂ１が参照され、ここでは、特に、それから複数のうなり位相ないしは合成波長が導かれかつそれから絶対位置情報が発生される３つの異なる波長を有するシステムが記載される。
【０００３】
必要な複数の波長を発生するために、上記の文献においては、全体で３つの安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザの形のレーザ光源が設けられ、このことは著しい装置費用を示す。全ての光源の放射光線束が干渉計の測定および基準アーム内の同じ通路を通過することを保証するために、複数の光源の費用のかかる調節が必要となる。さらに、３つの別々のレーザ光源は、個々のレーザの波長が時間に関して安定しかつ所定の値を有することを保証するために、個々の各光源制御が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ６４９６２６６Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、絶対干渉法距離測定装置を提供することを課題の基礎とする。この場合、特に、使用される光源の側でできるだけ少ない費用が発生すべきものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明により、請求項１の特徴を有する装置によって解決される。
本発明による装置の有利な実施形態は、従属請求項に記載された手段から得られる。
本発明による干渉法距離測定装置は、少なくとも３つの異なる波長を有する光線束を提供し、かつその格子定数が、発生された波長に同調された少なくとも３つの異なるブラッグ格子を含有するファイバレーザとして形成された多波長光源を含む。さらに、光線束を測定光線束および基準光線束に分割する干渉計ユニットが設けられ、この場合、測定光線束は測定アーム内で測定反射器の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受け、基準光線束は基準アーム内で定置基準反射器の方向に伝搬しかつそこで逆反射を受ける。測定および基準反射器から逆反射された測定および基準光線束は干渉して干渉光線束内において重なる。波長ごとにそれぞれ位相がずれた複数の部分干渉信号を発生するように、検出ユニットを介して干渉光線束の分割が行われる。さらに、異なる波長の部分干渉信号から測定反射器に関する絶対位置情報を決定するように適合された信号処理ユニットが設けられている。
【０００７】
多波長光源は、少なくとも、次の部品を含み、すなわち、
ポンプ光源を含み、
１つ以上のレーザ作動ファイバ内に組み込まれた少なくとも３つのブラッグ格子を含み、この場合、ブラッグ格子の各々は大きさπの位相ジャンプを有し、
ポンプ光源から放射されたポンプ光線が、それを介して少なくとも１つのレーザ作動ファイバ内に連結可能な連結光学装置を含むことが可能である。
【０００８】
この場合、少なくとも３つのブラッグ格子は、ファイバ伸長方向に沿って、少なくとも１つのレーザ作動ファイバ内に完全に重なって配置され、これにより、全てのブラッグ格子の位相ジャンプは同じ位置に位置してもよい。
【０００９】
さらに、少なくとも３つのブラッグ格子は、ファイバ伸長方向に沿って、所定のオフセット距離だけ相互にずれて配置され、これにより、全てのブラッグ格子の位相ジャンプはファイバ伸長方向に沿って同様にオフセット距離だけ相互にずれていることが可能である。
【００１０】
この場合、３つのブラッグ格子の場合でかつ
ａ）ブラッグ格子の有効格子長さの０％と５０％の間のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバは、１つの格子定数を有するブラッグ格子を備えた第１格子部分、異なる格子定数を有する２つの重なりブラッグ格子を備えた第２格子部分並びに異なる格子定数を有する３つの重なりブラッグ格子を備えた第３格子部分を有し、または
ｂ）ブラッグ格子の有効格子長さの５０％と１００％の間のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバは、１つの格子定数のブラッグ格子を備えた第１格子部分および異なる格子定数を有する２つの重なりブラッグ格子を備えた第２格子部分を有し、または
ｃ）ブラッグ格子の有効格子長さの１００％のオフセット距離においては、レーザ作動ファイバは、１つの格子定数のブラッグ格子を備えた格子部分のみを有してもよい。
【００１１】
少なくとも１つのレーザ作動ファイバは、所定の偏光方向を有するレーザ光線を放射する、エルビウムがドーピングされた単一モードガラス繊維として形成されていることが好ましい。
【００１２】
少なくとも１つのレーザ作動ファイバは、ファイバホルダ内で２つの固定点間に張力が与えられて配置され、かつ少なくとも３つのブラッグ格子は、ファイバホルダ内で両方の固定点間の領域内に配置されていることが有利である。
【００１３】
制御ユニットは、所定の波長を有するレーザ光線を発生させるために、１つ以上の調節要素を介して多波長光源に作用し、この場合、制御ユニットの入力信号として、異なる波長の１つのみの光信号から導かれた電気信号が機能することが可能である。
【００１４】
調節要素は、次の手段、すなわち、
ａ）少なくとも１つのレーザ作動ファイバに所定の機械的張力を付勢する圧電アクチュエータユニット、
ｂ）少なくとも１つのレーザ作動ファイバを所定温度に調節する温度調節ユニット、
ｃ）少なくとも１つのレーザ作動ファイバ用ポンプ光源の所定ポンプ電流を調節する電源の少なくとも１つを含んでもよい。
【００１５】
多波長光源は、第１波長（λ１）および２つの他の波長（λ２、λ３）を有するこれらの光線を放射するように適合されたとき、有利であることがわかり、この場合、両方の他の波長（λ２、λ３）に対して、
【００１６】
【数１】
2019049535.tif 000003
【００１７】
および
【００１８】
【数２】
2019049535.tif 000004
【００１９】
が適用され、ここで、
【００２０】
【数３】
2019049535.tif 000005
【００２１】
および
【００２２】
【数４】
2019049535.tif 000006
【００２３】
であり、ここで
λ１、λ２、λ３＝多波長光源の放射波長
【００２４】
【数５】
2019049535.tif 000007
【００２５】
である。
干渉計ユニットは、光線分割ユニット、少なくとも１つの測定方向に沿って可動な測定反射器、定置基準反射器並びに光線結合ユニットを含むことが有利であり、この場合、光線分割ユニットを介して、光線束の、測定および基準光線束への分割が行われ、光線結合ユニットを介して、測定および基準反射器から逆反射された測定および基準光線束の干渉光線束への重ね合わせが行われる。
【００２６】
この場合、光線分割ユニットおよび光線結合ユニットは共通して光線分割器立方体に形成されていることが可能である。
さらに、検出ユニットは、少なくとも１つの分割素子、少なくとも１つの偏光素子並びに少なくとも９つの光学電子検出器素子からなる後置検出器配列を含むように設計されていてもよい。少なくとも１つの分割素子および少なくとも１つの偏光素子を介して、干渉光線束の、少なくとも３つのグループの干渉光線束への波長に依存した分割が行われ、この場合、少なくとも３つの干渉光線束の各々は、それぞれ位相がずれた少なくとも３つの部分干渉光線束を含む。
【００２７】
検出ユニットは２つの分割素子を含むことが好ましく、この場合、分割素子を介して、位相がずれた複数の干渉光線束への分割が行われ、他の分割素子を介して、複数の部分干渉光線束への波長に依存した分割が行われる。
【００２８】
信号処理ユニットは、
波長ごとに異なる波長の位相がずれた電気部分干渉信号から位相値を決定するように、
位相値から、それぞれ異なる合成波長に付属された複数の差位相を形成するように、
追加の粗位置測定を介して得られた粗位置信号並びに差位相を介して測定反射器に関する高精度絶対位置情報を決定するように適合されていることが有利である。
【００２９】
本発明による装置において、複数の波長を発生するための光源側の費用が著しく低減可能であることが特に有利であることがわかる。複数の個別光源の代わりに、絶対干渉法位置測定のために必要な全ての波長を提供するただ１つの光源のみが設けられている。
【００３０】
さらに、ただ１つの波長の安定化のみが必要であり、このことは、光源に対して必要な制御費用を著しく低減させる。
さらに、複数の個別光源を有する場合に対して、異なる波長の複数の光線束をただ１つの共線的光線束にする費用のかかる調節が不必要となる。
【００３１】
特に、設けられた多波長光源は、きわめて小さい線幅、したがって、大きなコヒーレンス長さを保証する。位置測定に対して、これは、発生された位置測定値の小さいノイズ、したがって、向上された測定精度を結果として得る。
【００３２】
本発明のその他の詳細および利点は、図面と組み合わされた、本発明による装置の実施例の以下の記載により説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施例の概略図を示す。
【図２】図２は、図１の装置からの多波長光源の概略図を示す。
【図３】図３は、図２からの詳細図を示す。
【図４ａ】図４ａは、レーザ作動ファイバ内の複数のブラッグ格子の相対配置に関する異なる変更態様を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、レーザ作動ファイバ内の複数のブラッグ格子の相対配置に関する異なる変更態様を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、レーザ作動ファイバ内の複数のブラッグ格子の相対配置に関する異なる変更態様を示す。
【図４ｄ】図４ｄは、レーザ作動ファイバ内の複数のブラッグ格子の相対配置に関する異なる変更態様を示す。
【図５】図５は、多波長光源の制御の概略説明図を示す。
【図６】図６は、光線を所定の偏光方向内において放射する多波長光源内のレーザ作動ファイバの断面図を示す。
【図７】図７は、図１からの本発明による装置の検出ユニットの概略図を示す。
【図８】図８は、図１からの本発明による装置の信号処理ユニットの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明による干渉法距離測定装置の一実施例が図１に概略図で示される。装置は、多波長光源１０、干渉計ユニット３０、検出ユニット４０並びに信号処理ユニット５０を含む。この実施例において、本発明による装置を用いて、図に示されていない相対的に相互に可動な２つの物体間の絶対距離Ｌの高精度測定が可能である。この例において、両方の物体の一方は、干渉計ユニット３０に付属された、測定方向ｘに沿って可動な測定反射器３３と結合され、両方の物体の他方は、これに対して、干渉計ユニット３０の定位置に配置された他の部品と結合される。
【００３５】
両方の物体は、例えば、相互に可動な機械部品であってもよく、それらの絶対距離Ｌは、本発明による装置によって決定可能である。本発明による装置によって発生された絶対距離Ｌに関する情報は、上位の機械制御装置によって後続処理可能である。
【００３６】
さらに、本発明による装置は、レーザトラッカまたはレーザトレーサにおいて使用することもまた可能である。この場合、干渉計ユニット３０の定置部品と空間内で可動な測定反射器３３の間の絶対距離が決定される。このようなシステムは、種々の測定および／または校正課題と関連して使用されてもよい。さらに、本発明による装置に対してさらに他の使用可能性が存在することは当然である。
【００３７】
以下に種々の図により本発明による装置の個々の部品並びにそれらの適切な操作方法を詳細に説明する前に、はじめに、対応装置の概略構造ないしは基本的な機能原理を説明する。
【００３８】
本発明による装置内に設けられた多波長光源１０は、それぞれ狭いスペクトル線幅を有する少なくとも３つの異なる波長λ１、λ２、λ３を有する光線束Ｓを放射する。この場合、多波長光源１０はファイバレーザとして形成され、ファイバレーザは少なくとも３つの異なるブラッグ格子を含み、それらの格子定数は、発生された波長λ１、λ２、λ３に同調されている。多波長光源１０のさらなる詳細に関しては図２、３、４ａ−４ｄおよび６を、適切な波長λ１、λ２、λ３の選択に関しては図８の説明を参照されたい。
【００３９】
多波長光源１０から供給された光線束Ｓが、干渉計ユニット３０内に到達し、ここで、光線束Ｓは偏光光線分割器として形成された光線分割ユニット３１により、測定光線束Ｍおよび基準光線束Ｒに分割される。測定光線束Ｍは、分割後、測定アーム内において、少なくとも測定方向ｘに沿って可動測定反射器３３の方向に伝搬し、そこで入射方向に逆に逆反射を受ける。基準光線束Ｒは、分割後、基準アーム内において、定置基準反射器３４の方向に伝搬し、そこで同様に入射方向に逆に逆反射を受ける。図示の例においては、測定反射器３３並びに基準反射器３４は再帰反射トリプルミラーとして形成されている。測定および基準反射器３３、３４から逆反射された測定および基準光線束Ｍ、Ｒは、次に、偏光光線分割器として構成された光線結合ユニット３１に到達し、そこで干渉して干渉光線束ＩＦに重ね合わされる。図１に示した実施例において、光線分割ユニット３１ないしは光線結合ユニット３１として、光線分割器立方体の単一の構造が設けられ、この中に両方のユニットが共通に形成されている。光線分割器立方体の光線分割面ないしは光線結合面３２において、光線束Ｓの、測定および共通光線束Ｍ、Ｒへの分割ないしは測定および共通光線束Ｍ、Ｒの、干渉光線束ＩＦへの再結合が行われる。干渉光線束ＩＦは、干渉計ユニット３０の出口において、さらにλ／４板３５を通過し、λ／４板は干渉光線束ＩＦのｓおよびｐ偏光部分を１つの回転Ｅフィールドベクトルに重ね合わせ、その偏光角が解析のために使用される。したがって、この実施例において、干渉計ユニット３０は偏光コーディングされた干渉計として形成されている。
【００４０】
干渉計３０に関して、図１に示したマイケルソン干渉計の形の構成は発明に対して全く重要ではないので、本発明による装置の干渉計ユニット３０において、代替干渉計変更態様および／または構成部品もまた使用可能であることを指摘しておく。したがって、それらの間で絶対距離が測定される反射器として、屈折率ｎ＝２を有する球もまた使用可能である。さらに、例えば平面鏡等の他の方法で形成された測定および基準反射器が使用可能であることもまた当然である。同様に、測定および基準光線束の分割および結合のために分離された光線分割および光線結合ユニットを有するマッハツェーンダ干渉計等が使用されてもよい。
【００４１】
干渉計ユニット３０により発生された干渉光線束ＩＦは、次に、検出ユニット４０の方向に伝搬する。検出ユニット４０により、干渉光線束ＩＦの分割ないしは後続処理は、出口側で、放射された波長λ１、λ２、λ３ごとにそれぞれ、位相がずれた複数の電気部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０、すなわち波長ごとにそれぞれ１２０°位相がずれた３つの部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０が発生するように行われる。３つの波長λ１、λ２、λ３を有するこの例において、検出ユニット４０の出口に、このとき全体として９つの部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０が存在し、これらはそれに続いて位置測定のために後続処理される。検出ユニット４０の可能な構造に関して、図７の以下の説明が参照される。
【００４２】
それに続いて、部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０の後続処理は、同様に図１に略図でのみ示した信号処理ユニット５０内で行われる。これは、異なる波長λ１、λ２、λ３の部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０から、測定反射器３３と光線分割ユニット３１の間の距離Ｌの形の絶対位置情報を決定するように適合される。これは、多波長うなり法により行われ、この場合、解析方法および信号処理ユニット５０の具体的な構成に関しては、図８の他の説明が参照される。
【００４３】
ここで、図２、３、４ａ−４ｄ、５および６により、本発明による装置内で使用される多波長光源１０が説明される。
上記のように、多波長光源１０は、ファイバレーザとして、しかもいわゆるＤＦＢファイバレーザ（ＤＦＢ、分布フィードバック）の形で形成されている。図２に示すように、ファイバレーザは、中心部品として、適切にドーピングされたファイバコアを有するレーザ作動ファイバ１３を含む。ファイバ１３内に、連結光学装置１２を介して、ファイバの正面側に、ポンプ光源１１から放射された、レーザ放射を励起するための光ポンプ光源が連結される。ポンプ光源１１として、この場合、９７６ｎｍの波長を有するポンプ光線を放射するＧａＡｌＡｓダイオードレーザの形のいわゆる半導体レーザが使用されてもよい。
【００４４】
この例においては、レーザ作動ファイバ１３は、エルビウムがドーピングされた信号モードガラス繊維として形成され、それは、適切な励起により、所定の偏光方向を有するレーザ光線を放射する。したがって、エルビウムは、多波長光源１０のこの実施例においてレーザ作動媒体として働く。このレーザ媒体は、３つの波長λ１、λ２、λ３においてきわめて狭い帯域のレーザ光線の発生を可能にし、これにより、数ｋｍの範囲内の大きなコヒーレンス長さが保証可能である。大きなコヒーレンス長さは、それに関して得られた位置測定値のノイズを最小にすることが可能であるので、特に干渉法距離測定に利用するためにきわめて有利であることがわかる。ファイバレーザとして形成された多波長光源１０の他の利点は、その簡単な製造および健全性である。
【００４５】
レーザ作動ファイバ１３内にないしはエルビウムがドーピングされたファイバコア内に、少なくとも３つのブラッグ格子が組み込まれ、ないしは記入され、ブラッグ格子は、それぞれの波長に対して、それぞれレーザ作動のために必要なレーザ共鳴器を形成するように使用される。図３の図において、符号１３．１により、個々のブラッグ格子の重ね合わせ配置から得られた格子が示されている。図２および３には詳細に示されていないファイバ１３ないしはファイバコア内のブラッグ格子は、それぞれ、二元屈折率格子として形成されている。これは、各ブラッグ格子が、ファイバ伸長方向に沿って、異なる屈折率を有する格子範囲の周期的並列配置から構成されていることを意味する。ファイバ１３内の少なくとも３つのブラッグ格子の相対配置に関して、以下に図４ａ−４ｄによりさらに説明されるように、基本的に種々の可能性が存在する。図３の例において、同じ格子長さを有する、設けられた３つのブラッグ格子は、ファイバ１３の伸長方向に沿って完全に重ね合わされて配置されている。
【００４６】
３つのブラッグ格子の格子定数ｄ１、ｄ２、ｄ３は、光線束Ｓ内において発生される３つの波長λ１、λ２、λ３に同調され、すなわち、３つのブラッグ格子は、異なる格子定数ｄ１、ｄ２、ｄ３を有する。適切に相互に同調された適切な波長λ１、λ２、λ３を選択するために、次の実施形態に補足して、図８の説明もまた参照される。３つの波長λ１、λ２、λ３において希望されるできるだけ狭い帯域の単一モードのレーザ作動を保証するために、３つのブラッグ格子の各々は、さらに、好ましくはブラッグ格子内の中心ないしは中央に設けられた、大きさπの位相ジャンプ１３．２を有する。大きさπの位相ジャンプ１３．２は、両方のブラッグ部分格子が位相ジャンプ１３．２の両側に相互に半分の格子周期だけずれていることを意味する。図３の例においてファイバ伸長方向に沿って設けられた、３つのブラッグ格子の完全に重ね合わされた配置に基づいて、全ての格子の位相ジャンプは、レーザ作動ファイバ１３の同じ位置に位置しかつ図において符号１３．２で示される。
【００４７】
可能な実施例において、３つの波長λ１、λ２、λ３は具体的に次のように選択される。
λ１＝１５６０ｎｍ、λ２＝１５４７，１１ｎｍ、λ３＝１５３４，３２ｎｍ
３つのブラッグ格子の格子定数ｄｉ（ｉ＝１．．．３）とそれぞれに付属の波長λｉ（ｉ＝１．．．３）の間の関係は、この場合、次式により得られる。
【００４８】
【数６】
2019049535.tif 000008
【００４９】
ここで、
λｉ＝放射波長
ｎｉ＝波長λｉにおけるレーザ作動ファイバの屈折率
ｄｉ＝ブラッグ格子の格子定数
ｉ＝１、２、３
したがって、エルビウムがドーピングされたレーザ作動ファイバ１３の屈折率ｎ１＝ｎ２＝ｎ３＝１，４５を用いて、上に例として与えられた波長λ１＝１５６０ｎｍ、λ２＝１５４７，１１ｎｍ、λ３＝１５３４，３２ｎｍに対して、付属のブラッグ格子の次の格子定数が得られる。
ｄ１＝５３７，９３ｎｍ、ｄ２＝５３３，４９ｎｍ、ｄ３＝５２９，０７ｎｍ
図２、３並びに６からわかるように、レーザ作動ファイバ１３は、この二分割のファイバホルダ１４内に機械的に保持される。図６の断面図に示すように、ファイバホルダ１４の下部部分は溝形状ないしはＶ形状の凹部１４．１を有し、凹部内にファイバ１３が支持される。ファイバホルダ１４の上部部分は板状に形成されかつ凹部１４．１を被覆する。
【００５０】
図２および３において、符号１７、１８によりそれぞれ固定点が示され、これらの間に、レーザ作動ファイバ１３は、ファイバホルダ１４内において張力が与えられて配置されている。その中に３つのブラッグ格子が配置され、ないしは記入されたファイバ１３のこの領域、すなわち、ファイバ１３のレーザ作動領域は、この場合、固定点１７、１８の間に設けられている。固定点１７、１８の間の範囲内において、ファイバ１３がファイバホルダ１４内にできるだけ制振されて配置されているとき、さらに有利であることがわかる。これは、図示の実施例において、ファイバホルダ１４の凹部１４．１内に、追加して、例えば粘性オイル、シリコーンまたは接着剤のような、図に示されていない制振手段が配置されることにより行われる。固定点１７、１８は、ファイバホルダ１４内のファイバ１３の適切な機械的締結の形で形成されていてもよいが、代替態様として、ファイバ１３の固定は、固定点１７、１８におけるファイバ１３の接着を介して行われてもよい。
さらに、図２および３に、それぞれ概略図で示された圧電アクチュエータユニット１５並びに温度調節ユニット１６が、ファイバ１３のレーザ作動領域に隣接して示されている。これらの部品は、以下に詳細に説明されるように、調節要素として働き、それに、制御ユニット２４が、特に所定の波長λ１、λ２、λ３を有するレーザ光線を発生させるように作用する。このために、レーザ作動ファイバ１３から放射された、ポンプ波長のフィルタリングのために予めポンプ光フィルタ１９を通過した光線束Ｓの一部が、分離素子２０により、フィルタ２２および吸収セル２１を介して光検出器２３に供給され、その出力信号が制御ユニット２４に供給される。例えばＷＤＭカップラとして形成されたポンプ光フィルタ１９を介して、場合によりまだ光線束Ｓ内に含まれているポンプ光部分がフィルタリングされ、これにより、これがそれに続く信号経路内に到達して、そこで例えば光学部品を損傷させることはない。レーザ作動ファイバ１３に作用させるために、制御ユニット２４を介して、次に、圧電アクチュエータユニット１５により、ファイバホルダ１４内に挟み付けられたファイバ１３のレーザ作動領域にかかる機械的張力が所定のように変化されてもよい。さらに、温度調節ユニット１６を介して、ファイバ１３のレーザ作動領域の温度を所定のように変化させることが可能である。さらに、希望の波長λ１、λ２、λ３の正確な周波数を保証するために、制御ユニット２４を介して、ポンプ光源１１のポンプ電流に所定の方法で作用する可能性もまた存在する。制御ユニット２４の作動方法のより詳細な説明に関しては、図５の以下の説明が参照される。
【００５１】
上記のように、この例においては、レーザ作動ファイバ１３内ないしはそのファイバコア内に、３つのブラッグ格子が組み込まれ、ないしは記入され、そのそれぞれの構成は、発生される３つの波長λ１、λ２、λ３に同調され、この場合、３つのブラッグ格子の格子定数ｄ１、ｄ２、ｄ３が適切に選択される。設けられたブラッグ格子ごとに、さらに、同様に上記のように、好ましくはブラッグ格子の中心ないしは中央に配置された、値πの位相ジャンプが設けられている。
【００５２】
この実施例において設けられた３つのブラッグ格子のレーザ作動ファイバ内における配置に関して、基本的に複数の可能性が存在する。対応変更態様は、以下に図４ａ−４ｄの概略図により説明される。個々の図の上部部分にそれぞれ、略図で、個々のブラッグ格子の重ね合わせから得られた格子を有するファイバが示され、格子は、重ね合わせ変更態様に応じてそれぞれ、異なる格子部分を有する。図の下部部分にそれぞれ、略図の形で、得られた格子内の種々の格子部分が、ファイバ内において、複数の個々のブラッグ格子のそれぞれの相対位置ないしは重ね合わせからどのように得られたかが示されている。
【００５３】
レーザ作動ファイバ内の３つのブラッグ格子の可能な配置に対する第１変更態様が図４ａに示され、この配置変更態様は、図３の実施例からのそれに対応する。図４ａの上部部分内に、３つの個々のブラッグ格子の完全に重ね合わされた配置から得られた格子が符号１３．１で示され、これはここでは大きさπのただ１つの中心位相ジャンプ１３．２を有する。図４ａの下部部分に、個々の３つのブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３が、それらがこの変更態様において相互に相対的にどのようにファイバ１３内に配置されているかに関して、きわめて概略的に示されている。３つのブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３の格子定数ｄ１、ｄ２、ｄ３のみならず、重ね合わせから得られたファイバ１３内の格子１３．１もまた、縮尺は正確ではないが、示されていることがわかる。これは、３つのブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３が、上記のように、発生される波長λ１、λ２、λ３に依存して異なる格子定数ｄ１、ｄ２、ｄ３を有することを単に原理的に表わしたにすぎない。
【００５４】
図４ａに示した変更態様において、この場合、３つのブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３はファイバ伸長方向に沿ってレーザ作動ファイバ１３内に完全に重ね合わされて配置されているように設計されている。したがって、個々のブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３の位相ジャンプは重なりかつ重ね合わせから得られたファイバ１３内の格子は中心位相ジャンプ１３．２を有する。ここでさらに、３つのブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３の重ね合わせから得られた格子１３．１内に、全長にわたり、個々のブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３の格子定数ないしは格子周波数が存在する。このように重ね合わされたブラッグ格子配置は、例えば、個々のブラッグ格子１３．１＿λ１、１３．１＿λ２、１３．１＿λ３の屈折率変調の加算的重ね合わせにより発生可能である。
【００５５】
それに続いて図４ｂ−４ｄにより説明されるレーザ作動ファイバ内の３つのブラッグ格子の配置に関する変更態様においては、図４ａからの変更態様とは異なり、それぞれ、３つのブラッグ格子がファイバ伸長方向に沿って所定のオフセット距離Ｖだけ相互にずれて配置されているように設計されている。種々の変更態様において、オフセット距離Ｖはそれぞれ異なっている。これらの変更態様において、このとき、個々のブラッグ格子の位相ジャンプは、図４ａとは異なり、ファイバ伸長方向に沿って同様に対応オフセット距離Ｖだけ相互にずれている。
【００５６】
レーザ作動ファイバ１１３内の３つのブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３の可能な配置に対する図４ｂに示した第２変更態様においては、具体的に、隣接ブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３の間にブラッグ格子１１３．１＿λｉの格子長さの０％と５０％の間のオフセット距離Ｖを設定するように設計されている。この場合、３つの異なるブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３はそれぞれ、ファイバ伸長方向に沿って同じ有効格子長さを有する。有効格子長さとは、この場合、それぞれの波長に対して作用する、格子の縦方向に沿ったブラッグ格子１１３．１＿λｉの長さと理解される。有効格子長さは、この場合、ブラッグ格子１１３．１＿λｉの機械的長さに対応せず、機械的長さと格子の尺度係数および屈折率行程との積から得られる。
【００５７】
図４ｂの例において、ブラッグ格子１１３．１＿λ２はブラッグ格子１１３．１＿λ３に対してブラッグ格子１１３．１＿λｉの有効格子長さの約２５％のオフセット距離Ｖだけファイバ１１３内において右にずれて配置され、ブラッグ格子１１３．１＿λ１は、ブラッグ格子１１３．１＿λ２に対してブラッグ格子１１３．１＿λｉの有効格子長さの約２５％だけファイバ１１３内において右にずれて配置されている。
【００５８】
したがって、ファイバ１１３内の重ね合わせから得られた格子内に、これが図４ｂの上部部分に示されているように、異なる第１、第２および第３格子部分１１３．１ａ、１１３．１ｂ、１１３．１ｃが得られる。この場合、個々のブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３の設けられた相対配置に基づいて、第１格子部分１１３．１ａは、１つの格子定数のみを備えたブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３を有する。第２格子部分１１３．１ｂは、それぞれ２つの異なる格子定数を有する２つのブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３の重ね合わせ配置から得られる。最後に、第３格子部分１１３．１ｃは、それぞれ３つの異なる格子定数を有する３つのブラッグ格子１１３．１＿λ１、１１３．１＿λ２、１１３．１＿λ３の重ね合わせ配置から得られる。
【００５９】
レーザ作動ファイバ２１３内の３つのブラッグ格子２１３．１＿λ１、２１３．１＿λ２、２１３．１＿λ３の可能な配置の他の変更態様が、図４ｃに、前の変更態様と同様に示されている。具体的に、ここでは、隣接ブラッグ格子２１３．１＿λ１、２１３．１＿λ２、２１３．１＿λ３の間にブラッグ格子２１３．１＿λｉの有効格子長さの５０％と１００％の間のオフセット距離Ｖが設けられている。すなわち、例えばブラッグ格子２１３．１＿λ２は、ブラッグ格子１１３．１＿λ３に対してブラッグ格子２１３．１＿λｉの有効格子長さの５０％だけファイバ２１３内において右にずれて配置され、ブラッグ格子２１３．１＿λ１は、ブラッグ格子２１３．１＿λ２に対して同様にブラッグ格子２１３．１＿λｉの有効格子長さの約５０％のオフセット距離Ｖだけファイバ２１３内において右にずれて配置されている。したがって、ファイバ２１３内の重ね合わせから得られた格子内に、これが図４ｂの上部部分内に示されているように、異なる第１および第２格子部分２１３．１ａ、２１３．１ｂが得られる。この場合、個々のブラッグ格子２１３．１＿λ１、２１３．１＿λ２、２１３．１＿λ３の設けられた相対配置に基づいて、それぞれ１つの格子定数のみを有するブラッグ格子２１３．１＿λ１、２１３．１＿λ２、２１３．１＿λ３の第１格子部分２１３．１ａを有する。第２格子部分２１３．１ｂは、それぞれ２つの異なる格子定数を有する２つのブラッグ格子２１３．１＿λ１、２１３．１＿λ２、２１３．１＿λ３の重ね合わせ配置から得られる。
【００６０】
レーザ作動ファイバ３１３内の３つのブラッグ格子３１３．１＿λ１、３１３．１＿λ２、３１３．１＿λ３の可能な配置に対する第４実施形態が、一方で、前記の変更態様に類似して図４ｄに示されている。ここで、この場合、隣接ブラッグ格子３１３．１＿λ１、３１３．１＿λ２、３１３．１＿λ３の間にブラッグ格子２１３．１＿λｉの有効格子長さの１００％のオフセット距離Ｖが設定される。すなわち、例えばブラッグ格子３１３．１＿λ２は、ブラッグ格子３１３．１＿λ３に対してブラッグ格子３１３．１＿λｉの有効格子長さの１００％のオフセット距離Ｖだけファイバ３１３内において右にずれて配置され、ブラッグ格子３１３．１＿λ１は、同様に、ブラッグ格子３１３．１＿λ２に対してブラッグ格子３１３．１＿λｉの有効格子長さの１００％だけファイバ３１３内において右にずれて配置されている。したがって、重ね合わせから得られたファイバ３１３内の格子内に、図４ｂの上部部分に示されているように、格子部分３１３．１ａのみが得られる。この場合、個々のブラッグ格子３１３．１＿λ１、３１３．１＿λ２、３１３．１＿λ３の設けられた相対配置に基づいて、全ての格子部分３１３．１ａは、それぞれ１つの格子定数のみを備えたブラッグ格子を有する。
【００６１】
ファイバホルダ１４内のレーザ作動ファイバ１３の配置に関して、上記の変更態様の各々において、全てのブラッグ格子がその中に存在するファイバ１３の領域は、固定点１７、１８の間に配置されることが保証されている。
【００６２】
図５の概略図により、以下に、本発明による装置の多波長光源１０に対する適切な制御が説明され、これにより、出力側に希望の３つの波長λ１、λ２、λ３が提供可能である。
【００６３】
この場合、既に図２に示された多波長光源１０の一部、すなわち、分離素子２０とポンプ光源の電源１１．１、圧電アクチュエータユニット１５および温度調節ユニット１６の形の種々の調節要素の間の信号処理が拡大された形で示されている。
【００６４】
上記のように、例えば９９：１または９０：１０の分離比を有するファイバスプリッタとして形成された分離素子２０を介して、レーザ作動ファイバから放射された光線束の一部が分離される。分離後、図５に示すように、光線領域Ａ内に、はじめに、発生された３つの実際波長λ１、λ２、λ３が存在する。分離された光線部分は、次に、フィルタ２２に供給され、フィルタは例えば干渉フィルタとして形成されかつ目標波長λ２のみを透過させる。したがって、フィルタ２２を通過した後、光線領域Ｂ内に、放射された光線束Ｓからの実際波長λ２のみが存在し、実際波長はそれに続いて吸収セル２１に供給される。吸収セル２１はアセチレンセルまたはＨＣＮセルとして形成されかつ図５の詳細Ｃ内に示された吸収線ＡＬを有する。
【００６５】
波長λ２の変動の場合、吸収線ＡＬの形はいわゆる狭いレーザニードルＬＮにより出発される。後置光検出器２３において得られた信号を波長に対して図に目盛ったとき、吸収線の形を測定する。ここで、吸収線の傾斜の中央に着目したとき、波長変化は、後置光検出器２３において、吸収セル２１の出力信号の上昇ないしは低下を導く。
【００６６】
したがって、吸収セル２１を通過した光線は、実際波長λ２と必要な目標波長λ２の間の差に対する尺度を示す。対応する光制御信号はそれに続いて光検出器２３に供給され、光検出器は光制御信号を電流信号の形の電気制御信号に変換し、電気制御信号はそれに続いて制御ユニット２４に供給される。さらに、制御ユニット２４に基準信号が供給され、基準信号は、分離素子２５により光線領域Ｂから分離された光線がそれに到達した光素子２６を介して発生される。このように、光強度の変動は制御ユニット２４内において補正可能である。
【００６７】
制御ユニット２４は例えばＰＩＤコントローラを含み、かつ設けられた１つ以上の調節要素に所定のように作用し、かつこのようにして目標波長λ１、λ２、λ３を設定するために、出力側に必要な操作量を発生する。制御ユニット２４がそれに作用する調節要素として、上記のように、ポンプ光源に対する電源１１．１、圧電アクチュエータユニット１５並びに温度調節ユニット１６が多波長光源内に設けられている。これらの各調節要素への所定の作用を介して、ファイバレーザから放射されたレーザ光線の全ての波長λ１、λ２、λ３が同時に目的どおりに変化可能である。例えば、圧電アクチュエータユニット１５によるファイバの１％の伸びは、全ての３つの波長λ１、λ２、λ３のそれぞれ１％等の変化を与える。
【００６８】
この場合、種々の時定数を調節するために、種々の調節要素が利用される。すなわち、例えば１０ｋＨｚより大きい範囲のきわめて急速な波長変動は、ポンプ光源に対する電源１１．１により調節される。１Ｈｚと１０ｋＨｚの間の範囲内の波長変動を調節するためには、圧電アクチュエータユニット１５が使用され、きわめて緩慢な波長変動を調節するためには温度調節ユニット１６が使用される。
【００６９】
したがって、希望の目標波長λ２への多波長光源の制御は、上記の概略図で示したように実行可能である。この場合、上で説明したレーザ作動ファイバの構成および全てのブラッグ格子への調節要素の同時作用に基づいて、他の必要な波長λ１、λ３に対しても制御可能であることが同時に保証されている。したがって、３つの全ての波長λ１、λ２、λ３の所定の制御が可能であり、この場合、制御ユニット２４の入力信号として、３つの波長λ１、λ２、λ３の１つのみの光信号から導かれた電気信号が機能する。これにより、３つの個々のレーザおよびここで必要な３つの制御ユニットを有する１つの光源に対して、本発明による装置においては、多波長光源の著しく単純化された制御が得られる。
【００７０】
本発明による装置の多波長光源の説明に関して、それに続いて、二分割ファイバホルダ１４内のレーザ作動ファイバ１３の断面図を示した図６が参照される。この図において、レーザ作動ファイバのファイバカバー３．３およびファイバコア１３．４並びにストレス要素１３．５が確認可能である。製造工程においてファイバ１３内にシールされたストレス要素１３．５を介して、ファイバ１３が伝送された光に対して偏光を保持するように作用することが保証されている。
【００７１】
図６に、さらに、ファイバ１３から放射されたレーザ光線の偏光軸が符号Ｅで示され、上記のように、多波長光源１０は、所定の偏光を有するレーザ光線を放射する。この例において、いわゆる緩慢な偏光軸Ｅが使用される。
【００７２】
次に、ここで、本発明による装置において使用可能な検出ユニット４０の構造が図７により説明される。
図示のように、λ／４板３５を通過した後に、回転、線形偏光されたＥフィールドから構成された、干渉計ユニットを介して発生された干渉光線束ＩＦが、検出ユニット４０に到達する。ここで、第１分割素子４１および後置された偏光素子４３を介して、干渉光線束ＩＦの、相互に位相がずれた干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０への分割が行われる。この場合、第１分割素子４１は、それに入射した干渉光線束ＩＦをはじめに空間的に分離された３つの干渉光線束に分割する反射位相格子として形成されている。偏光素子４３は、相互にそれぞれ６０°だけ回転された偏光方向を有する３つの線形偏光フィルタを含みかつ分割素子４１から分離された３つの干渉光線束はそれぞれ１２０°だけ位相がずれた干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０に変換されるように作用する。第１分割素子４１および偏光素子４２を介しての位相がずれた３つの干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０への分割は、図面平面に対して垂直に行われ、すなわち、図７の図においては、偏光素子４３の後方に存在する分割された３つの干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０は個々に確認可能ではない。３つの干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０は、次に、同様に反射位相格子の形に形成されている第２分割素子４２に到達する。第２分割素子４２を介して、位相がずれた３つの干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０の波長に依存した分割が行われ、これにより、それに続いて波長λ１、λ２、λ３ごとにそれぞれ、位相がずれた３つの部分干渉光線束、すなわち、図７には詳細に示されていない全部で９つの部分干渉光線束が存在する。部分干渉光線束は、転向素子４４および画像化光学装置４５を介して、次に検出器配列４６に到達し、検出器配列は、ここでは９つの電気光学検出器素子４６．１−４６．３を含み、この場合、図７の図においては、それらのうちの一部分のみが確認可能である。画像化光学装置４５は、この場合、個々のレンズとしてまたはレンズ配列として形成され、代替態様として、転向素子４４と組み合わされてただ１つの構成部品に形成されていてもよい。検出器配列４６ないしはその検出器素子４６．１−４６．９により、９つの部分干渉光線束が検出されかつ９つの電気部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０に変換され、これらは、次に、信号処理ユニットにおいて後続処理される。図７においては、この場合、発生された全体で９つの部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０のうちの３つの部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ３＿９０のみが示されている。
【００７３】
検出ユニット４０は、図７に示した変更態様の代わりに、ただ１つのモノリシック構成部品の形に特にコンパクトにガラスから形成されてもよい。この構成部品において、特に両方の分割素子、偏光素子、画像化光学装置並びに場合により必要な転向素子のような光学的に関連する種々の構成部品が統合されていてもよい。
【００７４】
さらに、検出ユニット４０は、この場合、このとき二次元格子として交差格子の形に形成されたただ１つの分割素子のみを含むこともまた可能であろう。さらに、第１分割方向に、例えば２μｍより小さい格子周期を有するきわめて細かい格子を介して、少なくとも３つの波長が分離される。第２分割方向に、このとき、例えば１０μｍより大きい格子周期を有する粗い格子により、少なくとも３つの部分干渉光線束が分割され、その後に、これらは、次に、このように９つの部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０を発生するために偏光素子を通過する。
【００７５】
さらに、検出ユニットの図示の変更態様の代わりに、統合されたファイバ光学的波長分割が、いわゆるＷＤＭデマルチプレクサにより行われてもよい。この場合、干渉光線束ＩＦは、はじめに、適切な分割装置を介して空間的に分離された３つの干渉光線束に分割される。それに続いて、干渉光線束は、それぞれ相互に６０°だけ回転された偏光方向を有する３つの線形偏光フィルタを含む偏光素子を通過する。これは、分割素子により分離された干渉光線束がそれぞれ１２０°だけ位相がずれた３つの干渉光線束に変換されるように作用する。これは、次に、それに続いて、レンズを介して、例えばそれぞれ１つの光ファイバに連結された２つのオフセットレンズおよび標準回折レンズを有する回折レンズ配列として実行される。すなわち、３つの干渉光線束は、３つの波長への分割を行ういわゆる波長分割マルチプレクサとそれぞれ接続された３つの別々の光ファイバに供給される。これにより、各波長分割マルチプレクサから、検出器配列の９つの検出器素子に光を導く３つの光ガイドファイバが出ている。
【００７６】
したがって、基本的に、検出ユニット４０内において、少なくとも１つの分割素子および少なくとも１つの偏光素子を介して、干渉光線束ＩＦの、少なくとも３つのグループの干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０への波長に依存した分割が行われ、この場合、干渉光線束ＩＦ９０、ＩＦ２１０、ＩＦ３３０の少なくとも３つのグループの各々はそれぞれ、位相がずれた少なくとも３つの部分干渉光線束を含む。
【００７７】
次に、部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０の後続処理および測定反射器に関する絶対位置情報の決定が、図８に略図で示した信号処理ユニット５０により行われ、その原理的構成並びに解析のために使用される方法が続いて説明される。
【００７８】
解析方法を説明するために、さらに、この例において、特に、本発明による装置の多波長光源から放射された異なる波長λ１、λ２、λ３がどのように選択されるかを説明する。
【００７９】
すなわち、はじめに、位置測定の最高増分分解能に対応する第１波長λ１が決定される。次に、２つの他の波長λ２、λ３は、次の２つの式２ａ、２ｂに従って選択される。
【００８０】
【数７】
2019049535.tif 000009
【００８１】
【数８】
2019049535.tif 000010
【００８２】
２つの式２ａ、２ｂからの値ＣＡＦ１およびＣＡＦ２は、この場合、次式により決定される。
【００８３】
【数９】
2019049535.tif 000011
【００８４】
【数１０】
2019049535.tif 000012
【００８５】
ここで、
λ１、λ２、λ３＝多波長光源の放射波長
値ＣＡＦ１およびＣＡＦ２は、１０と２００の間で選択されることが好ましい。
【００８６】
式３ａ、３ｂからの値Λ１、Λ２、Λ３は、次のように、第１合成波長Λ１、第２合成波長Λ２および第３合成波長Λ３としてもまた示され、この場合、これらの値は次式により得られる。
【００８７】
【数１１】
2019049535.tif 000013
【００８８】
したがって、第３合成波長Λ３は、第１および第２合成波長Λ１、Λ２からのうなりとして発生する。可能な実施例において、信号周期ＳＰΛ１＝０，７８μｍを用いて第１波長λ１＝１，５６０μｍが選択される。値ＣＡＦ１＝ＣＡＦ２＝１２０を用いて、これから、第１および第３合成波長Λ１、Λ３に対して、信号周期ＳＰΛ１≒９３，６μｍおよびＳＰΛ３≒１１，２３２ｍｍが決定され、この場合、再帰反射器を有するマイケルソン干渉計のこの例においては、基本的に２・ＳＰΛｉ＝Λｉおよび２・ＳＰλ１＝λ１が成立し、ここでｉ＝１．．３である。
【００８９】
信号処理ユニット５０内の解析方法において、可動測定反射器の粗位置測定後に、第１波長λ１並びに第１および第３合成波長Λ１およびΛ３により可動測定反射器と定置干渉計部品の間の絶対距離Ｌのカスケード式ないしは段階的決定が行われる。対応方法が以下に例で説明される。
【００９０】
検出ユニットから発生された部分干渉信号Ｓλ１＿９０、Ｓλ１＿２１０、Ｓλ１＿３３０、Ｓλ２＿９０、Ｓλ２＿２１０、Ｓλ２＿３３０、Ｓλ３＿９０、Ｓλ３＿２１０、Ｓλ３＿３３０は、信号処理ユニット５０内において、はじめに増幅器５１．１、５１．２、５１．３を介して増幅され、かつＡＤ変換器５２．１、５２．２、５２．３によりディジタル化される。各波長λ１、λ２、λ３に対して、次に、位相計算ユニット５３．１−５３．３を介して位相値Φλ１、Φλ２、Φλ３の計算が行われる。位相値Φλ１、Φλ２、Φλ３から、その後に、差位相計算ユニット５４．１、５４．２、５４．３により、異なる合成波長Φλ１、Φλ２、Φλ３に付属された差位相ΔΦ１２、ΔΦ２３およびΔΦが、以下に実行されるように得られる。
【００９１】
すなわち、第１合成波長Λ１に対して、付属の差位相ΔΦ１２が差位相計算ユニット５４．１を介して次式のように決定される。
ΔΦ１２＝Φλ１−Φλ２            （式５ａ）
第２合成波長Λ２に対して、差位相ΔΦ２３の決定が、差位相計算ユニット５４．２によって次式により行われる。
ΔΦ２３＝Φλ２−Φλ３            （式５ｂ）
このように決定された両方の差位相ΔΦ１２、ΔΦ２３から、次に、差位相計算ユニット５４．３により第３合成波長Λ３の差位相ΔΦが次式により決定される。
ΔΦ＝ΔΦ１２−ΔΦ２３          （式５ｃ）
上記のように決定された第１および第３合成波長Λ１、Λ３の両方の差位相ΔΦ１２並びにΔΦは、その後に、波長λ１の位相値Φλ１と同様に位置決定ユニット５５に供給される。
【００９２】
上記のように、絶対位置決定のために、はじめに、測定反射体の粗絶対位置決定が行われる。これは、例えば、干渉計ユニットの測定反射器と定置部品の間の走行時間測定を介して実行可能である。このような走行時間測定に対して、可動測定反射器に光パルスが放射されかつそれから反射された光子ＳＴＯＦは光子素子５６を介して電流パルスに変換される。光子素子５６に後置された時間ディジタル変換器ユニット５７は、電流パルスの時点したがって走行時間の正確な決定を可能にする。粗位置決定に関して、この場合、数ｍｍの範囲内の精度は十分であり、このことは、走行時間測定を介して基本的に可能である。このようにして得られた粗位置信号ＴＯＦは、次に、同様に位置決定ユニット５５に供給される。
【００９３】
位置決定ユニット５５内において、供給された信号ＴＯＦ、ΔΦ２３、ΔΦおよびΦλ１に基づいて、次に、以下に説明するように、カスケードされた形で絶対距離Ｌの決定が行われる。
【００９４】
この場合、第１ステップにおいて、行われた粗位置測定およびこのとき発生された粗位置信号ＴＯＦを介して、測定反射器の絶対位置ないしは絶対距離ＬＴＯＦが、第３合成波長Λ３の信号周期ＳＰΛ３の半分より小さい精度で、すなわち、この例においては５ｍｍより小さい精度で決定される。
【００９５】
次のステップにおいて、このとき、第３合成波長Λ３の差位相ΔΦを使用して、測定反射器の絶対距離ＬΛ３の決定が行われる。これは、次に小さい第１合成波長Λ１の信号周期ＳＰΛ１の、信号周期ＳＰΛ２の半分より小さい精度で、すなわち、この例においては４５μｍより小さい精度で行われる。この場合、絶対距離ＬΛ３は次式により決定される。
【００９６】
【数１２】
2019049535.tif 000014
【００９７】
この場合、値Ｎは、前のステップにおいて決定されたＬＴＯＦに対する値を使用して、次式により決定される。
【００９８】
【数１３】
2019049535.tif 000015
【００９９】
式６ｂ内の丸め関数Ｒｏｕｎｄを介して完全数に丸められる。
次に、それに続くステップにおいて、第１合成波長Λ１の差位相ΔΦ１２により、測定反射器の絶対距離ＬΛ１が決定される。ここで、これは、第１波長λ１の信号周期ＳＰΛ１より小さい、すなわち、この例においては３９０ｎｍより小さい精度で行われる。絶対距離ＬΛ１は、この場合、次式により決定される。
【０１００】
【数１４】
2019049535.tif 000016
【０１０１】
値Ｍは、この場合、前のステップにおいて式により決定されたＬΛ３に対する値を使用して、次式により得られる。
【０１０２】
【数１５】
2019049535.tif 000017
【０１０３】
最後のステップにおいて、次に、位相値Φλ１を使用して、絶対距離Ｌが、利用可能な最高精度で、すなわち、第１波長λ１の分解能で決定される。絶対距離Ｌは、この場合、次式により得られる。
【０１０４】
【数１６】
2019049535.tif 000018
【０１０５】
値Ｍは、この場合、前のステップにおいて式６ａにより決定されたＬΛ１に対する値を使用して、次式により得られる。
【０１０６】
【数１７】
2019049535.tif 000019
【０１０７】
このように位置決定ユニット５５内において得られた絶対距離Ｌは、次に、信号処理ユニット５０から、後続処理のための図に示されていない後続電子装置に供給可能である。
具体的に説明された実施例のほかに、本発明の範囲内において、さらに他の形態可能性が存在することは当然である。
【０１０８】
すなわち、例えば、位置決定のための適切な絶対干渉法においてこれを使用するために、多波長光源により、３つより多い異なる波長を発生することが可能である。
多波長光源内において、ただ１つのレーザ作動ファイバ内にブラッグ格子を組み込む代わりに、ファイバホルダ内に相互に平行に複数のファイバを配置しかつ各ファイバ内に１つのブラッグ格子のみを組み込むように設計されていてもよい。
【０１０９】
粗絶対位置測定のための上記の走行時間測定の代わりに、他の測定方法が使用されてもよく、例えば工作機械内に本発明による装置を使用する場合、粗位置測定のために、そこに存在する位置測定装置が使用されてもよい。
【０１１０】
さらに、レーザ作動ファイバは、エルビウムによる代わりに、例えばイッテルビウム、ツリウムまたはエルビウムおよびイッテルビウムと組み合わせるような、他のドーピング材料でドーピングされていてもよい。レーザ作動ファイバは、さらに、偏光を保持しないファイバとして並びに１つの偏光のみを導く偏光ファイバとして形成されていてもよい。
【０１１１】
同様に、それぞれ１２０°だけ位相がずれた部分干渉信号の代わりに、それぞれ９０°だけ位相がずれた４つの部分干渉信号を発生することが可能であることは当然である。
本発明による干渉法距離測定装置は、測定および／または校正の課題における上記の使用のほかに、表面の撮像測定に使用されてもよい。それぞれの表面は、この場合、測定反射器として使用されかつ分散して形成されていてもよく、このような使用の場合、そのために、測定反射器は可動に配置されていない。表面ないしは測定反射器の点状走査および表面の各点までの絶対距離の決定により、このようにして、それぞれの表面地形が検出可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  多波長光源
１１  ポンプ光源
１１．１  電源
１２  連結光学装置
１３、１１３、２１３、３１３  レーザ作動ファイバ
１３．１、１１３．１、２１３．１、３１３．１  ブラッグ格子
１３．２、１１３．２、２１３．２、３１３．２  位相ジャンプ
１３．３  ファイバカバー
１３．４  ファイバコア
１３．５  ストレス要素
１４  ファイバホルダ
１４．１  凹部
１５  圧電アクチュエータユニット
１６  温度調節ユニット
１７  固定点
１８  固定点
１９  ポンプ光フィルタ
２０  分離素子
２１  吸収セル
２２  フィルタ
２３  光検出器
２４  制御ユニット
２５  分離素子
２６  光素子
３０  干渉計ユニット
３１  光線分割ユニット、光線結合ユニット
３２  光線分割面、光線結合面
３３  測定反射器
３４  基準反射器
３５  λ／４板
４０  検出ユニット
４１  第１分割素子
４２  第２分割素子
４３  偏光素子
４４  転向素子
４５  画像化光学装置
４６  検出器配列
４６．１−４６．３  光学電子検出器素子、電気光学検出器素子
５０  信号処理ユニット
５１．１、５１．２、５１．３  増幅器
５２．１、５２．２、５２．３  ＡＤ変換器
５３．１−５３．３  位相計算ユニット
５４．１、５４．２、５４．３  差位相計算ユニット
５５  位置決定ユニット
５６  光子素子
５７  時間ディジタル変換器ユニット
Ａ  光線領域
ＡＬ  吸収線
Ｂ  光線領域
Ｃ  詳細
ｄ１、ｄ２、ｄ３  格子定数
Ｅ  偏光軸
ＩＦ  干渉光線束
Ｌ  絶対位置情報、絶対距離
ＬＮ  レーザニードル
Ｍ  測定光線束
Ｒ  基準光線束
Ｓ  光線束
Ｓλ  部分干渉信号
ＳＴＯＦ  光子
ＴＯＦ  粗位置信号
Ｖ  オフセット距離
ｘ  測定方向
λ１、λ２、λ３  波長
π  大きさ
Φλ１、Φλ２、Φλ３  位相値
ΔΦ１２、ΔΦ２３、ΔΦ  差位相
【図１】
2019049535.tif 000025
【図２】
2019049535.tif 000026
【図３】
2019049535.tif 000027
【図４ａ】
2019049535.tif 000028
【図４ｂ】
2019049535.tif 000029
【図４ｃ】
2019049535.tif 000030
【図４ｄ】
2019049535.tif 000031
【図５】
2019049535.tif 000032
【図６】
2019049535.tif 000033
【図７】
2019049535.tif 000034
【図８】
2019049535.tif 000035
【外国語明細書】
2019049535000001.pdf