(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検部材の位置および位置変化並びにこれらから導出される物理量を、ヘテロダイン干渉計により干渉測定するための方法であって、ヘテロダイン周波数を形成するためにレーザを、これから放射されるビームの周波数を変化させるために、時間的に変化するパルス状の注入電流によって変調し、放射されたビームを一方では光学偏向路を介して、他方では光学偏向路を介さずに部材へ導き、さらにそこから測定受信器に導く干渉測定方法において、
注入電流の信号波形が、そのパルス長に対して急峻な上昇エッジと、これに続く平坦部を有するようにし、
測定受信器の光電変換器で変換された信号の評価を、エッジの発生後に遅延して平坦部で初めて行う、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
信号波形は、階段状であり、エッジ部分では正弦波状または実質的に矩形状である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
注入電流は、レーザの閾値電流より下にある最小値と閾値電流より上にある最大値との間でパルス変化する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
注入電流は、レーザの閾値よりも上にある最小値とさらに上にある最大値との間でパルス変化する、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
複数のこのようなレーザ信号を時分割多重動作で、複数の測定チャネルを形成するため相互に関連させ、異なる測定チャネルのヘテロダイン信号を重ならない時間窓で形成する、請求項１から４までのいずれか１記載の方法。
【請求項６】
種々の測定チャネルに対して形成されたレーザ制御信号を共通の制御回路から送出し、測定チャネルにそれぞれ配属されたレーザダイオードを設け、
測定チャネルに共通の１つの光電変換器を設け、該光電変換器により時分割多重動作に相応して検出された信号を取り出し、続く評価回路で測定チャネルにしたがって別個に評価する、請求項５記載の適用方法。
【請求項７】
測定チャネルは種々の次元に配属されている、請求項５または６記載の適用方法。
【請求項８】
請求項１から５に記載の方法に従って動作する振動計であって、請求項６および７に記載の複数の測定チャネルが設けられている、
ことを特徴とする振動計。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は、位置および位置変化、並びにそこから導出された被検部材の物理量をヘテロダイン干渉計を用いて干渉測定する方法に関する。ここではヘテロダイン周波数を形成するために、レーザがこれから放射されるビームの周波数を変化するために、時間的に変化するパルス状注入電流によって変調され、放射されたビームは一方では光学偏向路を介し、他方では光学偏向路を介さずに部材へ導かれ、そしてそこから測定受信器へ導かれる。
この種の方法は、種々の光学装置と関連して公知である。例えばＥＰ０４２０８９７Ｂ１を参照されたい。実際の測定技術的評価に有利なヘテロダイン周波数を形成するために、ここでは半導体レーザ（レーザダイオード）から送出されるビームの周波数が時間的に変化する注入電流によって変調される。レーザから出力されるビームは２つの部分ビームに分割され、それらの一方は光学偏向路を介して、他方は光学偏向路を介さずに被検部材に導かれる。光学偏向路は例えば偏向ミラーによってまたは光導体ループによって実現される。ヘテロダイン干渉測定の詳細については、前記刊行物に示されている。
位置、位置変化、回転角、速度およびこれらから導出される物理量のヘテロダイン干渉測定のための別の構成も公知である。ここでは光学偏向路を偏向プリズムによって実現することができる。この方法および測定装置によって位置または距離差ないしここから導出される量を高精度に（例えばｍｍ領域で）測定することができる。レーザを変調するために、この公知の方法ないし測定装置の注入電流の信号形状は正弦波経過、三角形経過または鋸歯状経過を有し、この経過はパルス持続時間と比較して扁平な上昇エッジを有する。なぜなら、この種の信号形状だけが信頼性のある測定結果を得るために適切であると見なされるからである。ここでは例えば通常のヘテロダイン周波数がＭＨｚ領域にあれば、光学偏向路の典型的な長さは数１０ｃｍの領域にあり、例えば４０ｃｍである。この比較的に大きな光学偏向路は小型測定装置を得ようとする努力に反するものである。さらに光学偏向路の長さが拡大することにより、測定評価に対して必要な、評価すべき干渉パターンのコントラストができるだけ高くあるべきなのに不利には低下してしまう。この低下はコヒーレンス関数から生じ、この関数は光学偏向路の長さがΔＬで上昇するときにｅ関数の形態のコントラスト低下を有する。ここで評価は、光学系のレーザダイオードに対する逆反射によって困難となる。そのため、レーザのそれ自体、単一のモード動作が、マルチモードになる。さらにコヒーレンス関数にピーク状の経過が生じ、ｅ関数は包絡線であり、単一モードで動作する場合よりも急峻に降下する。逆反射を回避するため、レーザには例えばアイソレータを前置しなければならず、このことにより付加的コストが生じる。
別の測定方法、すなわち呼吸気の比色測定が、Review of scientific instruments,Bd.58,Nr.6 Juni 1987,923-927pp.,Lachish et al.:“Tunable diode laser based spectroscopic system for ammonia detection in human respiration”から公知である。ここでは半導体レーザが矩形状変調電流によって制御され、ゼロ信号が順次連続する光パルスの間に検出される。このことは半導体レーザの温度安定性のために行われる。
ＵＳ−Ａ４７６５７３８には、光学的受信装置の周波数応答を測定するためにヘテロダイン周波数をレーザダイオードと光学偏向路によって形成することが記載されている。ここでは半導体レーザを制御するために注入電流の矩形状変調が行われる。ここでは１０ＧＨｚまでの周波数が測定される。２０ｋｍまでの光ファイバ長が記載されている。
発明の利点
本発明の課題は、冒頭に述べた方法において、測定結果が改善され、しかも測定装置の構造が小型化され、コストがかからないように構成することである。
この課題は請求項１の構成によって解決される。これによれば、注入電流の信号波形がパルス長に対して比較的に急峻な上昇エッジと、これに続く平坦部を有する。これによれば、放射されるビームの周波数を変化させるためのレーザの通常の制御法で、急峻な上昇エッジを有する注入電流とこれに続く平坦部による矛盾した制御によって改善されたヘテロ干渉測定が得られるという驚くべき結果が示された。ここでは光学偏向路長を１ｃｍ以下に短縮することができる。このことによりコヒーレンス関数にしたがって干渉信号のコントラストが格段に改善され、測定信号の評価性も改善される。同時にシステムの寸法は格段に低減され、例えば格段に小型の偏向プリズムを測定装置の小型化のために使用することができる。このことは例えば、例えば多軸振動計の場合のよりに複数の測定チャネルによる多次元測定の際に格段に有利である。実験的構成では、寸法が従来のこの種の測定装置に比較して何倍も減少できることが示された。さらなる利点として、システムを逆反射に対して不感にすることができ、光学偏向路の長さを狭い公差内で正確に設定することができる。これによりマルチモード干渉信号の場合でも、コヒーレンス関数のピーク領域で正確な評価を得ることができ、その際に逆反射を抑圧するための面倒な措置を取る必要はない。光学偏向路の狭い公差を維持することは、光学偏向路の全体長が小さい場合、例えば１ｍｍ領域にあれば比較的簡単である。パルスの急峻なエッジの間に発生する干渉信号の不安定性を評価の際に除去するため、さらに本発明では、測定受信器の光電変換器で変換された信号の評価を、注入電流のエッジが発生した後まで遅延し、平坦部で初めて実行する。
簡単な信号波形では、例えば注入電流のパルスが矩形である。これにより、全体パルス長に比較して極端に急峻なエッジが達成される。しかし、パルス長に比較して急峻なエッジの信号波形は、例えば階段状で平坦部を有し、エッジ部分が正弦波または類似のパルス波形によっても達成される。
有利な動作形式は、注入電流がレーザの閾値電流より下にある最小値と閾値電流の上にある最大値との間でパルス状に変化することである。このようにして、パルス間の休止時にはレーザからビームが放射されなくなる。択一的に注入電流は、レーザの閾値電流の上にある最小値とその上にある最大値との間でパルス状に変化することができる。この動作形式では、レーザーから、周波数の変化するビームが放射される。
本発明の方法は有利には、このような複数のレーザ信号を複数の測定チャネルの形成のために相互に関連させると有利である。ここで種々の測定チャネルのヘテロダイン信号は相互に重ならない時間窓で形成される。さらに種々のチャネルをマルチプレクス動作に相応して評価回路で容易に分離して評価することができる。簡単な構成および簡単な評価のためには、種々の測定チャネルに対して形成されたレーザ制御信号を共通の制御回路から送出し、測定チャネルにそれぞれ配属されたレーザダイオードを設け、測定チャネルに共通の光電変換器を設け、この光電変換器により時分割多重動作に相応して検出された信号を取り出し、引き続き評価回路で測定チャネルにしたがって別個に評価すると有利である。
本発明の重要な適用は、測定チャネルが異なる次元に配属されていることである。評価回路によって位置ないし位置変化を時間を介して、例えば多軸振動計で容易に検出し評価することができる。
本発明を以下、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１の動作形成に対する注入電流の時間経過を示す線図、
図２は、第２の動作形式での注入電流の時間経過を示す線図、
図３は、時分割多重ヘテロダイン法の概略を示し、
図４は、図３の時分割多重ヘテロダイン法での測定信号の注入電流の信号波形を示す。
図１には、注入電流Ｉiの経過が時間について示されている。注入電流Ｉiは矩形信号波形を有する。すなわち、急峻な上昇エッジと引き続く平坦部をパルス毎に有する。注入電流Ｉiの最大値はレーザダイオードの閾値電流Ｉthより上にある値Ｉ1である。また最小注入電流Ｉoは閾値電流Ｉthより下にある。この矩形状に変調された注入電流Ｉiにより、ヘテロダイン周波数を形成するのに驚くほど適したレーザの周波数シフトが得られる。ここでヘテロダイン周波数を形成するのに必要な周波数シフトを行うための、第１と第２の（レーザから放射されるビームにより形成される）部分ビーム間の光学偏向路はｍｍ領域の短いもので十分である。
周波数変調レーザと光学偏向路によるヘテロダイン法に対して測定装置全体を構成することについては、冒頭に述べたＥＰ０４２０８９７Ｂ１並びにこの測定装置の従来技術を参照されたい。光学偏向路は偏向プリズムの形態のものが公知である。するこの種の公知の測定装置では、ヘテロダイン法のためにレーザの本発明による変調が適用され、これにより光学偏向路の長さが格段に縮小される。これにより格段に小型の構造が得られるだけでなく、この種の測定装置において測定評価の改善が達成される。
図２にも同じように矩形状に変調された注入電流Ｉiが示されている。ここでは図１と異なり、最小注入電流Ｉoが閾値電流Ｉthの上にある。したがってパルス休止期間でもレーザからビームが放射される。しかしこのビームは矩形パルス中に放射されるビームに対して周波数がシフトされている。
図３は、例えば３つの異なる測定次元Ｍ１，Ｍ２．Ｍ３に配属された測定チャネルにおけるヘテロダイン信号Ｈの時間経過を時分割多重ヘテロダイン法の場合で示す。ここでヘテロダイン信号Ｈは別個の時間窓で発生し、この別個の時間窓の基づいてそれぞれの測定方向Ｍ１，Ｍ２．Ｍ３を評価の際に一義的に割り当てることができる。例えば時間測定窓の持続時間はμｓの領域にある。図４には、例として第２の即低次元Ｍ２に対する変調注入電流Ｉiが示されている。第２の測定次元Ｍ２ないし第２の測定方向に対するヘテロダイン信号Ｈは矩形パルスの持続中に形成される。ここで注入電流Ｉiの矩形状経過は、図１に示された第１の動作形式の後に生じる。ここで最小注入電流Ｉoが閾値電流Ｉthより下にある。これは休止中にこの測定方向Ｍ２に対するビームの放射を阻止するためである。このことにより評価回路で測定方向ｍ２に対する一義的割り当てが簡単に行われる。
図３と図４の時分割多重ヘテロダイン法に対する測定構成では、各測定方向Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ないし各測定チャネルに別個のレーザダイオードが配属されており、レーザダイオードは時分割多重動作に相応して、時間のずれたパルスであるそれぞれの注入電流Ｉiにより制御される。測定受信器では１つの光電変換器、例えばフォトダイオードが必要なだけであり、その出力信号は時分割多重動作に相応して種々の測定方向Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の配属される。
複数の測定方向に対するこの種の時分割多重ヘテロダイン法は機械的振動計に使用すると有利である。ここで構造寸法は非常に小さく維持することができる。
時分割ヘテロダイン法によって、複数の物理量の同時測定が別の適用例でも、例えば形状測定に対する２ラムダ干渉計でも実現される。相応に多数の測定チャネルを設ければ良いだけである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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