DE69522616T2

DE69522616T2 - Synchrone Detektion von optischen Signalen

Info

Publication number: DE69522616T2
Application number: DE69522616T
Authority: DE
Inventors: Musubu Koishi; Mitsunori Nishizawa; Akira Takeshima
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1995-07-06
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: EP0691758A1; JP3441169B2; US5591962A; EP0691758B1; JPH0821856A; DE69522616D1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Synchronsignaldetektionsgerät zum Messen einer Frequenzkomponente eines zu messenden Signals.

Zum Stand der Technik

Im allgemeinen hängt eine Rauschintensität vom Bereich des Frequenzbandes ab. Der Einfluß von Rauschen kann reduziert werden durch Realisieren eines stabilen Bandpaßfilters zur Auswahl von Frequenzen nur nahe einer zu messenden Frequenz. Als hervorragendes System ist hierfür ein synchronisierter Verstärker bekannt.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Anordnung eines typischen herkömmlichen synchronen Verstärkers. Wie in Fig. 1 gezeigt, empfängt in diesem Gerät ein Photodetektor 910 mit einer Lawinenphotodiode einen zu messender Lichtstrahl, der in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Einem Verstärker 920 verstärkt das elektrische Signal. Ein Oszillator 930 gibt ein Signal ab, und eine Phaseneinstellschaltung 940 stellt dessen Phase ein. Dieses Signal mit einer zu messenden Frequenz und das vom Verstärker abgegebene Signal werden in eine Phasenfeststellschaltung 920 eingegeben, und ihre Phasen werden festgestellt. Danach wird ein Signal gemäß einer Frequenzzone nahe der zu messenden Frequenz ausgelesen und über ein Tiefpaßfilter 960 abgegeben.
In IEEE Photonics Technology Letters, Band 5, Nr. 12, Dezember 1993, New York, US, Seiten 1403-1406, ist ein gesteuerter nichtlinearer monolithischer integrierter optoelektronischer Mischempfänger beschrieben. Er besteht aus einem GaAs-MSM-Photodetektormischer und einem zweistufigen Transimpedanz-Vorverstärker. Der elektronische Mischer findet Anwendung in Unterträgermultiplex-Lichtwellenverteilsystemen.
Es ist wünschenswert, ein Synchronsignalfeststellgerät bereitzustellen, das ein Hochgeschwindigkeitsphänomen mit hoher Genauigkeit messen kann und bei dem die Gerätegröße verringert ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das Gerät zur synchronen Detektion nach der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zur synchronen Detektion zum Messen einer Frequenzkomponente eines zu messenden Lichtsignals, mit: (a) einer Phaseneinstelleinheit, die ein elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Frequenz empfängt und eine Phase eines Ausgangssignals gemäß einer externen Bestimmung ändert; (b) einer Spannungsanlegeeinheit, die ein von der Phaseneinstelleinheit abgegebenes elektrisches Signal empfängt und die ein erstes Spannungssignal mit einer geringen Ausgangsimpedanz abgibt; (c) einem photoleitfähigen Photodetektor mit einem Spannungsanlegeanschluß, an dem das von der Spannungsanlegeeinheit abgegebene Spannungssignal anliegt, und der das zu messende Lichtsignal empfängt; und (d) mit einer Strom-zu-Spannung-Wandeleinheit, die ein durch den photoleitfähigen Photodetektor fließendes Stromsignal in ein Spannungssignal umsetzt und die im wesentlichen eine Gleichstromkomponente ausliest, die als ein zweites Spannungssignal abzugeben ist, wobei eine Intensität einer Komponente der vorbestimmten Frequenz, die im zu messenden Lichtsignal enthalten ist, vom zweiten Spannungssignal detektierbar ist.
Das Gerät zur synchronen Detektion kann des weiteren über ein Vorspanneinstellmittel verfügen, das eine Betriebsvorspannung des photoleitfähigen Photodetektors einstellt.
Das Gerät zur synchronen Detektion kann des weiteren über eine Datenverarbeitungseinheit verfügen, um die Phaseneinstelleinheit über einen Einstellwert zu informieren, und die das zweite Spannungssignal empfängt, das die Strom-zu- Spannung-Wandeleinheit abgibt, um eine Phase und eine Intensität des zu messenden Lichtsignals zu errechnen.
Das Gerät zur synchronen Detektion kann des weiteren über ein nichtlineares Korrekturmittel verfügt, um das zweite Spannungssignal zu empfangen, das die Strom-zu-Spannung- Wandeleinheit abgibt und zum Korrigieren der Nichtlinearität vom Spannungssignal, das die Strom-zu-Spannung-Wandeleinheit in Hinsicht auf eine Intensität des Lichtsignals abgibt, wobei die Nichtlinearität dem Antwortverhalten vom photoleitfähigen Photodetektor eigen ist.
Im Gerät zur synchronen Detektion, bei dem der photoleitfähiger Photodetektor eine Anordnung besitzt, bei der, wenn eine Intensität eines einfallenden Lichtsignals konstant ist und ein Wert der anliegenden Spannung unabhängig variabel ist, ein Betrag des durch den photoleitfähigen Photodetektor fließenden Stromes im wesentlichen eine ungradzahlige Funktion der anliegenden Spannung in einer vorbestimmten Domäne ist, die den Wert der angelegten Spannung von 0 V umfaßt, und wenn die angelegte Spannung konstant ist und ein Wert der Intensität des einfallenden Lichtsignals eine unabhängige Variable ist, ist der Betrag des durch den photoleitfähigen Photodetektor fließenden Stromes im wesentlichen eine lineare Funktion der Intensität des einfallenden Lichtsignals in der vorbestimmten Domäne; bei dem das an den photoleitfähigen Photodetektor angelegte Spannungssignal periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von im wesentlichen Null hat, und bei dem eine Amplitude, dargestellt durch eine geradzahlige Funktion einer Zeit, zu der ein Ursprung zur Zeit eines Mittelpunktes zwischen benachbarten Zeiten eingestellt ist, in der die Amplitude zu Null wird. Ein praktischer photoleitfähiger Photodetektor ist ein Metall/Halbleiter/Metall-Photodetektor. Ein photoleitfähiger Photodetektor (310) aus einem der Materialien GaAs, InP, GaP, InGaAs, HgCdTe, CdS, CdSe und PbS als ein lichtdetektierendes Material ist zur Verwendung geeignet.
Nachdem im Gerät zur synchronen Signaldetektion die Phase eines Modulationssignals mit einer vorbestimmten Frequenz von der Phaseneinstelleinheit eingestellt ist, wird das gewonnene Modulationssignal als ein Modulationsspannungssignal an den Spannungsanlegeanschluß des photoleitfähigen Photodetektors von der Spannungsanlegeeinheit angelegt. In diesem Zustand empfängt der photoleitfähige Photodetektor ein zu messendes Signal. Da andererseits das Modulationsspannungssignal am photoleitfähigen Photodetektor in der obigen Weise anliegt, wird das zu messende Signal synchron unter Verwendung des Modulationsspannungssignals festgestellt. Als ein Ergebnis enthält ein Modulationsstromsignal, das durch den photoleitfähigen Photodetektor fließt, eine Gleichstromkomponente mit einem Wert gemäß dem erzeugten Wert einer Modulationsfrequenzkomponente des zu messenden Signals und der Modulationsfrequenzkomponente des Modulationsspannungssignals. Das Modulationsstromsignal wird der Strom-zu-Spannung-Wandeleinheit eingegeben, um in ein Spannungssignal umgesetzt zu werden. Zur selben Zeit wird nur eine Fastgleichstromkomponente ausgewählt, um ausgegeben zu werden als ein Ausgangssignal aus dem Synchronsignalfeststellgerät. Das heißt, im Gerät zur synchronen Signaldetektion nach der vorliegenden Erfindung führt der photoleitfähige Photodetektor alle Verarbeitungen in Hinsicht auf ein Signal aus, das eine hohe Frequenz hat. Nachdem das Signal in ein Signal in einem Frequenzbereich umgesetzt ist, der leicht elektrisch verarbeitet werden kann, wird das Signal elektrisch verstärkt, und dann wird eine Meßoperation ausgeführt.
Wenn ein periodisches Spannungssignal, dessen zeitlicher Durchschnittswert fast 0 ist, und das eine fast gleiche Funktion der als Ursprung benutzten Zeit ist, wird die Zeit zum Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, deren Amplituden 0 sind, als das Spannungssignal ausgewählt, das an den photoleitfähigen Photodetektor angelegt wird. Es kann eine Gleichstromkomponente eines Hintergrundlichtstrahls beseitigt werden, und es kann auch ein wechselnder Hintergrundlichtstrahl, mit Ausnahme der Frequenz des Modulationsspannungssignals, verringert werden. Dann wird die Meßoperation ausgeführt.
Das Gerät zur synchronen Signaldetektion verwendet den photoleitfähigen Photodetektor in einer Empfangseinheit eines zu messenden Signals. Nachdem das Modulationssignal mit derselben Frequenz wie die Frequenzkomponente, die zu messen ist, am photoleitfähigen Photodetektor anliegt, um die Synchronisation auszuführen, wird die Intensität der Frequenzkomponente des zu messenden Signals gemessen durch Messen der Gleichstromkomponente. Mit dieser Anordnung kann die Intensität der vorbestimmten Frequenzkomponente mit einem hohen Störabstand in einem großen Dynamikbereich gemessen werden, während sich die Intensität des zu messenden Signals ändert.
Wenn darüber hinaus ein photoleitfähiger Photodetektor, der in der Lage zum Hochgeschwindigkeitsansprechvermögen ist, wie ein MSM-Photodetektor, als photoleitfähiger Photodetektor verwendet wird, verarbeitet der photoleitfähige Photodetektor ein Hochgeschwindigkeitssignal und elektrische Schaltungen in der nachfolgenden Stufe des photoleitfähigen Photodetektorprozesses ein Niedergeschwindigkeitssignal. Selbst wenn eine Hochgeschwindigkeitsänderung in der Intensität des zu messenden Lichtstrahls gemessen wird, kann folglich die Intensität einer vorbestimmten Frequenz des zu messenden Signals, das sich mit hoher Geschwindigkeit ändert, mit einem einfachen Gerät bei großem Störabstand und weitem Dynamikbereich gemessen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines herkömmlichen synchronisierten Verstärkers zeigt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die grundlegende Anordnung des Hauptteils eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3, 4 und 5 sind Graphen zur Erläuterung der Eigenschaften eines photoleitfähigen Photodetektors;
Fig. 6 ist ein Schaltdiagramm, das die erste Anordnung des Hauptteils vom Gerät zur synchronen Signaldetektion zeigt;
Fig. 7 ist ein Schaltdiagramm, das die zweite Anordnung des Hauptteils vom Gerät zur synchronen Signaldetektion zeigt;
Fig. 8 ist ein Schaltdiagramm, das die dritte Anordnung des Hauptteils vom Gerät zur synchronen Signaldetektion zeigt;
Fig. 9 ist ein Schaltdiagramm, das die vierte Anordnung des Hauptteils vom Gerät zur synchronen Signaldetektion zeigt;
Fig. 10 und 11 sind Ansichten zur Erläuterung der Arbeitsweise (Rechteckwelle-Eingabeoperation) des Hauptteils vom Gerät zur synchronen Signaldetektion;
Fig. 12 und 13 sind Ansichten zur Erläuterung der Arbeitsweise (Sinuswelle-Eingabeoperation) des Hauptteils vom Gerät zur synchronen Signaldetektion;
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 19 ist ein Blockdiagramm, das eine Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 21, 22 und 23 sind Schaltdiagramme, die Schaltungsanordnungen eines Bandpaßfilters nach dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen; und
Fig. 24 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Dieselben Bezugszeichen bedeuten dieselben Teile in allen Figuren, und eine wiederholte Beschreibung dieser ist fortgelassen.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die grundlegende Anordnung des Hauptteils eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion zeigt. Dieses Gerät umfaßt als Hauptteil (a) eine Phaseneinstelleinheit 100, (b) eine Spannungsanlegeeinheit 200 und (c) eine Photodetektionseinheit 300. Die Phaseneinstelleinheit 100 empfängt ein externes elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Frequenz und stellt dessen Phase durch Ändern einer Zeit zwischen der Signaleingabe und der Signalausgabe ein. Die Spannungsanlegeeinheit 200 empfängt das elektrische Signal, das die Phaseneinstelleinheit 100 ausgibt, und gibt ein Spannungssignal (VI) mit einer geringen Ausgangsimpedanz ab. Die Photodetektionseinheit 300 empfängt das Spannungssignal (VI), das die Spannungsanlegeeinheit 200 abgibt, und empfängt auch einen Lichtstrahl, der zumessen ist, zur Ausgabe eines Ausgabespannungssignals (V&sub0;) gemäß der Stärke einer vorbestimmten Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls und eine Phasendifferenz zwischen der vorbestimmten Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls und dem Spannungssignal (VI).
Die Photodetektionseinheit 300 enthält 1 einen photoleitfähigen Photodetektor 310 und 2 eine Strom-zu-Spannung- Wandeleinheit 320. Der photoleitfähige Photodetektor 310 hat einen Spannungsanlegeanschluß, um das Spannungssignal (VI), ausgegeben von der Spannungsanlegeschaltung 200, zu empfangen, und empfängt einen zu messenden Lichtstrahl. Die Strom-zu- Spannung-Wandeleinheit 320 setzt ein Stromsignal um, das durch den photoleitfähigen Photodetektor 310 fließt, in ein Spannungssignal, und liest eine Fastgleichstromkomponente zur Ausgabe der Komponente als das Spannungssignal (V&sub0;) aus. Obige 1 und 2 sind unverzichtbare Elemente einer Photodetektionseinheit des Gerätes zur Synchronsignaldetektion. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt die Photodetektionseinheit 300 vorzugsweise 3 eine Vorspanneinstelleinheit 330 zum Einstellen der Arbeitsweise des photoleitfähigen Photodetektors 310, um so einen Ausgangsstromwert von 0 als Reaktion auf das Eintreffen eines Gleichstromlichtstrahls einzustellen, wie einen Hintergrundlichtstrahl.
Der photoleitfähige Photodetektor 310 ist aufgebaut aus einem Metall/Halbleiter/Metall-Photodetektor (MSM-Photodetektor) unter Verwendung von GaAs als Material. Der photoleitfähige Photodetektor 310 hat Eigenschaften, das die Stärke eines Stromes, der durch den photoleitfähigen Photodetektor fließt, eine ungradzahlige Funktion einer angelegten Spannung in einer vorbestimmten Domäne einschließlich eines angelegten Spannungswertes von 0 V ist, wenn die Stärke eines einfallenden Lichtstrahls konstant ist und eine angelegte Spannung eine unabhängige Variable ist. Fig. 3 bis 5 sind Graphen, die die Eigenschaft des photoleitfähigen Photodetektors 310 veranschaulichen, der verfügbar ist für das Gerät zur synchronen Signaldetektion.
Fig. 6 ist ein Schaltdiagramm, das ein Beispiel wechselseitiger Verbindung zwischen dem photoleitfähigen Photodetektor 310, der Strom-zu-Spannung-Wandeleinheit 320 und der Vorspannungseinheit 330 und eine detaillierte Schaltung für die Spannungsanlegeeinheit zeigt. Im Beispiel von Fig. 6 ist eine Spannungsanlegeeinheit 220 aufgebaut mit den Kondensatoren C1 und C2. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die Strom-zu-Spannung- Wandeleinheit 320 aufgebaut mit einem Operationsverstärker A1, einem Widerstand R1 und einem Kondensator C4. Ein eingegebenes Wechselstromsignal wird umgesetzt in eine Spannung durch einen Widerstand R1. Des weiteren wird das Integral gemäß der Zeitkonstante gebildet, die bestimmt ist aus dem Produkt eines Kapazitätswertes vom Kondensator C4 und eines Widerstandswertes vom Widerstand R1, und die Rechenoperation eines Zeitdurchschnittswertes wird ausgeführt zur Ausgabe einer Fastgleichspannung.
Die Vorspannungseinstelleinheit 330 ist aufgebaut mit einem Einstellwiderstand VR1 zum Einstellen eines Vorspannungswertes, und eine Gleichstromversorgung liefert E1 und E2, miteinander in Serie geschaltet und verbunden mit den Anschlüssen des Einstellwiderstandes VR1. Der Verbindungspunkt zwischen der Gleichstromversorgung E1 und der Gleichstromversorgung E2 ist mit Masse verbunden.
Ein von der Spannungsanlegeeinheit 220 abgegebenes Spannungssignal wird an den Spannungsanlegeanschluß eines photoleitfähigen Photodetektors 310 über die Kondensatoren C1 und C2 angelegt. Ein im photoleitfähigen Photodetektor 310 erzeugter Strom fließt durch Drosselspulen L1 und L2.
Durch Abwandeln des Verfahrens vom Anlegen eines Spannungssignals in der Schaltungsanordnung von Fig. 6 kann eine Schaltungsanordnung verwendet werden, wie sie ein Fig. 7 gezeigt ist (das heißt, eine Spannungsanlegeeinheit 220 wird verwendet), oder eine Schaltungsanordnung, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist (das heißt, eine Spannungsanlegeeinheit 230 wird verwendet). Mit diesen Anordnungen kann ein Gleichspannungsausgangssignal gewonnen werden gemäß einer Phasendifferenz, die der Schaltungsanordnung von Fig. 6 gleicht.
Die obigen Schaltungsanordnungen sind geeignet, wenn der photoleitfähige Photodetektor 310 ein gutes Übergangsansprechen wie im MSM unter Verwendung von GaAs hat. Wenn im Gegensatz dazu ein photoleitfähiger Photodetektor 315, dessen Übergangsansprechvermögen schwach ist aufgrund eines Photodetektionsmaterials aus CdS, PbS oder dergleichen, verwendet wird, ist eine Schaltungsanordnung geeignet, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist. Diese Anordnung kann erzielt werden ohne eine Spannungsanlegeeinheit.
Die Arbeitsweise des Hauptteils ist nachstehend beschrieben anhand einer Spannung (VI), ausgegeben aus der Spannungsanlegeeinheit 200, und eines zu messenden Lichtstrahls (II), die in den photoleitfähigen Photodetektor 310 einzugeben sind. (Spannungssignal VI und optisches Signal II als Rechteckwellensignals mit derselben Periode).
Fig. 10 und Fig. 11 sind Graphen zur Erläuterung dieses Falles. Fig. 10 zeigt das Spannungssignal (VI) und das optische Signal (II), die in diesem Falle in den photoleitfähigen Photodetektor 310 eingegebene Signale sind. Wie in den Fig. 10 und 11 gezeigt, sind das Spannungssignal VI und das optische Signal II periodisch. Wenn die Phasendifferenz φ ≤ π innerhalb einer Periode (0 < ωt < 2π) ist, gilt
wobei A: die Amplitude eines Spannungssignals,
B: die Intensität 1 vom einfallenden Lichtstrahl und
C: die Intensität 2 vom einfallenden Lichtstrahl ist.
Der photoleitfähige Photodetektor 310 erzeugt einen Strom gemäß dem Produkt aus dem Spannungssignal VI und dem optischen Signal II zu jeder Zeit. Angenommen, daß eine Periode eingeteilt ist in Intervalle, so wie 1 bis 4 wie in Fig. 10 gezeigt, sind die Spannungswerte W1 bis W4, ausgegeben von der Strom-zu- Spannung-Wandeleinheit 320, zu den jeweiligen Intervallen
W1 = K1·K2·K3·A·B (3)
W2 = K1·K2·K3·A·C (4)
W3 = -K1·K2·K3·A·C (5)
W4 = -K1·K2·K3·A·B (6)
wobei K1: die proportionale Konstante eines Ausgangsstromes in Hinsicht auf die Spannung ist, die am photoleitfähigen Photodetektor anliegt
K2: die proportionale Konstante eines Ausgangsstromes in Hinsicht auf die Stärke eines eingegebenen Lichtstrahls zum Photoleitfähigen Photodetektor
K3: die Wandlerkonstante der Strom-zu- Spannung-Wandeleinheit
Folglich wird ein Spannungswert V&sub0;, ausgegeben aus der Strom-zu-Spannung-Wandeleinheit 320 zu
V&sub0; = (W1·φ + W2·(π - φ) + W3·φ + W4·(π - φ))/2π = K1·K2·K3·A(B - C)(1/2 - φ/π) (7)
Wenn auf diese Weise die Phasendifferenz π < φ < 2π ist, gilt
V&sub0; = K1·K2·K3·A(B - C)(φ/π - 3/2) (8)
Das heißt, der Spannungswert V&sub0; ändert sich wie eine Polygonallinie in Hinsicht auf die Phasendifferenz 4. Wenn darüber hinaus die Phasendifferenz φ = 0, hat der Spannungswert V&sub0; den Maximalwert; wenn die Phasendifferenz φ = π/2 oder φ = 3π/2, wird der Spannungswert V&sub0; zu 0; und wenn die Phasendifferenz φ = π ist, hat der Spannungswert V&sub0; den Maximalwert (siehe Fig. 11). Folglich wird die Phasendifferenz φ geändert durch Arbeiten der Phaseneinstelleinheit 100, um den Maximalwert der Spannung V&sub0; zu messen, wodurch die Amplitude (B - C) des zu messenden Lichtstrahls gewonnen wird. (Spannungssignal VI und optisches Signal II als Sinuswellensignale haben dieselbe Periode).
Fig. 12 und 13 sind Graphen zur Erläuterung dieses Falles. Fig. 12 zeigt das Spannungssignal (VI) und das optische Signal (II), die in diesem Falle in den photoleitfähigen Photodetektor 310 eingegebene Signale sind. Wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt, sind das Spannungssignal VI und das optische Signal II periodisch. Wenn eine Phasendifferenz φ ≤ π innerhalb einer Periode (0 < ωt < 2π) ist, gilt
VI = A·sinωt (9)
II = B·sin(ωt - φ) ÷ IO (10)
Wobei ω die Winkelfrequenz ist.
Ebenso wie im obigen Beispiel erzeugt der photoleitfähige Photodetektor 320 einen Strom gemäß dem Produkt aus dem Spannungssignal VI und dem optischen Signal II zu jeder Zeit. Ein Stromwert i zu jeder Zeit wird dargestellt durch
i = K1·K2·VI·II = K1·K2·A (Bsinωt·sin(ωt - φ) ÷ Icsinωt) (11)
Folglich wird ein Spannungswert V&sub0;, den die Strom-zu- Spannung-Wandeleinheit 320 abgibt, zu
Da heißt, ebenso wie im obigen Beispiel, ändert sich der Spannungswert V&sub0; wie eine Kosinuskurve in Hinsicht auf die Phasendifferenz φ. Wenn darüber hinaus die Phasendifferenz φ = 0 ist, hat der Spannungswert V&sub0; den Maximalwert; wenn die Phasendifferenz φ = π/2 oder φ = 3π/2 ist, wird der Spannungswert V&sub0; zu 0; und wenn die Phasendifferenz φ = π ist, hat der Spannungswert V&sub0; den Minimalwert (siehe Fig. 13). Folglich wird die Phasendifferenz φ geändert durch das Arbeitender Phaseneinstelleinheit 100, um den Maximalwert der Spannung V&sub0; zu messen, wodurch die Amplitude I&sub0; vom zu messenden Lichtstrahl gewonnen wird.
Die beiden typischen Fälle sind beschrieben worden. Die Wellenformen des Spannungssignals und des optischen Signals sind nicht beschränkt auf die obigen Rechteck- und Sinuswellen. Wenn eine Welle periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von fast 0 hat und eine Amplitude, dargestellt als eine geradzahlige Funktion der Zeit, wenn der Ursprung zur Zeit in den Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten eingestellt wird, in denen die Amplitude zu 0 wird, kann dieselbe Meßoperation wie in den obigen Fällen unter Verwendung dieser Welle ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine Dreieckswellenform, wie sie in Fig. 14 gezeigt ist, oder eine Trapezwelle, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, verwendet werden. Des weiteren haben das Spannungssignal und das optische Signal nicht notwendigerweise dieselbe Wellenform. Sie verwenden Wellen, die dieselbe Periode haben, und deren zeitlicher Durchschnitt ist fast 0 und die Amplitude ist eine gradzahlige Funktion der Zeit unter Verwendung, als Ursprung, der Zeit zu einem Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, deren Amplituden 0 sind.
Die Ausführungsbeispiele vom Gerät zur synchronen Signaldetektion nach der vorliegenden Erfindung, die den obigen Hauptteil haben, sind nachstehend beschrieben.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Gerät dieses Ausführungsbeispiels ist geeignet, wenn die Frequenzverteilung der Intensität eines zu messenden Lichtstrahls nicht bekannt ist, das heißt, das Rauschspektrum eines Laserstrahls ist zu messen. Wie in Fig. 16 gezeigt, umfaßt das Gerät dieses Ausführungsbeispiels (a) einen Signalgenerator 500, (b) einen Phasenschieber 110, (c) eine Spannungsanlegeeinheit 200, (d) eine Photodetektionseinheit 300, (e) eine nichtlineare Korrektureinheit 600 und (f) einen Prozessor 710. Der Signalgenerator 500 erzeugt ein Sinuswellensignal als Synchronsignal, dessen Frequenz sich gemäß einer Außenbestimmung ändert. Der Phasenschieber 110 empfängt das Synchronsignal, das der Signalgenerator 500 abgibt, und stellt die Phase des Ausgangssignals durch Ändern einer Zeit zwischen Signaleingabe und Signalausgabe ein. Die Spannungsanlegeeinheit 200 empfängt ein elektrisches Signal, das vom Phasenschieber 110 kommt, und gibt ein Spannungssignal (VI) mit einer niedriger Ausgangsimpedanz ab. Die Photodetektionseinheit 300 empfängt das Spannungssignal (VI), ausgegeben von der Spannungsanlegeeinheit 200, und empfängt auch einen zu messenden Lichtstrahl zur Ausgabe eines Ausgangsspannungssignals (V&sub0;) gemäß der Intensität der vorbestimmten Frequenzkomponente vom zu messenden Lichtstrahl und eine Phasendifferenz zwischen der vorbestimmten Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls und dem Spannungssignal (VI). Die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 korrigiert die Nichtlinearität des Ausgangsspannungssignals (V&sub0;) von der Photodetektionseinheit 300. Der Prozessor 710 bestimmt die Frequenz des Generatorsignals zum Signalgenerator 500 und bestimmt auch einen Einstellphasenbetrag für den Phasenschieber 110. Der Prozessor 710 fordert an und verarbeitet Signale, die von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 kommen.
Die Schaltungskonstante und dergleichen der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 werden eingestellt zur Korrektur der Nichtlinearität von der Ausgangsspannung (V&sub0;) in Hinsicht auf eine Menge des Lichtstrahls, die im voraus gemessen wurde, die empfangen wird von der Photodetektionseinheit 300 nach Anlegen einer Konstantspannung.
Der Prozessor 710 umfaßt 1 eine Eingangsoperationseinheit 713, 2 eine Recheneinheit 711 und 3 eine Anzeigeeinheit 712. Meßbedingungen werden manuell eingegeben über die Eingabebedieneinheit 713. Die Recheneinheit 711 bestimmt die Frequenz eines Generatorsignals für den Signalgenerator 500 und bestimmt auch einen Phaseneinstellbetrag für den Phasenschieber 110 auf der Grundlage der Meßbedingungen, die über die Eingabebedieneinheit 713 eingegeben werden. Die Recheneinheit 711 fordert an und verarbeitet Signale, die von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 kommen. Die Anzeigeeinheit 712 zeigt die Rechenergebnisse der Recheneinheit 711 an.
Das Gerät dieses Ausführungsbeispiels mißt die Intensität einer jeden Frequenzkomponente synchron, die im zu messenden Lichtstrahl enthalten ist, und zwar auf folgende Weise. In der nachstehenden Beschreibung wird zur Vereinfachung der Darstellung ein Multiplikationsfaktor in der Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 mit "1" angenommen.
Zuerst gibt eine Bedienperson den Bereich von zu messenden Frequenzen, einen Stufenwert der zu messenden Frequenzen, einen Stufenwert des Phaseneinstellbetrags und dergleichen über die Eingabebedieneinheit 713 ein. Die Recheneinheit 711, die Informationen dieser Meßbedingungen empfängt, informiert den Signalgenerator 500 über die Anfangsfrequenz des Generatorsignals und bestimmt einen Anfangsphaseneinstellbetrag für den Phasenschieber 110. Wenn in diesem Zustand der photoleitfähige Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl empfängt, gibt die Photodetektionseinheit 300 ein Fastgleichstromsignal durch die Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 ab. Die Recheneinheit 712 fordert an und speichert den Spannungswert dieses Spannungssignals.
Als nächstes errechnet die Recheneinheit 711 einen Stufenwert des Phaseneinstellbetrages gemäß der Erzeugungsfrequenz, informiert zum Signalgenerator 500. Die Recheneinheit 711 bestimmt eine Änderung in der Phase des Ausgangssignals durch diesen Stufenwert zum Phasenschieber 110.
In diesem Zustand empfängt der photoleitfähige Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl, und die Recheneinheit 711 fordert an und speichert den Spannungswert eines Signals, das von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 abgegeben wird. Danach wird die Phase des ausgegebenen Signals vom Phasenschieber 110 geändert durch den Stufenwert des Phaseneinstellbetrages jeder Zeit, und die Recheneinheit 711 fordert an und speichert den Spannungswert einer Signalausgabe aus der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 zu jeder Zeit.
Wenn die Akkumulation der Änderungen in den Phasen der ausgegebenen Signale aus dem Phasenschieber 110 2π erreicht, verarbeitet die Recheneinheit 711 die Daten der gespeicherten Spannungswerte, um den maximalen Spannungswert zu errechnen. Die Recheneinheit 711 erkennt diesen maximalen Spannungswert als Betrag gemäß der Stärke der Frequenzkomponente vom zu messenden Lichtstrahl bei der Erzeugungsfrequenz, informiert zum Signalgenerator 500.
Dann bestimmt die Recheneinheit 711 eine Änderung der Erzeugungsfrequenz, die dem Stufenwert der zu messenden Frequenz für den Signalgenerator 500 entspricht, und bestimmt auch den Anfangsphaseneinstellbetrag des Phasenschiebers 110. Danach wird die Meßoperation ausgeführt in derselben Weise wie zuvor beschrieben. Die Recheneinheit 711 speichert die Intensität einer Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls bei der Erzeugungsfrequenz, die dem Signalgenerator 500 mitgeteilt wurde. Danach wird die Erzeugungsfrequenz des Signalgenerators 500 geändert um den Stufenwert der Erzeugungsfrequenz jeder Zeit und speichert einen Betrag gemäß der Intensität der Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls bei jeder Erzeugungsfrequenz, die dem Signalgenerator 500 mitgeteilt wurde.
Wenn die Meßoperation der Beträge gemäß den Intensitäten der Frequenzkomponenten beendet ist in dem gesamten bestimmten Bereich der zu messenden Frequenzen, errechnet die Recheneinheit 711 die Intensitäten der Frequenzkomponenten. Dann werden die Meßergebnisse auf der Anzeigeeinheit 712 angezeigt und der Bedienperson mitgeteilt. Angemerkt sei, daß die Anzeige auf der Anzeigeeinheit 712 ausgeführt werden kann zu jeder Zeit der Meßoperation von der Intensität einer jeden Frequenzkomponente, die beendet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird, unter der Annahme, daß die Frequenzverteilung der Intensität eines zu messenden Lichtstrahls überhaupt nicht bekannt ist, die Synchronisationsfrequenz stetig geändert. Wenn die Frequenzen eines zu messenden Lichtstrahls bekannt sind, werden nur Synchronisationssignale bezüglich dieser Frequenzen vom Signalgenerator 500 erzeugt. Wenn darüber hinaus eine Synchronmeßoperation zu einer festen Frequenz ausgeführt wird, muß die Erzeugungsfrequenz des Signalgenerators 500 nicht variabel sein. Folglich braucht die Recheneinheit 711 keine Frequenzsteuerung auszuführen.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur Synchronsignalfeststellung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel ist das Gerät dieses Ausführungsbeispiels geeignet, wenn die Frequenzverteilung der Intensität eines zu messenden Lichtstrahls nicht bekannt ist, das heißt, das Rauschspektrum eines Laserstrahls ist zu messen. Wie in Fig. 17 gezeigt, hat das Gerät dieses Ausführungsbeispiels dieselbe Anordnung wie jene des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, daß, zusätzlich zum Phasenschieber 110, ein 90º-Phasenschieber 120, der in der Lage ist, Außenumschaltungen eines Bereichs der Phase um 0º/90º zwischen dem Phasenschieber 110 und einer Spannungsanlegeeinheit 200 durchzuführen, als eine Phaseneinstelleinheit angeordnet ist, und eine Recheneinheit 721 hat eine Funktion des Steuerns vom Umschalten des 90º-Phasenschiebers 120 zusätzlich zu der Funktion der Recheneinheit 721.
Das Gerät dieses Ausführungsbeispiels mißt synchron die Intensität einer jeden Frequenzkomponente, die im zu messenden Lichtstrahl enthalten ist, und zwar auf folgende Weise. In der nachstehenden Beschreibung wird zur Vereinfachung derselben ein Multiplikationsfaktor in einer Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 mit "1" angenommen, ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Zunächst gibt eine Bedienperson den Bereich von zu messenden Frequenzen, einen Stufenwert der zu messenden Frequenzen, den Stufenwert eines Phaseneinstellbetrages und dergleichen über eine Eingabebedieneinheit 713 ein. Die Recheneinheit 721 empfängt Informationen dieser Meßbedingungen, bestimmt für die Anfangsfrequenz des Erzeugungssignals auf einem Signalgenerator 500, und bestimmt den Phaseneinstellbetrag für den Phasenschieber 110. Darüber hinaus bestimmt die Recheneinheit 721 eine Änderung in der Phase um 0º bis zum 90º-Phasenschieber 120. Zu dieser Zeit wird, ungeachtet der Phasenumschaltung vom 90º-Phasenschieber 120, der Phaseneinstellbetrag des Phasenschieber 110 so eingestellt, daß der Pegel eines normalen Ausgangssignals aus einer Strom-zu-Spannung-Wandeleinheit 320 signifikant höher als der Rauschpegel ist. Wenn in diesem Zustand ein photoleitfähiger Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl empfängt, gibt eine Photofeststelleinheit 300 ein Fastgleichspannungssignal durch die Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 ab. Die Recheneinheit 721 fordert an und speichert einen Spannungswert (VOC) dieses Spannungssignals. Dieser Spannungswert (V0C) wird dargestellt gemäß Gleichung (12):
V0C = VM·cosφ (13)
Dann bestimmt die Recheneinheit 721 eine Änderung in der Phase um 90º zum 90º-Phasenschieber 120, und fordert an und speichert einen Spannungswert (V0S) eines Spannungssignals, das von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 in diesem Zustand abgegeben wird. Dieser Spannungswert (V0S) wird auch dargestellt durch Gleichung (12):
VOS = VM·cos(φ ÷ 90º) = -VM·sinφ (14)
Aus den Werten V0S und VCS errechnet die Recheneinheit 721
VM = (VOC² + VOS²)1/2 (15)
um den Wert VM als Ergebnis zu gewinnen, der die Intensität der Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls wiedergibt. Dieser Wert VM wird als ein Betrag gespeichert gemäß der Intensität der Frequenzkomponente vom zu messenden Lichtstrahl.
Zur selben Zeit errechnet aus den Werten V0C und VOS die Recheneinheit 721
φ = -tan&supmin;¹(VOS/VOC) (16)
um eine Phasendifferenz φ als Wert zu gewinnen, der die Phase der Frequenzkomponente vom zu messenden Lichtstrahl wiedergibt. Eine Differenz zwischen diesem Wert φ und dem Phaseneinstellbetrag, bestimmt für den Phasenschieber 110, wird als Phasenwert der Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls gespeichert.
Dann bestimmt die Recheneinheit 721 eine Änderung der Erzeugungsfrequenz, die dem Stufenwert der zu messenden Frequenz entspricht, für den Signalgenerator 500. Danach wird die Meßoperation in derselben Weise wie zuvor beschrieben ausgeführt. Die Recheneinheit 721 speichert einen Betrag gemäß der Intensität der Frequenzkomponente vom zu messenden Lichtstrahl bei der Informationsfrequenz, gemeldet an den Signalgenerator 500. Danach wird die Erzeugungsfrequenz des Signalgenerators 500 durch einen Stufenwert der Erzeugungsfrequenz zu jeder Zeit geändert und speichert einen Phasenwert und einen Betrag gemäß der Intensität einer Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls bei jeder Erzeugungsfrequenz, die dem Signalgenerator 500 mitgeteilt wird.
Wenn die Meßoperation der Intensitäten von den Frequenzkomponenten im gesamten bestimmten Bereich der zu messenden Frequenzen beendet ist, errechnet die Recheneinheit 721 die Intensitäten der Frequenzkomponenten. Dann werden die Meßergebnisse auf der Anzeigeeinheit 712 angezeigt und der Bedienperson mitgeteilt. Angemerkt sei, daß die Anzeige auf der Anzeige 712 ausgeführt werden kann jedes Mal wenn die Meßoperation der Intensität einer jeden Frequenzkomponente und des Phasenwertes beendet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel, ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel wird, unter der Annahme, daß die Frequenzverteilung der Intensität eines zu messenden Lichtstrahls überhaupt nicht bekannt ist, die Synchronisationsfrequenz stetig geändert. Wenn die Frequenzen eines zu messenden Lichtstrahls bekannt sind, werden nur Synchronsignale bezüglich dieser Frequenzen vom Signalgenerator 500 erzeugt. Wenn darüber hinaus eine Synchronmeßoperation bei einer festen Frequenz ausgeführt wird, muß die Erzeugungsfrequenz des Signalgenerators 500 nicht variabel sein. Folglich muß die Recheneinheit 711 keine Frequenzsteuerung ausführen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Phaseneinstelleinheit 100 aufgebaut mit dem Phasenschieber 110 und dem 90º- Phasenschieber 120. Alternativ kann die Phaseneinstelleinheit 100 aufgebaut sein lediglich durch den 90º-Phasenschieber 120. Wenn jedoch der Wert VOC oder VOS gelegentlich "0[V]" ist, sinkt die Meßgenauigkeit des Wertes φ.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur Synchronsignalfeststellung nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Gerät dieses Ausführungsbeispiels ist geeignet, wenn ein zu messender Lichtstrahl (wird nachstehend als Zielmeßlichtstrahl bezeichnet) ein fast Gleichstromlichtstrahl ist, und dessen Intensität ist nicht bekannt. Wie in Fig. 18 gezeigt, enthält das Gerät dieses Ausführungsbeispiels (a) einen Signalgenerator 520, um ein Synchronsignal zu erzeugen, (b) einen Phasenschieber 110, (c) eine Spannungsanlegeeinheit 200, (d) eine Photodetektionseinheit 300, (e) eine Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600, (φ) einen Prozessor 730 und (g) einen Modulator 830. Der Phasenschieber 110 empfängt das Synchronsignal, das der Signalgenerator 520 abgibt, und stellt die Phase des Ausgangssignals durch Ändern einer Zeit zwischen der Signaleingabe und der Signalausgabe ein. Die Spannungsanlegeeinheit 200 empfängt ein elektrisches Signal, das der Phasenschieber 110 abgibt, und gibt ein Spannungssignal (VI) mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz ab. Die Photodetektionseinheit 300 empfängt das Spannungssignal (VI), das die Spannungsanlegeeinheit 200 abgegeben hat, und empfängt auch einen zu messenden Lichtstrahl zur Ausgabe eines Ausgangsspannungssignals (VC) gemäß der Intensität von einer vorbestimmten Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls, und eine Phasendifferenz zwischen der vorbestimmten Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls und dem Spannungssignal (VI). Die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 korrigiert die Nichtlinearität des Ausgangsspannungssignals (VO) aus der Photodetektionseinheit 300. Der Prozessor 730 bestimmt den Einstellphasenbetrag des Phasenschiebers 110. Der Prozessor 730 fordert an und verarbeitet Signale, die von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 kommen. Der Modulator 830 moduliert den Lichtstrahl, der der Messung beim Modulationsgrad von 0% bis 100% synchron mit dem Synchronisationssignal unterzogen wurde, das der Signalgenerator 520 abgibt, um den modulierten Lichtstrahl als einen zu messenden Lichtstrahl zu machen.
Der Signalgenerator 520 erzeugt ein periodisches Signal, das als ein Synchronsignal durch die Gleichung (1) dargestellt wird. Der Modulator 830 schaltet alle π/ω (sec) um, ein Zustand, bei dem die Richtung eines Zielmeßlichtstrahls geändert wird, hin zur Photodetektionseinheit 300, und kein Lichtstrahl läuft durch die Photodetektionseinheit 300, und ein Zustand, bei dem die Richtung des Zielmeßlichtstrahls geändert wird hin zur Photodetektionseinheit 300. und 100% des Lichtstrahls wird veranlaßt, die Photodetektionseinheit 300 zu passieren. Es ist unterschiedlich zum Prozessor 710 vom ersten Ausführungsbeispiel, daß eine Recheneinheit 731 des Prozessors 730 nicht die Funktion des Steuerns der Frequenz eines Synchronsignals hat.
Zunächst gibt eine Bedienperson den Stufenwert eines Phaseneinstellbetrages und dergleichen über eine Eingabebedieneinheit 713 ein. Die Recheneinheit 731, die die Information dieser Meßbedingungen empfängt, bestimmt einen Anfangsphaseneinstellbetrag für den Phasenschieber 110. Wenn in diesem Zustand ein photoleitfähiger Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl empfängt, gibt die Photodetektionseinheit 300 ein Fastgleichspannungssignal durch die Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 ab. Die Recheneinheit 731 fordert an und speichert den Spannungswert dieses Spannungssignals.
Als nächstes errechnet die Recheneinheit 731 den Stufenwert des Phaseneinstellbetrages gemäß der Frequenz des Synchronsignals. Die Recheneinheit 731 bestimmt die Phasenänderung des Ausgangssignals gemäß diesem Stufenwert zum Phasenschieber 110. Zur selben Zeit wird der Modulator 830 gestartet, um seine Arbeit aufzunehmen. In diesem Zustand empfängt der photoleitfähige Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl, und die Recheneinheit 731 fordert an und speichert den Spannungswert eines Signals, das die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 abgibt. Danach wird die Phase vom Signal, das der Phasenschieber 110 abgibt, geändert um den Stufenwert des Einstellbetrages zu jeder Zeit, und die Recheneinheit 731 fordert an und speichert den Spannungswert eines Signals, das von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 jede Zeit kommt.
Wenn die Akkumulation der Änderungen in Phasen der Signale, die vom Phasenschieber 110 kommen, 2π erreicht hat, verarbeitet die Recheneinheit 731 die Daten der gespeicherten Werte zum Errechnen des maximalen Spannungswertes. Die Recheneinheit 731 erkennt diesen maximalen Spannungswert als Betrag gemäß der Intensität des Lichtstrahls, der der Messung unterzogen wird. Wenn auf diese Weise die Meßoperation des Betrages, gemäß den Intensitäten des Lichtstrahls der Messung unterzogen, beendet wird, errechnet die Recheneinheit 731 die Intensität des der Messung unterzogenen Lichtstrahls. Dann werden die Meßergebnisse auf einer Anzeigeeinheit 712 angezeigt, und die Bedienperson wird informiert.
Das Gerät dieses Ausführungsbeispiels kann abgewandelt werden wie die Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels zum zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Falle ist die fast stetige Steuerung einer Phasendifferenz durch den Phasenschieber 110 nicht gefordert, und die Intensität des Zielmeßlichtstrahls kann durch zwei Meßschritt gemessen werden.
Angemerkt sei, daß die Position des Modulators 830 kaum zwischen einer Erzeugungsquelle eines Zielmeßlichtstrahls und der Photodetektionseinheit 300 eingestellt wird, und ein Abstand von der Photodetektionseinheit 300 muß nicht in Betracht gezogen werden. Wo jedoch eine Positionseingabe einer Rauschkomponente, wie einem Hintergrundlichtstrahl, zur Photodetektionseinheit 300 minimiert werden kann, muß ausgewählt werden.
Wenn ein Zielmeßlichtstrahl erzeugt wird durch Bestrahlung eines Erregerlichtstrahls in Hinsicht auf einen zu messenden Gegenstand und die Intensität des Lichtstrahls, der der Messung unterzogen wird, fast linear ist in Hinsicht auf die Bestrahlungsintensität des Erregungslichtstrahls, kann der Modulator 830 zwischen der Lichtquelle und dem Erregerlichtstrahl und dem zu messenden Gegenstand eingesetzt werden. In diesem Falle kann die Amplitude der Intensität eines Zielmeßlichtstrahls gemessen werden in derselben Weise wie in diesem Ausführungsbeispiel.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Gerätes zur synchronen Signaldetektion gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Ebenso wie im dritten Ausführungsbeispiel ist dieses Gerät geeignet, wenn ein Zielmeßlichtstrahl fast ein Gleichstromlichtstrahl ist, und dessen Intensität ist unbekannt. Wie in Fig. 20 gezeigt, enthält das Gerät dieses Ausführungsbeispiels (a) einen Modulator 840, (b) ein Bandpaßfilter 150, (c) einen Verstärker 160, (d) einen Phasenschieber 110, (e) eine Spannungsanlegeeinheit 200, (f) eine Photodetektionseinheit 300, (g) eine Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 und (h) einen Prozessor 730. Der Modulator 840 moduliert einen Zielmeßlichtstrahl mit einem Modulationsgrad von 0% bis 100%, um so eine vorbestimmte Frequenz zu haben, wodurch der modulierte Lichtstrahl als zu messender Lichtstrahl gemacht wird. Darüber hinaus gibt der Modulator 840 ein Synchronsignal mit einer vorbestimmten Frequenz ab. Das Bandpaßfilter 150 empfängt das Synchronsignal, das der Modulator 840 abgibt, und wählt Signale aus, die eine Frequenz nahe der vorbestimmten Frequenz haben, um die ausgewählten Signale zu senden. Der Verstärker 160 verstärkt das Synchronsignal, das das Bandpaßfilter 150 durchlaufen hat. Der Phasenschieber 110 empfängt das Synchronsignal, das der Verstärker 160 abgegeben hat, und stellt die Phase des Ausgangssignals ein durch Ändern einer Zeit zwischen dem eingegebenen Signal und dem ausgegebenen Signal. Die Spannungsanlegeeinheit 200 empfängt ein elektrisches Signal, das vom Phasenschieber 110 kommt, und gibt ein Spannungssignal (VI) mit niedriger Ausgangsimpedanz ab. Die Photodetektionseinheit 300 empfängt das Spannungssignal (VI), das die Spannungsanlegeeinheit 200 abgegeben hat, und empfängt auch einen zu messenden Lichtstrahl zur Ausgabe eines Ausgabespannungssignals (V&sub0;) gemäß der Intensität einer vorbestimmten Frequenzkomponente vom zu messenden Lichtstrahl und eine Phasendifferenz zwischen der vorbestimmten Frequenzkomponente des zu messenden Lichtstrahls und dem Spannungssignal (VI). Die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 korrigiert die Nichtlinearität vom ausgegebenen Spannungssignal (VC) von der vorbestimmten Photodetektionseinheit 300. Der Prozessor 730 bestimmt einen Phaseneinstellbetrag des Phasenschiebers 110. Der Prozessor 730 fordert an und verarbeitet Signale, die die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 abgibt.
Fig. 21, 22 und 23 sind Schaltdiagramme zur Erläuterung von Schaltungsanordnungen des Bandpaßfilters 150, das in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet ein passives Bandpaßfilter in Fig. 21 von den Schaltungsanordnungen, die in den Fig. 21 bis 23 dargestellt sind.
Der Modulator 840 schaltet alle π/ω (sec) um, ein Zustand, bei dem die Richtung eines Zielmeßlichtstrahls geändert wird hin zur Photodetektionseinheit 300, und kein Lichtstrahl gelangt durch die Photodetektionseinheit 300, und ein Zustand, bei dem die Richtung eines Zielmeßlichtstrahls geändert wird hin zur Photodetektionseinheit 300, und 100% des Lichtstrahls, der die Photodetektionseinheit 300 passiert.
Zuerst gibt eine Bedienperson den Stufenwert in einem Phaseneinstellbetrag und dergleichen ein über eine Eingabebedieneinheit 713. Eine Recheneinheit 731, die die Information dieser Meßbedingungen empfängt, bestimmt einen Anfangsphaseneinstellbetrag für den Phasenschieber 110. Zur selben Zeit wird der Modulator 840 in Betrieb genommen. Ein Synchronsignal, das der Modulator 840 abgibt, wird dem Phasenschieber 110 durch das Bandpaßfilter 150 und den Verstärker 160 eingegeben. Danach wird die Stärke des Zielmeßlichtstrahls in derselben Weise wie im dritten Ausführungsbeispiel gemessen.
Das heißt, wenn ein photoleitfähiger Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl in diesem Zustand empfängt, gibt die Photodetektionseinheit 300 ein Fastgleichspannungssignal durch die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 ab. Die Recheneinheit 731 nimmt auf und speichert den Spannungswert dieses Spannungssignals.
Als nächstes errechnet die Recheneinheit 731 den Stufenwert des Phaseneinstellbetrages gemäß der Frequenz des Synchronsignals. Die Recheneinheit 731 bestimmt eine Änderung in der Phase des Ausgangssignals gemäß diesem Stufenwert für den Phasenschieber 110. In diesem Zustand empfängt der photoleitfähige Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl, und die Recheneinheit 731 nimmt auf und speichert den Spannungswert eines Signals, das von der Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 kommt. Danach wird die Phase eines Signals, das der Phasenschieber 110 abgibt, geändert um den Stufenwert des Phaseneinstellbetrages zu jeder Zeit, und die Recheneinheit 731 nimmt auf und speichert den Spannungswert eines Signals, das die Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 jeder Zeit abgibt.
Wenn die Akkumulation der Änderungen in den Phasen der Ausgangssignale, die der Phasenschieber 110 abgibt, 2π erreicht, verarbeitet die Recheneinheit 731 die Daten der gespeicherten Werte, um den maximalen Spannungswert zu errechnen. Die Recheneinheit 731 erkennt den maximalen Spannungswert als Betrag gemäß der Stärke des Lichtstrahls, der der Messung gehorcht. Wenn auf diese Weise die Meßoperation des Betrages, der den Stärken des Lichtstrahls zur Messung gehorcht, beendet ist, errechnet die Recheneinheit 731 die Stärke des Lichtstrahls der Messung. Dann werden Meßergebnisse auf einer Anzeigeeinheit 712 angezeigt und der Bedienperson mitgeteilt.
Das Gerät dieses Ausführungsbeispiels kann abgewandelt werden wie die Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels zum zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Falle ist die Arbeitsweise der fast stetigen Steuerung einer Phasendifferenz durch den Phasenschieber 110 nicht aufzunehmen, und die Stärke des Zielmeßlichtstrahls kann durch zwei Meßschritte gemessen werden.
Ebenso wie im dritten Ausführungsbeispiel wird die Position des Modulators 840 nur zwischen die Erzeugungsquelle des Zielmeßlichtstrahls und der Photodetektionseinheit 300 gesetzt, und ein Abstand von der Photodetektionseinheit 300 muß nicht berücksichtigt werden. Eine Position, bei der der Eintritt einer Rauschkomponente, wie der Hintergrundlichtstrahl, auf die Photodetektionseinheit 300 minimiert werden kann, muß ausgewählt werden. Darüber hinaus kann das vierte Ausführungsbeispiel abgewandelt werden wie die Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels in Fig. 19.

(Fünftes Ausführungsbeispiel)

Fig. 24 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Synchronsignal-Detektionsgerätes nach dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses Gerät ist ein Lichtleitfaserkreisel, der verwendet werden kann zur Lagesteuerung eines Flugzeugs. Der Lichtleitfaserkreisel stellt eine geringe Phasendifferenz (Δθ) durch den Sagnnac-Effekt fest, der durch Drehung eines optischen Systems hervorgerufen wird, um die Drehgeschwindigkeit des optischen Systems zu messen. Der Wert der Phasendifferenz (Δθ), der festzustellen ist, ist extrem klein, das heißt 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup4; rad. Aus diesem Grund tritt Phasenrauschen in das optische System ein, das weitestgehend zu reduzieren ist. Des weiteren müssen elektrische Schaltungen genau eine sehr kleine Änderung im elektrischen Signal nach Empfang eines Lichtstrahls feststellen. Folglich müssen diese elektrischen Schaltungen einen hohen Rauschabstand, einen großen Dynamikbereich und eine geringe Drift aufweisen. Eine derartige elektrische Schaltung ist eine von optimalen Einrichtungen, zu der das Synchronsignal-Detektionsgerät der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
Wie in Fig. 24 gezeigt, unterscheidet sich eine Erzeugungseinheit eines zu messenden Lichtstrahls im Gerät dieses Ausführungsbeispiels von demjenigen des dritten Ausführungsbeispiels. Das heißt, die Erzeugungseinheit eines zu messenden Lichtstrahls im Gerät dieses Ausführungsbeispiels enthält 1 eine Lichtquelle 851, 2 einen Polarisator 854, 3 ein Ortsfilter 855, 4 einen optischen Multiplexer/Demultiplexer 853, 5 einen Phasenmodulator 857, 6 eine Lichtleitfaserschleife 856 und 7 einen optischen Demultiplexer 852. Der Polarisator 854 sendet nur eine spezielle polarisierte Komponente eines Lichtstrahls, das die Lichtquelle 851 abgibt. Das Ortsfilter 855 wählt nur eine Komponente einer speziellen Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls aus dem Lichtstrahl aus, der den Polarisator 854 passiert. Der optische Multiplexer/Demultiplexer 853 demultiplexiert den Lichtstrahl, der das Ortsfilter 855 passiert, in zwei Lichtkomponenten. Eine der Lichtkomponenten, die durch Demultiplexieren des Lichtstrahls durch den optischen Multiplexer/Demultiplexer 853 gewonnen wird, wird aus dem ersten Anschluß des Phasenmodulators 857 eingegeben, und der Phasenmodulator 857 moduliert die eingegebene Lichtkomponente mit einer Frequenz, die von einem Synchronsignalgenerator 500 bestimmt ist, zur Ausgabe der modulierten Lichtkomponente vom zweiten Anschluß. Zur selben Zeit wird die andere Lichtkomponente, eingegeben vom zweiten Anschluß, in derselben Weise moduliert zur Ausgabe der modulierten Lichtkomponente vom ersten Anschluß. Die andere Lichtkomponente, die durch Demultiplexieren des Lichtstrahls vom optischen Multiplexer/Demultiplexer 853 gewonnen wird, wird von einer Endfläche der Lichtfaserschleife 856 eingegeben, und die Lichtkomponente, die vom zweiten Anschluß des Phasenmodulators 857 abgegeben wird, wird von der anderen Fläche eingegeben. Die Lichtkomponente (Lichtkomponente im Gegenuhrzeigersinn), die von einer Endfläche der Lichtleitfaserschleife eingegeben wird, um von der anderen Endfläche derselben abgegeben zu werden und moduliert wird vom Phasenmodulator 857, und die Lichtkomponente (Lichtkomponente im Uhrzeigersinn), die von der anderen Endfläche der Lichtleitfaserschleife eingegeben wird, um von der anderen Endfläche derselben ausgegeben zu werden, werden vom optischen Multiplexer/Demultiplexer 853 multiplexiert. Der optische Demultiplexer 852 gibt den multiplexierten Lichtstrahl wieder, der das Ortsfilter 855 und den Polarisator durchläuft, um den multiplexierten Lichtstrahl an einen photoleitfähigen Photodetektor 310 zu leiten. Angemerkt sei, daß die Gesamtlänge der Lichtleitfaserschleife so eingestellt wird, daß die modulierte Phase der Lichtkomponente im Gegenuhrzeigersinn sich von derjenigen der Lichtkomponente im Uhrzeigersinn um π/2 unterscheidet.
Eine Bedienperson gibt zuerst den Stufenwert eines Phaseneinstellbetrages und dergleichen über eine Eingabebedieneinheit 713 ein. Die Recheneinheit 731, die die Information dieser Meßbedingungen empfängt, bestimmt einen Anfangsphasen-Einstellbetrag für den Phasenschieber 110. Zur selben Zeit wird der Phasenmodulator 857 in Betrieb genommen. In diesem Zustand emittiert die Lichtquelle 851 einen Lichtstrahl. Der von der Lichtquelle 851 abgegebene Lichtstrahl erreicht die Lichtverzweigungseinheit sequentiell durch den optischen Demultiplexer 852, den Polarisator 854 und das Ortsfilter 855. Eine Lichtkomponente, die durch Demultiplexieren des Lichtstrahls in zwei Lichtkomponenten gewonnen wird, wird dem Phasenmodulator 857 aus dem ersten Anschluß eingegeben, und dessen Phase wird moduliert. Dann wird die modulierte Lichtkomponente vom zweiten Anschluß ausgegeben, um in die Lichtleitfaserschleife 856 von der anderen Endfläche hereinzukommen. Diese Lichtkomponente wird die Lichtkomponente im Uhrzeigersinn. Die andere Lichtkomponente, die durch Demultiplexieren des Lichtstrahls in zwei Lichtkomponenten gewonnen wird, wird der optischen Lichtleitfaserschleife 856 von einer Endfläche eingegeben, um von der anderen Endfläche abgegeben zu werden. Dann wird die Lichtkomponente dem Phasenmodulator 857 vom zweiten Anschluß eingegeben, und dessen Phase wird moduliert. Die modulierte Lichtkomponente wird vom ersten Anschluß abgegeben, um die Lichtkomponente im Gegenuhrzeigersinn zu werden. Nachdem die Lichtkomponenten im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn vom optischen Multiplexer/Demultiplexer 853 multiplexiert worden sind, erreicht der multiplexierte Lichtstrahl den optischen Demultiplexer 852 sequentiell durch das Ortsfilter 855 und den Polarisator 854. Der multiplexierte Lichtstrahl, den der optische Demultiplexer 852 wiedergibt, wird in eine Photodetektionseinheit 300 als ein zu messender Lichtstrahl eingegeben. Wenn der photoleitfähige Photodetektor 310 den zu messenden Lichtstrahl empfängt, gibt die Photodetektionseinheit 300 ein Fastgleichspannungssignal durch eine Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 ab. Die Recheneinheit 731 nimmt den Spannungswert dieses Spannungssignals auf und speichert ihn.
Als nächstes errechnet die Recheneinheit 731 den Stufenwert des Phaseneinstellbetrages gemäß der Frequenz des Synchronsignals. Die Recheneinheit 731 bestimmt eine Änderung in der Phase des Ausgangssignals gemäß diesem Stufenwert für den Phasenschieber 110. In diesem Zustand empfängt der photoleitfähige Photodetektor 310 einen zu messenden Lichtstrahl, und die Recheneinheit 731 nimmt auf und speichert den Spannungswert des Signals, das von der Nichtlinearitäts- Korrektureinheit 600 kommt. Danach wird die Phase von einem Signal, das der Phasenschieber 110 abgibt, geändert um den Stufenwert des Phaseneinstellbetrages jeder Zeit, und die Recheneinheit 731 nimmt auf und speichert den Spannungswert eines Signals, das von der Nichtlinearitäts-Korrektureinheit 600 jedes Mal ausgegeben wird.
Wenn die Akkumulation der Änderungen in den Phasen der Signale, die vom Phasenschieber 110 kommen, 2π erreicht, verarbeitet die Recheneinheit 731 die Daten der gespeicherten Spannungswert, um den maximalen Spannungswert zu errechnen. Die Recheneinheit 731 erkennt diesen maximalen Spannungswert als einen Meßwertbetrag gemäß der Phasendifferenz (Δθ) und errechnet die Phasendifferenz (Δθ) aus dem Meßbetrag. Wenn auf diese Weise die Meßoperation der Phasendifferenz (Δθ) abgeschlossen ist, zeigt die Recheneinheit 731 die Meßergebnisse auf einer Anzeigeeinheit 712 an und informiert die Bedienperson.
Angemerkt sei, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es ist beabsichtigt, daß verschiedene Abwandlungen und Variationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne Herausfallen aus dem Umfang der vorliegenden Erfindungen möglich sind, wie sie in den anliegenden Patentansprüchen angegeben sind.

Claims

1. Gerät zur synchronen Detektion zum Messen einer Frequenzkomponente eines zu messenden Lichtsignals, mit:

einer Phaseneinstelleinheit (100), die ein elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Frequenz empfängt und eine Phase eines Ausgangssignals gemäß einer externen Bestimmung ändert;

einer Spannungsanlegeeinheit (200,220), die ein von der Phaseneinstelleinheit (100) abgegebenes elektrisches Signal empfängt und die ein erstes Spannungssignal mit einer geringen Ausgangsimgedanz abgibt;

einem photoleitfähigen Photodetektor (310) mit einem Spannungsanlegeanschluß, an dem das von der Spannungsanlegeeinheit (200,220) abgegebene Spannungssignal anliegt, und der das zu messende Lichtsignal empfängt;

und mit einer Strom-zu-Spannung-Wandlereinheit (320), die ein durch den photoleitfähigen Photodetektor (310) fließendes Stromsignal in ein Spannungssignal umsetzt und die im wesentlichen eine Gleichstromkomponente ausliest, die als ein zweites Spannungssignal abzugeben ist,

wobei eine Intensität einer Komponente der vorbestimmten Frequenz, die im zu messenden Lichtsignal enthalten ist, vom zweiten Spannungssignal detektierbar ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, das des weiteren über ein Vorspanneinstellmittel (330) verfügt, das eine Betriebsvorspannung des photoleitfähigen Photodetektors (310) einstellt.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, das des weiteren über einen Frequenzwähler zum Auswahl der vorbestimmten Frequenz verfügt.

4. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, das des weiteren über eine Datenverarbeitungseinheit (710, 720, 730) verfügt, um die Phaseneinstelleinheit (100) über einen Einstellwert zu informieren, und die das zweite Spannungssignal empfängt, das die Strom-zu-Spannung-Wandlereinheit (310) abgibt, um eine Phase und eine Intensität des zu messenden Lichtsignals zu errechnen.

5. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, das des weiteren über ein nichtlineares Korrekturmittel (600) verfügt, um das zweite Spannungssignal zu empfangen, das die Strom-zu- Spannung-Wandlereinheit (320) abgibt und zum Korrigieren der Nichtlinearität vom Spannungssignal, das die Strom-zu-Spannung- Wandlereinheit (320) in Hinsicht auf eine Intensität des Lichtsignals abgibt, wobei die Nichtlinearität dem Antwortverhalten vom photoleitfähigen Photodetektor (310) eigen ist.

6. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der photoleitfähiger Photodetektor (310) eine Anordnung besitzt, bei der, wenn eine Intensität eines einfallenden Lichtsignals konstant ist und ein Wert der anliegenden Spannung unabhängig variabel ist, ein Betrag des durch den photoleitfähigen Photodetektor (310) fließenden Stromes im wesentlichen eine ungradzahlige Funktion der anliegenden Spannung in einer vorbestimmten Domäne ist, die den Wert der angelegten Spannung von 0 V umfaßt, und wenn die angelegte Spannung konstant ist und ein Wert der Intensität des einfallenden Lichtsignals eine unabhängige Variable ist, ist der Betrag des durch den photoleitfähigen Photodetektor (310) fließenden Stromes im wesentlichen eine lineare Funktion der Intensität des einfallenden Lichtsignals in der vorbestimmten Domäne;

bei dem das an den photoleitfähigen Photodetektor (310) angelegte Spannungssignal periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von im wesentlichen Null hat, und bei dem eine Amplitude, dargestellt durch eine geradzahlige Funktion einer Zeit, zu der ein Ursprung zur Zeit eines Mittelpunktes zwischen benachbarten Zeiten eingestellt ist, in der die Amplitude zu Null wird.

7. Gerät nach Anspruch 6, dessen photoleitfähiger Photodetektor (310) ein Metall/Halbleiter/Metall-Photodetektor ist.

8. Gerät nach Anspruch 6, dessen photoleitfähiger Photodetektor (310) ein Photodetektor unter Verwendung von einem der Materialien GaAs, InP, GaP, InGaAs, HgCdTe, CdS, CdSe und PbS als ein lichtdetektierendes Material ist.