(57)【要約】  本開示は、物体（２０）からの距離を判定する距離測定配置に関し、距離測定配置は：−  第１の波長を有する少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビーム（１２．１）、および第２の波長を有する少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビーム（１２．２）を生成する少なくとも１つの光源（１２）と、−  少なくとも第１の光ビーム（１２．１）および少なくとも第２の光ビーム（１２．２）を共通の測定ビーム（Ｍ）内へ結合しまたは組み合わせるマルチプレクサ（１４）と、−  測定ビーム（Ｍ）を基準ビーム（Ｒ）および信号ビーム（Ｓ）に分割する出力結合素子（４５）であって、基準ビーム（Ｒ）が基準経路（ＲＰ）に沿って伝播し、信号ビーム（Ｓ）が信号経路（ＳＰ）に沿って伝播する出力結合素子（４５）と、−  信号経路（ＳＰ）内に配置され、信号ビーム（Ｓ）の位相を時間周期的に変調するように構成された位相変調器（６０；１６０）とを含む。
2020519893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（２０）からの距離を判定する距離測定配置であって：
第１の波長を有する少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビーム（１２．１）、および第２の波長を有する少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビーム（１２．２）を生成する少なくとも１つの光源（１２）と、
少なくとも第１の光ビーム（１２．１）および少なくとも第２の光ビーム（１２．２）を共通の測定ビーム（Ｍ）内へ結合しまたは組み合わせるマルチプレクサ（１４）と、
測定ビーム（Ｍ）を基準ビーム（Ｒ）および信号ビーム（Ｓ）に分割する出力結合素子（４５）であって、基準ビーム（Ｒ）が基準経路（ＲＰ）に沿って伝播し、信号ビーム（Ｓ）が信号経路（ＳＰ）に沿って伝播する出力結合素子（４５）と、
信号経路（ＳＰ）内に配置され、信号ビーム（Ｓ）の位相を周期的に時間変調するように構成された位相変調器（６０；１６０）とを含む前記距離測定配置。
【請求項２】
位相変調器（６０；１６０）は、電気光変調器（６１）を含む、請求項１に記載の距離測定配置。
【請求項３】
電気光変調器（６１）は、結晶体（６２）と、該結晶体（６２）に電気的に接続された少なくとも２つの電気的に作動可能な電極（７２、７４）とを含む、請求項２に記載の距離測定配置。
【請求項４】
結晶体（６２）は、ニオブ酸リチウム結晶、リン酸二水素カリウム結晶、またはヒ化ガリウム結晶を含む、請求項３に記載の距離測定配置。
【請求項５】
結晶体（６２）は、導波路（６４）を含む、請求項３または４に記載の距離測定配置。
【請求項６】
電極（７２、７４）は、結晶体（６２）の共通の表面（６６）上に位置する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項７】
電極（７２、７４）は、導波路（６４）の長手方向に沿って互いに平行に延びる、請求項５または６に記載の距離測定配置。
【請求項８】
その中または上に位相変調器（６０；１６０）が配置される測定ヘッド（１８）をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項９】
測定ヘッド（１８）は、光ファイバによってマルチプレクサ（１４）に結合される、請求項８に記載の距離測定配置。
【請求項１０】
位相変調器（６０；１６０）は、光ファイバによってマルチプレクサ（１４）に結合される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項１１】
測定ヘッド（１８）は、光学ユニット（７８）を含み、該光学ユニットにより、信号ビーム（Ｓ）は物体（２０）へ誘導可能であり、かつ／または物体（２０）によって反射された信号ビーム（Ｓ’）は測定ヘッド（１８）内へ結合可能である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項１２】
光学ユニット（７８）に面している位相変調器（６０；１６０）の端面（８５）は、光学ユニット（７８）の光軸に対して傾斜して位置合わせされた面法線（Ｎ）を有する、請求項１１に記載の距離測定配置。
【請求項１３】
位相変調器（６０；１６０）は、信号経路（ＳＰ）内で出力結合素子（４５）と光学ユニット（７８）との間に配置される、請求項１１または１２に記載の距離測定配置。
【請求項１４】
入力結合素子（８０）をさらに含み、該入力結合素子により、基準ビーム（Ｒ）および物体（２０）によって反射された信号ビーム（Ｓ’）は、評価ビーム（Ａ）を形成するように互いに組合せ可能である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項１５】
干渉計および／または波長選択により評価ビーム（Ａ）を取り込むための検出器配置（２８）をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項１６】
測定ヘッド（１８）は、温度センサ（９０；１９０）を含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項１７】
位相変調器（１６０）は、ｎドープおよび／またはｐドープされた半導体材料、より具体的にはＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＳｉＮ、および／またはシリコンオンインシュレータの複数の層を含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の距離測定配置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の距離測定配置のための測定ヘッド（１８）であって、ハウジング（１９）、光ファイバ結合、位相変調器（６０；１６０）、および光学ユニット（７８）を含む前記測定ヘッド。
【請求項１９】
物体（２０）からの距離を判定する方法であって：
第１の波長を有する少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビーム（１２．１）を生成する工程と、
第２の波長を有する少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビーム（１２．２）を生成する工程と、
少なくとも第１の光ビーム（１２．１）および少なくとも第２の光ビーム（１２．２）を共通の測定ビーム（Ｍ）内に結合しまたは組み合わせる工程と、
測定ビーム（Ｍ）を基準ビーム（Ｒ）および信号ビーム（Ｓ）に分割する工程であって、基準ビーム（Ｒ）が基準経路（ＲＰ）に沿って伝播し、信号ビーム（Ｓ）が信号経路（ＳＰ）に沿って伝播する、分割する工程と、
信号経路（ＳＰ）内に配置された位相変調器（６０；１６０）を用いて信号ビーム（Ｓ）の位相を周期的に時間変調する工程とを含む前記方法。
【請求項２０】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の距離測定配置（１０）にデータ結合された評価ユニット（５０）またはコントローラ（２４）によって実行可能な物体（２０）からの距離を判定するコンピュータプログラムであって：
距離測定デバイス（１０）の信号経路（ＳＰ）内に配置された位相変調器（６０）を作動させるプログラム手段であって、信号ビーム（Ｓ）の位相を周期的に時間変調するように構成されたプログラム手段と、
検出器配置（２８）を用いて取り込まれた評価ビーム（Ａ）の干渉計および／または波長選択による評価のためのプログラム手段とを含む前記コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体からの距離を判定する距離測定配置、付随する測定ヘッド、および物体からの距離を判定する方法、ならびに物体からの距離を判定するコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、長い作業距離にある表面の距離およびトポロジの測定のための光ファイバ多波長干渉計を開示している。前記干渉計は、波長が光電気通信の範囲内にある２つまたはそれ以上のレーザを含む光ファイバの概念に基づいた多波長光センサを含む。ここでは、センサヘッドが、測定ビームの方向に周期的に空間変調可能である。利用されるレーザの光信号は、マルチプレクサによって共通のファイバ内で組み合わせられ、センサヘッドへ案内される。
【０００３】
ここで、測定ビームの空間変調が、圧電アクチュエータを用いて実施され、したがって圧電アクチュエータは、センサの可動構成要素である。測定ビームの周期的な空間変調のために、センサ内で適切な機械的運動を加えなければならない。これらの機械的運動は、機械的な理由のため、振幅および頻度に関して限定される。さらに、センサの構成要素部材または構成要素を機械的に動かすと、常に振動をもたらし、この振動は特定の状況下で、技術的な測定上の問題および／または可聴ノイズの発生を招くことがあり、場合によりうるさいと知覚されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＤＥ１０２００８０３３９４２Ｂ３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これに関連して、目的は、構成要素を可能な限り機械的に動かすことなく実施可能であり、あまりノイズを発生させず、装置の技術的な観点から比較的容易に実施および作動させることができる、距離の判定ならびに／または表面からの距離および／もしくは表面のトポロジを定量的に取り込むための改善された距離測定配置を提供することである。さらなる目的は、距離測定配置を用いて測定予定の物体までの距離、または探知予定の物体の表面トポロジの精度および正確さを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１に記載の距離測定配置、請求項１７に記載の物体からの距離を判定する方法、および請求項１８に記載のコンピュータプログラムによって実現される。ここで、有利な実施形態は、各々の場合の従属請求項の主題である。
【０００７】
この点に関して、物体からの距離を判定する距離測定配置が提供される。距離測定配置は、第１の波長を有する少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビームを生成する少なくとも１つの第１の光源を含む。さらに、光源は、第２の波長を有する少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビームを生成するように構成される。第１および第２の波長は異なる。さらに、光源は、各々の場合に干渉可能なさらなる単色光ビーム、たとえば第３および／または第４の単色光ビームを生成するように構成することができる。好ましくは、光源は、１５２０ｎｍ〜１６３０ｎｍの光電気通信範囲内で干渉可能な単色光ビームを生成するように、またはいわゆるＳ、Ｃ、もしくはＬバンド内に位置することができる波長を生成するように構成される。
【０００８】
さらに、距離測定配置は、少なくとも第１の光ビームおよび少なくとも第２の光ビームを共通の測定ビーム内で接続または組合せまたは重畳するマルチプレクサを含む。マルチプレクサを用いて、少なくとも第１の光ビームおよび少なくとも第２の光ビームを互いに組合せまたは互いに重畳し、共通の測定ビームを形成することができる。したがって、測定ビームは、第１の波長および第２の波長のスペクトル成分を含む。第１の光ビームおよび第２の光ビームは、共通の測定ビーム内で重畳される。共通の測定ビーム内では、少なくとも第１の光ビームおよび少なくとも第２の光ビームが、事実上完全な横断方向の範囲内を平行に伝播する。
【０００９】
光源が異なる波長を有する複数の光ビーム、すなわち最大３つ、４つ、またはさらにそれ以上のさらなる光ビームを生成するように構成される場合、これらの光ビームは同様に、同じマルチプレクサを使用して共通の測定ビーム内へ結合され、または共通の測定ビーム上で重畳される。すなわち、測定ビームは、異なる波長の少なくとも２つの光ビームを含むことができるが、異なる波長の３つもしくは４つもしくはさらにそれ以上の光ビームを含むこともでき、または前記測定ビームは、異なる波長を有するそのような光ビームの重ね合わせによって形成することができる。
【００１０】
さらに、距離測定配置は、マルチプレクサによって生成された測定ビームを基準ビームおよび信号ビームに分割する出力結合素子（ｏｕｔｐｕｔ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。ここで、基準ビームは、基準経路に沿って伝播する。ここで、信号ビームは、信号経路に沿って伝播する。基準経路および信号経路は、出力結合素子を用いて互いから分離される。典型的には、信号経路は、出力結合素子から物体へ延びる。典型的には、信号ビームは、物体で反射される。典型的には、反射信号ビームは、信号経路に沿って後方伝播する。典型的には、信号経路および基準経路は、入力結合素子を用いて再び統合され、したがって基準ビームと物体によって反射された信号ビームとを互いに干渉させることができる。検出器配置は、これらの干渉しているビーム、具体的には基準ビームおよび物体によって反射された信号ビームを、干渉計および／または波長選択によって取込み可能にする。
【００１１】
さらに、距離測定配置は、信号経路内に配置され、信号ビームの位相を周期的に時間変調するように構成された位相変調器を含む。周期的時間変調は、不変の変調、または所定の時間関数、すなわち経時的な信号ビームの位相の変化に相応に従う時間変調を容易にする。
【００１２】
したがって、信号ビームの位相の周期的時間変調に応じて、反射信号ビームおよび基準ビームの干渉も変化する。これにより、基準ビームおよび物体によって反射された信号ビームの重ね合わせから生じる干渉信号の干渉計および／または波長選択による取込みおよび評価が簡略化および改良される。信号ビームの位相の周期的時間変調は、典型的には、距離測定配置のコントローラによって実施される。
【００１３】
評価ビーム、すなわち基準ビームおよび物体によって反射された信号ビームの重ね合わせを干渉計および／または波長選択により取り込むための検出器配置が、信号ビームの位相の周期的時間変調によって、干渉パターンの時間平均強度を探知することができる。時間平均強度の検出は、検出器配置の場所における基準ビームの位相に対する反射信号ビームの相対位相に関する正確かつ精密な結論を引き出すことを可能にする。これにより、起こりうる外部の邪魔な影響および測定技術によって引き起こされる位相測定の公差を計算によって補償することが可能になる。
【００１４】
反射信号ビームと基準ビームとの間の相対位相は、周期的に変調されている、すなわち所定の連続反復機能に応じて時間変化させられている信号ビームの位相によって、位相変調器を用いて、ますます正確に探知することができる。これにより、物体からの距離の判定の正確さが改善される。測定予定の物体からの距離は、基準ビームと物体によって反射された信号ビームとの間の相対位相から明らかになる。
【００１５】
位相変調器は、機械的に動く構成要素を有していないため、信号ビームの位相を比較的高周波で変調することができる。位相変調器は、１ｋＨｚを上回る周波数、２ｋＨｚを上回る周波数、３ｋＨｚを上回る周波数、５ｋＨｚを上回る周波数、または１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、もしくは１００ｋＨｚより大きい周波数を有する信号ビームの位相を変調するように実施されることを提供することができる。そのような高速位相変調は、距離測定の精度および測定速度のさらなる改善に寄与することができる。
【００１６】
さらに、位相変調器を用いた位相変調の振幅を、所定の量だけ増大させることができる。２π、４π、６π、８π、およびそれ以上より大幅に大きい位相変調を得ることができる。
【００１７】
例として、周期的時間変調は、正弦波変調を含むことができる。さらに、位相の鋸波または方形変調も考えられる。特に、位相変調器は、信号ビームの位相を途切れなく連続して変調、すなわち変化させるように構成される。
【００１８】
特に、位相変調器は、測定ビームから分岐した信号ビームと、物体によって反射された信号ビームとを周期的に時間変調するように構成することができる。物体へ誘導された信号ビームおよび物体によって反射された信号ビームが、反対の方向に位相変調器を通過した場合、信号ビームまたは反射信号ビームの位相変調を、基準ビームに関連してさらに増大させることができる。
【００１９】
距離測定配置のさらなる構成によれば、位相変調器は、電気光変調器ＥＯＭを含む。特に、電気光変調器は、電気的に作動可能である。信号ビームの位相または反射信号ビームの位相は、距離測定配置の作動の電気制御信号の支援によって、電気光変調器を用いて標的を定めて時間変調または変化させることができる。電気光変調器は、ポッケルス効果またはカー効果を利用することによって、信号ビームの位相または反射信号ビームの位相を変調するように構成することができる。電気光変調器は、ＤＣ電気光変調器またはＲＦ電気光変調器として構成することができる。
【００２０】
それに対する代替として、位相変調器はまた、音響光学位相変調器を含むことができ、または音響光学位相変調器として構成することができる。加えて、位相変調器は、位相を変調する構成要素部材として、液晶セルを含むことができる。
【００２１】
さらなる構成によれば、位相変調器は、電流注入位相変調器または熱光学位相変調器として構成することができる。電流注入位相変調器は同様に、電気光学効果に基づいている。しかし、電流注入位相変調器は、電流注入によって誘起される。電流注入位相変調器は、効率が増大するが変調速度を損ねることによって区別される。
【００２２】
熱光学位相変調器は、温度に応じた屈折率の変化に基づいている。温度は、位相変調器の導波路上、導波路付近、および／または導波路沿いに配置された加熱素子への電流供給によって実施することができる。熱光学位相変調器は、たとえばフォトニック集積回路として実施することができる。例として、そのような位相変調器は、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、またはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ベースの実施することができる。
【００２３】
１８０°の位相シフトを得るためには、ＳｉＮベースの熱光学位相変調器内へ０．５Ｗを誘起することが必要である。ＩｎＰベースまたはＳＯＩベースの熱光学位相変調器は、位相シフトおよび／または屈折率変化に関してはるかに高い効率を有する。これらは、ＩｎＰベースおよびＳＯＩベースの位相変調器に対してほぼ同等である。
【００２４】
さらなる構成によれば、電気光変調器は、結晶体と、結晶体への電気接続を有する少なくとも２つの電気的に作動可能な電極とを含む。典型的には、電極は、距離測定配置のコントローラに電気的に接続される。コントローラは、電極で実行予定の位相変調に対応する電圧または電流を提供するように構成され、したがって結晶体は、電極によって印加されたそれぞれの優勢な電界に応じて、その屈折率を変化させる。
【００２５】
結晶体を通って伝播する信号ビームの位相および／または物体で反射された信号ビームの位相は、結晶体の電気的に誘起された屈折率変化によって、要件に応じて変調可能である。結晶体の屈折率変化は、電極によって結晶に電界が印加されると、事実上遅延なく変動することができる。この点に関して、少なくとも１ｋＨｚだけでなく１０ｋＨｚを上回る範囲内の比較的高い変調周波数を問題なく実現することができる。
【００２６】
さらなる構成によれば、結晶体は、異方性結晶構造を有する。特に、結晶体は、複屈折構成を有することができる。結晶体は、異なる結晶軸に沿って異なる屈折率を有することができる。１つの屈折率または様々な屈折率は、相変化または位相変調を得るために、物体に電界を印加することによって変動させることができる。
【００２７】
さらなる構成によれば、結晶体は反転対称ではない。特に、結晶体は、ポッケルス効果とも呼ばれる線形の電気光学効果を示す結晶クラスに属する。屈折率の変化または複屈折の変化は、結晶体に印加される電界の変化とともに線形に変化する。さらなる構成によれば、結晶体は、光屈折結晶を含むことができる。光屈折結晶は、結晶に作用する光強度に応じて、その屈折率を局所的に変化させる。
【００２８】
さらなる構成によれば、結晶体は、ニオブ酸リチウム結晶、リン酸二水素カリウム結晶、またはヒ化ガリウム結晶を含む。ニオブ酸リチウム結晶は、特に電気光変調器、より具体的には位相変調器の実装に適している。
【００２９】
さらなる構成によれば、結晶体は導波路を含む。導波路は、結晶体の結晶構造内へ拡散させることができる。拡散によって導入された導波路は、チタン拡散または陽子交換によって、結晶体、たとえばニオブ酸リチウム結晶内へ導入することができる。導波路は、拡散された導波路として構成する必要はない。例として、導波路はまた、第ＩＩＩ−Ｖ族半導体をドープすることによって生成することができる。
【００３０】
導波路は、信号ビームおよび／または物体によって反射された信号ビームが結晶体を通って伝達されることを制御するための働きをする。導波路によって、信号ビームが結晶体を通って伝播する間に制御されずに発散することを回避することができる。信号ビームの横断方向範囲は、導波路を通って伝播する間もほぼ一定のままである。
【００３１】
信号ビーム、物体へ誘導される信号ビーム、および／または物体によって反射された信号ビームの強度損失を可能な限り最小まで低減させることも可能である。
【００３２】
さらなる構成によれば、電気光変調器は、特に横断方向の幾何形状で動作する。すなわち、電気的に作動可能な電極は、結晶体を通るビーム伝播に対して横断方向に、結晶体の一方の外面上または両方の外面上に位置する。原則的に、２つの電極が結晶体の両方の外面に位置することが考えられ、したがって電極間の電界線は、結晶体を通って横断方向に、すなわち信号ビームの伝播方向に直交して延びる。
【００３３】
さらなる構成によれば、これらの電極は、結晶体の共通の表面上に位置する。例として、これらの電極は、結晶体の共通の頂面上に位置することができる。２つの電極は、典型的には、結晶体の同じ表面上に位置する。そのような配置は、特に結晶体を通って延びる導波路と組み合わせると有利である。これにより、電界線が横断方向に導波路を横切って電極間に延びることを確実にすることができる。
【００３４】
さらなる構成によれば、導波路は、電極が位置する結晶体の表面に隣接する。さらに、導波路は、結晶体の表面に沿って延びる。導波路の表面付近の配置は、製造の観点から比較的容易に実施することができる。これは特に、導波路が拡散、たとえばチタンの拡散、または陽子交換によって生成される場合に当てはまる。特に、電極は結晶体のうち導波路も延びる側と同じ側に位置することが提供される。実現することができることは、たとえば電極間に弧状に延びる電界線が、導波路を通って横断方向に延びることである。したがって、必要とされる屈折率変調は、電極に印加される電圧に比例して変えることが可能であり、導波路内で生成することができる。
【００３５】
さらなる構成によれば、電極は、互いに平行に延びる。さらに、電極は、導波路の長手方向に平行に延びる。したがって、電極は、導波路の長手方向に結晶体の表面に沿って延びる。電極が互いに対しても導波路に対しても平行に延びることで、導波路に沿って一定の電界の形成を容易にする。これにより、印加電圧によって屈折率変化または位相変調を特にうまく修正および制御することが可能になる。
【００３６】
さらなる構成によれば、導波路は、第１の電極と第２の電極との間に配置される。したがって、たとえば電極間の導波路の対称の配置が提供される。導波路は、２つの電極間のほぼ中心に位置することができる。同様に、導波路が第２の電極より第１の電極の近くに配置される非対称の構成、またはその逆に導波路が第１の電極より第２の電極の近くに配置される非対称の構成も考えられる。
【００３７】
さらなる構成によれば、距離測定配置は、その中または上に位相変調器が配置される測定ヘッドをさらに含む。特に、位相変調器は、可能な限り物体に近接して配置されることが提供される。信号ビームまたは物体によって反射された信号ビームは、位相変調器と物体との間を自由に伝播することができる。信号ビームおよび／または物体によって反射された信号ビームの自由な伝播経路は、測定予定の物体の方へ位置合わせされた測定ヘッド内に位相変調器を配置することによって、最小まで低減させることができる。これにより、起こりうる外部の邪魔な影響を最小にすることができる。
【００３８】
さらなる構成によれば、測定ヘッドは、光ファイバによってマルチプレクサに結合される。さらに、測定ヘッドから光源への連結は同様に、光ファイバによって実施することができる。光源は、光ファイバによってマルチプレクサに結合することができる。さらに、マルチプレクサは、光ファイバによって測定ヘッドに結合することができる。出力結合素子もまた、光ファイバの実装を有することができ、したがって少なくとも第１の光ビームおよび少なくとも第２の光ビーム、これらの光ビームから形成された測定ビーム、ならびに基準ビームは、完全に１つまたはそれ以上の光ファイバ内を案内される。
【００３９】
測定ビームから出力結合された信号ビームおよび物体によって反射された信号ビームのみが、自由に伝播することができる。出力結合素子は同様に、測定ヘッド内へ一体化することができ、したがって測定ビームから基準ビームおよび信号ビームへの分割は、測定ヘッド自体でのみ実施される。これにより、測定ヘッドの比較的簡単で無制限の取扱いが容易になる。測定ヘッドからマルチプレクサ、光源、および検出器配置への光ファイバ結合のため、前記測定ヘッドを空間内で自由に動かすことができ、これにより、干渉計および／または波長選択による評価ビームの取込みに不都合な影響は生じない。
【００４０】
さらなる構成によれば、位相変調器は、光ファイバによってマルチプレクサに結合される。それに加えて、またはその代替として、位相変調器は、信号経路および／または基準ビームを案内するファイバに直接結合することができ、前記ファイバに機械的に接続することができる。したがって、たとえば、位相変調器に面しているファイバ端は、位相変調器に直接機械的に接続することができる。該当するファイバ端および位相変調器は、たとえば接着剤を用いて互いに接続することができる。接着剤は、ファイバと位相変調器との間、特にファイバと位相変調器の導波路との間で屈折率整合を行ういわゆる屈折率整合接着剤とすることができる。
【００４１】
ファイバ端と位相変調器との間の自由なビーム伝播は、ファイバ端および位相変調器の直接結合によって回避される。これは、組立ての観点からも保守の目的でも有利である。加えて、ファイバと位相変調器との間の遷移部では、起こりうる入力結合および出力結合の損失を低減させることができる。これにより、信号品質および／または信号評価の改善をもたらすことができる。
【００４２】
ファイバ端と位相変調器との間の直接光結合は、特に、ファイバ端および位相変調器の両方が配置される距離測定配置、特に測定ヘッドを小型化するのに適している。ファイバから位相変調器への直接結合は、測定ヘッド内の位相変調器の一体化された光学構成要素の使用および／または光学的に一体化された構成をさらに容易にする。
【００４３】
距離測定配置のさらなる構成によれば、測定ヘッドは、光学ユニットを含み、この光学ユニットにより、信号ビームは物体へ誘導可能であり、かつ／または物体によって反射された信号ビームは測定ヘッド内へ結合可能である。有利には、光学ユニットは、信号ビームを物体に印加し、かつ物体によって反射された信号ビームを測定ヘッド内へ結合するように構成される。したがって、測定ヘッドおよびその光学ユニットは、反射の幾何形状を使用して、測定ヘッドと物体との間の距離を測定するように構成される。単一の光学ユニット、たとえば視準レンズのみの使用および実装は、物体に対する測定ヘッドの位置決めを容易にし、これは実際的な観点から取扱いが容易である。光学ユニットを使用して、測定ヘッドを物体から実際的な距離をあけて、たとえば数センチメートルの距離をあけて配置することができ、したがって、距離を測定する目的、または物体の表面および／もしくは物体面のトポロジを測定するために物体の表面を走査する目的で、測定ヘッドと物体との間の接触を確実に防ぐことができる。
【００４４】
さらなる構成によれば、位相変調器は、光学ユニットに面している端面を含み、この端面は、光学ユニットの光軸に対して傾斜して位置合わせされた面法線を有する。位相変調器の該当する端面と光学ユニットとの間には、空間が位置することができる。位相変調器の放出面または端面を光学ユニットの光軸に対して傾斜させて位置合わせした結果、端面から光学ユニットの方向に生じる信号ビームの後方反射を、光軸に対して所定の傾斜角で位相変調器内へ後方反射することができ、前記後方反射は常に端面で生じる。したがって、この後方反射は、物体から後方反射されて位相変調器内へ結合された信号ビームから離れて位置する。したがって、位相変調器の出力における後方反射による測定信号または信号ビームの減損を事実上回避または低減させることができる。
【００４５】
面法線と光軸との間の傾斜角は、典型的には、３°〜１０°である。この傾斜角は、４°〜８°、別法として４°〜６°とすることができる。好ましくは、この角度は約５°である。
【００４６】
したがって、位相変調器は、立方形または方形の幾何形状を有し、同様に、光学ユニットの方へ傾斜した端面の面法線と光学ユニットの光軸との間の傾斜角に応じて、センサヘッドのハウジングの長手方向範囲に対して傾斜して位置合わせされることを提供することができる。異なる表現をすると、位相変調器は、長手方向範囲を備えた幾何形状を有することができ、指定の傾斜角に応じて、光学ユニットの光軸に対して傾斜させて位置合わせすることができる。位相変調器の放出面が傾斜しているため、測定ヘッド内の光軸は、位相変調器の放出面の領域内に幾何学的なねじれを有する。
【００４７】
光学ユニットに面している位相変調器の放出面または端面の面法線は、位相変調器、たとえばその結晶体またはその層構造の長手方向軸に対して傾斜させて位置合わせすることができる。位相変調器の長手方向軸と放出面の面法線との間の傾斜角は、面法線と下流の光学ユニットの光軸との間の傾斜角と実質上同一とすることができる。
【００４８】
さらなる構成によれば、位相変調器は、信号経路内で出力結合素子と光学ユニットとの間に配置される。たとえば、出力結合素子によって測定ビームから出力結合された信号ビームを位相変調器内へ可能な限り損失なく直接結合するために、出力結合素子は位相変調器の入力に直接配置されることを提供することができる。しかし、出力結合素子によって測定ビームから出力結合された信号ビームは、特定の経路を介して自由に伝播し、たとえば、出力結合素子に面している結晶体の導波路の端部内へ結合されることも考えられる。
【００４９】
距離測定配置のさらなる構成によれば、距離測定配置は、入力結合素子を含み、入力結合素子により、基準ビームおよび物体によって反射された信号ビームは、評価ビームを形成するように互いに組合せ可能である。基準ビームおよび反射信号ビームは空間内で重畳可能であり、したがって特に、これらの２つのビームは、ともに伝播して検出器配置によって取込み可能または検出可能である。基準ビームおよび反射信号ビームによって形成された評価ビームは、出力結合素子と物体との間の距離とともに変化する干渉パターンを形成する。基準ビームと物体によって反射された信号ビームとの間の干渉を測定すること、または干渉のデータを取り込むことで、出力結合素子と信号ビームを反射した物体の表面との間の距離を判定することが可能になる。
【００５０】
さらなる構成によれば、距離測定配置は、干渉計および／または波長選択により評価ビームを取り込むための検出器配置をさらに含む。特に、検出器配置は、デマルチプレクサを含むことができ、デマルチプレクサにより、異なる波長を有する少なくとも第１の光ビームおよび少なくとも第２の光ビームを互いから分離可能である。基準ビームは、それぞれ第１の波長および第２の波長を有する少なくとも第１および第２の部分基準ビームを含む。同じことが、信号ビームおよび物体によって反射された信号ビームにも当てはまる。第１の波長を有する部分信号ビームは、第１の波長を有する部分基準ビームと干渉する。第２の波長を有する部分信号ビームは、第２の波長を有する部分基準ビームと干渉し、以下同様である。第１および第２の波長とは異なる第３および第４の波長を有する第３および第４の部分信号ビームはまた、第３および第４の波長を有する第３および第４の部分基準ビームとそれぞれ干渉することができる。
【００５１】
デマルチプレクサおよび下流の検出器配置は、対応する評価ビーム、したがって評価ビームの異なるスペクトル成分を別個に、したがって波長選択的に取り込むことを可能にする。この点に関して、検出器配置は、複数の光検出器、たとえばフォトダイオードまたは類似の感光センサを含むことができ、各光検出器は、所定の波長に対する評価ビームの干渉を検出するように実施される。
【００５２】
距離測定配置は、評価ビームの多数の異なる波長またはスペクトル成分を干渉計および／または波長選択によって同時に取り込む結果、比較的大きい測定範囲を有することができる。異なる波長に基づく複数の干渉パターンの組合せは、距離測定配置の測定範囲を数センチメートルまで増大させる。この点に関して、距離測定配置は、ヘテロダイン干渉計として構成することができる。
【００５３】
物体からの距離を探知する異なる波長を有する複数の光ビームが提供される。しかし、個々の光ビームの干渉は別個に測定および検出される。物体からの距離を判定する目的で、異なる波長に基づいて測定された個々の干渉が互いに組み合わせられる。
【００５４】
さらなる構成によれば、測定ヘッドは、温度センサを含む。特に、温度センサは、検出器配置または距離測定配置のコントローラに信号接続することができる。起こりうる温度の影響は、温度センサを用いて測定することができる。温度を測定することで、感温性または温度依存性の距離測定を容易にする。例として、温度測定を用いて、起こりうる温度作用の演算による補償を実施することができる。
【００５５】
例として、温度センサは、たとえば動作中に位相変調器内の温度変化を測定することを可能にするために、ブラッグ格子、より具体的にはファイバブラッグ格子を含むことができる。温度センサは、位相変調器および／または測定ヘッドのハウジングに熱結合することができる。
【００５６】
測定された温度変化を計算によって補償することができ、またはセンサヘッドは、測定された温度に応じて距離測定配置のコントローラによって作動可能な冷却および／もしくは加熱素子、たとえばペルティエ素子を備えることができる。この点に関して、コントローラは、位相変調器で測定された温度に応じて、測定ヘッドの温度を調整するように、特に前記温度を一定に保つように構成することができる。
【００５７】
さらなる構成によれば、位相変調器は、ｎドープおよび／またはｐドープされた半導体材料、より具体的にはＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＳｉＮ、またはシリコンオンインシュレータの複数の層を含む。そのような半導体材料は、位相変調器のさらなる小型化を容易にする。個々の半導体層は、位相変調器を形成する目的で、特に従来の被覆方法、たとえば化学気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ促進化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、および／またはスパッタリングなどを用いて、キャリア基板上に配置することができる。
【００５８】
特に、位相変調器は、様々な第ＩＩＩ−Ｖ族材料、すなわち主族３および５からなる材料の組合せ、たとえばＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓの複数の層の組合せを有することができ、各材料は、異なるドーピング（ｎおよびｐ）ならびに異なるドーピング密度を有する。例として、位相変調器は、電気光学効果を提供する第ＩＩＩ−Ｖ族半導体の接合を有することができ、次いで印加電圧によって、たとえば上下または横からの接触によって、該当する層の屈折率の変調を引き起こす。
【００５９】
半導体材料に基づく位相変調器の使用は、位相変調器の一体化された製造および位相変調器からファイバへの連結を容易にする。したがって、位相変調器は、フォトニック集積回路によって提供することができ、またはフォトニック集積回路内へ一体化することができる。半導体材料は、チップ、たとえば一体化された光および／またはフォトニックチップの形態の位相変調器の提供をさらに容易にし、このチップは、位相変調器または測定ヘッドの一体化された光学構成に対する構成要素として作用することができる。フォトニック集積回路および／または位相変調器は、フォトニックチップの形態で存在することができる。
【００６０】
指定の半導体材料は、比較的低い電圧を印加しながらも、比較的大きい屈折率の変調を提供することができる。長さ約２〜３ｍｍの半導体材料ベースの位相変調器の場合、１８０°の位相シフトには５〜８Ｖの電圧で十分である。ニオブ酸リチウムによる同等の作用は、約３〜４倍長い結晶を必要とする。
【００６１】
特に、位相変調器は、フォトニック一体構造として構成することができる。半導体ベースで提供される位相変調器は、位相変調器の長手方向に沿って延びる導波路または導波構造をさらに含むことができる。
【００６２】
さらなる構成によれば、特に半導体技術に基づく位相変調器に対して、スポットサイズ変換器を提供することができ、前記スポットサイズ変換器は、変調器に面しているファイバ端とファイバ端に面している位相変調器の入力側との間に配置される。例として、位相変調器またはその導波路は、３μｍ〜１０μｍのビーム幅（ＦＷＨＭ）を有するビームに対して設計することができる。スポットサイズ変換器は、可能な限り損失なく、ファイバと位相変調器との間の結合を提供することができる。スポットサイズ変換器はまた、位相変調器の出力側、すなわち測定ヘッドの光学ユニットに面している側に、さらに配置することができる。位相変調器およびスポットサイズ変換器はどちらも、フォトニックチップ内に一体化することができる。
【００６３】
さらなる態様では、本発明はさらに、上述した距離測定配置のための測定ヘッドに関する。測定ヘッドは、ハウジング、光ファイバ結合、位相変調器、および光学ユニットを含む。特に、距離測定配置の位相変調器は、前記測定ヘッド内にのみ配置され、前記測定ヘッド内に一体化される。測定ヘッドの光ファイバ結合は、残りの距離測定配置に対する光ファイバの接続および分離を容易にする。これにより、１つの同じ距離測定配置が異なる測定ヘッドを備えることが可能になる。特に、距離測定配置は、複数の測定ヘッドを有するように構成することができ、各測定ヘッドは異なる構成を有する。これらは、特有の光学構成、特にそれぞれの位相変調器のタイプに関して、互いに異なることができる。
【００６４】
位相変調器ならびに／または測定ヘッドおよび／もしくは測定ヘッドの光学ユニットに関する距離測定配置の上述した機能はすべて、別個に考慮されることが意図される測定ヘッドにも等しく当てはまる。
【００６５】
さらなる態様によれば、物体からの距離を判定する方法がさらに提供される。ここで、この方法は、第１の波長を有する少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビームを生成する工程と、第２の波長を有する少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビームを生成する工程とを含む。ここで、第１および第２の波長は異なる。さらなる工程では、少なくとも第１の光ビームおよび少なくとも第２の光ビームは、共通の測定ビーム内で互いに結合されまたは組み合わされる。したがって、共通の測定ビームは、複数のスペクトル成分を含み、各スペクトル成分は、単独で考慮されたときに干渉することが可能である。
【００６６】
次に、測定ビームは、基準ビームおよび信号ビームに空間分割される。基準ビームは基準経路に沿って伝播し、信号ビームは信号経路に沿って伝播する。さらに、この方法は、位相変調器を用いて信号ビームの位相を周期的に時間変調する工程を含む。位相変調器は、信号経路内に配置される。
【００６７】
典型的には、この方法は、上述した距離測定配置を使用するときに必ず実施されるさらなる工程をさらに含む。特に、この方法は、上述した距離測定配置を使用して実施されること、および上述した距離測定配置は、上述した方法を実施するように実施されることが提供される。この点に関して、距離測定配置の上述した構成、利点、および説明した機能はすべて、ここに提供した方法にも等しく当てはまり、逆も同様である。
【００６８】
この方法は、物体によって反射された信号ビームおよび基準ビームを組み合わせて評価ビームを形成する工程をさらに含むことができる。反射信号ビームは同様に、位相変調器を通って伝播し、したがってさらなる位相変調を受けることができる。このように形成された評価ビームは、最終的にその個々のスペクトル成分に分割することができ、これらのスペクトル成分は、単独で考慮されたときに干渉可能である。次に、別個の検出器を用いて、評価ビームの個々のスペクトル成分を検出することができる。
【００６９】
検出器は、典型的には、評価ビームまたはそのスペクトル成分の強度を測定するように実施される。評価ビームは、基準ビームと反射信号ビームとの間の干渉パターンまたは位相情報をさらに保持する。この変化はまた、検出器配置の検出器において、信号ビームの位相が位相変調器を用いて変調、したがって周期的に時間変調、すなわち変化させられることによって認識可能である。
【００７０】
さらなる構成によれば、評価ビームまたはそのスペクトル成分は、信号ビームの位相が変調されている間、時間平均でまたは所定の期間にわたって検出されることが特に提供される。したがって、検出器を用いて取り込まれる評価ビームのこの時間平均強度は、反射信号ビームと基準ビームとの間の相対位相角の特に精密な測定を容易にする。これにより、位相測定の精度、したがって距離測定の精度を増大させることができる。
【００７１】
位相変調器を用いて行われる特有の位相変調は、必然的に距離測定配置のコントローラにも知られる。これは、干渉計および／または波長選択による評価ビームの取込みおよび評価中に考慮される。
【００７２】
さらなる態様によれば、本発明はさらに、物体からの距離を判定するコンピュータプログラムに関する。ここで、コンピュータプログラムは、データ伝達のために上述した距離測定配置に結合された評価ユニットまたはコントローラによって実行可能である。コンピュータプログラムは、距離測定デバイスの信号経路内に配置された位相変調器を作動させるプログラム手段を含む。
【００７３】
位相変調器を作動させるプログラム手段は、信号ビームの位相を周期的に時間変調するように構成される。特に、プログラム手段は、信号ビームの位相を絶えず連続して変調するように実施される。例として、プログラム手段は、信号ビームの位相を正弦波的および／または時間周期的に変調するように構成される。コンピュータプログラムは、検出器配置を用いて取り込まれた評価ビームの干渉計および／または波長選択による評価のためのプログラム手段をさらに含む。特に、取り込まれた評価ビームの評価のためのプログラム手段は、検出器デバイスの検出器に存在する強度信号を時間積分し、最終的に前記信号を時間平均するように構成される。これは、時間積分された検出信号が、反射信号ビームおよび基準ビームのそれぞれのスペクトル成分間の相対位相角に関して特徴的であるからである。
【００７４】
特に、コンピュータプログラムは、上述した距離測定配置の評価ユニットまたはコントローラによって実行可能である。この点に関して、距離測定配置の上述した構成、利点、および機能はすべて、コンピュータプログラムにも等しく当てはまり、逆も同様である。
【００７５】
距離測定配置、物体からの距離を判定する方法、およびコンピュータプログラムのさらなる目的、機能、および有利な構成について、例示的な実施形態の以下の説明において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】距離測定配置のブロック図である。
【図２】電気光変調器として構成されている結晶体を含む位相変調器の概略図である。
【図３】距離測定配置の測定ヘッドの概略斜視図である。
【図４】図３による測定ヘッドの側面図である。
【図５】図３および図４による測定ヘッドの上からの平面図である。
【図６】図５による結晶体を通ってＡ−Ａに沿って切り取った横断面図である。
【図７】物体からの距離を判定する方法の流れ図である。
【図８】測定ヘッドの構成の切開斜視図である。
【図９】図８による測定ヘッドの上からの平面図である。
【図１０】位相変調器と光学ユニットとの間のインターフェースの領域における測定ヘッドの拡大図である。
【図１１】光ファイバと位相変調器との間のインターフェースの領域における測定ヘッドの拡大図である。
【図１２】フォトニックチップを有する測定ヘッドのさらなる概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
図１のブロック図は、距離測定配置１０を概略的に示す。距離測定配置１０は、多波長干渉計として構成される。距離測定配置１０は、少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビーム１２．１および少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビーム１２．２を生成する光源１２を含む。第１の光ビーム１２．１および第２の光ビーム１２．２は各々、異なる第１および第２の波長を有する。
【００７８】
光源１２は、特に、さらなる干渉可能な単色光ビーム、たとえば第３の光ビーム１２．３および第４の光ビーム１２．４を生成するように実施することができる。このために、光源１２自体が複数のレーザ光源を含むことができ、レーザ光源は、少なくとも第１、第２の光ビームだけでなく、異なる波長を有する少なくとも１つの第３および／または第４の光ビームを生成するようにそれぞれ実施される。光源１２によって生成可能である干渉可能な光ビームの波長は、典型的には、赤外範囲内に位置する。これらの波長は、１５２０ｎｍ〜１６３０ｎｍの範囲内に位置することができる。
【００７９】
距離測定配置１０は、マルチプレクサ１４をさらに含み、マルチプレクサ１４により、異なる光ビーム１２．１、１２．２、１２．３、１２．４が、共通の測定ビームＭに結合され、または共通の測定ビームＭを形成するように組合せ可能になる。共通の測定ビームＭは、単独で考慮されたときに干渉可能な少なくとも２つの単色スペクトル成分を含むことができる。光源１２は同様に、光ファイバによってマルチプレクサ１４に結合することができる。
【００８０】
特に、共通の測定ビームＭは、最大４つの異なるスペクトル成分を含むことができ、各スペクトル成分は干渉可能である。マルチプレクサ１４は、光ファイバによって光源１２に結合することができる。特に、マルチプレクサ１４は、光ファイバの実装を有することができる。マルチプレクサ１４の出力は、単一の光ファイバ４１を含むことができ、光ファイバ４１は結合器１６内へ開いている。結合器１６もまた、光ファイバの概念に基づくことができる。例として、結合器１６は、光ファイバサーキュレータを含むことができる。結合器１６の出力は、ファイバ４０によって測定ヘッド１８に光結合される。距離測定配置の他の構成の場合、結合器１６はまた、部分的に反射するミラーまたはビームスプリッタとして構成することができる。
【００８１】
結合器１６のさらなる入力は、光ファイバ４２によって検出器配置２８に光結合される。測定ヘッド１８は、図３〜図５により詳細に描写する。測定ヘッド１８は、ハウジング１９を含む。結合器１６の端部に接続された光ファイバ４０は、測定ヘッド１８のハウジング１９の内部へ開いている。ファイバ４０は、画成された接続のためにファイバスリーブ４８を含むことができる。
【００８２】
光ファイバ４０は、測定ヘッド１８のハウジング１９内で終端する。光ファイバ４０は、ファイバ端４４を有することができ、ファイバ端４４は、ファイバスリーブ４８内に締結される。さらに、ファイバスリーブ４８は、測定ヘッド１８のハウジング１９にしっかりと接続することができる。ファイバ端４４は、ファイバ端面４６を有する。この場合、ファイバ端面４６は、出力結合素子４５および入力結合素子８０の両方として作用する。言ってみれば、ファイバ端４４またはファイバ端面４６は、結合器１６から到達する測定ビームＭを信号ビームＳおよび基準ビームＲに分離する。基準ビームは、ファイバ端面４６によって後方反射される。したがって、基準ビームは、光ファイバ４０を介して基準経路ＲＰに沿って結合器１６内へ後方伝播する。
【００８３】
ファイバ端４４、したがってファイバ端面４６から出る信号ビームＳは、信号経路ＳＰに沿って位相変調器６０を通って伝播する。位相変調器の出力で、センサヘッド１８は、たとえばレンズまたはレンズシステムの形態の光学ユニット７８を含み、光学ユニット７８により、信号ビームＳは、物体２０の反射面上に集束可能である。ここから、信号ビームＳは少なくとも部分的に反射される。物体２０によって反射された信号ビームＳ’は、元の信号ビームＳとは反対方向に光学ユニット７８によって位相変調器６０内へ後方結合することができ、元の信号ビームＳとは反対の方向に位相変調器６０を通って伝播することができる。
【００８４】
その際、反射信号ビームＳ’は、入力結合素子８０によって光ファイバ４０内へ後方結合することができる。基準ビームＲおよび反射信号ビームＳ’は、光ファイバ内で互いに干渉することができる。このプロセス内で生じる干渉パターンまたは反射信号ビームＳ’と基準ビームＲとの間の相対位相角は、出力結合素子４５と物体２０の反射面との間の距離に関する情報を提供する。
【００８５】
入力結合素子８０は同様に、ファイバ端面４６によって実施することができる。この構成では、ファイバ端面４６は、出力結合素子４５および入力結合素子の両方として作用し、ファイバ端面４６を用いて、測定ビームＭから生じる基準ビームＲおよび信号ビームＳは互いから分離され、ファイバ端面４６を用いて、反射信号ビームＳ’を基準ビームに再び組み合わせることができる。この構成は単純に例示的である。たとえばマッハツェンダーまたはマイケルソンの原理に応じて、距離測定配置１０に対する様々な他の構成または他の干渉計実装も考えられる。
【００８６】
基準経路ＲＰに沿って出力結合素子４５またはファイバ端面４６から光ファイバ４０を通って結合器１６の方向に伝播する基準ビームと、物体２０の表面によって反射され、信号経路ＳＰに沿って伝播する信号ビームＳと’の重ね合わせが存在する。以下、基準ビームＲおよび物体２０によって反射された信号ビームＳ’の重ね合わせを評価ビームＡと呼ぶ。
【００８７】
評価ビームＡは、測定ヘッド１８から光ファイバ４０内を結合器１６へ伝播する。結合器１６内で、評価ビームＡは、さらなる光ファイバ４２によって検出器配置２８へ案内される。検出器配置２８は、デマルチプレクサ２６を含み、デマルチプレクサ２６は、評価ビームＡの干渉可能なスペクトル成分を空間分離し、これらを個々に下流の検出器２８．１、２８．２、２８．３、２８．４へ供給する。したがって、検出器２８．１は、第１の光ビーム１２．１の第１の波長に整合させることができる。さらなる検出器２８．２は、少なくとも第２の光ビーム１２．２の第２の波長に整合させることができる。同じことが、第３の検出器２８．３および第４の検出器２８．４にも当てはまる。評価ビームの波長またはスペクトル成分は、個々の検出器２８．１、２８．２、２８．３、および２８．４によって各々別個に検出可能および測定可能であり、光源１２によって生成される光ビームの波長に対応する。
【００８８】
検出器配置２８は、データ取込みユニット３０をさらに含み、データ取込みユニット３０は、測定技術的な観点から個々の検出器２８．１、２８．２、２８．３、２８．４の信号を準備する。例として、データ取込みユニット３０は、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）として構成することができる。典型的には、データ取込みユニットは、１つまたはそれ以上のアナログデジタル変換器を含み、このアナログデジタル変換器により、個々の検出器２８．１、２８．２、２８．３、または２８．４によって生成可能なアナログ信号がデジタル信号に変換可能である。
【００８９】
例として、異なる波長を有する合計４つの干渉可能な光ビーム１２．１、１２．２、１２．３、１２．４が提供される場合、各々の場合に測定ビームの４つのスペクトル成分または４つの部分ビームが存在する。したがって、基準ビームはまた、４つの個々の部分ビームを有し、各部分ビームは異なる波長を有する。同じことが、信号ビームおよび物体によって反射された信号ビームにも当てはまる。その際、評価ビームは同様に、基準ビームおよび反射信号ビームの４対の相互に干渉する部分ビームを含むことができる。
【００９０】
データ取込みユニット３０は、距離測定配置１０のコントローラ２４にさらに結合される。コントローラ２４は、増幅器２２に結合され、増幅器２２は、位相変調器６０に対する制御信号を増幅する。コントローラ２４は、位相変調器６０に対する制御信号を生成するように構成される。さらに、コントローラ２４は、データ伝達のために外部評価ユニット５０に結合可能である。例として、外部評価ユニット５０は、コンピュータ、たとえばタブレットＰＣとして実施することができる。さらに、外部評価ユニット５０はまた、データ取込みユニット３０によって記録されるデータ信号を処理するために、データ取込みユニット３０に直接結合することができる。
【００９１】
特に、コントローラ２４は、周期的に時間変動する制御信号を生成するように構成され、この制御信号は、その信号振幅に関して増幅器２２を用いて増幅される。増幅された制御信号は、制御信号Ｓまたは反射信号ビームＳ’の位相をそれぞれ周期的に時間変調または変動させるために、位相変調器６０へ供給される。時間変調中に測定ヘッド１８と物体２０との間に相対運動はなく、または無視できるほどの相対運動しかない。位相変調は、検出器２８．１、２８．２、２８．３、２８．４において周期的に変化する強度分布をもたらす。該当する波長または異なる波長の該当する光ビームに対する正確な位相角は、検出器における強度変調を時間平均することによって判定することができる。
【００９２】
図２は、位相変調器６０の機能を概略的に描写する。位相変調器６０は、電気光変調器６１として構成される。位相変調器６０は、結晶体６２を含み、結晶体６２を通って長手方向に導波路６４が延びる。左から結晶体６２に当たる信号ビームは、結晶体６２を通って長手方向に伝播する。横断方向に、すなわち信号ビームＳの伝播方向に直交して、結晶体６２に電界が印加される。電気光学変調は、以下の規則に応じて、導波路６４に沿って屈折率変化をもたらす。
φ（ｔ）＝（２π／λ）ＬΔｎ（ｔ）＝（π／λ）ｎ３ｒＶ（ｔ）（Ｌ／ｄ）
上式で、λは光ビームの波長であり、Ｖ（ｔ）はコントローラ２４によって生成される時間変動電圧であり、ｄは電極間の距離であり、Ｌは結晶体を通る光ビームの伝播経路の長さであり、Δｎ（ｔ）は電圧によって誘起される屈折率の変化である。Δｎ（ｔ）は、それぞれ選択された幾何形状における材料の修正されていない屈折率であるｎから判定され、ｒは、それぞれの結晶方位に依存する結晶体の有効電気光学テンソルを表す。
【００９３】
図３〜図６による図は、導波路６４が外面上、したがって結晶体６２の上側６６に実施または配置されることをさらに示す。伝播方向に見た導波路６４の左右には、互いに平行にも導波路６４に平行にも延びる２つの電極７２、７４が存在する。電極７２、７４は、導波路の長手方向範囲のほぼ全体にわたって延びる。特に、導波路６４は、結晶体６２全体を通って延びる。導波路６４は、ファイバ端４４に面している端部６３を有し、端部６３は、ファイバ端４４に面している結晶体６２の端面内へ開いている。反対側では、導波路６４は、光学ユニット７８に面している端部６５を有し、前記端部は、光学ユニット７８に面している結晶体６２の端面内へ開いている。
【００９４】
導波路６４および２つの電極７２、７４は、結晶体６２の１つの同じ表面６６に位置する。図６による横断面図に示すように、特に、電極７２、７４間にほぼ弧状の形成で延びる電界線７５は、導波路６４を通ってほぼ横断方向に延びることができる。すなわち、電界線７５の方向は、導波路６４の長手方向にほぼ直交して延びる。
【００９５】
電極７２、７４にＡＣ電圧を印加することによって、信号ビームＳまたは反射信号ビームＳ’への対応する位相変調を事実上時間遅延なく変調させることができる。電気光学位相変調器６０を用いて、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ、またはさらに１０もしくは１００ｋＨｚを上回る領域内の変調周波数を実現することができる。これにより、特に物体２０の表面を走査する目的で、測定の正確さおよび測定の速度を増大させることが可能になる。１Ｈｚまたは数キロヘルツより大きい変調周波数は、物体２０の表面の迅速な走査を容易にする。物体の表面上の個々の測定点からの距離は、変調周波数を増大させることによってより迅速に探知することができる。この点に関して、位相変調の変調周波数を増大させることで、たとえば物体２０の表面を測定するために、物体２０に対する測定ヘッド１８の走査運動の速度の増大を可能にする。
【００９６】
最後に、図７は、物体２０からの距離を判定する方法の流れ図を概略的に示す。第１の工程１００で、第１の波長を有する少なくとも１つの第１の干渉可能な単色光ビーム１２．１が、たとえば光源１２を用いて生成される。次の工程１０２で、第２の波長を有する少なくとも１つの第２の干渉可能な単色光ビームが、第１の光ビームの生成と同時に生成され、第２の波長は第１の波長とは異なる。
【００９７】
次の工程１０４で、第１の光ビームおよび第２の光ビームは、結合または組合せまたは重畳されて、共通の測定ビームを形成する。そのように形成された測定ビームは、次の工程１０６で、基準ビームＲおよび信号ビームに分割される。基準ビームは基準経路ＲＰに沿って伝播し、信号ビームＳは信号経路ＳＰに沿って伝播する。次の工程１０８で、信号ビームは、位相変調器を用いてその位相角に関して周期的に時間変調される。
【００９８】
意図される上述した距離測定配置１０の使用に応じて、さらなる任意選択の方法工程が、物体２０によって反射された信号ビームＳ’および基準ビームＲを重ね合わせること、ならびにこれにより干渉パターンを含む評価ビームＡを生成することを提供する。
【００９９】
評価ビームＡは、そのスペクトル成分に関して、少なくとも第１および第２の異なる波長に対応するように再び空間分割される。その際、個々のスペクトル成分は、検出器配置２８を用いて別個に検出される。ここで、それぞれの強度が検出器で測定され、信号ビームは引き続き周期的に時間変調される。これは、光強度の対応する変調をもたらし、この光強度は個々の検出器で測定可能である。最後に、時間平均によって、反射信号ビームおよび基準ビームのそれぞれのスペクトル成分の相対位相角に関する精密な提示を行うことができ、前記提示は、出力結合素子４５と物体２０の表面との間の絶対距離に関する結論を引き出すことを可能にする。
【０１００】
図８〜図１１は、測定ヘッド１８の実装を示し、測定ヘッド１８はハウジング１９を含み、ハウジング１９内に位相変調器６０および光学ユニット７８が配置される。光ファイバ、より具体的にはガラスベースの光ファイバ４０を、ファイバ結合８６を用いて測定ヘッド１８上に取外し可能に配置することができる。しかし、前記ファイバはまた、測定ヘッド１８に取外し不能にしっかりと接続することもできる。ハウジング１９は、突起１９ａを含み、突起１９ａの自由端には、たとえば球面または非球面レンズ７８の形態の光学ユニット７８が配置される。例として、ファイバ結合８６は、ファイバによって実施されたプラグイン接続として構成することができる。
【０１０１】
この場合、位相変調器６０は、長手方向に延びる方形の幾何形状を有する。例として、位相変調器６０は、図３〜図６に上述したように、ニオブ酸リチウム結晶として構成することができる。別法として、位相変調器６０は、ｎドープおよび／またはｐドープされた半導体材料の複数の層を含むことができる。位相変調器は、一体化されたフォトニック位相変調器として、たとえば図１２に示すフォトニックチップ１６１内に実施することができる。
【０１０２】
位相変調器６０に面しているファイバ端４４は、位相変調器６０の入口または端面８３に機械的に、特に直接接続することができる。特に、図１２に示すように、露出されたファイバ端４４が、接着剤を用いて、たとえば結晶体６２の位相変調器６０の端面８３、または半導体層構造１６２の端面１８３に接続されることが考えられる。可能な限り直接の位相変調器６０とファイバ端４４との間の結合は、損失のない信号伝送にとって有利である。特に、ファイバ４０の屈折率および／または導波路６４の屈折率に整合されるいわゆる屈折率整合接着剤は、位相変調器６０のファイバ端４４と入口面８３との間の接着接続のために提供される。
【０１０３】
測定ヘッド１８は、場合により、温度センサ９０を有するように構成することができる。温度センサ９０は、距離測定配置１０のコントローラ２４に信号接続することができる。測定ヘッド１８および／または位相変調器６０の温度は、温度センサ９０を用いて精密に探知することができる。これにより、たとえば任意選択のさらなる冷却および／もしくは加熱素子（図示せず）、またはさらに温度が測定信号に与える起こりうる影響の純粋な演算による補償を使用することで、能動的な温度調整が容易になる。
【０１０４】
さらに、測定ヘッド１８は、電気プラグインコネクタ８２を含み、電気プラグインコネクタ８２は、電極７２、７４と増幅器２２との電気接触を容易にする。プラグインコネクタ８２と導波路６４に沿って延びる電極７２、７４との間の電気接続は、例示を可能な限り明らかにするために明示されていない。
【０１０５】
図９に基づいて識別することができるように、特に、位相変調器６０の長手方向軸は、光学ユニット７８の光軸Ｏに関してわずかに傾斜している。図１０による例示では、前記傾斜角Ｗは約５°である。前記傾斜角Ｗは、３°〜１０°で変動することができる。この傾斜角Ｗに対応するように、位相変調器６０はまた、突起１９ａの長手方向範囲に関して傾斜した位置合わせを有する。同様に、端面８５の面法線は、位相変調器６０、たとえば結晶体６２の長手方向軸に対する角度Ｗを通して傾斜と位置合わせすることができる。
【０１０６】
光学ユニット７８に面している位相変調器６０の端面８５の面法線は同様に、傾斜角Ｗで延びる。位相変調器６０の放出側端面８５の任意の傾斜構成は、物体上へ誘導された信号ビームＳの後方反射ＲＦをもたらし、前記後方反射は常に放出面８５で生じ、物体２０によって反射された信号ビームＳ’から離れる方へ延び、したがって前記後方反射は、信号ビームＳ’に重畳しない。したがって、物体２０によって反射され、光学ユニット７８によって位相変調器６０内へ後方結合された信号ビームＳ’の後方反射ＲＦによる減損を最小まで回避または低減させることができる。
【０１０７】
図１１は、ファイバ端４４から結晶体６２の端面８３への機械的連結を示す。そのファイバクラッド４０ａから露出されたファイバコア４０ｂは、位相変調器６０の端面８３と機械的に直接接触し、より具体的には位相変調器６０の導波路６４と機械的に直接接触する。この機械的連結のために、屈折率整合接着剤を提供することができる。
【０１０８】
図１２によるさらなる例示は、いわゆるフォトニックチップ１６１内に一体化された位相変調器１６０のさらなる実装を純粋に概略的に示す。フォトニックチップ１６１は、測定ヘッド１８内または測定ヘッド１８上に配置することができる。フォトニックチップ１６１は、層構造１６２を有する基板１００を含み、層構造１６２は、複数の異なる形でドープされた半導体層から作られる。導波路１６４は同様に、層構造１６２内に位置する。ファイバ端４４は同様に、層構造１６２に直接接着接合することができる。しかし、ファイバ端４４はまた、空気間隙を維持しながら、フォトニックチップ１６１および位相変調器１６０に光結合することができる。
【０１０９】
さらに、フォトニックチップは、ファイバ端４４と位相変調器１６０の入口側端面１８３との間に配置された少なくとも１つのいわゆるスポットサイズ変換器１１０を含むことができる。同様に、放出側端面１８５と光学ユニット７８との間には、さらなるスポットサイズ変換器１１０を提供することもできる。同様に、位相変調器１６０内への後方反射を回避するために、図１０の構成に関連して上述したように、光学ユニット７８に面しているスポットサイズ変換器１１０の放出面の面法線は同様に、光学ユニット７８の光軸に対する所定の角度Ｗの傾斜と位置合わせすることができる。
【０１１０】
スポットサイズ変換器を使用して、ファイバ４０によって与えられるビーム幾何形状、特にビーム寸法またはビーム断面を、導波路１６４の要件に整合させることができる。典型的には、同様にチップ１６１上に配置されたスポットサイズ変換器１１０を用いて、ファイバ４０から出るビームサイズまたはビーム幾何形状を導波路１６４に対して低減させることができる。
【０１１１】
屈折率変調を電気的に誘起するための１つまたはそれ以上の電極１７２、１７４を、層構造１６２に提供することができる。フォトニックチップとして構成された位相変調器１６０は、特に、電気光学位相変調器または熱光学位相変調器として構成することができる。
【０１１２】
フォトニックチップとしての実装は、大量生産に適した、特に費用効果の高い製造を容易にする。したがって、１つまたはそれ以上の処理工程の範囲内で、１つまたは複数のそのような位相変調器１６０を単一のウェーハ上に同時に生成および構成することができる。
【０１１３】
場合により位相変調器６０、１６０の前側端面８３、１８３に直接接続されているファイバ端４４は、それぞれ基準ビームおよび反射信号ビームに対する出力結合素子４５および入力結合素子８０の両方として作用することができる。位相変調器６０、１６０の端面８３、１８３は、ミラー層を備えることができ、またはミラー層で被覆することができる。フォトニックチップ１６１の実装の場合、チップ１６１の対応する縁部、すなわちファイバ４０に面しているチップの縁部は、基準ビームを形成するため、または測定ビームを基準ビームおよび信号ビームに分割するために、ミラー面として作用することができる。ミラー面は、３０％より大きい、５０％より大きい、最大で９９％の反射率を有することができる。
【０１１４】
場合により、図１２に示す位相変調器１６０はまた、温度センサ１９０に熱結合することができる。たとえばファイバブラッグ格子を含む温度センサ１９０は、フォトニック集積回路として実施することができ、位相変調器１６０と同じ基板１００上に配置することができる。したがって、温度センサ１９０および位相変調器１６０または半導体層構造１６２は、フォトニックチップ１６１内にともに一体化することができる。上述した温度センサ９０と同様に、温度センサ１９０は、コントローラ２４に信号結合することができ、またはデータ伝達のために結合することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０  距離測定配置
１２  光源
１４  マルチプレクサ
１６  結合器
１８  ヘッド
１９  ハウジング
１９ａ  突起
２０  物体
２２  増幅器
２４  コントローラ
２６  デマルチプレクサ
２８  検出器配置
２８．１  検出器
２８．２  検出器
２８．３  検出器
２８．４  検出器
３０  取込みユニット
４０  光ファイバ
４４ａ  ファイバクラッド
４４ｂ  ファイバコア
４１  光ファイバ
４２  光ファイバ
４４  ファイバ端
４５  出力結合素子
４６  ファイバ端面
４８  ファイバスリーブ
５０  評価ユニット
６０  位相変調器
６１  電気光変調器
６２  結晶体
６３  端部
６４  導波路
６５  端部
６６  表面
７２  電極
７４  電極
７５  電界線
７８  光学ユニット
８０  入力結合素子
８２  電気プラグインコネクタ
８３  端面
８５  端面
８６  光ファイバ結合
９０  温度センサ
１００  基板
１１０  スポットサイズ変換器
１６０  位相変調器
１６１  フォトニックチップ
１６２  層構造
１６４  導波路
１７２  電極
１７４  電極
１８３  端面
１８５  端面
１９０  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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