Laserinterferometer

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Die optische Abstandsmessung ist die Distanzmessung anhand der Ausbreitungseigenschaften des Lichtes oder von Infrarotstrahlung.
Der folgende Artikel behandelt nur diejenigen Verfahren, die mit einem in eine Richtung aktiv ausgesendeten Messstrahl arbeiten, der am Messobjekt reflektiert wird. Dieser wird meist mit einem Laser erzeugt, bei großen Messentfernungen wird sie daher Laserentfernungsmessung genannt. Siehe hierzu auch LIDAR und Satellite Laser Ranging.

Weitere aktive und passive optische Abstandsmessverfahren sind u. a. das Lichtschnittverfahren und die Triangulation auf dem Gebiet der Geodäsie bzw. Vermessung.

Die hier behandelten Abstandsmessverfahren mit einem optischen Messstrahl kann man in folgende Methoden unterteilen:

• Lasertriangulation (siehe auch Laser und Triangulation (Messtechnik))
• Laufzeitverfahren wie das Laserradar (LIDAR, Prinzip siehe auch bei Radar)
• Laserinterferometer und interferometrisch arbeitende bzw. die Phasenlage messende modulierte Systeme

Die Lasertriangulation und das Laserinterferometer eignen sich bevorzugt für kurze Entfernungen (einige Mikrometer bis 100 Meter), die Laufzeitverfahren dagegen eher für große Entfernungen (1 mm bis 10¹¹ Meter).

Messung der Laufzeit

Bei der Laufzeitmessung wird ein zeitlicher Lichtpuls ausgesandt. Die Pulslaufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl braucht, um zur Quelle reflektiert zu werden. Durch Messen dieser Laufzeit Δt kann man über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz l zwischen Quelle und Objekt ermitteln. Der Faktor 1 / 2 trägt dem Umstand Rechnung, dass das Licht die Entfernung zum Objekt hin und zurück durchlaufen muss. Die Lichtgeschwindigkeit wird durch das umgebende Medium mit der Brechkraft/Brechzahl n reduziert.

$l = \frac{c \cdot\Delta t}{2 \cdot n}$

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Reaktionszeit. Das Verfahren hat Messbereiche von 1 Meter bis mehrere 10 Kilometer. Der Nachteil ist die erforderliche Messung sehr kurzer Zeiten (Nano- bis Picosekunden), es ist daher schwierig, eine höhere Auflösung als einige Zentimeter zu erreichen.

Um die Anforderung an die Zeitmessung zu verringern, werden Verfahren eingesetzt, bei denen der Laserstrahl selbst frequenzmoduliert oder mit einem hochfrequenten Signal moduliert wird.

Messung der Phasenlage

Die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls oder dessen Modulation gegenüber dem ausgesandten Strahl oder dessen Modulation ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Wird die Laserfrequenz selbst zur Überlagerung genutzt, arbeitet das Gerät wie ein Laserinterferometer. Laserinterferometer messen keine absoluten Weglängen sondern nur die relative Änderung bei Verschiebung des Zieles bzw. eines Referenzspiegels. Beim Verschieben des Spiegels wird die Summe aus ausgesandtem und reflektiertem Strahl periodisch moduliert (Interferenz). Es durchläuft bei der Verschiebung um eine halbe Lichtwellenlänge genau eine Periode. Zählt man die Durchgänge und multipliziert sie mit der Lichtwellenlänge, erhält man die gesuchte Wegstrecke. Mit einer genaueren Auswertung des Signals erreicht man Genauigkeiten von etwa 1 / 100 Wellenlänge, das sind bei sichtbarem Licht wenige Nanometer.

Bei größeren Entfernungen arbeitet man mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet nicht die Laserwellenlänge, sondern die Phasenlage dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale aus. Wenn man annimmt, dass der ausgesandte Strahl mit einer Frequenz f = 1/T moduliert wurde, so erhält man folgende Grafik:

Die Phasendifferenz erhält man durch die Gleichung :

$\phi = \frac{\Delta t}{T} \cdot 2\pi$

Die Distanz kann mit

$s_{n} = \frac{c \cdot T}{4 \pi} \cdot (\phi + 2\pi \cdot n)$

errechnet werden.

Der Vorteil dieser Methoden ist die gegenüber Laufzeitverfahren höhere Auflösung, die mit geringerem messtechnischen Aufwand zu realisieren ist. Die Messentfernung ist jedoch aufgrund des notwendigerweise kontinuierlich bei kleiner Leistung arbeitenden Lasers geringer.

Ein weiteres Problem ist die fehlende Eindeutigkeit der Signale bei Entfernungen eines Vielfachen der halben Laser- bzw. Modulationswellenlänge.

Erreichen einer Absolutmessung

Die Mehrdeutigkeit interferometrischer Verfahren kann mit Hilfe einer Frequenzmodulation des Lasers oder dessen Hochfrequenz-Modulationssignales umgangen werden. Man führt dadurch in die Phasenmessung eine Laufzeitkomponente ein.
Durch eine niedrigere Frequenz (=längere Periodendauer) erhält man eine größere Distanz eines eindeutigen Ergebnisses, jedoch eine geringere Auflösung. Zum Prinzip siehe auch bei FMCW-Radar.
Verfahren mit HF-moduliertem Laser erreichen maximale Messentfernungen von ungefähr 200 Metern.

Zwei Methoden, um eine absolute Entfernungsmessung durch Messung der Phasenlage zu erreichen:

Methode 1

Kontinuierliche Frequenzmodulation (Funktion wie ein FM-Radar); vergleicht man nun das ursprüngliche mit dem reflektierten Signal, besteht zwischen beiden ein Frequenzunterschied. Dieser Unterschied ist proportional zur Distanz.

Unter Berücksichtigung der Phasendifferenz :

$L = \Delta \phi \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\lambda_{1} \cdot \lambda_{2}}{\mid \lambda_{1}- \lambda_{2} \mid}$

Allerdings ist es nicht möglich, die Wellenlänge des Lasers exakt zu steuern. Daher muss seine Wellenlänge als Referenz benutzt werden.

$L = L_{ref} \cdot \frac{\Delta \phi}{\Delta \phi_{ref}}$

Bei direkter Frequenzmodulation des Lasers werden Auflösungen um 1 Mikrometer erreicht. Jedoch erhält man mit herkömmlichen Lasern eine maximale Distanz um 1 Meter.

Methode 2

Um die Unbestimmtheit einer relativen interferometrischen Messung zu beseitigen, wird bei zwei oder mehreren diskreten Frequenzen die Phasenlage gemessen. Die Frequenzen können wiederum die Laserfrequenz selbst (verschiedene Laser, bei kleinsten Entfernungen) oder Modulationsfrequenzen ein und desselben Lasers sein (Frequenzen müssen zu Entfernungen und Messbereich passen).

Lasertriangulation

Prinzip der Lasertriangulation

Bei der Lasertriangulation wird ein Laserstrahl (bei geringen Anforderungen auch die Strahlung einer Leuchtdiode) auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben im Sensor befindlichen Kamera, einer ortsauflösenden Fotodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet.
Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet.

Beim Fotoempfänger handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet.

Ein Vorteil der Triangulation ist der Umstand, dass es sich um rein trigonometrische Zusammenhänge handelt. Die Messung kann darum kontinuierlich erfolgen und eignet sich damit gut zur Abstandsmessung an bewegten Objekten.
Um die Fremdlichtempfindlichkeit und den Einfluss inhomogen reflektierender Oberflächen zu senken, muss der Messpunkt möglichst klein und hell sein. Oft arbeiten solche Sensoren auch im Impulsbetrieb.

Das Verfahren ist nur für geringe Entfernungen geeignet, da dessen Sensitivität vom Abstand zwischen Sender und Empfänger abhängt - beide sind jedoch üblicherweise zusammen in einem Gehäuse untergebracht.

Das obige Schema verdeutlicht die Relationen zwischen den verschiedenen Distanzen. Mit Hilfe der Trigonometrie ist es möglich die Distanz x − x₀ aus der gemessenen Distanz x' − x₀' zu ermitteln:

$\tan \delta = \frac{x'-x_{0}'}{f} \to \tan \alpha = \frac{x_{0}}{D}$

$x = D \cdot \tan(\alpha + \delta) = D \cdot \frac{\tan \alpha + \tan \delta}{1 - \tan \alpha \cdot \tan \delta}$

$x = D \cdot \frac{\frac{x_{0}}{D} + \frac{x' - x_{0}'}{f}}{1 - \frac{x_{0}}{D} \cdot \frac{x' - x_{0}'}{f}}$

Zusammenfassung

	Messbereich	Kommentar
Laufzeitmessung	1 m - mehrere km	kurze Reaktionszeit, kein Aperturwinkel
Phasenmodulation	Freq. abhängig Max. 200 m	niedrige Fabrikationskosten
Interferometrie	10 nm - 10 µm	höhere Kosten, hohe Auflösung
Triangulation	1 µm - 100 m	abhängig von Oberfläche, kostengünstig, robust

Siehe auch

• Elektronische Distanzmessung
• LIDAR
• Satellite Laser Ranging
• Lasertriangulation
• Phasenschiebeverfahren
• Messgerät