CN102203549B - 用于测量表面的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量表面(2)的设备包括光源(3)、光引导装置(4-6)、检测器系统(10)和分析电路(15)。光源(3)产生具有重复率的光脉冲序列。光引导装置(4-6)可被控制以将光脉冲序列引导至表面(2)的表面区域(25)上。所述表面区域可从多个表面区域(25、28)中被选定。检测器系统适于接收被表面区域(25)散射和/或反射的至少一个光信号(21-24)。分析电路(15)被耦连至检测器系统(10)且适于确定由光脉冲序列得出的参考信号(19)和所述至少一个光信号(21-24)的信号分量之间的相位差，以确定表面区域(25)的位置。所述相位差是为频率对应于重复率的倍数的信号分量确定的。

Description

用于测量表面的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量表面的设备和方法。本发明具体涉及一种使用光学测量技术测量表面的设备和方法。
背景技术
例如在和土木工程中的统计学相关的问题或多媒体应用中采用的空间数字化中，或者是在量化质量控制中，特别是工业制造中的量化质量控制中，存在很多测量三维物体的表面轮廓的应用。在此情形下，对尺寸在若干米的较大物体的微米级分辨率的高精度测量是一个挑战。
对在诸如条纹投影和偏转法(deflectometry)的光学几何技术的帮助下进行的物体表面测量来说，横向分辨率和景深之间存在着相互关联。存在对其中一个变量进行优化时会使相应的另一个变量恶化的效应，由此很难在若干米的景深内获得微米级的横向精确度。
接触式坐标测量机器可在若干立方米的体积内实现高精确度。但这样的测量是耗时的，尤其是在需要确定分布在待侧物体表面的大量的点的位置时。适用于具有米级特征尺寸的物体的坐标测量机器是巨大且不可移动的装置。此外，使用接触式测量对敏感表面没有实用性或实用性受限。
激光路径长度测量设备允许了对物体的距离的测量。在K.Minoshima和H.Matsumoto 2000年在“应用光学”第39卷第30分册的5512页至5517页中发表的“使用小型飞秒激光器对光学隧道中240米距离的高精度测量”(K.Minoshima and H.Matsumoto，“High-accuracy measurement of 240-mdistance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”，AppliedOptics，Vol.39，No.30，pp.5512-5517(2000))一文中描述了在实验室条件中使用频率梳进行的距离测量。虽然该测量可在高精度下实现，其被限制在一维且需要物体对光的反射。
文件EP1 903 302 A2描述了一种光学设备，其将正弦波幅度调制和光源的脉冲光输出相结合以确定物体的距离。在文件DE 11 2005 001 980 T5中，描述了一种方法和设备，其中频率梳被耦连至光学干涉仪以进行对距离的测量。对物体的观测深度被调制信号的闭环控制所控制。物体的表面既不能使用文件EP 1 903 302 A2中的方法，也不能使用文件DE 11 2005 001 980T5中的方法来测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进了的用以测量表面的设备和方法。具体地，本发明具有这样的目的，即提供允许以高分辨率测量表面的设备和方法，其中所述测量为非接触式且可使用较小的设备来进行。
根据本发明，该目标可通过提供一种用于测量表面(2；112)的设备来实现，所述设备包括：产生具有重复率的光脉冲序列(61)的光源(3)；可被控制以将所述光脉冲序列引导至所述表面(2；112)的表面区域(25；117)上的光引导装置(4-6；4，114；4，132，134)，所述表面区域(25；117)可从多个表面区域(25、27；117)中选定；配置为接收被表面区域(25；117)散射和/或反射的至少一个光信号(21-24；21-23，105；121-123)的检测器布置(10；102；120；135)；耦连至所述检测器布置(10；102；120；135)且被配置为确定由所述光脉冲序列得出的参考信号(19；86)和所述至少一个光信号(21-24；21-23，105；121-123)的信号分量(51；81)之间的相位差以确定所述表面区域(25；117)的位置的分析电路(15)，其中，所述检测器布置(10；102；120；135)包括被配置为用来接收多个被所述表面区域(25；117)散射至不同方向的光信号(21-24；21-23，105；121-123)的多个检测器(11-14；11-13，104；11-13)，所述分析电路(15)被配置成，对于所述多个光信号的每一个光信号(21-24；21-23，105；121-123)，确定在由所述光脉冲序列得出的所述参考信号(19；86)和所述光信号(21-24；21-23，105；121-123)的信号分量(51；81)之间的相位差，所述信号分量(51；81)相应地具有对应于所述重复率的倍数的频率。
根据本发明，上述目的还可通过提供一种测量表面的方法来实现，其中所述表面(2，112)的多个表面区域(25，27；117)的位置被按顺序确定，其中确定表面区域(25；117)的位置包括以下步骤：将具有重复率的光脉冲序列照射至所述表面区域(25；117)上；检测包括在所述表面区域(25；117)上被散射和/或反射的所述光脉冲序列的至少一个光信号(21-24；21-23，105；121-123)；和基于所述至少一个被检测到的光信号(21-24；21-23，105；121-123)的信号分量(51；81)确定所述表面区域(25；117)的所述位置，其中，为了确定所述表面区域(25；117)的所述位置，利用多个检测器(11-14)，检测各自包括在所述表面区域(25；117)上被散射向不同方向的所述光脉冲序列的多个光信号(21-24；21-23，105；121-123)，并且为所述被检测的多个光信号的每个光信号(21-24；21-23，105；121-123)，确定基于所述被照射的光脉冲序列确定的参考信号(19；86)和所述光信号(21-24；21-23，105；121-123)的信号分量(51；81)之间的相关联的相位差，所述信号分量相应地具有对应于所述重复率的倍数的频率。
本发明提供的上述设备和方法限定了优选或具有优势的实施方式。
所提供的设备和方法允许对表面进行测量。此处对表面的测量通常指的是测定表面的若干个表面区域内的三个空间坐标，或当测量在一个平面内进行时测定两个空间坐标。这种情况下，该表面区域的尺寸可非常小且通常地由表面上的光束的横截面积所决定。
根据本发明的用于测量表面的设备包括光源、光引导装置、检测器布置和分析电路。光源被配置为产生具有重复率的光脉冲序列。光引导装置被可控制以使得光脉冲序列被引导至表面的表面区域上。通过控制光引导装置，可从若干个表面区域中选择所述的表面区域，所述光脉冲序列可被引导至该表面区域上。检测器布置被配置为接收被该表面区域散射和/或折射的至少一个光信号。当光脉冲序列在操作中被照射至该表面区域上时，所述至少一个光信号包括被反射和/或散射的光脉冲序列。分析电路被耦连至该检测器布置且被配置为确定由光脉冲序列得出的参考信号和所述至少一个光信号的信号分量之间的相位差以确定表面区域的位置，该信号分量具有对应于所述重复率的倍数的频率。该参考信号可为任何可被用来作为确定相位差的参照物使用的信号。举例来说，该参考信号可由光源的同步输出提供或可被参考信号检测器所记录。
此处，作为时间的函数的光信号的光谱分量，即具有作为时间的函数的光强度的光谱分量，被称作信号分量。所述参考信号可大致具有对应于所述重复率的倍数的频率，或者该参考信号可具有具有此频率的参考信号分量，即光谱分量，其中所述相位差可确定为该信号分量和参考信号分量之间的相位差。
该设备允许以非接触的方式测量表面。通过基于具有和重复率的谐波对应的频率的信号分量确定的相位差，可获得高的空间分辨率，这是由于更高的频率对于给定的路径长度的差值来说产生相位差更大。
该光引导装置可被控制以使得光脉冲的多个序列按顺序被引导至不同的表面区域上，例如通过光脉冲序列的光路上的倾斜反射镜。对每个表面区域来说，位置可基于频率为重复率倍数的被散射光脉冲序列的信号分量的相位差来确定，以获得更好的空间分辨率。通过顺序地确定多个表面区域的位置来测量该表面。
该检测器布置可包括多个检测器，其接收被表面区域散射至不同方向的多个光信号。这种情况下，分析电路可确定与多个光信号相关联的多个相位差，其中每一个相位差都是为相应光信号的信号分量而确定的，所述信号分量的频率是重复率的倍数。通过将检测器布置这样配置为检测被表面区域散射或反射的至不同方向的光信号，表面区域和多个参考点之间的距离可被确定。表面区域的位置可基于被如此确定的多个距离而被确定，例如使用三边测量技术。
该检测器布置可包括至少三个检测器。这种情况下，分析电路可基于被确定的至少三个相位差来确定表面区域的位置。表面区域的位置可使用诸如三边测量的技术来确定。
可设置有更多的检测器以改善位置确定的准确度。检测器布置也可包括至少四个检测器。测量四个相位差允许在即使被发射至表面区域上的光照射的一个照射位置未知时也可以进行对位置的确定。这样，分析电路可被配置为基于已测定的四个相位差确定在光引导装置和表面区域之间的路径长度。该光引导装置可设置有用于光脉冲序列的聚焦光学部件，其可基于已确定的光引导装置和表面区域之间的距离来进行调节，以使得被照射的光线被聚焦在表面区域上。以这样的方式，表面区域的横向尺寸可被降低，且表面区域的横向分辨率可被提高。理想地，被照射的光线以衍射受限的方式被聚焦在表面上。
所述光引导装置可以不同的方式进行配置，以允许通过将多个光脉冲序列以顺序的方式照射至多个表面区域而对表面进行采样。该光引导装置可具有诸如位置和/或取向可改变的偏转反射镜或偏转棱镜之类的的至少一个可调节光学元件。所述表面可通过使用合适的致动器控制可调节光学元件而被自动地测量。
该光引导装置还可包括手持设备。举例来说，光学指针设备(opticalpointer device)可被使用，其通过光纤接收光脉冲序列且将其沿指针设备的轴被保持的方向输出。因此，用户可通过使用手持设备将光脉冲序列引导至表面区域上而确定被选定的表面区域的位置。根据一些实施例，该设备允许在即使指针设备和表面之间的距离未知的时候也能对表面区域的位置进行确定。可按照用户设定的方式来确定表面区域的位置，以测量该表面，其中用户可通过将指针设备指向相应的表面区域而以简单的方式选定表面区域。
该检测器布置和分析电路可被整合为一个装备，其中检测器布置中的检测器可被设置在该装备的壳体的一侧面上，以实现检测器布置和分析电路紧凑的构造和高度的操作灵活性。
该设备可具有至少一个参考信号检测器。该参考信号检测器被设置为使其将测由光源产生的光脉冲序列的一部分以作为参考信号。该参考信号检测器被耦连至分析电路以向其提供参考信号。
分析电路可以多种方式使用参考信号以确定相位差。该相位差可被确定为参考信号的参考信号分量和信号分量之间的相位差，其中该参考信号分量和信号分量分分别具有对应于重复率的倍数的频率。额外地或可选择地，参考信号可被用来将所述至少一个光信号的信号分量混频成较低的频率。该降频转换被有利地实施，以使得待确定的相位差基本不被该降频转换所改变。该降频转换还可实现为经过中间频率范围的多阶段过程。这种情况下，不同的参考信号分量可被用于首先将信号分量降频转换至中间频率范围，且随后至更低的频率，特别是降至重复率。使用降频转换而保持和初始频率对应的相位差，该相位差可在频率较低的信号间被确定。
如果使用参考信号的至少两个不同参考信号分量以例如将信号分量降频转换至多个阶段，则提供多个参考信号检测器是有利的。由于提供有多个参考信号检测器以检测参考信号，所以分析电路的相应信号处理路径中的分量可根据该信号处理路径中相应地需要的参考信号分量来具体选择。举例来说，由两个参考信号检测器提供的信号的输入放大可分别使用基于在相应的信号处理路径中的参考信号分量频率所处的频率范围内具有出色性能的考量而具体地选中的放大器而实现。
通过分析电路确定相位差可以迭代方式实现，例如，对于光信号的具有不同频率的若干个信号分量，相关联的相位差被分别确定。这种情况下，具有递增的频率的信号分量，即，频率为重复率更高倍数的信号分量，可被选中，而迭代计数也增加。由此，确定物体位置的准确度可被反复地提高。这在确定物体位置需要事先以一定的精确度知道该物体的位置时特别有利。
很多测量方式可被提供以提高测得的光信号的信号水平，及允许表面基于被表面散射的光被可靠地测量。举例来说，检测器布置的每个检测器可设置有光学元件，特别是聚焦透镜或凹面镜，以提高信号水平。在散射光脉冲不能入射在检测器上的时间间隔内，阻断装置可抑制光在检测器上的入射和/或分析电路的相关信号处理路径上的信号处理。因此，在没有可用信号到达检测器的时间间隔内增加的噪声可被抑制。
该光源可包括短脉冲激光，其例如可为电子或光泵浦的。但是，也可以使用被配置为以高精度输出具有基础频率和显著谐波的光学信号，例如具有基础频率的高阶谐波，的任何其他合适的信号源。
该设备可被用在所有需要测量表面的应用领域中。举例来说，该设备可被用于空间数字化或量化质量控制上。
根据本发明的另一方面，提供一种用来确定物体的位置的检测和分析设备，具有被调制强度的光束由照射位置被照射至所述设备上。具有多个检测器的检测器布置被提供以检测被物体散射和/或反射的多个光信号。分析电路被耦连至该检测器布置以为每个光信号确定与之相关联的、在参考信号和光信号的信号分量之间的相位差。在此设备中，检测器的数量和检测器布置的检测器设置被选择以在即使光束的照射位置未知时也可基于相位差确定物体的位置。此处，照射至物体上的光束所来自的该光束的光束路径上的位置被称作照射位置。
由于在具备这样配置的设备中，若干个检测器以空间设置被提供，这允许足够多的被物体反射和/或散射的光信号被接收，以在确定位置时消去物体和照射位置之间的未知距离，该设备允许在即使照射位置显著变化时也能确定位置。因此，在照射位置由手持设备、机器臂或其他不能以高精度控制的致动器改变以对物体表面扫描或取样时也能进行位置确定。
该检测器布置可包括至少四个检测器，它们被设置为使得最多两个检测器处在任意选择的直线上。该检测器可被设置在检测和分析设备的壳体的侧面上。如果该设备被设置为使得被物体反射或散射的光在该侧面上以不平行于壳体侧面的方式传播，则这样的检测器布置允许在即使物体和照射位置之间的距离未知的情况下物体的三个空间坐标也能被确定。
光束的强度可被调制以使得光束主要具有有着预定重复率的光脉冲序列。分析电路可被配置成为每个光信号确定参考信号和光信号的信号分量之间的相关联的相位差，所述信号分量的频率为重复率的倍数。作为时间的函数的被照射的光脉冲序列的强度可用作参考信号。由于相位差是基于信号分量而确定的，而所述分量的频率对应于光脉冲序列的基础频率的倍数，所以如上所述，位置确定的准确度可在给定的分辨率下被提高。
该检测和分析设备可被用在根据实施例的用于测量表面的设备中，但也可被用在物体位置(即物体的多个坐标)待测的其他领域内。
根据本发明的另一方面，提供了一种测量表面的方法，其中表面的多个表面区域的位置被按顺序确定。为了确定表面区域的位置，具有重复率的光脉冲序列被照射至该表面区域上，且包括被该表面区域散射和/或反射的光脉冲序列的至少一个光信号被检测。表面区域的位置基于所述至少一个被检测到的光信号的信号分量被确定，所述信号分量具有对应于重复率的倍数的频率。表面区域的位置可基于由被照射的光脉冲序列中得到的参考信号和所述至少一个被检测到的光信号的信号分量之间的相位差而具体确定。
如就用于测量表面的设备所解释的，该方法允许以非接触的方式测量表面。由于频率对应于重复率的倍数的信号分量被用来确定相位差，所以可提高确定单个表面区域的位置的准确度，并由此提高表面测量的准确度。
可检测对应于在物体表面上被散射至不同方向的光脉冲序列的多个光信号。对每个光信号，相位差可基于频率对应于重复率倍数的信号分量来确定。被检测的光信号的数量基于表面区域的未知坐标的数量以及其他可能存在的位置变量的数量来选定，以确定表面区域的坐标，所述位置变量诸如表面区域距照射位置的距离。举例来说，可检测被表面区域散射至三个不同方向的至少三个光信号。这允许在即使被照射至表面区域上的光脉冲序列的照射位置未知时对表面区域坐标的确定。也可以检测被表面区域散射至四个不同方向的至少四个光信号可被检测到也是可能的。这使得除了表面区域的坐标之外，还可以基于已确定的相位差来确定照射位置和表面区域之间的距离。所确定的距离值可例如被用来通过将被照射的光脉冲序列聚焦在表面区域上以提高横向分辨率。
理论上，可能会确定较在使用诸如三边测量技术等方法计算表面区域的位置时所需要的相位差要多的相位差。这允许了建立用于确定表面区域位置的超定方程组，以提高位置确定的准确性。这种情况下，可使用诸如在环球定位系统(GPS)的位置确定中已知的方法来由多个距离值确定表面区域的位置。
为了测量表面，表面被取样，以将多个光脉冲序列照射在多个表面区域上。对表面的取样或扫描可在很大程度上自动地完成，例如可通过控制可调光学元件来实现。光脉冲序列由于可调光学元件的不同位置而照射的多个区域限定了被确定位置的所述多个表面区域。被确定位置的表面区域也可通过总体上由用户限定的方式来选定，所述方式例如为通过使用手持设备将光脉冲序列照射在表面区域上。
该信号分量可被混频至较低的频率，以确定该信号分量相对于参考信号的相位差，所述参考信号例如可通过将光脉冲序列的一部分引导至参考信号检测器上来获得。这允许在低频信号上进行对相位差的确定。对降频转换来说，信号分量可与参考信号的、频率也是光脉冲序列的基础频率的倍数(即重复率的倍数)的参考信号分量混频。信号分量可通过多阶段混频加工以将其混频至至低频。
为了确定表面区域的位置，对一个被检测到的光信号来说，可以对多个信号分量迭代地确定相位差，其中所选定的信号分量的频率越高，则迭代计数增加。以这样的方式，位置确定的准确性可随着迭代的进行而被提高。所述多个信号分量中的至少一个具有和重复率的倍数对应的频率。
为了改善信噪比，光信号的检测和/或其后对被检测到的光信号的信号处理可在其中没有光脉冲被检测到的一段时间间隔内被抑制。该时间间隔是基于重复率和最短以及最长期望信号传播时间而确定的。可替换地或额外地，凹面镜或透镜可被设置在检测器布置中以检测所述至少一个光学信号，用于改善信号水平。
该方法可被使用根据本发明实施例的设备来执行。
根据本发明的各个实施例的设备和方法可普遍用于测量表面。示例性的应用领域是在量化质量控制中的测量应用，特别是工业制造中的量化质量控制中的测量应用。但是，本发明的实施例不被限制于这样的应用
附图说明
本发明将基于实施例被参照附图进行更详尽地说明。
图1是根据实施例的设备的示意图。
图2A示例性地示出了作为时间的函数的光脉冲序列，而图2B示意性地示出了图2A中的光脉冲序列的傅立叶光谱。
图3是可在图1所示设备中使用的检测器布置和分析电路的示意性块状电路图。
图4A和4B示例性地示出了在图3的分析电路中发生的信号。
图5是可在图1所示设备中使用的另一个检测器布置和分析电路的示意性块状电路图。
图6示出了图1所示设备的位置确定。
图7是根据另一个实施例的设备的示意图。
图8示出了图7所示设备的位置确定。
图9是根据另一个实施例的设备的示意图。
图10是根据另一个实施例的设备的示意图。
图11是另一检测器布置和分析电路的示意性块状电路图。
图12示出了图11所示分析电路中的切换状态。
图13是根据一个实施例的方法的流程图。
图14是根据另一个实施例的方法的流程图。
具体实施方法
在下文中，本发明的实施例将被更详尽地说明。不同实施例的特征可被互相结合，除非在下文的描述中明确地予以排除。虽然一部分实施例针对诸如背景为工厂的具体的应用被描述，但本发明不被限制在这些应用之内。
图1是根据实施例用来测量表面2的设备1的示意图。
设备1包括产生具有重复率的短光脉冲序列的光源3、具有可调偏转反射镜5和关联的调节设备或致动器6的光引导装置、包括多个光检测器11-14的检测器布置10，以及分析电路15。光脉冲序列由光源3照射至偏转反射镜5上。该光脉冲序列被作为光束20引导至表面2的表面区域25上，作为偏转反射镜5的位置的函数。此处该表面区域25的特征尺寸由入射在表面2上的光束20即光脉冲序列的直径所确定。如果该光束20被聚焦在表面2上，在理想状态下，该表面区域25的直径可主要受衍射限制。
该光脉冲序列被散射至表面区域25上。检测器布置10的光检测器11-14接收光信号21-24，所述光信号各自包括被表面区域25散射的光脉冲序列的一部分。光检测器11-14分别检测作为时间函数的被接收的光能量或光强度。分析电路15为被光检测器11-14检测到的光信号确定其相对于照射出的光脉冲序列的相位差。该相位的关系和光脉冲从表面区域25至光检测器11-14的传播时间相关，且因此和表面25至检测器的距离相关。因此，表面区域25的位置可被确定。在下文中将更详尽地解释，由分析电路15确定相位的关系是以在光检测器11-14上检测到的光信号的信号分量为基础的，所述分量的频率是重复率的倍数。
该设备1还包括两个参考信号检测器8、9，光脉冲序列被作为由分光器4射出的参考信号以部分光束19引导至其上。出于方便说明的原因，此处说明光脉冲序列既在由分光器4传输至偏转反射镜5的光束中照射，也在由分光器4被引导至参考信号检测器8、9的部分光束19中照射，应被理解的是相应地每个光脉冲只有一部分光强度以部分光束19被引导至参考信号检测器8、9上，且只有一部分光强度以部分光束20被引导至表面2上。参考信号19同时被参考信号检测器8、9检测且被作为参考信号输入16提供给分析电路15。如果需要的话，扩束器可被设置在部分光束19的光路上，以确保部分光束19被参考信号检测器8、9都检测到。在下文中将更详尽的说明，由参考信号检测器8、9分别提供的参考信号被分析电路15用来确定被表面25散射的光脉冲序列的相位的关系。
该设备1还包括计算单元7，其被耦连至分析电路15以基于确定的相位的关系确定表面区域25的位置。
此处对表面区域25的位置的确定指的是确定表面区域25上点的三个坐标。由于在理想状况下，该表面区域25具有由被照射光束的直径确定的小尺寸，所以将简单地参考该表面区域的位置，尽管该表面区域具有一定程度的小的延伸。
为了减少表面区域25的尺寸并增强测量表面2的横向分辨率，可调聚焦光学部件17被设置在位于分光器4和偏转反射镜5之间的光路上。该聚焦光学部件17被计算单元7控制，以使得光束20被聚焦在表面2上，在理想状况下，以绕射极限的方式聚焦。
为了确定表面区域25的位置，并不必须准确知道设备1内的偏转反射镜5的角度位置，这是因为在设备1中表面区域25的位置被基于由光检测器11-14检测到的光信号21-24以及被参考信号检测器8、9检测到的参考信号19而确定。通过使用其中使用的光检测器11-14的数目大于待决定的表面区域25的坐标数目的检测器布置10，可额外地在即使偏转反射镜5的准确位置未知时也可进行位置的确定。
计算单元7被耦连至偏转反射镜5的致动器6以通过控制致动器6调节偏转反射镜5的位置。通过调整偏转反射镜5，光脉冲序列可被作为光束28引导至另一个表面区域27上，以确定其的位置。偏转反射镜5可被装有万向节以对表面2取样。出于设备1的位置确定的鲁棒性(robustness)，使用其他较简单的偏转系统也是可能的，例如可绕两个互相正交的轴倾斜或枢转的一对反射镜。替代偏转反射镜，可使用其他合适的光学元件以对表面取样，如偏转棱镜或类似的元件。
由于不同表面区域的位置被按顺序确定，而每个表面区域的位置确定都被按同样的方式进行，所以在下文中将仅更详尽地说明一个表面区域的位置确定。为了测量表面，多个表面区域的位置各自按描述的方式被相继地确定。
设备1的光源3产生光学信号，其强度被使用周期函数进行调制，所述调制具有基础频率f0以及基础频率f0的谐波的显著分量，即，频率为f0的倍数的显著频率分量。这样的信号举例来说由短脉冲激光器产生，其以限定明确的间隔T0＝1/f0产生光脉冲序列，即，其重复率为f0，而每个脉冲的长度(duration)都较相继脉冲之间的时间间隔T0要短。
图2A示例性地示出了这样的短光脉冲序列31，其中光源3的输出功率P被示出为时间t的函数。相继脉冲之间的间隔T0被用附图标记32标出，而每个光脉冲的长度被用附图标记33标出。每个光脉冲的长度和相继的光脉冲之间的间隔T0相比可非常短，例如在1·10-5的数量级上。在设备3中，重复率f0和每个脉冲的长度可基于所需的位置确定的准确度、表面区域的位置的最初不确定性、被光检测器11-14检测到的光信号中要确定相位差的信号分量或其他因素而合适地选定。如果f0的第n个谐波被用来确定相位差，则每个光脉冲的长度和相继的光脉冲之间的间隔T0被选择为使得被光源3输出的光脉冲序列在频率n·f0上仍具有足够的谱权。虽然图2A中示例性地示出了方形冲序列，其他合适的脉冲形状也可被选择，例如双曲正割函数的平方或高斯函数的形状。
图2B示例性地示出了被生成为具有重复率f0的光脉冲序列的频谱35，其中每个光脉冲的长度和T0＝1/f0相比都要短。频谱35包括具有不变的频率间隔f0的若干个峰，所述间隔被用附图标记36标出。独立峰的谱权随着频率的增高而下降，下降速率由相继的光脉冲之间的时间间隔和光脉冲长度的比值所确定。对设备1中的光源3来说，这些数值被选中以使得被用来确定相位关系的、频率为n·f0的频率分量37的谱权在光脉冲序列中足够大，以实行相位测量。
在图2中示意性地示出的光脉冲序列可由被配置为产生短光脉冲的各种激光器产生。具体地，光学频率合成器可被使用。例如，电泵浦二极管激光器，诸如q开关激光器、增益开关激光器，有源或无源锁模激光器或混频锁模激光器，或具有垂直腔的锁模面发射激光器(“垂直腔面发射激光器”，VCSEL)可被用作光源3。光泵浦激光器也可被用作光源3，例如具有外置垂直腔的无源锁模面发射激光器(“垂直外部腔面发射激光器”VECSEL)或基于光子晶体光纤的激光器(光子-晶体-纤维激光器)。光源3的示例性脉冲长度处在100fs至100ps的范围内。示例性的重复率处在50MHz至50GHz的范围之内。示例性的平均功率处在1mW至10w的范围之内。示例性的脉冲抖动值处在10fs至1ps等效值(平方均值)的范围之内。
如图1所示，由光源3输出的光脉冲序列的部分光束作为参考信号19被通过分光器4引导至参考信号检测器8、9。如果需要的话，一种分光用光学元件，具体为分光器，可被设置在从分光器4至参考信号检测器8、9的光路上，以确保该光束19既入射参考信号检测器8也入射参考信号检测器9。另一个部分光束20被偏转反射镜5引导至表面2的表面区域25上。此处假设光脉冲序列照射的表面区域具有光散射性质。光脉冲序列被表面区域25散射向多个空间方向。被散射的光也包括被散射成为射向光检测器11-14的作为光信号21-24的光脉冲序列。检测器布置10的光检测器11-14被设置成使得没有一个光检测器处在穿过位置待确定的表面区域25、27或任意其他光检测器的直线上。在示出的装置中，其中四个光检测器11-14被大致设置在一个平面内，使得所述光检测器11-14中的不超过两个检测器位于任意一条选定的直线上，这可容易地实现，例如通过将检测器布置10设置为和表面2有间隔且处在与所有连接表面上的点和检测器布置的矢量不成0度的角度上。这种情况下，表面区域25的位置可由被多个光检测器11-14检测到的信号的相位关系而确定，这是由于足够多的彼此独立的相位关系可被确定。
光信号21-24被光检测器11-14测得。由于所述光脉冲信号被以明确的重复率产生，所以由表面区域25上光脉冲序列的散射产生的信号部分可在由分析电路15通过合适的滤波方式进行的信号处理中被确定，以使得射向光检测器但不由表面区域25散射的光产生的信号部分接下来将不再继续讨论。
光检测器11-14和也被配置为光检测器的参考信号检测器8、9都检测入射在其上、作为时间的函数的光能量。光脉冲到达参考信号检测器8、9中的一个以及在被表面区域25散射后光脉冲到达参考信号检测器11-14中的一个的不同的光学路径长度分别导致时间偏移τ1，τ2，τ3和τ4，所述时间偏移为同一个光脉冲到达检测器11-14和到达参考信号检测器8、9的时间之间的时间偏移。该时间偏移等于光束路径的光路长度除以光速c。由于通常只有一小部分被照射至表面2上的光20被表面25散射向光检测器11-14中的一个，所以该光检测器11-14上的信号相对于参考信号检测器8、9上的参考信号被减弱。
对每一个光检测器11-14而言，光路长度的不同由从分光器4经由偏转反射镜5至表面区域25及随后至相应的光检测器11-14的光路长度和由分光器4至参考信号检测器8、9的光路长度之间的差值所给定。这种情况下，首先提及的由分光器4经由偏转反射镜5至表面区域25及随后至相应的光检测器11-14的路径取决于待确定的表面区域25的位置，而从分光器4至参考信号检测器8、9的距离由设备的形状确定且被假设为已知。通过分别测量由光检测器11-14检测到的光信号21-24和由参考信号检测器8、9检测到的参考信号19之间的时间偏移τ1，τ2，τ3和τ4，，光脉冲在分光器4和每个光检测器11-14之间传播的光路长度可被确定。
所述光检测器11-14以及参考信号检测器8、9被耦连至分析电路15，该分析电路15确定光信号21-24信号和参考信号19之间的的相位差。如在下文中将更详尽地说明的，设备1的分析电路15对频率大致为重复率的倍数的信号分量确定光信号21-24和参考信号19之间的相位差。
如结合图2对由光源产生的光脉冲序列所描述的，在光检测器11-14处被接收的光脉冲序列具有多个谐波，所述谐波的频率是重复率f0的倍数：
fi＝i·f0                           (1)
其中i是自然数且f0是光源3的重复率。在被光检测器11-14作为时间的函数接收的光能量的傅立叶表达中仍具有显著谱权的频率的特征值被由相继的光脉冲之间的间隔T0和光脉冲的特征长度的商给出。
在下文中，仅示例性地详尽说明针对被光检测器11检测到光信号21的信号处理。该说明也相应地适用于由表面区域25传播至检测器布置10的其它每个光信号22-24。
在光信号21和参考信号检测器8、9处被接收的参考信号19之间的时间偏移τ导致了在光检测器11处被接收的频率为fi的信号分量发生相对于在参考信号检测器8、9处被接收的参考信号19的频率为fi的参考信号分量的相位偏移，该相位偏移为
Δφi＝2·π·fi·τ＝2·π·i·f0·τ    (2a)
     ＝2·π·i·f0·(d/c)                (2b)
此处，d表示由分光器4经由偏转反射镜5和表面区域25传播至光检测器11的光信号的光路和被从分光器4引导至参考信号检测器8、9的光脉冲光路之间的路径长度差值。此处，假设被从分光器4引导至参考信号检测器8、9的光脉冲的光路的长度已知，这是因为其仅取决于设备的几何形状。
如果对路径长度差值d的预测值dS已知，且其以准确度c/(i·f0)接近所述路径长度差值，则
|d-dS|＜c/fi＝c(i·f0)                    (3)
等式(2a)的右手侧的相位差别部分可被基于dS确定为2·π的整数倍。基于dS，整数m被确定，以使得
d＝d′+m·c/fi，其中|d′|＜c/fi           (4)
因此
φi′＝Δφi-2·π·m
     ＝2·π·i·f0·(d′/c)              (5)
是一个处于0至2·π的区间之间的值，其可通过测量光检测器11的输出信号和参考信号检测器8、9中一个的输出信号之间的相位关系而被确定。数量d’随后可被通过以下的公式而确定：
d′＝c·Δφi′/(2·π·i·f0)            (6)
这产生了和公式(4)一致的路径差值d的改进的值。在两个数量Δφi’andΔφi之间仅区别的整数倍，且该区别和确定相位差别无关，这两个数量在下文中都可被称作相位差而不做区分。
值i＞1，且通常i＞＞1在根据本发明的实施例的设备和方法中被选用以确定相位差。因此，当在下文中被称作相位分辨率的相位差测量准确度给定的情况下，路径长度差别的测量准确度以及由此引起的轴向分辨率可被提高。
出于示意的目的，假设相分辨率为2·π/1000且f0＝100MHz。从而，轴向分辨率为3mm/i且随着信号分量i的频率增大而减小。举例来说，i＝700时分辨率可达到接近4.1μm。因此，该轴向分辨率可通过基于光信号23的信号分量确定相位差而被增强，其中所述信号分量对应于光脉冲序列高频谐波，即，其频率为重复率乘以因子i＞＞1。该作为确定相位差基础的信号分量被选定，以使得其频率尽可能高，且在该频率上光脉冲序列仍既有足够的谱权，且其允许被配置为高频电路的分析电路15的部件对其进行信号处理。
该分析电路15可通过将若干个谐波互相混频来确定相位差。通过合适地选定谐波且通过将在光检测器11处被接收的光信号的信号分量和在参考信号检测器8、9处被接收的参考信号的参考信号分量混频，可产生具有较低频率、但仍包括谐波的相位差的混频产物。因此，可以在低频上进行相位测量，取代原来的测量短传播时间的要求。
图3示出了根据实施例的检测器布置和分析电路的示意性块状电路图。图1中设备1的分析电路15可被配置为如图3所示。
尽管仅参照图3对从光检测器11射出的光信号的处理进行了说明，但在设置相应的更多的信号处理路径的情况下，多个光检测器11-14的信号也可被相应地进行处理。光检测器11和参考信号检测器8、9也被出于示意的目的示出在图3中。
分析电路15包括用于光检测器11输出的电信号的信号处理路径，所述电信号代表了被光检测器11检测到的光信号，该处理路径具有输入侧放大器41和带通滤波器42。该分析电路15还包括用于由第一参考信号检测器8输出的电信号的信号处理路径和由第二参考信号检测器9输出的电信号的信号处理路径，其中所述由第一参考信号检测器8输出的电信号代表了被第一参考信号检测器8检测到的参考信号，其处理路径具有输入侧放大器43和带通滤波器44，而所述由第二参考信号检测器9输出的电信号代表了被第一参考信号检测器9检测到的参考信号，其处理路径具有输入侧放大器46和带通滤波器47。由于检测器输出的信号和参考信号检测器输出的信号分别代表入射在其上的光学信号且指示了作为时间的函数的光强度，所以检测器输出的信号和参考信号检测器输出的信号分别以与检测到的光学信号相同的方式被指称，即，分别称为“光信号”和“参考信号”，此时被分析电路处理的信号是电信号。
带通滤波器42被配置为使得被光检测器11检测到的频率为n·f0的光信号的信号分量被允许通过，此时n为大于1的自然数。如上所述，n被有利地选择为尽可能大，以提高轴向分辨率。有利地，该带通滤波器42具有被选定为使得频率为(n+1)·f0和(n-1)·f0的信号分量的传输相对频率为n·f0的信号分量的传输要显著降低的通带。为了这一目的，该带通滤波器42可具有带宽小于f0的通带。
该带通滤波器44被设置为使得被第一参考信号检测器8检测到的参考信号的频率为k·f0的参考信号分量被允许通过，其中k为自然数。举例来说，k＝n-1可被选择，以使得带通滤波器44允许频率为(n-1)·f0的参考信号分量通过。有利地，该带通滤波器44具有被选定为使得频率为(k+1)·f0和(k-1)·f0的参考信号分量的传输相较频率为k·f0的参考信号分量的传输被明显地减弱的通带。为此，该带通滤波器44可具有带宽小于f0的通带。
混频器45在输入侧被耦连至带通滤波器42和44，以接收光信号的信号分量51和参考信号的参考信号分量52。混频的结果是
cos(n·f0·t+Δφn)·cos((n-1)·f0·t)＝[cos(f0·t+Δφn)+cos((2·n-1)·f0·t+Δφn)]/2
                                      (7)
其低频分量和高频分量，其中低频分量具有对应于由光源3产生的信号的基础频率的频率f0。
尽管等式(7)的右手侧的第一项具有基础频率f0，在等式(7)中对低频分量的自变量(argument)中的相位Δφn由等式(2)给出，即，其对应于频率为n·f0的光信号的信号分量的相位差。该低频分量被作为信号53提供给相位分析器48，该相位分析器的第二输出被耦连至带通滤波器47。
该带通滤波器47被配置为使得被第二参考信号检测器9检测到的参考信号的频率为f0的参考信号分量被允许通过。有利地，该带通滤波器47具有被选定为使得频率为0·f0和2·f0的参考信号分量的传输相较频率为f0的参考信号分量的传播被显著减弱的通带。为此，该带通滤波器47可具有带宽小于f0的通带。由此导致的频率为f0的参考信号分量被作为信号54提供给相位分析器48。
该相位分析器48确定了信号53和信号54之间的相位差Δφn。由于该相位差Δφn通过转换转移至频率为f0的信号上，所以该相位测量可在低频进行。
用于参考信号检测器8、9的信号处理路径上的放大器43和46可被特别地选定，这是因为信号54在第二参考信号检测器9的协助下被直接光学捕获，而不是由被第一参考信号检测器8捕获的信号产生。举例来说，放大器46可被选定以使得其在频率f0上具有良好的性能，而放大器43可被选定以使得其在频率(n-1)·f0上具有良好的性能。
图4示出了图3中的检测和分析设备中产生的各种信号。
图4A示出了示例性参考信号61和示例性光信号62，其中被光检测器11接收的光能量表示为时间的函数。光检测器11处的光信号62具有在63处被标示的相对于参考信号61的时间偏移τ。
图4B示出了通常在相位分析器48的输入处出现的示例性信号。在65处，由参考信号得出的频率为f0的基础震荡被表示为时间的函数，而通过对被光检测器11检测到的光信号的信号分量进行降频转换至f0而产生的信号在66处被示出，后者的频率也为f0，但相对于由参考信号得出的基础震荡被相位偏移了Δφn的相位偏移。该相位差Δφn由相位分析器48以合适的方式确定，例如通过对信号的模-数转换和随后对相位差的拟合而确定。
图5示出了另一个检测器布置和分析电路的示意性块状电路图。图1中的设备1的分析电路15可被配置为如图5所示。
尽管仅结合图5对来自光检测器11的光信号的处理进行了说明，但是在设置相应的更多数量的信号处理路径的情况下，多个光检测器的信号可以相应的方式被处理。光检测器11和参考信号检测器8、9也出于示意的目的在图5中被示出。
分析电路15在和光检测器11以及参考信号检测器8、9相关的信号处理路径上具有输入放大器71、73、76。每个信号处理路径还分别具有带通滤波器72、74和77。
带通滤波器72被配置为使得被光检测器11检测到的光信号的频率为n·f0的信号分量被允许通过，其中n为大于1的自然数。如上所述，n被有利地选定为尽可能大以提高轴向分辨率。带通滤波器74被配置为使得被第一参考信号检测器8检测到的参考信号的频率为k·f0的参考信号分量被允许通过，其中k是被选定为使得|n-k|＞1的自然数。带通滤波器77被配置使得被第二参考信号检测器9检测到的参考信号的频率为(|n-k|-1)·f0 or of(|n-k|+1)·f0的参考信号分量被允许通过。
被分别传输通过带通滤波器72和74的信号分量81和参考信号分量82分别被混频器75混频。如果带通滤波器72和74具有带宽小于f0的足够窄的通带，则由此产生的信号包括频率为|n-k|·f0的分量和频率为(n+k)·f0的另一较高频分量，其中所述较高频分量被通过设置在混频器75下游的带通滤波器78去除。通过混频器75，被光检测器11检测到的光信号的相位差Δφn被转移至位于中频范围内的频率|n-k|·f0上。被转换至中频范围内的信号83被提供至另一混频器79，其第二输入端接收由带通滤波器77而来的信号84，该信号84为参考信号的例如频率为(|n-k|-1)·f0的参考信号分量。通过混频信号83和84，产生信号85，其具有以基础频率f0震荡且相位偏移为Δφn的分量，这和上文中参照等式(7)时说明的内容相似。同样也由混频器85产生的高频分量在需要的时候可被另一滤波器去除。
如果如图5所示，被光检测器11检测到的光信号的信号分量被首先降频转换至中间频率，则带通滤波器72、74不必具有只让一个基础频率f0的倍频包含在其中的通带。即使带通滤波器72和/或带通滤波器各自允许基础频率f0的多个倍频通过，即允许频率梳的一部分通过而不是只让一个谐波通过，混频器75也产生具有频率为|n-k|·f0、且大致具有约为Δφn的相位偏移的分量的中间信号。由于被光检测器11检测到的光信号的频率为i·f0的信号分量的相位关系根据等式(5)，随着i的增加而线性增加，所以带通滤波器72优选地被配置为使得带通滤波器72的通带中的谐波的数量小于n，以使得相位关系随着通带内的频率发生的变化可被忽略。
带通滤波器72和74被有利地配置为使得其通带不重合。这种情况下，即使在带通滤波器72和74的频率特征以及相应地信号81和82内的独立谐波的谱权未知的情况下，相位偏移Δφn也可由混频器75输出的中间信号的分量确定，所述分量的频率为|n-k|·f0。
举例来说，如果f0＝100MHz，n＝700且k＝600，且如果带通滤波器72的通带覆盖由69.9GHz至70.1GHz的频率范围，则被光检测器11检测到的光信号的频率为69.9GHz，70.0GHz和70.1GHz的信号分量被允许通过，且如果带通滤波器74的通带覆盖由59.9GHz至60.1GHz的频率范围，则被第一信号检测器8检测到的参考信号的频率为59.9GHz，60.0GHz和60.1GHz的信号分量被允许通过，由混频器75输出的中间信号具有频率为|n-k|·f0且相位偏移大致为Δφn的分量。
这样，因为带通滤波器的通带被允许传输多个谐波i·f0，所以如果被光检测器11检测到的光信号的频率为n·f0的信号分量在多个阶段被降频转换，则关于带通滤波器72、74的通带的带宽的要求不那么严格，其中所述带通滤波器72、74的通带较带通滤波器77和78的通带位于更高的频率内。带通滤波器77和78的通带位于较低的频率上，在上述的f0＝100MHz，n＝700和k＝600的示例中带通滤波器78处在10.0GHz而带通滤波器77处在9.9GHz上，这样使得易于配置所述带通滤波器77、78以使得其在较高的诸如60或70GHz的频率上具有较带通滤波器72、74要窄的通带。
另一个混频器79在输出侧被耦连至相位分析器80，所述相位分析器的第二输入端接收以基础频率f0震荡的信号86。信号86例如可由光源3的同步输出提供。可替换地，信号86也可通过从被参考信号检测器检测到的参考信号中选定频率为f0的参考信号分量而产生，如图3所示。
如参照图1-5所说明的，图1中的设备1中由分光器4经由偏转反射镜5和表面区域25至相应的光检测器11-14的路径长度可根据等式(4)和(6)，使用光信号21-24的谐波的相位偏移来确定。表面区域的位置可由光检测器11-14的已知位置和所述四个路径长度来确定。
图6示出确定被示出为三维空间中的点90的表面区域的位置。
基于来自光检测器11-14的信号确定的四个路径长度中的每一个对应于表面区域的位置90和相应的光检测器11-14之间的距离91-94与从分光器4的光束经过点95经由偏转反射镜5的入射光束的点96至表面区域的位置90的路径长度97的和。当基于光检测器11-14的光信号21-24按照等式(4)和(6)确定的四个路径长度被指定为d1，d2，d3和d4，，且路径长度97被指定为r0时，
d 1 = r 0 + | x 1 → - x → OF | (8)
d 2 = r 0 + | x 2 → - x → OF | (9)
d 3 = r 0 + | x 3 → - x → OF | 且(10)
d 4 = r 0 + | x 4 → - x → OF | (11)
在等式(8)至(11)的右手侧，j＝1，2，3，4，的
Figure GDA0000058838740000204
表示假设为已知的光检测器11-14的位置矢量，而
Figure GDA0000058838740000205
表示待确定的表面区域的位置90的位置矢量98。通过求解被等式(8)至(11)限定的方程组，可确定位置矢量98的三个分量及相应地确定表面区域90的位置。在图1中的设备1中，等式(8)至(11)组成的方程组可被计算单元7数字求解，以确定表面区域90的位置。
由于坐标系统的原点可被任意选择，光检测器布置的检测器的位置，如光检测器11的检测器的位置可被定义为原点。j＝2，3，4的矢量
Figure GDA0000058838740000206
随后成为其他光检测器12、13、14相对于光检测器11的相对位置。
此外，光脉冲从分光器4至表面区域25所经过过的路径长度r0可由等式组(8)至(11)来确定。基于由此确定的路径长度值r0，计算单元7可控制聚焦光学元件17以使得被引导至表面2上的光束2被聚焦至表面区域25。对位置的确定可随后在被缩小的面积区域内被重复以提高测量表面时的横向分辨率。
具有多于四个光检测器的检测器布置也可被使用。通过使用额外的光检测器，表面区域的位置确定的准确度可被增强。为此，在使用超定方程组协助确定位置时，诸如全球定位系统(GPS)中所使用的技术可被采用。使用具有多于三个光检测器的检测器布置也可能对于例如具有小散射锥和/或预期空间区域内出现阴影的非协作面具有优势。
被用来确定表面区域位置的独立计算单元7被提供在图1中的设备1中，该计算单元7和分析电路15也可被整合在一个装置中。
在结合图1至6描述的设备中，具有光检测器11-14的检测器布置被集合成一个模块。但所述光检测器也可能被结合成多个模块。
图7示出了根据另一个实施例的用于测量表面的设备101。在图7中，和结合图1被描述的部件相同和具有同样操作的部件采用相同附图标记。只对设备101和设备1的区别在下文中进行更详尽地描述。
在设备101中，具有三个光检测器11-13的第一模块102和与其分开的另一个光检测器104被提供，以检测被表面区域25散射的光脉冲序列。该光检测器104被设置为使得其接收来自表面区域25的散射光105，该散射光被表面区域25散射或反射向偏转反射镜5且经由偏转反射镜5和分光器4引导至光检测器104。
在设备101中，光脉冲的四个路径长度可被确定，其分别对应于从分光器4开始至光检测器11-13和104的光脉冲的传播路径。该路径长度可基于在光检测器11-13和104处被检测到的光信号的信号分量，借助所述信号分量和参考信号分量之间的相位差，按照结合图1-6对设备1所描述的相同的方式确定。
图8示出了图7所示设备对三维空间中被示意性地示出为点90的表面区域的位置的确定。在图8中，和图6中相同的附图标记被用在线段、位置矢量和位置上。
被光检测器11-13检测到的光脉冲的路径长度被由从分光器4经由偏转反射镜5的光束入射点96至表面区域的位置90的路径长度加上每个光检测器11-13与表面区域的位置90的距离91-93给出，如等式(8)至(10)所示。
被光检测器104检测到的光脉冲的路径长度被设定为从分光器4的光束经过点95经由偏转反射镜5的光束入射点96至表面区域的位置90的路径长度的两倍加上分光器4的光束经过点95和光检测器104之间的距离99。
d4＝2·r0+rs                 (11)
其中rs为分光器4的光束经过点95和光检测器104之间的距离，其由设备的几何形状确定且可被假设为已知的。
对已知的rs，r0可被由等式(11)直接确定。表面区域的位置的三个坐标可随后从等式(8)至(10)中被计算得出。
根据各种实施例的设备和方法不需要准确知道照射在表面上的光脉冲序列来自的位置，这是因为提供有足够多数量的检测器以在确定表面区域位置时消除未知的路径长度。所述设备和方法因此相对被用来将光脉冲序列照射至表面上的光学元件的位置的较大的变动很鲁棒(robust)。这允许成本效率更高的部件被用来扫描表面。举例来说，一对可独立倾斜或旋转的反射镜可被用来取代被万向器连接的偏转反射镜。
根据本发明的实施例的设备和方法可与许多扫描技术结合使用，其中待测量的表面被按照将在下文中结合图9和10所更详尽地描述的那样被取样。
图9示出了根据另一个实施例的测量表面的设备111。在图9中，和结合图1描述的部件相同且操作相同的部件采用相同的附图标记。下文中只对设备111和设备1之间的区别进行更详尽的描述。
设备111具有转台113，物体被放置在其上，物体的表面112将被测量。该转台113被提供有角度传感器，以检测该转台113的旋转位置。
在设备111中，表面112使用光学技术和额外的传感器的组合来测量。具体地，完整表面112可通过光学测量方法结合由角度传感器确定的转台113的旋转位置来测量。
光源3输出的光被90度偏转棱镜作为强度调制光束116引导至表面112上。该偏转棱镜114的位置可沿一个空间方向被改变，如115处标示的一样。被光脉冲序列照射的表面112的表面区域117可通过移动偏转棱镜114以及通过旋转转台113而被在表面112上被扫描。这种情况下，光照射到表面116上的平面是静态的。
设备111具有有着三个光检测器11-13的检测器布置120。光脉冲序列作为散射光从表面区域117朝向光检测器11-13散射。光检测器11-13检测光信号121-123。分析电路15确定被光检测器11-13检测到的光信号121-123的信号分量和被参考信号检测器8、9检测到的参考信号之间的相位差，其中所述相位差在激光脉冲序列的谐波上被确定。
表面区域117的位置也可由三个被确定的相位差和相关联的光脉冲的路径长度差值确定。在光束116的入射面被预先确定时，仅需要确定入射面的坐标。这即使在偏转棱镜114的垂直位置和分光器4距偏转棱镜的距离没有被确切地知道的时候也是可行的，这是因为设置有三个光检测器11-13。基于和光信号121-123相关联的三个相位差，除了光束116的入射面内的表面区域117的位置之外，还可确定由分光器4至表面区域117的光路长度。
图10示出了根据另一个实施例的用于测量表面的设备131。在图10中，和结合图1被描述的部件相同且操作相同的部件采用相同的附图标记。下文中只对设备131和设备1之间的区别进行更详尽的描述。
设备131包括将光脉冲输出至分光器4的光源3。光脉冲序列的一部分作为参考信号从分光器4被引导至参考信号检测器8，参考信号检测器8将被检测到的参考信号输出至整合式检测及分析设备135。
在设备131中，该光引导装置被形成为手持设备132。该手持设备132的光脉冲序列输出由手持设备132上的开光装置133所控制。光脉冲序列经由诸如玻璃纤维之类的光纤134被引导至手持设备132，并从手持设备132的端面以光束20出射。该手持设备可沿任意方向自由移动，以使得光脉冲序列可以光束20被照射至待测量表面2的任意表面区域25上。
检测及分析设备135被提供以检测并分析从表面区域25被散射的光信号21-24，所述光信号包括被散射的光脉冲序列。具有四个光检测器11-14的检测器布置10被设置在检测及分析设备135的侧面136上。光检测器11-14被设置为使得四个光检测器11-14中最多有两个光检测器被设置在任意选定的直线上。整合在检测及分析设备135中的分析电路15基于被确定的光信号21-24的信号分量所确定的相位差对被光检测器11检测到的光信号进行处理，其中所述信号分量的频率是基础频率f0的倍数。
即使在手持设备132的位置未知时也可能确定表面区域25的位置，这是因为在检测及分析设备135上设置有四个光检测器11-14。具体地，对应于入射到表面区域25上时的信号的相位的未知参数在确定表面区域25的三个坐标时可被消除。
与被用于光学距离测量的传统手持设备不同，使用设备131可确定被照射的表面区域的全部三个坐标，而不只是在手持设备和表面区域之间的距离。
可使用手持设备132在多个表面区域上移动光束20以测量表面2。自然地，该手持设备可不只是被操作员启动，而也可例如在机器人的协助下对表面取样时被使用。
在结合图1-10描述的设备和方法中，被表面区域散射的光信号被光检测器检测到。该信号水平可能较低，至少在检测器布置和表面之间的距离较大时较低。此外，表现为短脉冲的可用信号入射在光检测器11-14以及参考信号检测器8、9上。该脉冲长度例如可为100fs。相继脉冲之间的时间间隔T0由重复率的倒数给出。举例来说，当f0＝100MHz时，T0为10ns。对上述的示例性数值，有用信号仅在一个时间间隔内到达光检测器11-14和参考信号检测器8、9，其长度为相继的光脉冲之间间隔T0的100fs/10ns＝1/105。在非常长的时间段内没有有用的信号到达光检测器。
可采用不同的措施增加信号水平及改善信噪比。
图11是可被用于上述的任意设备中的检测器布置和分析电路的措施的示意图。和结合图3已经说明过的部件具有相同操作的图11所示块状电路图中的部件采用相同的附图标记，且将不再在此处被说明。
可在检测器布置的每个光检测器上设置诸如透镜或凹面镜之类的光学元件141以增加信号水平。尽管在光检测器111中仅示意性地示出了凹面镜，检测器布置的每个光检测器可相应地提供有凹面镜或透镜以提高信号水平。
在图11中的分析电路140的信号处理路径上设置有可控开关元件142-144。所述元件允许了对由光检测器11-14和8和9分别向分析电路140输出的信号的信号处理在没有被光源3产生的光脉冲可以各自到达光检测器11-14和8和9的时间间隔内被抑制。诸如晶体管的开关元件142-144在没有光脉冲能入射至相关的检测器上的时间间隔内开启信号处理路径。
在没有有用信号被处理的时间间隔内促进信噪比下降的噪声可通过这样的选择性禁用信号处理而得以抑制。信号被检测到并被处理的非常短的时间间隔，即允许有用的脉冲通过的开启时间，基于重复率和测量区段的近点和远点之间的预期的最大传播时间来选定，以确保每个光脉冲都被检测到并被处理。
图12示例性地示出了光脉冲之间具有长间隔的光脉冲序列的有用信号150。图12进一步示出了仅在光脉冲可到达的时间间隔151和152内允许信号检测和/或信号处理的阻断装置的切换状态153。该阻断装置可由分析电路的信号处理路径上的可控开关构成。光脉冲的最早可能到达时间tf和光脉冲的最晚可能到达时间ts给定了时间间隔151的限制。在时间间隔151和152内，阻断装置相应地具有切换状态154和156，切换状态154和156允许信号检测和信号处理，而阻断装置在所有其他时间内具有切换状态155，在此状态下信号检测和/或信号处理被抑制。
图13是用来测量表面的方法160的流程示意图。该方法可使用结合图1-6说明的设备1、结合图7和8说明的设备101、结合图9说明的设备111、结合图10说明的设备131或根据其他实施例的设备来实现。
在161处，具有重复率的光脉冲序列被照射至表面区域上。该光脉冲序列可使用可控光学偏转设备或使用手持设备发射。
在162处，检测被表面区域散射的多个光信号。为此，使用了多个光检测器，所述检测器被设置成使得没有光检测器处在经过表面区域和另一个光检测器的直线上。
在163处，对于每个光信号，测量光信号的信号分量的相位偏移，所述信号分量选定为具有对应于重复率f0的倍数n·f0的频率，其中n＞1。可使用带通滤波器从被检测到的光信号中产生该信号分量。所述相位偏移可相对于频率也对应于重复率f0的倍数n·f0的参考信号分量来确定。
在164处，表面区域的位置被基于所确定的相位差确定。这种情况下，表面区域的三个坐标可被确定。
在165处，选定新的表面区域，且对新的表面区域重复步骤161-164。该迭代一直继续到表面被以足够的准确度测量，即，直到节点的数目或密度足够用于测量时停止。
如结合等式(2)至(6)说明的一样，确定表面区域164的位置可能要求对于脉冲从参照点经由表面区域至光检测器的经过的路径长度具有足够准确的预测值。该预测值需要足够准确以满足等式(3)。这例如可通过使用精确度较差的方法首先对该表面进行测量而随后将该不精确测量的结果用作使用方法160对表面进行重新测量时的预测值而实现。
在另一个实施例中，可以迭代的方式重复方法160的方法步骤，其中频率较高的信号分量被使用增多的迭代计数进行分析。在如图1至10所述的设备中，可通过对分析电路15进行合适的配置实现对不同信号分量的迭代重复。
图14是一系列方法步骤170的流程示意图，使用该方法可迭代式地改进对表面区域的位置的确定。
在171和172处，光脉冲序列被照射，被表面区域散射的光脉冲序列被检测到，如方法160中的步骤161和162中一样。
在173处，选定自然数n，且随后确定频率为n·f0的信号分量的相位差。这种情况下，根据光脉冲经过的路径长度的当前不确定性或路径长度的现有预测值的准确度选定自然数n，以满足等式(3)。具体地，n可在第一次迭代时等于1。
可使用和方法160中的步骤163和164相同的方式实施后续步骤174和175，其中对光脉冲经过的路径长度的改进的预测值基于多个光信号中频率为n·f0的信号分量的相位差被确定，并且表面区域的改进的位置基于光脉冲经过的路径长度的改进的预测值被确定。
在176处，可根据对表面区域位置的改进的预测值调整聚焦光学部件，以降低在表面区域处的光束直径及提高表面测量的横向分辨率。
在177处，验证表面区域的位置是否已经被以足够的准确度确定。如果在177处确定表面区域的位置已经被以足够的准确度确定，则在178处，最后确定的表面区域的位置被登记为表面测量的测量值。否则，重复步骤173-177。在以足够的准确度确定了表面区域的位置且将其登记之后，可在其他表面区域上重复方法步骤170。
根据本发明的众多实施例的设备和方法允许在测量表面时对表面区域位置准确且非接触式的确定。所述设备和方法可普遍被用于测量表面，而用于例如统计学应用中的空间数字化，或而工业安装中的量化质量控制的空间测量是本发明的示例性应用领域。

Claims (16)

1.一种用于测量表面（2；112）的设备，其包括
产生具有重复率的光脉冲序列（61）的光源（3），
能够被控制以将所述光脉冲序列引导至所述表面（2；112）的表面区域（25；117）上的光引导装置（4-6;4,114;4,132,134），所述表面区域（25；117）能够从多个表面区域（25、27；117）中选定，
配置为接收被表面区域（25；117）散射和/或反射的至少一个光信号（21-24;21-23,105;121-123）的检测器布置（10；102；120；135），
耦连至所述检测器布置（10;102;120;135）且被配置为确定由所述光脉冲序列得出的参考信号（19;86）和所述至少一个光信号（21-24;21-23,105;121-123）的信号分量（51;81）之间的相位差以确定所述表面区域（25;117）的位置的分析电路（15）,
所述检测器布置（10;102;120;135）包括被配置为用来接收多个被所述表面区域（25;117）散射至不同方向的光信号（21-24;21-23,105;121-123）的多个检测器（11-14;11-13,104;11-13），所述分析电路（15）被配置成，对于所述多个光信号的每一个光信号（21-24;21-23,105;121-123），确定在由所述光脉冲序列得出的所述参考信号（19;86）和所述光信号（21-24;21-23,105;121-123）的信号分量（51;81）之间的相位差，所述信号分量（51;81）相应地具有对应于所述重复率的倍数的频率。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述光引导装置（5,6;114;132,134）能够被控制以将多个光脉冲序列按顺序引导至所述多个表面区域（25，27；117）上，用以测量所述表面（2;112）。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述检测器布置（10;102;120;135）包括至少三个检测器（11-14;11-13,104），且所述分析电路（15）被配置为基于所述已确定的相位差在三维空间内确定所述表面区域（25;117）的所述位置，
至少三个检测器（11-14;11-13,104）相对彼此具有预定的相对位置，所述表面区域（25;117）的所述位置基于所述预定的相对位置被确定。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述检测器布置（10;102;120;135）包括至少四个检测器（11-14;11-13,104），且所述分析电路（15）被配置为还基于所述已确定的相位差确定所述光引导装置（4-6;4,114;4,132,134）和所述表面区域（25;117）之间的路径长度，
所述光引导装置（4-6;4,114;4,132,134）具有用于所述光脉冲序列的聚焦光学部件（17），聚焦光学部件（17）能够基于所述光引导装置（4-6;4,114;4,132,134）和所述表面区域（25;117）之间的所述已确定的路径长度而被调节。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，其中，所述光引导装置包括手持设备（132）、和
耦连至所述手持设备（132）以接收来自所述光源（3）的所述光脉冲序列并将其向所述表面区域（25）出射的光纤（134）。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，其中，所述检测器布置（10）和所述分析电路（15）被整合成一装备（135），所述检测器布置（10）的多个检测器（11-14）被设置在所述装备（135）的壳体的侧面（136）上。
7.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，还包括被设置为检测所述光源（3）产生的所述光脉冲序列的一部分以作为参考信号（19）且被耦连至所述分析电路（15）以向其提供所述参考信号（19）的至少一个参考信号检测器（8,9;8），
所述分析电路（15）被配置将所述相位差确定为所述参考信号（19）的参考信号分量（54）和所述多个光信号（21-24;21-23,105;121-123）的所述信号分量之间的相位差，
所述分析电路（15）具有用来将所述至少一个光信号（21-24;21-23,105;121-123）的所述信号分量（51;81）和所述参考信号（19）的另一个参考信号分量（52;82）混频的混频器（45;75），所述另一个参考信号分量的频率是所述重复率的另一倍数。
8.如权利要求7所述的设备，其中，设置有用来检测所述参考信号（19）的至少两个参考信号检测器（8,9），所述混频器（45;75）在输入侧被耦连至参考信号检测器（8）以接收所述另一个参考信号分量（52;82），
所述分析电路具有另一个混频器（79），该另一个混频器（79）在输入侧被耦连至所述混频器（75）的输出端和另一个参考信号检测器（9）。
9.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，其中，所述分析电路（15）被配置为以迭代方式为频率各自不同的所述至少一个光信号（21-24;21-23,105;121-123）的多个信号分量确定相关联的相位差，所述多个信号分量信号中的至少一个具有对应于所述重复率的倍数的频率。
10.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，其中，所述检测器布置（10;102;120;135）设置有至少一个光学元件，以提高在所述检测器布置（10;102;120;135）处检测到的信号水平，并且/或者
所述设备包括阻断装置（142-144），该阻断装置（142-144）被配置为在至少基于所述光脉冲序列的所述重复率确定的时间间隔内抑制光向所述检测器布置（10;102;120;135）上的入射和/或所述分析电路（15）对信号的处理。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述至少一个光学元件为透镜或凹面镜（141）。
12.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，其中，所述光源包括短脉冲激光器（3）。
13.如权利要求1-4中任意一项所述的设备，其中，
其中所述检测器（11-14）的数量和所述检测器布置（10）的所述检测器（11-14）的设置被选定以使得所述表面区域的所述位置能够在所述光束（20）的照射位置未知的情况下基于和所述多个检测器相关联的所述相位差被确定。
14.一种测量表面的方法，其中所述表面（2,112）的多个表面区域（25,27;117）的位置被按顺序确定，其中确定表面区域（25;117）的位置包括以下步骤：
将具有重复率的光脉冲序列照射至所述表面区域（25;117）上，
检测包括在所述表面区域（25;117）上被散射和/或反射的所述光脉冲序列的至少一个光信号（21-24;21-23,105;121-123），和
基于所述至少一个被检测到的光信号（21-24;21-23,105;121-123）的信号分量（51;81）确定所述表面区域（25;117）的所述位置，
其中，为了确定所述表面区域（25;117）的所述位置，利用多个检测器（11-14），检测各自包括在所述表面区域（25;117）上被散射向不同方向的所述光脉冲序列的多个光信号（21-24;21-23,105;121-123），并且为所述被检测的多个光信号的每个光信号（21-24;21-23,105;121-123），确定基于所述被照射的光脉冲序列确定的参考信号（19;86）和所述光信号（21-24;21-23,105;121-123）的信号分量（51;81）之间的相关联的相位差，所述信号分量相应地具有对应于所述重复率的倍数的频率。
15.如权利要求14所述的方法，其中，被所述表面区域（25;117）散射至至少三个不同方向的至少三个光信号（21-24;21-23,105;121-123）被检测，且其中所述表面区域（25;117）的所述位置在三维空间中基于所述已确定的相位差被确定。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述方法利用如权利要求1－13中任意一项所述的设备（1;101;121;131）来实施。
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