DE102014004697B4 - System and method for distance measurement - Google Patents
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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:
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:
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: 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:
Dabei wird der dritte Bruch in dieser Gleichung als synthetische Wellenlängen ΛSynth bezeichnet: The third fraction in this equation is called synthetic wavelengths Λ Synth :
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
Die Druckschrift
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 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: 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:
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.
- - 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.
- - 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
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das Mehrwellenlängenholographiemodul
Das Phasenlaufzeitmessmodul
Der Teil des optischen Aufbaus, der die digital-holographischen Messungen ermöglicht, ist in
Für den Objektstrahlengang
Für den Referenzstrahlengang
Der Nullpunktstrahlengang
Eine weitere Lichtfaser
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
In der Fouriertransformierten des Kamerasignals, wie in
Die Phasenlage wird sowohl für den Nullpunktstrahl
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: 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:
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
Ein Teil der Laserleistung, beispielsweise 50% oder auch nur 1 bis 10%, wird mit Faserkopplern
Das jeweilige Vorzeichen sowie die Zuordnung der gemessenen Schwebungsfrequenzen zu den Lasern
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
Als Detektor
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
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Cited By (1)
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)
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)
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)
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 |
-
2014
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Patent Citations (2)
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)
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)
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 |
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WO2015149920A9 (en) | 2015-12-17 |
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