DE102014004697B4 - System and method for distance measurement - Google Patents

System and method for distance measurement Download PDF

Info

Publication number
DE102014004697B4
DE102014004697B4 DE102014004697.4A DE102014004697A DE102014004697B4 DE 102014004697 B4 DE102014004697 B4 DE 102014004697B4 DE 102014004697 A DE102014004697 A DE 102014004697A DE 102014004697 B4 DE102014004697 B4 DE 102014004697B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
holographic
wavelength
measurement
module
phase delay
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102014004697.4A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102014004697A1 (en
Inventor
Christian Koos
Claudius Weimann
Markus Fratz
Harald Wölfelschneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Original Assignee
Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH filed Critical Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Priority to DE102014004697.4A priority Critical patent/DE102014004697B4/en
Priority to PCT/EP2015/000652 priority patent/WO2015149920A1/en
Publication of DE102014004697A1 publication Critical patent/DE102014004697A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102014004697B4 publication Critical patent/DE102014004697B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02055Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02062Active error reduction, i.e. varying with time
    • G01B9/02064Active error reduction, i.e. varying with time by particular adjustment of coherence gate, i.e. adjusting position of zero path difference in low coherence interferometry

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

System (500) zur Distanzmessung, umfassend – ein Mehrwellenlängenholographiemodul (100) zum Erfassen eines Holographiemessdatensatzes für zumindest einen Messpunkt auf Basis von zumindest einer synthetischen Wellenlänge, wobei das Mehrwellenlängenholographiemodul (100) aufweist: – zumindest zwei Holographielichtquellen (110, 112, 114, 116) zum Erzeugen von zumindest zwei kohärenten Holographielichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, – zumindest einen Strahlteiler (124, 160) zum Aufteilen jedes Holographielichtstrahls in einen Objektlichtstrahl (155) und einen Referenzlichtstrahl (135), und – zumindest ein Beugungselement (134, 138) zum dispersiven Verkippen der Referenzlichtstrahlen (135), wobei das zumindest eine Beugungselement (134, 138) ausgelegt und angeordnet ist, um für jede Wellenlänge der zumindest zwei Holographielichtstrahlen einen zugehörigen Schätzwert zu bestimmen, und wobei das System ferner umfasst: – ein Referenzierungsmodul (300) zum Bestimmen der zumindest einen synthetischen Wellenlänge auf Basis der zugehörigen Schätzwerte, und – ein Auswertemodul zum Bestimmen der Distanz des zumindest einen Messpunkts.A system (500) for distance measurement, comprising - a multi-wavelength holographic module (100) for capturing a holographic measurement data set for at least one measurement point based on at least one synthetic wavelength, the multi-wavelength holography module (100) comprising: - at least two holographic light sources (110, 112, 114, 116 at least one beam splitter (124, 160) for splitting each holographic light beam into an object light beam (155) and a reference light beam (135), and - at least one diffractive element (134, 138) for dispersive Tilting the reference light beams (135), wherein the at least one diffractive element (134, 138) is arranged and arranged to determine an associated estimate for each wavelength of the at least two holographic light beams, and wherein the system further comprises: - a referencing module (300) for besti ming the at least one synthetic wavelength on the basis of the associated estimated values, and - an evaluation module for determining the distance of the at least one measuring point.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Distanzmessung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Koordinatenmessung und/oder zur Vermessung von 3D-Objekten.The present invention relates to a system and method for distance measurement. In particular, the present invention relates to a system and a method for coordinate measurement and / or for the measurement of 3D objects.

In der geometrischen Messtechnik werden immer höhere absolute Messgenauigkeiten angestrebt. Dabei werden häufig punktförmig messende optische Distanzsensoren eingesetzt. Diese bestimmen den Abstand zwischen einem Referenzpunkt (z. B. einem Punkt im Messgerät) zu einem Punkt auf der Oberfläche eines Objekts. Das Streben nach immer höheren Messgenauigkeiten steht dabei technisch in einem Konkurrenzverhältnis zur Forderung nach möglichst großen Messbereichen. Für die Vermessung großer Objekte oder Volumina wird angestrebt, Distanzen von Metern auf Mikrometer genau oder sogar noch genauer zu vermessen.In geometric metrology, higher and higher absolute measurement accuracies are aimed for. In this case, punctiform measuring optical distance sensors are often used. These determine the distance between a reference point (eg a point in the gauge) to a point on the surface of an object. The pursuit of ever higher measuring accuracies is technically in competition with the demand for the largest possible measuring ranges. For the measurement of large objects or volumes, the aim is to measure distances from meters to micrometers or even more accurately.

Nach dem Stand der Technik sind sogenannte Time-of-Flight-Methoden für die Messung großer Distanzen üblich. Dabei werden sowohl Pulslaufzeit- als auch Phasenlaufzeitmethoden eingesetzt. Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass eine Lichtquelle, in der Regel ein Laser, zeitlich moduliert wird. Im Falle des Pulslaufzeitverfahrens werden einzelne Laserpulse ausgesendet und nach Reflektion und/oder Streuung an einer Objektoberfläche wieder detektiert. Die Zeit t zwischen Aussenden des Pulses und Detektion ist ein Maß für den Abstand d zwischen Messvorrichtung und dem beleuchteten Objektpunkt: d = ct / 2 (1). According to the state of the art so-called time-of-flight methods are common for the measurement of long distances. Both pulse transit time and phase transit time methods are used. Both methods have in common that a light source, usually a laser, is time modulated. In the case of the pulse transit time method, individual laser pulses are emitted and detected again after reflection and / or scattering on an object surface. The time t between emission of the pulse and detection is a measure of the distance d between the measuring device and the illuminated object point: d = ct / 2 (1).

Die Größe c bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit im Medium zwischen Messvorrichtung und Messpunkt. Im Falle des Phasenlaufzeitverfahrens wird die Amplitude der Lichtquelle periodisch moduliert, z. B. rechteck- oder sinusförmig. Die Phasenlage φ zwischen ausgesendeter und detektierter Modulation ist hier ein Maß für den Abstand d zwischen Messvorrichtung und Messpunkt: d = 1 / 2 φ·c / 2π·f (2). The quantity c denotes the speed of light in the medium between the measuring device and the measuring point. In the case of the phase delay method, the amplitude of the light source is periodically modulated, e.g. B. rectangular or sinusoidal. The phase angle φ between emitted and detected modulation is here a measure of the distance d between measuring device and measuring point: d = 1/2 φ · c / 2π · f (2).

Die Größe f bezeichnet die Modulationsfrequenz der Lichtquelle. Der eindeutige Messbereich ist gegeben durch den halben Weg, den das Licht während einer Periode der Modulation zurücklegt. Um große Messbereiche bei guter Tiefenauflösung zu gewährleisten, werden Messungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt. Messbereiche von einigen Metern bei Auflösungen im Bereich von Millimetern werden auf diese Weise realisiert. Die Modulationsfrequenz kann allerdings aus technischen Gründen, insbesondere aufgrund von Beschränkungen der Bandbreite des Detektors, z. B. pin-Diode, und/oder der Elektronik, nicht beliebig erhöht werden. Die erzielbaren Messauflösungen sind somit limitiert.The quantity f denotes the modulation frequency of the light source. The unique measuring range is given by the halfway the light travels during a period of modulation. In order to ensure large measuring ranges with good depth resolution, measurements with different modulation frequencies are carried out simultaneously or successively. Measuring ranges of a few meters at resolutions in the range of millimeters are realized in this way. The modulation frequency can, however, for technical reasons, in particular due to limitations of the bandwidth of the detector, z. As pin diode, and / or the electronics, not be increased arbitrarily. The achievable measurement resolutions are therefore limited.

Ein weiteres Verfahren der Distanzmesstechnik ist die Interferometrie, die vor allem für höchste Auflösungen verwendet wird. Vor allem in der Koordinatenmesstechnik und in der Prüfung optischer Funktionsflächen werden interferometrische Verfahren mit nur einer Wellenlänge eingesetzt. Der eindeutige Messbereich ist hierbei nach oben durch die halbe Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle, typischerweise ein Laser, begrenzt. Um den Messbereich zu erhöhen, kann eine größere Messstrecke abgefahren werden und die entstehenden Interferenzminima und Interferenzmaxima können gezählt werden. Alternativ dazu kann die Messung mit zwei leicht unterschiedlichen Wellenlängen λ1 und λ2 wiederholt werden. Der Abstand zum Messpunkt ergibt sich dabei zu:

Figure DE102014004697B4_0002
Another method of distance measurement is interferometry, which is used primarily for highest resolutions. Particularly in coordinate metrology and in the testing of optical functional surfaces, interferometric methods with only one wavelength are used. The unique measuring range is limited upwards by half the wavelength of the light source used, typically a laser. In order to increase the measuring range, a larger measuring distance can be traversed and the resulting interference minima and interference maxima can be counted. Alternatively, the measurement may be repeated with two slightly different wavelengths λ 1 and λ 2 . The distance to the measuring point results in:
Figure DE102014004697B4_0002

Dabei wird der dritte Bruch in dieser Gleichung als synthetische Wellenlängen ΛSynth bezeichnet:

Figure DE102014004697B4_0003
The third fraction in this equation is called synthetic wavelengths Λ Synth :
Figure DE102014004697B4_0003

Große Messbereiche bei gleichzeitig hohen Messauflösungen können auch hier durch Verwendung verschiedener synthetischer Wellenlängen erzielt werden. Begrenzt wird der maximal erreichbare Messbereich der Mehrwellenlängeninterferometrie oder Mehrwellenlängenholographie in technischen Umsetzungen durch die Stabilität der Einzelwellenlängen λ1 und λ2. Denn für große synthetische Wellenlängen sind kleine Differenzen zwischen λ1 und λ2 nötig, so dass kleine Abweichungen der Wellenlängen von ihrem Sollwert, bedingt z. B. durch Temperaturänderung, zu großen Fehlern führen.Large measuring ranges with high measuring resolutions can also be achieved here by using different synthetic wavelengths. The maximum achievable measuring range of the Mehrwellenlängeninterferometrie or Mehrwellenlängenholographie is limited in technical implementations by the stability of the single wavelengths λ 1 and λ 2 . Because for large synthetic wavelengths small differences between λ 1 and λ 2 are necessary, so that small deviations of the wavelengths of their setpoint, due z. B. by temperature change, lead to large errors.

Die Druckschrift US 4 295 741 A offenbart ein Zwei-Wellenlängen Phasenkontrollsystem zur Erzeugung synthetischer Fehlersignale, um eine aus einer anfänglichen optischen Weglängendifferenz resultierenden 2πN Mehrdeutigkeit zu reduzieren. Das System weist einen Oszillator zur Erzeugung eines Eingangsstrahls mit verschiedenen Linien, ein Interferometer, einen ersten und zweiten Detektor und einen Phasenkontroller auf. Die Detektoren detektieren einfallende Eingangssignalstrahlen und erzeugen ein erstes und ein zweites elektrisches Ausgangssignal. Der Phasenkontroller generiert auf Basis der von den Detektoren erzeugten elektrischen Ausgangssignale Fehlersignale, welche einen Aktuator mit einem innerhalb des Interferometers angeordneten Kontrollspiegels ansteuern, um somit die optische Weglängendifferenz einzustellen.The publication US 4 295 741 A discloses a two-wavelength phase control system for generating synthetic error signals to reduce 2πN ambiguity resulting from an initial optical path length difference. The system includes an oscillator for generating an input beam having different lines, an interferometer, first and second detectors, and a phase controller. The detectors detect incident input signal beams and generate first and second electrical output signals. The phase controller, based on the electrical output signals generated by the detectors, generates error signals which comprise an actuator with one within the interferometer Control level control, so as to adjust the optical path length difference.

Die Druckschrift US 6 078 392 A offenbart ein digitales Holographiemesssystem, wobei Hologramme in einer Offaxis-Anordnung aufgenommen werden.The publication US Pat. No. 6,078,392 discloses a digital holography measuring system wherein holograms are picked up in an Offaxis arrangement.

Frisco Schlottau et al.: ”Demonstration of a continuous scanner and time-integrating correlator using spatial-spectral holography”, Journal of Luminescence, Vol. 107, Nr. 1–4, Mai 2004, Seiten 90–102, ISSN 0022-2313, offenbart einen ”spatial-spectral holographic scanner (SSHS)”.Frisco Schlottau et al .: "Demonstration of a continuous scanner and time-integrating correlator using spatial-spectral holography", Journal of Luminescence, Vol. 107, No. 1-4, May 2004, pages 90-102, ISSN 0022-2313 discloses a "spatial-spectral holographic scanner (SSHS)".

Jonas Kühn et al.: ”Real-time dual wavelength digital holographic microscopy with a single hologram acquisition”, OPTICS EXPRESS, Vol. 15, Nr. 12 (2007), Seiten 7231–7242, offenbart ein Mehrwellenlängen-Digital-Holographie-Mikroskop, mit dem eine Mehrwellenlängenholographie mit räumlichem Phasenschieben durchgeführt werden kann. Für verschiedene Wellenlängen werden unterschiedliche Verkippungen dadurch eingebracht, dass die jeweiligen Referenzstrahlen über verschiedene räumlich getrennte Spiegel mit unterschiedlichen Verkippungen geführt werden.Jonas Kühn et al .: "Real-time dual wavelength digital holographic microscopy with a single hologram acquisition", OPTICS EXPRESS, Vol. 15, No. 12 (2007), pages 7231-7242, discloses a multi-wavelength digital holographic microscope , with which a multi-wavelength holography with spatial phase shifting can be performed. For different wavelengths, different tiltings are introduced by guiding the respective reference beams over different spatially separated mirrors with different tiltings.

Harald Wölfeschneider et al.: ”Schnelle Entfernungsmessung für Laserscanner”, tm – Technisches Messen, Band 72, Heft 7–8 (2009), Seiten 455–467, ISSN 0171-8096, offenbart die Verwendung von Phasenlaufzeitmessungen zur Distanzbestimmung.Harald Wölfeschneider et al .: "Fast Distance Measurement for Laser Scanners", tm - Technical Measuring, Volume 72, Issue 7-8 (2009), pages 455-467, ISSN 0171-8096, discloses the use of phase delay measurements for distance determination.

Daniel Karl et al.: ”Multiwavelength digital holography with autocalibration of phase shifts and artificial wavelengths”, Applied Optics 48, H1–H8 (2009), offenbart einen Ansatz zur Mehrwellenlängeninterferometrie.Daniel Karl et al. "Multiwavelength digital holography with autocalibration of phase shifts and artificial wavelengths", Applied Optics 48, H1-H8 (2009), discloses an approach to multi-wavelength interferometry.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, die eine einfachere, stabilere, zuverlässigere und/oder präzisere Distanzmessung als bei herkömmlichen Systemen und Verfahren ermöglichen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Distanzmessung bereitzustellen, die eine hohe Auflösung bei einem großen Messbereich ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a system and method that enables a simpler, more stable, more reliable and / or more accurate distance measurement than conventional systems and methods. In particular, it is an object of the present invention to provide a system and a method for distance measurement, which enable a high resolution with a large measuring range.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.This object is achieved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are subject of the dependent claims.

Ein erster Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein System zur Distanzmessung, umfassend

  • – ein Mehrwellenlängenholographiemodul zum Erfassen eines ersten Holographiemessdatensatzes für zumindest einen Messpunkt auf Basis von zumindest einer synthetischen Wellenlänge, wobei das Mehrwellenlängenholographiemodul aufweist:
  • – zumindest zwei Holographielichtquellen zum Erzeugen von zumindest zwei kohärenten Holographielichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen,
  • – zumindest einen Strahlteiler zum Aufteilen jedes Holographielichtstrahls in einen Objekt- und Referenzlichtstrahl, und
  • – zumindest ein Beugungselement zum dispersiven Verkippen der Referenzlichtstrahlen, und wobei das System ferner umfasst:
  • – ein Referenzierungsmodul zum Bestimmen der zumindest einen synthetischen Wellenlänge auf Basis der zugehörigen Schätzwerte, und
  • – ein Auswertemodul zum Bestimmen der Distanz des zumindest einen Messpunkts.
A first aspect for achieving the object relates to a system for distance measurement, comprising
  • A multi-wavelength holography module for capturing a first holographic measurement data set for at least one measurement point based on at least one synthetic wavelength, wherein the multi-wavelength holography module comprises:
  • At least two holographic light sources for generating at least two coherent holographic light beams having different wavelengths,
  • At least one beam splitter for splitting each holographic light beam into an object and reference light beam, and
  • At least one diffractive element for dispersively tilting the reference light beams, and wherein the system further comprises:
  • A referencing module for determining the at least one synthetic wavelength on the basis of the associated estimated values, and
  • An evaluation module for determining the distance of the at least one measuring point.

Das „Mehrwellenlängenholographiemodul” kann auch als Mehrwellenlängeninterferometer bezeichnet werden.The "multi-wavelength holography module" may also be referred to as a multi-wavelength interferometer.

Der „Holographiemessdatensatz” kann auch als erster Distanzmessdatensatz bezeichnet werden. Unter einem „Distanzmessdatensatz” ist im Sinne der vorliegenden Beschreibung ganz allgemein ein Satz von Messwerten zu verstehen, die zur Bestimmung einer Distanz verwendet werden können. Ein Distanzmessdatensatz kann einen oder mehrere, d. h. eine Vielzahl von Messwerten umfassen. Messwerte können beispielsweise sein: Intensität eines Lichtstrahls, Phase bzw. Phasendifferenz eines oder mehrerer Lichtstrahlen, Phasenverschiebung, Wellenlänge, Frequenz, Zeit, insbesondere Laufzeit eines Lichtstrahls, Interferenz bzw. Interferenzmuster bzw. Interferenzbild, etc.. Der Holographiemessdatensatz umfasst einen oder mehrere Messwerte einer interferometrischen Distanzbestimmung, insbesondere ein oder mehrere Interferenzbilder.The "holography measurement data set" can also be referred to as the first distance measurement data set. For the purposes of the present description, a "distance measurement data set" is to be understood in general as meaning a set of measured values which can be used to determine a distance. A ranging data set may include one or more, i. H. include a variety of measurements. Measured values may be, for example: intensity of a light beam, phase or phase difference of one or more light beams, phase shift, wavelength, frequency, time, in particular transit time of a light beam, interference or interference pattern, etc .. The holographic measurement data set comprises one or more measured values of a interferometric distance determination, in particular one or more interference images.

Unter einem „Messpunkt” werden im Sinne dieser Beschreibung ein Punkt, ein Bereich und/oder ein Abschnitt eines Objekts bzw. einer Oberfläche des Objekts verstanden. Vorzugweise weist ein Messpunkt eine Ausdehnung im Bereich von 10 μm2 bis 100 μm2, mehr bevorzugt im Bereich von 10 μm2 bis 50 μm2, noch mehr bevorzugt im Bereich von 10 μm2 bis 30 μm2 auf. Die Ausdehnung eines Messpunkts kann aber auch geringer oder höher als die oben angegebenen Werte sein. Ein Objekt kann ein zwei- oder dreidimensionaler Gegenstand, beispielsweise ein Windrad oder eine Turbinenschaufel sein, dessen Distanz oder dessen Form, insbesondere dreidimensionale Form, gemessen werden soll. Es versteht sich, dass der Begriff „Distanz” stets auf das Messsystem bezogen ist. Sofern nichts anderes angegeben ist, wird somit als Distanz im Sinne dieser Beschreibung immer die Entfernung des Messpunktes vom Messsystem, insbesondere einem Sensor des Messsystems, verstanden.For the purposes of this description, a "measuring point" is understood to mean a point, an area and / or a section of an object or a surface of the object. Preferably, a measuring point has an extension in the range of 10 μm 2 to 100 μm 2 , more preferably in the range of 10 μm 2 to 50 μm 2 , even more preferably in the range of 10 μm 2 to 30 μm 2 . The extension of a measuring point can also be lower or higher than the values given above. An object can be a two- or three-dimensional object, for example a wind turbine or a turbine blade, whose distance or its shape, in particular three-dimensional shape, is to be measured. It is understood that the term "distance" is always related to the measuring system. Unless otherwise is therefore always understood as the distance in the sense of this description, the distance of the measuring point from the measuring system, in particular a sensor of the measuring system.

Eine „synthetische Wellenlänge” ΛSynth kann aus mehreren Wellenlängen, insbesondere aus zwei Wellenlängen λ1 und λ2 zusammengesetzt sein bzw. generiert werden, wobei ΛSynth gemäß Formel (4) definiert ist. Die Messung mit mehreren Wellenlängen bzw. mit einer synthetischen Wellenlänge hat den Vorteil, dass der Eindeutigkeitsbereich, d. h. der Messbereich für eine eindeutige Messung erhöht werden kann, insbesondere wenn die Differenz der verwendeten Wellenlängen sehr viel kleiner ist als die Wellenlägen selbst. Das Grundprinzip der Interferometrie besteht nämlich darin, dass ein vom Messobjekt rückreflektierter Laserstrahl mit einem Referenzstrahl kohärent überlagert wird. Diese kohärente Überlagerung verlangt, dass die Wellenfront des rückgestreuten Lichtes um deutlich weniger als eine Wellenlänge λ deformiert ist. Die Rauigkeit R der angestrahlten Oberfläche muss demnach deutlich unter λ liegen, bei sichtbarem Licht also R << 600 nm. Für viele technische Oberflächen ist dies in der Regel nicht der Fall, weshalb interferometrische Messungen mit nur einer Wellenlänge in der Regel ausscheiden. Durch Generieren einer vergleichsweise großen synthetischen Wellenlänge ΛSynth aus zwei eng beieinanderliegenden Wellenlängen sind jedoch auch an rauen Oberflächen interferometrische Messungen möglich. Durch Verwendung einer Reihe verschiedener synthetischer Wellenlängen kann so der eindeutige Messbereich bis in den Bereich einiger Millimeter erweitert werden. Bei Verwendung von vier Holographielichtstrahlen kann eine synthetische Wellenlänge Λ12,34 aus den synthetischen Wellenlängen Λ12 und Λ34 erzeugt werden, die sich berechnet zu:

Figure DE102014004697B4_0004
A "synthetic wavelength" Λ Synth can be composed or generated from a plurality of wavelengths, in particular from two wavelengths λ 1 and λ 2 , wherein Λ Synth is defined according to formula (4). The measurement with multiple wavelengths or with a synthetic wavelength has the advantage that the uniqueness range, ie the measuring range for a unique measurement can be increased, in particular if the difference of the wavelengths used is much smaller than the wavelength itself. The basic principle of interferometry This is because a laser beam reflected back from the test object is coherently superimposed with a reference beam. This coherent superposition requires that the wavefront of the backscattered light be deformed by significantly less than one wavelength λ. Accordingly, the roughness R of the illuminated surface must be significantly below λ, in the case of visible light R << 600 nm. For many technical surfaces, this is generally not the case, which is why interferometric measurements with only one wavelength are generally eliminated. However, by generating a comparatively large synthetic wavelength Λ Synth from two closely spaced wavelengths, interferometric measurements are possible even on rough surfaces. By using a number of different synthetic wavelengths, the unique measuring range can be extended up to a few millimeters. When four holographic light beams are used, a synthetic wavelength Λ 12.34 can be generated from the synthetic wavelengths Λ 12 and Λ 34 , which is calculated as:
Figure DE102014004697B4_0004

Wenn Λ12 und Λ34 ähnlich groß sind, wird die synthetische Wellenlänge Λ12,34 entsprechend groß, auch wenn die einzelnen synthetischen Wellenlängen Λ12 und Λ34 verhältnismäßig klein sind. Für die Wellenlängenunterschiede der Einzelwellenlängen bedeutet das, dass der Abstand zwischen λ1 und λ2 ähnlich groß gewählt werden kann wie der Abstand zwischen λ3 und λ4.If Λ 12 and Λ 34 are similarly large, the synthetic wavelength Λ 12,34 becomes correspondingly large, even if the individual synthetic wavelengths Λ 12 and Λ 34 are relatively small. For the wavelength differences of the individual wavelengths, this means that the distance between λ 1 and λ 2 can be selected to be similar to the distance between λ 3 and λ 4 .

Das Mehrwellenlängenholographiemodul umfasst zumindest zwei Holographielichtquellen, insbesondere Holographielaser. Insbesondere umfasst das Mehrwellenlängenholographiemodul zwei, drei, vier, usw. Holographielichtquellen. Vorzugsweise sind die Holographielichtquellen Laser, beispielsweise Diodenlaser. Die Holographielichtquellen sind ausgelegt, um kohärente Holographielichtstrahlen zu erzeugen und auszusenden. Vorteilhafterweise kann die Wellenlänge der Holographielichtquellen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eingestellt werden.The multi-wavelength holography module comprises at least two holographic light sources, in particular holography lasers. In particular, the multi-wavelength holographic module comprises two, three, four, etc. holographic light sources. Preferably, the holographic light sources are lasers, for example diode lasers. The holographic light sources are designed to generate and emit coherent holographic light beams. Advantageously, the wavelength of the holographic light sources can be adjusted within a predetermined range.

Das Mehrwellenlängenholographiemodul umfasst einen oder mehrere Strahlteiler, insbesondere polarisierende Strahlteiler bzw. Strahlteilerwürfel, zum Aufteilen der Holographielichtstrahlen in einen Objekt- und Referenzstrahlengang bzw. einen Objekt- und Referenzlichtstrahl. Mit dem Objektlichtstrahl wird das Messobjekt beleuchtet, welches zumindest einen Teil des Objektlichtstrahls reflektiert und/oder streut. Der Referenzlichtstrahl wird nicht vom Messobjekt reflektiert oder gestreut. Alternativ können durch den zumindest einen Strahlteiler die Holographielichtstrahlen in einen Objekt-, Referenz- und Nullpunktstrahlengang aufgeteilt werden. Der Nullpunktstrahlengang ermöglicht vorteilhafterweise eine Kompensation einer – insbesondere thermisch bedingten – Drift eines vorbestimmten Nullpunkts und/oder einer Drift des Objekt- bzw. Referenzlichtstrahls und somit der Drift der Phasenlage zwischen Objekt- und Referenzlichtstrahl. Bei Verwendung eines reinen Michelson Interferometers kann das Mehrwellenlängenholographiemodul z. B. genau einen Strahlteiler umfassen. Insbesondere umfasst das Mehrwellenlängenholographiemodul zumindest zwei, bevorzugt zumindest drei, weiter bevorzugt zumindest vier und am bevorzugtesten fünf Strahlteiler.The multi-wavelength holography module comprises one or more beam splitters, in particular polarizing beam splitters or beam splitter cubes, for dividing the holographic light beams into an object and reference beam path or an object and reference light beam. With the object light beam, the measurement object is illuminated, which reflects and / or scatters at least a part of the object light beam. The reference light beam is not reflected or scattered by the measurement object. Alternatively, the holographic light beams can be divided into an object, reference and zero beam path by the at least one beam splitter. The zero-point beam path advantageously makes it possible to compensate for a drift of a predetermined zero point and / or a drift of the object or reference light beam-in particular thermally induced-and thus the drift of the phase position between the object and reference light beams. When using a pure Michelson interferometer, the Mehrwellenlängenholographiemodul z. B. include exactly one beam splitter. In particular, the multi-wavelength holography module comprises at least two, preferably at least three, more preferably at least four, and most preferably five beam splitters.

Das Mehrwellenlängenholographiemodul kann zumindest eine, insbesondere zwei, drehbare Halbwellenplatten umfassen, mit der das Aufteilungsverhältnis in die zwei oder drei Strahlengänge, d. h. Objektlichtstrahl, Referenzlichtstrahl und optional Nullpunktlichtstrahl, eingestellt werden kann.The multi-wavelength holography module may comprise at least one, in particular two, rotatable half-wave plates, with which the division ratio into the two or three optical paths, that is to say two or three. H. Object light beam, reference light beam and optional zero beam can be adjusted.

Das Mehrwellenlängenholographiemodul weist vorzugsweise einen Mehrwellenlängenholographiedetektor auf, welcher eine Vielzahl von fotoempfindlichen Elementen, insbesondere eine CCD-Kamera, CMOS-Kamera oder ein Fotodioden-Array umfassen kann. Die Elemente, d. h. die Pixel des Fotodioden-Arrays können ein- oder zweidimensional angeordnet sein, also als Zeilen- oder Flächenkamera. Der Mehrwellenlängenholographiedetektor ist vorzugsweise derart angeordnet, dass er sowohl den vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Objektlichtstrahl, wie auch den Referenzlichtstrahl und optional den Nullpunktlichtstrahl erfasst. Insbesondere ist der Mehrwellenlängenholographiedetektor derart angeordnet, dass der vom Messobjekt reflektierte und/oder gestreute Objektlichtstrahl und der Referenzlichtstrahl auf dem Mehrwellenlängenholographiedetektor überlagern bzw. interferieren, so dass ein Interferenzbild auf dem Mehrwellenlängenholographiedetektor bzw. der Kamera entsteht.The multi-wavelength holographic module preferably comprises a multi-wavelength holographic detector which may comprise a plurality of photosensitive elements, in particular a CCD camera, CMOS camera or a photodiode array. The elements, d. H. the pixels of the photodiode array can be arranged one or two-dimensionally, that is, as a line or area camera. The multi-wavelength holographic detector is preferably arranged such that it detects both the object light beam reflected and / or scattered by the measurement object and also the reference light beam and optionally the zero point light beam. In particular, the multi-wavelength holographic detector is arranged such that the object light beam reflected and / or scattered by the measurement object and the reference light beam on the multi-wavelength holographic detector interfere with each other, so that an interference image is formed on the multi-wavelength holographic detector or the camera.

Das Mehrwellenlängenholographiemodul umfasst ferner zumindest ein Beugungselement zum dispersiven Verkippen der Holographielichtstrahlen. Der Begriff „dispersiv” bedeutet im Sinne dieser Beschreibung wellenlängenabhängig. Das Beugungselement ist somit ausgelegt, um die auf das Beugungselement auftreffenden Lichtstrahlen wellenlängenabhängig zu verkippen. In anderen Worten werden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge durch das Beugungselement unterschiedlich stark verkippt bzw. abgelenkt. Das Mehrwellenlängenholographiemodul kann nur ein Beugungselement umfassen. Das Mehrwellenlängenholographiemodul kann aber auch zwei oder mehrere Beugungselemente umfassen. Das zumindest eine Beugungselement ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass es nicht nur auf eine vorbestimmte Wellenlänge verkippend wirkt, sondern auf sämtliche Wellenlängen der Holographielichtstrahlen. The multi-wavelength holography module further comprises at least one diffractive element for dispersively tilting the holographic light beams. The term "dispersive" in the sense of this description means wavelength-dependent. The diffraction element is thus designed to tilt the light beams incident on the diffraction element in a wavelength-dependent manner. In other words, light beams of different wavelengths are tilted or deflected differently by the diffraction element. The multi-wavelength holographic module may include only one diffractive element. However, the multi-wavelength holography module may also comprise two or more diffraction elements. The at least one diffraction element is preferably designed such that it acts not only tilting to a predetermined wavelength, but to all wavelengths of the holographic light beams.

Das zumindest eine Beugungselement kann vorteilhafterweise dafür sorgen, dass für eine spätere Auswertung, die Referenzstrahlen der Holographielichtquellen unter leicht unterschiedlichen Winkeln auf eine Kamera treffen. Vorzugsweise liegt die Winkeldispersion des Beugungselements im Bereich von 1 mrad bis 30 mrad, mehr bevorzugt im Bereich von 2 mrad bis 25 mrad, noch mehr bevorzugt im Bereich von 3 mrad bis 20 mrad, zwischen der kleinsten und der größten Wellenlänge der Holographielichtstrahlen, insbesondere der Referenzlichtstrahlen. Dabei können für eine vorgegebene Wellenlänge die Winkel mit der Pixelgröße der Kamera skalieren. Insbesondere skalieren die Winkel bei vorgegebener Wellenlänge reziprok mit der Pixelgröße der Kamera, d. h. bei Verringern der Pixelgröße vergrößern sich die Winkel. Ist das Beugungselement ein Beugungsgitter, so ist das Beugungsgitter vorzugsweise derart ausgelegt und/oder angeordnet, dass nur die +1-te oder –1-te Beugungsordnung, insbesondere durch eine sich dem Beugungsgitter anschließende Optik, auf den Detektor gelangt, nicht aber die 0-te oder die +1-te und –1-te Ordnung gleichzeitig. Andernfalls tritt der gewünschte Effekt nicht auf, insbesondere kann sonst die Wellenlänge nicht eindeutig mittels des Beugungsgitters bestimmt werden.The at least one diffraction element can advantageously ensure that, for a later evaluation, the reference beams of the holography light sources strike a camera at slightly different angles. Preferably, the angular dispersion of the diffractive element is in the range of 1 mrad to 30 mrad, more preferably in the range of 2 mrad to 25 mrad, even more preferably in the range of 3 mrad to 20 mrad, between the smallest and the largest wavelength of the holographic light beams, in particular reference light beams. For a given wavelength, the angles can scale with the pixel size of the camera. In particular, for a given wavelength, the angles reciprocally scale with the pixel size of the camera, i. H. decreasing the pixel size will increase the angles. If the diffraction element is a diffraction grating, the diffraction grating is preferably designed and / or arranged such that only the + 1-th or -1-th diffraction order, in particular by an optic following the diffraction grating, reaches the detector, but not the 0 -te or the + 1th and -1st order simultaneously. Otherwise, the desired effect does not occur, in particular, otherwise the wavelength can not be determined unambiguously by means of the diffraction grating.

Vorzugsweise umfasst das Mehrwellenlängenholographiemodul zwei Beugungselemente. Die Beugungselemente können mittels Verkleinerungslinsen verkleinert auf die Detektionskamera abgebildet werden. Insbesondere kann das erste Beugungselement mit Hilfe erster Verkleinerungslinsen auf das zweite Beugungselement abgebildet und das zweite Beugungselement wiederum mittels zweiter Verkleinerungslinsen scharf auf den Mehrwellenlängenholographiedetektor bzw. die Kamera abgebildet werden. Das sorgt vorteilhafterweise dafür, dass alle Holographielichtstrahlen den gleichen Bereich auf der Kamera ausleuchten, die Auftreffwinkel bedingt durch die Dispersion des zumindest einen Beugungselements aber unterschiedlich sind. Die Wirkungen der beiden Beugungselemente addieren sich dabei. Zusätzlich kann die Abbildung des zweiten Beugungselements verkleinernd – vorzugsweise mit einem Abbildungsmaßstab im Bereich von –0,2 bis –0,8, weiter bevorzugt im Bereich von –0,3 bis –0,7, noch weiter bevorzugt im Bereich von –0,4 bis –0,6, insbesondere von etwa –0,5 – wirken, was ebenfalls die Auftreffwinkel der einzelnen Holographielichtstrahlen vergrößert. Die Beugungselemente können aber auch mittels Linsen in einem 1:1 Abbildungsverhältnis oder mittels Vergrößerungslinsen vergrößert auf die Detektionskamera abgebildet werden.Preferably, the multi-wavelength holography module comprises two diffraction elements. The diffraction elements can be reduced by means of reduction lenses imaged on the detection camera. In particular, the first diffraction element can be imaged onto the second diffraction element with the aid of first reduction lenses, and the second diffraction element in turn can be imaged sharply by means of second reduction lenses onto the multi-wavelength holographic detector or the camera. This advantageously ensures that all holographic light beams illuminate the same area on the camera, but that the angles of incidence are different due to the dispersion of the at least one diffraction element. The effects of the two diffraction elements add up. In addition, the image of the second diffraction element can be made to decrease in size, preferably with a magnification in the range of -0.2 to -0.8, more preferably in the range of -0.3 to -0.7, even more preferably in the range of -0, 4 to -0.6, in particular of about -0.5 - act, which also increases the angle of incidence of the individual holographic light beams. However, the diffraction elements can also be imaged by means of lenses in a 1: 1 imaging ratio or enlarged by means of magnifying lenses on the detection camera.

Das Beugungselement sorgt vorteilhafterweise für eine Verkippung der Strahlengänge verschiedener Wellenlängen, ohne dass hierfür eine aufwendige Justage, wie es beispielsweise bei Spiegeln notwendig wäre, erforderlich ist. Die Verkippung der Wellenlängen zueinander ist fest durch die dispersiven Eigenschaften des Beugungselements vorgegeben und nicht von einer genauen Justage abhängig. Das erfindungsgemäße System ist somit einfacher als herkömmliche Systeme zu bedienen. Außerdem ist das erfindungsgemäße System weniger fehleranfällig und liefert verlässlichere und präzisere Ergebnisse.The diffraction element advantageously ensures a tilting of the beam paths of different wavelengths, without requiring a complicated adjustment, as would be necessary, for example, in the case of mirrors. The tilting of the wavelengths to each other is fixed by the dispersive properties of the diffraction element and not dependent on a precise adjustment. The system according to the invention is thus easier to operate than conventional systems. In addition, the system of the invention is less error prone and provides more reliable and more accurate results.

Das zumindest eine Beugungselement ist ausgelegt und angeordnet, um für jede Wellenlänge der zumindest zwei Holographielichtstrahlen einen zugehörigen Schätzwert zu bestimmen. Ferner umfasst das System ein Referenzierungsmodul zum Bestimmen der zumindest einen synthetischen Wellenlänge auf Basis der zugehörigen Schätzwerte.The at least one diffraction element is designed and arranged to determine an associated estimated value for each wavelength of the at least two holographic light beams. Furthermore, the system comprises a referencing module for determining the at least one synthetic wavelength on the basis of the associated estimated values.

Vorteilhafterweise dient das zumindest eine Beugungselement nicht nur zum Verkippen der Referenzlichtstrahlen, sondern ist auch ausgelegt, die Wellenlängen der Holographielichtstrahlen und damit die Schätzwerte als Ausgangsdaten für das Referenzierungsmodul zu messen bzw. zu bestimmen. Das zumindest eine Beugungselement wird daher vorteilhafterweise als Spektrometer eingesetzt. In anderen Worten wird das Beugungselement sowohl zur Verkippung der Referenzlichtstrahlen, wie auch zum Bestimmen von Schätzwerten, d. h. der Wellenlängen der Holographielichtstrahlen, welche zur Bestimmung der zumindest einen synthetischen Wellenlänge mittels des Referenzierungsmoduls benötigt werden, eingesetzt. Die Wellenlängenbestimmung erfolgt mit Hilfe des Beugungselements als Spektrometer, d. h. durch Messen und Auswerten von Intensitätsminima bzw. Intensitätsmaxima der durch das Beugungselement gebeugten Strahlen bzw. Referenzstrahlen. Vorzugsweise können die Intensitätsminima und Intensitätsmaxima mit Hilfe eines Holographiedetektors, beispielsweise einer Kamera, detektiert und ausgewertet werden. Vorzugsweise kann die Auswertung auf Basis des Holographiemessdatensatzes, insbesondere auf Basis eines oder mehrerer Interferenzbilder, die vorzugsweise vom Holographiedetektor aufgenommen wurden, erfolgen. Vorteilhafterweise weist das zumindest eine Beugungselement bzw. Beugungsgitter einen Blaze auf. In anderen Worten ist das Beugungselement vorzugsweise ein Blazegitter bzw. Echelettegitter. Somit kann vorteilhafterweise eine hohe Effizienz erzielt werden. Außerdem ist das zumindest eine Beugungselement bzw. Beugungsgitter vorzugsweise derart ausgelegt und/oder angeordnet, dass große Beugungswinkel auftreten. Insbesondere ist das zumindest eine Beugungselement bzw. Beugungsgitter derart ausgelegt und/oder angeordnet, dass nur eine Beugungsordnung, d. h. eine Beugungsordnung ohne die restlichen Ordnungen, auf den Holographiedetektor abgebildet wird. Dies kann durch eine Anordnung des zumindest einen Beugungselements bzw. Beugungsgitters, bei der entsprechend große Beugungswinkel auftreten, realisiert werden.Advantageously, the at least one diffraction element not only serves for tilting the reference light beams, but is also designed to measure or determine the wavelengths of the holographic light beams and thus the estimated values as output data for the referencing module. The at least one diffraction element is therefore advantageously used as a spectrometer. In other words, the diffraction element is used both for tilting the reference light beams and for determining estimated values, ie the wavelengths of the holographic light beams, which are required for determining the at least one synthetic wavelength by means of the referencing module. The wavelength is determined by means of the diffraction element as a spectrometer, ie by measuring and evaluating intensity minima or intensity maxima of the diffracted by the diffraction element rays or reference beams. Preferably, the intensity minima and intensity maxima can be determined with the aid of a holography detector, for example a camera, be detected and evaluated. Preferably, the evaluation can be carried out on the basis of the holographic measurement data set, in particular on the basis of one or more interference images, which were preferably recorded by the holography detector. Advantageously, the at least one diffraction element or diffraction grating has a blaze. In other words, the diffraction element is preferably a blazed grating or echelette grating. Thus, advantageously, a high efficiency can be achieved. In addition, the at least one diffraction element or diffraction grating is preferably designed and / or arranged such that large diffraction angles occur. In particular, the at least one diffraction element or diffraction grating is designed and / or arranged such that only one diffraction order, ie a diffraction order without the remaining orders, is imaged onto the holography detector. This can be achieved by arranging the at least one diffraction element or diffraction grating, in which correspondingly large diffraction angles occur.

Die Messgenauigkeit der Mehrwellenlängeninterferometrie ist durch die Genauigkeit der Phasenmessung sowie durch möglichst genau bekannte synthetische Wellenlängen gegeben, welche sich aus den Abständen der Wellenlängen der Holographielichtstrahlen ergeben. Mit Hilfe des Referenzierungsmoduls kann vorteilhafterweise eine interferometrische Messung unabhängig von Frequenzdrifts der Holographielichtquellen auswertbar gemacht werden. Das Referenzierungsmodul bestimmt die Frequenzunterschiede der Holographielichtstrahlen. Da die Frequenzunterschiede mehrere hundert GHz betragen können, sind sie keiner direkten Messung mit herkömmlichen Mitteln zugänglich. Das Referenzierungsmodul bestimmt die Frequenzunterschiede mit Hilfe einer Phasenmodulation. Hierzu wird von jeder Holographielichtquelle ein Teil der optischen Leistung mit optischen Kopplern, bevorzugt Faserkopplern, abgezweigt und in elektro-optischen Phasenmodulatoren mit genau definierten elektrischen Frequenzen moduliert. Durch die Phasenmodulation werden Seitenlinien höherer Ordnung erzeugt, welche die großen Frequenzspannen zwischen jeweils zwei Holographielichtstrahlen überbrücken. Die Modulationsfrequenzen können dabei vorteilhafterweise von einem gemeinsamen Frequenznormal abgeleitet werden. Zur Detektion werden die modulierten Signale auf einem Referenzierungsdetektor, welcher vorzugsweise eine Photodiode umfasst, überlagert. Die dabei entstehenden niederfrequenten Schwebungssignale im Bereich einiger hundert MHz können Analog-Digital gewandelt und mit einem Computer digital weiterverarbeitet werden. Höhere Frequenzen können mit einem Tiefpassfilter gefiltert werden. Die Frequenzen der Schwebungen können durch Fourieranalyse genau bestimmt werden. Aus den gemessenen Schwebungsfrequenzen, der vorgegebenen Modulationsfrequenzen und der Kenntnis über die Anzahl der zwischen den Holographielichtquellen liegenden Seitenlinien kann der Frequenzabstand zweier Holographielichtquellen und damit die zugehörige synthetische Wellenlänge bestimmt werden. Die Anzahl der zwischen den Holographielichtquellen liegenden Seitenlinien ergibt sich aus den Wellenlängen der einzelnen Holographielichtstrahlen, welche mit Hilfe des zumindest einen Beugungselements gemessen werden können. Die mit dem zumindest einen Beugungselement gemessenen Wellenlängen werden im Rahmen dieser Beschreibung als Schätzwerte bezeichnet. Die Messung der Schätzwerte erfolgt vorzugsweise zeitgleich zur Distanzmessung. Somit können für jede Distanzmessung die zum Zeitpunkt der Distanzmessung vorliegenden Wellenlängen der Holographielichtstrahlen für die genaue Bestimmung der zumindest einen synthetischen Wellenlänge verwendet werden. Folglich können Fehler aufgrund eines Frequenzdrifts der Holographielichtquellen reduziert oder sogar vermieden werden.The measurement accuracy of the Mehrwellenlängeninterferometrie is given by the accuracy of the phase measurement and by well-known as possible synthetic wavelengths, which result from the distances of the wavelengths of the holographic light beams. With the aid of the referencing module, advantageously an interferometric measurement can be made evaluable independently of frequency drifts of the holographic light sources. The referencing module determines the frequency differences of the holographic light beams. Since the frequency differences can be several hundred GHz, they are not accessible to direct measurement by conventional means. The referencing module determines the frequency differences by means of a phase modulation. For this purpose, part of the optical power is branched off from each holographic light source with optical couplers, preferably fiber couplers, and modulated in electro-optical phase modulators with precisely defined electrical frequencies. The phase modulation produces higher-order side lines which bridge the large frequency spans between every two holographic light beams. The modulation frequencies can advantageously be derived from a common frequency standard. For detection, the modulated signals are superimposed on a referencing detector, which preferably comprises a photodiode. The resulting low-frequency beat signals in the range of a few hundred MHz can be converted analog-to-digital and digitally processed with a computer. Higher frequencies can be filtered with a low pass filter. The frequencies of the beats can be accurately determined by Fourier analysis. From the measured beat frequencies, the predetermined modulation frequencies and the knowledge of the number of side lines lying between the holographic light sources, the frequency spacing of two holographic light sources and thus the associated synthetic wavelength can be determined. The number of side lines lying between the holographic light sources results from the wavelengths of the individual holographic light beams, which can be measured with the aid of the at least one diffraction element. The wavelengths measured with the at least one diffraction element are referred to as estimated values in the context of this description. The measurement of the estimated values preferably takes place simultaneously with the distance measurement. Thus, for each distance measurement, the wavelengths of the holographic light beams present at the time of the distance measurement can be used for the exact determination of the at least one synthetic wavelength. Consequently, errors due to frequency drift of the holographic light sources can be reduced or even avoided.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems zur Distanzmessung ist das zumindest eine Beugungselement ein optisches Gitter, insbesondere ein Flächengitter. Das zumindest eine Beugungselement bzw. Flächengitter kann ein Reflexionsgitter oder ein Transmissionsgitter sein.In a further preferred embodiment of the system for distance measurement, the at least one diffraction element is an optical grating, in particular a surface grating. The at least one diffraction element or surface grating may be a reflection grating or a transmission grating.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das System zur Distanzmessung ferner ein Phasenlaufzeitmessmodul zum Erfassen eines Phasenlaufzeitmessdatensatzes bzw. eines zweiten Distanzmessdatensatzes des zumindest einen Messpunkts auf Basis eines modulierten, insbesondere frequenzmodulierten, Phasenlaufzeitlichtstrahls.In a further preferred embodiment, the system for distance measurement furthermore comprises a phase transit time measuring module for detecting a phase transit time data record or a second distance measuring data record of the at least one measuring point on the basis of a modulated, in particular frequency-modulated, phase transit time light beam.

Der Phasenlaufzeitmessdatensatz umfasst einen oder mehrere Messwerte einer „Time-of-Flight”-Distanzbestimmung. Insbesondere umfasst der Phasenlaufzeitmessdatensatz ein oder mehrere Laufzeiten des Phasenlaufzeitlichtstrahls.The phase delay data record comprises one or more measured values of a time-of-flight distance determination. In particular, the phase delay data record comprises one or more terms of the phase delay light beam.

Vorteilhafterweise weisen die Holographielichtstrahlen und der Phasenlaufzeitlichtstrahl unterschiedliche Wellenlängen auf. Das im Messpunkt reflektierte und/oder gestreute Licht wird teilweise in das System zur Distanzmessung zurückgeworfen. Dort kann das Licht beispielsweise durch optische Komponenten geformt und auf mindestens zwei lichtempfindliche Sensoren bzw. Detektoren, insbesondere auf den Mehrwellenlängenholographiedetektor und einen Phasenlaufzeitdetektor des Phasenlaufzeitmessmoduls aufgeteilt werden. Die Aufteilung kann z. B. durch dichroitische Filter, Beugungsgitter und/oder andere farbselektive optische Elemente – diffraktiv und/oder refraktiv – erfolgen, aber auch einfache Strahlteiler und Spiegelanordnungen sowie Trennung nach Polarisation – polarisierender Strahlteiler und/oder Strahlvereiniger – sind möglich. Die beiden Sensoren bzw. Detektoren mit nachgeschalteter Auswerteelektronik nehmen die zugehörigen Messsignale zunächst getrennt voneinander auf. Der Phasenlaufzeitdetektor des Phasenlaufzeitmessmoduls kann beispielsweise eine Fotodiode als lichtempfindliches Element umfassen.Advantageously, the holographic light beams and the phase delay light beam have different wavelengths. The reflected and / or scattered light at the measuring point is partially reflected back into the system for distance measurement. There, the light can be formed, for example, by optical components and divided into at least two light-sensitive sensors or detectors, in particular the multi-wavelength holographic detector and a phase delay detector of the phase delay measuring module. The division can z. B. by dichroic filters, diffraction gratings and / or other color-selective optical elements - diffractive and / or refractive - done, but also simple beam splitters and mirror assemblies and separation according to polarization - polarizing Beam splitter and / or beam combiner - are possible. The two sensors or detectors with downstream evaluation electronics initially record the associated measurement signals separately from one another. The phase delay detector of the phase delay measuring module may comprise, for example, a photodiode as the photosensitive element.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems zur Distanzmessung weist das Phasenlaufzeitmessmodul eine Phasenlaufzeitlichtquelle, insbesondere einen Phasenlaufzeitlaser, zum Aussenden zumindest eines Phasenlaufzeitlichtstrahls auf.In a further preferred embodiment of the system for distance measurement, the phase transit time measuring module has a phase transit time light source, in particular a phase transit time laser, for emitting at least one phase transit time light beam.

Vorzugsweise sind die zumindest eine Phasenlaufzeitlichtquelle und die zumindest zwei Holographielichtquellen derart angeordnet, dass der zumindest eine Phasenlaufzeitlichtstrahl und die zumindest zwei Holographielichtstrahlen auf den gleichen Messpunkt gerichtet sind bzw. auf den gleichen Messpunkt treffen. Dies kann z. B. koaxial geschehen dadurch, dass die Lichtstrahlen durch faseroptische Strahlteiler und/oder Strahlkombinierer in einen gemeinsamen Lichtwellenleiter geführt werden, dessen Austrittsöffnung dann als nahezu punktförmige, gut kollimierbare Strahlquelle für die Messung dienen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Überlagerung aber auch freistrahloptisch erfolgen.Preferably, the at least one phase delay light source and the at least two holographic light sources are arranged such that the at least one phase delay light beam and the at least two holographic light beams are directed to the same measuring point or hit the same measuring point. This can be z. B. coaxially happen in that the light beams are passed through fiber optic beam splitter and / or beam combiner in a common optical waveguide, the outlet then can serve as a nearly point-like, well collimated beam source for the measurement. Alternatively or additionally, however, the superposition may also be free-space-optically.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Auswertemodul zum Bestimmen der Distanz des zumindest einen Messpunktes auf Basis des Holographiemessdatensatzes und des Phasenlaufzeitmessdatensatzes ausgelegt.In a further preferred embodiment, the evaluation module is designed to determine the distance of the at least one measurement point on the basis of the holographic measurement data set and the phase delay measurement data set.

Das Auswertemodul kann eine optische Schnittstelle, welche beispielsweise FC/APC-Faserstecker mit polarisationserhaltenden Fasern umfasst, aufweisen. Die Übertragung der durch das Referenzierungsmodul gemessenen Wellenlängen- bzw. Frequenzabstände der Holographielichtquellen zur genauen und rückführbaren Ermittlung der synthetischen Wellenlängen kann über ein lokales Netzwerk, insbesondere LAN, zwischen Computern des Referenzierungsmoduls und des Phasenlaufzeitmoduls und/oder des Mehrwellenlängenholographiemoduls erfolgen. Dazu kann insbesondere ein TCP/IP Protokoll zum Einsatz kommen.The evaluation module can have an optical interface which comprises, for example, FC / APC fiber plugs with polarization-maintaining fibers. The transmission of the wavelength or frequency distances of the holographic light sources measured by the referencing module for the exact and traceable determination of the synthetic wavelengths can take place via a local network, in particular LAN, between computers of the referencing module and the phase delay module and / or the multi-wavelength holography module. In particular, a TCP / IP protocol can be used for this purpose.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Distanzmessung, umfassend die Schritte

  • – Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems;
  • – Erfassen des Holographiemessdatensatzes für den zumindest einen Messpunkt mittels des Mehrwellenlängenholographiemoduls;
  • – für jede Wellenlänge der zumindest zwei Holographielichtstrahlen, Bestimmen des zugehörigen Schätzwertes mittels des zumindest einen Beugungselements;
  • – Bestimmen der zumindest einen synthetischen Wellenlänge auf Basis der zugehörigen Schätzwerte mittels des Referenzierungsmoduls; und
  • – Bestimmen der Distanz des zumindest einen Messpunkts mittels des Auswertemoduls.
Another aspect of the present invention relates to a method for distance measurement, comprising the steps
  • - Providing a system according to the invention;
  • - Detecting the Holographiemessdatensets for the at least one measuring point by means of the multi-wavelength holography module;
  • For each wavelength of the at least two holographic light beams, determining the associated estimated value by means of the at least one diffraction element;
  • Determining the at least one synthetic wavelength on the basis of the associated estimated values by means of the referencing module; and
  • - Determining the distance of the at least one measuring point by means of the evaluation module.

Zur Auswertung des Holographiemessdatensatzes bzw. eines Interferenzbildes kann ein Phasenschiebeverfahren insbesondere ein zeitliches oder ein räumliches Phaseverschiebeverfahren, eingesetzt werden. Beim zeitlichen Phaseverschiebeverfahren werden mehrere Interferenzbilder nacheinander aufgenommen, während zwischen den Bildern die optische Weglänge, die der Referenzlichtstrahl und/oder der Objektlichtstrahl zurücklegen, leicht verändert wird. Beim räumlichen Phaseverschiebeverfahren trifft die Referenzwelle bzw. der Referenzlichtstrahl nicht senkrecht auf den Holograhiedetektor, sondern unter einem vorbestimmten Winkel gegenüber der Normalen des Detektors bzw. der Kamera. Die Verkippung sorgt dafür, dass ein Streifenmuster auf der Kamera erzeugt wird. Das Streifenmuster ist zunächst sinusförmig und kann als Trägersignal für die eigentliche Messinformation, nämlich der Phasenlage von Objekt- zu Referenzwelle interpretiert werden. Durch Fouriertransformation – eindimensional oder zweidimensional – des Interferenzbildes kann die Messinformation von Hintergrunddaten – insbesondere Gleichanteil und/oder Hintergrundlicht – getrennt werden.For evaluating the holographic measurement data set or an interference image, a phase shift method, in particular a temporal or a spatial phase shift method, can be used. In the temporal phase shift method, a plurality of interference images are successively taken, while between the images, the optical path length traveled by the reference light beam and / or the object light beam is slightly changed. In the spatial phase shift method, the reference or reference light beam does not impinge perpendicularly on the holographic detector but at a predetermined angle to the normal of the detector or camera. The tilt causes a stripe pattern to be generated on the camera. The fringe pattern is initially sinusoidal and can be interpreted as a carrier signal for the actual measurement information, namely the phase position of object to reference wave. By Fourier transformation - one-dimensional or two-dimensional - of the interference image, the measurement information of background data - in particular DC component and / or background light - are separated.

Vorteilhafterweise werden die Referenzlichtstrahlen der verschiedenen Holographielichtquellen für die unterschiedlichen Wellenlängen λi unterschiedlich verkippt. Nach der Fouriertransformation entstehen dann mehrere Peaks im Frequenzspektrum, die die Messsignale der einzelnen Wellenlängen repräsentieren. Die unterschiedlichen Verkippungen können durch mechanisch getrennte Referenzstrecken für jede Wellenlänge und einer getrennten Justage der Verkippungen erfolgen. Vorzugsweise werden die Verkippungen jedoch durch das dispersive Element bzw. das Beugungselement – wie beispielsweise ein Gitter, eine Linse mit großem chromatischem Fehler und/oder ein Prisma – realisiert. Das dispersive Element wird idealerweise optisch, eventuell auch unscharf, auf den Holographiedetektor abgebildet, so dass die einzelnen Referenzlichtstrahlen miteinander überlagert werden, aber unterschiedliche Verkippungen aufweisen. Die Verkippung kann durch Änderung des Abbildungsmaßstabs angepasst werden: So liefert eine verkleinerte Abbildung des Beugungselements größere Verkippungen.Advantageously, the reference light beams of the different holographic light sources for the different wavelengths λ i are tilted differently. After the Fourier transformation, several peaks then arise in the frequency spectrum, which represent the measurement signals of the individual wavelengths. The different tilting can be done by mechanically separated reference paths for each wavelength and a separate adjustment of the tilting. Preferably, however, the tiltings are realized by the dispersive element or the diffraction element-such as a grating, a lens with a large chromatic aberration and / or a prism. The dispersive element is ideally imaged optically, possibly also out of focus, on the holography detector, so that the individual reference light beams are superimposed with one another but have different tiltings. The tilt can be adjusted by changing the magnification: For example, a reduced image of the diffraction element provides larger tilting.

Um eine Drift innerhalb des Holographiedetektors – wie beispielsweise eine optische Weglängenänderung des Referenzpfads – zu kompensieren, kann das erfindungsgemäße System bzw. das Mehrwellenlängenholographiemodul eine Driftausgleichsmessstrecke bekannter Länge umfassen. Somit kann die Abstandsmessung zum Messpunkt nicht absolut sondern als Differenz zu einem vorbestimmten Punkt erfolgen, der sich vorzugsweise innerhalb des Systems befindet.In order to compensate for a drift within the holography detector, such as an optical path length change of the reference path, the inventive system or the Multi-wavelength holography module comprise a Driftausgleichsmessstrecke known length. Thus, the distance measurement to the measurement point can not be made absolutely but as a difference to a predetermined point, which is preferably located within the system.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Erfassen des ersten Distanzmessdatensatzes für den zumindest einen Messpunkt mittels des Mehrwellenlängenholographiemoduls ein Erzeugen von Seitenlinien – im optischen Spektrum – mittels einer Phasenmodulation, insbesondere einer elektro-optischen Phasenmodulation, der zumindest zwei Holographielichtstrahlen.In a preferred embodiment, detecting the first distance measurement data set for the at least one measurement point by means of the multi-wavelength holography module comprises generating side lines-in the optical spectrum-by means of a phase modulation, in particular an electro-optical phase modulation, of the at least two holographic light beams.

Das Beugungselement bzw. Beugungsgitter wird vorzugsweise als Spektrometer verwendet, so dass eine Bestimmung bzw. Abschätzung der Wellenlänge in bekannter und einfacher Weise durchgeführt werden kann.The diffraction element or diffraction grating is preferably used as a spectrometer, so that a determination or estimation of the wavelength can be carried out in a known and simple manner.

Um die interferometrische Messung unabhängig von Frequenzdrifts der Laserquellen rückführbar auf internationale Standards auswertbar zu machen, kommt ein Referenzierungsverfahren zum Einsatz, welches die optischen Frequenzabstände von mehreren hundert GHz zeitgleich zur Distanzmessung bestimmt. Hierbei wird von jeder eingesetzten Holographielichtquelle ein Teil der optischen Leistung mit optischen Kopplern, bevorzugt Faserkopplern, abgezweigt und in elektro-optischen Phasenmodulatoren mit genau definierten elektrischen Frequenzen moduliert. Durch die Phasenmodulation werden Seitenlinien höherer Ordnung erzeugt, welche die großen Frequenzspannen zwischen jeweils zwei Lasern überbrücken. Die Modulationsfrequenzen werden dabei von einem gemeinsamen Frequenznormal abgeleitet. Zur Detektion werden die optischen Signale auf einem Holograhiedetektor überlagert. Die dabei entstehenden elektrischen niederfrequenten Schwebungssignale im Bereich einiger hundert MHz können Analog-Digital gewandelt und mit einem Computer digital weiterverarbeitet werden. Höhere Frequenzen werden mit einem Tiefpassfilter gefiltert. Die Frequenzen der Schwebungen können durch Fourieranalyse genau bestimmt werden. Damit sind die Frequenzabstände zweier benachbarter Seitenlinien, jeweils zugehörig zu zwei Holographielichtquellen, bekannt. Aus den gemessenen Schwebungsfrequenzen – im Bereich von mehreren hundert MHz – der bekannten Modulationsfrequenzen und der Kenntnis über die Anzahl der zwischen den Holographielichtstrahlen liegenden Seitenlinien, d. h. einer groben Kenntnis der Wellenlängen der Holographielichtquellen, kann der Frequenzabstand zweier Holographielichtquellen und damit die synthetische Wellenlänge der interferometrischen Messung bestimmt werden.In order to make the interferometric measurement traceable independently of frequency drifts of the laser sources traceable to international standards, a referencing method is used, which determines the optical frequency intervals of several hundred GHz simultaneously with the distance measurement. In this case, part of the optical power is branched off from each holographic light source used with optical couplers, preferably fiber couplers, and modulated in electro-optical phase modulators with precisely defined electrical frequencies. The phase modulation generates higher-order side lines which bridge the large frequency ranges between two lasers each. The modulation frequencies are derived from a common frequency standard. For detection, the optical signals are superimposed on a holographic detector. The resulting low-frequency electrical beat signals in the range of a few hundred MHz can be converted analog-to-digital and digitally processed with a computer. Higher frequencies are filtered with a low pass filter. The frequencies of the beats can be accurately determined by Fourier analysis. Thus, the frequency separations of two adjacent side lines, each belonging to two holographic light sources, known. From the measured beating frequencies - in the range of several hundred MHz - the known modulation frequencies and the knowledge of the number of lying between the holographic light beams sidelines, d. H. a rough knowledge of the wavelengths of the holographic light sources, the frequency spacing of two holographic light sources and thus the synthetic wavelength of the interferometric measurement can be determined.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner den folgenden Schritt:

  • – Erfassen des Phasenlaufzeitmessdatensatzes für den zumindest einen Messpunkt auf Basis eines modulierten, insbesondere frequenzmodulierten, Phasenlaufzeitlichtstrahls mittels des Phasenlaufzeitmessmoduls.
In a further preferred embodiment, the method according to the invention further comprises the following step:
  • - Detecting the phase delay time data record for the at least one measuring point based on a modulated, in particular frequency-modulated, phase transit time light beam by means of the phase transit time measuring module.

Vorteilhafterweise wird in dieser Ausführungsform die Forderung nach hoher Auflösung und großem Messbereich durch die Kombination von Phasenlaufzeit-Methode und Mehrwellenlängeninterferometrie gelöst: Bei beiden Messverfahren ist der Messbereich dadurch begrenzt, dass die Messung innerhalb der Wellenlänge des verwendeten Lichts bzw. der Modulation des Lichts oder der synthetischen Wellenlänge liegen muss, denn nach Überschreiten der Wellenlänge bzw. der Phase 2π wiederholt sich das Signal und es ist nicht möglich zu erkennen, ob das Signal aus der ersten, zweiten oder einer späteren Periode stammt, d. h. das Signal ist nicht eindeutig. Damit das Messergebnis eindeutig ist, muss es also innerhalb der einfachen Wellenlänge liegen. Bei der Pulslaufzeitmessung kann die Modulation des Lichtes mit einer vergleichsweisen langen Wellenlänge – beispielsweise einer Wellenlänge zwischen 30 cm und 30 m, vorzugsweise zwischen 1 m bis 3 m – gewählt werden. Allerdings ist dann der Messfehler ebenfalls vergleichsweise groß. In einem zweiten Schritt wird nun mit dem Mehrwellenlängeninterferometer gemessen. Dieses hat einen kleineren Messbereich und dafür aber auch einen kleineren Messfehler. Wenn der Messbereich des Mehrwellenlängeninterferometers den Messfehler der Phasenlaufzeitmessung abdeckt, dann kann die Ungenauigkeit durch den Messfehler der Phasenlaufzeitmessung mit dem Mehrwellenlängeninterferometer nachgemessen werden. Somit kann der Gesamtfehler der Messung auf den Fehler der Mehrwellenlängeninterferometrie reduziert werden, wobei der Messbereich der Phasenlaufzeitmessung bzw. der Messbereich des Phasenlaufzeitmessmoduls erhalten bleibt.Advantageously, in this embodiment, the requirement for high resolution and wide measurement range is solved by the combination of phase delay method and Mehrwellenlängeninterferometrie: In both measurement methods, the measuring range is limited by the fact that the measurement within the wavelength of the light used or the modulation of the light or must be synthetic wavelength, because after exceeding the wavelength or phase 2π repeats the signal and it is not possible to see whether the signal comes from the first, second or a later period, d. H. the signal is not clear. So that the measurement result is unique, it must be within the simple wavelength. In the pulse transit time measurement, the modulation of the light with a comparatively long wavelength - for example, a wavelength between 30 cm and 30 m, preferably between 1 m to 3 m - are selected. However, then the measurement error is also comparatively large. In a second step is now measured with the Mehrwellenlängeninterferometer. This has a smaller measuring range and also a smaller measuring error. If the measurement range of the multi-wavelength interferometer covers the measurement error of the phase delay measurement, then the inaccuracy can be measured by the measurement error of the phase delay measurement with the Mehrwellenlängeninterferometer. Thus, the total error of the measurement can be reduced to the error of the Mehrwellenlängeninterferometrie, wherein the measuring range of the phase delay measurement or the measuring range of the phase transit time measurement module is maintained.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Phasenlaufzeitlichtstrahl mit zumindest einer vorbestimmten Phasenlaufzeitmodulationsfrequenz moduliert, wobei die zumindest zwei Holographielichtstrahlen jeweils mit einer zugehörigen vorbestimmten Holographiemodulationsfrequenz moduliert werden, und wobei die Phasenlaufzeitmodulationsfrequenzen und die Holographiemodulationsfrequenzen von einem gemeinsamen Frequenznormal abgeleitet werden.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the phase transit time light beam is modulated with at least one predetermined phase delay modulation frequency, wherein the at least two holographic light beams are respectively modulated with an associated predetermined holographic modulation frequency, and wherein the phase delay modulation frequencies and the holographic modulation frequencies are derived from a common frequency standard.

Das Ableiten der Phasenlaufzeitmodulationsfrequenzen und der Holographiemodulationsfrequenzen von einem gemeinsamen Frequenznormal hat den Vorteil, dass die beiden Messmethoden besser miteinander verbunden werden können, da die Normierungsfehler dann nicht mehr unabhängig voneinander sind. Insbesondere hat das Ableiten der Phasenlaufzeitmodulationsfrequenzen und der Holographiemodulationsfrequenzen von einem gemeinsamen Frequenznormal den Vorteil, dass Fehler bei der Verknüpfung der beiden Messsignale, d. h. der Messsignale des Phasenlaufzeitmessmoduls und des Mehrwellenlängenholographiemoduls, welche entweder durch Messrauschen entstehen oder auch dadurch, dass das Verhältnis der Wellenlängen falsch angenommen wird, reduziert oder sogar ganz vermieden werden können. Als gemeinsames Frequenznormal können hochpräzise, insbesondere kalibrierte, Quarz- oder Rubidiumfrequenzstandards, ein Frequenzsignal für Funkuhren – z. B. das ausgestrahlte DCF77 Frequenznormal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt – oder ein von einem GPS Signal abgeleiteter Frequenzstandard zum Einsatz kommen.Deriving the phase delay modulation frequencies and the holographic modulation frequencies from a common frequency standard has the advantage that the two measurement methods can be better connected with each other, since the normalization errors are then no longer independent of each other. In particular, the derivation of the phase transit time modulation frequencies and the holographic modulation frequencies from a common frequency standard has the advantage that errors in the combination of the two measurement signals, ie the measurement signals of the Phasenlaufzeitmessmoduls and the Mehrwellenlängenholographiemoduls, either by Messususchen arise or by the fact that the ratio of the wavelengths assumed wrong can be reduced or even completely avoided. As a common frequency standard can be high-precision, in particular calibrated, quartz or Rubidiumfrequenzstandards, a frequency signal for radio clock -. For example, the radiated DCF77 frequency standard of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt - or a frequency signal derived from a GPS signal can be used.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Distanz des zumindest einen Messpunkts auf Basis des Holographiemessdatensatzes und des Phasenlaufzeitmessdatensatzes bestimmt.In a further preferred embodiment, the distance of the at least one measuring point is determined on the basis of the holographic measuring data set and the phase delay measuring data set.

Vorzugsweise wird zunächst die grobe Distanz mit relativ hoher Messungenauigkeit des Messpunktes auf Basis des Phasenlaufzeitmessdatensatzes ermittelt. Schließlich wird die genaue Distanz des Messpunktes durch Auswerten des Holographiemessdatensatzes mit geringer Messungenauigkeit auf Basis der bereits anhand des Phasenlaufzeitmessdatensatzes ermittelten groben Distanz des Messpunktes bestimmt. Als hohe Messungenauigkeit wird eine Ungenauigkeit im Millimeterbereich, beispielsweise eine Ungenauigkeit im Bereich von 100 μm bis 5 mm, oder höher angesehen. Als geringe Messungenauigkeit wird eine Ungenauigkeit im Mikrometerbereich, beispielsweise eine Ungenauigkeit im Bereich von 10 nm bis 10 μm, oder geringer angesehen.Preferably, the coarse distance is first determined with a relatively high inaccuracy of measurement of the measuring point on the basis of the phase delay time data record. Finally, the exact distance of the measurement point is determined by evaluating the holographic measurement data set with low measurement inaccuracy on the basis of the coarse distance of the measurement point already determined on the basis of the phase delay measurement data set. High inaccuracy in the millimeter range, for example, inaccuracy in the range of 100 μm to 5 mm, or higher, is considered as high inaccuracy of measurement. As a low measurement inaccuracy, an inaccuracy in the micrometer range, for example, an inaccuracy in the range of 10 nm to 10 microns, or less is considered.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen das Erfassen des Holographiemessdatensatzes und das Erfassen des Phasenlaufzeitmessdatensatzes im Wesentlichen simultan. Die anschließende Auswertung der Messungen kann jedoch zeitlich versetzt erfolgen. Vorzugsweise wird zuerst der Phasenlaufzeitmessdatensatz ausgewertet und anschließend wird der Holographiemessdatensatz auf Basis der Ergebnisse der Phasenlaufzeitmessung bzw. auf Basis des Phasenlaufzeitmessdatensatzes ausgewertet.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the detection of the holographic measurement data set and the detection of the phase transit time measurement data set take place essentially simultaneously. However, the subsequent evaluation of the measurements can be delayed. Preferably, the phase delay time data set is first evaluated and then the holographic measurement data set is evaluated on the basis of the results of the phase delay time measurement or on the basis of the phase delay time data set.

Dies hat den Vorteil, dass die Auswertung der Distanzmessdatensätze zur Distanzbestimmung nicht durch eine Drift von Messparametern, wie z. B. die Wellenlängen der Holographielichtquellen zwischen den Messungen negativ beeinflusst wird.This has the advantage that the evaluation of the distance measurement datasets for distance determination not by a drift of measurement parameters, such. B. the wavelengths of the holographic light sources between the measurements is adversely affected.

Durch die Kombination des erfindungsgemäßen Phasenlaufzeitmoduls, des Mehrwellenlängenholographiemoduls und des Referenzierungsmoduls bzw. der entsprechenden Verfahren ist es möglich, einen Messbereich bis zu etwa einem oder mehrere Meter mit einer Messgenauigkeit von einigen Mikrometern zu realisieren.By combining the phase delay module according to the invention, the multi-wavelength holography module and the referencing module or the corresponding method, it is possible to realize a measuring range of up to about one or several meters with a measuring accuracy of a few micrometers.

Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereit stellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann, und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.In the following, individual embodiments for solving the problem will be described by way of example with reference to the figures. In this case, the individual embodiments described have in part features that are not absolutely necessary in order to carry out the claimed subject matter, but which provide desired properties in certain applications. Thus, embodiments are also to be regarded as falling under the described technical teaching, which does not have all the features of the embodiments described below. Further, in order to avoid unnecessary repetition, certain features will be mentioned only with respect to each of the embodiments described below. It should be noted that the individual embodiments should therefore be considered not only in isolation but also in a synopsis. Based on this synopsis, those skilled in the art will recognize that individual embodiments may also be modified by incorporating one or more features of other embodiments. It should be understood that a systematic combination of the individual embodiments with single or multiple features described with respect to other embodiments may be desirable and useful, and therefore should be considered and also understood to be encompassed by the description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt eine schematische Skizze eines optischen Aufbaus gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Distanzmessung; 1 shows a schematic sketch of an optical structure according to an embodiment of the system according to the invention for distance measurement;

2 zeigt eine weitere schematische Skizze eines optischen Aufbaus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Distanzmessung; 2 shows a further schematic sketch of an optical structure according to a preferred embodiment of the system according to the invention for distance measurement;

3a zeigt ein Kamerabild einer exemplarischen Interferenzmessung; 3a shows a camera image of an exemplary interference measurement;

3b zeigt die Fourier-Transformierte des Kamerabildes aus 3a; 3b shows the Fourier transform of the camera image 3a ;

4 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Referenzierungsmoduls; 4 shows a schematic structure of the homing module according to the invention;

5 zeigt ein beispielhaftes Frequenzspektrum von vier Holographielaserquellen sowie erzeugte Seitenbänder mit 36 GHz und 40 GHz Abständen; 5 shows an exemplary frequency spectrum of four holographic laser sources as well as generated 36GHz and 40GHz sidebands;

6 zeigt eine schematische Skizze des beim Phasenlaufzeitmodul eingesetzten Phasenlaufzeitverfahrens; 6 shows a schematic sketch of the phase delay time method used in the phase delay module;

7 zeigt eine schematische Skizze zur Kombination der Phasenlaufzeitmessung und der Holographiemessung. 7 shows a schematic sketch for the combination of the phase delay measurement and the holography measurement.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt eine schematische Skizze eines optischen Aufbaus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Distanzmessung. Das System gemäß 1 umfasst ein Mehrwellenlängenholographiemodul 100 und ein Phasenlaufzeitmessmodul 200. 1 shows a schematic diagram of an optical structure according to a preferred embodiment of the system according to the invention for distance measurement. The system according to 1 comprises a multi-wavelength holography module 100 and a phase delay measuring module 200 ,

Das Mehrwellenlängenholographiemodul 100 umfasst vier Holographielichtquellen bzw. Mehrwellenlängenholographielaser 110, 112, 114, 116 und einen Mehrwellenlängenholographiedetektor 180. Kohärentes Licht, welches von den Mehrwellenlängenholographielasern 110, 112, 114, 116 ausgestrahlt wird, wird in eine Objekt- und eine Referenzwelle, d. h. in Objektlichtstrahlen und Referenzlichtstrahlen, aufgeteilt. Die Referenzwelle bzw. die Referenzlichtstrahlen werden in einer Faseroptik 127 geführt. Die Objektwelle bzw. die Objektlichtstrahlen beleuchten ein zu vermessendes Objekt 50. Das vom Objekt 50 bzw. einem Messpunkt des Objekts 50 rückgestreute Licht wird über einen dichroitischen Strahlteiler 40, einem Strahlteiler 160 und einer Abbildungsoptik 170 auf den Mehrwellenlängenholographiedetektor 180 gelenkt und dort mit der Referenzwelle überlagert. Die Mehrwellenlängenholographielaser 110, 112, 114, 116 weisen unterschiedliche Wellenlängen im Bereich von 1548 nm bis 1554 nm auf. Für den Objektstrahl wird deren Licht koaxial überlagert, während für den Referenzstrahlengang für jede der Wellenlängen gegenüber dem Objektstrahlengang leicht unterschiedlich verkippte Referenzwellen genutzt werden. Die Verkippung der Referenzwellen erfolgt mit Hilfe eines oder mehrerer Beugungselemente bzw. Flächengitter (in 1 nicht gezeigt). Dadurch können die Interferenzsignale der einzelnen Wellenlängen mit Methoden des räumlichen Phasenschiebens getrennt werden. Jedes der Interferenzsignale liefert einen Wert für die komplexe Amplitude der Welle, die vom Objekt 50 zurückgestreut wurde. Die Phasenlage der komplexen Amplitude kann an spiegelnden Objekten direkt als Maß für die Distanz zwischen Messobjekt 50 und Sensor 180 interpretiert werden – allerdings zunächst nur mit einem eindeutigen Messbereich, der so groß ist wie die halbe Wellenlänge des verwendeten Laserlichts (also ca. 775 nm). An rauen Objekten 50, d. h. Objekten 50 mit einer die vor allem für technische Anwendungen eine große Rolle spielen, wird die Phasenlage von zufälligen Interferenzen, den Laserspeckles, überlagert, die eine direkte Nutzung der Phase zur Distanzmessung unmöglich machen. Die Lösung für beide Einschränkungen ist die Differenzbildung zwischen den gemessenen Phasenwerten bei den unterschiedlichen Wellenlängen. So verschwindet zum einen der negative Einfluss der zufälligen Laser-Speckles. Zum anderen wird der eindeutige Messbereich bei geeigneter Wahl der Wellenlängen nach dem Prinzip der synthetischen Wellenlängen bis in den mm-Bereich erweitert. Dadurch wird ein Überlapp der Messbereiche der beiden Verfahren erreicht, so dass die Messergebnisse der beiden Verfahren zu einem neuen Messsignal kombiniert werden können, das den großen Messbereich der Phasenlaufzeitmessung mit den hohen Messgenauigkeiten der digitalen Holographie vereinigt.The multi-wavelength holography module 100 comprises four holographic light sources or multi-wavelength holography lasers 110 . 112 . 114 . 116 and a multi-wavelength holographic detector 180 , Coherent light emitted by the multi-wavelength holographic lasers 110 . 112 . 114 . 116 is emitted, is divided into an object and a reference wave, that is, in object light beams and reference light beams. The reference wave or the reference light beams are in a fiber optic 127 guided. The object wave or the object light beams illuminate an object to be measured 50 , The object 50 or a measuring point of the object 50 Backscattered light is transmitted via a dichroic beam splitter 40 , a beam splitter 160 and an imaging optics 170 to the multi-wavelength holographic detector 180 steered and superimposed there with the reference wave. The multi-wavelength holography laser 110 . 112 . 114 . 116 have different wavelengths in the range of 1548 nm to 1554 nm. For the object beam whose light is coaxially superimposed, while slightly different tilted reference waves are used for the reference beam for each of the wavelengths relative to the object beam path. The tilting of the reference waves takes place with the aid of one or more diffraction elements or area gratings (in 1 Not shown). As a result, the interference signals of the individual wavelengths can be separated by means of spatial phase shifting. Each of the interference signals provides a value for the complex amplitude of the wave from the object 50 was scattered back. The phase angle of the complex amplitude can be measured directly on reflecting objects as a measure of the distance between the object to be measured 50 and sensor 180 but initially only with a clear measuring range that is as large as half the wavelength of the laser light used (ie about 775 nm). On rough objects 50 ie objects 50 With one that plays a major role especially for technical applications, the phase shift is superimposed by random interferences, the laser speckles, which make direct use of the phase for distance measurement impossible. The solution for both constraints is the difference between the measured phase values at the different wavelengths. For one thing, the negative influence of random laser speckles disappears. On the other hand, the unambiguous measuring range is extended up to the mm range with a suitable choice of the wavelengths according to the principle of synthetic wavelengths. As a result, an overlap of the measurement ranges of the two methods is achieved, so that the measurement results of the two methods can be combined to form a new measurement signal that combines the large measurement range of the phase delay measurement with the high measurement accuracy of digital holography.

Das Phasenlaufzeitmessmodul 200 umfasst eine Phasenlaufzeitlichtquelle bzw. einen Phasenlaufzeitlaser 210 und einen Phasenlaufzeitdetektor 280. Der Phasenlaufzeitlaser 210 wird periodisch moduliert. Das abgestrahlte Laserlicht wird mittels Spiegel 224 und Strahlteiler 260 abgelenkt und trifft über den dichroitischen Strahlteiler 40 auf eine zu vermessende Oberfläche bzw. auf einen Messpunkt eines Messobjekts 50. An dem das Laserlicht gestreut wird. Ein Teil des Streulichts gelangt auf den Phasenlaufzeitdetektor 280. Die Phasenlage zwischen der Modulation des abgestrahlten und detektierten Lichts ist ein Maß für die Distanz zwischen Phasenlaufzeitdetektor 280 und Messpunkt bzw. Objektoberfläche. Wird beispielsweise eine Modulationsfrequenz von 128 MHz genutzt, lassen sich damit eindeutige Distanzmessungen bis zu 1,17 m realisieren. Die Messgenauigkeit, die mit dem Phasenlaufzeitmessmodul 200 erreicht werden kann und die durch optische, und elektronische Randbedingungen nicht wesentlich unterschritten werden kann, liegt in der Größenordnung von < 5 mm.The phase delay module 200 comprises a phase delay light source or a phase delay laser 210 and a phase delay detector 280 , The phase delay laser 210 is periodically modulated. The emitted laser light is detected by means of mirrors 224 and beam splitters 260 distracted and hits the dichroic beam splitter 40 on a surface to be measured or on a measuring point of a test object 50 , At which the laser light is scattered. Part of the stray light reaches the phase transit time detector 280 , The phase relationship between the modulation of the emitted and detected light is a measure of the distance between the phase delay detector 280 and measuring point or object surface. If, for example, a modulation frequency of 128 MHz is used, clear distance measurements up to 1.17 m can be realized. The measurement accuracy that comes with the phase delay module 200 can be achieved and can not be significantly undercut by optical and electronic boundary conditions, is on the order of <5 mm.

2 zeigt eine weitere schematische Skizze eines optischen Aufbaus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Distanzmessung. Der Strahlengang für das Phasenlaufzeitverfahren ist im linken unteren Teil von 2 dargestellt: Das Licht eines fasergekoppelten Diodenlasers 210 mit einer Wellenlänge von 1470 nm wird zunächst durch den Kollimator 212 kollimiert. Anschließend wird der Strahl über einen Umlenkspiegel 214 und einen dichroitischen Strahlteiler 40 auf das Messobjekt 50 gelenkt. Der Dichroit hat eine Bandkante von 1550 nm, so dass nur Licht mit Wellenlängen < 1550 nm reflektiert wird. Längerwelliges Licht wird transmittiert. Vorzugsweise ist der Dichroit ausgelegt, um nur Licht mit Wellenlängen zwischen 1480 nm und 1540 nm, idealerweise nur eine Wellenlänge in der Mitte zwischen 1470 nm und 1550 nm, d. h. etwa 1510 nm, zu reflektieren. Der Strahldurchmesser des Laserstrahls beträgt etwa 1 mm, so dass eine gute Kollimation des Strahls über einen Bereich von 1 m gegeben ist. Die beugungsbegrenzte Strahldivergenz beträgt etwa 0,9 mrad. Das Laserlicht, das vom Messobjekt rückgestreut wird, läuft über den Dichroiten 40, einen verkippten Umlenkspiegel 215 und eine Sammellinse 216 auf eine Avalanche-Fotodiode 220. Diese wandelt das aufgenommene Laserlicht in ein elektrisches Signal um, das anschließend ausgewertet werden kann. 2 shows a further schematic sketch of an optical structure according to a preferred embodiment of the system according to the invention for distance measurement. The beam path for the phase delay method is in the lower left part of 2 Shown: The light of a fiber-coupled diode laser 210 with a wavelength of 1470 nm is first through the collimator 212 collimated. Subsequently, the beam is transmitted via a deflection mirror 214 and a dichroic beam splitter 40 on the test object 50 directed. The dichroic has a band edge of 1550 nm, so that only light with wavelengths <1550 nm is reflected. Longer wave light is transmitted. Preferably, the dichroic is Designed to reflect only light with wavelengths between 1480 nm and 1540 nm, ideally only one wavelength in the middle between 1470 nm and 1550 nm, ie about 1510 nm. The beam diameter of the laser beam is about 1 mm, so that a good collimation of the beam over a range of 1 m is given. The diffraction-limited beam divergence is about 0.9 mrad. The laser light, which is backscattered by the measurement object, passes over the dichroic 40 , a tilted deflection mirror 215 and a condenser lens 216 on an avalanche photodiode 220 , This converts the recorded laser light into an electrical signal, which can then be evaluated.

Der Teil des optischen Aufbaus, der die digital-holographischen Messungen ermöglicht, ist in 2 durch einen Referenzstrahlengang 135, einen Nullpunktstrahlengang 145 und einen Objektstrahlengang 155 gekennzeichnet. Für alle drei Strahlengänge werden vier hochstabile Diodenlaser 110, 112, 114, 116 leicht unterschiedlicher und einstellbarer Wellenlänge (z. B. 1547,112 nm, 1548,652 nm, 1550,482 nm, 1552,924 nm) mit Hilfe dreier polarisationserhaltender Faserstrahlteiler in eine gemeinsame polarisationserhaltende optische Faser 118 eingekoppelt. Nach Austritt aus der Faser 118 wird das Licht mit Hilfe des Kollimators 122 kollimiert. Die Aufteilung in Objekt-, Referenz- und Nullpunktstrahlengang erfolgt über polarisierende Strahlteilerwürfel 124. Mit Hilfe zweier drehbarer Halbwellenplatten 126 kann das Aufteilungsverhältnis in die drei Strahlengänge eingestellt werden.The part of the optical setup that enables the digital-holographic measurements is in 2 through a reference beam path 135 , a zero beam path 145 and an object beam path 155 characterized. For all three beam paths, four highly stable diode lasers are used 110 . 112 . 114 . 116 slightly different and adjustable wavelength (eg, 1547.112 nm, 1548.652 nm, 1550.482 nm, 1552.924 nm) using three polarization-maintaining fiber beam splitters in a common polarization-maintaining optical fiber 118 coupled. After leaving the fiber 118 becomes the light with the help of the collimator 122 collimated. The subdivision into object, reference and zero beam paths is carried out via polarizing beam splitter cubes 124 , With the help of two rotatable half-wave plates 126 the division ratio can be set in the three beam paths.

Für den Objektstrahlengang 155 durchläuft das kollimierte Laserlicht einen weiteren polarisierenden Strahlteilerwürfel 148 und eine Viertelwellenplatte 150. Das Licht trifft dann auf den Messpunkt des Objekts 50 und wird dort gestreut. Ein Teil des gestreuten Lichts gelangt dann durch die Viertelwellenplatte 150 erneut zum polarisierenden Strahlteilerwürfel 148. Die Viertelwellenplatte 150 sorgt dafür, dass die Polarisation des Laserlichts um 90° gedreht wird, da sie insgesamt zweimal durchlaufen wird, und bewirkt so, dass das rückgestreute Licht am polarisierenden Strahlteiler 148 unter 90° in die Richtung des Mehrwellenlängenholographiedetektors bzw. der Kamera 180 abgelenkt wird. Da als Messobjekte 50 auch und vor allem raue Oberflächen von hohem Interesse sind, wird das rückgestreute Licht Laserspeckles aufweisen. Beispielsweise können die Laserspeckles in der Ebene der Kamera etwa so groß wie 3 bis 5 Kamerapixel sein, d. h. ca. 20 μm bis 50 μm. Um die Größe der Laserspeckles einstellen zu können und um nur einen Teil der Zeilenkamera 180 zur Bildaufnahme auszuleuchten, befindet sich im weiteren Strahlengang eine Spaltblende 146 mit einstellbarer Spaltgröße. Das Licht, das die Spaltblende 146 durchlaufen hat, gelangt dann auf die Zeilenkamera 180.For the object beam path 155 The collimated laser light passes through another polarizing beam splitter cube 148 and a quarter wave plate 150 , The light then hits the measuring point of the object 50 and is scattered there. Part of the scattered light then passes through the quarter wave plate 150 again to the polarizing beam splitter cube 148 , The quarter wave plate 150 ensures that the polarization of the laser light is rotated by 90 °, since it is traversed twice in total, and thus causes the backscattered light at the polarizing beam splitter 148 at 90 ° in the direction of the multi-wavelength holographic detector or camera 180 is distracted. Because as measuring objects 50 Also, and especially rough surfaces are of high interest, the backscattered light will have laser speckles. For example, the laser speckles in the plane of the camera can be about as large as 3 to 5 camera pixels, ie, about 20 μm to 50 μm. To be able to adjust the size of the laser speckles and only a part of the line scan camera 180 To illuminate the image, there is a slit in the further beam path 146 with adjustable gap size. The light, the slit diaphragm 146 has passed through, then passes on the line camera 180 ,

Für den Referenzstrahlengang 135 wird ein Teil des Laserlichts wieder in eine polarisationserhaltende Faser 128 eingekoppelt. Nach Austritt aus der Faser 128 wird das Licht über einen Kollimator 130 kollimiert. Im Folgenden wird das Licht über mehrere Linsen 132 und zwei optische Gitter 134, 138 geleitet und interferiert schließlich mit dem Objektstahl 155 auf der Zeilenkamera 180. Für die spätere Auswertung der Kamerabilder der Zeilenkamera 180 ist es nötig, dass die Referenzstrahlen der Laser 1 bis 4 unter leicht unterschiedlichen Winkeln auf die Kamera treffen. Die optischen Gitter 134, 138 sorgen genau dafür. Die Winkeldispersion eines der verwendeten Gitter für die vier Laserwellenlängen beträgt etwa 3,2 mrad. Idealerweise sollten aber bis zu 20 mrad zwischen den Referenzwellen der beiden extremen Laser liegen. Deshalb werden zwei Gitter 134, 138 verwendet, die zusätzlich noch verkleinert auf die Kamera 180 abgebildet werden. Dabei wird das erste Gitter 134 mit Hilfe der eingebrachten Linsen 132 auf das zweite Gitter 138 abgebildet und das zweite Gitter 138 wiederum scharf auf die Kamera 180 abgebildet. Das sorgt dafür, dass alle Laserstrahlen den gleichen Bereich auf der Kamera 180 ausleuchten, die Auftreffwinkel bedingt durch die Gitterdispersion aber unterschiedlich sind. Die Wirkungen der beiden Gitter 134, 138 addieren sich dabei. Zusätzlich erfolgt die Abbildung des zweiten Gitters 138 verkleinernd (Abbildungsmaßstab etwa –0,5), was ebenfalls die Auftreffwinkel der einzelnen Laserstrahlen vergrößert. Es ergibt sich eine Aufspreizung der Wellenlängen der vier Laser 110, 112, 114, 116 auf einen Winkelbereich von etwa 12 mrad, was für die spätere Auswertung ausreichend ist. Außerdem sind die Gitter derart ausgelegt und angeordnet, dass nur eine der Beugungsordnungen des Gitters durch die Linsen auf die Kamera gelangt.For the reference beam path 135 Part of the laser light becomes a polarization-maintaining fiber 128 coupled. After leaving the fiber 128 the light is going through a collimator 130 collimated. The following is the light over several lenses 132 and two optical grids 134 . 138 finally passes and interferes with the object steel 155 on the line camera 180 , For the later evaluation of the camera images of the line scan camera 180 It is necessary that the reference beams of the lasers 1 to 4 hit the camera at slightly different angles. The optical grids 134 . 138 make sure of that. The angular dispersion of one of the gratings used for the four laser wavelengths is about 3.2 mrad. Ideally, however, should be up to 20 mrad between the reference waves of the two extreme laser. That's why there are two grids 134 . 138 used, which additionally reduced to the camera 180 be imaged. This is the first grid 134 with the help of the inserted lenses 132 on the second grid 138 pictured and the second grid 138 turn sharp on the camera 180 displayed. This ensures that all laser beams cover the same area on the camera 180 illuminate, the impact angle due to the grid dispersion but are different. The effects of the two lattices 134 . 138 add up. In addition, the second grid is displayed 138 zooming (magnification about -0.5), which also increases the angle of incidence of the individual laser beams. This results in a spread of the wavelengths of the four lasers 110 . 112 . 114 . 116 to an angular range of about 12 mrad, which is sufficient for the later evaluation. In addition, the grids are designed and arranged such that only one of the diffraction orders of the grating passes through the lenses to the camera.

Der Nullpunktstrahlengang 145 im holographischen Aufbau dient der Festlegung des Nullpunkts der interferometrischen Messung. In der Interferometrie ist ein kritischer Punkt stets die Kompensation von Drift des willkürlich festgelegten Nullpunkts. Im vorliegenden Fall ist diese Drift vor allem thermischen Einflüssen auf den Referenzstrahlengang 135 geschuldet. Unter Erwärmung ändert sich die optische Weglänge des Referenzstrahls. Die im Interferometer gemessene Phasenlage zwischen Objekt- und Referenzstrahl folgt dieser Änderung und verfälscht die gemessene Entfernung zum Messpunkt. Um dies zu kompensieren, wird ein nahezu unbeeinflusster Teil des Laserlichts innerhalb des optischen Aufbaus mittels eines polarisierenden Strahlteilers 124 ausgekoppelt und ebenfalls durch eine Spaltblende 146 auf die Zeilenkamera 180 gelenkt. Die Strahlen aus Objektstrahlengang 155 und Nullpunktstrahlengang 145 treffen auf unterschiedliche Bereiche der Kamera, so dass beide getrennt voneinander ausgewertet werden können. Dies ermöglicht eine direkte Messung der Drift im Referenzstrahlengang 135, die in der Auswertung dann kompensiert werden kann.The zero beam path 145 The holographic structure is used to determine the zero point of the interferometric measurement. In interferometry, a critical point is always the compensation of drift of the arbitrary zero point. In the present case, this drift is mainly due to thermal influences on the reference beam path 135 owed. When heated, the optical path length of the reference beam changes. The phase angle between object and reference beam measured in the interferometer follows this change and falsifies the measured distance to the measuring point. To compensate for this, an almost unaffected part of the laser light within the optical structure is formed by means of a polarizing beam splitter 124 decoupled and also through a slit 146 on the line camera 180 directed. The rays from the object beam path 155 and zero beam path 145 meet different areas of the camera, so that both can be evaluated separately. This allows a direct Measurement of the drift in the reference beam path 135 , which can then be compensated in the evaluation.

Eine weitere Lichtfaser 120 führt einen Teil der Mehrwellenlängenholographielaserstrahlen zu einem Referenzierungsmodul 300, welches weiter unten noch näher beschrieben wird.Another light fiber 120 feeds a portion of the multi-wavelength holography laser beams to a referencing module 300 , which will be described in more detail below.

Für die Distanzmessung auf Basis der digitalen Holographie ist die Aufnahme und Auswertung von Interferenzbildern nötig. Im entwickelten optischen Aufbau kommt für die Aufnahme der Interferenzbilder eine Infrarot-Zeilenkamera 180 zum Einsatz. Ein typisches Kamerasignal ist in 3a gezeigt. Ein Helligkeitsgrundniveau wird dabei durch die Referenzwelle erzeugt. Das Objektlicht und das Licht aus dem Nullpunktstrahl treffen auf unterschiedliche Bereiche der Kamerazeile, so dass die beiden Signale leicht getrennt werden können. Die Überlagerung aller Signale führt zur Interferenz, die sich in sinusförmiger Modulation des Überlagerungssignals widerspiegelt. Da die Referenzwellen der vier Laser 110, 112, 114, 116 mit Hilfe des zumindest einen Beugungselements 134, 138 unter verschiedenen Winkeln auf die Kamerazeile treffen, weisen die vier überlagerten Interferenzsignale unterschiedliche Ortsfrequenzen auf.For the distance measurement based on digital holography, the recording and evaluation of interference images is necessary. In the developed optical setup, an infrared line scan camera is used to record the interference images 180 for use. A typical camera signal is in 3a shown. A brightness base level is generated by the reference wave. The object light and the light from the zero beam hit different areas of the camera line, so that the two signals can be easily separated. The superposition of all signals leads to interference, which is reflected in sinusoidal modulation of the beat signal. Because the reference waves of the four lasers 110 . 112 . 114 . 116 with the help of the at least one diffraction element 134 . 138 At different angles to the camera line, the four superimposed interference signals have different spatial frequencies.

In der Fouriertransformierten des Kamerasignals, wie in 3b dargestellt, ergeben sich daher vier Peaks, die den Interferenzmustern der einzelnen Laser 110, 112, 114, 116 entsprechen. Im Fourier-Raum können also die Messsignale der vier Laser 110, 112, 114, 116 voneinander getrennt werden, indem die Peaks jeweils ausgeschnitten werden. Nach dem Ausschneiden der Peaks und einer Fourier-Rücktransformation können Amplitude und Phase der Objekt- und Nullpunktwellen der vier verschiedenen Laser 110, 112, 114, 116 bestimmt werden. Die Phasenlage φi, die bei einer Wellenlänge λi gemessen wird, ist dabei ein Maß für die zurückgelegte optische Weglänge L:

Figure DE102014004697B4_0005
In the Fourier transform of the camera signal, as in 3b Therefore, there are four peaks that represent the interference patterns of the individual lasers 110 . 112 . 114 . 116 correspond. In Fourier space, therefore, the measuring signals of the four lasers 110 . 112 . 114 . 116 be separated from each other by the peaks are cut out respectively. After clipping the peaks and inverse Fourier transform, the amplitude and phase of the object and zero waves of the four different lasers can be determined 110 . 112 . 114 . 116 be determined. The phase position φ i , which is measured at a wavelength λ i , is a measure of the traveled optical path length L:
Figure DE102014004697B4_0005

Die Phasenlage wird sowohl für den Nullpunktstrahl 145 als auch für den Objektstrahl 155 gemessen. Aus der Differenz der beiden Phasenwerte wird nach der obigen Formel die real zurückgelegte optische Weglänge im Objektstrahl 155 gemessen und der Einfluss von Drift im Referenzstrahl 135 minimiert. Auf diese Weise kann die optische Weglänge zunächst nur mit einem Eindeutigkeitsbereich von einer Wellenlänge bestimmt werden, da die gemessene Phase periodisch mit λ ist. Zudem wird an rauen Oberflächen die gemessene Phasenlage von zufälligen Interferenzmustern, insbesondere Laserspeckles, überlagert, die eine direkte Auswertung der Phasenlage zur Distanzmessung verhindern. Die Rauigkeit R der angestrahlten Oberfläche muss deutlich unter der Wellenlänge des verwendeten Lichts liegen, bei sichtbarem Licht also R << 600 nm, was für viele Oberflächen allerdings nicht der Fall ist. Zur Umgehung der Speckleproblematik und zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs wird ein Mehrwellenlängenansatz gewählt. Als Messsignal dient dabei die Differenz der Phasenwerte, die bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen gemessen wurden:

Figure DE102014004697B4_0006
wobei
Figure DE102014004697B4_0007
die synthetische Wellenlänge bezeichnet. Auf diese Art kann der Eindeutigkeitsbereich vergrößert werden, wenn die Differenz der verwendeten Wellenlängen sehr viel kleiner ist als die Wellenlängen selbst. Durch Verwendung einer Reihe verschiedener synthetischer Wellenlängen kann so der eindeutige Messbereich bis in den Bereich einiger Millimeter erweitert werden.The phase position is for both the zero point beam 145 as well as for the object beam 155 measured. From the difference between the two phase values, the actual optical path length traveled in the object beam is calculated according to the above formula 155 measured and the influence of drift in the reference beam 135 minimized. In this way, the optical path length can first be determined only with a uniqueness range of one wavelength, since the measured phase is periodic with λ. In addition, the measured phase position of random interference patterns, in particular laser speckles, superimposed on rough surfaces, which prevent a direct evaluation of the phase position for distance measurement. The roughness R of the illuminated surface must be clearly below the wavelength of the light used, with visible light R << 600 nm, which is not the case for many surfaces. To bypass the speckle problem and to extend the uniqueness range, a multi-wavelength approach is chosen. The difference between the phase values measured at two different wavelengths serves as a measuring signal:
Figure DE102014004697B4_0006
in which
Figure DE102014004697B4_0007
denotes the synthetic wavelength. In this way, the uniqueness range can be increased if the difference in the wavelengths used is much smaller than the wavelengths themselves. By using a number of different synthetic wavelengths so the unique measurement range can be extended to the range of a few millimeters.

Die Erzeugung weiterer synthetischer Wellenlängen aus zuvor generierten synthetischen Wellenlängen ergibt die Möglichkeit, die Frequenzabstände zwischen benachbarten Einzelwellenlängen gering, d. h. einige Hundert GHz, zu wählen und dennoch einen weiten Bereich verschiedener Wellenlängen abzudecken. Analog zu obigen Gleichungen kann bei Verwendung von vier Einzelwellenlängen eine synthetische Wellenlänge Λ12,34 aus den synthetischen Wellenlängen Λ12 und Λ34 erzeugt werden, die sich berechnet zu:

Figure DE102014004697B4_0008
The generation of further synthetic wavelengths from previously generated synthetic wavelengths makes it possible to select the frequency spacings between adjacent individual wavelengths to be low, ie a few hundred GHz, and yet to cover a wide range of different wavelengths. Analogous to the above equations, when using four individual wavelengths, a synthetic wavelength Λ 12.34 can be generated from the synthetic wavelengths Λ 12 and Λ 34 , which is calculated as:
Figure DE102014004697B4_0008

Wenn Λ12 und Λ34 ähnlich groß sind, wird die synthetische Wellenlänge Λ12,34, die nun generiert wird, sehr groß, auch wenn die einzelnen synthetischen Wellenlängen Λ12, und Λ34 eher klein sind. Für die Wellenlängenunterschiede der Einzelwellenlängen bedeutet das, dass der Abstand von λ1 nach λ2 ähnlich groß gewählt werden kann wie der von λ3 nach λ4. Dies sorgt dafür, dass diese Wellenlängenunterschiede mit Hilfe des im Folgenden zu beschreibenden Referenzierungsmoduls 300 gut messbar sind.If Λ 12 and Λ 34 are similar in size, the synthetic wavelength Λ 12,34 that is now generated becomes very large, even though the individual synthetic wavelengths Λ 12 , and Λ 34 are rather small. For the wavelength differences of the individual wavelengths, this means that the distance from λ 1 to λ 2 can be chosen to be as large as that from λ 3 to λ 4 . This ensures that these wavelength differences with the aid of the referencing module to be described below 300 are well measurable.

4 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Referenzierungsmoduls, welches eine genaue und rückführbare Bestimmung der zur Distanzmessung eingesetzten synthetischen Wellenlängen ermöglicht. Dies ist Voraussetzung für hochgenaue Distanzmessungen und erlaubt die Rückführung der Ergebnisse auf einen international gültigen Frequenzstandard. Dabei werden die Frequenzabstände der genutzten vier Laserlinien gemessen. Diese liegen im Bereich einiger hundert Gigahertz und damit jenseits der Möglichkeiten von kommerziell erhältlicher Hochfrequenzelektronik. Zur Messung werden deshalb mittels elektro-optischer Phasenmodulation Seitenlinien im optischen Spektrum erzeugt. Diese Seitenlinien überbrücken die großen Frequenzabstände zwischen den Lasern. Die Modulationsfrequenzen von 36 GHz und 40 GHz werden von einem hochpräzisen Frequenzstandard abgeleitet. Die Modulationsfrequenzen sind so gewählt, dass in Kombination mit den Frequenzabständen der Laser benachbarte Seitenlinien mit typischerweise einigen Hundert MHz Frequenzabstand entstehen. Die entstehenden Schwebungsfrequenzen können mit sub-GHz Elektronik detektiert und ausgewertet werden. Aus den gemessenen Frequenzen, den bekannten Modulationsfrequenzen und der Kenntnis über die Anzahl der zwischen den Lasern liegenden Seitenlinien, d. h. einer groben Kenntnis der Laserwellenlänge, ergeben sich dann die Frequenzabstände der Laser und daraus die synthetischen Wellenlängen. Da die Referenzierungsmessung zeitgleich mit der Distanzmessung erfolgt, können so auch die Auswirkungen von Schwankungen der Laserwellenlängen – z. B. durch Umgebungseinflüsse wie Temperatur oder mechanische Vibrationen – ausgeglichen werden. 4 shows a schematic structure of the homing module according to the invention, which is an accurate and traceable determination allows the used for distance measurement synthetic wavelengths. This is a prerequisite for highly accurate distance measurements and allows the feedback of the results to an internationally valid frequency standard. The frequency distances of the four laser lines used are measured. These are in the range of a few hundred gigahertz and thus beyond the possibilities of commercially available high-frequency electronics. For measurement therefore side lines are generated in the optical spectrum by means of electro-optical phase modulation. These side lines bridge the large frequency gaps between the lasers. The modulation frequencies of 36 GHz and 40 GHz are derived from a high-precision frequency standard. The modulation frequencies are chosen so that, in combination with the frequency intervals of the laser adjacent side lines typically with a few hundred MHz frequency spacing arise. The resulting beat frequencies can be detected and evaluated with sub-GHz electronics. From the measured frequencies, the known modulation frequencies and the knowledge of the number of side lines lying between the lasers, ie a rough knowledge of the laser wavelength, the frequency distances of the lasers and from them the synthetic wavelengths result. Since the Referenzierungsmessung takes place simultaneously with the distance measurement, so can the effects of fluctuations in the laser wavelengths -. B. by environmental influences such as temperature or mechanical vibrations - be compensated.

Ein Teil der Laserleistung, beispielsweise 50% oder auch nur 1 bis 10%, wird mit Faserkopplern 120 – siehe 2 – dem Referenzierungsmodul 300 zur Verfügung gestellt. Die gewählten Wellenlängen des holographischen Distanzmessverfahrens lassen sich mit Seitenlinien im Abstand von 36 GHz bzw. 40 GHz referenzieren. Diese Seitenlinien werden mit elektro-optischen Modulatoren 312, 314 erzeugt. Die Treiberfrequenzen können dabei von einem 10 MHz-Frequenzstandard 320 abgeleitet werden. Um Seitenbänder höherer Ordnung zu erzeugen, ist eine möglichst große Modulationstiefe erforderlich, also eine Kombination aus einem starken Treibersignal und einer kleinen π-Spannung Uπ der Modulatoren. Die π-Spannung bezeichnet dabei die Spannungsamplitude des Treibersignals, bei welcher eine Phasenverschiebung um π in den Modulatorarmen erreicht wird. Es sind daher elektrische Verstärker mit einer hohen Ausgangsleistung, beispielsweise 29 dBm, und Modulatoren mit einer kleinen π-Spannung, beispielsweise Uπ = 3,5 V, vorteilhaft. Die optischen Signale werden nach der Seitenbandgeneration in einem Faserkoppler 330 kombiniert und mit sogenannten balanzierten Photodioden 332, 334 detektiert. Durch diese Art der Detektion verschwindet der Gleichanteil im Photostrom und es wird nur das durch eng beieinanderliegende Seitenlinien verschiedener Laser erzeugte Überlagerungssignal detektiert. Die Signale werden mittels eines Analog-Digitalwandlers 340 aufgenommen und zur digitalen Verarbeitung auf einen Rechner geladen. Durch den ausschließlichen Einsatz von polarisationserhaltenden Faserkomponenten ist ein Justieren der Polarisationen zur Maximierung des Interferenzsignals auf der Photodiode vorteilhafterweise nicht notwendig. Prinzipiell ist das Referenzierungsmodul 300 nicht räumlich an das Mehrwellenlängenholographiemodul 100 bzw. das Phasenlaufzeitmodul 200 gebunden, es bedarf lediglich einer Verbindung per Glasfaser und einer Übertragung der gemessenen Werte, beispielsweise per LAN oder Internet.Part of the laser power, for example 50% or even only 1 to 10%, is provided by fiber couplers 120 - please refer 2 - the referencing module 300 made available. The selected wavelengths of the holographic distance measuring method can be referenced with side lines at a distance of 36 GHz or 40 GHz. These sidelines are using electro-optical modulators 312 . 314 generated. The driver frequencies can be from a 10 MHz frequency standard 320 be derived. In order to produce sidebands of higher order, the greatest possible depth of modulation is required, ie a combination of a strong driver signal and a small π-voltage Uπ of the modulators. The π voltage designates the voltage amplitude of the driver signal, in which a phase shift of π in the modulator arms is achieved. Therefore, electrical amplifiers with a high output power, for example 29 dBm, and modulators with a small π voltage, for example Uπ = 3.5 V, are advantageous. The optical signals become after the sideband generation in a fiber coupler 330 combined and with so-called balanced photodiodes 332 . 334 detected. By this type of detection, the DC component disappears in the photocurrent and only the superposition signal generated by closely adjacent side lines of different lasers is detected. The signals are transmitted by means of an analog-to-digital converter 340 recorded and loaded on a computer for digital processing. Due to the exclusive use of polarization-maintaining fiber components, adjusting the polarizations to maximize the interference signal on the photodiode is advantageously not necessary. In principle, the referencing module 300 not spatially to the multi-wavelength holography module 100 or the phase delay module 200 bound, it only requires a connection via fiber optic and a transmission of the measured values, for example via LAN or Internet.

5 zeigt beispielhafte optische Spektrallinien der vier Holographielaserquellen 110, 112, 114, 116, sowie erzeugte Seitenbänder. Durch die elektro-optische Phasenmodulation mit 36 GHz bzw. 40 GHz werden aus der jeweiligen Laserlinie Seitenbänder mit diesen Frequenzabständen erzeugt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 5 nur Seitenbänder bis zur maximal 6. Ordnung berücksichtigt. Spektral eng beieinanderliegende Seitenlinien erzeugen messbare Schwebungsfrequenzen, hier im Bereich von 413 MHz bis 1237 MHz. Andere theoretisch mögliche Schwebungen zwischen den Linien werden nicht detektiert. Die Frequenzen dieser Schwebungen liegen weit über der 3 dB-Bandbreite der eingesetzten Detektoren (800 MHz), so dass der Detektor als Tiefpassfilter wirkt. Die Frequenzdifferenz zwischen zwei Lasern ergibt sich dann aus der gemessenen Schwebungsfrequenz fbeat der Anzahl der jeweiligen Seitenlinien n, welche durch eine grobe Kenntnis der Wellenlängen bekannt ist, und den Modulationsfrequenzen fmod1,2 der beiden Oszillatoren, welche aus dem Frequenzstandard bekannt sind als Δf = n1fmod1 + n2fmod2 ± fbeat (9). 5 shows exemplary optical spectral lines of the four holography laser sources 110 . 112 . 114 . 116 , as well as generated sidebands. Due to the electro-optical phase modulation with 36 GHz or 40 GHz side bands are generated with these frequency intervals from the respective laser line. To simplify the illustration are in 5 only sidebands up to a maximum of 6th order taken into account. Spectral closely spaced side lines produce measurable beat frequencies, here in the range of 413 MHz to 1237 MHz. Other theoretically possible beats between the lines are not detected. The frequencies of these beats are well above the 3 dB bandwidth of the detectors used (800 MHz), so that the detector acts as a low-pass filter. The frequency difference between two lasers then results from the measured beat frequency f beat of the number of the respective side lines n, which is known by a rough knowledge of the wavelengths, and the modulation frequencies f mod1,2 of the two oscillators, which are known from the frequency standard Δf = n 1 f mod1 + n 2 f mod2 ± f beat (9).

Das jeweilige Vorzeichen sowie die Zuordnung der gemessenen Schwebungsfrequenzen zu den Lasern 110, 112, 114, 116 lassen sich durch minimale Feinverstellung der Laserfrequenzen ermitteln. Dabei wandert auch die jeweilige Schwebungsfrequenz zu kleineren oder größeren Frequenzen, so dass sich daraus das Vorzeichen ablesen lässt.The respective sign and the assignment of the measured beat frequencies to the lasers 110 . 112 . 114 . 116 can be determined by a minimum fine adjustment of the laser frequencies. The respective beat frequency also moves to smaller or larger frequencies, so that the sign can be read from it.

6 zeigt eine schematische Skizze des beim Phasenlaufzeitmodul 200 eingesetzten Phasenlaufzeitverfahrens. Hierbei wird die Intensität des Sendelasers 210 hochfrequent moduliert. Das Sendelicht durchläuft auf dem Weg zum Messobjekt 50 die Distanz D, wird dort gestreut und/oder reflektiert, und ein Teil des Lichts durchläuft die Strecke D noch einmal und gelangt schließlich auf den Detektor 280. Das Modulationssignal erfährt auf diesem Weg eine Phasenverschiebung Δφ. Diese Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und empfangenem Signal kann elektronisch mit vertretbarem Aufwand sehr präzise gemessen werden. Aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen Modulationsfrequenz fmod bzw. Modulationswellenlänge λmod, Lichtgeschwindigkeit c und der zurückgelegten Strecke erhält man die Distanz D zum Werkstück aus der Formel:

Figure DE102014004697B4_0009
6 shows a schematic sketch of the phase delay module 200 used phase transit time method. This is the intensity of the transmitter laser 210 high-frequency modulated. The transmitted light passes on the way to the measured object 50 the distance D, is scattered and / or reflected there, and a portion of the light passes through the distance D again and finally reaches the detector 280 , The modulation signal undergoes a phase shift Δφ in this way. This phase shift between transmit signal and received signal can be measured electronically with reasonable effort very precise. Due to the known relationship between the modulation frequency f mod or modulation wavelength λ mod , the speed of light c and the distance traveled, the distance D to the workpiece is obtained from the formula:
Figure DE102014004697B4_0009

Das Resultat ist nur in einem eingeschränkten Messbereich λmod/2 eindeutig. Bei einer Modulationsfrequenz von 128 MHz beträgt der eindeutige Messbereich etwa 1,17 m. Der Eindeutigkeitsbereich kann durch zusätzliche niedrigere Modulationsfrequenzen realisiert werden.The result is unique only in a limited measuring range λ mod / 2. At a modulation frequency of 128 MHz, the unique measurement range is approximately 1.17 m. The uniqueness range can be realized by additional lower modulation frequencies.

Mit diesem Phasenlaufzeitmessprinzip ist ein koaxialer Optikaufbau möglich, da keinerlei Winkel zwischen Lichtquelle 210 und Detektor 280 notwendig ist, Das Verfahren ist darüber hinaus sehr robust gegenüber Hintergrundstrahlung, da nicht nur eine optische Filterung des Empfangslichtes stattfindet, sondern durch die elektronische Signalverarbeitung ähnlich wie bei einem lock-in Verstärker nur das Licht verarbeitet wird, welches die Modulationsfrequenz des Lasers enthält. Dies entspricht einer sehr schmalbandigen Filterung des Empfangssignals. Um keine Beeinträchtigung der interferometrischen Messung mittels des Mehrwellenlängenholographiemoduls 100 hervorzurufen, wird vorzugsweise ein Laser 210 mit einer Wellenlänge von 1470 nm eingesetzt. Der fasergekoppelte Laser 210 ist temperaturstabilisiert und kann eine mittlere Ausgangsleistung von ca. 180 mW liefern. Um Störungen der Empfangselektronik durch die für den Laser 210 notwendigen hohen hochfrequenten Ströme zu vermeiden, ist die komplette Modulations- und Regelelektronik zusammen mit dem Laser 210 in einem geschlossenen Metallgehäuse untergebracht.With this phase transit time measuring principle, a coaxial optics construction is possible because no angle between the light source 210 and detector 280 In addition, the method is very robust against background radiation, since not only an optical filtering of the received light takes place but similar to a lock-in amplifier only the light is processed by the electronic signal processing, which contains the modulation frequency of the laser. This corresponds to a very narrow-band filtering of the received signal. In order not to interfere with the interferometric measurement by means of the multi-wavelength holography module 100 It is preferable to generate a laser 210 used with a wavelength of 1470 nm. The fiber-coupled laser 210 is temperature-stabilized and can deliver an average output power of approx. 180 mW. To disturb the receiving electronics by the for the laser 210 necessary to avoid high high-frequency currents, is the complete modulation and control electronics together with the laser 210 housed in a closed metal housing.

Als Detektor 280 dient eine InGaAs-Avalanche Fotodiode, die zusammen mit einem temperaturgesteuerten Hochspannungsmodul und einem Vorverstärker in einem ebenfalls komplett geschirmten Gehäuse untergebracht ist. Die vorliegende Aufgabenstellung erfordert keinen großen Messbereich, aber die Messunsicherheit sollte unter ca. 2 mm liegen. Daher wird der Laser mit einer Modulationsfrequenz von fmod = 128 MHz moduliert. Die dazugehörige Modulationswellenlänge λmod beträgt man 2,342 m. Da das Licht die Messdistanz auf dem Hin- und Rückweg passiert, beträgt der dazugehörige eindeutige Messbereich etwa 1,17 m.As a detector 280 serves an InGaAs avalanche photodiode, which is housed in a completely shielded housing together with a temperature-controlled high-voltage module and a preamplifier. The present task does not require a large measuring range, but the measurement uncertainty should be less than about 2 mm. Therefore, the laser is modulated with a modulation frequency of f mod = 128 MHz. The associated modulation wavelength λ mod is 2.322 m. Since the light passes the measuring distance on the way there and back, the corresponding unique measuring range is about 1.17 m.

7 zeigt eine schematische Skizze zur Kombination der Phasenlaufzeitmessung und der Mehrwellenlängenholographiemessung. Der in 7 dargestellte Sensor entspricht je nach verwendeter Methode dem Mehrwellenlängenholographiedetektor 180 oder dem Phasenlaufzeitdetektor 280. In einem ersten Schritt wird ein erster Distanzwert zwischen Sensor und Messobjekt 50 mittels einer Time-of-Flight (TOF) bzw. einer Phasenlaufzeitmessung grob ermittelt. In einem zweiten Schritt wird ein zweiter Distanzwert mittels einer interferometrischen Messung aus der dabei gemessenen Phasenverschiebung Δφint Modulo der längsten synthetischen Wellenlänge ermittelt. In einem dritten Schritt werden so viele synthetischen Wellenlängen zu dem zweiten Distanzwert addiert, bis ein dadurch erhaltener kombinierter Distanzwert innerhalb eines Messungenauigkeitsintervalls des ersten Distanzwertes zu liegen kommt. 7 shows a schematic sketch for combining the phase delay measurement and the Mehrwellenlängenholographiemessung. The in 7 The sensor shown corresponds to the multi-wavelength holographic detector, depending on the method used 180 or the phase delay detector 280 , In a first step, a first distance value between the sensor and the object to be measured 50 coarsely determined by means of a time-of-flight (TOF) or a phase delay measurement. In a second step, a second distance value is determined by means of an interferometric measurement from the phase shift Δφ int modulo of the longest synthetic wavelength measured thereby. In a third step, as many synthetic wavelengths are added to the second distance value until a combined distance value obtained thereby comes to rest within a measurement inaccuracy interval of the first distance value.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

4040
Dichroitischer Strahlteiler/DichroitDichroic beam splitter / dichroit
5050
Messobjektmeasurement object
100100
MehrwellenlängenholographiemodulMehrwellenlängenholographiemodul
110110
Laser (Holographielaser/Holographielichtquelle)Laser (holography laser / holographic light source)
112112
Laser (Holographielaser/Holographielichtquelle)Laser (holography laser / holographic light source)
114114
Laser (Holographielaser/Holographielichtquelle)Laser (holography laser / holographic light source)
116116
Laser (Holographielaser/Holographielichtquelle)Laser (holography laser / holographic light source)
118118
Faserkopplerfiber coupler
120120
Fiber zum ReferenzierungsmodulFiber to the referencing module
122122
Kollimatorcollimator
124124
Strahlteilerbeamsplitter
126126
HalbwellenplattenHalf-wave plates
127127
Faseroptik für ReferenzstrahlenFiber optics for reference beams
128128
Polarisationserhaltende FaserPolarization maintaining fiber
130130
Kollimatorcollimator
132132
Optische LinsenOptical lenses
134134
Beugungselement/Optisches FlächengitterDiffraction element / optical surface grid
135135
Referenzstrahlen/ReferenzstrahlengangReference beam / reference beam path
136136
Optische LinsenOptical lenses
138138
Beugungselement/Optisches FlächengitterDiffraction element / optical surface grid
140140
Optische LinseOptical lens
142142
Strahlteilerbeamsplitter
144144
Strahlteilerbeamsplitter
145145
Nullpunktstrahl/NullpunktstrahlengangZero-ray / zero light path
146146
Spaltblendenslit
150150
ViertelwellenplatteQuarter-wave plate
155155
Objektstrahlen/ObjektstrahlengangObject beam / object beam path
160160
Strahlteilerbeamsplitter
170170
Abbildungsoptikimaging optics
180180
Zeilenkamera (Mehrwellenlängenholographiedetektor)Line scan camera (multi-wavelength holographic detector)
200200
PhasenlaufzeitmessmodulPhase delay measurement module
210210
Phasenlaufzeitlaser (Phasenlaufzeitlichtquelle)Phase delay laser (phase delay light source)
212212
Kollimatorcollimator
214214
Umlenkspiegeldeflecting
215215
Umlenkspiegeldeflecting
216216
Sammellinseconverging lens
224224
Umlenkspiegeldeflecting
260260
Strahlteilerbeamsplitter
280280
Photodiode (Phasenlaufzeitdetektor)Photodiode (phase delay detector)
300300
ReferenzierungsmodulReferenzierungsmodul
302302
RF-OszillatorRF oscillator
304304
RF-OszillatorRF oscillator
306306
Verstärkeramplifier
308308
Verstärkeramplifier
312312
Modulatormodulator
314314
Modulatormodulator
320320
Frequenzstandard/Frequenznormal (10 MHz)Frequency standard / frequency standard (10 MHz)
330330
Faserkopplerfiber coupler
332332
Balanzierter Detektor/Balanzierte PhotodiodeBalanced Detector / Balanced Photodiode
334334
Balanzierter Detektor/Balanzierte PhotodiodeBalanced Detector / Balanced Photodiode
340340
Analog-Digital WandlerAnalog-to-digital converter
350350
Computercomputer
500500
System zur DistanzmessungSystem for distance measurement

Claims (11)

System (500) zur Distanzmessung, umfassend – ein Mehrwellenlängenholographiemodul (100) zum Erfassen eines Holographiemessdatensatzes für zumindest einen Messpunkt auf Basis von zumindest einer synthetischen Wellenlänge, wobei das Mehrwellenlängenholographiemodul (100) aufweist: – zumindest zwei Holographielichtquellen (110, 112, 114, 116) zum Erzeugen von zumindest zwei kohärenten Holographielichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, – zumindest einen Strahlteiler (124, 160) zum Aufteilen jedes Holographielichtstrahls in einen Objektlichtstrahl (155) und einen Referenzlichtstrahl (135), und – zumindest ein Beugungselement (134, 138) zum dispersiven Verkippen der Referenzlichtstrahlen (135), wobei das zumindest eine Beugungselement (134, 138) ausgelegt und angeordnet ist, um für jede Wellenlänge der zumindest zwei Holographielichtstrahlen einen zugehörigen Schätzwert zu bestimmen, und wobei das System ferner umfasst: – ein Referenzierungsmodul (300) zum Bestimmen der zumindest einen synthetischen Wellenlänge auf Basis der zugehörigen Schätzwerte, und – ein Auswertemodul zum Bestimmen der Distanz des zumindest einen Messpunkts.System ( 500 ) for distance measurement, comprising - a multi-wavelength holography module ( 100 ) for capturing a holographic measurement data set for at least one measurement point on the basis of at least one synthetic wavelength, wherein the multi-wavelength holography module ( 100 ): - at least two holographic light sources ( 110 . 112 . 114 . 116 ) for generating at least two coherent holographic light beams having different wavelengths, - at least one beam splitter ( 124 . 160 ) for splitting each holographic light beam into an object light beam ( 155 ) and a reference light beam ( 135 ), and - at least one diffractive element ( 134 . 138 ) for dispersively tilting the reference light beams ( 135 ), wherein the at least one diffraction element ( 134 . 138 ) is arranged and arranged to determine an associated estimate for each wavelength of the at least two holographic light beams, and wherein the system further comprises: a referencing module (10) 300 ) for determining the at least one synthetic wavelength on the basis of the associated estimated values, and an evaluation module for determining the distance of the at least one measuring point. System nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Beugungselement (134, 138) ein optisches Gitter ist.A system according to claim 1, wherein the at least one diffractive element ( 134 . 138 ) is an optical grating. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend – ein Phasenlaufzeitmessmodul (200) zum Erfassen eines Phasenlaufzeitmessdatensatzes des zumindest einen Messpunkts auf Basis eines modulierten Phasenlaufzeitlichtstrahls.System according to one of the preceding claims, further comprising - a phase delay measuring module ( 200 ) for detecting a phase delay time data set of the at least one measurement point based on a modulated phase delay light beam. System nach Anspruch 3, wobei das Phasenlaufzeitmessmodul (200) zumindest eine Phasenlaufzeitlichtquelle (210) zum Aussenden zumindest eines Phasenlaufzeitlichtstrahls aufweist, und wobei die zumindest eine Phasenlaufzeitlichtquelle (210) und die zumindest zwei Holographielichtquellen (110, 112, 114, 116) derart angeordnet sind, dass der zumindest eine Phasenlaufzeitlichtstrahl und die zumindest zwei Holographielichtstrahlen auf den gleichen Messpunkt treffen.The system of claim 3, wherein the phase transit time measurement module ( 200 ) at least one phase delay light source ( 210 ) for emitting at least one phase delay light beam, and wherein the at least one phase delay light source ( 210 ) and the at least two holographic light sources ( 110 . 112 . 114 . 116 ) are arranged such that meet the at least one phase delay light beam and the at least two holographic light beams at the same measuring point. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Auswertemodul ausgelegt ist, die Distanz des zumindest einen Messpunkts auf Basis des Holographiemessdatensatzes und des Phasenlaufzeitmessdatensatzes zu bestimmen.System according to one of the preceding claims, wherein the evaluation module is adapted to determine the distance of the at least one measurement point based on the Holographiemessdatensatzes and the phase delay data record. Verfahren zur Distanzmessung, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Systems (500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3; – Erfassen des Holographiemessdatensatzes für den zumindest einen Messpunkt mittels des Mehrwellenlängenholographiemoduls (100) – für jede Wellenlänge der zumindest zwei Holographielichtstrahlen, Bestimmen des zugehörigen Schätzwertes mittels des zumindest einen Beugungselements (134, 138); – Bestimmen der zumindest einen synthetischen Wellenlänge auf Basis der zugehörigen Schätzwerte mittels des Referenzierungsmoduls (300); und – Bestimmen der Distanz des zumindest einen Messpunkts mittels des Auswertemoduls.Method for distance measurement, comprising the steps - providing a system ( 500 ) according to any one of claims 1 to 3; Detecting the holographic measurement data set for the at least one measurement point by means of the multi-wavelength holography module ( 100 ) - for each wavelength of the at least two holographic light beams, determining the associated estimated value by means of the at least one diffraction element ( 134 . 138 ); Determining the at least one synthetic wavelength on the basis of the associated estimated values by means of the referencing module ( 300 ); and - determining the distance of the at least one measuring point by means of the evaluation module. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erfassen des Holographiemessdatensatzes für den zumindest einen Messpunkt mittels des Mehrwellenlängenholographiemoduls (100) ein Erzeugen von Seitenlinien mittels einer Phasenmodulation der zumindest zwei Holographielichtstrahlen umfasst.The method of claim 6, wherein detecting the holography measurement data set for the at least one measurement point by means of the multi-wavelength holography module. 100 ) comprises generating side lines by means of a phase modulation of the at least two holographic light beams. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein System (500) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5 bereitgestellt wird, und wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: – Erfassen des Phasenlaufzeitmessdatensatzes für den zumindest einen Messpunkt auf Basis eines modulierten Phasenlaufzeitlichtstrahls mittels des Phasenlaufzeitmessmoduls (200).Method according to claim 6 or 7, wherein a system ( 500 ) according to one of claims 3 to 5, and wherein the method further comprises the following step: - detecting the phase delay data record for the at least one measuring point on the basis of a modulated phase transit time light beam by means of the phase transit time measuring module ( 200 ). Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Phasenlaufzeitlichtstrahl mit zumindest einer vorbestimmten Phasenlaufzeitmodulationsfrequenz moduliert wird, wobei die zumindest zwei Holographielichtstrahlen jeweils mit einer zugehörigen, vorbestimmten Holographiemodulationsfrequenz moduliert werden, und wobei die Phasenlaufzeitmodulationsfrequenzen und die Holographiemodulationsfrequenzen von einem gemeinsamen Frequenznormal (320) abgeleitet werden.The method of claim 8, wherein the phase transit time light beam is modulated with at least one predetermined phase delay modulation frequency, wherein the at least two holographic light beams are each modulated with an associated predetermined holographic modulation frequency, and wherein the phase delay modulation frequencies and the holographic modulation frequencies from a common frequency standard ( 320 ) be derived. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein System (500) gemäß Anspruch 5 bereitgestellt wird, und wobei die Distanz des zumindest einen Messpunkts auf Basis des Holographiemessdatensatzes und des Phasenlaufzeitmessdatensatzes bestimmt wird.Method according to one of claims 6 to 9, wherein a system ( 500 ) according to claim 5, and wherein the distance of the at least one measurement point is determined on the basis of the holographic measurement data set and the phase delay measurement data set. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Erfassen des Holographiemessdatensatzes und das Erfassen des Phasenlaufzeitmessdatensatzes im Wesentlichen simultan erfolgen.Method according to one of claims 6 to 10, wherein the detection of the Holographiemessdatensatzes and the detection of the phase delay time data record are carried out substantially simultaneously.
DE102014004697.4A 2014-03-31 2014-03-31 System and method for distance measurement Active DE102014004697B4 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014004697.4A DE102014004697B4 (en) 2014-03-31 2014-03-31 System and method for distance measurement
PCT/EP2015/000652 WO2015149920A1 (en) 2014-03-31 2015-03-26 System and method for distance measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014004697.4A DE102014004697B4 (en) 2014-03-31 2014-03-31 System and method for distance measurement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102014004697A1 DE102014004697A1 (en) 2015-10-01
DE102014004697B4 true DE102014004697B4 (en) 2018-03-29

Family

ID=52814050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014004697.4A Active DE102014004697B4 (en) 2014-03-31 2014-03-31 System and method for distance measurement

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014004697B4 (en)
WO (1) WO2015149920A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020064674A1 (en) 2018-09-28 2020-04-02 Robert Bosch Gmbh Sensor assembly for detecting an environment of a device, method for operating a sensor assembly for detecting an environment of a device, and device having the sensor assembly

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017059879A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-13 Baden-Württemberg Stiftung Ggmbh Method for an optical distance measurement, sensor assembly, and use thereof
DE112019007724B4 (en) 2019-10-18 2023-05-25 Mitsubishi Electric Corporation OPTICAL DISTANCE MEASURING DEVICE AND PROCESSING DEVICE
CN112433221B (en) * 2020-12-15 2023-06-27 深圳市中图仪器股份有限公司 Absolute distance measuring device based on polarization modulation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4295741A (en) 1979-08-30 1981-10-20 United Technologies Corporation Two-wavelength phase control system
US6078392A (en) 1997-06-11 2000-06-20 Lockheed Martin Energy Research Corp. Direct-to-digital holography and holovision

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62215803A (en) * 1986-03-18 1987-09-22 Yokogawa Electric Corp Length measuring machine
US5159408A (en) * 1991-03-27 1992-10-27 Hughes Danbury Optical Systems, Inc. Optical thickness profiler using synthetic wavelengths
US7292347B2 (en) * 2005-08-01 2007-11-06 Mitutoyo Corporation Dual laser high precision interferometer
WO2010031163A1 (en) * 2008-09-17 2010-03-25 Institut National De La Recherche Scientifique Cross-chirped interferometry system and method for light detection and ranging

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4295741A (en) 1979-08-30 1981-10-20 United Technologies Corporation Two-wavelength phase control system
US6078392A (en) 1997-06-11 2000-06-20 Lockheed Martin Energy Research Corp. Direct-to-digital holography and holovision

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Daniel Carl, u.a.: Multiwavelength digital holography with autocalibration of phase shifts and artificial wavelengths, Applied Optics 48, H1-H8 (2009).
Friso Schlottau, Kelvin H Wagner: Demonstration of a continuous scanner and time-integrating correlator using spatial–spectral holography. Journal of Luminescence, Vol. 107, Nr. 1–4, Mai 2004, Seiten 90-102, ISSN 0022-2313, online: http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2003.12.039.
Harald Wölfelschneider, u.a.: Schnelle Entfernungsmessung für Laserscanner. tm - Technisches Messen. Band 72, Heft 7-8 (2009) Seiten 455–467, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: 10.1524/teme.2005.72.7-8.455.
Jonas Kühn, u. a.: Real-time dual-wavelength digital holographic microscopy with a single hologram acquisition. OPTICS EXPRESS. Vol. 15, Nr. 12 (2007), Seiten 7231 – 7242.

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020064674A1 (en) 2018-09-28 2020-04-02 Robert Bosch Gmbh Sensor assembly for detecting an environment of a device, method for operating a sensor assembly for detecting an environment of a device, and device having the sensor assembly

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014004697A1 (en) 2015-10-01
WO2015149920A1 (en) 2015-10-08
WO2015149920A9 (en) 2015-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102004037137B4 (en) Method and device for distance measurement
DE102015004272B4 (en) Distortion-tolerant Lidar measuring system and interfering light-tolerant Lidar measuring method
DE3306709C2 (en)
DE19743493C2 (en) Method and device for laser frequency measurement and stabilization
EP1851504B1 (en) Phase noise compensation for an interferometer measuring absolute distance
EP2847613B1 (en) Laser tracker with interferometer and absolute distance measuring unit and calibration method for a laser tracker
DE102008045386A1 (en) Device and method for determining an object position
DE102008029459A1 (en) Method and device for non-contact distance measurement
EP3183535B1 (en) Method of reconstructing an original image using a lensless three-dimensional self-interferometer with wavefront inversion
DE112007002907T5 (en) Optical coherence frequency domain reflectometry based imaging system
DE102014004697B4 (en) System and method for distance measurement
WO2012051982A2 (en) Laser doppler line distance sensor for three-dimensional shape measurement of moving solids
DE3816248C2 (en) Distance measurement system
DE19628200A1 (en) Device and method for performing interferometric measurements
EP3101385B1 (en) Device and method for detecting surface topographies
WO2012100763A1 (en) Method for determining velocities in flows and phase-frequency-velocity field sensor
WO2011095145A1 (en) Measuring device for measuring at least one position change and/or at least one angle change and a method for dynamically measuring at least one position change and/or angle change
DE102010062842B4 (en) Method and device for determining the absolute position of an object
DE112019006963T5 (en) OPTICAL DISTANCE MEASURING DEVICE
DE102022121587A1 (en) HETERODYNE LIGHT SOURCE FOR USE IN METROLOGY SYSTEM
DE102015110362B4 (en) Method and apparatus for the interferometric absolute measurement of a distance
DE102020202982A1 (en) Optical device for determining the distance of a measurement object
DE19545369C1 (en) Surface distance and contour measurement by triangulation
DE10321886A1 (en) Interferometric sensor for object scanning, has a beam splitter system that is configured as a triangle-shaped interferometer with a beam splitter layer system
WO2021228959A1 (en) Method and system for measuring a surface topography of an object

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01B0009025000

Ipc: G01B0009020000

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final