DE102009024464A1

DE102009024464A1 - Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglängenmessung sowie Messanordnung und Verfahren für ein Koordinatenmessgerät und Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102009024464A1
Application number: DE102009024464A
Authority: DE
Inventors: Bernd Spruck; Frank Dr. Höller; Christina Dr. Alvarez Diez
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: US20120086933A1; CN102803989A; WO2010142757A1; US8780331B2; DE102009024464B4; EP2440952A1; CN102803989B

Abstract

Eine Auswerteeinrichtung (51) für eine Weglängenmessung ist eingerichtet, um ein Messsignal (15) auszuwerten, das eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge (12, 13) als Funktion der Zeit repräsentiert. Die Folge von Pulsen wird von einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Lichtquelle (2), mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Auswerteeinrichtung (51) ist eingerichtet, um eine erste Komponente (73) des Messsignals (15), die mit einer ersten Frequenz oszilliert, und eine zweite Komponente (75) des Messsignals (15), die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, die größer als die erste Frequenz ist, auszuwerten. Die erste Frequenz kann der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entsprechen. Die zweite Frequenz kann einem weiteren Vielfachen der Repetitionsrate entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinrichtung, eine Messanordnung und ein Verfahren zur Weglängenmessung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Auswerteeinrichtung, eine Messanordnung und ein Verfahren zur Weglängenmessung unter Verwendung optischer Messverfahren. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Messanordnung für ein Koordinatenmessgerät; ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren für ein Koordinatenmessgerät, bei der bzw. bei dem die Position eines Messkopfes unter Verwendung optischer Messverfahren ermittelt wird.
Die Messung von Entfernungen hat zahlreiche Anwendungsgebiete, beispielsweise bei der Steuerung oder Regelung von verschiedenen Maschinen und Geräten in der Industrie, Medizin oder Unterhaltungsbranche. Messungen von Entfernungen eines Objekts relativ zu mehreren Referenzpositionen oder von mehreren Punkten eines Objekts zu einer Referenzposition erlauben die Bestimmung der Position eines Objekts in einem zwei- oder dreidimensionalen Raum, die beispielsweise in der Fertigungstechnik oder Qualitätskontrolle zahlreiche Anwendungen findet.
Koordinatenmessgeräte sind ein beispielhaftes Anwendungsgebiet, in dem eine Positionsbestimmung in einem dreidimensionalen Raum mit einer möglichst hohen Genauigkeit wünschenswert ist. Koordinatenmessgeräte weisen typischerweise einen Messkopf auf, der beispielsweise mit einem Taststift oder mit anderer Sensorik ausgestattet sein kann. Zur Bestimmung von Positionen an einer Objektoberfläche wird die Position des Messkopfes und, falls der Taststift beweglich an dem Messkopf gelagert ist, die Position des Taststiftes relativ zum Messkopf bestimmt. Herkömmlich sind zur Bestimmung der Position des Messkopfes Linearmaflstäbe in dem Koordinatenmessgerät vorgesehen, die die Position des Messkopfes indirekt über Verfahrwege der einzelnen Achsen rückmelden. Dies erfordert jedoch einen soliden mechanischen Aufbau, um die Verfälschung von Messergebnissen durch eine vorhandene Lose oder durch mechanische Verformungen zu vermeiden.
Entfernungen können durch die Messung einer von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Licht, zurückgelegten Weglänge bestimmt werden. Dazu durchläuft die elektromagnetische Strahlung einen Weg zwischen einer Referenzposition und dem Objekt einmal oder mehrfach, so dass aus der von der Strahlung zurückgelegten Weglänge die Entfernung ableitbar ist.
Die Realisierung von Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Entfernungen oder Objektpositionen in Räumen von einigen Metern Länge mit einer Genauigkeit im Bereich einiger Mikrometer oder einiger zehn Mikrometer bestimmt werden, stellt eine technische Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere, wenn Positionen mit einer hohen Messrate bestimmt werden sollen.
Laserweglängenmessgeräte erlauben die Bestimmung eines Abstands eines Objekts. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von optischen Frequenzkämmen beschrieben. Bei diesem Messverfahren wird die Phasenlage einer Signalkomponente der Intensität des Laserstrahl-Frequenzkamms ausgewertet, um eine von dem Laserstrahl zurückgelegte Weglänge zu ermitteln. Die Signalkomponente wird derart gewählt, dass sie mit einer Frequenz oszilliert, die einem typischerweise großen Vielfachen der Repetitionsrate des Laserstrahls entspricht. Die Messung einer Phasendifferenz für eine derartige Signalkomponente erlaubt die Positionsbestimmung in einem so genannten Eindeutigkeitsbereich, der gleich der Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die Frequenz der Signalkomponente ist. Um eine Abschätzung für die Weglänge zu erhalten, die diese bereits bis auf den Eindeutigkeitsbereich annähert, wird beispielsweise in der DE 10 2008 045 386.2 der Anmelderin vorgeschlagen, sequentiell unterschiedliche Signalkomponenten von erfassten Messsignalen auszuwerten, die mit unterschiedlichen Frequenzen oszillieren. Hierfür wird jedoch zusätzliche Mess- und Auswertezeit benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Auswerteeinrichtung, eine verbesserte Messanordnung und verbessertes Verfahren zur Weglängenmessung anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Auswerteeinrichtung, eine Messanordnung und ein Verfahren anzugeben, die bzw. das eine schnelle Positionsbestimmung mit guter Ortsauflösung erlaubt.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, derartige Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, die eine Positionsbestimmung in einem Koordinatenmessgerät erlauben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Auswerteeinrichtung, Messanordnungen, Verfahren und ein Koordinatenmessgerät, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Erfindungsgemäß wird die weitere Aufgabe insbesondere gelöst durch eine Messanordnung, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 27, 41 und 44 angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Nach einem Aspekt wird eine Auswerteeinrichtung für eine Weglängenmessung angegeben, die zum Auswerten eines Messsignals, das eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge als Funktion der Zeit repräsentiert, eingerichtet ist. Die Folge von Pulsen weist eine Repetitionsrate auf. Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, um eine erste Komponente des Messsignals, die mit einer ersten Frequenz oszilliert, und eine zweite Komponente des Messsignals, die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, welche größer als die erste Frequenz ist, auszuwerten.
Als mit einer Frequenz oszillierende Komponente des Messsignals wird hierbei eine spektrale Komponente des Messsignals, d. h. der erfassten Lichtintensität als Funktion der Zeit, bezeichnet. Beispielsweise kann die mit der Frequenz oszillierende Komponente die mit der entsprechenden Frequenz oszillierende Komponente in einer Fourier-Darstellung des Messsignals sein.
Da die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, um die erste Komponente und die zweite Komponente, die mit unterschiedlichen Frequenzen oszillieren, auszuwerten, kann durch Auswertung der verschiedenen Komponenten des Messsignals sowohl eine Grob- als auch eine verbesserte Feinabschätzung für die Weglänge ermittelt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann so eingerichtet sein, dass die erste Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Die Auswerteeinrichtung kann so eingerichtet sein, die zweite Frequenz einem weiteren Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Das Messsignal, das die Intensität der Folge von Pul sen, insbesondere Lichtpulsen, repräsentiert, weist derartige Spektralkomponenten auf, die für die Weglängenmessung ausgewertet werden können.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um zum Ermitteln der Weglänge eine der ersten Komponente des Messsignals zugeordnete erste Phasendifferenz und eine der zweiten Komponente des Messsignals zugeordnete zweite Phasendifferenz zu ermitteln. Die erste und zweite Phasendifferenz sind abhängig von der von der Folge von Pulsen durchlaufenen Weglänge relativ zu einer Referenzposition und erlauben die Bestimmung der Weglänge.
Die Auswerteeinrichtung kann so eingerichtet sein, dass die erste Phasendifferenz eine Phasendifferenz zwischen der ersten Komponente des Messsignals und einem mit der ersten Frequenz oszillierenden ersten Referenzsignal ist, und dass die zweite Phasendifferenz eine Phasendifferenz zwischen der zweiten Komponente des Messsignals und einem mit der zweiten Frequenz oszillierenden zweiten Referenzsignal ist. Die Referenzsignale können beispielsweise aus einer erfassten Intensität eines Referenzstrahls ermittelt werden. Die Phasendifferenzen spiegeln die Weglängenunterschiede zwischen der von der Folge von Lichtpulsen durchlaufenen Weglänge und der von dem Referenzstrahl durchlaufenen Weglänge wieder.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um wenigstens die zweite Komponente des Messsignals zum Ermitteln der zweiten Phasendifferenz abwärts zu mischen. Die Auswerteeinrichtung kann einen Mischer umfassen, um durch Abwärtsmischen der zweiten Komponente ein abwärts gemischtes Signal zu erzeugen, das mit der ersten Frequenz oszilliert. Die Auswerteeinrichtung kann wenigstens zwei Mischer umfassen, um die zweite Komponente in mehreren Stufen abwärts zu mischen. Durch das Abwärtsmischen kann die Ermittlung der Phasendifferenz erleichtert bzw. die Phasenauflösung erhöht werden, beispielsweise falls die Phasendifferenz basierend auf einem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der zweiten Komponente und des zweiten Referenzsignals ermittelt wird.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die erste Komponente des Messsignals und die zweite Komponente des Messsignals abwärts zu mischen, um ein erstes abwärts gemischtes Signal und ein zweites abwärts gemischtes Signal zu erzeugen, welche jeweils mit einer Frequenz oszillieren, die kleiner als die Repetitionsrate ist. Geeignete Einrichtungen und Verfahren dazu sind in der am selben Tag eingereichten deutschen Patentanmeldung „Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglängenmessung” der Anmelderin detailliert beschrieben. Durch das Abwärtsmischen kann die Ermittlung der Phasendifferenz erleichtert bzw. die Phasenauflösung erhöht werden.
Die Auswerteeinrichtung kann einen ersten Signalverarbeitungspfad zur Verarbeitung der ersten Komponente des Messsignals und einen zweiten Signalverarbeitungspfad zur Verarbeitung der zweiten Komponente des Messsignals umfassen. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die erste Komponente und die zweite Komponente des Messsignals in dem ersten und zweiten Signalverarbeitungspfad gleichzeitig zu verarbeiten.
Die Auswerteeinrichtung kann eine Auswertelogik umfassen, die eingerichtet ist, um basierend auf einer Auswertung der ersten Komponente des Messsignals eine erste Abschätzung für die Weglänge zu ermitteln und um basierend auf einer Auswertung der zweiten Komponente des Messsignals eine gegenüber der ersten Abschätzung verfeinerte Abschätzung der Weglänge zu ermitteln. Beispielsweise kann anhand der Auswertung der ersten Komponente die Anzahl von vollen Wellenlängen der zweiten Komponente ermittelt werden, die in der zur Phasendifferenz der zweiten Komponente beitragenden Weglänge enthalten ist. So kann die Weglänge mit einer Genauigkeit abgeschätzt werden, die mindestens dem Eindeutigkeitsbereich für die zweite Komponente entspricht. Dazu kann die Auswerteeinrichtung so eingerichtet sein, dass die erste Abschätzung für die Weglänge die Weglänge mit einer Ungenauigkeit annähert, die kleiner als ein Quotient aus Lichtgeschwindigkeit und der zweiten Frequenz ist.
Die Auswertelogik kann eingerichtet sein, um die erste Abschätzung basierend sowohl auf der Auswertung des ersten Messsignals als auch auf der Auswertung des zweiten Messsignals zu ermitteln. So kann sichergestellt werden, dass die erste Abschätzung auch im Hinblick auf die Phasenlage der zweiten Komponente des Messsignals konsistent ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Messanordnung zur Weglängenmessung angegeben. Die Messanordnung umfasst einen Detektor, der eingerichtet ist, um eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge als Funktion der Zeit zu erfassen, wobei die Folge von Pulsen eine Repetitionsrate aufweist.
Der Detektor ist eingerichtet, um ein die erfasste Intensität repräsentierendes Messsignal bereitzustellen. Die Messanordnung umfasst weiterhin eine Auswerteeinrichtung, die mit dem Detektor gekoppelt ist, um das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal zu verarbeiten, wobei die Auswerteeinrichtung als Auswerteeinrichtung nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist.
Die Messanordnung kann eine Lichtquelle zum Erzeugen der Folge von Pulsen umfassen. Die Lichtquelle kann einen Laser, insbesondere einen Kurzpulslaser, umfassen. Die Lichtquelle kann einen optischen Frequenzkammgenerator umfassen. Optische Frequenzkämme können eine hohe Frequenz- und Phasenstabilität aufweisen und sind daher als Lichtquellen geeignet.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Weglängemessung angegeben. Bei dem Verfahren wird ein Messsignal, das eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge als Funktion der Zeit repräsentiert, erfasst und ausgewertet. Die Folge von Pulsen weist eine Repetitionsrate auf. Zur Weglängenmessung werden eine erste Komponente des Messsignals, die mit einer ersten Frequenz oszilliert, und eine zweite Komponente des Messsignals, die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, welche größer als die erste Frequenz ist, ausgewertet.
Da die erste Komponente und die zweite Komponente des Messsignals ausgewertet werden, kann durch Auswertung der ersten und zweiten Komponenten des Messsignals sowohl eine Grob- als auch eine verbesserte Feinabschätzung für die Weglänge ermittelt werden.
Die erste Komponente und die zweite Komponente können insbesondere gleichzeitig ausgewertet werden. Die Auswertung kann ein Ermitteln von Phasendifferenzen beinhalten. Die erste Komponente und/oder die zweite Komponente können abwärts gemischt werden, um eine erste Phasendifferenz und eine zweite Phasendifferenz zu ermitteln, die der ersten Komponente bzw. der zweiten Komponente zugeordnet sind.
Die Wirkungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Weiterbildungen des Verfahrens entsprechen den Wirkungen der korrespondierenden Weiterbildungen der Auswerteeinrichtung oder Messanordnung.
Die Auswerteeinrichtung, die Messanordnung und das Verfahren nach den Aspekten und Ausführungsbeispielen können eingerichtet sein, um einen Abstand eines Objekts zu einer Referenzposition zu ermitteln. Dazu kann eine Anordnung gewählt werden, bei der die Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung den Weg zwischen Referenzposition und Objekt zweimal durchläuft. Beispielsweise kann an dem Objekt ein Reflektor vorgesehen sein, um die Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung zu reflektieren. Es kann auch eine Anordnung gewählt werden, bei der der Detektor an dem Objekt vorgesehen ist oder die Folge von Lichtpulsen von dem Objekt aus abgestrahlt wird.
Die Auswerteeinrichtung, die Messanordnung und das Verfahren nach den verschiedenen oben genannten Aspekten und Ausführungsbeispielen können auch eingesetzt werden, um die Abstände eines Objekts von mehreren Referenzpositionen zu bestimmen, oder um die Abstände von mehreren voneinander beabstandeten Bereichen des Objekts zu einer Referenzposition zu bestimmen. Beispielsweise durch Trilateration kann dann aus den ermittelten Abständen die Position und/oder Ausrichtung des Objekts im Raum bestimmt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsgebiet ist die Ermittlung einer Position eines Messkopfes eines Koordinatenmessgeräts.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Messanordnung zum Ermitteln einer Position eines Messkopfes eines Koordinatenmessgeräts angegeben. Diese Messanordnung umfasst eine Auswerteeinrichtung, die zum Auswerten eines Messsignals eingerichtet ist, das eine Intensität eines amplitudenmodulierten Signals elektromagnetischer Strahlung, das eine Repetitionsrate aufweist, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate, nach Durchlaufen eines Wegs zwischen einer Referenzposition und dem Messkopf als Funktion der Zeit repräsentiert.
Da die Messanordnung erlaubt, zur Bestimmung der Position des Messkopfes ein Messsignal auszuwerten, das die Intensität eines Signals elektromagnetischer Strahlung repräsentiert, kann die Position des Messkopfes, z. B. relativ zu einem Rahmen des Koordinatenmessgeräts, beispielsweise optisch bestimmt werden. Dadurch kann selbst bei etwaiger vorhandener Lose in der Mechanik des Koordinatenmessgeräts die Position des Messkopfes mit der Messanordnung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um als Antwort auf ein Triggersignal das Messsignal auszuwerten, um die Position des Messkopfes zu ermitteln oder zu speichern.
Der Messkopf kann beispielsweise als Tastkopf des Koordinatenmessgeräts ausgebildet sein, der einen Taststift trägt.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um zum Bestimmen wenigstens einer Koordinate des Messkopfes eine Phasenlage einer Komponente des Messsignals, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zu bestimmen. Beispielsweise für eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate weist das erfasste Messsignal entsprechende Spektralkomponenten auf, deren Phasenlage ausgewertet werden kann, um eine von der Folge von Lichtpulsen durchlaufene Weglänge zu bestimmen.
Die Messanordnung kann einen Sensor, insbesondere einen optischen oder taktilen Sensor, zum Erzeugen des Triggersignals umfassen. Der Sensor kann eingerichtet sein, um das Triggersignal zu erzeugen, wenn sich der Messkopf in einer vorgegebenen Position relativ zu einer Objektoberfläche befindet. Der Sensor kann eingerichtet sein, um an dem Messkopf vorgesehen zu werden. Beispielsweise kann der Sensor mit einem am Messkopf vorgesehenen Taststift gekoppelt sein, um das Triggersignal auszugeben, wenn der Taststift eine Objektoberfläche berührt.
Die Messanordnung kann so eingerichtet sein, dass mehrere Weglängen, insbesondere von mindestens drei nicht in einer Ebene liegende Propagationswegen von elektromagnetischen Signalen, zwischen einer oder mehreren Referenzpositionen und einem oder mehreren Bereichen des Messkopfes erfasst und ausgewertet werden. Es kann eine Detektoreinrichtung zum Erfassen der Intensität des Signals elektromagnetischer Strahlung nach Durchlaufen des Wegs zwischen der Referenzposition und dem Messkopf und zum Bereitstellen des Messsignals vorgesehen sein. Die Detektoreinrichtung kann eingerichtet sein, um zeitsequentiell das Messsignal und wenigstens ein weiteres Messsignal zu erfassen, das eine Intensität eines weiteren Signals elektromagnetischer Strahlung nach Durchlaufen eines weiteren Wegs repräsentiert. Dazu kann beispielsweise ein Shutter oder ein zeitlich veränderliches Filter, beispielsweise ein Filterrad, vorgesehen sein, um die Signale, die unterschiedliche Wege durchlaufen haben, nacheinander zu erfassen. Bei einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel können auch mehrere Detektoreinrichtungen vorgesehen sein, um Signale, die unterschiedliche Wege durchlaufen haben, zu erfassen.
Die Messanordnung kann eine Lichtleitfaser, beispielsweise eine Glasfaser oder eine Kunststofffaser, umfassen, deren eines Ende an dem Messkopf anbringbar ist. Das andere Ende der Lichtleitfaser kann mit der Detektoreinrichtung gekoppelt sein. Dies erlaubt es, dass die von einer Lichtquelle, beispielsweise einem Kurzpulslaser, erzeugte Folge von Lichtpulsen an dem Messkopf in die Lichtleitfaser eingekoppelt und von dort zur Detektoreinrichtung geführt werden.
Das andere Ende der Lichtleitfaser kann auch mit der Lichtquelle, beispielsweise dem Kurzpulslaser, gekoppelt sein. Dies erlaubt es, dass die von der Lichtquelle, erzeugte Folge von Lichtpulsen in der Lichtleitfaser zu dem Messkopf geführt und dort abgestrahlt wird, wobei eine Detektoreinrichtung, die ortsfest angeordnet sein kann, die Folge von Lichtpulsen erfasst.
Es können auch die Enden mehrerer Lichtleitfasern an dem Messkopf beabstandet voneinander vorgesehen sein, um auf den Messkopf eingestrahltes Licht an unterschiedlichen Positionen in die Lichtleitfasern einzukoppeln, oder um von beabstandeten Positionen am Messkopf Licht abzustrahlen.
Es kann auch wenigstens ein an dem Messkopf anbringbarer Reflektor vorgesehen sein. Der Reflektor kann elektrisch schaltbar sein. Der Reflektor kann als Retroreflektor ausgebildet sein. Der Reflektor erlaubt es, eine auf den Messkopf eingestrahlte Folge von Lichtpulsen in Richtung eines Detektors zu reflektieren. Dazu kann beispielsweise eine Anordnung eingesetzt werden, wie sie in der DE 10 2008 045 386.2 der Anmelderin beschrieben ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Koordinatenmessgerät angegeben, das einen Messkopf und eine Messanordnung zum Ermitteln der Position des Messkopfes nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel aufweist.
Bei dem Koordinatenmessgerät kann mit der Messanordnung die Position des Messkopfes ermittelt werden, indem das amplitudenmodulierte Signal nach Durchlaufen des Wegs zwischen Referenzposition und Messkopf erfasst und ausgewertet wird. Dies ermöglicht es, die Position des Messkopfes, beispielsweise relativ zu einem Rahmen des Koordinatenmessgeräts, mit optischen Messmethoden zu bestimmen.
Das Koordinatenmessgerät kann als Portalmessgerät ausgebildet ist. Das Koordinatenmessgerät kann auch einen Roboterarm umfassen, dessen Ende als Messkopf ausgebildet ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts angegeben. Das Koordinatenmessgerät umfasst einen Messkopf. Um eine Position des Messkopfes zu ermitteln, wird bei dem Verfahren ein Messsignal ausgewertet, das eine Intensität eines amplitudenmodulierten Signals elektromagnetischer Strahlung, das eine Repetitionsrate aufweist, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate, nach Durchlaufen eines Wegs zwischen einer Referenzposition und dem Messkopf als Funktion der Zeit repräsentiert.
Da bei dem Verfahren die Position des Messkopfes bestimmt wird, indem ein Messsignal ausgewertet wird, das die Intensität eines Signals elektromagnetischer Strahlung repräsentiert, kann die Position des Messkopfes, z. B. relativ zu einem Rahmen des Koordinatenmessgeräts, beispielsweise optisch bestimmt werden. Dadurch kann selbst bei etwaiger vorhandener Lose in der Mechanik des Koordinatenmessgeräts die Position des Messkopfes mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die Position des Messkopfes kann insbesondere als Antwort auf ein Triggersignal bestimmt werden. Das Triggersignal kann erzeugt werden, wenn der Messkopf eine vorgegeben Position relativ zu einer Objektoberfläche einnimmt, beispielsweise wenn ein an dem Messkopf getragener Taststift die Objektoberfläche berührt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Position angegeben. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Phasenlage eines Messsignals, das eine Intensität einer Folge von Lichtpulsen nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge als Funktion der Zeit repräsentiert, wobei die Folge von Lichtpulsen eine Repetitionsrate aufweist, und wobei die Folge von Lichtpulsen in einer Lichtleitfaser geleitet wird, wobei ein Ende der Lichtleitfaser an der Position angebracht wird.
Das andere Ende der Lichtleitfaser kann mit einer Lichtquelle, beispielsweise einem Kurzpulslaser, gekoppelt sein, so dass die Folge von Lichtpulsen an der Position aus dem einen Ende der Lichtleitfaser austritt. Die Folge von Lichtpulsen kann beispielsweise von einem ortsfest angeordneten Detektor erfasst werden.
Das andere Ende der Lichtleitfaser kann auch mit einem Detektor gekoppelt sein, um die Folge von Lichtpulsen, die in Richtung der Position eingestrahlt wird, von der Position zu dem Detektor zu leiten.
Die Einrichtungen, Anordnungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können zur Weglängenmessung oder Positionsbestimmung eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in industriellen Anlagen, beispielsweise in automatisierten Fertigungs- oder Transportanlagen. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach einem Ausführungsbeispiel.
2A zeigt beispielhaft eine Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit, und 2B zeigt schematisch ein Fourier-Spektrum der Folge von Lichtpulsen von 2A.
3 zeigt schematisch Signale, die in einer Auswerteeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel ausgewertet werden.
4 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach einem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt eine Implementierung einer Phasenmesseinrichtung für eine Auswerteeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt in der Phasenmesseinrichtung von 5 auftretende Signale.
7 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
8 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines von einer Auswerteeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel durchgeführten Verfahrens.
9 ist eine Flussdiagrammdarstellung einer Konsistenzprüfung, die bei dem Verfahren von 8 eingesetzt werden kann.
10 illustriert eine Weglängenbestimmung zur Erläuterung des Verfahrens von 8 und 9.
11 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem Ausführungsbeispiel.
12 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung für ein Koordinatenmessgerät nach einem Ausführungsbeispiel.
13 ist eine schematische Darstellung eines Messkopfes eines Koordinatenmessgeräts nach einem Ausführungsbeispiel.
14 illustriert eine Ausgestaltung eines bei der Messanordnung von 13, 15 oder 16 verwendbaren Reflektors.
15 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
16 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
17 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
18 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
19A, 19B und 19C illustrieren die Messanordnung für das Koordinatenmessgerät von 18 zu unterschiedlichen Zeiten.
20 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
21 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, wie eine Positionsbestimmung in industriellen Einrichtungen, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Die verschiedenen Ausführungsbeispiele sind eingerichtet für eine Weglängenmessung, bei der eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung eine zu messende Weglänge durchläuft. Die Folge von Pulsen weist eine sich mit einer Repetitionsrate wiederholende Intensität oder Amplitude auf. Um die Weglängemessung durchzuführen, werden die Pulse der Folge von einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise einem Kurzpuls-Laser, mit der Repetitionsrate erzeugt, so dass an einer vorgegebenen Position des Strahlenwegs die Amplitude und somit die Leistungsdichte oder Strahlungsintensität der elektromagnetischen Strahlung sich mit der Repetitionsrate wiederholende Maxima aufweist.
1 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung 1 nach einem Ausführungsbeispiel. Die Messanordnung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, einen an einem Objekt anzubringenden Reflektor 3, einen Detektor 4 zum Erfassen eines Messsignals, einen weiteren Detektor 5 zum Erfassen eines Referenzsignals und eine Auswerteeinrichtung 6. Weiterhin ist ein Strahlteiler 17 vorgesehen, um einen Referenzstrahl 14 zu dem weiteren Detektor 5 und einen Messstrahl 12, 13 zu dem Detektor 4 zu lenken.
Die Lichtquelle 2 kann als ein Frequenzkammgenerator mit einem Kurzpuls-Laser ausgebildet sein. Insbesondere kann die Lichtquelle 2 eingerichtet sein, um ein Signal mit hoher Frequenz- und Phasenstabilität zu erzeugen. Die Lichtquelle 2 erzeugt eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate, wie unter Bezugnahme auf 2 noch näher beschrieben werden wird.
Der Strahlteiler 17 ist in einem Strahlenweg 11 der von der Lichtquelle 2 erzeugten Folge von Lichtpulsen angeordnet, um einen Referenzstrahl 14 in Richtung des weiteren Detektors 5 auszukoppeln. Der von dem Strahlteiler 17 durchgelassene Teil strahl 12 läuft von dem Strahlteiler 17 zu dem Reflektor 3, wo er beispielsweise in sich reflektiert und zu dem Detektor 4 gelenkt wird. Die Detektoren 4, 5 sind als Fotodetektoren ausgebildet, die die Intensität des auf sie einfallenden optischen Signals erfassen und ein die erfasste Intensität repräsentierendes elektrisches Signal 15, 16 ausgeben.
Der von dem Strahlteiler 17 ausgekoppelte Referenzstrahl 14, der zu dem weiteren Detektor 5 gelenkt wird, durchläuft eine durch die Geometrie der Messanordnung 1 bedingte Weglänge. Der von dem Strahlteiler 17 durchgelassene Strahl 12, der zu dem an dem Objekt vorgesehenen Reflektor 3 weiterläuft, durchläuft den Weg von dem Strahlteiler 17 zu dem Reflektor 3 und zurück zu dem Detektor 4, dessen Weglänge von der Position des Objekts abhängt, an dem der Reflektor 3 angebracht ist. Eine veränderliche Position des Objekts ist schematisch mit dem Pfeil 9 angedeutet.
Die unterschiedlichen Wege, die der von dem Detektor 4 erfasste Strahl und der von dem weiteren Detektor 5 erfasste Strahl zurücklegen, führen zu einer dem Laufzeitunterschied entsprechenden zeitlichen Verschiebung zwischen den erfassten Signalen. Der Laufzeitunterschied führt zu einer Phasenverschiebung von Komponenten in der Fourier-Darstellung der von dem Detektor 4 und dem weiteren Detektor 5 erfassten Intensitäten 15 und 16.
Die Auswerteeinrichtung 6 ist derart eingerichtet, dass sie eine erste und eine zweite Komponente des von dem Detektor 5 erfassten Messsignals 15 auswertet, wobei die erste Komponente eine Frequenz aufweist, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, und wobei die zweite Komponente eine Frequenz aufweist, die größer als die erste Frequenz ist und mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Durch Bestimmung der Phasenverschiebungen der ersten und zweiten Komponenten des Messsignals relativ zu entsprechenden Komponente des Referenzsignals wird der Weglängenunterschied zwischen den Signalen ermittelt, die der Detektor 4 und der weitere Detektor 5 erfassen. Da ein nur durch die Vorrichtungsgeometrie bedingter Anteil des Weglängenunterschieds, beispielsweise aufgrund der von dem Teilstrahl 14 von dem Strahlteiler 17 zu dem Detektor 5 zurückgelegten Strecke, entweder bekannt ist oder als Offset durch eine Kalibrierung der Messanordnung berücksichtigt werden kann, kann durch die Bestimmung des Weglängenunterschieds der Abstand des Objekts, an dem der Reflektor 3 angebracht ist, von einer Referenzposition, beispielsweise dem Strahlteiler 17 ermittelt werden.
Der von dem Strahlteiler 17 über den Reflektor 3 zu dem Detektor 4 verlaufende Strahl 12, 13, der im Folgenden als Messstrahl bezeichnet wird, legt unter Umständen eine deutlich längere Strecke zurück als der Referenzstrahl 14, der von dem Strahlteiler 17 zu dem weiteren Detektor 5 ausgekoppelt wird. Der Strahlteiler 17 kann so eingerichtet sein, dass er einen verhältnismäßig großen Anteil, beispielsweise ca. 99%, der Intensität der auf ihn einfallenden Folge von Lichtpulsen als Messstrahl 12 transmittiert und nur ca. 1 % als Referenzstrahl 14 zu dem weiteren Detektor 5 lenkt.
Die Lichtquelle 2 erzeugt ein optisches Signal, das mit einer periodischen Funktion moduliert ist und das eine Grundfrequenz f0 sowie ausgeprägte Anteile von Oberwellen der Grundfrequenz f0, d. h. ausgeprägte Frequenzkomponenten mit Frequenzen aufweist, die Vielfache von f0 sind. Ein solches Signal wird beispielsweise durch einen Kurzpulslaser erzeugt, der eine Folge von Lichtpulsen in einem wohldefinierten zeitlichen Abstand T0 = 1/f0, d. h. mit einer Repetitionsrate f0, erzeugt, wobei die Dauer jedes Pulses kurz ist im Vergleich zum zeitlichen Abstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen.
2A zeigt beispielhaft die Intensität einer derartigen Folge kurzer Lichtpulse 21, wobei die Ausgangsleistung P der Lichtquelle 2 als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist bei dem Bezugszeichen 22 schematisch dargestellt, und die Dauer jedes Lichtpulses bei dem Bezugszeichen 23 schematisch dargestellt ist. Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1·10^–5. Auch wenn in 2A beispielhaft eine Folge von Rechteckspulsen dargestellt ist, können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gaussfunktion.
2B zeigt beispielhaft ein Frequenzspektrum 25 der Intensität einer Folge von Lichtpulsen, die mit einer Repetitionsrate f0 erzeugt werden, wobei die Dauer jedes Lichtpulses kurz im Vergleich zu T0 = 1/f0 ist. Das Frequenzspektrum 25 weist eine Anzahl von Peaks mit einem konstanten Frequenzabstand f0 auf, der bei dem Bezugszeichen 26 schematisch dargestellt ist. Das spektrale Gewicht der Peaks nimmt zu höheren Frequenzen hin ab, wobei die Stärke des Abfalls durch das Verhältnis von Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen und Lichtpulsdauer bestimmt ist. Diese Größen sind bei der Lichtquelle 2 der Vorrichtung 1 so gewählt, dass das spektrale Gewicht der Komponente 27 mit Frequenz n·f0, für die eine Phasenauswertung vorgenommen wird, ausreichend hoch für die Durchführung von Phasenmessungen ist.
Eine Folge von Lichtpulsen, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 2 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 2 verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle 2 liegen in einem Bereich von 100 fs bis 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert).
In einer Fourier-Repräsentation die von dem Detektor 4 erfasste Intensität des Messstrahls 12, 13 die spektrale Darstellung PM(t) = Σibi·cos(2·π·i·f0·t + ϕM,i), (1)wobei der Summierindex i über die natürlichen Zahlen mit 0 läuft, f0 die Repetitionsrate ist, b_i das spektrale Gewicht der Spektralkomponente mit Frequenz i·f0 ist, t die Zeit ist und ϕ_M,i eine Phase der Spektralkomponente mit Frequenz i·f0 ist, die beispielsweise durch die Wegstrecke bedingt ist, die der Messstrahl 12, 13 von dem Punkt, an dem er von dem Referenzstrahl 11 getrennt wird, bis zu dem Detektor 4 zurücklegt.
In einer Fourier-Repräsentation hat die von dem weiteren Detektor 5 erfasste Intensität des Referenzstrahls beispielsweise die Spektraldarstellung PR(t) = Σiai·cos(2·π·i·f0·t + ϕR,i), (2)wobei der Summierindex i über die natürlichen Zahlen mit 0 läuft, f0 die Repetitionsrate ist, a_i das spektrale Gewicht der Spektralkomponente mit Frequenz i·f0 ist, t die Zeit ist und ϕ_R,i eine Phase der Spektralkomponente mit Frequenz i·f0 ist, die die Wegstrecke berücksichtigt, die der Referenzstrahl von dem Punkt, an dem er von dem Messstrahl ausgekoppelt wird, bis zu dem weiteren Detektor 5 zurücklegt.
Der Weglängenunterschied zwischen den vom Referenzstrahl und Messstrahl zurückgelegten Weglängen bzw. der dem Weglängenunterschied entsprechende Laufzeitunterschied τ zwischen einem Lichtpuls in dem Messstrahl und dem korrespondierenden Lichtpuls in dem Referenzstrahl führt zu einer Phasenverschiebung oder Phasendifferenz Δϕi = ϕM,i – ϕR,i (3)zwischen den mit Frequenz f_i = i·f0 oszillierenden Komponenten der Signale P_M(t) und P_R(t). Der Betrag der Phasendifferenz ist proportional zur Zeitverschiebung τ zwischen den von dem Detektor 4 und dem weiteren Detektor 5 erfassten Intensitäten, |Δϕi| = 2·π·i·f0·τ = 2π·fi·d/c. (4)
Dabei bezeichnet d einen Weglängenunterschied zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl und c die Lichtgeschwindigkeit. Phasenwinkel werden im Bogenmaß angegeben, sofern nicht ausdrücklich ein anderes Maß angegeben ist. Da zur Bestimmung des (als positiv definierten) Weglängenunterschieds nur der Betrag der Phasendifferenzen relevant ist, wird im Folgenden der Begriff „Phasendifferenz” auch verwendet, um auf den Betrag der Phasendifferenz Bezug zu nehmen.
Der Weglängenunterschied d weicht nur um einen konstanten Summanden, der von der Geometrie des Messanordnung abhängt und entweder vorbekannt ist oder durch Kalibrierung ermittelt werden kann, von der interessierenden variablen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 17 über den Reflektor 3 zurück zu dem Strahlteiler 17 ab. Daher wird der Weglängenunterschied d im Folgenden auch als zu messende Weglänge bezeichnet.
Aus einer gemessenen Phasendifferenz kann gemäß Gleichung (4) der Weglängenunterschied zwischen den Signalen d und somit die zu messende Weglänge bestimmt werden. Bei vorgegebener Phasenauflösung, d. h. Messgenauigkeit für die Phasendifferenz, liefert die Auswertung einer Komponente mit größerer Frequenz f_i eine höhere Ortsauflösung. Daher können, wie beispielsweise in DE 10 2008 045 386.2 und DE 10 2008 045 387.0 beschrieben, hohe Oberwellen mit Frequenz f_i >> f0 zur genauen Bestimmung einer Weglänge ausgewertet werden.
Phasendifferenzen sind nur in einem Intervall mit einer Länge von 2·π eindeutig bestimmbar. Um die zu messende Weglänge d basierend auf der Phasendifferenz zwischen den mit einer Frequenz f_i oszillierenden Komponenten des Messsignals und Referenzsignals zu bestimmen, wird beispielsweise eine Abschätzung der Weglänge benötigt, die die Weglänge mit einer Genauigkeit von λi = c/(i·f0) = c/fi (5)annähert.
Die Auswerteeinrichtung 6 ist derart eingerichtet, dass sie eine erste Komponente und eine zweite Komponente des Messsignals 15 auswertet. Aus der Phasenlage der ersten Komponente des Messsignals, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, wird eine erste Abschätzung für die Weglänge d ermittelt. Aus der Phasenlage der zweiten Komponente des Messsignals, die einem Vielfachen der Repetitionsrate f_n = n·f0 oszilliert, das größer als die Frequenz der ersten Komponente ist, wird eine verfeinerte zweite Abschätzung für die Weglänge d ermittelt.
Zur Veranschaulichung zeigt 3 bei 30 eine erste Komponente 32 des Messsignals und eine erste Komponente 31 des Referenzsignals, die beispielsweise mit der Repetitionsrate f₁ = f0 oszillieren, als Funktion der Zeit. Die zu messende Weglänge d bzw. Weglängendifferenz d aufgrund der von den optischen Signalen zurückgelegten unterschiedlichen Strecken führt zu einer zeitlichen Verschiebung τ zwischen den ersten Komponenten 32, 31 des Mess- und Referenzsignals, die schematisch bei 33 dargestellt ist und die dem Abstand zwischen einem Nulldurchgang 34 der Komponente 31 des Referenzsignals und dem darauffolgenden Nulldurchgang 35 der Komponente 32 des Messsignals in derselben Richtung entspricht. Der Laufzeitunterschied τ führt zu einer der ersten Komponente des Messsignals zugeordneten Phasendifferenz |Δϕ₁| = 2·π·f0·τ. Durch Messung von |Δϕ₁| kann eine erste Abschätzung des Laufzeitunterschieds τ und, nach Gleichung (4), der zu messenden Weglänge d bestimmt werden.
3 zeigt bei 40 eine zweite Komponente 42 des Messsignals und eine zweite Komponente 41 des Referenzsignals, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate, beispielsweise mit der Frequenz f₆ = 6·f0 oszillieren, als Funktion der Zeit. Durch Auswertung der zweiten Komponente 42 des Messsignals kann die Phasendifferenz zwischen den zweiten Komponenten 41, 42 des Mess- und Referenzsignals in einem Eindeutigkeitsbereich für die Messung der Phasenlage, der beispielsweise als Inter vall von 0 bis 2·π gewählt wird, bestimmt werden. Die Phasendifferenz im Eindeutigkeitsbereich entspricht der Phasenverschiebung zwischen dem mit 44 bezeichneten Nulldurchgang der zweiten Komponente 41 des Referenzsignals und dem mit 45 bezeichneten Wert der zweiten Komponente 42 des Messsignals an der Position bzw. zu der Zeit, an dem die erste Komponente 32 des Messsignals ihren Nulldurchgang 35 aufweist und die durch den Laufzeitunterschied τ bestimmt ist.
Wenn die zu messende Weglänge d größer ist als die Wellenlänge λ_n der mit der Frequenz f_n oszillierenden Komponente des Messsignals, unterscheidet sich die messbare Phasenverschiebung im Eindeutigkeitsbereich um ein ganzzahliges Vielfaches von 2·π von der nach Gleichung (4) gegebenen Phasendifferenz. Wie in 3 dargestellt, entspricht die bei 49 dargestellte Phasenverschiebung im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2·π nicht der durch Gleichung (4) gegebenen Phasendifferenz 48, da der Anteil der Phasendifferenz 48, der zwei Vollperioden 46, 47 entspricht, aus den oszillierenden Komponenten 41, 42 des Referenz- und Messsignals nicht messbar ist.
Die Auswerteeinrichtung 6 nach einem Ausführungsbeispiel erlaubt es, eine erste, mit einer ersten Frequenz f_p = p·f0 oszillierenden ersten Komponente des Messsignals auszuwerten, um die Anzahl der Vollperioden der mit einer zweiten Frequenz f_n = n·f0 oszillierenden zweiten Komponente des Messsignals in der zu messenden Weglänge d zu bestimmen. Dabei sind p und n natürliche Zahlen, wobei n > p.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird durch die Auswerteeinrichtung 6 die Phasendifferenz |Δϕ_p| bestimmt, die der ersten Komponente des Messsignals zugeordnet ist. Gemäß Gleichung (4) ist dp = λp·|Δϕp|/(2·π) (6)eine erste Abschätzung für die zu messende Weglänge.
Die Anzahl q der Vollperioden bzw. Wellenlängen λ_n der zweiten Komponente des Messsignals in der zu messenden Weglänge d kann abgeschätzt werden durch q = Floor[(λp/λn)·|Δϕp|/(2·π)], (7)wobei Floor (·) die Abrundungsfunktion bzw. Gaußklammer bezeichnet, deren Wert der größten ganzen Zahl entspricht, die kleiner oder gleich dem Argument der Funktion ist. Anders ausgedrückt entspricht der Wert der Floor-Funktion dem ganzzahligen Anteil ihres Arguments.
Die Auswerteeinrichtung 6 ist weiterhin eingerichtet, um die zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n|, die der zweiten Komponente des Messsignals zugeordnet ist, im Eindeutigkeitsbereich zu bestimmen. Der Eindeutigkeitsbereich ist beispielsweise so definiert, dass die zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| beispielsweise einen Wert im Intervall von 0 bis 2·π hat. Die Phasendifferenz |Δϕ'_n| im Eindeutigkeitsbereich und die Anzahl m der Vollperioden bzw. Wellenlängen λ_n erlaubt die Bestimmung der durch Gleichung (4) gegebenen Phasendifferenz, die die Anzahl verstrichener Vollperioden berücksichtigt, gemäß |Δϕ'n| = 2·π·q + |Δϕ'n|. (8)
Die zu messende Weglänge kann aus den von der Auswerteeinrichtung 6 ermittelten Phasenlagen |Δϕ_p| und |Δϕ'_n| bestimmt werden nach d = q·λn + λn·|Δϕ'n|/(2·π) (9) = Floor[(λp/λn)·|Δϕp|/(2·π)]·λn + λn·|Δϕ'n|/(2·π). (9')
Der erste Summand auf der rechten Seite von Gleichung (9), der von der der ersten Komponente des Messsignals zugeordneten ersten Phasendifferenz |Δϕ_p| abhängt, ist eine erste Abschätzung für die zu messende Weglänge. Der zweite Summand auf der rechten Seite von Gleichung (9), der von der der zweiten Komponente des Messsignals zugeordneten zweiten Phasendifferenz |Δϕ'_n| abhängt, ergibt eine verfeinerte zweite Abschätzung der zu messenden Weglänge in dem Intervall, das durch den ersten Summanden auf der rechten Seite von Gleichung (9) festgelegt wird.
Die Auswerteeinrichtung 6 ist so eingerichtet, dass die der ersten Komponente des Messsignals zugeordnete erste Phasendifferenz |Δϕ_p| mit einer ausreichenden Genauigkeit auflösbar ist, um die Anzahl von Wellenlängen λ_n der zweiten Komponente in der zu messenden Weglänge zu ermitteln. Dazu kann die Auswerteeinrichtung so ausgestaltet sein, dass die Phasendifferenz |Δϕ_p| mit einer Auflösung von 2·π·p/n gemessen werden kann, d. h. dass der Winkelbereich von 0 bis 2·π in mindestens n/p Schritten aufgelöst werden kann.
Die Auswerteeinrichtung 6 kann weiterhin so eingerichtet sein, dass die zu messende Weglänge bereits mit einer Genauigkeit λ_p bekannt ist und |Δϕ_p| im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2·π liegt. Dazu kann beispielsweise p geeignet gewählt werden. Es kann auch mit einer weiteren Messanordnung, beispielsweise unter Verwendung von Ultraschall, zunächst eine grobe Abschätzung für die zu messende Weg länge ermittelt werden, um diese dann anhand der Messung von |Δϕ_p| mit einer ausreichenden Genauigkeit zu verfeinern, so dass die Anzahl von Wellenlängen λ_n der zweiten Komponente des Messsignals in der zu messenden Weglänge d ermittelt werden kann.
Die Auswerteeinrichtung 6 kann auch so ausgebildet sein, dass die gemäß Gleichung (7) ermittelte Größe q einer Konsistenzprüfung unterzogen wird, bei der auch die der zweiten Komponente des Messsignals zugeordnete zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| berücksichtigt wird, wie unter Bezugnahme auf 8–10 noch näher erläutert werden wird. Die Anzahl von Wellenlängen λ_n der zweiten Komponente in der zu messenden Weglänge d kann somit basierend sowohl auf der der ersten Komponente des Messsignals zugeordneten ersten Phasendifferenz als auch auf der der zweiten Komponente des Messsignals zugeordneten zweiten Phasendifferenz erfolgen.
Zur weiteren Illustration wird beispielhaft angenommen, dass die Lichtquelle 2 Lichtpulse mit einer Repetitionsrate von f0 = 100 MHz erzeugt und dass die erste Komponente des Messsignals mit einer Frequenz f₁ = f0 oszilliert, also der Grundwelle entspricht, während die zweite Komponente des Messsignals mit einer Frequenz f₂₄₀ = 240·f0 = 24 GHz oszilliert. Entsprechend ist λ₁ = 3 m und λ₂₄₀ = 1,25 cm. Weiterhin wird angenommen, dass die Phasenauflösung bei der Messung von |Δϕ₁| und |Δϕ'₂₄₀| jeweils 2·π/1000 beträgt, ein Winkelintervall von 0 bis 2·π also in 1000 Schritten aufgelöst werden kann. Wird von der Auswerteeinrichtung 6 beispielsweise eine erste Phasendifferenz |Δϕ₁| = 136° (im Gradmaß) ermittelt, entspricht dies einer ersten Abschätzung für die zu messende Weglänge von 3 m·136°/360° = 1,133[33] m, wobei die nicht signifikanten Stellen in eckigen Klammern angegeben sind. Aus Gleichung (7) ergibt sich die Anzahl von Wellenlängen λ₂₄₀ in der zu messenden Weglänge als q = Floor[240·136°/360°] = 90. Falls von der Auswerteeinrichtung beispielsweise ein Wert von |Δϕ'₂₄₀| = 238° (im Gradmaß) für die der zweiten Komponente des Messsignals zugeordnete zweite Phasendifferenz ermittelt, hat der zweite Summand auf der rechten Seite von Gleichung (9) den Wert 1,25 cm·238°/360° = 0,82638 cm. Aus Gleichung (9) ergibt sich die zu messende Weglänge als d = 90·1,25 cm + 0,82638 cm = 113,3263 cm.
Zur weiteren Illustration einer Konsistenzprüfung der gemäß Gleichung (7) ermittelten Größe q wird für die obigen Parameter, d. h. unter der Annahme, dass die Lichtquelle 2 Lichtpulse mit einer Repetitionsrate von f0 = 100 MHz erzeugt und dass die erste Komponente des Messsignals mit einer Frequenz f₁ = f0 oszilliert, während die zweite Komponente des Messsignals mit einer Frequenz f₂₄₀ = 240·f0 = 24 GHz oszilliert, eine Situation betrachtet, in der die zu messende Weglänge d annähernd gleich einem ganzzahligen Vielfachen von λ₂₄₀ ist. Falls beispielsweise von der Auswerteeinrichtung 6 eine Phasendifferenz |Δϕ₁| = 105° (im Gradmaß) ermittelt, entspricht dies einer ersten Abschätzung für die zu messende Weglänge von 3 m·105°/360° = 0,875 m. Dieser Wert ist im Rahmen der mit der Messung von |Δϕ₁| erzielbaren Auflösung gleich 70·λ₂₄₀. Um die korrekte Anzahl von Wellenlängen λ₂₄₀ in der zu messenden Weglänge zu ermitteln, kann zusätzlich der von der Auswerteeinrichtung 6 ermittelte Messwert für die der zweiten Komponente des Messsignals zugeordnete zweite Phasendifferenz |Δϕ'₂₄₀| bei der Bestimmung von q herangezogen werden. Falls beispielsweise |Δϕ'₂₄₀| einen kleinen Wert aufweist, z. B. |Δϕ'₂₄₀| = 2° (im Gradmaß), ist q = 70 die korrekte Anzahl von Wellenlängen λ₂₄₀ in der zu messenden Weglänge, und die Weglänge d gemäß Gleichung (9) ist gegeben durch 0,875 m + 1,25 cm·2°/360° = 0,875 m + 0,00694 cm = 87,50694 cm. Falls hingegen beispielsweise |Δϕ'₂₄₀| einen Wert aufweist, der nur geringfügig kleiner als 360° ist, z. B. |Δϕ'₂₄₀| = 359° (im Gradmaß), wäre q = 70 inkonsistent mit dem großen Wert von so dass q = 69 die korrekte Anzahl von Wellenlängen λ₂₄₀ in der zu messenden Weglänge ist. Die Weglänge d ist dann gemäß Gleichung (9) gegeben durch 691,25 cm + 1,25 cm·359°/360° = 86,25 cm + 1,24652 cm = 87,49652 cm. Die Konsistenzprüfung von q anhand der für die zweite Komponente ermittelte Phasendifferenz wird unter Bezugnahme auf 8–10 noch näher beschrieben werden.
Auswerteeinrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen werden unter Bezugnahme auf 4–7 eingehender beschrieben.
4 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung 50. Die Messanordnung 50 umfasst eine Lichtquelle 2, einen an einem Objekt anzubringenden Reflektor 3', einen Strahlteiler 17 und einen Umlenkspiegel zum Lenken eines Referenzstrahls 14 und eines Messstrahls 12, 13, einen Fotodetektor 4 zum Erfassen einer Intensität des Messstrahls 12, 13 als Funktion der Zeit und einen weiteren Fotodetektor 5 zum Erfassen einer Intensität des Referenzstrahls 14 als Funktion der Zeit. Diese Elemente und Einrichtungen entsprechen in ihrer Funktion und Ausgestaltung den korrespondierenden Elementen und Einrichtungen der Messanordnung 1 von 1 und sind mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, so dass ergänzend auf die Beschreibung der Messanordnung 1 Bezug genommen wird.
Bei der Messanordnung 50 erzeugt die Lichtquelle 2 eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate f0. Die Fotodetektoren 4 und 5 können unterschiedliche Konversionsfaktoren aufweisen, um zu berücksichtigen, dass der Messstrahl 12, 13 eine längere Strecke zurückzulegen hat als der Referenzstrahl 14. Beispielsweise kann der Fotodetektor 4 für den Messstrahl einen Konversionsfaktor von 500 V/W aufweisen, während der weitere Fotodetektor 5 für den Referenzstrahl einen Konversionsfaktor von 150 V/W aufweisen kann.
Die Messanordnung 50 umfasst eine Auswerteeinrichtung 51. Die Auswerteeinrichtung 51 kann als Auswerteeinrichtung 6 bei der Messanordnung 1 von 1 verwendet werden. Die Auswerteeinrichtung 51 ist eingerichtet, um eine einer ersten Komponente des von dem Fotodetektor 4 erfassten Messsignals 15, die mit einer ersten Frequenz oszilliert, zugeordnete erste Phasendifferenz und eine einer zweiten Komponente des von dem Fotodetektor 4 erfassten Messsignals 15, die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, zugeordnete zweite Phasendifferenz zu bestimmen. Dabei ist die erste Frequenz gleich der Repetitionsrate oder einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate, und die zweite Frequenz ist gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate und ist größer als die erste Frequenz.
Die Auswerteeinrichtung 51 umfasst einen Eingangsverstärker 64, der von dem Fotodetektor 4 das Messsignal 15 empfängt, das die Intensität der Folge von Lichtpulsen im Messstrahl 12, 13 repräsentiert. Die Auswerteeinrichtung 51 umfasst einen weiteren Eingangsverstärker 65, der von dem weiteren Fotodetektor 5 das Referenzsignal 16 empfängt, das die Intensität der Folge von Lichtpulsen im Referenzstrahl repräsentiert.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist einen ersten Signalverarbeitungspfad für die erste Komponente des Messsignals 15 auf, die mit einer ersten Frequenz f_p = p·f0 oszilliert, wobei p ≥ 1 eine ganze Zahl ist. Der erste Signalverarbeitungspfad umfasst ein Bandpassfilter 53 und eine Phasenmesseinrichtung 54. Ein Eingang des Bandpassfilters 53 ist mit einem Ausgang des Verstärkers 64 gekoppelt, um das verstärkte Messsignal 15 zu empfangen. Das Bandpassfilter 53 weist einen Durchlassbereich auf, der die Frequenz f_p umfasst. Das Bandpassfilter 53 kann so ausgestaltet sein, dass Komponenten des Messsignals mit Frequenzen (p – 1)·f0 und (p + 1)·f0 im Vergleich zu der ersten Komponente mit der Frequenz f_p stark gedämpft werden. Das Bandpassfilter 53 kann einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Das Ausgangssignal 73 des Bandpassfilters 53 entspricht dann im We sentlichen der mit der ersten Frequenz f_p oszillierenden ersten Komponente des Messsignals. Die erste Komponente des Messsignals kann beispielsweise dargestellt werden als U_M,p·cos(2·π·f_p·t + ϕ_M,p), wobei U_M,p eine Amplitude der ersten Komponente und ϕ_M,p die Phasenlage der ersten Komponente des Messsignals ist. Die erste Komponente 73 des Messsignals wird der Phasenmesseinrichtung 54 zugeführt, die eine Phasendifferenz zwischen der ersten Komponente 73 des Messsignals und einem ersten oszillierenden Referenzsignal 72 ermittelt, das mit derselben Frequenz f_p oszilliert wie die erste Komponente 73 des Messsignals.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist ein Bandpassfilter 52 auf. Ein Eingang des Bandpassfilters 52 ist mit einem Ausgang des Verstärkers 65 gekoppelt, um das verstärkte Referenzsignal 16 zu empfangen. Das Bandpassfilter 52 weist einen Durchlassbereich auf, der die Frequenz f_p umfasst. Die Durchlasscharakteristik des Bandpassfilters 52 kann derjenigen des Bandpassfilters 53 entsprechen. Insbesondere kann das Bandpassfilter 52 einen Durchlassbereich aufweisen, dessen Breite kleiner als f0 ist. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 52 ist das erste oszillierende Referenzsignal 72, das mit derselben Frequenz f_p oszilliert wie die erste Komponente 73 des Messsignals.
Die Phasenmesseinrichtung 54 ist mit einem Ausgang des Bandpassfilters 53 gekoppelt, um die erste Komponente 73 des Messsignals zu empfangen, und ist mit einem Ausgang des Bandpassfilters 52 gekoppelt, um das erste oszillierende Referenzsignal 72 zu empfangen. Die Phasenmesseinrichtung 54 ist eingerichtet, um eine erste Phasendifferenz, die schematisch bei 68 angedeutet ist, zwischen der ersten Komponente 73 des Messsignals und dem ersten oszillierenden Referenzsignal 72 zu ermitteln.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist einen zweiten Signalverarbeitungspfad für die zweite Komponente des Messsignals 15 auf, die mit einer zweiten Frequenz f_n = n·f0 oszilliert, wobei n eine ganze Zahl und n > p ist. Der zweite Signalverarbeitungspfad umfasst ein Bandpassfilter 55, einen Mischer 57, ein Bandpassfilter 58 zum Filtern eines Ausgangssignal des Mischers 57 und eine Phasenmesseinrichtung 59. Ein Eingang des Bandpassfilters 55 ist mit einem Ausgang des Verstärkers 64 gekoppelt, um das verstärkte Messsignal 15 zu empfangen. Das Bandpassfilter 55 weist einen Durchlassbereich auf, der die Frequenz f_n umfasst. Das Bandpassfilter 55 kann so ausgestaltet sein, dass Komponenten des Messsignals mit Frequenzen (n – 1)·f0 und (n + 1)·f0 im Vergleich zu der zweiten Komponente mit der Frequenz f_n stark gedämpft werden. Das Bandpassfilter 55 kann einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Ein Ausgangssignal 75 des Bandpassfilters 55 entspricht dann im Wesentlichen der mit der ersten Frequenz f_n oszillierenden zweiten Komponente des Messsignals. Die zweite Komponente des Messsignals kann beispielsweise dargestellt werden als U_M,n·cos(2·π·f_n·t + ϕ_M,n), wobei U_M,n eine Amplitude und ϕ_M,n die Phasenlage der zweiten Komponente des Messsignals ist.
Die zweite Komponente 75 des Messsignals wird abwärts gemischt, um ein mit der Frequenz f_p oszillierendes abwärts gemischtes Signal zu erzeugen. Dazu wird die zweite Komponente 75 des Messsignals dem Mischer 57 zugeführt. Ein weiterer Eingang des Mischers 57 ist mit einem Ausgang eines Bandpassfilters 56 gekoppelt. Ein Eingang des Bandpassfilters 56 ist mit dem Verstärker 65 gekoppelt, um von diesem das verstärkte Referenzsignal 16 zu empfangen. Das Bandpassfilter 56 weist einen Durchlassbereich auf, der die Frequenz f_n-p umfasst. Das Bandpassfilter 56 kann einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Ein Ausgangssignal 76 des Bandpassfilters 56, das dem Mischer 57 zugeführt wird, entspricht im Wesentlichen der mit einer Frequenz f_n-p oszillierenden Komponente des Referenzsignals 16.
Ein Ausgangssignal 77 des Mischers 57 weist einen mit der Frequenzsumme f_n + f_n-p oszillierenden Anteil und einen mit der Frequenzdifferenz f_n – f_n-p = f_p der Eingangssignale des Mischers 57 oszillierenden Anteil auf. Das Ausgangssignal 77 des Mischers 57 wird einem Bandpassfilter 58 zugeführt. Das Bandpassfilter 58 ist so eingerichtet, dass der mit der Frequenz f_p oszillierende Anteil des Ausgangssignals 77 des Mischers 57 durchgelassen und der mit der Summenfrequenz oszillierende Anteil im Vergleich dazu stark gedämpft wird. Ein Ausgangssignal 78 des Bandpassfilters 58 ist das mit der Frequenz f_p oszillierende abwärts gemischte Signal, das durch Abwärtsmischen der zweiten Komponente 75 des Messsignals erzeugt wird.
Die Phasenmesseinrichtung 59 ist mit einem Ausgang des Bandpassfilters 58 gekoppelt, um das Ausgangssignal 78 des Bandpassfilters 58 zu empfangen, und ist mit dem Ausgang des Bandpassfilters 52 gekoppelt, um das erste oszillierende Referenzsignal 72 zu empfangen. Die Phasenmesseinrichtung 59 ist eingerichtet, um eine zweite Phasendifferenz, die schematisch bei 69 angedeutet ist, zwischen dem Ausgangssignal 78 des Bandpassfilters 58 und dem ersten oszillierenden Referenzsignal 72 zu ermitteln.
Der Phasenmesseinrichtung 59 im zweiten Signalverarbeitungspfad für die zweite Komponente des Messsignals werden Signale 72, 78 zugeführt, die mit der ersten Frequenz f_p oszillieren. Da die zweite Komponente 75 des Messsignals von dem Mischer 57 mit einer Spektralkomponente 76 des Referenzsignals 16 gemischt wird, die eine wohldefinierten Phasenbeziehung zu den anderen Spektralkomponenten des Referenzsignal aufweist, ist die von der zweiten Phasenmesseinrichtung 59 ermittelte Phasendifferenz gleich der Phasendifferenz zwischen der mit der zweiten Frequenz f_n oszillierenden Komponente 75 des Messsignals und einem zweiten oszillierenden Referenzsignal, das der mit der zweiten Frequenz f_n oszillierenden Komponente des Referenzsignals 16 entspricht. Die Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung 51, die derjenigen eines Superheterodynempfängers entsprechen kann, erlaubt die Ermittlung der zweiten Phasendifferenz, die der zweiten Komponente 75 des Messsignals 15 zugeordnet, ohne dass die mit der zweiten Frequenz oszillierenden Komponente des Referenzsignals 16 beispielsweise durch Filterung des Referenzsignals 16 erzeugt werden muss. Das Abwärtsmischen der zweiten Komponente 75 des Messsignals 15 erlaubt es, die Phasenmessung in der Phasenmesseinrichtung 59 bei der niedrigeren Frequenz f_p durchzuführen.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist eine Auswertelogik 61–63 auf. Eine erste Abschätzeinrichtung 61 der Auswertelogik ist mit der Phasenmesseinrichtung 54 des ersten Signalverarbeitungspfads gekoppelt, um basierend auf der von dieser ermittelten ersten Phasendifferenz |Δϕ_p| eine erste Abschätzung für die zu messende Weglänge zu ermitteln. Die erste Abschätzung kann dem ersten Summanden auf der rechten Seite von Gleichung (9) entsprechen. Eine zweite Abschätzeinrichtung 62 der Auswertelogik ist mit der Phasenmesseinrichtung 59 des zweiten Signalverarbeitungspfads gekoppelt, um basierend auf der von dieser ermittelten zweiten Phasendifferenz |Δϕ'_n| eine Verbesserung der ersten Abschätzung für die zu messende Weglänge zu ermitteln. Die Verbesserung der ersten Abschätzung kann dem zweiten Summanden auf der rechten Seite von Gleichung (9) entsprechen. Eine geeignete Schnittstelle 63, beispielsweise ein Display, eine USB-Schnittstelle oder sonstige Schnittstelle kann vorgesehen sein, um die von der ersten Abschätzeinrichtung 61 ermittelte erste Abschätzung und die von der zweiten Abschätzeinrichtung 62 ermittelte verbesserte Abschätzung für die Weglänge auszugeben, beispielsweise an einen Computer.
Die Auswerteeinrichtung 51 ist so ausgestaltet, dass sie eine mit einer ersten Frequenz f_p und eine mit einer zweiten Frequenz f_n oszillierende Komponente des Messsignals auswertet. Die Auswerteeinrichtung 51 kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass λ_p = c/f_p größer ist als eine anfängliche Unsicherheit der zu messenden Weglänge. Die Auswerteeinrichtung 51 kann so ausgestaltet sein, dass die durch die Auswertung der ersten Komponente des Messsignals erhaltene Abschätzung der zu messenden Weglänge die zu messende Weglänge mit einer Auflösung annähert, die kleiner oder gleich λ_n = c/f_n ist.
Bei einer Ausgestaltung kann beispielsweise eine Lichtquelle 2 Lichtpulse mit einer Repetitionsrate f0 = 100 MHz erzeugen. Die Auswerteeinrichtung 51 kann so eingerichtet sein, dass sie die mit f₁ = f0 (p = 1) oszillierende erste Komponente und die mit f₂₄₀ = 240·f0 (n = 240) oszillierende zweite Komponente des Messsignals auswertet. Entsprechend können die Bandpassfilter 52 und 53 einen Durchlassbereich bei einer Frequenz von 100 MHz aufweisen, das Bandpassfilter 55 kann einen Durchlassbereich bei einer Frequenz von 24 GHz aufweisen und das Bandpassfilter 56 kann einen Durchlassbereich bei einer Frequenz von 23,9 GHz aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 5 und 6 wird eine mögliche Ausgestaltung der Phasenmesseinrichtungen 54, 59 beschrieben. Bei der Ausgestaltung wird die Phasendifferenz basierend auf einem Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen eines Signalpaars ermittelt wird.
5 ist eine schematische Darstellung von Phasenmesseinrichtungen für den ersten und zweiten Signalverarbeitungspfad, die als Phasenmesseinrichtungen 54 und 59 bei der Auswerteeinrichtung 51 verwendet werden können.
Die Phasenmesseinrichtung für den ersten Signalverarbeitungspfad umfasst einen ersten Zähler 82. Die Phasenmesseinrichtung für den zweiten Signalverarbeitungspfad umfasst einen zweiten Zähler 84. Ein rechteckförmiges Referenzsignal 92 wird einem Start-Eingang des ersten Zählers 82 und einem Start-Eingang des zweiten Zählers 84 zugeführt. Ein erstes rechteckförmiges Signal 93 wird dem Stop-Eingang des ersten Zählers 82 zugeführt. Ein zweites rechteckförmiges Signal 94 wird dem Stop-Eingang des zweiten Zählers 84 zugeführt. Der erste und zweite Zähler 82, 84 können so ausgestaltet, dass eine positive Signalflanke des rechteckförmigen Referenzsignals 92 an ihrem Start-Eingang einen Zählvorgang startet und eine positive Signalflanke des ersten bzw. zweiten rechteckförmigen Signals 93 bzw. 94 an ihrem Stop-Eingang den Zählvorgang stoppt. Dazu kann beispielsweise mit der positiven Flanke des rechteckförmigen Referenzsignals 92 ein Flipflop gesetzt werden, wäh rend mit der positiven Flanke des ersten bzw. zweiten rechteckförmigen Signals 93 bzw. 94 das Flipflop zurückgesetzt wird. Dadurch wird eine Torschaltung realisiert, die in der Zeit zwischen positiven Flanken des rechteckförmigen Referenzsignals 92 und des ersten bzw. zweiten rechteckförmigen Signals 93 bzw. 94 ein an dem count-Eingang des entsprechenden Zählers 82 bzw. 84 anliegendes Impulssignal an eine Zählerschaltung weiterleitet. Die count-Eingänge der Zähler 82 und 84 sind mit einem Taktsignalgenerator 86 verbunden, der ein Taktsignal an die count-Eingänge bereitstellt. Ein Zählerwert des ersten Zählers 82 kann über eine Schnittstelle 83, beispielsweise einen 16 Bit USB-Port, ausgelesen werden. Ein Zählerwert des zweiten Zählers 84 kann über eine Schnittstelle 85, beispielsweise einen 16 Bit USB-Port, ausgelesen werden. Zum Auslesen kann ein USB-Anschluss 87 vorgesehen sein, der mit einem Computer koppelbar ist.
6 illustriert die verschiedenen Signale an dem Zähler 82. Das rechteckförmige Referenzsignal 92, dessen aufsteigende Flanke den Zähler startet, und das erste rechteckförmige Signal 93, dessen aufsteigende Flanke den Zähler stoppt, definieren ein durch das Signal 102 repräsentiertes Zeitfenster. In dem Zeitfenster wird die Weiterleitung der von dem Taktsignalgenerator 86 erzeugten Impulse zu einer Zählschaltung derart zugelassen, dass der Zählerwert im Zeitfenster zwischen den aufsteigenden Flanken gemäß der Zahl der Impulse erhöht wird, wie mit dem Signal 103 schematisch dargestellt ist.
Bei einer Implementierung kann das rechteckförmige Referenzsignal 92 aus dem ersten oszillierenden Referenzsignal 72, das erste rechteckförmige Signal 93 aus der mit der ersten Frequenz oszillierenden ersten Komponente 73 des Messsignals und das zweite rechteckförmige Signal 94 aus der abwärts gemischten zweiten Komponente 78 des Messsignals erzeugt werden. Dazu können die Phasenmesseinrichtungen für jedes dieser oszillierenden Signale einen Komparator aufweisen, dessen Ausgang bei einem Nulldurchgang des oszillierenden Signals zwischen den beiden Zuständen „Null” und „Eins” schaltet, um die rechteckförmigen Signale 92–94 zu erzeugen. Der Zeitabstand zwischen der positiven Flanke des rechteckförmigen Referenzsignals 92 und der positiven Flanke des ersten rechteckförmigen Signals 93 entspricht dem Zeitabstand zwischen Nulldurchgängen der Signale 72 und 73, aus der die Phasendifferenz zwischen diesen Signalen bestimmt werden kann.
Bei einer Implementierung werden das erste oszillierende Referenzsignal 72, die mit der ersten Frequenz oszillierende erste Komponente 73 des Messsignals und die abwärts gemischte zweite Komponente 78 des Messsignals noch weiter abwärts gemischt, bevor sie der Phasenmesseinrichtung zugeführt werden. Beispielsweise können die Signale bis in einen Frequenzbereich mit Frequenzen kleiner als die Repetitionsrate abwärts gemischt werden. Dazu kann jeweils ein Mischer für das erste oszillierende Referenzsignal 72, die mit der ersten Frequenz oszillierende erste Komponente 73 des Messsignals und die abwärts gemischte zweite Komponente 78 des Messsignals vorgesehen sein, wobei jeder der Mischer mit demselben oszillierenden Signal, beispielsweise von einem externen Oszillator gespeist wird. Bandpassfilter können vorgesehen sein, um die mit der Summenfrequenz oszillierenden Anteile des Ausgangssignale der Mischer zu unterdrücken. Ein derartiges Abwärtsmischen kann insbesondere mit den Methoden und Einrichtungen erfolgen, die in der am selben Tag von der Anmelderin eingereichten deutschen Patentanmeldung „Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglängenmessung” beschrieben sind.
Die Frequenz, auf die das erste oszillierende Referenzsignal 72, die mit der ersten Frequenz oszillierende erste Komponente 73 des Messsignals und die abwärts gemischte zweite Komponente 78 des Messsignals weiter abwärts gemischt werden, kann im Hinblick auf eine gewünschte Messgenauigkeit und eine gewünschte Messrate gewählt werden. So wird bei gegebener Zeitauflösung bei der in 5 dargestellten Implementierung der Phasenmesseinrichtung die Phasenauflösung mit niedrigerer Frequenz höher. Die Anzahl von auflösbaren Phasenwerten ist gegeben durch den Quotienten aus der Frequenz der Signale, die der Phasenmesseinrichtung zugeführt werden, und der Taktfrequenz des Taktsignalgenerators 86, so dass die Phasenauflösung mit kleinerer Frequenz der Signale kleiner wird. Die theoretisch maximal erreichbare Messrate ist gegeben durch die Frequenz der Signale, die der Phasenmesseinrichtung zugeführt werden. Falls die Zählerwerte nicht nach jedem Messzyklus ausgelesen werden, sondern beispielsweise Zählerwerte über eine gewisse Anzahl von Perioden, beispielsweise zehn Perioden, der Signale gemittelt werden, die der Phasenmesseinrichtung zugeführt werden, wird die Messrate entsprechend weiter verringert.
Beispielhafte Parameter für den Betrieb der Phasenmesseinrichtungen von 5 können so gewählt werden, dass das erste oszillierende Referenzsignal 72, die mit der ersten Frequenz oszillierende erste Komponente 73 des Messsignals und die abwärts gemischte zweite Komponente 78 des Messsignals weiter abwärts gemischt werden, bis sie mit einer Frequenz von ca. 10 kHz oszillieren. Das Abwärtsmischen erfolgt dabei unter Beibehaltung der Phasendifferenzen zwischen den Signalen. Der Taktsignalgenerator 86 kann beispielsweise Taktsignale mit einer Taktfrequenz von 100 MHz bereitstellen. Die Phase kann dann mit einer Auflösung von 2·π·10 kHz/100 MHz, also in 10 000 Schritten gemessen werden.
Andere Phasenmesseinrichtungen können bei Auswerteeinrichtungen nach weiteren Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise können das erste und zweite oszillierende Signal abgetastet werden, wobei anschließend ein Fit an die abgetasteten Werte erfolgt, um die Phasendifferenz zu bestimmen. Es kann auch ein herkömmlicher Phasenmesser verwendet werden.
7 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung 110 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Messanordnung 110 umfasst eine Lichtquelle 2, einen an einem Objekt anzubringenden Reflektor 3', einen Strahlteiler 17 und einen Umlenkspiegel 19 zum Lenken eines Referenzstrahls 14 und eines Messstrahls 12, 13, einen Fotodetektor 4 zum Erfassen einer Intensität des Messstrahls 12, 13 als Funktion der Zeit und einen weiteren Fotodetektor 5 zum Erfassen einer Intensität des Referenzstrahls 14 als Funktion der Zeit. Elemente und Einrichtungen der Messanordnung 110, die in ihrer Funktion und Ausgestaltung korrespondierenden Elementen und Einrichtungen der Messanordnung 1 von 1 und der Messanordnung 50 von 4 entsprechen, sind mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, so dass ergänzend auf die Beschreibung der Messanordnung 1 und der Messanordnung 50 Bezug genommen wird.
Die Messanordnung 110 umfasst eine Auswerteeinrichtung 111 zum Auswerten des von dem Fotodetektor 4 erfassten Messsignals. Die Auswerteeinrichtung 111 weist einen Verstärker 64 auf, der mit dem Fotodetektor 4 gekoppelt ist, um das von dem Fotodetektor 4 bereitgestellte Messsignal 15 zu verstärken. Die Auswerteeinrichtung 111 weist einen Verstärker 65 auf, der mit dem weiteren Fotodetektor 5 gekoppelt ist, um das von dem weiteren Fotodetektor 5 bereitgestellte Referenzsignal 16 zu verstärken.
Die Auswerteeinrichtung 111 umfasst einen ersten Signalverarbeitungspfad für eine erste Komponente des Messsignals 15, die mit einer ersten Frequenz f_p = p·f0 oszilliert, wobei p ≥ 1 eine ganze Zahl ist. Der erste Signalverarbeitungspfad umfasst ein Bandpassfilter 53 und eine Phasenmesseinrichtung 54 und ist wie der erste Signalverarbeitungspfad des Auswerteeinrichtung 51 ausgebildet. Die Phasenmesseinrich tung 54 ermittelt eine Phasendifferenz zwischen der ersten Komponente des Messsignals und einer mit derselben Frequenz f_p oszillierenden Komponente des Referenzsignals, die von einem mit dem Verstärker 65 gekoppelten Bandpassfilter 52 bereitgestellt wird.
Die Auswerteeinrichtung 111 weist einen zweiten Signalverarbeitungspfad für eine zweite Komponente des Messsignals 15 auf, die mit einer zweiten Frequenz f_n = n·f0 oszilliert, wobei n eine ganze Zahl und n > p ist. Der zweite Signalverarbeitungspfad umfasst ein Bandpassfilter 55, das wie das Bandpassfilter 55 der Auswerteeinrichtung 51 ausgestaltet ist. Der zweite Signalverarbeitungspfad umfasst zwei Mischer 114, 116 und zwei Bandpassfilter 115, 117. In dem zweiten Signalverarbeitungspfad wird die zweite Komponente des Messsignals 15 in zwei Stufen abwärts gemischt, ähnlich wie bei einem Doppelsubheterodynempfänger.
Die Auswerteeinrichtung 111 umfasst Bandpassfilter 112, 113, die eingangsseitig mit dem Verstärker 65 gekoppelt sind, um das verstärkte Referenzsignal zu empfangen. Das Bandpassfilter 112 weist einen Durchlassbereich auf, der eine Frequenz f_n-r = (n – r)·f0 umfasst. Dabei ist r eine ganze Zahl und n > r > p. Das Bandpassfilter 113 weist einen Durchlassbereich auf, der eine Frequenz f_r-p = (r – p)·f0 umfasst. Die Bandpassfilter 112, 113 können jeweils einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist.
Ein Ausgangssignal des Bandpassfilters 55, das der zweiten Komponente des Messsignals entspricht, und ein Ausgangssignal des Bandpassfilters 112 werden dem Mischer 114 zugeführt. Ein Ausgang des Mischers 114 ist mit einem Bandpassfilter 115 gekoppelt. Das Bandpassfilter 115 ist derart ausgestaltet, dass es den mit der Summenfrequenz f_n + f_n-r oszillierenden Anteil des Ausgangssignals des Mischers 114 im Vergleich zu dem mit der Differenzfrequenz f_n – f_n-r oszillierenden Anteil des Ausgangssignals des Mischers 114 stark unterdrückt. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 115 liegt in einem Zwischenfrequenzbereich bei der Frequenz f_r.
Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 115 und ein Ausgangssignal des Bandpassfilters 113 werden dem Mischer 116 zugeführt. Ein Ausgang des Mischers 116 ist mit einem Bandpassfilter 117 gekoppelt. Das Bandpassfilter 117 ist derart ausgestaltet, dass es den mit der Summenfrequenz f_r + f_r-p oszillierenden Anteil des Ausgangssignals des Mischers 116 im Vergleich zu dem mit der Differenzfrequenz f_r – f_r-p oszillierenden Anteil des Ausgangssignals des Mischers 116 stark unterdrückt. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 117 oszilliert somit mit der Frequenz f_p. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 117 wird der Phasenmesseinrichtung 59 zugeführt und dort ausgewertet, wie für die Auswerteeinrichtung 51 beschrieben.
Die Funktionsweise der Phasenmesseinrichtungen 54, 59 und Auswertelogik 61–63 der Auswerteeinrichtung 111 entspricht derjenigen der entsprechenden Komponenten der Auswerteeinrichtung 51.
Beispielhafte Parameter für eine Ausgestaltung der Messanordnung sind wie folgt. Die Lichtquelle 2 kann Lichtpulse mit einer Repetitionsrate f0 = 100 MHz erzeugen. Die Auswerteeinrichtung 111 kann so eingerichtet sein, dass sie die mit f₁ = f0 (p = 1) oszillierende erste Komponente und die mit f₂₄₀ = 240·f0 (n = 240) oszillierende zweite Komponente des Messsignals auswertet. Die zweite Komponente kann über einen Zwischenfrequenzbereich mit der Frequenz f₆₀ = 60·f0 (r = 60) abwärts gemischt werden. Entsprechend können die Bandpassfilter 52 und 53 einen Durchlassbereich aufweisen bei der Frequenz 100 MHz aufweisen, das Bandpassfilter 55 kann einen Durchlassbereich bei der Frequenz 24 GHz aufweisen, das Bandpassfilter 112 kann einen Durchlassbereich bei der Frequenz 18 GHz aufweisen und das Bandpassfilter 113 kann einen Durchlassbereich bei der Frequenz 5,9 GHz aufweisen.
Die Auswerteeinrichtungen 51, 111 können auch derart eingerichtet sein, dass die Abschätzeinrichtung 61 sowohl die Phasenlage der ersten Komponente des Messsignals, die von der Phasenmesseinrichtung 54 ermittelt wird, als auch die Phasenlage der zweiten Komponente des Messsignals, die von der Phasenmesseinrichtung 59 ermittelt wird, auswertet, um die erste Abschätzung für die zu messende Weglänge zu erhalten, wie dies bereits im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurde. Dazu kann beispielsweise die Größe q, die die Anzahl von ganzen Wellenlängen λ_n in der zu messenden Weglänge d angibt, zunächst gemäß Gleichung (7) ermittelt und einer Konsistenzprüfung basierend auf der Phasenlage der zweiten Komponente des Messsignals unterzogen werden.
8 ist eine schematische Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens 120, das von der Auswerteeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel durchgeführt wird.
Bei 121 wird eine der ersten Komponente des Messsignals zugeordnete erste Phasendifferenz ermittelt. Bei 122 wird basierend auf der der ersten Komponente des Messsignals zugeordneten ersten Phasendifferenz die Anzahl q von ganzen Wellen längen λ_n der zweiten Komponente des Messsignals in der zu messenden Weglänge ermittelt. Dazu kann bei Schritt 122 beispielsweise q gemäß Gleichung (7) bestimmt werden. Die Anzahl q bestimmt das Intervall von q·λ_n bis (q + 1)·λ_n, in dem anhand der Auswertung der höherfrequenten zweiten Komponente des Messsignals die Weglängenmessung verfeinert wird. Bei 123 wird eine der zweiten Komponente des Messsignals zugeordnete zweite Phasendifferenz in ihrem Eindeutigkeitsbereich ermittelt. Die Ermittlung der Phasendifferenzen 121, 123 kann unter Verwendung der ersten und zweiten Signalverarbeitungspfade der Auswerteeinrichtung 51 oder der Auswerteeinrichtung 111 erfolgen.
Bei 124 wird bestimmt, ob eine Konsistenzprüfung für das bei 122 ermittelte Intervall durchgeführt werden soll. Eine derartige Konsistenzprüfung kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn die gemäß Gleichung (6) ermittelte Größe d_p = λ_p·|Δϕ_p|/(2·π) näherungsweise gleich einem ganzzahligen Vielfachen von λ_n ist. Dazu kann beispielsweise überprüft werden, ob der Abstand (d_p – q·λ_n) oder ((q + 1)·λ_n – d_p) von d_p zu den benachbarten Vielfachen von λ_n kleiner als ein Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann abhängig von der Auflösung für die Bestimmung der ersten Phasendifferenz und abhängig von dem Verhältnis der ersten Frequenz f_p und der zweiten Frequenz f_n gewählt werden. Falls keine Konsistenzprüfung durchgeführt werden soll, wird bei 126 die Weglänge ermittelt, beispielsweise gemäß Gleichung (9). Falls bei 124 ermittelt wird, dass eine Konsistenzprüfung durchzuführen ist, wird bei 125 das bei 122 ermittelte Intervall überprüft und gegebenenfalls angepasst. Das Überprüfen des Intervalls bei 125 kann eine Anpassung der bei 122 ermittelten Anzahl q von ganzen Wellenlängen λ_n der zweiten Komponente des Messsignals in der zu messenden Weglänge beinhalten.
9 ist eine Flussdiagrammdarstellung einer Prozedur 130, die zur Überprüfung des ermittelten Intervalls verwendet werden kann. Die Prozedur 130 kann zur Implementierung des Überprüfens 125 bei dem Verfahren 120 von 8 verwendet werden.
Bei 131 wird q gemäß Gleichung (7) ermittelt. Bei 132 wird überprüft, ob die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals kleiner als ein erster Schwellenwert SW1 ist. Falls die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals kleiner als der erste Schwellenwert SW1 ist, wird die Überprüfung des Intervalls beendet, ohne dass eine Korrektur der ermittelten Größe q vorgenommen wird. Falls die gemessene Phasendiffe renz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals nicht kleiner als der erste Schwellenwert SW1 ist, wird bei 133 überprüft, ob die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals größer als ein zweiter Schwellenwert SW2 ist. Falls die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals nicht größer als der zweite Schwellenwert SW2 ist, wird die Überprüfung des Intervalls beendet, ohne dass eine Korrektur der ermittelten Größe q vorgenommen wird. Falls die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals größer als der zweite Schwellenwert SW2 ist, wird bei 134 die gemäß Gleichung (7) ermittelte Größe q um 1 reduziert. Mit diesem neuen Wert für q wird dann die Weglänge berechnet.
Mit der Prozedur 130 kann überprüft werden, ob der gemäß Gleichung (7) ermittelte Wert von q auch mit der gemessenen zweiten Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals konsistent ist. Beispielsweise kann eine Inkonsistenz festgestellt werden, falls die gemäß Gleichung (6) ermittelte Größe d_p = λ_p·|Δϕ'_n|/(2·π) nur geringfügig größer als ein ganzzahliges Vielfaches von λ_n ist und die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals einen Wert aufweist, der nur geringfügig kleiner als 2·π ist. In diesem Fall kann q entsprechend korrigiert werden, bevor die Weglänge ermittelt wird.
Die Schwellenwerte SW1 und SW2 bei der Prozedur 130 können abhängig von der Auflösung für die Bestimmung der ersten Phasendifferenz und abhängig von dem Verhältnis der ersten Frequenz f_p und der zweiten Frequenz f_n gewählt werden. Der zweite Schwellenwert SW2 kann derart gewählt werden, dass er geringfügig kleiner als 2·π ist.
10 veranschaulicht die Überprüfung des Intervalls nach der Prozedur 130. 10 zeigt bei 141 Abstandswerte 145–147, die aufgrund einer endlichen Phasenauflösung bei der Messung der ersten Phasendifferenz bestimmt werden können. Bei 142 sind Intervalle 148, 149 dargestellt, deren Länge der Wellenlänge λ_n der zweiten Komponente des Messsignals entspricht.
Falls die zu messende Weglänge den bei 143 dargestellten Wert aufweist, liegt sie in dem Intervall 148. Falls die Messung der ersten Phasendifferenz gemäß Gleichung (6) einen Wert ergibt, der beispielsweise dem bei 146 dargestellten Wert entspricht, wird der Korrekte Wert q und somit das korrekte Intervall 148 für die Verfeinerung der Weglängenmessung ermittelt. Eine Korrektur von q ist nicht nötig. Falls die Messung der ersten Phasendifferenz gemäß Gleichung (6) einen Wert ergibt, der beispielsweise dem bei 147 dargestellten Wert entspricht, wird die Überprüfung des Intervalls eingeleitet, da der Abstandswert 147 nur geringfügig größer als die untere Grenze des Intervalls 149 ist. Da die gemessene zweite Phasendifferenz |Δϕ'_n| für die zweite Komponente des Messsignals einen Wert aufweist, der nur geringfügig kleiner als 2·π ist, wird eine Inkonsistenz zwischen dem Intervall 149, das der ersten Phasendifferenz gemäß Gleichung (7) zugeordnet wäre, und der gemessenen zweiten Phasendifferenz |Δϕ'_n| erkannt und das Intervall entsprechend korrigiert, indem der Wert für q um 1 reduziert wird.
Die Messanordnungen, die unter Bezugnahme auf 1–10 erläutert wurden, sind beispielhafte Anwendungsgebiete für die Auswerteeinrichtung und das Verfahren zur Weglängenmessung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen. Bei Messanordnungen nach weiteren Ausführungsbeispielen können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden.
Während beispielsweise bei den unter Bezugnahme auf 1–10 erläuterten Messanordnungen 1, 50 und 110 die Folge von Lichtpulsen frei propagiert, kann bei Messanordnungen nach weiteren Ausführungsbeispielen das Licht auch teilweise in einem Lichtwellenleiter, insbesondere einer Lichtleitfaser aus Glas oder Kunststoff, geführt sein. So kann beispielsweise die Messanordnung eine Lichtleitfaser umfassen, deren eines Ende an dem Objekt angebracht wird, dessen Abstand zu einem Referenzposition bestimmt werden soll. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das andere Ende der Lichtleitfaser in der Nähe des Detektors 4 vorgesehen sein.
Die Lichtquelle kann insbesondere auch ein Laser umfassen, der Licht im nicht sichtbaren Spektrum erzeugt, beispielsweise im infraroten Spektralbereich.
Während bei den unter Bezugnahme auf 1-10 detailliert beschriebenen Auswerteeinrichtungen zwei Signalverarbeitungspfade zur Verarbeitung einer ersten und einer zweiten Komponente des Messsignals vorgesehen sind, kann die Auswerteeinrichtung einen zusätzlichen Signalverarbeitungspfad oder mehrere zusätzliche Signalverarbeitungspfade zur Verarbeitung einer weiteren Komponente oder mehrerer weiterer Komponenten des Messsignals aufweisen, die jeweils mit einer mit von der ersten und zweiten Frequenz verschiedenen Frequenz oszillieren. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, um eine dritte Komponente des Messsignals auszuwerten, die mit einer dritten Frequenz oszilliert, die einem ganz zahligen Vielfachen der Repetitionsrate entspricht und die größer als die zweite Frequenz ist. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Phasenlage der dritten Komponente des Messsignals auszuwerten.
Während bei den unter Bezugnahme auf 1-10 erläuterten Messanordnungen 1, 50 und 110 der weitere Detektor 5 vorgesehen ist, um die Lichtintensität als Funktion der Zeit an einer Referenzposition zu erfassen, kann ein entsprechendes Referenzsignal auch anderweitig bereitgestellt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise der optische Frequenzkammgenerator einen Ausgang aufweisen, um ein elektrisches Signal auszugeben, welches die von dem Laser 2 abgestrahlte Lichtintensität als Funktion der Zeit repräsentiert. Dieser Ausgang des Lasers 2 kann mit der Auswerteeinrichtung 6, 51 oder 111 gekoppelt sein, die das von dem Laser 2 bereitgestellte Signal als Referenzsignal oder zur Erzeugung des Referenzsignals für die Phasenmessung verwendet.
Die Lichtquelle kann auch als ein Kurzpulslaser, beispielsweise mit Pulslängen im Pikosekunden-Bereich, ausgebildet sein, der über einen externen Generator getriggert betrieben wird. Dieser Generator weist vorteilhaft eine hohe Frequenzstabilität auf. Beispielsweise können kommerzielle Generatoren bzw. Quarzoszillatoren eine Stabilität von 10^–6 erreichen. Wenn die Signale an einem Frequenzstandard (z. B. DCF 77) angekoppelt werden, kann die Stabilität noch weiter erhöht werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen einstellbar sein. Dadurch kann beispielsweise, wenn zunächst eine niedrige Repetitionsrate gewählt wird, eine sehr große Strecke als Eindeutigkeitsbereich realisiert werden. Falls die Repetitionsrate 10 MHz beträgt, so ergibt sich eine Wellenlänge von 30 m mit eben diesem Eindeutigkeitsbereich für die Weglängenmessung. Indem die Repetitionsrate auf eine entsprechend höhere Frequenz so umgeschaltet wird, dass während der Umschaltung keine Änderung der zu messenden Weglänge erfolgt, kann anschließend eine weitere Messung mit feinerer Auflösung vorgenommen werden.
Anstelle eines an dem Objekt anzubringenden Reflektors kann auch die Oberfläche des Objekts selbst Licht reflektieren oder streuen, so dass bei weiteren Ausführungsformen auf einen separaten Reflektor am Objekt verzichtet werden kann.
Während bei den Messanordnungen 1, 50 und 110 schematisch eine Abstandsmessung in einer Dimension dargestellt ist, können auch mehrere Detektoren 4 und/oder mehrere an dem Objekt anzubringende Reflektoren 3 verwendet werden, um den Abstand eines Reflektors zu verschiedenen Referenzpositionen oder den Abstand verschiedener Reflektoren zu einer Referenzposition zu bestimmen, wie dies beispielsweise in der DE 10 2008 045 387 beschrieben ist. Beispielsweise durch Trilateration können dann die Koordinaten des Reflektors in zwei oder drei Dimensionen ermittelt werden.
Ein Anwendungsgebiet für eine derartige Positionsbestimmung im Raum ist die Bestimmung der Position des Messkopfes eines Koordinatenmessgeräts, wie sie unter Bezugnahme auf 11–21 noch näher beschrieben werden wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Verfahren für ein Koordinatenmessgerät, mit der bzw. mit dem die Position eines Messkopfes eines Koordinatenmessgeräts unter Verwendung optischer Messmethoden bestimmt werden kann.
11 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts 201 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Koordinatenmessgerät 201 ist als Portalmessmaschine ausgebildet und umfasst einen Messkopf 202, der einen Taststift 203 trägt. Der Messkopf 202 ist an einem Rahmen 204 des Koordinatenmessgeräts 201 beweglich gelagert und kann so bewegt werden, dass der Taststift 203 in Kontakt mit einem Objekt gebracht werden kann, dessen Oberfläche mit dem Koordinatenmessgerät 201 vermessen werden soll.
Das Koordinatenmessgerät 201 umfasst eine Messanordnung zum optischen Bestimmen der Position des Messkopfes 202. Die Messanordnung umfasst wenigstens ein in 11 nur schematisch dargestelltes System 205 zur Weglängenmessung mit optischen Komponenten, die schematisch bei 206 dargestellt sind und beispielsweise eine Lichtquelle und einen Fotodetektor umfassen können. Die Lichtquelle ist eingerichtet, um eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate zu erzeugen. Das System weist eine geeignete Aufweitungsoptik auf, um die Folge von Lichtpulsen in einen kegelförmigen Raumbereich 209 einzustrahlen, in dem ein Abstand des Messkopfes 202 zu dem System 205 bestimmt werden soll. Der Fotodetektor des Systems 205 erfasst eine Intensität der Folge von Lichtpulsen, nachdem sie einen Weg 208 zwischen dem System 205 und dem Messkopf 202 wenigstens einmal durchlaufen hat. Der Fotodetektor des Systems 205 zur Weglängenmessung kann die Folge von Lichtpulsen beispielsweise über einen Strahlteiler und/oder eine Sammellinse empfangen. An dem Messkopf 202 kann ein Reflektor vorgesehen sein, der beispielsweise als Retroreflektor ausgebildet sein kann, der den von dem System 205 auf den Messkopf 202 eingestrahlten Lichtstrahl parallel zu dem eingestrahlten Lichtstrahl reflektiert, so dass der Weg zwischen dem System 205 und dem Messkopf 202 von der Folge von Lichtpulsen zweimal durchlaufen wird. Eine Auswerteeinrichtung 207 ist mit dem Fotodetektor des Systems 205 gekoppelt und eingerichtet, um eine Phasenlage einer Komponente des von dem Fotodetektor erfassten Messsignals auszuwerten, um die von der Folge von Lichtpulsen durchlaufene Weglänge zu ermitteln.
Da das System 205 zur Weglängenmessung und der Messkopf 202 eine endliche Ausdehnung haben, sind hier und im Folgenden die Begriff „Weglänge” bzw. „Abstand” zwischen dem System zur Weglängenmessung und dem Messkopf in dem Sinne aufzufassen, dass damit die von der Folge von Lichtpulsen zurückgelegte Weglänge bzw. der Abstand zwischen einer Referenzposition des Systems, beispielsweise dem Auftreffpunkt eines von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls an einem Strahlteiler oder Umlenkspiegel oder der Austrittsöffnung eines Lasers, und einem bestimmten Bereich mit beschränkter Ausdehnung am Messkopf, beispielsweise einem Reflektor am Messkopf 202, bezeichnet ist.
Bei dem Koordinatenmessgerät 201 kann das System 205 zur Weglängenmessung eine Anordnung aufweisen, wie sie unter Bezugnahme auf 1–10 erläutert wurde, wobei eine geeignete Aufweitungsoptik vorgesehen ist, um die Folge von Lichtpulsen in den Messbereich beispielsweise kegelförmig einzustrahlen.
Um drei Koordinaten, die die Position des Messkopfes 202 im Raum bestimmen, zu ermitteln, kann die Messanordnung für das Koordinatenmessgerät eingerichtet sein, um die Weglängen von drei Wegen zu ermitteln, die nicht alle in einer Ebene liegen. Falls die Ausrichtung des Messkopfes 202 im Raum unveränderlich ist, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn der Messkopf 202 in drei orthogonalen Richtungen linear verfahren wird, können aus den drei Weglängen die drei Koordinaten des Messkopfes 202 bestimmt werden, die dessen Position angeben. Falls auch die Ausrichtung des Messkopfes 202, d. h. die Winkellage des Messkopfes 202 im Raum, veränderlich ist, können entsprechend zusätzliche Weglängenmessungen vorgesehen sein, um sowohl die Position als auch die Ausrichtung des Messkopfes 202 zu ermit teln. Falls das Koordinatenmessgerät eine geringere Anzahl von Freiheitsgraden für den Messkopf 202 vorsieht, beispielsweise als ein Flächenmessgerät ausgebildet ist, in dem der Messkopf 202 nur in einer Ebene bewegt wird, genügt eine entsprechend kleiner Anzahl von Systemen zur Weglängenmessung, die die Längen von zwei nicht zueinander parallelen Wegen ermitteln. Die optischen Komponenten der Messanordnung können ortsfest relativ zu dem Rahmen 204 des Koordinatenmessgeräts 201 vorgesehen sein, so dass die Position des Messkopfes relativ zu dem Rahmen 204 des Koordinatenmessgeräts 201 bestimmt werden kann.
Bei dem Koordinatenmessgerät 201 und den unter Bezugnahme auf 12-21 noch beschriebenen Messanordnungen und Messgeräten kann der Betrieb derart erfolgen, dass der Messkopf und damit der Taststift tastend an ein Objekt herangeführt wird, das vermessen werden soll. Bei einer Berührung zwischen Taststift und Objekt wird ein Triggersignal ausgegeben. Das Triggersignal kann der Messanordnung zur Bestimmung der Position des Messkopfes zugeführt werden. Als Antwort auf das Triggersignal werden die aktuell ermittelten Koordinaten des Messkopfes abgespeichert. Falls der Taststift 203 beweglich an dem Messkopf 202 gelagert ist, wird gleichzeitig auch eine Auslenkung des Taststiftes 203 erfasst und gespeichert, um mit den von der optischen Messanordnung bestimmten Koordinaten verrechnet werden zu können.
Bei dem Koordinatenmessgerät 201 und den unter Bezugnahme auf 12-21 noch beschriebenen Messanordnungen und Messgeräten kann anstelle eines mechanischen Tasters auch ein Messkopf verwendet werden, der einen optischen Taster, beispielsweise einen Entfernungstaster, aufweist. Eine mögliche Ausgestaltung für einen derartigen optischen Taster ist ein Triangulationstaster, der an einem unteren Ende des Messkopfes angeordnet ist. Der optische Taster kann ebenfalls eingerichtet sein, um ein Triggersignal auszugeben, bei dem die aktuell ermittelten Koordinaten des Messkopfes abgespeichert werden.
12 zeigt schematisch eine Messanordnung 211 mit drei Systemen 213, 215, 217 zur Weglängenmessung. Das System 213 ist eingerichtet, um eine Weglänge eines Wegs 214 zwischen dem System 213 und einem Reflektor zu bestimmen, der an der dem System 213 zugewandten Seite des Messkopfes 202 vorgesehen ist. Das System 215 ist eingerichtet, um eine Weglänge eines Wegs 216 zwischen dem System 215 und einem Reflektor zu bestimmen, der an der dem System 215 zugewandten Seite des Messkopfes 202 vorgesehen ist. Das System 217 ist eingerichtet, um eine Weglänge eines Wegs 218 zwischen dem System 217 und einem Reflektor zu bestimmen, der an der dem System 217 zugewandten Seite des Messkopfes 202 vorgesehen ist. Aus den drei Weglängen 213, 215, 217 können die Abstände zwischen den am Messkopf vorgesehenen Reflektoren und den entsprechenden Systemen 213, 215, 217 bestimmt werden. Da die Position der optischen Komponenten der Systeme 213, 215, 217 relativ zueinander und somit die Referenzpositionen der Systeme 213, 215, 217, in Bezug auf die die Weglängen 214, 216, 218 gemessen werden, bekannt sind, kann aus den Relativpositionen der optischen Komponenten der Systeme 213, 215, 217 und den Weglängen der Wege 214, 216, 218 die Position des Messkopfes 202 bestimmt werden, beispielsweise durch Trilateration.
Die Systeme 213, 215, 217 können jeweils voneinander unabhängig und separat ausgebildet sein. Beispielsweise kann jedes der Systeme 213, 215, 217 eine Messanordnung mit einer Auswerteeinrichtung umfassen, wie sie unter Bezugnahme auf 1–10 beschrieben wurde. Die Systeme 213, 215, 217 zur Weglängenmessung können auch optische oder elektrische Komponenten teilen. Beispielsweise kann nur eine Lichtquelle zum Erzeugen der Folge von Lichtpulsen vorgesehen sein, wobei aus dem von der Lichtquelle erzeugten Strahl durch geeignete eingerichtete Strahlteiler und Umlenkspiegel Licht aus unterschiedlichen Richtungen auf den Messkopf 202 eingestrahlt werden kann.
Falls nur drei Systeme zur Weglängenmessung vorgesehen sind, ist das Messvolumen 219, in dem die Position des Messkopfes 202 bestimmbar ist, gegeben durch den Schnittbereich derjenigen Raumbereiche, in denen jedes der Systeme 213, 215, 217 zur Weglängenmessung eine Weglängenmessung vornehmen kann. Diese Raumbereiche können beispielsweise durch den Schnittbereich die Lichtkegel der Systeme 213, 215, 217 definiert sein. Falls mehr als drei Systeme zur Weglängenmessung vorgesehen sind, ist das Messvolumen, in dem die Position des Messkopfes 202 bestimmbar ist, gegeben durch die Vereinigung der Raumbereiche, in denen jeweils wenigstens drei Systeme zur Weglängenmessung eine Weglängenmessung durchführen können. Die Verwendung von mehr als drei Systemen zur Weglängenmessung kann somit eine Positionsbestimmung für den Messkopf 202 auch in Raumbereichen erlauben, in denen der Messkopf von einem der Systeme abgeschattet ist.
13 ist eine schematische Draufsicht eines Messkopfes 202. Der Messkopf 202 kann bei dem Koordinatenmessgerät 201 von 11 und in Kombination mit der Messanordnung 211 von 12 verwendet werden.
Der Messkopf 202 ist so ausgebildet, dass er drei jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehende Retroreflexionsebenen aufweist. Dazu können zueinander orthogonale Seitenflächen des Messkopfes 202 jeweils mit einem Retroreflektoren 221 bzw. 222 ausgestattet sein. Ein weiterer Retroreflektor ist an einer zur Zeichenebene von 13 orthogonalen Seitenfläche des Messkopfes ausgebildet. Der Retroreflektor 221 ist so ausgebildet, dass er einen einfallenden Lichtstrahl 223 parallel in einem Lichtstrahl 224 zurückreflektiert. Der Retroreflektor 222 ist so ausgebildet, dass er einen einfallenden Lichtstrahl 225 parallel in einem Lichtstrahl 226 zurückreflektiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Messkopf 202 so an dem Koordinatenmessgerät 201 vorgesehen sein, dass der Messkopf 202 entlang von Richtungen linear bewegbar ist, die senkrecht zu den Seitenflächen des Messkopfes sind, die mit Retroreflektoren ausgebildet sind. Der Messkopf 202 kann entsprechend bei einem Koordinatenmessgerät 201 eingesetzt werden, das eine herkömmliche Linearkinematik entlang von drei orthogonalen Achsen für den Messkopf 202 vorsieht.
Ein an dem Messkopf vorgesehener Retroreflektor bzw. mehrere an dem Messkopf vorgesehene Retroreflektoren können auch elektrisch schaltbar sein, d. h. Reflexionseigenschaften aufweisen, die mit einem elektrischen Signal steuerbar sind. Wie unter Bezugnahme auf 16 noch näher erläutert werden wird, erlauben derartige Reflektoren eine Modulation des reflektierten Lichtes oder eine zeitsequentielle Bestimmung von Abständen zwischen unterschiedlichen Bereichen des Messkopfes und einer Referenzposition.
14 zeigt einen Reflektor 231, der elektrisch schaltbare Reflexionseigenschaften aufweist. Der Reflektor 231 kann an dem Messkopf 202 vorgesehen werden. Der Reflektor 231 umfasst beispielsweise mehrere in der Form eines Tripelspiegels oder Corner Cubes angeordnete LCOS (liquid crystal an silicon)-Elemente 232, 233. Es können LCOS-Elemente mit nematischen Flüssigkristallen oder LCOS-Elemente mit ferroelektrischen Flüssigkristallen verwendet werden. Ferroelektrische LCOS-Elemente können eingesetzt werden, um hohe Messraten bei der Positionsbestimmung zu erzielen. Die LCOS-Elemente 232, 233 sind elektrisch steuerbare Reflektoren, deren Reflexionskoeffizient mit einer angelegten Spannung gesteuert werden kann. Mit einem derart ausgebildeten Reflektor 231 kann eine Intensität eines reflektierten Lichtstrahls 235 eingestellt werden, wenn ein Lichtstrahl 234 auf den Reflektor 231 einfällt. Der Reflektor 231 erlaubt beispielsweise eine zeitliche Modulation der Intensität des reflektierten Lichtstrahls 235 oder ein selektives Einstellen, ob ein Retroreflektor für ein System zur Weglängenmessung sichtbar ist oder nicht.
Unter Bezugnahme auf 15-21 werden Koordinatenmessgeräte und Messanordnungen dafür nach verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben, bei denen unterschiedliche Strahlengänge zur Messung mehrerer Abstände zwischen Bereichen des Messkopfes und Referenzpositionen realisiert sind. Bei jedem der Koordinatenmessgeräte umfasst die Messanordnung ein System zur Weglängenmessung oder mehrere Systeme zur Weglängenmessung. Obwohl dies in den 15-21 teilweise nicht detailliert dargestellt ist, weisen die System zur Weglängenmessung eine Lichtquelle zum Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen, eine Fotodetektor zum Erfassen einer Intensität der Folge von Lichtpulsen nach Durchlaufen einer Weglänge zwischen dem System zur Weglängenmessung und dem Messkopf und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten eines von dem Fotodetektor bereitgestellten Messsignals auf. Die Auswerteeinrichtung ist jeweils eingerichtet, um zur Bestimmung der durchlaufenen Weglänge eine Phasenlage einer Komponente des Messsignals zu ermitteln, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Jedes der Systeme zur Weglängenmessung kann beispielsweise eine Messanordnung umfassen, wie sie unter Bezugnahme auf 1-11 beschrieben wurde.
15 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts 241 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Koordinatenmessgerät 241 umfasst einen Roboterarm 244. An einem Ende des Roboterarms 244 ist ein Messkopf 242 vorgesehen, an dem ein Taststift 243 angeordnet ist. Der Roboterarm 244 ist vorgesehen, um den Messkopf 242 zu bewegen, beispielsweise um eine Oberfläche eines Objekts 249 abzutasten. Die Robotersteuerung kann so eingerichtet sein, dass der Messkopf 242 entlang dreier zueinander orthogonaler Achsen translatorisch bewegt, aber nicht verdreht wird.
An einem Gehäuse des Messkopfes 242 ist an drei zueinander orthogonalen Seitenflächen jeweils wenigstens ein Retroreflektor ausgebildet, wie unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
Ein schematisch dargestelltes System 245 zur Weglängenmessung ermittelt eine von einer Folge von Lichtpulsen entlang einem Weg 246 durchlaufene Weglänge zwischen einer Referenzposition des Systems 245 und dem Retroreflektor, der an der dem System 245 zugewandten Seite des Messkopfes 242 vorgesehen ist. Ein schematisch dargestelltes weiteres System 247 zur Weglängenmessung ermittelt eine von einer Folge von Lichtpulsen entlang einem weiteren Weg 248 durchlaufene Weglänge zwischen einer Referenzposition des weiteren Systems 247 und dem Retroreflektor, der an der dem weiteren System 247 zugewandten Seite des Messkopfes 242 vorgesehen ist. Ein (nicht dargestelltes) drittes System zur Weglängenmessung ermittelt die Länge eines dritten Weges zwischen einer dritten Referenzposition und dem Messkopf. Aus den drei Weglängen und den bekannten Positionen der optischen Elemente der Systeme zur Weglängenmessung kann, beispielsweise computergestützt, die Position des Messkopfes 242 bestimmt werden.
Ein an dem Messkopf 242 vorgesehener Sensor gibt ein Triggersignal aus, wenn der Taststift 243 das Objekt 249 berührt. Als Antwort auf das Triggersignal bestimmt die Messanordnung mit den Systemen 245, 247 die Position des Messkopfes 242. Die Positionsbestimmung kann auch quasi-kontinuierlich mit einer Messrate erfolgen, die im Bereich mehrerer kHz liegen kann, wobei die aktuelle Position erfasst und gespeichert wird, wenn das Triggersignal ausgegeben wird.
16 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts 261 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Koordinatenmessgerät 261 umfasst einen Roboterarm 264. An einem Ende des Roboterarms 264 ist ein Messkopf 262 vorgesehen, an dem ein Taststift 263 angeordnet ist. Der Roboterarm 264 ist vorgesehen, um den Messkopf 262 zu bewegen, beispielsweise um eine Oberfläche eines Objekts 269 abzutasten. Die Robotersteuerung kann so eingerichtet sein, dass der Messkopf 262 entlang dreier zueinander orthogonaler Achsen translatorisch bewegt, aber nicht verdreht wird.
An einem Gehäuse des Messkopfes 262 sind an einer ersten Seitenfläche drei voneinander beabstandete Retroreflektoren 271 vorgesehen. Jeder der Retroreflektoren kann als Tripelspiegel oder Corner Cube ausgebildet sein, wie unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
Ein schematisch dargestelltes System 265 zur Weglängenmessung ermittelt eine Weglänge für drei unterschiedliche Wege 272, die von einer Folge von Lichtpulsen zwischen einer Referenzposition des Systems 265 und jeweils einem der drei Retroreflektoren 271, der an der dem System 265 zugewandten Seite des Messkopfes 262 vorgesehen ist, durchlaufen werden. Aus den drei ermittelten Weglängen und den bekannten Relativpositionen der drei Retroreflektoren 271 zueinander ist die Position des Messkopfes 262 bestimmbar.
Um die drei ermittelten Weglänge jeweils einem der drei Retroreflektoren 271 zuordnen zu können, sind die drei Retroreflektoren 271 so codiert, dass sie von dem System 245 unterschieden werden können. Die Codierung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Retroreflektoren 271 zeitsequentiell mit mechanischen oder elektronischen Shuttern geöffnet werden, so dass zu einem Zeitpunkt jeweils nur einer der drei Retroreflektoren 271 reflektiert. Anstelle von Shuttern können für eine derartige zeitsequentielle Messung auch Retroreflektoren mit elektrisch schaltbaren Reflexionseigenschaften verwendet werden, wie sie unter Bezugnahme auf 14 erläutert wurden. Die gemessenen Weglängen bzw. Abstände können dann synchron dem jeweils geöffneten Retroreflektor zugeordnet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das System 265 Laserlichtquellen mit drei unterschiedlichen Wellenlängen des ausgegebenen Lichtes aufweisen. Jeder der Retroreflektoren 271 kann selektiv für nur eine der Wellenlängen ausgelegt werden, beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Farbfilters. Die gemessenen Weglängen können dann, je nach Wellenlänge des Lichtes, einem der drei Retroreflektoren 271 zugeordnet werden. Das System 265 kann mehrere Fotodetektoren umfassen, die ebenfalls mit entsprechenden Farbfiltern ausgestattet sind, um selektiv Licht einer Wellenlänge zu erfassen. Die Wellenlängen können geeignet so ausgewählt werden, dass sie gut unterscheidbar sind. Bei einer Ausgestaltung wird Licht mit der ersten und zweiten Wellenlänge eines intern frequenzverdoppelten Lasers sowie ein weiterer Laser mit einer Wellenlänge verwendet, die näherungsweise in der Mitte zwischen den vorstehenden Wellenlängen des frequenzverdoppelten Lasers liegt. So kann ein ausreichender Abstand zwischen den einzelnen Wellenlängen erreicht und die Selektion der Filter erleichtert werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das von den Retroreflektoren 271 reflektierte Licht moduliert. Die Modulation kann beispielsweise derart erfolgen, dass das von unterschiedlichen Retroreflektoren reflektierte Licht mit unterschiedlicher Frequenz amplitudenmoduliert ist. So können beispielsweise die Reflexionseigenschaften eines ersten Reflektors mit 2 kHz, die Reflexionseigenschaften eines zweiten Reflektors mit 5 kHz und die Reflexionseigenschaften des dritten Reflektors mit 7 kHz moduliert werden. Dazu können beispielsweise vor den Reflektoren 271 entsprechende Modulatoren vorgesehen sein, die mit den entsprechenden Modulationsfrequenz betrieben werden, um dem reflektierten Licht eine Amplitudenmodulation aufzuprägen. In der Auswerteeinrichtung wird für jede verwendete Amplituden-Modulationsfequenz eine Filterung vorgenommen, um die empfangenen Signale den verschiedenen Reflektoren 271 zuzuordnen. Alternativ können die Retroreflektoren selbst elektrisch einstellbare Reflexionseigenschaften aufweisen, die mit unterschiedlichen Frequenzen periodisch verändert werden, um eine Modulation der reflektierten Lichtintensität zu erreichen. Für jedes der durch die Filterung zugeordneten Signale kann anschließend eine Phasenlage oder ein Laufzeitunterschied bestimmt werden. Da die Modulationsfrequenzen klein sind im Vergleich zu der Repetitionsrate, mit der die Folge von Lichtpulsen erzeugt wird, wird die Bestimmung der Phasenlage durch die Amplitudenmodulation an den Reflektoren nicht beeinflusst.
An einer weiteren Seitenfläche des Gehäuses des Messkopfes 262 sind drei weitere Retroreflektoren 273 vorgesehen. Ein schematisch dargestelltes weiteres System 266 zur Weglängenmessung ermittelt eine Weglänge für drei unterschiedliche Wege 274, die von einer Folge von Lichtpulsen zwischen einer Referenzposition des Systems 266 und jeweils einem der drei Retroreflektoren 273, der an der dem System 266 zugewandten Seite des Messkopfes 262 vorgesehen ist, durchlaufen werden. Die Ausgestaltung der drei weiteren Retroreflektoren 273 und des weiteren Systems 267 zur Weglängenmessung entspricht derjenigen der drei Retroreflektoren 272 und des Systems 266. Durch die Verwendung der drei weiteren Retroreflektoren an der weiteren Seitenfläche des Messkopfes kann eine Positionsbestimmung durch das System 267 auch dann erfolgen, wenn der Strahlengang zwischen dem System 265 und einem der drei Retroreflektoren 271 unterbrochen ist.
Wie unter Bezugnahme auf 15 beschrieben, kann bei dem Koordinatenmessgerät 261 die Position des Messkopfes 262 als Antwort auf ein Triggersignal erfasst werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Lichtleitfaser oder können mehrere Lichtleitfasern verwendet werden, um die Folge von Lichtpulsen zu leiten. Ein Ende der Lichtleitfaser kann dabei an einem Punkt angebracht werden, dessen Position im Raum bestimmt werden soll. Beispielsweise kann ein Ende der Lichtleitfaser an einem Messkopf eines Koordinatenmessgeräts vorgesehen werden.
17 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Bestimmung der Position eines Roboterarms 284, der in einem Koordinatenmessgerät 281 verwendet werden kann. Der Roboterarm 284 weist ein Ende 282 auf, das beispielsweise als Messkopf eines Koordinatenmessgerät 281 eingesetzt werden kann und eine dafür geeignete (nicht dargestellte) Sensorik aufweisen kann.
Die Messanordnung umfasst eine Lichtleitfaser 283, die beispielsweise als Glas- oder Kunststofffaser ausgebildet sein kann. Ein Ende der Lichtleitfaser ist an dem Messkopf 282 angebracht. Ein anderes Ende der Lichtleitfaser ist mit einer Lichtquelle 280 eines Systems zur Weglängenmessung gekoppelt, die im Betrieb eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt und in die Lichtleitfaser 283 einkoppelt. Das Ende der Lichtleitfaser, das an dem Messkopf 282 angebracht ist, ist so ausgestaltet oder mit optischen Komponente derart versehen, dass die Folge von Lichtpulsen von dem Messkopf 282 aus in einen Winkelbereich abgestrahlt wird.
Die Messanordnung umfasst ein Detektorarray 286 mit drei Detektoren 291–293, die beispielsweise als Fotodetektoren ausgebildet sein können. Die Fotodetektoren 291–293 erfassen die Folge von Lichtpulsen, die an dem Kopf des Roboterarms aus dem Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelt wird. Eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wertet die von den Fotodetektoren 291–293 erfassten Messsignals aus, um eine Phasenlage einer Komponente der Messsignale zu bestimmen, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Die Auswerteeinrichtung kann die Phasenlage relativ zu Referenzsignalen ermitteln, die beispielsweise aus einem Ausgangssignal der Lichtquelle 280 erzeugt werden. Auf diese Weise können beispielsweise die Weglängenunterschiede zwischen einem Weg 294 von dem Messkopf 282 zu dem Fotodetektor 291, einem Weg 295 von dem Messkopf 282 zu dem Fotodetektor 292 und einem Weg 296 von dem Messkopf 282 zu dem Fotodetektor 293 ermittelt werden. Aus den bekannten Relativpositionen der Fotodetektoren 291–293 zueinander und den Weglängenunterschieden zwischen den Wegen 294–296 oder aus den bekannten Relativpositionen der Fotodetektoren 291–293 zueinander und den Weglängen der Wege 294–296 zwischen dem Messkopf 282 und den Fotodetektoren kann die Position des Messkopfes 282 bestimmt werden. Dabei kann auch die Länge und der Brechungsindex der Lichtleitfaser 283 berücksichtigt werden.
Die Messanordnung umfasst eine weiteres Detektorarray 285 mit drei weiteren Detektoren 287, die beispielsweise als Fotodetektoren ausgebildet sein können. Eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wertet die von den Fotodetektoren 287 erfassten Messsignals aus, um beispielsweise drei weitere Weglängen 288 zwischen dem Messkopf 282 und den Fotodetektoren 287 zu ermitteln. Je nach Sichtbarkeit des Messkopfes 282 können drei beliebige der Fotodetektoren 287 und 291–293 zur Bestimmung der Position des Messkopfes 282 herangezogen werden. Dabei können beispielsweise auch Signale von zwei Fotodetektoren des Detektorarrays 286 und von einem Fotodetektor des Detektorarrays 285 ausgewertet werden. Somit kann auch bei einem eventuell durch das Messobjekt versperrten Strahlweg eine Positionsbestimmung des Messkopfes 282 ausgeführt werden.
Wie unter Bezugnahme auf 15 beschrieben, kann bei dem Koordinatenmessgerät 281 die Position des Messkopfes 282 als Antwort auf ein Triggersignal erfasst werden.
18 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts 301 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Koordinatenmessgerät 301 umfasst einen Roboterarm 304. An einem Ende des Roboterarms 304 ist ein Messkopf 302 vorgesehen. Der Roboterarm 304 ist vorgesehen, um den Messkopf 302 zu bewegen, beispielsweise um eine Oberfläche eines Objekts abzutasten.
Eine Messanordnung umfasst drei Lichtleitfasern 306–308. Ein Ende 316–318 jeder der Lichtleitfasern 306–308 ist an dem Messkopf 302 angebracht. Das jeweils andere Ende der Lichtleitfasern ist mit einer Lichtquelle 305 der Messanordnung gekoppelt. Es können separate Lichtquellen vorgesehen sein, die jeweils eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugen, wobei das von den unterschiedlichen Lichtquellen erzeugte Licht eine unterschiedliche Wellenlänge bzw. Farbe aufweist. Entsprechend kann Licht unterschiedlicher Wellenlänge in die drei Lichtleitfasern 306–308 eingekoppelt werden, wobei die Intensität jeweils mit der Repetitionsrate moduliert ist. Die Enden der Lichtleitfasern 306–308, die an dem Messkopf 302 angebracht sind, sind so ausgestaltet oder mit optischen Komponente 316–318 derart versehen, dass die Folge von Lichtpulsen von dem Messkopf 302 aus in einen Winkelbereich abgestrahlt wird.
Die Messanordnung umfasst eine Detektoreinrichtung 320 mit einem Fotodetektor 321 und einem Filterrad 322. Das Filterrad 322 weist Farbfilter 326–328 auf. Das Fil terrad 322 ist so ausgestaltet, dass je nach Position nur die Folge von Lichtpulsen, die von einer bestimmten der drei Lichtleitfasern 306–308 austritt, erfasst wird. Beispielsweise kann das Farbfilter 326 so ausgestaltet sein, dass es Licht mit der Wellenlänge, das in die Lichtleitfaser 306 eingekoppelt wird, transmittiert und Licht mit den Wellenlängen, die in die Lichtleitfasern 307 und 308 eingekoppelt werden, nicht transmittiert. Das Farbfilter 327 kann so ausgestaltet sein, dass es Licht mit der Wellenlänge, das in die Lichtleitfaser 307 eingekoppelt wird, transmittiert und Licht mit den Wellenlängen, die in die Lichtleitfasern 306 und 308 eingekoppelt werden, nicht transmittiert. Das Farbfilter 328 kann so ausgestaltet sein, dass es Licht mit der Wellenlänge, das in die Lichtleitfaser 308 eingekoppelt wird, transmittiert und Licht mit den Wellenlängen, die in die Lichtleitfasern 306 und 307 eingekoppelt werden, nicht transmittiert.
Durch Drehung des Filterrads 322 können zeitsequentiell Signale ausgewertet werden, die von den unterschiedlichen, beabstandet an dem Messkopf 302 angebrachten Enden der Lichtleitfasern 306–308 zu dem Fotodetektor 321 laufen.
19 zeigt unterschiedliche Stellungen des Filterrads. Bei der in 19A dargestellten Stellung des Filterrads erfasst der Fotodetektor 321 die Folge von Lichtpulsen, die aus dem Ende der Lichtleitfaser 306 austritt und entlang einem Weg 336 zu dem Fotodetektor 321 propagiert. Bei der in 19B dargestellten Stellung des Filterrads erfasst der Fotodetektor 321 die Folge von Lichtpulsen, die aus dem Ende der Lichtleitfaser 307 austritt und entlang einem Weg 337 zu dem Fotodetektor 321 propagiert. Bei der in 19C dargestellten Stellung des Filterrads erfasst der Fotodetektor 321 die Folge von Lichtpulsen, die aus dem Ende der Lichtleitfaser 308 austritt und entlang einem Weg 338 zu dem Fotodetektor 321 propagiert.
Eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wertet die zeitsequentiell erfassten Signale aus. Aus der Phasenlage von Komponenten der zeitsequentiell erfassten Signale, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren, können beispielsweise die drei Weglängen 336, 337 und 338 bestimmt werden. Die Längen der Lichtleitfasern und der Brechungsindex der Lichtleitfasern können dabei berücksichtigt werden.
Wie unter Bezugnahme auf 15 beschrieben, kann bei dem Koordinatenmessgerät 301 die Position des Messkopfes 302 als Antwort auf ein Triggersignal erfasst werden.
20 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts 341 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Koordinatenmessgerät 341 umfasst einen Roboterarm 344. An einem Ende des Roboterarms 344 ist ein Messkopf 342 vorgesehen. Der Roboterarm 344 ist vorgesehen, um den Messkopf 342 zu bewegen, beispielsweise um eine Oberfläche eines Objekts abzutasten.
Die Messanordnung zum Bestimmen der Position des Messkopfes 342 weist drei Lichtleitfasern 346, 347 und 348 auf. Ein Ende jeder Lichtleitfaser ist an dem Messkopf 342 angebracht. An dem Messkopf ist ein Array aus drei Empfängern 356, 357 und 358 vorgesehen. Das an dem Messkopf 342 angebrachte Ende jeder der Lichtleitfasern 346–348 ist mit einem der Empfänger 356–358 gekoppelt, die Licht in die entsprechende Lichtleitfaser 346–348 einkoppeln. Die anderen Enden der Lichtleitfasern 346–348 sind mit einer Detektoreinrichtung 345 gekoppelt. Die Detektoreinrichtung 345 kann einen Fotodetektor für jede der Lichtleitfasern 346–348 umfassen, der eine Intensität des in der entsprechenden Lichtleitfaser 346–348 zu dem zugeordneten Fotodetektor geleiteten Lichtsignals erfasst.
Die Messanordnung umfasst eine ortsfest angeordnete Lichtquelle 348, die eingerichtet ist, um eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate zu erzeugen und in einen Raumbereich einzustrahlen, in dem die Position des Messkopfes 342 zu bestimmen ist. Die Lichtquelle 348 kann beispielsweise einen Kurzpulslaser oder einen Frequenzkammgenerator mit einer geeigneten Aufweitungsoptik umfassen.
Die Messanordnung umfasst eine Auswerteeinrichtung 346, die mit der Detektoreinrichtung 345 gekoppelt ist. Die Auswerteeinrichtung 346 kann beispielsweise eingerichtet sein, um eine Phasendifferenz zwischen einer Komponente einer von einem der Fotodetektoren erfassten Intensität, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, und einem mit derselben Frequenz oszillierenden Komponente eines Referenzsignal zu ermitteln. Das Referenzsignal kann beispielsweise von der Lichtquelle 348 bereitgestellt oder mit einem weiteren ortsfest angeordneten Fotodetektor aufgenommen werden. Aus den ermittelten Phasenlagen können beispielsweise die drei Weglängen der Wege 351, 352 und 353 bestimmt werden. Die Längen der Lichtleitfasern 346–348 und der Brechungsindex der Lichtleitfasern 346–348 können dabei berücksichtigt werden.
Wie unter Bezugnahme auf 15 beschrieben, kann bei dem Koordinatenmessgerät 341 die Position des Messkopfes 342 als Antwort auf ein Triggersignal erfasst werden.
21 ist eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts 371 nach einem Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen des Koordinatenmessgeräts 371, die in ihrer Funktion und Ausgestaltung Elementen oder Einrichtungen des Koordinatenmessgeräts 371 von 20 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei ergänzend auf die Beschreibung des Koordinatenmessgeräts 341 Bezug genommen wird.
Die Messanordnung des Koordinatenmessgeräts 371 umfasst einen Glasfasermultiplexer 372. Die Enden der Lichtleitfasern 346–348, die nicht am Messkopf 342 angebracht sind, sind mit dem Glasfasermultiplexer 372 gekoppelt. Der Glasfasermultiplexer 372 ist mit einer Auswerteeinrichtung 375 gekoppelt und wird zyklisch und synchron mit der Messwerterfassung von dieser angesteuert, um zu kontrollieren, welches der von den Lichtleitfasern 346–348 geführten Signale von dem Glasfasermultiplexer 372 an einen Detektor 373 ausgegeben wird. Der Detektor 373 kann als Fotodetektor ausgebildet sein, der die Intensität des Ausgangssignals des Glasfasermultiplexers 372 als Funktion der Zeit erfasst. Der Detektor 373 gibt ein Messsignal, das die erfasste Intensität repräsentiert, an die Auswerteeinrichtung 375 aus.
Stationär und beispielsweise an einem Sockel des Roboterarms 344 ist ein weiterer Fotodetektor 374 vorgesehen, welcher als Referenzdetektor für die Messung dient. Die Weglänge zwischen dem weiteren Fotodetektor 374 und der Lichtquelle 348 ist zeitlich konstant, da beide Einrichtungen stationär sind. Aus der von dem weiteren Detektor 374 erfassten Intensität kann eine Bezugsphase abgeleitet werden. Ein Ausgangssignal des weiteren Fotodetektors 374 wird der Auswerteeinrichtung 375 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 375 ist eingerichtet, um eine Phasenlage zwischen einer Komponente des von dem Detektor 373 bereitgestellten Messsignals und einer Komponente des von dem weiteren Detektor 374 bereitgestellten Referenzsignals zu ermitteln, wobei die Komponenten jeweils mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren. Durch Umschalten des Glasfasermultiplexers 372 können zeitsequentiell die Phasenlagen für die Folgen von Lichtpulsen ermittelt werden, die die verschiedenen Wege 351–353 von der Lichtquelle 348 zu den Enden der Lichtleitfasern 346–348 durchlaufen haben. Aus den ermittelten Phasenlagen können beispielsweise die drei Weglängen der Wege 351, 352 und 353 bestimmt werden. Die Längen der Lichtleitfasern 346–348 und der Brechungsindex der Lichtleitfasern 346–348 können dabei berücksichtigt werden. Aus den drei Weglängen kann, beispielsweise durch Trilateration, die Position des Messkopfes 342 bestimmt werden.
Bei einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 21 kann der Glasfasermultiplexer 372 im oder am Messkopf 342 vorgesehen sein, so dass nur noch eine Glasfaserableitung entlang dem Roboterarm 344 geführt werden muss. Bei einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 21 kann die gesamte Auswerteeinrichtung 375 am oder in dem Roboterkopf 342 integriert sein, wobei eine Lichtleitfaser das Referenzsignal als optisches Signal von einem stationären Punkt des Robotersockels zu dem Referenzempfänger leitet.
Wie unter Bezugnahme auf 15 beschrieben, kann bei dem Koordinatenmessgerät 371 die Position des Messkopfes 342 als Antwort auf ein Triggersignal erfasst werden.
Bei den Koordinatenmessgeräten und Messanordnungen für Koordinatenmessgeräte nach verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Position des Messkopfes mit optischen Messmethoden ermittelt werden, so dass die Position nicht mehr über die Kinematik des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden muss.
Während die Koordinatenmessgeräten Messanordnungen aufweisen können, die gleichzeitig zwei Komponenten eines Messsignals auswerten, kann bei weiteren Ausführungsbeispielen eine Messanordnung mit einer Auswerteeinrichtung verwendet werden, in der nur eine Komponente des Messsignals, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, ausgewertet wird. Beispielsweise kann eine Auswerteeinrichtung verwendet werden, wie sie in der von der Anmelderin am selben Tag eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Titel „Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglängenmessung” beschrieben ist.
Die unter Bezugnahme auf 17–21 beschriebenen Verfahren und Messanordnungen sind nicht nur zur Bestimmung der Position eines Messkopfes eines Koordinatenmessgeräts, sondern allgemein zur Positionsbestimmung eines Objekts, insbesondere in zwei oder drei Dimensionen, anwendbar. Entsprechend kann eine Messanordnung zum Messen einer Position eines Objekts eine Lichtleitfaser, die einge richtet ist, um eine Folge von Lichtpulsen, die eine Repetitionsrate aufweisen, zu leiten, und eine Auswerteeinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um ein Messsignal, das die Intensität der Folge von Lichtpulsen nach Durchlaufen einer Weglänge zwischen einer Referenzposition und dem Objekt repräsentiert, auszuwerten, wobei die Auswerteeinrichtung eine Phasenlage einer Komponente des Messsignals bestimmt, wobei die Komponente mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert.
Auswerteeinrichtungen, Messanordnungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wurden detailliert beschrieben. Weitere Abwandlungen können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert Die Weglängenmessung kann unter Verwendung einer Folge von Lichtpulsen erfolgen, wobei das Licht eine Wellenlänge im sichtbaren, ultravioletten und insbesondere auch infraroten Spektralbereich aufweisen kann. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann anstelle einer Folge von Lichtpulsen auch eine Folge von elektromagnetischen Pulsen außerhalb des optischen Spektralbereichs verwendet werden.
Die Auswerteeinrichtungen, Messanordnungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine Weglängenmessung mit hoher Ortsauflösung, insbesondere mit optischen Methoden. Die Weglängenmessung kann beispielsweise zur Messung des Abstands eines Objekts von einer Referenzposition eingesetzt werden. Durch Kombination mehrerer derartiger Weglängenmessungen kann durch Trilateration die Position eines Objekts in einer Ebene oder im Raum bestimmt werden, beispielsweise zur optischen Bestimmung der Position eines Messkopfes in einem Koordinatenmessgerät. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele können allgemein zur Abstands- oder Positionsbestimmung eingesetzt werden, wobei beispielhafte Anwendungsfelder Messanwendungen in industriellen Anlagen, beispielsweise in automatisierten Fertigungs- oder Transportanlagen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008045386 [0006, 0041, 0092]
- DE 102008045387 [0092, 0161]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) [0006]

Claims

Auswerteeinrichtung für eine Weglängenmessung, welche zum Auswerten eines Messsignals (15), das eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge (12, 13) als Funktion der Zeit repräsentiert, eingerichtet ist, wobei die Folge von Pulsen eine Repetitionsrate aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung (6; 51; 111) eingerichtet ist, um eine erste Komponente (32; 73) des Messsignals (15), die mit einer ersten Frequenz oszilliert, und eine zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15), die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, welche größer als die erste Frequenz ist, auszuwerten.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Frequenz einem weiteren Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
Auswerteeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Auswerteeinrichtung (6; 51; 111) eingerichtet ist, um zum Ermitteln der Weglänge (12, 13) eine der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) zugeordnete erste Phasendifferenz und eine der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15) zugeordnete zweite Phasendifferenz zu ermitteln.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Phasendifferenz eine Phasendifferenz zwischen der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) und einem mit der ersten Frequenz oszillierenden ersten Referenzsignal ist, und wobei die zweite Phasendifferenz eine Phasendifferenz zwischen der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15) und einem mit der zweiten Frequenz oszillierenden zweiten Referenzsignal ist.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Auswerteeinrichtung (6; 51; 111) eingerichtet ist, um wenigstens die zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15) zum Ermitteln der zweiten Phasendifferenz abwärts zu mischen.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinrichtung (51; 111) einen Mischer (57; 114, 116) umfasst, um durch Abwärtsmischen der zweiten Komponente (42; 75) ein abwärts gemischtes Signal (78) zu erzeugen, welches mit der ersten Frequenz oszilliert.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Auswerteeinrichtung (111) wenigstens zwei Mischer (114, 116) umfasst, um die zweite Komponente (42; 75) in mehreren Stufen abwärts zu mischen.
Auswerteeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, um die erste Komponente (32; 73) des Messsignals (15) und die zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15) abwärts zu mischen, um ein erstes abwärts gemischtes Signal und ein zweites abwärts gemischtes Signal zu erzeugen, welche jeweils mit einer Frequenz oszillieren, die kleiner als die Repetitionsrate ist.
Auswerteeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Signalverarbeitungspfad (53, 54) zur Verarbeitung der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) und einen zweiten Signalverarbeitungspfad (55, 57, 59; 55, 59, 114–116) zur Verarbeitung der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15).
Auswerteeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Auswertelogik (61–63), die eingerichtet ist, um basierend auf einer Auswertung der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) eine erste Abschätzung für die Weglänge (12, 13) zu ermitteln und um basierend auf einer Auswertung der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15) eine gegenüber der ersten Abschätzung verfeinerte Abschätzung der Weglänge (12, 13) zu ermitteln.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 11, wobei die Auswertelogik (61–63) eingerichtet ist, um die erste Abschätzung basierend sowohl auf der Auswertung des ersten Messsignals (15) als auch auf der Auswertung des zweiten Messsignals (15) zu ermitteln.
Auswerteeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, welche derart eingerichtet ist, dass die erste Abschätzung für die Weglänge (12, 13) die Weglänge (12, 13) mit einer Ungenauigkeit annähert, die kleiner als ein Quotient aus Lichtgeschwindigkeit und der zweiten Frequenz ist.
Messanordnung zur Weglängenmessung, umfassend einen Detektor (4), der eingerichtet ist, um eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge (12, 13) als Funktion der Zeit zu erfassen, wobei die Folge von Pulsen eine Repetitionsrate aufweist, wobei der Detektor (4) eingerichtet ist, um ein die erfasste Intensität repräsentierendes Messsignal (15) bereitzustellen, und eine Auswerteeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit dem Detektor (4) gekoppelt ist, um das von dem Detektor (4) bereitgestellte Messsignal (15) auszuwerten.
Messanordnung nach Anspruch 14, umfassend eine Lichtquelle (2) zum Erzeugen der Folge von Pulsen.
Messanordnung nach Anspruch 15, wobei die Lichtquelle (2) einen Frequenzkammgenerator zum Erzeugen eines optischen Frequenzkamms umfasst.
Verfahren zur Weglängemessung, bei dem ein Messsignal, welches eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge (12, 13) als Funktion der Zeit repräsentiert, erfasst und ausgewertet wird, wobei die Folge von Pulsen eine Repetitionsrate aufweist, wobei zur Weglängenmessung eine erste Komponente (32; 73) des Messsignals (15), die mit einer ersten Frequenz oszilliert, und eine zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15), die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, welche größer als die erste Frequenz ist, ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht und die zweite Frequenz einem weiteren Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) zugeordnete erste Phasendifferenz und eine der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15) zugeordnete zweite Phasendifferenz ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15) zum Ermitteln der zweiten Phasendifferenz abwärts gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei durch Abwärtsmischen der zweiten Komponente (42; 75) ein abwärts gemischtes Signal (78) erzeugt wird, welches mit der ersten Frequenz oszilliert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–21, wobei durch Abwärtsmischen der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) ein erstes abwärts gemischtes Signal erzeugt wird und durch Abwärtsmischen der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15) ein zweites abwärts gemischtes Signal erzeugt wird, wobei das erste abwärts gemischte Signal und das zweite abwärts gemischte Signal mit einer Frequenz oszillieren, die kleiner als die Repetitionsrate ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–22, wobei die erste Komponente (32; 73) des Messsignals (15) und die zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15) gleichzeitig ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–23, wobei die erste Komponente (32; 73) des Messsignals (15) ausgewertet wird, um eine erste Abschätzung für die Weglänge (12, 13) zu ermitteln, und wobei die zweite Komponente (42; 75) des Messsignals (15) ausgewertet wird, um eine gegenüber der ersten Abschätzung verfeinerte Abschätzung der Weglänge (12, 13) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die erste Abschätzung durch Auswerten sowohl der ersten Komponente (32; 73) des Messsignals (15) als auch der zweiten Komponente (42; 75) des Messsignals (15) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17–25, umfassend Erzeugen der Folge von Pulsen mit einem optischen Frequenzkammgenerator.
Messanordnung zum Ermitteln einer Position eines Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) eines Koordinatenmessgeräts (201; 241; 261; 281; 301; 341; 371), umfassend eine Auswerteeinrichtung, welche zum Auswerten eines Messsignals eingerichtet ist, das eine Intensität eines amplitudenmodulierten Signals elektromagnetischer Strahlung, das eine Repetitionsrate aufweist, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate, nach Durchlaufen eines Wegs (208; 214; 294; 336; 351) zwischen einer Referenzposition und dem Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) als Funktion der Zeit repräsentiert, wobei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, um zum Bestimmen wenigstens einer Koordinate des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) eine Phasenlage einer Komponente des Messsignals, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zu bestimmen.
Messanordnung nach Anspruch 27, wobei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, um als Antwort auf ein Triggersignal das Messsignal auszuwerten, um die Position des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) zu bestimmen oder zu speichern.
Messanordnung nach Anspruch 28, umfassend einen Sensor (203; 243; 263), insbesondere einen optischen oder taktilen Sensor (203; 243; 263), zum Erzeugen des Triggersignals.
Messanordnung nach Anspruch 29, wobei der Sensor (203; 243; 263) eingerichtet ist, um das Triggersignal zu erzeugen, wenn sich der Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) in einer vorgegebenen Position relativ zu einer Objektoberfläche befindet.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–30, umfassend eine Detektoreinrichtung (285, 286; 320; 345; 373) zum Erfassen der Intensität des Signals elektromagnetischer Strahlung nach Durchlaufen des Wegs (208; 214; 294; 336; 351) zwischen der Referenzposition und dem Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) und zum Bereitstellen des Messsignals.
Messanordnung nach Anspruch 31, wobei die Detektoreinrichtung (320; 373) eingerichtet ist, um sequentiell das Messsignal und wenigstens ein weiteres Messsignal zu erfassen, das eine Intensität eines weiteren Signals elektromagnetischer Strahlung nach Durchlaufen eines weiteren Wegs (337, 338; 352, 353) repräsentiert.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–32, umfassend eine Lichtquelle (280; 348), insbesondere einen Kurzpulslaser, zum Erzeugen der Folge von Lichtpulsen.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–33, umfassend eine Lichtleitfaser (283; 306–308; 346–348), deren eines Ende an dem Messkopf (282; 302; 342) anbringbar ist.
Messanordnung nach Anspruch 34 und nach Anspruch 31, wobei das andere Ende der Lichtleitfaser (306–308; 346–348) mit der Detektoreinrichtung (305; 345; 373) gekoppelt ist.
Messanordnung nach Anspruch 35, umfassend wenigstens eine weitere Lichtleitfaser (347, 348), deren eines Ende an dem Messkopf (302; 342) anbringbar ist, wobei das andere Ende der Lichtleitfaser (346) und ein anderes Ende der weiteren Lichtleitfaser (347, 348) über einen Diplexer (372) mit der Detektoreinrichtung (373) gekoppelt sind.
Messanordnung nach Anspruch 34 und nach Anspruch 33, wobei das andere Ende der Lichtleitfaser (283) mit der Lichtquelle (280) gekoppelt ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–37, umfassend wenigstens einen an dem Messkopf (202; 242; 262) anbringbaren Reflektor (221, 222; 231; 271, 272), insbesondere einen elektrisch schaltbaren Reflektor (231).
Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–38, wobei die Messanordnung eingerichtet ist, um wenigstens drei Abstände zwischen einer oder mehreren Referenzpositionen und einem oder mehreren Bereichen des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) zu messen, und um aus den wenigstens drei Abständen die Position des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) des Koordinatenmessgeräts (201; 241; 261; 281; 301; 341; 371) zu bestimmen.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–39, wobei die Auswerteeinrichtung als Auswerteeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–13 ausgebildet ist.
Koordinatenmessgerät, umfassend einen Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) und eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–40 zum Ermitteln der Position des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342).
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 41, welches eingerichtet ist, um das Triggersignal auszugeben, wenn ein an dem Messkopf (202; 242; 262) vorgesehener Taststift (203; 243; 263) eine Objektoberfläche berührt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 41 oder 42, welches als Portalmessgerät (201) ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts (201; 241; 261; 281; 301; 341; 371), wobei das Koordinatenmessgerät (201; 241; 261; 281; 301; 341; 371) einen Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) umfasst, und wobei zum Ermitteln einer Position des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) ein Messsignal ausgewertet wird, das eine Intensität eines amplitudenmodulierten Signals elektromagnetischer Strahlung, das eine Repetitionsrate aufweist, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate, nach Durchlaufen eines Wegs (208; 214; 294; 336; 351) zwischen einer Referenzposition und dem Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) als Funktion der Zeit repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei die Position des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) als Antwort auf ein Triggersignal bestimmt oder gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 44 oder 45, wobei zum Auswerten des Messsignals eine einer Komponente des Messsignals, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zugeordnete Phasendifferenz bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44–46, wobei an dem Messkopf (282; 302; 342) ein Ende einer Lichtleitfaser (283; 306–308; 346–348) angebracht wird, wobei das andere Ende der Lichtleitfaser (283; 306–308; 346–348) mit einer Lichtquelle (305) oder einer Detektoreinrichtung (345; 373) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44–47, wobei eine Intensität von wenigstens drei Folgen von Lichtpulsen, die drei unterschiedliche Wege (214, 216, 218; 272, 274; 288, 294–296; 336–338; 351–353) zwischen jeweils einer Referenzposition und dem Messkopf (202; 242; 262; 282; 302; 342) durchlaufen, als Funktion der Zeit erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44–47, wobei die Position des Messkopfes (202; 242; 262; 282; 302; 342) mit der Messanordnung nach einem der Ansprüche 27–40 erfasst wird.