DE102004037137A1

DE102004037137A1 - Object`s distance measurement method, involves providing electrical reference signal to time-of-flight unit, mixing electromagnetic radiation falling on unit with reference signal and detecting delay time between signal and radiation

Info

Publication number: DE102004037137A1
Application number: DE102004037137A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Lange; Martin Albrecht; Bernd Dr. Buxbaum; Rolf Fensterle; Martin Buck
Original assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Current assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-07-31
Also published as: DE102004037137B4

Abstract

The method involves irradiating an object (5) with an intensity-modulated electromagnetic radiation, and providing an electrical reference signal to a time-of-flight unit of a detector (6). The signal is correlated with the intensity modulation of the radiation and the radiation falling on the time-of-flight unit is mixed with the reference signal. A delay time between the reference signal and the radiation is detected. An independent claim is also included for a device for executing a method for measuring a distance of an object.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, und die Intensität der von dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit- bzw. phasensensitiv detektiert wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens.The The present invention relates to a method for measuring distance, where an object with intensity modulated electromagnetic radiation is illuminated, and the intensity of the the object reflected and / or scattered radiation with at least a detector is detected run-time or phase-sensitive. Furthermore the invention relates to a device for carrying out the previously described method.

Aus dem Stand der Technik ist ein optisches Verfahren zur Entfernungs- bzw. Abstandsmessung bekannt, bei dem der Abstand eines Objekts von einem Referenzpunkt anhand der Laufzeit eines intensitätsmodulierten optischen Signals von einem Objekt zu einem Detektor bestimmt wird. Dieses Meßverfahren wird auch als Time-of-Flight- (TOF-) Messung oder Laufzeitmessung bezeichnet.Out The prior art discloses an optical method for removing or distance measurement known in which the distance of an object from a reference point based on the duration of an intensity modulated optical signal from an object to a detector is determined. This measuring method is also called time-of-flight (TOF) measurement or runtime measurement designated.

Dabei wird die Intensität der von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle emittierte Strahlung moduliert und auf ein Objekt gerichtet. Der von dem Objekt gestreute bzw. reflektierte Teil der Strahlung wird mit einem TOF-Detektor erfaßt und mit einem elektrischen oder optischen Referenzsignal verglichen. Aus der Laufzeit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung, diese kann beispielsweise ein gepulstes oder ein periodisch moduliertes optisches Signal sein, wird dann die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor bestimmt. Solche TOF-Detektoren sind beispielsweise aus der DE 198 21 974 A1 oder der WO 02/49339 A2 bekannt.In this case, the intensity of the radiation emitted by an electromagnetic radiation source is modulated and directed to an object. The part of the radiation scattered or reflected by the object is detected by a TOF detector and compared with an electrical or optical reference signal. From the duration of the intensity-modulated optical radiation, which may be, for example, a pulsed or a periodically modulated optical signal, the distance between the object and the detector is then determined. Such TOF detectors are for example from DE 198 21 974 A1 or WO 02/49339 A2.

Ist das für die Messung verwendete optische Signal gepulst, so kann die Messung nach Art einer Stop-Uhr erfolgen, während bei periodisch modulierten Signalen die Laufzeitmessung durch eine Messung der Phasendifferenz zwischen der Intensitätsmodulation des optischen Signals und dem Referenzsignal erfolgt.is that for the measurement used pulsed optical signal, so the measurement in the manner of a stop-watch, while in periodically modulated Signals the transit time measurement by measuring the phase difference between the intensity modulation of the optical signal and the reference signal.

Da die Modulation der Intensität der elektromagnetischen Strahlung bzw. der Amplitude des elektrischen Referenzsignals typischennreise periodisch ist, beispielsweise ein Sinus- oder Rechtecksignal oder auch eine periodische Abfolge von Pulsen, ist die TOF-Messung mit Hilfe eines TOF-Detektors in der Regel mit einer Mehrdeutigkeit verbunden. Diese rührt daher, daß aufgrund der Periodizität des Signals die Eindeutigkeit der Messung auf einen Abstand beschränkt ist, welcher der zeitlichen Dauer einer Periode des Signals entspricht. Soll eine TOF-Messung durchgeführt werden, die einen erhöhten Eindeutigkeitsbereich aufweist, so können beispielsweise weitere Messungen mit verschiedenen Modulationsfrequenzen durchzuführen oder es kann ein quasi periodisches Signal (pseudo-noise modulation, quasi-Rauschmodulation) verwendet werden. Solch ein erweiterter Eindeutigkeitsbereich ist jedoch nur mit einem erheblichen technischen Mehraufwand zu erreichen.There the modulation of intensity the electromagnetic radiation or the amplitude of the electrical Reference signal is typical periodically, for example a Sine or square wave signal or a periodic sequence of Pulse, is the TOF measurement using a TOF detector in the Usually associated with ambiguity. This is because, that due the periodicity of the signal the uniqueness of the measurement is limited to a distance, which corresponds to the duration of a period of the signal. If a TOF measurement is to be performed which are raised Uniqueness range, so for example more Perform measurements with different modulation frequencies or it can be a quasi-periodic signal (pseudo-noise modulation, quasi-noise modulation). Such an extended one However, uniqueness is only with a significant technical To achieve additional effort.

Weiterhin erweist es sich als nachteilig, daß TOF-Detektoren ein fehlerhaftes Entfernungssignal erzeugen, sobald sie gleichzeitig mit Strahlung beleuchtet werden, welche von zwei unterschiedlich weit von dem Detektor entfernt angeordneten Gegenständen reflektiert wird. Eine solche Situation tritt in typischen kollinearen TOF-Anordnungen auf, in denen der von der Quelle erzeugte Strahl vom Objekt in sich selbst zurückreflektiert wird. Wenn sich ein transparentes Material, beispielsweise eine Glasscheibe im Strahlengang vor einem Festkörper befindet, so treffen die Oberflächenreflexe der Glasscheibe und die Reflexion von der Oberfläche des Festkörpers gleichzeitig auf das gleiche TOF-Detektorelement. Auch beim Eintritt eines Objekts in den Strahlpfad kommt es zu einem solchen gleichzeitigen Einfall zweier Signale mit unterschiedlich langer Laufzeit auf das TOF-Detektorelement und nachfolgend zur Ausgabe eines fehlerhaften (Misch-)Signals.Farther proves to be disadvantageous that TOF detectors a faulty Generate distance signal as soon as it is simultaneously with radiation which are two different from the other Detector removed objects is reflected. A such situation occurs in typical collinear TOF arrangements in which the beam produced by the source of the object in itself even reflected back becomes. When a transparent material, such as a Glass pane in the beam path is located in front of a solid, so hit the surface reflections the glass pane and the reflection from the surface of the solid at the same time to the same TOF detector element. Also when entering an object in the beam path it comes to such a simultaneous incidence two signals with different duration on the TOF detector element and subsequently to output a faulty (mixed) signal.

Vor dem Hintergrund des zuvor beschriebenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Meßverfahren bereitzustellen, das die zuvor genannten Nachteile vermeidet, einen erweiterten Eindeutigkeitsbereich der Messung und eine erhöhte Genauigkeit erlaubt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Durchführung einer optischen Entfernungsmessung mit erweitertem Eindeutigkeitsbereich und erhöhter Genauigkeit ermöglicht.In front Background of the prior art described above The present invention is based on the object, an optical measuring method to provide that avoids the aforementioned disadvantages, a extended uniqueness range of the measurement and increased accuracy allowed. About that In addition, it is an object of the present invention, a device to provide the carrying out of an optical distance measurement with extended uniqueness range and increased accuracy.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Entfernungsmessung bereitgestellt wird, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die Intensität der vom Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit- bzw. phasensensitiv detektiert wird, wobei mindestens ein weiteres optisches Verfahren zur Entfernungsmessung angewandt wird.These Task is solved by that a procedure is provided for distance measurement, in which an object with intensity modulated electromagnetic Radiation is illuminated and the intensity of the object reflected and / or scattered radiation with at least one detector or is detected phase-sensitive, wherein at least one further optical method for distance measurement is applied.

Dabei sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei denen das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung ein Triangulationsverfahren, ein Stereo-Triangulationsverfahren oder ein interferometrisches Verfahren ist. Dabei kann jedoch auch jede Kombination der genannten Verfahren verwendet werden. Beispiele für mögliche Kombinationen sind: Time-of-Flight-Verfahren mit Triangulationsverfahren und interferometrischem Verfahren oder Time-of-Flight-Verfahren mit Stereo-Triangulationsverfahren und interferometrischem Verfahren.Embodiments of the present invention are preferred in which the at least one further optical distance measuring method is a triangulation method, a stereo triangulation method or an interferometric method. However, any combination of said methods may be used. Examples of possible combinations are: time-of-flight method with triangulation method and interferometric method or Ti me-of-flight method with stereo triangulation and interferometric method.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der mindestens eine Detektor sowohl für die Laufzeit- bzw. phasensensitive Detektion der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung als auch für das weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung verwendet wird.there it is useful if the at least one detector for both the transit time and phase sensitive Detection of the intensity-modulated electromagnetic Radiation as well for the other optical method used for distance measurement becomes.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der mindestens eine Detektor mindestens ein TOF-Element aufweist und das TOF-Element mit einem elektrischen Referenzsignal versorgt wird, das mit der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung korreliert ist, wobei die auf jedes der TOF-Elemente fallende intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit dem Referenzsignal gemischt wird und wobei die Phasenverschiebung zwischen dem Referenzsignal und der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird. Nachfolgend wird als TOF-Element ein einzelnes Sensor-Element eines Detektors bezeichnet.Especially an embodiment is preferred of the invention, wherein the at least one detector at least has a TOF element and the TOF element with an electrical Reference signal is supplied with the intensity modulation the electromagnetic radiation is correlated, the on each of the TOF elements falling intensity-modulated electromagnetic Radiation is mixed with the reference signal and where the phase shift between the reference signal and the intensity modulated electromagnetic radiation detected becomes. Hereinafter, as a TOF element, a single sensor element a detector called.

Ein Detektor, mit dem ein solches Verfahren ausgeführt wird, ist beispielsweise aus der DE 198 21 974 A1 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hier durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.A detector with which such a method is carried out, for example, from DE 198 21 974 A1 known. The disclosure of this document is incorporated herein by reference in its entirety.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren oder UV- Frequenzbereich liegt. In diesem Frequenzbereich kann auf aus dem Stand der Technik bekannte Technologien zur Herstellung entsprechender TOF-Detektoren zurückgegriffen werden.Especially preferred is an embodiment the present invention, wherein the electromagnetic radiation in the infrared, visible or UV frequency range. In this Frequency range can be based on technologies known from the prior art used for the production of corresponding TOF detectors become.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn die Modulationsfrequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich zwischen 1 kHz und 500 GHz, vorzugsweise zwischen 100 kHz und 100 MHz liegt. Dabei ist die Modulationsfrequenz an den Abstandsbereich anzupassen, für den das Meßverfahren eingesetzt werden soll. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Modulationsfrequenz der elektromagnetischen Strahlung abstimmbar ist, so daß das Meßverfahren in verschiedenen Situationen anwendbar ist.Is appropriate it thereby, if the modulation frequency of the electromagnetic radiation in the range between 1 kHz and 500 GHz, preferably between 100 kHz and 100 MHz. The modulation frequency is at the Adjust distance range, for the measuring method should be used. It is advantageous if the modulation frequency the electromagnetic radiation is tunable, so that the measuring method is applicable in different situations.

Es wird eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher die von dem Objekt reflektierte und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung mit einem abbildenden Element auf den Detektor fokussiert wird.It becomes an embodiment of the invention in which the reflected from the object and / or scattered electromagnetic radiation with an imaging Element is focused on the detector.

Zum Vergrößern des Eindeutigkeitsbereichs der Time-of-Flight-Messung wird eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der das mindestens eine weitere Verfahren zur Entfernungsmessung ein Triangulationsverfahren ist. Zur Ausführung des Verfahrens müssen die Quelle der elektromagnetischen Strahlung und der mindestens eine Detektor einen bekannten Abstand voneinander aufweisen, der vorzugsweise veränderbar ist.To the Enlarge the Uniqueness of time-of-flight measurement becomes an embodiment of the invention, in which the at least one further method for distance measurement is a triangulation method. To carry out the procedure have to the source of electromagnetic radiation and at least a detector have a known distance from each other, the preferably changeable is.

Im einfachsten Fall wird bei dem Triangulationsverfahren das Objekt mit einem punktförmigen intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahl beleuchtet. Der vom Objekt reflektierte Strahl trifft dann in einem Abstand von der Quelle auf den Detektor, wobei der Abstand zwischen der Quelle und dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Strahlung vom Abstand des Objekts von der Quelle bzw. einer Bezugsebene abhängt. Dabei ist der Abstand zwischen Objekt und Bezugsebene eine eindeutige Funktion von dem Auftreffpunkt der reflektierten Strahlung. Im einfachsten Fall kann der Auftreffpunkt bestimmt werden, indem ein einzelner Detektor mit nur einem Bildpunkt bzw. TOF-Element so lange verschoben wird, bis der Detektor im Bereich der reflektierten Strahlung liegt.in the The simplest case is the object in the triangulation method with a punctiform intensity modulated illuminated electromagnetic beam. The reflected from the object Ray then hits the detector at a distance from the source, where the distance between the source and the point of impact of the electromagnetic Radiation from the distance of the object from the source or a reference plane depends. The distance between object and reference plane is a unique function from the point of impact of the reflected radiation. In the simplest Case, the impact can be determined by a single Detector with only one pixel or TOF element is moved until, until the detector is in the range of the reflected radiation.

Besonders bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der mindestens eine Detektor eine Zeile aus mindestens zwei nebeneinander angeordneten Photomischdetektoren aufweist. Ein solcher zeilenförmiger Detektor kann mit festem Abstand zu der Quelle der elektromagnetischen Strahlung, dieser Abstand wird auch als Triangulationsbasis bezeichnet, verwendet weiden. In Abhängigkeit vom Abstand des Objekts von der Bezugsebene bzw. der Quelle der elektromagnetischen Strahlung fällt die vom Objekt gestreute bzw. reflektierte elektromagnetische Strahlung auf unterschiedliche TOF-Elemente bzw. Bildpunkte des zeilenförmigen Detektors. In Abhän gigkeit davon, welcher der TOF-Element die gestreute Strahlung erfaßt, läßt sich mit Hilfe der Triangulationsberechnung der Abstand des Objekts von der Referenzebene berechnen.Especially however, an embodiment is preferred of the invention, wherein the at least one detector is a row comprising at least two juxtaposed photonic mixer detectors. Such a line-shaped Detector can be fixed distance to the source of electromagnetic Radiation, this distance is also called triangulation basis, used grazing. Dependent on from the distance of the object from the reference plane or the source of the object electromagnetic radiation falls the electromagnetic radiation scattered or reflected by the object to different TOF elements or pixels of the line-shaped detector. Dependent on of which of the TOF element detects the scattered radiation can be using the triangulation calculation, the distance of the object from calculate the reference plane.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen zeilenförmigen Detektor, bei dem mehrere TOF-Elemente in einer Zeile nebeneinander angeordnet sind.A preferred embodiment The invention uses a line-shaped detector in which several TOF elements are arranged in a row next to each other.

Dabei können jeweils zwei TOF-Elemente zu einem Bildpunkt zusammengefaßt sein. Die beiden zu einem Bildpunkt zusammengefaßten TOF-Elemente sind vorzugsweise in zwei übereinanderliegenden Zeilen angeordnet, was den Meßfehler verringert, da beide TOF-Elemente an der gleichen Stelle in der Zeile angeordnet sind. Die beiden zusammengefaßten TOF-Elemente werden mit zwei Referenzsignalen versorgt, die eine relative Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen, so daß mit einer einzelnen Messung die beiden Quadraturkomponenten und somit die Phase der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird.there can in each case two TOF elements are combined into one pixel. The two TOF elements combined to form a pixel are preferably in two superimposed Lines arranged, causing the measurement error decreases because both TOF elements are in the same place in the Line are arranged. The two combined TOF elements are included supplied two reference signals, which is a relative phase shift from 90 ° to each other have, so that with a single measurement the two quadrature components and thus the Phase of the incident electromagnetic radiation is detected.

Alternativ zu der zeilenförmigen Anordnung der TOF-Elemente in dem Detektor kann auch eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen verwendet werden, so daß das gesamte Bild des Objekts mit einem Detektor erfaßt werden kann. Bei Verwendung beispielsweise einer Zeilenbeleuchtung kann der Abstand des Objekts aus der Lage der Abbildung der Zeilenbeleuchtung auf dem zweidimensionalen Detektor berechnet werden (Lichtschnitt-Verfahren).alternative to the line-shaped Arrangement of the TOF elements in the detector can also be a two-dimensional Arrangement of TOF elements can be used so that the entire Image of the object can be detected with a detector. Using For example, line lighting may be the distance of the object from the location of the figure of the line illumination on the two-dimensional Detector can be calculated (light section method).

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung ein Stereo-Triangulationsverfahren. Bei einem solchen Verfahren werden mindestens zwei Detektoren nebeneinander angeordnet, wobei die mindestens zwei Detektoren jeweils eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen aufweisen. Die beiden Detektoren sind so gegeneinander versetzt, daß sie das von der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung beleuchtete Objekt unter zwei Winkeln beobachten. Dabei ist der Abstand (Basisabstand) zwischen den beiden Detektoren bekannt. Aus der Lage der beiden auf den Detektoren erzeugten Bilder zueinander und dem bekannten Basisabstand der beiden Detektoren läßt sich der Abstand des Objekts von der Referenzebene bzw. dem Referenzpunkt eindeutig bestimmen.In an alternative embodiment The invention is the at least one further optical method for distance measurement a stereo triangulation method. At a such methods at least two detectors are arranged side by side, wherein the at least two detectors each have a one- or two-dimensional Have arrangement of TOF elements. The two detectors are so offset against each other that they that of the intensity-modulated electromagnetic radiation illuminated object at two angles observe. Here is the distance (base distance) between the two Detectors known. From the location of the two generated on the detectors Pictures of each other and the known base distance of the two detectors let yourself the distance of the object from the reference plane or the reference point uniquely determine.

Die Kombination des Stereo-Triangulationsverfahrens mit dem TOF-Verfahren liefert zusätzlich zu der zweifachen Entfernungsinformation aus den TOF-Messungen der beiden TOF-Detektoren eine weitere Entfernungsinformation. Durch diese Redundanz läßt sich je nach Systemauslegung der Eindeutigkeitsbereich der TOF-Messung erweitern und zudem die Genauigkeit erhöhen. Außerdem ist eine massive Erweiterung des Dynamikbereichs erzielbar. Die Kombination der Time-of-Flight-Messung mit Hilfe der TOF-Detektoren mit dem zuvor beschriebenen Triangulationsverfahren stellt gewissermaßen zwei Skalen zur Entfernungsmessung bereit. Dabei wird beispielsweise mit Hilfe des Triangulationsverfahrens der Abstand des Objekts von der Referenzebene grob bestimmt, wäh rend eine Feinbestimmung mit Hilfe des gleichzeitig ausgeführten Time-of-Flight-Verfahrens erfolgt. So wird der Eindeutigkeitsbereich der Time-of-Flight-Messung durch die Anwendung des zweiten Verfahrens vergrößert.The Combination of the stereo triangulation method with the TOF method supplies in addition to the two-fold distance information from the TOF measurements of Both TOF detectors further distance information. By this redundancy can be depending on the system design, the uniqueness range of the TOF measurement expand and also increase the accuracy. It's also a massive expansion dynamic range achievable. The combination of time-of-flight measurement with help the TOF detectors with the triangulation method described above in a sense two scales for distance measurement ready. This is for example using the triangulation method, the distance of the object from roughly determined the reference plane, while a fine determination with help of the simultaneously executed Time-of-flight procedure takes place. This is how the uniqueness area becomes the time-of-flight measurement by the use of the second method increased.

Alternativ kann die Triangulation für eine genauere Auflösung im Nahbereich und das TOF-Verfahren für größere Entfernungen genutzt werden.alternative can do the triangulation for a more accurate resolution at close range and the TOF method for longer distances be used.

Ein weiterer Vorteil aller beschriebenen Kombinationen des TOF-Verfahrens mit Triangulationsverfahren ist, daß die an Objekten mit unterschiedlicher Entfernung zum Detektor reflektierte Strahlung unter unterschiedlichen Winkeln auf den Detektor trifft, so daß prinzipiell niemals ein TOF-Element gleichzeitig mit der reflektierten Strahlung von unterschiedlich weit vom Detektor entfernten Objekten beleuchtet wird. Auf diese Weise kommt es nicht zur Ausgabe fehlerhafter Entfernungsinformation . Beispielsweise werden hintereinander angeordnete transparente und nicht transparente Gegenstände getrennt voneinander erfaßt.One further advantage of all described combinations of the TOF method with triangulation is that on objects with different Distance to the detector reflected radiation under different Angles to the detector, so that in principle never a TOF element simultaneously with the reflected radiation of different illuminated far from the detector objects. To this Way it does not come to the output of erroneous distance information , For example, arranged one behind the other are transparent and not transparent objects separated detected by each other.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung ein interferometrisches Verfahren ist.Especially an embodiment is preferred of the present invention, wherein the at least one further optical methods for distance measurement an interferometric Method is.

In der Interferometrie nutzt man die Welleneigenschaft elektromagnetischer Strahlung zur relativen oder absoluten Entfernungsmessung. Dabei werden zwei kohärente elektromagnetische Wellen auf einem Detektor räumlich überlagert. Aufgrund der räumlichen Überlagerung und der Kohärenz des Lichts kommt es zu Interferenzerscheinungen zwischen den beiden Wellen. In Abhängigkeit ihrer Phasendifferenz ändert sich die integrale Intensität auf dem Detektor. Dabei hängt die Phasendifferenz der beiden elektromagnetischen Wellen von ihrem Laufzeitunterschied bzw. ihrer Weglängendifferenz ab. Entspricht der Laufzeitunterschied genau der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen davon, so interferieren die beiden elektromagnetischen Wellen destruktiv miteinander. Die Intensität der gemessenen Strahlung ist dann minimal. Überlagern sich die beiden Wellen hingegen konstruktiv, d.h. mit einem Laufzeitunterschied, der einer ganzen Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, so ist die Intensität maximal. In Abhängigkeit vom Laufzeitunterschied können alle Intensitätswerte zwischen dem Minimum bei destruktiver Interferenz und dem Maximum bei konstruktiver Interferenz erreicht werden. Aus der Intensität kann somit auf den Laufzeitunterschied zwischen den beiden elektromagnetischen Wellen zurückgerechnet werden.In Interferometry uses the wave property of electromagnetic Radiation for relative or absolute distance measurement. It will be two coherent ones Electromagnetic waves spatially superimposed on a detector. Due to the spatial overlay and coherence Of the light, there are interference phenomena between the two Waves. Dependent on changes their phase difference the integral intensity on the detector. It hangs the phase difference of the two electromagnetic waves from theirs Duration difference or their path length difference from. Complies the transit time difference exactly half the wavelength of the electromagnetic Radiation or an odd integer multiple of it, like that The two electromagnetic waves destructively interfere with each other. The intensity the measured radiation is then minimal. Overlay the two waves constructive, i. with a runtime difference, the one whole wavelength or an integer multiple of them, so is the intensity maximum. Dependent on from the runtime difference can all intensity values between the minimum at destructive interference and the maximum be achieved with constructive interference. From the intensity can thus on the transit time difference between the two electromagnetic Calculated waves back become.

Ein solches interferometrisches Verfahren läßt sich mit dem Time-of-Flight-Verfahren kombinieren, indem zusätzlich ein optischer Referenzstrahlpfad von der Quelle direkt auf den Detektor geleitet wird, so daß auf dem Detektor eine Interferenz zwischen der elektromagnetischen Welle, die den Referenzstrahlpfad entlanggelaufen ist und der elektromagnetischen Welle, die im Meßstrahlpfad über das Objekt gelaufen ist, stattfindet.One Such interferometric method can be with the time-of-flight method combine by adding an optical reference beam path from the source directly to the detector is conducted so that on the detector has an interference between the electromagnetic wave, which has passed the reference beam path and the electromagnetic Wave, in the measuring beam path over the object has taken place.

Dabei wird eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die Länge des Referenzstrahlpfads variiert wird. Dies kann beispielsweise durch Verschieben eines Spiegels in Referenzstrahlpfad erreicht werden.there becomes an embodiment of the invention, in which the length of the reference beam path is varied. This can be done, for example, by moving a Mirror can be achieved in reference beam path.

Aufgrund der geringen Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung im optischen oder infraroten Frequenzbereich lassen sich mit dem interferometrischen Verfahren bereits geringe Abstände und Abstandsänderungen in der Größenordnung von wenigen Nanometern messen. Während der Eindeutigkeitsbereich der Time-of-Flight-Messung von der Periodizität der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung begrenzt ist, ist der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messung von der Wellenlänge bzw. Frequenz der verwendeten monochromatischen elektromagnetischen Strahlung abhängig. Bei der Weißlichtinterferometrie oder Interferometrie mit Strahlung mit geringer Kohärenzlänge ist der Eindeutigkeitsbereich von der Kohärenzlänge der Strahlung abhängig.by virtue of the low wavelengths of electromagnetic radiation in the optical or infrared frequency range can already be low with the interferometric method Distances and changes in distance in the order of magnitude of a few nanometers. While the uniqueness range of the time-of-flight measurement of the periodicity of the intensity modulation the electromagnetic radiation is limited, is the uniqueness range the interferometric measurement of the wavelength or frequency of the monochromatic used dependent on electromagnetic radiation. In white light interferometry or interferometry with low coherence length radiation the uniqueness range depends on the coherence length of the radiation.

Um in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Eindeutigkeitsbereich des interferometrischen Meßverfahrens zu vergrößern, wird eine intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit einem weißen, d.h. breitbandigen Spektrum verwendet. Eine solche weiße elektromagnetische Strahlung zeichnet sich durch ihre geringe Kohärenzlänge aus. D.h. nur bei im wesentlichen in ihrer Länge abgeglichenen Strahlpfaden des Referenz- bzw. Meßstrahls kann überhaupt eine Interferenz beobachtet werden. Die Sichtbarkeit des Interferenzmusters variiert dabei innerhalb der Kohärenzlänge stark, so daß ein wesentlich verbesserter Eindeutigkeitsbereich erreicht wird. Dabei kann bereits aus der Anpassung des Referenzstrahlpfads an die Länge des Meßstrahlpfads eine erste Abschätzung für die Größenordnung des Abstands des Objekts von der Referenzebene erfolgen.Around in a preferred embodiment of Invention the uniqueness range of the interferometric measuring method to enlarge, one becomes Intensity modulated electromagnetic radiation with a white, i. broadband spectrum used. Such a white one Electromagnetic radiation is characterized by its low coherence length. That only with beam paths aligned substantially in their length the reference or measuring beam can at all an interference can be observed. The visibility of the interference pattern varies greatly within the coherence length, so the existence significantly improved uniqueness range is achieved. there can already from the adaptation of the reference beam path to the length of the Meßstrahlpfads a first estimate for the Magnitude the distance of the object from the reference plane done.

Aus der Kombination des Time-of-Flight-Verfahrens mit interferometrischen Verfahren ergibt sich die Möglichkeit, den Abstand des Objekts von einer Referenzebene mit einer wesentlich höheren Genauigkeit zu bestimmen als dies mit der Time-of-Flight-Messung allein möglich wäre. Die TOF-Messung ermöglicht es zudem, die relative interferometrische Messung zu einer absoluten Messung zu ergänzen.Out the combination of the time-of-flight method with interferometric Procedure results in the possibility the distance of the object from a reference plane with a material higher Accuracy to determine than with the time-of-flight measurement alone possible would. The TOF measurement allows Moreover, the relative interferometric measurement becomes an absolute one Supplement measurement.

Es versteht sich, daß das Time-of-Flight-Verfahren nicht nur mit einem der genannten weiteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung kombiniert werden kann, sondern auch mit mehreren dieser Verfahren gleichzeitig.It understands that the Time-of-flight procedure not just with one of the other optical Method of distance measurement can be combined, but even with several of these procedures simultaneously.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren.Further Features, benefits and applications The present invention will become apparent from the following description preferred embodiments as well as the associated figures.

1 zeigt eine schematische Ansicht von oben einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 1 shows a schematic top view of a first embodiment of the invention,

2A, B zeigen eine Draufsicht auf eine zeilenförmige Anordnung von TOF-Elemente, 2A . B show a plan view of a line-shaped arrangement of TOF elements,

3 zeigt eine schematische Ansicht eines TOF-Elements, 3 shows a schematic view of a TOF element,

4 zeigt eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen, 4 shows a two-dimensional arrangement of TOF elements,

5 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, 5 shows a schematic view of a preferred embodiment of the invention,

6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 6 shows a schematic representation of another embodiment of the present invention,

7 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 7 shows a schematic view of an embodiment of the present invention, and

8 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 8th shows a schematic representation of the method according to the invention.

In 1 ist eine schematische Ansicht von oben auf eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfernungsmessung dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Laserquelle zur Erzeugung monochromatischer elektromagnetischer Strahlung bezeichnet. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge um 800 nm. In Strahlrichtung hinter dem Laser 1 befindet sich ein optischer Modulator 2, welcher der von dem Laser 1 emittierten Strahlung eine Intensitätsmodulation aufprägt. Der Modulator 2 ist in der dargestellten Ausführungsform ein elektro-optischer Modulator, so wie er für Telekommunikationsanwendungen kommerziell erhältlich ist. Alternativ dazu kann jedoch auch die Laserquelle 1 zum Beispiel durch Modulation des Stroms direkt intensitätsmoduliert werden. Das Modulationssignal des Modulators 2 wird von einer Signalquelle 3 vorgegeben, die darüber hinaus einen Referenzausgang aufweist, der mit dem Detektor bzw. den Photomischdetektoren des Detektors verbunden ist. Der intensitätsmodulierte Strahl wird über eine abbildende Optik 4 auf das Objekt 5 gelenkt. Von dort wird die elektromagnetische Strahlung reflektiert. Das in Richtung des Detektors 6 reflektierte Licht wird von einer sammelnden Optik 7 auf den Detektor 6 fokussiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Detektor 6 ein Zeilendetektor, so wie er in 2A dargestellt ist. Alternativ dazu können jedoch auch andere Detektoranordnungen, so wie sie weiter unten diskutiert werden, verwendet werden. In Abhängigkeit vom Abstand x des Objekts von der Referenzebene 8 fällt das vom Objekt 5 reflektierte Licht unter verschiedenen Winkeln auf die sammelnde Optik 7 ein. In Abhängigkeit vom Abstand des Objekts von der Referenzebene 8 trifft der vom Objekt gestreute Strahl 9, 10, 11 an unterschiedlichen Positionen 12, 13, 14 auf den zeilenförmigen Detektor 6.In 1 is a schematic view from above of an apparatus for carrying out the method according to the invention for distance measurement shown. With the reference number 1 is the laser source for generating monochromatic electromagnetic radiation called. In the illustrated embodiment, it is a semiconductor laser with a wavelength around 800 nm. In the beam direction behind the laser 1 there is an optical modulator 2 that of the laser 1 emitted radiation imposes an intensity modulation. The modulator 2 In the illustrated embodiment, it is an electro-optic modulator, as commercially available for telecommunications applications. Alternatively, however, also the laser source 1 For example, by modulating the current directly intensity-modulated. The modulation signal of the modulator 2 is from a signal source 3 predetermined, which also has a reference output, which is connected to the detector or the photonic mixer detectors of the detector. The intensity-modulated beam is over an imaging optics 4 on the object 5 directed. From there, the electromagnetic radiation is reflected. That in the direction of the detector 6 Reflected light is from a collecting optics 7 on the detector 6 focused. In the illustrated embodiment, the detector is 6 a line detector, as in 2A is shown. Alternatively, however, other detector arrangements as discussed below may be used. Depending on the distance x of the object from the reference plane 8th it falls from the object 5 reflected light at different angles on the collecting optics 7 one. Depending on the distance of the object from the reference plane 8th hits the beam scattered by the object 9 . 10 . 11 in different positions 12 . 13 . 14 on the line-shaped detector 6 ,

Die Entfernung x des Objekts 5 von der Referenzebene 8 läßt sich dann berechnen als

wobei b die Triangulationsbasis, d.h. der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden abbildenden Optiken 4, 7 ist und h ist der Abstand des Detektors von der fokussierenden Optik 7, wobei für den gezeigten Fall die Symmetrieachse der abbildenden Linse 7 parallel zu dem zeilenförmigen Detektor ist. Der Winkel α beschreibt die Verkippung des Detektors gegenüber einer senkrecht auf der Triangulationsbasis stehenden Geraden.The distance x of the object 5 from the reference plane 8th can then be calculated as

where b is the triangulation base, ie the distance between the centers of the two imaging optics 4 . 7 and h is the distance of the detector from the focusing optics 7 , Wherein, for the case shown, the axis of symmetry of the imaging lens 7 is parallel to the line-shaped detector. The angle α describes the tilt of the detector with respect to a straight line perpendicular to the Triangulationsbasis.

In 2A ist die zeilenförmige Anordnung der TOF-Elementen 15 auf dem Detektor 6 zu erkennen. Dabei sind jeweils zwei TOF-Elementen 15 zu einem Bildpunkt 16 des zeilenförmigen Detektors 6 zusammengefaßt. Die TOF-Elemente 15 eines jeden Bildpunkts 16 der Detektorzeile 6 werden mit einem um 90° phasenverschobenen Referenzsignal versorgt, um mit den beiden TOF-Elementen 15 eines jeden Bildpunkts 16 die Quadraturkomponenten der einfallenden elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig messen zu können. Mit Hilfe des in 1 gezeigten Aufbaus kann die Entfernung des Objekts 5 von der Referenzebene 8 gleichzeitig mit einem Detektor 6 mit Hilfe des Time-of-Flight-Verfahrens und des Triangulationsverfahrens bestimmt werden. Bei geeigneter Wahl der Modulationsfrequenz und der Anzahl an Bildpunkten 16 pro Längeneinheit des Detektors 6 läßt sich mit Hilfe des Triangulationsverfahrens der Abstand des Objekts 5 von der Referenzebene 8 in einer Genauigkeit bestimmen, die geringer ist als der Eindeutigkeitsbereich der Time-of-Flight-Messung. Die gleichzeitig ausgeführte Time-of-Flight-Messung erlaubt dann eine exakte Bestimmung des Abstands des Objekts 5 von der Referenzebene 8 in einer Genauigkeit, die größer ist als die Genauigkeit der Triangulationsmessung.In 2A is the line-shaped arrangement of the TOF elements 15 on the detector 6 to recognize. There are two TOF elements each 15 to a pixel 16 of the line-shaped detector 6 summarized. The TOF elements 15 of each pixel 16 the detector line 6 are supplied with a 90 ° out of phase reference signal to the two TOF elements 15 of each pixel 16 be able to measure the quadrature components of the incident electromagnetic radiation simultaneously. With the help of in 1 Construction shown may be the distance of the object 5 from the reference plane 8th simultaneously with a detector 6 be determined using the time-of-flight method and the triangulation method. With a suitable choice of the modulation frequency and the number of pixels 16 per unit length of the detector 6 the distance of the object can be determined with the aid of the triangulation method 5 from the reference plane 8th in an accuracy that is less than the uniqueness range of the time-of-flight measurement. The simultaneous time-of-flight measurement then allows an exact determination of the distance of the object 5 from the reference plane 8th in an accuracy greater than the accuracy of the triangulation measurement.

In 2B ist eine alternative Ausführungsform des zeilenförmigen Detektors 106 dargestellt. Der Detektor 106 besteht im wesentlichen aus zwei Zeilen 117, 118 von TOF-Elementen 115. Dabei bilden jeweils zwei übereinanderliegende TOF-Elemente 115 einen Bildpunkt 116. Die beiden TOF-Elemente 115 eines jeden Bildpunkts 116 werden wieder zur Erfassung der Quadraturkomponenten der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung mit um 90° zueinander verschobenen Referenzsignalen versorgt. Die Anordnung der TOF-Elemente 115 auf dem zeilenförmigen Detektor 106 aus 2B weist den Vorteil auf, daß entlang der Zeile mehr Bildpunkte untergebracht werden können, da diese in ihrer Ausdehnung entlang der Zeile kleiner sind als beispielsweise in der Ausführungsform aus 2A. Gegebenenfalls kann der zeilenförmige Detektor 106 aus 2B astigmatisch ausgeleuchtet werden, so daß seine Auflösung in Zeilenrichtung maximal ist, während beide Zeilen 117, 118 mit den zu einem Bildpunkt 116 gehörenden TOF-Elementen 115 optimal ausgeleuchtet wird.In 2 B is an alternative embodiment of the line detector 106 shown. The detector 106 consists essentially of two lines 117 . 118 of TOF elements 115 , In each case, two superimposed TOF elements form 115 a pixel 116 , The two TOF elements 115 of each pixel 116 are again supplied to detect the quadrature components of the intensity-modulated electromagnetic radiation with mutually shifted by 90 ° reference signals. The arrangement of the TOF elements 115 on the line-shaped detector 106 out 2 B has the advantage that more pixels can be accommodated along the line, since they are smaller in their extent along the line than, for example, in the embodiment 2A , Optionally, the line-shaped detector 106 out 2 B be illuminated astigmatically, so that its resolution in the row direction is maximum, while both lines 117 . 118 with the to a pixel 116 belonging TOF elements 115 is optimally illuminated.

In alternativen Ausführungsformen können die Detektoren auch Bildpunkte aufweisen, die aus nicht phasen- bzw. Laufzeitsensitiven TOF-Elementen aufgebaut sind.In alternative embodiments can they Detectors also have pixels that from non-phase or Runtime sensitive TOF elements are constructed.

In 3 ist ein TOF-Element 15 bzw. 115 dargestellt, so wie es in Detektoranordnungen aus den 2A und B sowie 4 verwendet wird. Das TOF-Element 15 ist ein Photomischdetektor, so wie er beispielsweise in der DE 198 21 974 A1 beschrieben wir. Dieser weist zwei Auslesegates 19, 20 auf, die leitfähig mit einem darunterliegenden photoleitenden Material verbunden sind. Darüber hinaus sind zwei transparente und gegen das photoleitende Material isolierte Modulationsgates 21, 22 vorgesehen. Die auf den Photomischdetektor 15 treffende elektromagnetische Strahlung trifft auf die photoleitende Schicht des Detektors und erzeugt dort Ladungsträger. Die Modulationsgates 21, 22 werden mit dem Referenzsignal vorgespannt, wobei das Referenzsignal der beiden Modulationsgates 21, 22 eine Phasenverschiebung von 180° zueinander aufweisen. So wird ein Potentialgefälle in einer Richtung senkrecht zu den streifenförmigen Gates des Photomischdetektors 15 erzeugt, dessen Richtung mit der Frequenz des Modulationssignals wechselt. Die photogenerierten Ladungsträger in dem photoleitenden Material werden in dem von den Modulationsgates 21, 22 hervorgerufenen elektrischen Feld in Richtung der Auslesegates 19, 20 getrieben. Der an den Auslesegates 19, 20 erfaßte Strom bzw. die erzeugte Spannungsdifferenz ist dann abhängig vom Produkt der photomodulierten Leitfähigkeit des photoleitfähigen Materials und der an den Modulationsgates 21, 22 anliegenden Modulationsspannung. In einer alternativen Ausführungsform des Photomischdetektors kann auf die streifenförmigen Modulationsgates 21, 22 verzichtet werden, wobei dann das Modulations- bzw. Referenzsignal direkt an die Auslesegates 19, 20 angelegt werden muß.In 3 is a TOF element 15 respectively. 115 represented, as it is in detector arrays of the 2A and B such as 4 is used. The TOF element 15 is a photonic mixer, as it is for example in the DE 198 21 974 A1 we described. This has two readout gates 19 . 20 which are conductively connected to an underlying photoconductive material. In addition, two transparent and isolated against the photoconductive material modulation gates 21 . 22 intended. The on the photomix detector 15 Adequate electromagnetic radiation hits the photoconductive layer of the detector and generates charge carriers there. The modulation gates 21 . 22 are biased with the reference signal, wherein the reference signal of the two modulation gates 21 . 22 have a phase shift of 180 ° to each other. Thus, a potential gradient in a direction becomes perpendicular to the stripe-shaped gates of the photonic mixer detector 15 whose direction changes with the frequency of the modulation signal. The photogenerated charge carriers in the photoconductive material become in the of the modulation gates 21 . 22 caused electric field in the direction of the readout gates 19 . 20 driven. The at the Auslesegates 19 . 20 detected current or voltage difference is then dependent on the product of the photomodulated conductivity of the photoconductive material and the modulation gates 21 . 22 applied modulation voltage. In an alternative embodiment of the photonic mixer detector, the strip-shaped modulation gates can be used 21 . 22 be omitted, in which case the modulation or reference signal directly to the readout gates 19 . 20 must be created.

In 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entfernungsmessung in einer schematischen Ansicht dargestellt. Wieder ist die Laserquelle 201 mit dem optischen Modulator 202 und dem Signalgenerator 203 zu erkennen. Das intensitätsmodulierte Licht wird mit Hilfe einer abbildenden Optik 204 auf das Objekt 205 fokussiert. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführungsform sind nun zwei Detektoren 231, 232 vorgesehen. Die von dem Objekt 205 gestreute Strahlung wird mit Hilfe zweier abbildender Elemente 207, 230 auf die Detektoren 231, 232 abgebildet. Dabei betrachten die beiden Detektoren 231, 232 das Objekt 205 unter verschiedenen Winkeln. Die Detektoren 231, 232 weisen eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen auf, so wie sie in 4 dargestellt ist. In einer zweidimensionalen Matrix sind Bildpunkte 216 angeordnet, die es erlauben, ein flächiges Bild des Objektes 205 aufzunehmen. Dabei setzt sich wieder jeder Bildpunkt 216 aus zwei Photomischdetektoren 215 zur Erfassung der Quadraturkomponenten der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zusammen. Aus den Positionen der beiden Bilder auf den Detektoren 231, 232 kann mit Hilfe des bekannten Basisabstandes der beiden Detektoren 231, 232 wieder der Abstand x des Objekts 205 von der Referenzebene 208 bestimmt werden.In 5 a further embodiment of the device according to the invention for distance measurement is shown in a schematic view. Again, the laser source 201 with the optical modulator 202 and the signal generator 203 to recognize. The intensity-modulated light is created with the help of an imaging optic 204 on the object 205 focused. Unlike the in 1 illustrated embodiment are now two detectors 231 . 232 intended. The of the object 205 scattered Radiation is created with the help of two imaging elements 207 . 230 on the detectors 231 . 232 displayed. Look at the two detectors 231 . 232 the object 205 at different angles. The detectors 231 . 232 have a two-dimensional array of TOF elements as shown in FIG 4 is shown. In a two-dimensional matrix are pixels 216 arranged, which allow a flat image of the object 205 take. At the same time, every pixel is set again 216 from two photonic mixer detectors 215 for detecting the quadrature components of the incident electromagnetic radiation. From the positions of the two images on the detectors 231 . 232 can with the help of the known base distance of the two detectors 231 . 232 again the distance x of the object 205 from the reference plane 208 be determined.

In 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung dargestellt, bei welcher das Time-of-Flight-Verfahren zur Entfernungsmessung mit einem interferometrischen Verfahren kombiniert ist. Abermals ist die Quelle der optischen Strahlung ein Halbleiterlaser 301. Der emittierteStrahl wird mit einem Strahlteiler 340, in der dargestellten Ausführungsform einem Strahlteilerwürfel, in zwei Teile aufgespalten, den Meßpfad 341 und den Referenzpfad 342. Der Meßpfad 341 beleuchtet, wie auch in den anderen Ausführungsformen, das Objekt 305, während der Referenzstrahlpfad 342 über eine variable Ausgleichsstrecke 343 und einen weiteren Strahlteiler 344 auf den Detektor 331 geleitet wird. In dem Meßpfad 341 befindet sich hinter dem Strahlteiler 340 ein optischer Modulator 302, der mit einem Signalgenerator 303 verbunden ist. Auf diese Weise wird in der dargestellten Ausführungsform nur die Intensität der Strahlung im Meßpfad 341 moduliert. An dem zweiten Strahlteiler 344 wird die Strahlung des Meßpfads 341 mit der Strahlung des Referenzpfads 342 räumlich überlagert, so daß die elektromagnetischen Wellen, welche die beiden Strahlpfade durchlaufen haben, miteinander interferieren können. Die Interferenz wird von dem Detektor 331, der einem Detektorelement entspricht, wie es zum Beispiel in 7 und der zugehörigen Beschreibung offenbart ist, erfaßt. Zusätzlich wird die Information über den Abstand des Objekts 305 von der Referenzebene 308 mit Hilfe der Photomischdetektoren in dem Detektor 331 mit dem Time-of-Flight-Verfahren detektiert. Alternativ zu der monochromatischen Laserquelle 301 kann auch eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge (z.B. eine Weißlichtquelle) verwendet werden, so daß mit der in 6 dargestellten Vorrichtung Low-Coherence-Interferometire oder Weißlichtinterferometrie in Kombination mit einer Time-of-Flight-Messung betrieben werden kann.In 6 a further embodiment of a device is shown, in which the time-of-flight method for distance measurement is combined with an interferometric method. Again, the source of optical radiation is a semiconductor laser 301 , The emitted beam is transmitted by a beam splitter 340 , in the illustrated embodiment, a beam splitter cube, split into two parts, the measuring path 341 and the reference path 342 , The measuring path 341 illuminated, as in the other embodiments, the object 305 during the reference beam path 342 via a variable balancing section 343 and another beam splitter 344 on the detector 331 is directed. In the measuring path 341 is located behind the beam splitter 340 an optical modulator 302 that with a signal generator 303 connected is. In this way, in the illustrated embodiment, only the intensity of the radiation in the measuring path 341 modulated. At the second beam splitter 344 becomes the radiation of the measuring path 341 with the radiation of the reference path 342 spatially superimposed, so that the electromagnetic waves that have passed through the two beam paths can interfere with each other. The interference is from the detector 331 , which corresponds to a detector element, as for example in 7 and the associated description. In addition, the information about the distance of the object 305 from the reference plane 308 with the help of the photonic mixer detectors in the detector 331 detected with the time-of-flight method. Alternative to the monochromatic laser source 301 can also be a light source with a short coherence length (eg, a white light source) are used, so that with the in 6 illustrated device low-coherence interferometry or white light interferometry in combination with a time-of-flight measurement can be operated.

In 7 ist ein ähnlicher Aufbau wie in 6 dargestellt, wobei der Detektor 406 ein Zeilendetektor mit mehreren Bildpunkten aus TOF-Elementen ist. Der dargestellte Aufbau erlaubt die Kombination des Time-of-Flight-Verfahrens und des Triangulationsverfahrens zusammen mit dem interferometrischen Verfahren. Die Entfernung läßt sich mit allen drei Verfahren gleichzeitig und unabhängig voneinander bestimmen, so daß sich die verschiedenen Skalen, auf denen die einzelnen Verfahren arbeiten, zu einer hochpräzisen Messung über einen großen Meßbereich hinweg ergänzen.In 7 is a similar structure as in 6 shown, wherein the detector 406 is a multi-pixel line detector of TOF elements. The illustrated construction allows the combination of the time-of-flight method and the triangulation method together with the interferometric method. The distance can be determined simultaneously and independently with all three methods, so that the different scales on which the individual methods work complement each other to a high-precision measurement over a large measuring range.

In 8 ist das beanspruchte Meßverfahren in einem Übersichtsdiagramm dargestellt. Die Strahlungsquelle 550 sendet Strahlung aus, die parallel für das Time-of-Flight-Verfahren 551, das aktive Triangulationsverfahren 552, das passive Triangulationsverfahren 553 (z.B. Stereo-Triangulationsverfahren) und das interferometrische Verfahren 554 zur Entfernungsmessung verwendet wird. Die Verfahren können wie in dem Diagramm angedeutet, gleichzeitig und parallel verwendet werden, wobei zumindest das Time-of-Flight-Verfahren mit einem anderen Verfahren vorgesehen ist. Dabei wird die für das TOF-Verfahren verwendete Strahlung mit Hilfe eines optischen Modulators 557 moduliert. Der Detektor 555 ist ein ein- oder mehr dimensionaler Detektor, der aus TOF-Elementen, so wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebaut ist. Dabei deutet die gestrichelte Linie 556 an, daß der Detektor 555 bei der Messung mit einem Referenzsignal, das mit der Intensitätsmodulation der Strahlung für das TOF-Verfahren korreliert ist, versorgt wird.In 8th the claimed measuring method is shown in an overview diagram. The radiation source 550 emits radiation that is parallel for the time-of-flight procedure 551 , the active triangulation method 552 , the passive triangulation method 553 (eg stereo triangulation method) and the interferometric method 554 is used for distance measurement. As indicated in the diagram, the methods can be used simultaneously and in parallel, wherein at least the time-of-flight method is provided with another method. In this case, the radiation used for the TOF method using an optical modulator 557 modulated. The detector 555 is a single or multi-dimensional detector constructed of TOF elements as previously described. The dashed line indicates 556 that the detector 555 in the measurement is supplied with a reference signal correlated with the intensity modulation of the radiation for the TOF method.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For purposes the original one Revelation is noted that all features as they are from the present description, the drawings and the claims for a To open up a specialist, even if they are specific only in connection with certain others Characteristics have been described, both individually and in any Compilations with other features disclosed herein or Feature groups are combinable, unless this is expressly excluded or technical conditions such combinations were impossible or make pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is here only for brevity and omitted for the readability of the description.

Claims

Method for distance measurement, in which an object is illuminated with intensity-modulated electromagnetic radiation and the intensity of the radiation scattered and / or reflected by the object is detected with at least one detector in a time-sensitive manner, characterized in that at least one further optical method for distance measurement is used ,

A distance measuring method according to claim 1, characterized in that the at least one detector has at least one TOF element and the TOF element is supplied with an electrical reference signal, that with the intensity modulation the electromagnetic radiation is correlated, the on the TOF element falling intensity-modulated electromagnetic Radiation is mixed with the reference signal and where the transit time difference between the reference signal and the intensity modulated electromagnetic radiation detected becomes.

A distance measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that the electromagnetic radiation in the infrared, visible or UV frequency range.

A distance measuring method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the frequency the intensity modulation in the range between 1 kHz and 500 GHz and preferably between 100 kHz and 100 MHz.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that each two TOF elements of the detector form a pixel, wherein the Reference signals of the two TOF elements of a pixel by 90 ° to each other phase shifted and where the quadrature components of the electromagnetic Radiation can be detected simultaneously by each one of the photonic mixer detectors.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the electromagnetic radiation reflected and / or scattered by the object is focused with an imaging element on the detector.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 6, characterized in that detector for the Runtime sensitive detection of the intensity modulated electromagnetic Radiation and for the at least one further optical method for distance measurement is used.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized that it in the other optical method for distance measurement is a triangulation method.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized that the Source of electromagnetic radiation and the at least one detector have a known distance from each other.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized that the Distance between the source of electromagnetic radiation and the at least one detector changeable is.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized that out the position and / or the size of the pixels of the object on the at least one detector, the distance of the object determined by a reference point.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 11, characterized in that it is at least another method for distance measurement by a stereo triangulation method is.

Method according to one of claims 1 to 12, characterized that the at least one detector a row of at least two next to each other arranged TOF elements having.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the at least one detector has a two-dimensional array of TOF elements.

Method according to one of claims 1 to 14, characterized that exactly two detectors are provided.

Method according to claim 15, characterized in that that the Base distance between the two detectors is known.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 16, characterized in that it is at least Another optical method for distance measurement to an interferometric Procedure is.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 17, characterized in that the intensity modulated electromagnetic radiation is monochromatic.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 18, characterized in that the intensity modulated electromagnetic radiation is broadband.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 19, characterized in that a part of the electromagnetic Radiation, preferably not modulated, via a reference beam path is passed to the at least one detector.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 20, characterized in that the length of the reference beam path is varied.

Method for distance measurement according to one of claims 1 to 21, characterized in that to change the length of Reference beam paths shifted at least one mirror in the reference beam path becomes.

Device for distance measurement with a source for intensity modulated electromagnetic radiation and having at least one transit time sensitive Detector for the intensity modulated electromagnetic Radiation, characterized in that means for carrying at least a further optical method for distance measurement provided are.

Distance measuring device according to claim 23, characterized in that the at least one detector is a line-shaped arrangement of TOF elements having.

Distance measuring device according to claim 23, characterized in that the at least one detector is a two-dimensional array of TOF elements having.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 25, characterized in that exactly two detectors with a multi-dimensional arrangement of TOF elements are provided.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 26, characterized in that the at least one detector at least one TOF element and at least one non-transit time sensitive Element has.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 27, characterized in that the radiation source a Source for Intensity modulated electromagnetic radiation in the visible, infrared or UV Frequency range is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 28, characterized in that in each case two TOF elements of the at least one detector form a pixel, wherein the Reference signals of the two TOF elements of a pixel by 90 ° to each other phase shifted and where the quadrature components of the electromagnetic Radiation can be detected simultaneously by one of the photonic mixer detectors.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 29, characterized in that the reflected from the object and / or scattered electromagnetic radiation with an imaging element can be focused on the detector.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 30, characterized in that the at least one detector for the runtime-sensitive Detection of the intensity-modulated electromagnetic radiation and for the at least one more optical method for distance measurement is usable.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 31, characterized in that the distance of the object from the position and / or size of the pixels on the at least one detector can be determined.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 32, characterized in that the source of the electromagnetic radiation and the at least one detector is a known distance from each other exhibit.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 33, characterized in that the distance between the Source of electromagnetic radiation and the at least one Detector changeable is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 36, characterized in that it is at least another method for distance measurement by a stereo triangulation method is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 35, characterized in that the base distance between the two detectors is known.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 36, characterized in that the device for carrying out the at least another optical method for distance measurement an interferometer is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 37, characterized in that the radiation source a Source of monochromatic Intensity modulated electromagnetic radiation is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 38, characterized in that the radiation source a Source for broadband Intensity modulated electromagnetic radiation is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 39, characterized in that it comprises a beam splitter, which converts the radiation generated by the source into a reference beam path and a measuring beam path divides.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 40, characterized in that the length of the reference beam path adjustable is.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 43, characterized in that to change the length of Reference beam path at least one mirror in the reference beam path is displaceable.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 45, characterized in that they have a second beam splitter on which the radiation from the reference beam path and the Meßstrahlpfad spatially superimposed.

Device for distance measurement according to one of claims 23 to 46, characterized in that they are used to carry out the Method according to one of the claims 1 to 22 is provided.