CN102803989B - 估值装置、测量设备以及路径长度测量方法和测量系统以及用于坐标测量装置的方法和坐标测量装置 - Google Patents

估值装置、测量设备以及路径长度测量方法和测量系统以及用于坐标测量装置的方法和坐标测量装置 Download PDF

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Abstract

一种用于路径长度测量的估值装置(51)，配置为在电磁辐射脉冲序列覆盖了要测量的路径长度(12，13)之后对测量信号估值，该测量信号表示作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列尤其是光脉冲序列的强度。辐射源、尤其光源(2)以重复频率产生光脉冲序列。估值装置(51)配置为对测量信号(15)的第一分量(73)和测量信号(15)的第二分量(75)估值，该第一分量以第一频率振荡，且第二分量以大于第一频率的第二频率振荡。第一频率可对应于重复频率或重复频率的倍数。第二频率对应于重复频率的另一倍数。

Description

估值装置、测量设备以及路径长度测量方法和测量系统以及用于坐标测量装置的方法和坐标测量装置
技术领域
本发明涉及估值装置、测量设备和用于测量路径长度的方法。本发明具体涉及采用光学测量技术的估值装置、测量设备和用于测量路径长度的方法。本发明进一步涉及用于坐标测量装置的测量设备、坐标测量装置和用于坐标测量装置的方法，其中测量头的位置采用光学测量技术确定。
背景技术
距离的测量可用于多个应用领域，例如用于工业、医药、和娱乐业的各种机器和设备的控制或反馈控制。通过测量物体相对于多个参考位置的距离或物体的多个点相对于一参考位置的距离可实现在二维或三维空间确定物体的位置，这已经广泛应用于例如制造技术或质量控制。
坐标测量装置是其中希望在三维空间中以尽可能的高精确度确定位置的应用领域的示例。坐标测量装置典型地具有测量头，测量头可设置有探针或其它传感器系统。为了确定物体表面上的位置，测量头的位置，如果探针可移动地支撑在测量头上，则需确定探针相对于测量头的位置。通常，线性刻度尺设置在用于确定测量头的位置的坐标测量装置中，线性刻度尺间接提供了通过沿着单独的轴的位移路径的测量头的位置反馈。然而，这需要坚固的机械结构以避免测量结果的变坏，这种变坏通过可能出现的窜动或通过机械变形。
通过诸如光的电磁辐射覆盖的测量路径长度可确定距离。为此，电磁辐射一次或多次行进通过参考位置与物体之间的路径，使得可由辐射覆盖的路径长度推导出距离。
实施装置和方法的技术挑战是在几米长的空间内以几微米或几十微米范围内的精确度来确定距离或物体位置。这特别应用于以高测量速率确定位置。
激光路径长度测量装置允许确定要测量的物体的距离。在K.Minoshima和H.Matsumoto的文章“High-accuracy measurement of 240-m distance in anoptical tunnel by use of a compact femtosecond laser”，Applied Optics，Vol.39，No.30，pp.5512-5517(2000)中，描述了采用光学频率梳来测量距离。在此测量技术中，对激光束频率梳的强度的信号分量的相位角估值从而确定被该激光束覆盖的路径长度。信号分量被选择，使得其以一频率振荡，该频率典型地对应于激光束的重复频率的大倍数。对这样的信号分量，测量相位差允许要确定的位置在所谓的唯一性范围，该唯一性范围等于光速除以信号分量的频率。为了获得路径长度的估算值，其已经使路径长度接近唯一性范围，在本申请人的DE102008045386.2中提出，例如，以顺续方式对记录的测量信号的不同信号分量估值，不同的信号分量以不同的频率振荡。然而，这需要附加时间用于测量和估值。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的估值装置、一种改进的测量设备、以及一种用于路径长度测量的改进方法。具体地，本发明的目的是提供一种估值装置、一种测量设备和一种以良好的空间分辨率快速确定位置的方法。
本发明的另一目的是提供这样的装置和方法，其允许在坐标测量装置中确定位置。
根据本发明，通过根据独立权利要求的一种估值装置、一种测量设备、方法以及一种坐标测量装置来实现此目的。从属权利要求限定有利或优选的实施例。
根据本发明，具体通过根据独立权利要求27的测量设备、权利要求41坐标测量装置以及权利要求44方法实现其它目的。从属权利要求限定有利或优选的实施例。
根据一方面，提供一种用于路径长度测量的估值装置，其配置为在电磁辐射脉冲序列已覆盖了要测量的路径长度之后对测量信号估值，该测量信号表示作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列(尤其光脉冲序列)的强度。该脉冲序列具有重复频率。估值装置被配置为估值测量信号的第一分量和测量信号的第二分量，该第一分量以第一频率振荡，且第二分量以大于第一频率的第二频率振荡。
测量信号的光谱分量(即，作为时间的函数的记录的光强度)在本文被称为测量信号的以一频率振荡的分量。例如，以该频率振荡的分量可以是以各个频率振荡的测量信号的傅里叶表示的分量。
由于估值装置配置为对以不同频率振荡的第一分量和第二分量估值，因此通过对测量信号的不同分量估值，可以确定粗略估算值和改进的更精细的估算值。
估值装置可配置为使得第一频率对应于重复频率或重复频率的倍数。估值装置可配置为使得第二频率对应于重复频率的另一倍数。表示脉冲序列(具体的光脉冲序列)的强度的测量信号具有这样的光谱分量，其可被估值用于路径长度测量。
估值装置可配置为确定与测量信号的第一分量相关联的第一相位差以及与测量信号的第二分量相关联的第二相位差，从而确定路径长度。第一和第二相位差取决于脉冲序列相对于参考位置覆盖的路径长度并允许确定路径长度。
估值装置可配置为使得第一相位差是测量信号的第一分量与以第一频率振荡的第一参考信号之间的相位差，且第二相位差是测量信号的第二分量与以第二频率振荡的第二参考信号之间的相位差。参考信号例如可根据参考光束的记录强度而确定。相位差反映光脉冲序列覆盖的路径长度与参考光束覆盖的路径长度之间的差异。
估值装置可配置为至少降频变换测量信号的第二分量以确定第二相位差。估值装置可包括混频器，通过降频变换第二分量以产生以第一频率振荡的降频变换信号。估值装置可包括至少两个混频器以多级降频变换第二分量。例如当基于第二分量与第二参考信号的接续过零之间的间隔来确定相位差时，由于降频变换，可分别促进相位差的确定以及提高相位分辨率。
估值装置可配置为降频变换测量信号的第一分量和测量信号的第二分量，从而产生第一降频变换信号和第二降频变换信号，其分别以小于重复频率的频率振荡。为此，在本申请人同一天提交的德国专利申请DE102009024460.3(标题为“Auswerteeinrichtung，Messanordnung undVerfahren zur ”(估值装置、测量设备以及用于路径长度测量的方法))中，详细描述了适当的装置和方法。由于降频变换，可分别促进相位差的确定以及提高相位分辨率。
估值装置可包括用于处理测量信号的第一分量的第一信号处理路径以及用于处理测量信号的第二分量的第二信号处理路径。此构造允许测量信号的第一分量和第二分量在第一和第二信号处理路径中被同时处理。
估值装置可包括估值逻辑装置，其配置为基于对测量信号的第一分量的估值而确定路径长度的第一估算值，以及基于对测量信号的第二分量的估值而确定相比于第一估算值被精确化的路径长度的估算值。例如，包含在对第二分量的相位差有贡献的路径长度中的第二分量的全波长的数目可基于对第一分量的估值而被确定。由此，可以至少对应于第二分量的唯一性范围的精确度估算路径长度。为此，估值装置可配置使得路径长度的第一估算值以小于光速与第二频率的商值的不准确度接近路径长度。
估值逻辑装置可配置为基于对测量信号的第一分量的估值和对测量信号的第二分量的估值两者来确定第一估算值。因此，可以确保第一估算值也与测量信号的第二分量的相位角一致。
根据另一方面，提供一种用于路径长度测量的测量设备。测量设备包括检测器，该检测器被配置为在电磁辐射脉冲序列已覆盖了要测量的路径长度之后，记录作为时间的函数的电磁辐射脉冲序列(具体地，光脉冲序列)的强度，该脉冲序列具有重复频率。检测器被配置为提供测量信号，该测量信号表示所记录的强度。测量设备还包括连接到检测器的估值装置，以处理由检测器提供的测量信号，估值装置被配置为根据本发明的方面或实施例的估值装置。
测量设备可包括用于产生脉冲序列的光源。光源可包括激光器，尤其是短脉冲激光器。光源可包括光学频率梳产生器。光学频率梳可具有高的频率和相位稳定性，且因此适于用作光源。
根据另一方面，提供一种用于路径长度测量的方法。在该方法中，在电磁辐射脉冲序列覆盖了要测量的路径长度之后，记录和估值测量信号，该测量信号表示作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列(尤其是光脉冲序列)的强度。脉冲序列具有重复频率。为了测量路径长度，对测量信号的第一分量和测量信号的第二分量估值，该第一分量以第一频率振荡，且该第二分量以大于第一频率的第二频率振荡。
由于对测量信号的第一分量和第二分量两者估值，因此可以通过对测量信号的第一和第二分量估值而确定路径长度的粗略估算值和改善的更精细的估算值。
第一分量和第二分量尤其可被同时估值。估值可包括确定相位差。第一分量和／或第二分量可被降频变换以确定分别与第一分量和第二分量相关联的第一相位差和第二相位差。
从属权利要求中所述的方法的另外的特征的效果对应于估值装置或测量设备的对应特征的效果。
根据所述方面和实施例的估值装置、测量设备和方法可配置为确定物体离参考位置的距离。为此目的，可选择其中电磁辐射的脉冲序列两次行进通过参考位置与物体之间的路径的配置。例如，可在物体上提供反射器以反射电磁辐射的脉冲序列。也可以选择其中在物体上提供检测器或从物体发射光脉冲序列的配置。
根据上述不同方面和实施例的估值装置、测量设备和方法也可用以确定物体离多个参考位置的距离，或者用于确定物体的彼此间隔开的多个区域相对于参考位置的距离。然后，例如采用三边测量，可以根据所确定的距离确定空间中的物体位置和／或取向。示范性的应用领域是确定坐标测量装置的测量头的位置。
根据本发明的另一方面，提供一种用于确定坐标测量装置的测量头的位置的测量设备。此测量设备包括配置为在电磁辐射的振幅调制信号已行进通过参考位置与测量头之间的路径之后，对测量信号估值的估值装置，该测量信号表示具有重复频率的电磁辐射(尤其是具有重复频率的光脉冲序列)的振幅调制信号的强度。
例如，测量头的位置例如可相对于坐标测量装置的框架被光学确定，这是因为测量设备允许对表示电磁辐射的信号强度的测量信号估值从而确定测量头的位置。这允许采用测量设备以高准确度确定测量头的位置，即使坐标测量装置的机械结构中可能出现窜动。
估值装置可配置为响应触发信号而对测量信号估值，从而确定或存储测量头的位置。
测量头例如可形成为具有针尖的坐标测量装置的探针头。
估值装置可配置为确定测量信号的分量的相位角从而确定测量头的至少一个坐标，该分量以重复频率或重复频率的倍数振荡。例如，对于具有重复频率的光脉冲序列，记录的测量信号具有对应的光谱分量，其相位角可被估值以确定被光脉冲序列覆盖的路径长度。
测量设备可包括传感器，尤其是光学或触觉传感器，以产生触发信号。当测量头位于相对于物体表面的预定位置时，传感器可配置为产生触发信号。传感器可配置为布置于测量头上。传感器例如可连接到设置在测量头上的针尖，从而当针尖接触物体表面时输出触发信号。
测量设备可配置使得确定和估值一个或多个参考位置与测量头的一个或多个区域之间的多个路径长度(尤其至少三个电磁信号的传播路径的路径长度)，所述多个路径不在一个平面上。可设置检测器装置以在信号行进通过参考位置与测量头之间的路径之后，记录电磁辐射的信号强度并提供测量信号。检测器装置可配置为时间顺序方式记录该测量信号和至少一个另外的测量信号，其中至少一个另外的测量信号表示在另一信号行进通过另一路径之后电磁辐射的另一信号的强度。对此，例如可设置快门或时间变化滤波器，诸如滤波器轮，从而记录以顺序方式行进通过不同路径的多个信号。在另一实施例中，多个检测器装置可设置以记录行进通过不同路径的多个信号。
测量设备可包括光纤，诸如玻璃纤维或塑料纤维，其一端可安装到测量头。光纤的另一端可连接到检测器。这允许诸如短脉冲激光器的光源产生的光脉冲序列在测量头连接到光纤中并从那被引导到检测装置。
光纤的另一端可连接到光源，例如短脉冲激光器。这允许由光源产生的光脉冲序列在光纤中被引导到测量头并且在那发射，检测器装置可位于记录光脉冲序列的固定位置。
多个光纤的端部也可彼此间隔开地设置到测量头上，从而将照射到测量头上的光在不同位置连接到光纤中或在测量头的间隔开的位置发射光。
也可以设置至少一个可安装到测量头的反射器。反射器可电性开关。反射器可配置为回射器。反射器允许照射到测量头上的光脉冲序列被反射朝向检测器。为此，例如可采用如本申请人的DE102008045386.2中所述的配置。
根据另一方面，提供一种坐标测量装置，其具有测量头和根据一方面或实施例确定测量头位置的测量设备。
在该坐标测量装置中，测量头的位置可采用测量设备确定，通过在振幅调制信号行进通过参考位置与测量头之间的路径之后记录并估值振幅调制信号。这允许例如采用光学测量技术测量相对于坐标测量装置的框架的测量头的位置。
坐标测量装置可配置为桥型装置。坐标测量装置也可包括机械手，其一端配置为测量头。
根据另一方面，提供一种坐标测量装置的操作方法。坐标测量装置包括测量头。为了确定测量头的位置，在该方法中，在电磁辐射振幅调制信号已行进通过参考位置与测量头之间的路径之后，对测量信号估值，该测量信号表示作为时间函数的具有重复频率的电磁辐射的(尤其具有重复频率的光脉冲序列)的振幅调制信号的强度。
例如，可光学确定相对于坐标测量装置的框架的测量头的位置，这是因为在该方法中测量头的位置通过估值表示电磁辐射的信号强度的测量信号而确定。由此，可以高精确度确定测量头的位置，即使坐标测量装置的机械结构中可能出现窜动。
测量头的位置可尤其响应于触发信号而确定。当测量头具有相对于物体表面的预定位置时，例如当测量头运载的针尖接触物体表面时，产生触发信号。
根据本发明的另一方面，提供一种确定位置的方法。该方法包括在光脉冲序列覆盖要测量的路径长度之后，确定测量信号的相位角，测量信号表示作为时间的函数的光脉冲序列的强度，其中光脉冲序列具有重复频率，且其中光脉冲序列在光纤中被引导，光纤的一端安装到一位置。
光纤的另一端可连接到光源，例如短脉冲激光器，使得光脉冲序列从在该位置的光纤的一端出射。光脉冲序列例如可由位于固定位置的检测器记录。
光纤的另一端也可连接到检测器以将朝该位置照射的光脉冲序列从该位置引导到检测器。
根据本发明各种实施例的估值装置、设备和方法可用于路径长度测量或位置确定。示范性的应用领域是工厂中的测量应用，例如自动生产或运输车间。然而，本发明的实施例不限于这些应用。
附图说明
以下，将参照附图基于实施例更详细地解释本发明。
图1是根据实施例的测量设备的示意图。
图2A示例性地示出作为时间的函数的光脉冲序列，以及图2B示意性地示出图2A的光脉冲序列的傅里叶光谱。
图3示意性地示出在根据实施例的估值装置中被估算的信号。
图4是根据实施例的测量设备的示意图。
图5示出用于根据实施例的估值装置的相位测量装置的实施。
图6示出发生在图5的相位表装置中的信号。
图7是根据另一实施例的测量设备的示意图。
图8是由根据实施例的估值装置执行的方法的流程图表示。
图9是图8的方法中可使用的一致性检验的流程图表示。
图10示出路径长度测量，用于解释图8和9的方法。
图11是根据实施例的坐标测量装置的示意图。
图12是根据实施例的坐标测量装置的测量设备的示意图。
图13是根据实施例的坐标测量装置的测量头的示意图。
图14示出可用于图13、图15或图16的测量设备中的反射器的构造。
图15是根据另一实施例的坐标测量装置的示意图。
图16是根据另一实施例的坐标测量装置的示意图。
图17是根据另一实施例的坐标测量装置的示意图。
图18是根据另一实施例的坐标测量装置的示意图。
图19A、19B和19C示出图18的坐标测量装置在不同时间的测量设备。
图20是根据另一实施例的坐标测量装置的示意图。
图21是根据另一实施例的坐标测量装置的示意图。
具体实施方式
在下面，将更加详细地描述本发明的实施例。各种实施例的特征可彼此结合，除非在下面的描述中明确排除此结合。虽然在诸如确定工业设备中的位置的具体应用中描述一些实施例，但是本发明不限于这些应用。
不同的实施例配置用于路径长度测量，其中电磁辐射脉冲序列行进通过要测量的路径长度。脉冲序列具有以重复频率重复的强度和振幅。为了执行路径长度测量，通过合适的装置，例如通过短脉冲激光器，产生具有重复频率的序列的脉冲，使得在光束路径的预定位置，电磁辐射的振幅以及由此的功率密度或辐射强度具有该重复频率的最大值重复。
图1是根据实施例的测量设备1的示意图。测量设备1包括光源2、安装到物体的反射器3、记录测量信号的检测器4、记录参考信号的另一检测器5和估值装置6。此外，设置分束器17以将参考光束14引导到另一检测器5并将测量光束12、13引导到检测器4。
光源2可配置为具有短脉冲激光器的频率梳产生器。光源2可尤其配置为产生具有高频率稳定性和高相位稳定性的信号。如将参考图2更详细地描述的，光源2产生具有重复频率的光脉冲序列。
分束器17布置在由光源2产生的光脉冲序列的光束路径11中，以朝向另一检测器5连接出参考光束14。由分束器17传输的部分光束12从分束器17行进到反射器3，其中部分光束12例如可反射回到其本身并被引导到检测器4。检测器4、5配置为光检测器，该光检测器记录入射到其上的光信号的强度，并输出表示记录强度的电信号15、16。
参考光束14由分束器17连接出，其被引导到另一检测器5上，参考光束14覆盖的路径长度由测量设备1的几何形状确定。光束12由分束器17传输，其行进到设置在物体上的反射器3上，光束12覆盖从分束器17到反射器3并回到检测器4的路径，该路径的路径长度取决于其上安装有反射器3的物体的位置。箭头9示意性的表示物体的可变位置。
检测器4记录的光束以及另一检测器5记录的光束覆盖的不同路径引起所记录信号之间的时滞，其对应于运行时间延迟。运行时间延迟导致检测器4和另一检测器5所记录的强度15和16的傅里叶表示中的分量的相移。
估值装置6配置为使得其对检测器5记录的测量信号15的第一分量和第二分量估值，第一分量具有以该重复频率或过重复频率的倍数振荡的频率，且第二分量具有大于第一频率的频率且第二分量以该重复频率的倍数振荡。通过确定测量信号的第一分量和第二分量相对于参考信号的对应分量的相位差，从而确定检测器4和另一检测器5记录的信号之间的路径长度差。通过确定路径长度差，可确定在其上安装反射器3的物体离参考位置(比如分束器17)的距离，这是因为路径长度差的一部分仅取决于装置几何形状，例如，由于从分束器17到检测器5的由部分光束14覆盖的距离要么是已知的，要么是可被考虑为通过校准测量设备的偏移。
从分束器17经由反射器3到检测器4的光束12、13(下面将称为测量光束)可能覆盖的距离显著长于被分束器17连接出的参考光束14到另一检测器5所覆盖的距离。因此，分束器17可配置使得其将入射到其上的光脉冲序列的强度的相当大的部分(例如约99％)作为测量光束传输，且将仅约1％引导为到达另一检测器5的参考光束14。
光源2产生光学信号，该光学信号以周期性函数被调制且具有基频f0以及基频f0的显著的谐波分量，即，具有f0的倍数的频率的显著的频率分量。这样的信号例如由短脉冲激光器产生，短脉冲激光器产生具有明确定义的间隔T0=1／f0的光脉冲序列，即，具有重复频率f0，相对于连续脉冲之间的间隔T0，每个脉冲的持续时间是短的。
图2A示范性示出这样的短光脉冲序列21的强度，其中光源2的输出功率P显示为时间t的函数。连续脉冲之间的间隔T0以参考标号22示意性地表示，而每个光脉冲的持续时间以参考标号23示意性表示。相比于连续的光脉冲之间的间隔T0，每个光脉冲的持续时间可以非常短，例如在1·10-5的数量级。虽然图2A示范性示出方波脉冲序列，但是也可选择其它的合适的脉冲形状，例如双曲正割的平方或高斯函数。
图2B示范性示出产生为具有重复频率f0的光脉冲序列的强度的频谱25，每个光脉冲的持续时间相对于T0=1／f0是短的。频谱25具有多个峰，多个峰有不变的频率间隔f0，间隔f0示意性由参考标号26指示。单独的峰的光谱权重朝向高频减小，减小速率由连续的光脉冲之间的时间间隔与光脉冲持续时间之间的比值确定。对于装置1的光源2，这些量被选择为，用于确定相位差的具有频率k·f0的分量27的光谱权重足够大以执行相位测量。
如图2示意性示出的光脉冲序列可由配置为产生短光脉冲的各种激光器产生。具体地，可采用光学频率合成器。例如，电学泵浦二极管激光器，诸如q开关激光器、增益开关激光器、有源或无源模式锁定激光器或混合模式的锁定激光器、或具有垂直空腔的模式锁定表面发射激光器(“垂直空腔表面发射激光器”，VCSEL)，可用作光源2。光学泵浦激光器也可用作光源2，例如具有外部垂直空腔的无源模式锁定表面发射激光器(“垂直外部空腔表面发射激光器”，VECSEL)或基于光子-晶体-纤维的激光器(光子-晶体-纤维激光器)。光源2的示范性脉冲持续时间在100fs至100ps的范围内。示范性重复频率在50MHz至50GHz的范围内。示范性平均功率在1mW至10w的范围。脉冲抖动的示范值在10fs至1ps的有效值之间(均方)。
在傅里叶表示中，检测器4记录的测量光束12、13的强度具有光谱表示
PM(t)=∑i bi·cos(2·π·i·f0·t+φM，i)，   (1)
其中求和指数i在具有0的自然数上运算，f0是重复频率，bi是具有频率i·f0的光谱分量的光谱权重，t为时间，且φM，i为具有频率i·f0的光谱分量的相位，该相位例如可能是由从测量光束12、13与参考光束11分离的点到检测器4的、由测量光束12、13覆盖的路径长度引起。
在傅里叶表示中，另一检测器5记录的测量光束的强度具有光谱表示
PR(t)=∑i ai·cos(2·π·i·f0·t+φR，i)，   (2)
例如，其中求和指数i在具有0的自然数上运算，f0是重复频率，ai是具有频率i·f0的光谱分量的光谱权重，t为时间，且φR，i为具有频率i·f0的光谱分量的相位，其考虑了参考光束从测量光束的连接出的点到另一检测器5的、由参考光束覆盖的路径长度。
参考光束与测量光束覆盖的路径长度之间的路径长度差，或运行时间延迟τ对应于测量光束中的光脉冲与参考光束中的对应光脉冲之间的路径长度差，引起以频率fi=i·f0振荡的信号分量PM(t)与PR(t)之间的相移或相位差
Δφi=φM，i-φR，i   (3)
相位差的模数与检测器4和另一检测器5记录的强度之间的时移τ成比例，
|Δφi|=2·π·i·f0·τ=2·π·fi·d／c   (4)
这里，d表示测量光束与参考光束之间的路径长度差，且c为光速。相位角以弧度量度说明，除非明确说明另一量度。术语“相位差”以下也指的是相位差的模数，这是因为只有相位差的模数与确定路径长度差(其被定义为正的)有关。
在所关注的分束器17经由反射器并回到分束器17之间，路径长度差d与该可变路径长度仅相差了一个不变的被加数，该被加数取决于测量设备的几何形状，并且其要么是预先已知的要么可通过校准而确定。因此，路径长度差d以下也可称为要测量的路径长度。
根据式(4)，可由测量相位差确定信号之间的路径长度差d以及因此的要测量的路径长度。对于给定相位分辨率，即，相位差的测量准确度，对具有较高频率fi的分量的估值导致较高的空间分辨率。例如，如DE102008045386.2和DE102008045387.0中所述，具有频率fi＞＞f0的高谐波例如可被估值从而准确地确定路径长度。
在仅具有2·π的长度的间隔内，相位差可被唯一确定。为确定要测量的路径长度d，基于以频率fi振荡的测量信号的分量与参考信号的分量之间的相位差，需要路径长度的估算值例如以
λi＝c／(i·f0)＝c／fi   (5)
的准确度接近路径长度。
估值装置6配置使得其对测量信号15的第一分量和第二分量估值。路径长度d的第一估算值从测量信号的第一分量的相位角确定，该测量信号以重复频率或重复频率的倍数振荡。路径长度d的精确化的第二估算值从测量信号的第二分量的相位角确定，该测量信号以大于第一分量的频率的重复频率的倍数fn=n·f0振荡。
为了示例，图3以30示出作为时间的函数的测量信号的第一分量32与参考信号的第一分量31，其例如以重复频率f1=f0振荡。要测量的路径长度d或由多个光学信号覆盖的不同距离导致的路径长度差d引起测量信号的第一分量32与参考信号的第一分量31之间的时移τ，其示意性地显示为33且对应于参考信号的分量31的过零与同一方向上的测量信号的分量32的接续过零之间的间隔。运行时间延迟τ引起相位差|Δφ1|=2·π·f0·τ，其与测量信号的第一分量相关联。通过测量|Δφ1|，可确定运行时间延迟τ的第一估算值，且根据式(4)，可确定要测量的路径长度d。
图3以40示出作为时间的函数的测量信号的第二分量42与参考信号的第二分量41，其例如以重复频率的倍数f6=6·f0振荡。通过对测量信号的第二分量42估值，测量信号的第二分量42与参考信号的第二分量41之间的相位差可确定在相位角测量的唯一性范围内，该相位差例如可选择作为从0到2·π的间隔。唯一性范围内的相位差对应于在参考信号的第二分量41的(44指示的)过零和测量信号的第二分量42的(45指示的)值之间的相移，在45指示的该位置或时间，测量信号的第一分量32具有过零，且所述相移由运行时间延迟τ确定。
当要测量的路径长度d大于以频率fn振荡的测量信号的分量的波长λn时，可测量的唯一性范围内的相移与式(4)给出的相位差相差2·π的整数倍。如图3所示，49所示的从0到2·π的唯一性范围内的相移不对应于式(4)给出的相位差48，这是因为对应于两个完整周期46、47的相位差48的部分不能从参考信号和测量信号的振荡分量41、42被测量。
根据实施例的估值装置6允许对测量信号的以第一频率fp=p·f0振荡的第一分量估值，从而确定测量信号的第二分量包含在要测量的路径长度d中的完整周期数，该第二分量以第二频率fn=n·f0振荡。这里，p和n为自然数，n>p。
在实施例中，与测量信号的第一分量相关联的相位差|Δφp|通过估值装置6被确定。根据式(4)，
dp＝λp·|Δφp|／(2·π)   (6)
为要测量的路径长度的第一估算值。
要测量的路径长度d中的测量信号的第二分量全周期或全波长λn的计数q可分别由下式估算
q=Floor[(λp／λn)·|Δφp|／(2·π)]，   (7)
其中，Floor(·)分别表示floor(下取整)函数或高斯括弧，其具有对应于值小于或等于函数的自变量的最大整数的值。换言之，floor函数的值对应于其自变量的整数部分。
估值装置6进一步配置为确定第二相位差|Δφ’n|，其与唯一性范围内的测量信号的第二分量相关联。唯一性范围例如定义为使得第二相位差|Δφ’n|具有例如从0到2·π的间隔内的值。唯一性范围内的相位差|Δφ’n|以及全周期或波长λn的计数q允许根据下式确定式(4)给出的相位差
|Δφn|＝2·π·q+|Δφ’n|，   (8)
该式考虑了流逝的完整周期数。
要测量的路径长度可从相位角|Δφp|和|Δφ’n|确定，相位角|Δφp|和|Δφ’n|由估值装置6根据下式确定
d＝q·λn+λn·|Δφ’n|／(2·π)   (9)
=Floor[(λp／λn)·|Δφp|／(2·π)]·λn+λn·|Δφ’n|／(2·π).   (9’)
式(9)右手侧的第一被加数是要测量的路径长度的第一估算值，该第一被加数取决于第一相位差|Δφp|，该第一相位差|Δφp|与测量信号的第一分量相关联。在式(9)右手侧的第一被加数设定的间隔内，式(9)右手侧的第二被加数提供对要测量的路径长度的精确化的第二估算值，该第二被加数取决于第二相位差|Δφ’n|，该第二相位差|Δφ’n|与测量信号的第二分量关联。
估值装置6配置使得与测量信号的第一分量相关联的第一相位差|Δφp|可以一准确度被解析，该准确定足以确定要测量的路径长度内的第二分量的波长λn的计数。为此目的，估值装置可配置使得相位差|Δφp|可以2·π·p／n的分辨率被测量，即，可在至少n／p步中解析0到2·π的角度范围。
估值装置6可进一步配置使得以λp的准确度知道要测量的路径长度，且|Δφp|在从0到2·π的唯一性范围内。为此目的，p可被适当选择。还可能的是，首先采用另一测量设备(例如采用超声)来确定要测量的路径长度的粗略估算值，然后以一准确度基于|Δφp|的测量使粗略估算值精确化，该准确度足以确定要测量的路径长度d内的测量信号的第二分量的波长λn的计数。
如将参考图8-10更详细解释的，估值装置6也可配置使得根据式(7)确定的量q经历一致性检验，在一致性检验中考虑与测量信号的第二分量相关联的第二相位差|Δφ’n|。基于与测量信号的第一分量的相关联的第一相位差以及与测量信号的第二分量相关联的第二相位差两者，因此可确定要测量的路径长度中的第二分量的波长λn的计数。
为了进一步说明，将示范性地设定光源2产生具有重复频率f0100MHz的光脉冲，且测量信号的第一分量以频率f1=f0振荡，即，该第一分量对应于基波，而测量信号的第二分量以频率f240=240·f0=24GHz振荡。则，λ1=3m且λ240＝1.25cm。进一步设定|Δφ1|和|Δφ’240|的测量的相位分辨率分别为2π／1000，使得从0到2π的角度间隔可以千步解析。如果估值装置6确定例如第一相位差|Δφ1|=136°(以度为单位)，则此对应于3m·136°／360°=1.133[33]m的要测量的路径长度的第一估算值，非有效数字在方括弧中给出。采用式(7)，要测量的路径长度中的波长λ240的计数给出为q=Floor[240·136°／360°]=90。如果与测量信号的第二分量相关的第二相位差被确定为例如|Δφ’240|=238°(以度为单位)的值，式(9)右手侧的第二被加数具有1.25cm·238°／360°=0.82638cm的值。基于式(9)，要测量的路径长度给出为d=90·1.25cm+0.82638cm＝113.3263cm。
为了进一步说明对根据式(7)确定的量q的一致性检验，考虑这种情况，其中要测量的路径长度d约等于λ240的整数倍，采用以上参数，即，基于以下设定：光源2产生具有重复频率f0100MHz光脉冲且测量信号的第一分量以频率f1=f0振荡而测量信号的第二分量以频率f240=240·f0=24GHz振荡。如果例如通过估值装置确定|Δφ1|=105°(以度为单位)，这对应于3m·105°／360°=0.875m的要测量的路径长度的第一估算量。在采用|Δφ1|测量的可实现的分辨率之内，此值等于70·λ240。为了确定要测量的路径长度中波长λ240的正确计数，当确定q时可采用由测量装置6对与测量信号的第二分量相关联的第二相位差|Δφ’240|确定的测量值。如果|Δφ’240|具有小值，诸如|Δφ’240|=2°(以度为单位)，例如，q=70是要测量的路径长度中的波长λ240的正确计数，且根据式(9)，路径长度d由0.875m+1.25cm·2°／360°=0.875m+0.00694cm=87.50694cm给出。然而，如果|Δφ’240|例如具有仅稍小于360°的值，例如|Δφ’240|=359°(以度为单位)，则q=70将与|Δφ’240|的大值不一致，使得q=69为要测量的路径长度中的波长λ240的正确计数。在此情况下，根据式(9)，路径长度d被给出为69·1.25cm+1.25cm·359°／360°=86.25cm+1.24652cm=87.49652cm。将参考图8-10更详细描述基于对第二分量确定的相位差的q的一致性检验。
将参考图4-7更详细描述根据各种实施例的估值装置。
图4是根据测量设备50的示意图。测量设备50包括光源2，安装到物体的反射器3′，引导参考光束14和测量光束12、13的分束器17和偏转镜，记录作为时间的函数的测量光束12、13的强度的光检测器4，以及记录作为时间的函数的参考光束14的强度的另一光检测器5。这些元件和装置就其功能和结构而言对应于图1的测量设备1的对应元件和装置，并且以相同或类似的参考标号表示，从而附加参考测量设备1的描述。
在测量设备50中，光源2产生具有重复频率f0的光脉冲序列。考虑到测量光束12、13必须比参考光束14覆盖更长的距离，光检测器4和5可具有不同的转换因子。例如，用于测量光束的光检测器4具有500V／W的转换因子，而用于参考光束的另一光检测器5可具有150V／W的转换因子。
测量设备50包括估值装置51。估值装置51可被用作图1的测量设备1中的估值装置6。估值装置51配置为确定第一相位差和第二相位差，第一相位差与光检测器4记录的测量信号15的第一分量相关联，第一分量以第一频率振荡，第二相位差与光检测器4记录的测量信号15的第二分量相关联，第二分量以第二频率振荡。在此情况下，第一频率等于重复频率或重复频率的整数倍，而第二频率等于重复频率的整数倍且大于第一频率。
估值装置51包括输入放大器64，其从光检测器4接收测量信号15，测量信号15表示测量光束12、13中的光脉冲序列的强度。估值装置51包括另一输入放大器65，其从另一光检测器5接收参考信号16，参考信号16表示参考光束中的光脉冲序列的强度。
估值装置51具有用于测量信号15的第一分量的第一信号处理路径，第一分量以第一频率fp=p·f0振荡，其中p为≥1的整数。第一信号处理路径包括带通滤波器53和相位测量装置54。带通滤波器53的输入连接到放大器64的输出以接收放大的测量信号15。带通滤波器53具有包括频率fp的通带。带通滤波器53可被配置，使得测量信号的具有频率(p-1)f0和(p+1)f0的分量相比于具有频率fp的第一分量而被强烈减弱。带通滤波器53可具有通带，该通带具有小于f0的带宽。在此情况下，带通滤波器53的输出信号73本质上对应于测量信号的以第一频率fp振荡的分量。测量信号的第一分量可例如写成UM，p·cos(2·π·fp·t+φM，p)的形式，UM，p为第一分量的振幅且φM，p为测量信号的第一分量的相位角。测量信号的第一分量73提供到相位测量装置54，相位测量装置54确定测量信号的第一分量73与第一振荡参考信号72之间的相位差，第一振荡参考信号72以与测量信号的第一分量73相同频率fp振荡。
估值装置51具有带通滤波器52。带通滤波器52的输入连接到输出放大器65以接收放大的参考信号16。带通滤波器52具有包括频率fp的通带。带通滤波器52的传输特性可对应于带通滤波器53的传输特性。具体地，带通滤波器52可具有通带，该通带具有小于f0的带宽。带通滤波器52的输出信号是第一振荡参考信号72，其以与测量信号的第一分量73相同的频率fp振荡。
相位测量装置54连接到带通滤波器53的输出以接收测量信号的第一分量73，并且连接到带通滤波器52的输出以接收第一振荡参考信号72。相位测量装置54配置为确定测量信号的第一分量73与第一振荡参考信号72之间的第一相位差，其以68示意表示。
估值装置51具有用于测量信号15的第二分量的第二信号处理路径，第二分量以第二频率fn=n·f0振荡，其中n为整数且n>p。带通滤波器55的输入连接到放大器64的输出以接收放大的测量信号15。第二信号处理路径包括带通滤波器55、混频器57、滤波混频器67的输出信号的带通滤波器58以及相位测量装置59。带通滤波器55的输入被连接到放大器64的输出以接收放大的测量信号15。带通滤波器55具有包括频率fn的通带。带通滤波器55可被配置使得测量信号的具有频率(n-1)f0和(n+1)·f0的分量相比于具有频率fn的第二分量被强烈减弱。带通滤波器55可具有通带，该通带具有小于f0的带宽。在此情况下，带通滤波器55的输出信号75本质上对应于测量信号的以第二频率fn振荡的第二分量。测量信号的第二分量可例如写成UM， n·cos(2·π·fn·t+φM，n)的形式，UM，n为振幅，且φM，p为测量信号的第二分量的相位角。
测量信号的第二分量75被降频变换以产生以频率fp振荡的降频变换信号。为此，测量信号的第二分量75提供到混频器57。混频器57的另一输入连接到带通滤波器56的输出。带通滤波器56的输入连接到放大器65以从其接收放大的参考信号16。带通滤波器56具有包括频率fn-p的通带。带通滤波器56可具有通带，该通带具有小于f0的带宽。提供到混频器57的带通滤波器56的输出信号76本质上对应于以频率fn-p振荡的参考信号16的分量。
混频器57的输出信号77具有以混频器57的输入信号的频率和fn+fn-p振荡的分量以及以频率差fn-fn-p振荡的分量。混频器57的输出信号77提供到带通滤波器58。带通滤波器58被配置使得以频率fp振荡的混频器57的输出信号77的分量被允许通过，且以频率和振荡的分量相对于其被强烈减弱。以频率fp振荡的带通滤波器58的输出信号78是降频变换信号，其通过降频变换测量信号的第二分量75而产生。
相位测量装置59连接到带通滤波器58的输出以接收带通滤波器58的输出信号78，并且连接到带通滤波器52的输出以接收第一振荡参考信号72。相位测量装置59配置为确定带通滤波器58的输出信号78与第一振荡参考信号72之间的第二相位差，第二相位差以69示意表示。
以第一频率fp振荡的信号72、78提供到用于测量信号的第二分量的第二信号处理路径中的相位测量装置59。测量信号的第二分量75与参考信号16的光谱分量76通过混频器57混频，参考信号16的光谱分量76与参考信号的其他光谱分量具有明确定义的相位关系。因此，由第二相位测量装置59确定的相位差等于测量信号的以第二频率fn振荡的分量75与第二振荡参考信号之间的相位差，第二振荡参考信号对应于参考信号16的以第二频率fn振荡的分量。估值装置51的结构，其可对应于超级外差接收器的结构，允许与测量信号15的第二分量75相关联的第二相位差被确定，而不需要产生参考信号16的以第二频率振荡的分量，诸如借助对参考信号16滤波。测量信号15的第二分量75的降频变换使得能够在较低频率fp执行相位测量装置59中的相位测量。
估值装置51具有估值逻辑装置61-63。估值逻辑装置的第一估值逻辑装置61连接到第一信号处理路径的相位测量装置54，从而以基于由此相位测量装置确定的第一相位差|Δφp|，确定要测量的路径长度的第一估算值。第一估算值可对应于式(9)的右手侧的第一被加数。估值逻辑装置的第二估值装置62连接到第二信号处理路径的相位测量装置59，从而以基于由此相位测量装置确定的第二相位差|Δφ’n|，确定要测量的路径长度的第一估算值的修正。第一估算值的修正可对应于式(9)的右手侧的第二被加数。可设置适当的界面63，例如显示器、USB界面或另一界面，以将由第一估值逻辑装置61确定的第一估算值以及由第二估值装置62确定的路径长度的改进的估算值输出到例如一计算机。
估值装置51被配置使得其对测量信号的以第一频率fp振荡的分量以及测量信号的以第二频率fn振荡的分量估值。估值装置51可具体被配置使得λp=c／fp大于要测量的路径长度的初始不确定性。估值装置51可被配置，使得通过对测量信号的第一分量估值而获得的要测量的路径长度的估算值，以小于或等于λn=c／fn的分辨率接近要测量的路径长度。
在实施例中，光源2可产生具有例如重复频率f0=100MHz的光脉冲。估值装置51可被配置，使得其对测量信号的以频率f1=f0(p=1)振荡的第一分量以及测量信号的以频率f240=240·f0(n=240)振荡的第二分量估值。相应地，带通滤波器52和53可具有在100MHz的频率的通带，带通滤波器55可具有在24GHz的频率的通带，以及带通滤波器56可具有在23.9GHz的频率的通带。
参考图5和6将描述相位测量装置54、59的可能构造。在结构中，基于信号对的接续过零之间的间隔确定相位差。
图5是可被用作估值装置51中的相位测量装置54和59的第一和第二信号处理路径中的相位测量装置的示意图。
第一信号处理路径的相位测量装置包括第一计数器82。第二信号处理路径的相位测量装置包括第二计数器84。方形参考信号92提供到第一计数器82的起始输入以及第二计数器84的起始输入。第一方形信号93提供到第一计数器82的截止输入。第二方形信号94提供到第二计数器84的截止输入。第一计数器82和第二计数器84可被配置，使得方形参考信号92的正信号边沿在第一计数器82和第二计数器84的起始输入开始计数过程，并且分别在第一方形信号93或第二方形信号94的正信号边沿在它们的截止输入停止计数过程。为此，可以方形参考信号92正边沿设置双稳态多谐振荡器，而分别以第一方形信号93和第二方形信号94的正边沿重置双稳态多谐振荡器。由此实现门电路，该门电路在方形参考信号92的正边沿与第一方形信号93和第二方向信号94的正边沿之间的时间内，将在各个计数器82和84的计数输入处出现的脉冲信号发送到计数电路。计数器82和84的计数输入连接到时钟信号产生器86，该时钟信号产生器86将时钟信号提供到计数输入。第一计数器82的计数值可在界面83(例如，16位USB端口)上读出。第二计数器84的计数值可在界面85(例如，16位USB端口)上读出。对于读出过程，可设置可连接到计算机的USB连接87。
图6示出计数器82处的各种信号。方形参考信号92以及第一方形信号93定义出由标号102表示的时间窗口，方形参考信号92的上升边沿使计数器开始计数，第一方形信号93的上升边沿使计数器停止计数。在该时间窗口中，允许时钟信号产生器产生的脉冲传送到计数电路，使得在根据脉冲数的上升边沿之间的时间窗口中，计数值增加，如标号103示意示出的。
在实施中，方形参考信号92可从第一振荡参考信号72产生，第一方形信号93可从测量信号的以第一频率振荡的分量73产生，且第二方形信号94可从测量信号的经降频变换的第二分量78产生。为此，对这些信号的每一个，相位测量装置可包括比较器，其输出在振荡信号的过零处在两个状态“0”和“1”之间转换从而产生方形信号92-94。方形参考信号92的正边沿与第一方形信号93的正边沿之间的间隔对应于信号72和73的过零之间的间隔，从该间隔可确定这些信号之间的相位差。
在实施中，第一振荡参考信号72、测量信号的以第一频率振荡的第一分量73以及测量信号的经降频变换的第二分量78在它们被提供到相位测量装置之前，可被进一步降频变换。例如，信号可降频变换到一频率范围，该频率范围具有小于重复频率的频率。为此，对第一振荡参考信号72、测量信号的以第一频率振荡的第一分量73以及测量信号的经降频变换的第二分量78，可分别设置混频器，其中例如从外部振荡器，对每个混频器提供相同的振荡信号。带通滤波器可设置以抑制混频器的输出信号的以频率和振荡的分量。尤其可采用在本申请人在同一天提交的德国专利申请DE102009024460.3(标题为“Auswerteeinrichtung，Messanordnung und Verfahren zur”(估值装置、测量设备以及用于路径长度测量的方法))中描述的装置和方法执行这样的降频变换。
可根据希望的测量准确度和希望的测量速率，选择将第一振荡参考信号72、测量信号的以第一频率振荡的第一分量73以及测量信号的经降频变换的第二分量78进一步降频变换的频率。例如，在图5所示的相位测量装置的实施中，对于给定时间分辨率，相位分辨率随频率减小而增大。可被解析的相位值的数目由提供到相位测量装置的信号的频率与计数信号产生器86的计数频率的商值给出，使得相位分辨率随信号频率的变小而变小。理论上可获得的最大测量速率由提供到相位测量的信号的频率给出。如果在每个测量周期之后没有读出计数值，但如果计数值例如在提供到相位测量装置的信号的一定数目(例如十个周期)的周期上平均化，则测量速率进一步对应减小。
可选择用于操作图5的相位测量装置的示范参数，使得第一振荡参考信号72、测量信号的以第一频率振荡的第一分量73以及测量信号的经降频变换的第二分量78被进一步降频变换，直到它们以约10kHz的频率振荡。在此情况下，执行降频变换使得信号之间的相位差被保留。计数信号发生器86例如可提供具有100MHz的计数频率的计数信号。则可以2π·10kHz／100MHz的分辨率(即，以一万步)测量相位。
根据另外的实施例的估值装置中可使用另外的相位测量装置。第一振荡信号和第二振荡信号例如被抽样，随后对抽样值作出拟合，以确定相位差。采用传统的相位测量仪也是可能的。
图7是根据另一实施例的测量设备110的示意表示。测量设备110包括光源2，要安装到物体上的反射器3′，用于引导参考光束14和测量光束12、13的分束器17和偏转镜19，用于记录测量作为时间的函数的光束12、13的强度的光检测器4，以及用于记录作为时间的函数的参考光束14的强度的另一光检测器5。测量设备的元件和装置关于其功能和结构对应于图1的测量设备1以及图4的测量设备50的对应元件和装置并且以相同或类似的参考标号表示，从而附加参考测量设备1和测量设备50的描述。
测量设备110包括估值装置111，用于对光检测器4记录的测量信号估值。估值装置111具有放大器64，其连接到光检测器4以放大由光检测器4提供的测量信号15。估值装置111具有连接到另一光检测器5的放大器65，从而将另一光检测器5提供的参考信号16放大。
估值装置111具有用于测量信号15的第一分量的第一信号处理路径，第一分量以第一频率fp=p·f0振荡，其中p≥1为整数。第一信号处理路径包括带通滤波器53和相位测量装置54，并以估值装置51的第一信号处理路径相同的方式配置。相位测量装置54确定测量信号的第一分量与参考信号的以相同频率fp振荡的分量之间的相位差，其由连接到放大器65的带通滤波器52提供。
估值装置111具有用于测量信号15的第二分量的第二信号处理路径，第二分量以第二频率fp=p·f0振荡，其中n为整数且n>p。第二信号处理路径包括以与估值装置51的带通滤波器55相同的方式配置的带通滤波器55。第二信号处理路径包括两个混频器114、116以及两个带通滤波器115、117。在第二信号处理路径中，测量信号15的第二分量被二级降频变换，类似于双超级外差接收器。
估值装置111包括带通滤波器112、113，其在输入侧连接到放大器65以接收放大的参考信号。带通滤波器112具有包括频率fn-r=(n-r)·f0的通带。这里，r是整数且n>r>p。带通滤波器113具有包括频率fr-p=(r-p)·f0的通带。带通滤波器112、113可分别具有通带，该通带具有小于f0的带宽。
对应于测量信号的第二分量的带通滤波器55的输出信号，以及带通滤波器112的输出信号提供到混频器114。混频器114的输出连接到带通滤波器115。带通滤波器115被配置，使得其相比于混频器114的输出信号的以频率差fn-fn-r振荡的分量，强烈减弱混频器114的输出信号的以频率和fn+fn-r振荡的分量。带通滤波器115的输出信号位于在频率fr的中间频率范围。
带通滤波器115的输出信号以及带通滤波器113的输出信号提供到混频器116。混频器116的输出连接到带通滤波器117。带通滤波器117被配置使得其相比于混频器116的输出信号的以频率差fr-fr-p振荡的分量，强烈减弱混频器116的输出信号的以频率和fr+fr-p振荡的分量。带通滤波器117的输出信号因此以频率fp振荡。带通滤波器117的输出信号提供到相位测量装置59，该输出信号在相位测量装置59中被估值，如对估值装置51所述。
相位测量装置54、59和估值装置111的估值逻辑装置61-63的操作对应于估值装置51的对应构件的操作。
测量设备的结构的示范性参数如下。光源2可产生具有重复频率f0=100MHz的光脉冲。估值装置111可被配置使得其对测量信号的以f1=f0(p=1)振荡的第一分量以及测量信号的以f240=240·f0(n=240)振荡的第二分量估值。第二分量可经由具有频率f60=60·f0(r＝60)的中间频率范围被降频变换。相应地，带通滤波器52和53可具有在频率100MHz的通带，带通滤波器55可具有在频率24GHz的通带，带通滤波器112可具有在频率18GHz的通带，以及带通滤波器113可具有在频率5.9GHz的通带。
估值装置51、111也可被配置使得估值逻辑装置61对由相位测量装置54确定的测量信号的第一分量的相位角以及由相位测量装置59确定的测量信号的第二分量的相位角两者估值，从而获得要测量的路径长度的第一估算值，如已经结合示例所解释的。为此目的，表示要测量的路径长度d中全波长λn的计数的量q例如可根据式(7)首先被确定，并可经历基于测量信号的第二分量的相位角的一致性检验。
图8是由根据实施例的估值装置执行的方法120的示意流程图表示。
在121，确定与测量信号的第一分量相关联的第一相位差。在122，基于与测量信号的第一分量相关联的第一相位差，确定要测量的路径长度中的测量信号的第二分量的全波长λn的计数q。为此目的，q例如可根据步骤122中的式(7)确定。计数q确定从q·λn到(q+1)·λn的间隔，其中基于对测量信号的较高频率的第二分量估值，精确化路径长度测量。在123，在其唯一性范围中确定与测量信号的第二分量相关联的第二相位差。可采用估值装置51或估值装置111的第一信号处理路径和第二信号处理路径执行对相位差121、123的确定。
在124，确定是否对在122确定的间隔执行一致性检验。这样的一致性检验例如可在当根据式(6)确定的量dp=λp·|Δφp|／(2·π)约等于整数倍λn时执行。为此目的，可以验证根据λn的邻近倍数的距离dp、(dp-q·λn)或((q+1)·λn-dp)是否小于阈值。该阈值可选择作为用于确定第一相位差的分辨率的函数和作为第一频率fp与第二频率fn的比的函数。如果不执行一致性检验，例如在126根据式(9)确定路径长度。如果确定在124要执行一致性检验，则在125验证并按需调整在122确定的间隔。在125对间隔的验证可包括对要测量的路径长度中的测量信号的第二分量的全波长λn的计数q的调整，该计数在122确定。
图9是可用于检验所确定的间隔的程序130的流程图表示。程序130可用于以图8的方法120中在125实施验证。
在131，q根据式(7)被确定。在132，验证对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|是否小于第一阈值SW1。如果对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|小于第一阈值SW1，则对间隔的验证终止，而不需对确定的量q进行修正。如果所测得的第二相位差|Δφ’n|不小于第一阈值SW1，则在133验证对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|是否大于第二阈值SW2。如果对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|不大于第二阈值SW2，则对间隔的验证终止，而不需对确定的量q进行修正。如果对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|大于第二阈值SW2，则在134对根据式(7)确定的量q减去1。然后采用q的此新值计算路径长度。
采用程序130也可以验证根据式(7)确定的q值是否与对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|一致。例如，如果根据式(6)确定的量dp=λp·|Δφp|／(2·π)仅稍大于λn的整数倍，且对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|的值仅稍小于2·π，则可检测不一致性。在此情况下，在确定路径长度之前可因此修正q。
可基于用于确定第一相位差的分辨率以及基于第一频率fp与第二频率fn的比值来选择程序130中的阈值SW1和SW2。第二阈值SW2可选择使得其稍小于2π。
图10示出对根据程序130的间隔的验证。图10示出距离值145-147，其可由于在测量第一相位差时有限的相位分辨率而被确定。在142示出间隔148、149，该间隔的长度对应于测量信号的第二分量的波长λn。
如果要测量的路径长度具有在143所显示的值，则其位于间隔148内。如果根据式(6)的第一相位差的测量产生一个值，该值例如对应于在146所示的值，则修正值q及因此的用于精确化路径长度测量的修正间隔148被确定。不需要修正q。如果根据式(6)的第一相位差的测量产生一个值，该值例如对应于在147所示的值，则开始间隔的验证，这是因为距离值147仅稍大于间隔149的下限。由于对于测量信号的第二分量所测得的第二相位差|Δφ’n|仅稍小于2·π，所以检测间隔149以及测得的第二相位差|Δφ’n之间的不一致性|，该间隔149将与根据式(7)的第一相位差相关联，且相应地通过将q值减1而修正该间隔。
参考图1-10解释的测量设备是根据各种实施例的估值装置以及路径长度测量方法的示范性应用领域。根据另外的实施例的测量设备中可做出各种变型。
虽然例如在参考图1-10解释的测量设备1、50和110中光脉冲序列自由行进，但是例如在根据另外的实施例的测量设备中，光也可以在光导中(具体地在玻璃或塑料制成的光纤中)被部分引导。测量设备可包括光纤，其一端例如安装到物体，从而确定物体距参考位置的距离。在实施例中，光纤的另一端可设置为靠近检测器4。
光源也可尤其包括激光器，其产生诸如红外光谱范围的不可见光谱内的光。
虽然在参考图1-10详细描述的估值装置中提供了用于处理测量信号的第一分量和第二分量的两个信号处理路径，但是估值装置可包括用于处理测量信号的另一分量的一个附加的信号处理路径、或用于处理测量信号的多个另外的分量的多个附加的信号处理路径，所述另一分量或多个另外的分量分别以不同于第一和第二频率的频率振荡。估值装置可例如配置为对测量信号的以第三频率振荡的第三分量估值，该第三频率对应于重复频率的整数倍且大于第二频率。估值装置可配置为对第三分量的相位角估值。
虽然在参考图1-10解释的测量设备1、50和110中，设置另一检测器5以在参考位置记录作为时间的函数的光强度，但是可也以另一方式提供对应的参考信号。在实施例中，光学频率梳产生器可例如具有输出，以输出表示激光器2发射的、作为时间的函数的光强度的电信号。激光器2的此输出可连接到估值装置6、51或111，估值装置6、51或111采用激光器2提供的信号作为参考信号或用于产生相位测量的参考信号。
光源也可配置为具有皮秒范围内的脉冲持续时间的短脉冲激光器，其例如通过外部产生器触发操作。有利地，此产生器具有高的频率稳定性。例如，商业的产生器和石英振荡器可分别获得10-6的稳定性。当信号结合到频率标准(诸如DCF77)时，甚至可进一步增加稳定性。
在实施例中，光脉冲序列的重复频率可以是可调的。因此，如果首先选择低的重复频率，则非常长的距离可实现为唯一性范围。当重复频率为10MHz时，对于路径长度测量，导致具有相同的唯一性范围的30m的波长。通过将重复频率转变至对应的较高频率，且在转变过程中要测量的路径长度没有变化，从而随后可执行具有更精细分辨率的另一测量。
替代安装到物体的反射器，也可以是物体表面本身反射或散射光，使得在另外的实施例中，不需要在物体上的分立的反射器。
虽然在测量设备1、51和110中，示意性地显示了在一个维度上的距离测量，但是也可采用多个检测器4和／或多个安装到物体的反射器3以确定一反射器距多个参考位置的距离，或者不同的反射器距离一个参考位置的距离，例如DE102008045387中所述。然后采用三边测量，可在两个或三个维度确定反射器的坐标。
这样的在空间中确定位置的应用领域是确定坐标测量装置的测量头的位置，其将参考图11-21更详细地描述。
本发明的另一方面涉及测量设备和用于坐标测量装置的方法，该方法允许坐标测量装置的测量头的位置采用光学测量技术被确定。
图11是根据实施例的坐标测量装置201的示意图。坐标测量装置201形成为桥型测量机器并且包括载有针尖203的测量头202。测量头202可移动地支撑在坐标测量装置201的框架204上，并且可位移使得针尖203与物体接触，该物体的表面采用坐标测量装置201测量。
坐标测量装置201包括用于光学确定测量头202的位置的测量设备。测量设备包括至少一个用于路径长度测量(仅示意性显示在图11中)的系统205，其具有多个光学构件，其示意性地显示为206且可例如包括光源和光检测器。光源配置为产生具有重复频率的光脉冲序列。该系统具有适当的扩展光学部件以将光脉冲序列照射到圆锥空间区域209中，在圆锥空间区域209中确定测量头202离系统205的距离。在光脉冲序列至少一次行进通过系统与测量头202之间的路径208之后，系统205的光检测器记录光脉冲序列的强度。用于路径长度测量的系统的光检测器例如可经由分束器和／或聚焦透镜接收光脉冲序列。可在测量头202上设置反射器，其例如可配置为通过平行于入射光束的系统205将照射到测量头202上的光束反射的回射器，使得系统205与测量头202之间的路径被光脉冲序列覆盖两次。估值装置207连接到系统205的光检测器，且配置为对光检测器所记录的测量信号的分量的相位角估值，从而确定光脉冲序列覆盖的路径长度。
由于用于路径长度测量的系统205和测量头202具有有限的范围，因此用于路径长度测量的系统与测量头之间的术语“路径长度”和“距离”，在此及下文中，分别理解为以下的含义，即它们分别表示在系统的参考位置(诸如光源产生的光束在分束器或偏转镜或激光器的输出开口的入射点)与具有有限范围的测量头上的某个区域(诸如测量头202上的反射器)之间由光脉冲序列覆盖的路径长度和距离。
在坐标测量装置201中，用于路径长度测量的系统205可包括如参考图1-10解释的布置，适当的扩展光学部件被设置以将光脉冲序列照射到例如圆锥形状的测量区域中。
为了确定说明测量头202的空间位置的三个坐标，用于坐标测量装置的测量设备可配置为确定不全位于一个平面内的三个路径的路径长度。如果测量头202的空间取向是可变的，如这样的情况：例如当测量头202在三个正交方向上线性位移时，测量头202的三个坐标可根据三个路径长度被确定，该三个坐标说明测量头的位置。如果测量头202的取向，即测量头202的空间角度位置也是可变的，则可对应地提供附加路径长度测量，从而确定测量头202的位置和取向两者。如果坐标测量装置提供测量头202的较小数目的自由度，例如如果其配置为平面测量装置，在该平面测量装置中测量头202仅在平面内位移，则对应的较小数目的路径长度测量系统是足够的，该系统确定彼此不平行的两个路径的长度。测量设备的光学构件可位于相对于坐标测量装置201的框架204的固定位置，使得可相对于坐标测量装置201的框架204确定测量头的位置。
在坐标测量装置201中且在将参考图12-21解释的测量设备和测量装置中，操作可以是使得测量头以及因此的针尖以传感方式移动到要测量的物体。一旦针尖与物体接触，输出触发信号。触发信号可提供到用于确定测量头的位置的测量设备。响应于触发信号，存储当前确定的测量头坐标。如果针尖203可移动地支撑在测量头202上，针尖203的偏转同时被检测和存储，使得其可抵消光学测量设备确定的坐标。
在坐标测量装置201中以及在将参考图12-21描述的测量设备和测量装置中，可采用具有光学传感器(诸如距离传感器)的测量头替代机械探针。这样的光学传感器的可能构造是设置在测量头下端的三角测量传感器。光学传感器也可配置为输出触发信号，响应于该信号，存储当前确定的测量头坐标。
图12示意性显示具有三个路径长度测量的系统213、213、217的测量设备211。系统213配置为确定系统213与设置在测量头202面对系统213的一侧的反射器之间的路径214。系统215配置为确定系统215与设置在测量头202面对系统215的一侧的反射器之间的路径216。系统217配置为确定系统217与设置在测量头202面对系统217的一侧的反射器之间的路径218。设置在测量头上的反射器与对应的系统213、215、217之间的距离可根据三个路径长度214、216、218确定。由于系统213、215、217的光学构件相对于彼此的位置以及因此相对于系统213、215、217的参考位置的位置是已知的，相对于所述参考位置测量路径长度214、216、218)，因此例如可采用三边测量，根据系统213、215、217的相对位置和路径长度214、216、218来确定测量头的位置。
系统213、215、217可分别独立形成并彼此分离。例如，系统213、215、217的每一个可包括测量设备，该测量设备具有如参考图1-10所述的估值装置。用于路径长度测量的系统213、215、217也可共用光学或电学构件。例如，可仅提供一个光源用于产生光脉冲序列，采用适当配置的分束器和偏转反射镜使光从不同方向照射到测量头202。
如果提供仅三个用于路径长度测量的系统，其中测量头202的位置可被确定的测量体积由多个空间区域的交集给出，在该空间区域的交集中，用于路径长度测量的系统213、215、217的每一个可执行路径长度测量。这些空间区域可例如由系统213、215、217的锥形光束的交集限定。如果提供多于三个用于路径长度测量的系统，其中测量头202的位置可被确定的测量体积由多个空间区域的并集给出，在该空间区域的并集中，用于路径长度测量的系统213、215、217中的至少三个可分别执行路径长度测量。采用多于三个用于路径长度测量的系统因此也可允许在多个空间区域中确定测量头202的位置，即使在所述多个空间区域中，相对于系统之一，测量头被遮蔽。
图13是测量头202的示意平面图。测量头202可用于图11的坐标测量装置201中并且与图12的测量设备211结合。
测量头202配置使得其具有三个回射平面，该三个回射平面分别相对于彼此成直角设置。为此目的，测量头202的彼此正交的侧面可分别设置有回射器221和222。在测量头202的与图13的图平面正交的侧面上形成另一回射器。回射器221形成为使得其将入射光束223以平行方式反射成为光束224。回射器222形成为使得其将入射光束225以平行方式反射成为光束224。
在实施例中，测量头202可设置在坐标测量装置201上，使得测量头202沿正交于测量头的形成有回射器的侧面的方向是可线性移动的。测量头202可因此用于坐标测量装置201中，坐标测量装置201沿测量头202的正交轴提供常规的线性动力装置。
设置在测量头上的回射器或多个设置在测量头上的回射器分别可以是可电性开关的，即它们可具有受电信号控制的反射特性。如将参考图16更详细描述的，这样的反射器允许反射光被调制，或允许以时间顺序方式确定测量头的不同区域与参考位置之间的不同距离。
图14示出具有可电性开关反射特性的反射器231。反射器231可设置在测量头202上。反射器231包括以三垂面反射器或角隅棱镜的形式布置的多个LCOS(硅上液晶)元件232、233。可使用具有向列液晶的LCOS元件或具有铁电液晶的LCOS元件。铁电LCOS元件可用于在位置确定时获得高的测量速率。LCOS元件232、233是可电性控制的反射器，其反射系数可由施加的电压控制。采用具有这样构造的反射器231，当光束234入射到反射器231上时，反射光束235的强度可以是可调的。反射器231例如允许反射光束235的强度被实时调制，或者允许根据回射器对于用于路径长度测量的系统是否可见而作选择性调节。
参考图15-21，将描述根据各种实施例的坐标测量装置和用于其的测量设备，其中为了测量测量头的多个区域与多个参考位置之间的多个距离，实现了不同的光束路径。在每一个坐标测量装置中，测量设备包括一个用于路径测量装置的系统或多个用于路径测量装置的系统。虽然在图15-21中有时未示出，用于路径长度测量的系统包括光源、光检测器以及估值装置，光源用于产生光脉冲序列，光检测器用于在该系列覆盖了用于路径长度测量的系统与测量头之间的距离之后记录光脉冲序列的强度，且估值装置用于对光检测器提供的测量信号估值。估值装置分别配置为确定测量信号的以重复频率或重复频率的倍数振荡的分量的相位角，从而确定被覆盖的路径长度。每一个用于路径长度测量的系统可例如包括如参考图1-11所述的测量设备。
图15是根据实施例的坐标测量装置241的示意图。坐标测量装置241包括机械手244。测量头242设置在机械手244的端部。针尖243设置在测量头上。例如，提供机械手244以移动测量头242，从而扫描物体249的表面。机器人控制可被配置，使得测量头242沿彼此正交的三个轴以平移方式移动而不旋转。
回射器分别形成在测量头242的壳体的彼此正交的三个侧面上，如参考图13所述。
示意性示出的用于路径长度测量的系统245沿系统245的参考位置与回射器之间的路径246确定光脉冲序列覆盖的路径长度，该回射器设置在测量头242的面对系统245的一侧上。示意性示出的用于路径长度测量的另一系统247沿另一系统247的参考位置与回射器之间的另一路径248确定光脉冲序列覆盖的路径长度，该回射器设置在测量头242的面对系统247的一侧上。用于路径长度测量的第三系统(未示出)确定第三参考位置与测量头之间的第三路径的长度。例如采用计算机，可根据三个路径长度以及用于路径长度测量的系统的光学元件的已知位置，确定测量头242的位置。
当针尖243接触物体249时，设置在测量头242上的传感器输出触发信号。响应于触发信号，具有系统245、247的测量设备确定测量头242的位置。以可以在几kHz范围内的测量速率准连续地确定位置也是可能的，其中当输出触发信号时，检测和存储当前位置。
图16是根据实施例的坐标测量装置261的示意图。坐标测量装置261包括机械手264。测量头262设置在机械手264的端部。针尖263设置在测量头上。提供机械手264以移动测量头262，例如扫描物体269的表面。机器人控制可配置使得测量头262沿彼此正交的三个轴移动而不旋转。
彼此间隔开的三个回射器271设置在测量头的外壳上的第一侧面上。每个回射器可形成为三垂面反射镜或角隅棱镜，如参考图13所述。
示意性示出的用于路径长度测量的系统265确定由系统265的参考位置与三个回射器271的相应一个之间的光脉冲序列覆盖的三个不同路径272的路径长度，三个回射器设置在测量头262的面对系统265的一侧上。可根据三个确定的路径长度以及三个回射器271彼此的已知相对位置，确定测量头262的位置。
为了允许三个确定的路径长度赋值到三个回射器271的相应一个，三个回射器271被编号使得它们可被系统265区分。例如在以下情况下可获得编码：采用机械或电性快门，以时间顺序方式暴露回射器271，使得在任何给定时刻，三个回射器271中只有相应的一个在反射。也可使用具有电性开关反射特性的回射器替代用于执行这样的时间顺序测量的快门，如参考图14所述。测量路径长度和距离则可分别赋值到相应暴露的回射器。
在实施例中，系统265可具有激光器光源，该光源具有输出光的三个不同波长。可选择性地仅对于一个波长设计每一个回射器271，例如通过采用适当的滤波器。则根据光的波长，测得的路径长度可赋值到三个回射器271中的一个。系统265可包括多个光检测器，该多个光检测器也设置有对应的滤色器以选择性记录具有一个波长的光。可适当地选择多个波长，使得它们可被良好地区分。在实施中，可采用内部的倍频激光器的第一波长的光和第二波长的光以及另一激光器，该另一激光器具有上述倍频激光器的波长之间约中间位置的波长。以此方式，各个波长之间可获得足够的距离，因此可简化滤波器的选择。
在另一实施例中，回射器271反射的光被调制。可执行调制使得例如不同回射器反射的光在不同频率被振幅调制。例如，第一反射器的反射特性可以2kHz被调制，第二反射器的反射特性可以5kHz被调制，且第三反射器的反射特性可以7kHz被调制。为此目的，对应的调制器可设置在反射器271之前，例如，该调制器以对应的调制频率工作，从而将振幅调制施加到反射光上。在估值装置中，对每个使用的振幅调制的频率，执行滤波以将接收的信号赋值到不同的反射器271。可替换地，回射器本身可具有电性可调的反射特性，其随不同频率而变化以获得反射光强度的调制。对于每个通过滤波被赋值的信号，随后可确定相位角或运行时间延迟。由于调制频率相对于重复频率(光脉冲信号以该重复频率产生)是小的，因此在反射器的振幅调制不会影响相位角的确定。
三个另外的回射器273设置在测量头262的壳体的另一侧面上。示意性示出的用于路径长度测量的另一系统266确定三个不同路径274的路径长度，该三个不同路径274的路径长度在系统266的参考位置与三个回射器273的相应一个之间由光脉冲序列覆盖，三个回射器273设置在测量头262的面对系统266的一侧上。三个另外的回射器273以及用于路径长度测量的另一系统266的构造对应于三个反射器272以及系统265的构造。通过采用测量头的另一侧上的三个另外的回射器，即使当系统265与回射器271之一之间的光束路径被遮断，也可通过系统267执行位置确定。
如参考图15所述，响应于坐标测量装置261中的触发信号，可确定测量头262的位置。
在另外的实施例中，一个光纤或多个光纤可用以引导光脉冲序列。光纤的一端在此情况下可被安装到一个点，该点在空间中的位置被确定。例如，光纤的一端可设置在坐标测量装置的测量头上。
图17是用于确定机械手284的位置的测量设备的示意图，该机械手284可用于坐标测量装置281中。机械手284具有例如可用作坐标测量装置281的测量头的端部282，且为此目的，该端部282可具有合适的传感器系统(未示出)。
测量设备包括光纤283，其例如可形成为玻璃或塑料纤维。光纤的一端安装到测量头282。光纤的另一端连接到用于路径长度测量的系统的光源280，该光源280在操作时产生具有重复频率的光脉冲序列并将该光脉冲序列耦合到光纤283中。安装到测量头282的光纤的端部如此配置或设置有光学构件，使得从测量头282在一角度范围内发射光脉冲序列。
测量设备包括具有三个检测器291-293的检测器阵列286，其例如可配置为光检测器。光检测器291-293记录机械手的头部的光纤的端部输出的光脉冲序列。估值装置(未示出)对光检测器291-293记录的测量信号估值从而确定测量信号的以重复频率或重复频率的倍数振荡的分量的相位角。估值装置可相对于多个参考信号确定相位角，参考信号例如可从光源280的输出信号产生。由此，从测量头282到光检测器291的路径294、从测量头282到光检测器292的路径295以及从测量头282到光检测器293的路径296之间的路径长度差可被确定。根据光检测器291-293相对于彼此的已知相对位置以及根据测量头282与多个光检测器之间的路径294-296的路径长度，可确定测量头282的位置。在此情况下，可考虑光纤283的长度和折射率。
测量设备包括具有另外三个检测器287的另一检测器阵列285，其例如可配置为光检测器。估值装置(未示出)对三个光检测器287记录的测量信号估值，从而例如确定测量头282与多个光检测器287之间的三个另外的路径长度288。根据测量头282的可见性，光检测器287和291、293的任意三个可用于确定测量头282的位置。在此过程中，也可能的是，例如检测器阵列286的两个光检测器的信号以及检测器阵列285的光检测器的信号被估值。因此，即使光束路径可能被物体阻挡，也可执行测量头282的位置确定。
如参考图15所述，响应于坐标测量装置281中的触发信号可确定测量头282的位置。
图18是根据实施例的坐标测量装置301的示意图。坐标测量装置301包括机械手304。测量头302设置在机械手304的端部。例如，提供机械手304以移动测量头302，从而扫描物体的表面。
测量设备包括三个光纤306-308。每个光纤306-308的一端316-318安装到测量头302上。各个光纤的另一端可连接到测量设备的光源305。可提供分立的多个光源，其分别产生具有重复频率的光脉冲序列，不同光源产生的光分别具有不同的波长和颜色。因此，不同波长的光可耦合到三个光纤306-308中，强度分别以重复频率调制。安装到测量头302上的光纤306-308的端部如此配置或设置有光学构件316-318使得从测量头302以一角度范围发射光脉冲序列。
测量设备包括检测器装置320，检测器装置320具有光检测器321和滤波器轮322。滤波器轮322具有滤色器326-328。滤波器轮322配置使得基于其位置，仅检测从三个光纤306-308中的给定的一个输出的光脉冲序列。例如，滤色器326可配置使得其传输具有被耦合入光纤306中的波长的光，并且不传输具有被耦合到光纤307和308的波长的光。滤色器327可配置使得其传输具有被耦合入光纤307中的波长的光，并且滤色器327不传输具有被耦合到光纤306和308的波长的光。滤色器328可配置使得其传输具有被耦合入光纤308中的波长的光，并且滤色器328不传输具有被耦合到光纤306和307的波长的光。
通过旋转滤波器轮322，可以时间顺序方式对从光纤306-308的不同的端部行进到光检测器321的多个信号估值，光纤306-308以间隔开的方式安装在测量头302上。
图19显示滤波器轮的不同位置。在图19A所示的滤波器轮的位置上，光检测器321记录从光纤306的端部出射并沿路径336传播到光检测器321的光脉冲序列。在图19B所示的滤波器轮的位置上，光检测器321记录从光纤307的端部出射并沿路径337传播到光检测器321的光脉冲序列。在图19C所示的滤波器轮的位置上，光检测器321记录从光纤308的端部出射并沿路径338传播到光检测器321的光脉冲序列。
估值装置(未示出)对以时间顺序方式记录的多个信号估值。基于以时间顺序方式记录的信号的分量的相位角，该分量以重复频率或重复频率的倍数振荡，例如可确定三个路径长度336、337和338。在此过程中，可考虑光纤的长度和光纤的折射率。
如参考图15所述，响应于坐标测量装置301中的触发信号，可确定测量头302的位置。
图20是根据实施例的坐标测量装置341的示意图。坐标测量装置341包括机械手344。测量头342设置在机械手344的端部。例如，提供机械手344以移动测量头342，从而扫描物体的表面。
用于确定测量头342的位置的测量设备具有三个光纤346、347和348。每个光纤的一端安装到测量头342上。三个接收器356、357和358的阵列设置在测量头上。安装在测量头342上的每个光纤346-348的端部连接到接收器356-358中的一个，接收器356-358将光耦合入相关的光纤346-348。光纤346-348的另一端连接到检测器345。检测器装置345可包括用于光纤346-348中的每一个的光检测器，其记录在各个光纤346-348中被引导到相关光检测器的光信号的强度。
测量设备包括位于固定位置的光源348，其配置为产生具有重复频率的光脉冲序列并将该光脉冲序列照射到空间区域中，在该空间区域中测量头的位置被确定。光源348例如可包括短脉冲激光器或具有适当的扩展光学部件的频率梳产生器。
测量设备包括连接到检测器装置345的估值装置346。估值装置346可例如配置为确定光检测器之一所记录的强度的以重复频率或重复频率的倍数振荡的分量以及参考信号的以相同频率振荡的分量。例如，参考信号可由光源348提供，或可由位于固定位置的另一光检测器记录。路径351、352、353的三个路径长度可例如根据三个确定的相位角确定。在此过程中，可考虑光纤346-348的长度以及光纤346-348的折射率。
如参考图15所述，响应于坐标测量装置341中的触发信号，可确定测量头342的位置。
图21是根据实施例的坐标测量装置371的示意图。就它们的结构或操作而言，对应于图20的坐标测量装置341的元件或装置的坐标测量装置371的元件或装置以相同的参考标号表示，附加参考了坐标测量装置341的描述。
坐标测量装置371的测量设备包括光纤复用器372。光纤346-348的未安装到测量头342的端部连接到光纤复用器372。光学纤维复用器372连接到估值装置375，且以循环方式驱动并且与通过估值装置记录测量值同步，从而控制光纤346-348引导的信号中的哪一个通过光纤复用器372输出到检测器373。检测器373可配置为记录光纤复用器372的作为时间的函数的输出信号的光检测器。检测器373将表示记录强度的测量信号输出到估值装置375。
在固定位置且在机械手344的基底上设置另一检测器374。另一光检测器用作测量的参考检测器。另一光检测器374与光源348之间的路径长度是不随时间变化的，这是因为两个装置是静止的。从由另一检测器374记录的强度可推导出参考相位。另一光检测器374的输出信号提供到估值装置375。估值装置375被配置为确定检测器373提供的测量信号分量与另一检测器374提供的参考信号的分量之间的相位角，各个分量分别以重复频率或重复频率的倍数振荡。行进通过从光源348到光纤346-348的端部的不同路径351-353的光脉冲序列的相位角可以时间顺序方式确定，通过转变光纤复用器372。路径351、352和353的三个路径长度可例如根据确定的相位角确定。在此过程中，可考虑光纤346-348的长度以及光纤346-348的折射率。例如通过三边测量，根据三个路径长度可确定测量头342的位置。
在图21的实施例的另一变型中，光纤复用器372可设置在测量头342中或其上，使得只有一个光纤线必须沿着机械手344被引导。在图21的实施例的另一变型中，完整的估值装置375可被集成到机械手342中或其上，光纤将参考信号作为光信号从机器人基底的静止点引导到参考接收器。
如参考图15所述，响应于坐标测量装置371中的触发信号，可确定测量头342的位置。
在根据各种实施例的坐标测量装置和用于坐标测量装置的测量设备中，采用光学测量技术可确定测量头的位置，因此不再需要根据坐标测量装置的运动来确定位置。
虽然坐标测量装置可包括测量设备，其同时对测量信号的两个分量估值，但是具有估值装置的测量设备可用于另外的实施例中，其中仅对测量信号的一个分量估值，该分量以重复频率或重复频率的倍数振荡。例如，可采用本申请人在同一天提交的德国专利申请DE102009024460.3(标题为“Auswerteeinrichtung，Messanordnung und Verfahren zur ”(估值装置、测量设备以及用于路径长度测量的方法)中具体描述的估值装置。
参考图17-21描述的方法和测量设备不仅可用于坐标测量装置的测量头，通常也可用于尤其是在两个或三个维度上确定物体的位置。因此，用于测量物体位置的测量设备可包括光纤、估值装置，光纤被配置为引导具有重复频率的光脉冲序列，且估值装置配置为在光脉冲序列通过参考位置与物体之间的路径长度之后对测量信号估值，测量信号表示光脉冲序列的光强度，估值装置确定测量信号的以重复频率振荡或重复频率的倍数振荡的分量的相位角。
已经详细描述了根据本发明的各种实施例的估值装置、测量设备和方法。在其他的实施例中可实现另外的变型。可采用光脉冲序列，以具有可见、紫外以及尤其也可是红外光谱区域内的波长的光，执行路径长度测量。在其他实施例中，可采用光谱范围之外的电磁脉冲序列取代光脉冲序列。
根据本发明的各种实施例的估值装置、测量设备和方法允许以高的空间分辨率尤其采用光学技术测量路径长度。路径长度测量例如可用于测量物体离参考位置的距离。通过结合多个这样的路径长度测量，物体的平面位置或空间位置可通过三边测量被确定，例如用于通过光学装置确定坐标测量装置中的测量头的位置。各种实施例通常可用于确定距离或位置，示范性的应用领域为工业设备中的(例如自动生产或传送设备中)测量应用。一种用于路径长度测量的估值装置(51)，配置为在电磁辐射脉冲序列覆盖了要测量的路径长度(12，13)之后对测量信号估值，该测量信号表示作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列尤其是光脉冲序列的强度。辐射源、尤其光源(2)以重复频率产生光脉冲序列。估值装置(51)配置为对测量信号(15)的第一分量(73)和测量信号(15)的第二分量(75)估值，该第一分量以第一频率振荡，且第二分量以大于第一频率的第二频率振荡。第一频率可对应于重复频率或重复频率的倍数。第二频率对应于重复频率的另一倍数。

Claims (26)

1.用于路径长度测量的估值装置，配置为在电磁辐射脉冲序列已覆盖了要测量的路径长度(12、13)之后对测量信号(15)估值，该测量信号(15)表示作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列的强度，该脉冲序列具有重复频率，
其中估值装置(6；51；111)配置为对该测量信号(15)的第一分量(32；73)和该测量信号(15)的第二分量(42；75)估值，该第一分量以第一频率振荡，且该第二分量以大于该第一频率的第二频率振荡，
所述估值装置包括：
估值逻辑装置(61-63)，配置为基于对与该测量信号(15)的第一分量(32；73)相关联的相位差和与该测量信号(15)的第二分量(42；75)相关联的相位差的估值，确定路径长度(12，13)的第一估算值，并基于对与该测量信号(15)的第二分量(42；75)相关联的该相位差的估值确定相比于该第一估算值被精确化的该路径长度(12，13)的估算值。
2.根据权利要求1所述的估值装置，其中，该测量信号(15)表示作为时间的函数的光脉冲序列的强度。
3.根据权利要求1所述的估值装置，
其中，该第一频率对应于该重复频率或该重复频率的倍数，
其中，该第二频率对应于该重复频率的另一倍数。
4.根据权利要求1所述的估值装置，
其中，该估值装置(6；51；111)配置为确定与该测量信号(15)的第一分量(32；73)相关联的第一相位差以及与该测量信号(15)的第二分量(42；75)相关联的第二相位差，从而确定路径长度(12，13)，
其中，该第一相位差是该测量信号(15)的第一分量(32；73)与以该第一频率振荡的第一参考信号之间的相位差，且其中，该第二相位差是该测量信号(15)的第二分量(42；75)与以该第二频率振荡的第二参考信号之间的相位差。
5.根据权利要求4所述的估值装置，
其中，该估值装置(6；51；111)配置为至少降频变换该测量信号(15)的第二分量(42；75)以确定该第二相位差。
6.根据权利要求5所述的估值装置，
其中，该估值装置(51；111)包括混频器(57；114；116)以通过降频变换该第二分量(42；75)而产生降频变换信号(78)，该降频变换信号以该第一频率振荡，
其中，该估值装置(111)包括至少两个混频器(114；116)以多级降频变换该第二分量(42；75)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的估值装置，
其中，该估值装置配置为降频变换该测量信号(15)的第一分量(32；73)和该测量信号(15)的第二分量(42；75)从而产生第一降频变换信号和第二降频变换信号，其分别以小于该重复频率的频率振荡。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的估值装置，包括
用于处理该测量信号(15)的第一分量(32；73)的第一信号处理路径(53，54)以及用于处理该测量信号(15)的第二分量(42；75)的第二信号处理路径(55，57，59；55，59，114-116)。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的估值装置，
其中，所述估值装置(6；51；11)被配置为以2·π·p/n的分辨率测量与测量信号的第一分量(32；73)相关的第一相位差，使得该路径长度(12，13)的第一估算值以一不准确度接近该路径长度(12，13)，该不准确度小于光速与该第二频率的商值，其中所述第一频率等于所述重复频率的p倍且所述第二频率等于所述重复频率的n倍，p和n为整数。
10.用于路径长度测量的测量设备，包括
检测器(4)，配置为在电磁辐射脉冲序列已覆盖了要测量的路径长度(12、13)之后，记录作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列的强度，该脉冲序列具有重复频率，该检测器(4)配置为提供表示所记录强度的测量信号(15)，以及
根据权利要求1-6的任一项所述的估值装置，该估值装置连接到该检测器(4)以对该检测器(4)提供的该测量信号(15)估值。
11.根据权利要求10所述的测量设备，其中，该检测器(4)配置为记录作为时间的函数的光脉冲序列的强度。
12.根据权利要求10所述的测量设备，包括
光源(2)，用于产生该脉冲序列，
其中，该光源(2)包括频率梳产生器以产生光频率梳。
13.路径长度测量方法，其中在电磁辐射脉冲序列覆盖了要测量的路径长度(12，13)之后，记录和估值测量信号(15)，该测量信号表示作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列的强度，该脉冲序列具有重复频率，
其中，对该测量信号(15)的第一分量(32；73)和该测量信号(15)的第二分量(42；75)估值以测量该路径长度，该第一分量以第一频率振荡，且该第二分量以大于第一频率的第二频率振荡，
其中，对与该测量信号(15)的第一分量(32；73)相关联的相位差和与该测量信号(15)的第二分量(42；75)相关联的相位差两者估值以确定路径长度(12，13)的第一估算值，且对与该测量信号(15)的第二分量(42；75)相关联的该相位差估值以确定该路径长度(12，13)的相比于该第一估算值被精确化的估算值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该测量信号表示作为时间的函数的光脉冲序列的强度。
15.根据权利要求13所述的方法，
其中，该第一频率对应于该重复频率或该重复频率的倍数，且该第二频率对应于该重复频率的另一倍数。
16.根据权利要求13或15所述的方法，
其中，通过降频变换该测量信号(15)的第一分量(32；73)产生第一降频变换信号，通过降频变换该测量信号(15)的第二分量(42；75)产生第二降频变换信号，其中该第一降频变换信号和该第二降频变换信号以小于该重复频率的频率振荡。
17.根据权利要求13或15所述的方法，
其中，同时对该测量信号(15)的该第一分量(32；73)和该测量信号(15)的该第二分量(42；75)估值。
18.用于确定坐标测量装置(201；241；261；281；301；341；371)的测量头(202；242；262；282；302；342)的位置的测量设备，包括：
估值装置，配置为在电磁辐射的振幅调制信号已行进通过参考位置与该测量头(202；242；262；282；302；342)之间的路径(208；214；294；336；351)之后对测量信号估值，该测量信号表示作为时间的函数的该电磁辐射的振幅调制信号的强度，该电磁辐射的振幅调制信号具有重复频率；以及
光纤(283；306-308；346-348)，其一端可安装到该测量头(282；302；342)，
其中，该估值装置配置为确定该测量信号的以该重复频率或该重复频率的倍数振荡的分量的相位角，从而确定该测量头(202；242；262；282；302；342)的至少一个坐标。
19.根据权利要求18所述的测量设备，其中，该测量信号表示作为时间的函数的具有重复频率的光脉冲序列的振幅调制信号的强度。
20.根据权利要求18所述的测量设备，
其中，该估值装置配置为响应于触发信号而对该测量信号估值，从而确定或存储该测量头(202；242；262；282；302；342)的位置，
其中，该测量设备包括传感器(203；243；263)，以产生该触发信号。
21.根据权利要求20所述的测量设备，其中，该测量设备包括光学或触觉传感器(203；243；263)，以产生该触发信号。
22.根据权利要求18所述的测量设备，包括
检测器装置(285，286；320；345；373)，用于在电磁辐射的信号已行进通过该参考位置与该测量头(202；242；262；282；302；342)之间的路径(208；214；294；336；351)之后，记录该电磁辐射的信号的强度并提供该测量信号，其中该光纤(306-308；346-348)的另一端连接到该检测器装置(305；345；373)。
23.根据权利要求18所述的测量设备，包括
用以产生光脉冲序列的光源(280；348)，其中该光纤(283)的另一端连接到该光源(280)。
24.根据权利要求18所述的测量设备，包括用以产生光脉冲序列的短脉冲激光器，其中该光纤(283)的另一端连接到光源(280)。
25.根据权利要求18所述的测量设备，
其中，该测量设备配置为测量一个或多个参考位置与该测量头(202；242；262；282；302；342)的一个或多个区域之间的至少三个距离，并且根据该至少三个距离，确定该坐标测量装置(201；241；261；281；301；341；371)的该测量头(202；242；262；282；302；342)的位置。
26.根据权利要求18所述的测量设备，
其中，该估值装置配置为根据权利要求1-6中任一项所述的估值装置。
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