DE102004037137B4

DE102004037137B4 - Method and device for distance measurement

Info

Publication number: DE102004037137B4
Application number: DE102004037137.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lange Robert; Martin Albrecht; Dr. Buxbaum Bernd; 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: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-31
Also published as: DE102004037137A1

Abstract

Verfahren zur Entfernungsmessung, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die Intensität der von dem Objekt gestreuten und/oder reflektierten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit-sensitiv detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres optisches Verfahren zur Entfernungsmessung angewandt wird, wobei es sich bei dem weiteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung um ein Triangulationsverfahren handelt, wobei der mindestens eine Detektor eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen aufweist, die als Photomischdetektoren ausgestaltet sind, und die TOF-Elemente jeweils mit einem elektrischen Referenzsignal versorgt werden, das mit der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung korreliert ist, wobei jeweils die auf das TOF-Element fallende intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit dem Referenzsignal gemischt wird und wobei die Laufzeitdifferenz zwischen dem Referenzsignal und der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird.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 wherein the further optical distance measuring method is a triangulation method, wherein the at least one detector comprises a two-dimensional array of TOF elements configured as photonic mixer detectors and each of the TOF elements is supplied with an electrical reference signal is correlated with the intensity modulation of the electromagnetic radiation, wherein in each case falling on the TOF element intensity-modulated electromagnetic radiation is mixed with the reference signal and wherein the transit time difference between the reference nzsignal and the intensity-modulated electromagnetic radiation is detected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernugsmessung, 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 present invention relates to a method for distance measurement, in which an object is illuminated with intensity-modulated electromagnetic radiation, and the intensity of the radiation reflected and / or scattered by the object is detected with at least one detector in a time-sensitive or phase-sensitive manner. Moreover, the invention relates to a device for carrying out the method described above.

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.From the prior art, an optical method for distance or distance measurement is known in which the distance of an object from a reference point on the basis of the duration of an intensity-modulated optical signal is determined by an object to a detector. This measuring method is also referred to as time-of-flight (TOF) measurement or transit time measurement.

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 the WO 02/49339 A2 known.

Aus der US 2004 01 35 992 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Messen eines Parameters eines Ziels bekannt, welche ein Übertragen zumindest eines Signals in Richtung auf das Ziel und ein Empfangen zumindest eines Teils des von dem Ziel zurückgeworfenen Signals umfassen.From the US 2004 01 35 992 A1 For example, there are known a system and method for measuring a parameter of a target comprising transmitting at least one signal towards the target and receiving at least a portion of the signal reflected from the target.

In der US 2003 01 25 855 A1 wird eine Einrichtung zum Überwachen der Umgebung eines Fahrzeugs beschrieben, welche zumindest eine aktive Pixelkamera zur Aufnahme von Bildern der Umgebung des Fahrzeugs und einen mit der aktiven Pixelkamera gekoppelten Prozessor zum Bestimmen zumindest eines Merkmals eines Objekts in der Umgebung aufweist, basierend auf den mittels der aktiven Pixelkamera aufgenommenen Bildern.In the US 2003 01 25 855 A1 A device for monitoring the surroundings of a vehicle is described, which has at least one active pixel camera for capturing images of the surroundings of the vehicle and a processor coupled to the active pixel camera for determining at least one feature of an object in the environment, based on the means of the active Pixel camera taken pictures.

Die DD 1 41 440 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von optischen Weglängen und Bruchzahlen, wobei sie die Möglichkeit einer Präzisionslängenmessung in mittleren Längenbereichen auf der Basis von Meßgeräten beinhalten, bei denen eine Modulationsmeßanordnung mit einem Interferometer kombiniert wird.The DD 1 41 440 A1 describes a method and arrangement for determining optical path lengths and fractions, including the possibility of precision length measurement in mid-length ranges based on gauges in which a modulation measuring arrangement is combined with an interferometer.

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.If the optical signal used for the measurement is pulsed, then the measurement can be carried out in the manner of a stop clock, while with periodically modulated signals, the propagation time measurement is performed 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 typischerweise 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.Since the modulation of the intensity of the electromagnetic radiation or the amplitude of the electrical reference signal is typically periodic, for example a sine or square wave signal or else a periodic sequence of pulses, the TOF measurement with the aid of a TOF detector is usually ambiguous connected. This is due to the fact that due to the periodicity of the signal, the uniqueness of the measurement is limited to a distance which corresponds to the time duration of a period of the signal. If a TOF measurement is to be carried out which has an increased uniqueness range, it is possible, for example, to carry out further measurements with different modulation frequencies or a quasi-periodic signal (pseudo-noise modulation, quasi-noise modulation) can be used. However, such an extended uniqueness range can only be achieved with considerable additional technical 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.Furthermore, it proves to be disadvantageous that TOF detectors generate an erroneous distance signal as soon as they are illuminated simultaneously with radiation which is reflected by two objects located at different distances from the detector. Such a situation occurs in typical collinear TOF arrangements in which the beam produced by the source is reflected back into itself by the object. If a transparent material, for example a glass pane in the beam path, is located in front of a solid, the surface reflections of the glass pane and the reflection from the surface of the solid body coincide with the same TOF detector element. Even when an object enters the beam path, such simultaneous incidence of two signals with different lengths of propagation time occurs on the TOF detector element and subsequently on the output of 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.Against the background of the prior art described above, the object of the present invention is to provide an optical measuring method which avoids the aforementioned disadvantages, allows an extended uniqueness range of the measurement and an increased accuracy. Moreover, it is an object of the present invention to provide a device which enables the implementation 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, wobei es sich bei dem weiteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung um ein Triangulationsverfahren handelt, wobei der mindestens eine Detektor eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen aufweist, die als Photomischdetektoren ausgestaltet sind, und die TOF-Elemente jeweils mit einem elektrischen Referenzsignal versorgt werden, das mit der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung korreliert ist, wobei jeweils die auf das TOF-Element fallende intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit dem Referenzsignal gemischt wird und wobei die Laufzeitdifferenz zwischen dem Referenzsignal und der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird. This object is achieved in that a method for distance measurement is provided in which an object is illuminated with intensity-modulated electromagnetic radiation and the intensity of the reflected and / or scattered by the object radiation with at least one detector is detected run-time or phase-sensitive, wherein at least another optical distance measuring method is used, the further optical distance measuring method being a triangulation method, the at least one detector comprising a two-dimensional array of TOF elements configured as photonic mixer detectors, and the TOF elements, respectively be supplied with an electrical reference signal, which is correlated with the intensity modulation of the electromagnetic radiation, in each case the falling on the TOF element intensity-modulated electromagnetic radiation is mixed with the reference signal u nd wherein the transit time difference between the reference signal and the intensity-modulated electromagnetic radiation is detected.

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 time-of-flight method with stereo triangulation method and interferometric method.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der mindestens eine Detektor sowohl für die Laufzeit- bzw. phasen-sensitive Detektion der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung als auch für das weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung verwendet wird.It is expedient if the at least one detector is used both for the transit time or phase-sensitive detection of the intensity-modulated electromagnetic radiation and for the further optical method for distance measurement.

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.Particularly preferred is an embodiment of the invention in which the at least one detector has at least one TOF element and the TOF element is supplied with an electrical reference signal correlated to the intensity modulation of the electromagnetic radiation, which is applied to each of the TOF elements falling intensity-modulated electromagnetic radiation is mixed with the reference signal and wherein the phase shift between the reference signal and the intensity-modulated electromagnetic radiation is detected. Hereinafter, a single sensor element of a detector is referred to as the TOF element.

Ein Detektor, mit dem ein solches Verfahren ausgeführt wird, ist beispielsweise aus der DE 198 21 974 A1 bekannt. A detector with which such a method is carried out, for example, from DE 198 21 974 A1 known.

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.Particularly preferred is an embodiment of the present invention in which the electromagnetic radiation is in the infrared, visible or UV frequency range. In this frequency range can be used on known from the prior art technologies for producing corresponding TOF detectors.

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.It is expedient here if the modulation frequency of the electromagnetic radiation is in the range between 1 kHz and 500 GHz, preferably between 100 kHz and 100 MHz. The modulation frequency must be adapted to the distance range for which the measuring method is to be used. It is advantageous if the modulation frequency of 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.An embodiment of the invention is preferred in which the electromagnetic radiation reflected and / or scattered by the object is focused onto the detector with an imaging element.

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 increase the uniqueness range of the time-of-flight measurement, an embodiment of the invention is preferred in which the at least one further method for distance measurement is a triangulation method. For carrying out the method, the source of the electromagnetic radiation and the at least one detector must have a known distance from one another, which is preferably variable.

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 simplest case, in the triangulation method, the object is illuminated with a punctiform intensity-modulated electromagnetic beam. The beam reflected from the object then strikes the detector at a distance from the source, the distance between the source and the point of impact of the electromagnetic radiation depending on the distance of the object from the source or a reference plane. The distance between object and reference plane is a unique function of the point of impact of the reflected radiation. In the simplest case, the point of impact can be determined by shifting a single detector with only one pixel or TOF element 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 werden. In Abhängigkeit vom Abstand des Objekts von der Bezugsebene bzw. der Quelle der elektromagnetischen Strahlung füllt die vom Objekt gestreute bzw. reflektierte elektromagnetische Strahlung auf unterschiedliche TOF-Elemente bzw. Bildpunkte des zeilenförmigen Detektors. In Abhängigkeit davon, welcher der TOF-Element die gestreute Strahlung erfaßt, läßt sich mit Hilfe der Triangulationsberechnung der Abstand des Objekts von der Referenzebene berechnen.However, an embodiment of the invention is particularly preferred in which the at least one detector comprises a row of at least two photonic mixer devices arranged next to one another having. Such a line-shaped detector can be used with a fixed distance to the source of the electromagnetic radiation, this distance is also called a triangulation base. Depending on the distance of the object from the reference plane or the source of the electromagnetic radiation, the electromagnetic radiation scattered or reflected by the object fills different TOF elements or pixels of the line-shaped detector. Depending on which of the TOF element detects the scattered radiation, the distance of the object from the reference plane can be calculated with the help of the triangulation calculation.

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

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.In each case two TOF elements can be combined to form a pixel. The two TOF elements combined into a pixel are preferably arranged in two superimposed lines, which reduces the measurement error, since both TOF elements are arranged at the same position in the line. The two combined TOF elements are supplied with two reference signals, which have a relative phase shift of 90 ° to each other, so that with a single measurement, the two quadrature components and thus the phase of the incident electromagnetic radiation is detected.

Alternativ zu der zeilenörmigen 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).As an alternative to the line-shaped arrangement of the TOF elements in the detector, a two-dimensional arrangement of TOF elements can also be used so that the entire image of the object can be detected with a detector. When using, for example, a line illumination, the distance of the object from the position of the image 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 of the invention, the at least one further optical distance measuring method is a stereo triangulation method. In such a method, at least two detectors are arranged side by side, wherein the at least two detectors each have a one- or two-dimensional arrangement of TOF elements. The two detectors are offset from each other so that they observe the illuminated by the intensity modulated electromagnetic radiation object under two angles. The distance (base distance) between the two detectors is known. From the position of the two images generated on the detectors to each other and the known base distance of the two detectors, the distance of the object from the reference plane or the reference point can be determined uniquely.

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, während 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 provides additional range information in addition to the two-fold range information from the TOF measurements of the two TOF detectors. Depending on the system design, this redundancy can be used to expand the uniqueness range of the TOF measurement and also to increase the accuracy. In addition, a massive expansion of the dynamic range can be achieved. The combination of the time-of-flight measurement with the aid of the TOF detectors with the triangulation method described above provides, as it were, two scales for distance measurement. In this case, for example, the distance of the object from the reference plane is roughly determined by means of the triangulation method, while a fine determination is carried out with the aid of the simultaneously executed time-of-flight method. Thus, the uniqueness range of the time-of-flight measurement is increased by the application of the second method.

Alternativ kann die Triangulation für eine genauere Auflösung im Nahbereich und das TOF-Verfahren für größere Entfernungen genutzt werden.Alternatively, triangulation can be used for more accurate near-field resolution and TOF for longer distances.

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.Another advantage of all described combinations of the TOF method with triangulation method is that the radiation reflected at objects at different distances from the detector strikes the detector at different angles, so that in principle never a TOF element simultaneously with the reflected radiation of different distances from the Detector of distant objects is illuminated. In this way it does not come to the output of erroneous distance information. For example, successively arranged transparent and non-transparent objects are detected separately.

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

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, one uses the wave property of electromagnetic radiation for relative or absolute distance measurement. Two coherent electromagnetic waves are spatially superimposed on a detector. Due to the spatial superposition and the coherence of the light, interference phenomena occur between the two waves. Depending on its phase difference, the integral intensity on the detector changes. The phase difference of the two electromagnetic waves depends on theirs Duration difference or their path length difference from. If the transit time difference corresponds exactly to half the wavelength of the electromagnetic radiation or an odd integer multiple thereof, then the two electromagnetic waves destructively interfere with each other. The intensity of the measured radiation is then minimal. On the other hand, if the two waves overlap constructively, ie with a transit time difference corresponding to an entire wavelength or an integral multiple thereof, then the intensity is maximal. Depending on the transit time difference, all intensity values between the minimum for destructive interference and the maximum for constructive interference can be achieved. From the intensity can thus be calculated back to the transit time difference between the two electromagnetic waves.

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.Such an interferometric method can be combined with the time-of-flight method by additionally directing a reference optical beam path from the source directly to the detector so that there is interference on the detector between the electromagnetic wave that has passed the reference beam path and the electromagnetic wave which has passed over the object in the measuring beam path takes 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.An embodiment of the invention is preferred in which the length of the reference beam path is varied. This can be achieved, for example, by moving a mirror in the 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 Nanometer 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.Due to the short wavelengths of electromagnetic radiation in the optical or infrared frequency range, small interferences and changes in the order of magnitude of a few nanometers can already be measured with the interferometric method. While the uniqueness range of the time-of-flight measurement is limited by the periodicity of the intensity modulation of the electromagnetic radiation, the uniqueness range of the interferometric measurement is dependent on the wavelength or frequency of the monochromatic electromagnetic radiation used. 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.In order to increase the uniqueness range of the interferometric measuring method in a preferred embodiment of the invention, an intensity-modulated electromagnetic radiation with a white, d. H. broadband spectrum used. Such white electromagnetic radiation is characterized by its low coherence length. Ie. Only with substantially matched in their length beam paths of the reference or measuring beam interference can be observed at all. The visibility of the interference pattern varies greatly within the coherence length, so that a significantly improved uniqueness range is achieved. In this case, a first estimate for the magnitude of the distance of the object from the reference plane can already be made from the adaptation of the reference beam path to the length of the Meßstrahlpfads.

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.The combination of the time-of-flight method with interferometric methods makes it possible to determine the distance of the object from a reference plane with a significantly higher accuracy than would be possible with the time-of-flight measurement alone. The TOF measurement also makes it possible to supplement the relative interferometric measurement to an absolute measurement.

Es versteht sich, daß das Time-of-Flight-Verfahren nicht nur mit einem der genannten werteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung kombiniert werden kann, sondern auch mit mehreren dieser Verfahren gleichzeitig.It will be understood that the time-of-flight method can be combined not only with one of the above mentioned optical distance measuring methods but also with several of these methods simultaneously.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugeörigen Figuren.Further features, advantages and possible applications of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and the dazugeörigen 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 top 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 top view 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 x = b· h·tanα – y / h + tanα·y, 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 x = b · h · tan α - y / h + tan α · y, 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, the detectors may also include pixels constructed of non-phase sensitive or TOF elements.

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 wenden 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 as well 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 contact with the Reference signal biased, 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, 233 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 generated by means of two imaging elements 207 . 233 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 emittierte Strahl 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, 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 detected. 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 For example, a short coherence length light source (eg, a white light source) can also be 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.

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 wherein the further optical distance measuring method is a triangulation method, wherein the at least one detector comprises a two-dimensional array of TOF elements configured as photonic mixer detectors and each of the TOF elements is supplied with an electrical reference signal is correlated with the intensity modulation of the electromagnetic radiation, wherein in each case falling on the TOF element intensity-modulated electromagnetic radiation is mixed with the reference signal and wherein the transit time difference between the reference nzsignal and the intensity-modulated electromagnetic radiation is detected.

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

A distance measuring method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the frequency of the intensity modulation is 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 3, characterized in that in each case two TOF elements of the detector form a pixel, wherein the reference signals of the two TOF elements of a pixel are phase-shifted by 90 ° to each other and wherein the quadrature components of the electromagnetic radiation simultaneously one of the photonic mixer detectors.

Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the electromagnetic radiation reflected and / or scattered by the object is focused onto the detector with an imaging element.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the at least one detector is used for the time-sensitive detection of the intensity-modulated electromagnetic radiation and for the at least one further optical method for distance measurement.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the source of the electromagnetic radiation and the at least one detector have a known distance from each other.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the distance between the source of the electromagnetic radiation and the at least one detector is variable.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the distance of the object from a reference point is determined from the position and / or the size of the pixels of the object on the at least one detector.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the at least one further method for distance measurement is a stereo triangulation method.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that exactly two detectors are provided.

Method according to claim 11, characterized in that the base distance between the two detectors is known.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 12, characterized in that an interferometric method is provided as a further optical method for measuring the distance.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the intensity-modulated electromagnetic radiation is monochromatic.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the intensity-modulated electromagnetic radiation is broadband.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 15, characterized in that a part of the electromagnetic radiation, preferably not modulated, is directed onto the at least one detector via a reference beam path .

A distance measuring method according to any one of claims 1 to 16, characterized characterized in that the length of the reference beam path is varied.

Method for distance measurement according to one of Claims 1 to 17, characterized in that, to change the length of the reference beam path, at least one mirror is displaced in the reference beam path .

Device for distance measurement with a source for intensity-modulated electromagnetic radiation and with at least one transit time-sensitive detector for the intensity-modulated electromagnetic radiation, characterized in that means are provided for carrying out at least one further optical method for distance measurement, triangulation method, wherein the at least one detector two-dimensional arrangement of TOF elements, which are designed as photonic mixer detectors.

Distance measuring device according to Claim 19, characterized in that exactly two detectors with a multi-dimensional array of TOF elements are provided.

Device for measuring distance according to one of Claims 19 or 20, characterized in that the at least one detector has at least one TOF element and at least one non-transit-time-sensitive element.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 21, characterized in that the radiation source is a source of intensity-modulated electromagnetic radiation in the visible, infrared or UV frequency range.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 22, 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 are phase-shifted by 90 ° relative to one another and wherein the quadrature components of the electromagnetic Radiation can be detected simultaneously by one of the photonic mixer detectors.

Device for measuring distance according to one of Claims 19 to 23, characterized in that the electromagnetic radiation reflected and / or scattered by the object can be focused onto the detector with an imaging element.

Device for measuring distance according to one of Claims 19 to 24, characterized in that the at least one detector can be used for the transit time-sensitive detection of the intensity-modulated electromagnetic radiation and for the at least one further optical method for distance measurement.

Device for measuring distance according to one of Claims 19 to 25, 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.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 26, characterized in that the source of the electromagnetic radiation and the at least one detector are at a known distance from each other.

Distance measuring device according to one of claims 19 to 27, characterized in that the distance between the source of the electromagnetic radiation and the at least one detector is variable.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 28, characterized in that the at least one further distance measuring method is a stereo triangulation method.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 29, characterized in that the base distance between the two detectors is known.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 30, characterized in that an interferometer is provided as the device for carrying out a further optical distance measuring method.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 31, characterized in that the radiation source is a source of monochromatic intensity-modulated electromagnetic radiation.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 32, characterized in that the radiation source is a source of broadband intensity-modulated electromagnetic radiation.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 33, characterized in that it comprises a beam splitter which splits the radiation generated by the source into a reference beam path and a measuring beam path.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 34, characterized in that the length of the reference beam path is adjustable.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 35, characterized in that at least one mirror in the reference beam path is displaceable in order to change the length of the reference beam path .

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 36, characterized in that it has a second beam splitter on which the radiation from the reference beam path and the measuring beam path are spatially superimposed.

Distance measuring device according to one of Claims 19 to 37, characterized in that it is provided for carrying out the method according to one of Claims 1 to 18.