DE102016002441B3 - Mechanically robust optical measuring system by means of light transit time and / or reflectivity measurement - Google Patents

Mechanically robust optical measuring system by means of light transit time and / or reflectivity measurement Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem und ein Messverfahren zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von dreidimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten. Das optische Messsystem umfasst zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls (50), eine Scan- oder Winkelablenkvorrichtung zum Scannen eines Messobjekts (3) mit dem Sendestrahl (50) entlang zweier Scanachsen, eine Empfangseinrichtung zum Detektieren zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) und zum Generieren zumindest eines Empfangssignals, wobei die Empfangseinrichtung zumindest einen Detektor oder ein Detektorarray (9) aufweist; eine Trackingvorrichtung zum Nachführen des vom Messobjekt (3) in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51), wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch nachgeführt wird; und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals, um Informationen über die Entfernung zu einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) und/oder über die Reflektivität in einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) zu erhalten. Die Trackingvorrichtung umfasst eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung (4, 5), welche ausgelegt ist, das vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht (51) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse abzulenken; und ein abbildendes optisches Element (7), das ausgelegt ist, das durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5) propagierte Licht auf den Detektor oder das Detektorarray (9) abzubilden. Die Trackingvorrichtung ist ferner ausgelegt, unterschiedliche Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays (9) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse zu schalten, wobei der jeweils geschaltete Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht.The invention relates to an optical measuring system and a measuring method for measuring measuring objects and / or arrangements of measuring objects, in particular of three-dimensional measuring objects and / or arrangements of measuring objects. The optical measuring system comprises at least one light source for emitting a transmission beam (50), a scanning or angled deflection device for scanning a measurement object (3) with the transmission beam (50) along two scan axes, a receiving device for detecting at least a part of the object reflected from the measurement object and / or scattered transmitted-beam light (51) and for generating at least one received signal, the receiving device having at least one detector or a detector array (9); a tracking device for tracking the transmitted beam light (51) reflected and / or scattered by the measurement object (3) in the direction of the receiving device, wherein the first of the two scan axes is tracked electronically and the second scan axis is electronically tracked; and a signal processing device for processing the at least one received signal in order to obtain information about the distance to individual measuring points of the measuring object (3) and / or about the reflectivity in individual measuring points of the measuring object (3). The tracking device comprises a transmissive optical beam deflection arrangement (4, 5) which is designed to deflect the transmitted beam light (51) reflected and / or scattered by the measurement object (3) in the direction of the receiving device in synchronism with the scanning process in the first scan axis; and an imaging optical element (7) configured to image the light propagated by the beam deflection assembly (4, 5) onto the detector or detector array (9). The tracking device is further designed to switch different subregions of the detector or of the detector array (9) synchronously to the scanning process in the second scanning axis, wherein the respectively connected subarea is in signal connection with the signal processing device.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem und ein Messverfahren zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von dreidimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, z. B. mittels Lichtlaufzeitmessung (Time-of-Flight Messung), Intentsitätsmessung, Reflektivitätsmessung, etc.. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laserscanner bzw. einen Laser-Rangerscanner.The invention relates to an optical measuring system and a measuring method for measuring measuring objects and / or arrangements of measuring objects, in particular of three-dimensional measuring objects and / or arrangements of measuring objects, eg. B. by means of light transit time measurement (time-of-flight measurement), Intentsitätsmessung, Reflektivitätsmessung, etc .. In particular, the invention relates to a laser scanner or a laser ranger scanner.

Laserscanner sind auf dem Gebiet der optischen Messtechnik bekannt. Sie werden häufig eingesetzt, um eine schnelle, zweiachsige Strahlablenkung einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit durchzuführen. Üblicherweise wird der Strahl zeilen- oder spiralförmig abgelenkt, um die Signalverarbeitung zu vereinfachen. Daher werden eine schnelle und eine langsame Scanachse benötigt, die üblicherweise senkrecht zueinander stehen. Senderseitig können beispielsweise mechanische Scanspiegel eingesetzt werden, die aufgrund ihrer kleinen Masse und einer kardanischen Aufhängung eine schnelle und eine langsame Scanachse aufweisen. Da die Empfangseinheit jedoch eine möglichst große Fläche braucht, um genügend Streulicht von einem Messobjekt zu empfangen, ist eine schnelle zweiachsige Strahlablenkung aus Trägheitsgründen problematisch.Laser scanners are known in the field of optical metrology. They are often used to perform a fast, two-axis beam deflection of a transmitting unit and a receiving unit. Typically, the beam is diverted in a line or spiral to simplify signal processing. Therefore, a fast and a slow scan axis are needed, which are usually perpendicular to each other. On the transmitter side, for example, mechanical scanning mirrors can be used, which have a fast and a slow scan axis due to their small mass and a gimbal suspension. However, since the receiving unit needs the largest possible area to receive enough stray light from a measuring object, a fast biaxial beam deflection for inertial reasons is problematic.

Ein Laserscanner, welcher ein Array von synchron schwingenden mikromechanischen Schwingspiegeln verwendet, um eine vergrößerte Empfangsapertur zu erreichen, ist z. B. in DE 10 2007 045 334 A1 beschrieben. Der Ansatz eines solchen mikromechanischen Schwingspiegelarrays löst das Problem einer vergrößerten Empfangsapertur jedoch nur unvollkommen, da der Füllfaktor des Arrays aufgrund der Ansteuerung und der Aufhängung der Schwingspiegel sehr gering ist. Dies verursacht bei gleicher Empfangsapertur einen relativ großen Bauraum. Ein weiteres Problem stellt die Strahlfaltung dar, was eine zusätzliche Erhöhung des Bauraums erfordert. Insbesondere bei Scanwinkelbereichen unterhalb von ca. 60 × 60 Grad ist abgesehen vom Bauraum ein weiterer Nachteil wesentlich: Die Wafer-Fläche, die für mikromechanische Schwingspiegelarrays benötigt wird, ist relativ groß. Die Wafer-Fläche stellt jedoch ein wichtiges Maß für die Systemkosten dar.A laser scanner, which uses an array of synchronously oscillating micromechanical oscillating mirrors to achieve an increased receiving aperture, is e.g. In DE 10 2007 045 334 A1 described. However, the approach of such a micromechanical oscillating mirror array solves the problem of an enlarged receiving aperture only imperfectly, since the filling factor of the array is very low due to the control and the suspension of the oscillating mirror. This causes a relatively large space with the same receiving aperture. Another problem is the beam folding, which requires an additional increase in the installation space. In particular, at scan angle ranges below about 60 × 60 degrees, apart from the installation space, another disadvantage is essential: the wafer area required for micromechanical oscillating mirror arrays is relatively large. However, wafer area is an important measure of system cost.

Die Druckschrift EP 2 708 914 A1 1 beschreibt einen optoelektronischen Sensor zur Aufnahme einer Tiefenkarte einer dreidimensionalen Szene. Der Sensor umfasst eine Lichtquelle, welche einen gepulsten Sendelichtstrahl erzeugt, eine Ablenkeinheit mit einem MEMS-Spiegel zur Ablenkung des Sendelichtstrahls in zwei orthogonale Richtungen, einen als ein Photodiodenarray ausgebildeten Lichtempfänger und eine Empfangsoptik, mit der die Szene auf das Empfängerarray abgebildet wird. Ferner umfasst der Sensor eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung der Lichtquelle, der Ablenkeinheit und des Empfängers, sowie zur Auswertung der Empfangssignale und zum Ermitteln von Positionen von Reflexionen in der Szene durch Ermitteln von Abstandswerten aus der Pulslaufzeit und durch Erfassen der Ablenkwinkel der Ablenkeinheit. Beim Aussenden des gepulsten Sendelichtstrahls werden nur die Photodioden aktiviert, auf die der mit dem Sendelichtstrahl beleuchtete Bereich der Szene abgebildet wird.The publication EP 2 708 914 A1 1 describes an opto-electronic sensor for recording a depth map of a three-dimensional scene. The sensor comprises a light source which generates a pulsed transmitted light beam, a deflection unit having a MEMS mirror for deflecting the transmitted light beam in two orthogonal directions, a light receiver formed as a photodiode array, and receiving optics for imaging the scene onto the receiver array. Furthermore, the sensor comprises a control and evaluation unit for controlling the light source, the deflection unit and the receiver, and for evaluating the received signals and for determining positions of reflections in the scene by determining distance values from the pulse transit time and by detecting the deflection angle of the deflection unit. When emitting the pulsed transmitted light beam only the photodiodes are activated, on which the illuminated with the transmitted light beam area of the scene is displayed.

Die Druckschrift US 2008/0285010 A1 beschreibt eine Trackingvorrichtung zum Nachführen des von einem Messobjekt in Richtung der Empfangsvorrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts, wobei beide Achsen optisch nachgeführt werden. Die Trackingvorrichtung umfasst eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung zum Ablenken des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts in zwei orthogonalen Scanachsen synchron zum Scanvorgang. Ferner umfasst die Trackingvorrichtung eine Linse, mit der das durch die Strahlablenkungsanordnung propagierte Licht auf einen Detektor abgebildet wird.The publication US 2008/0285010 A1 describes a tracking device for tracking the reflected from a measurement object in the direction of the receiving device and / or scattered transmission beam light, wherein both axes are tracked optically. The tracking device comprises a transmissive optical beam deflection arrangement for deflecting the transmitted beam light reflected and / or scattered by the measurement object in two orthogonal scan axes synchronously with the scanning process. Furthermore, the tracking device comprises a lens with which the light propagated by the beam deflection arrangement is imaged onto a detector.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes optisches System und ein Verfahren zur Vermessung von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten, mittels Lichtlaufzeitmessung („Time-of-Flight” Messung) und/oder Reflektivitätsmessung bereitzustellen.An object of the present invention is to provide an improved optical system and a method for measuring measuring objects, in particular three-dimensional measuring objects, by means of time-of-flight measurement and / or reflectivity measurement.

Gemäß eines ersten Aspekts wird ein optisches System zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten, Anordnungen von Messobjekten, 3D Szenarien, etc. bereitgestellt. Das optische System kann insbesondere zum Bestimmen der Distanz zu einem oder mehreren Objekten eingesetzt werden. Die Messung kann z. B. mittels Lichtlaufzeitmessung („Time-of-Flight” Messung) und/oder Reflektivitätsmessung erfolgen. Bei einer Reflektivitätsmessung weisen die Messobjekte vorzugweise die gleiche Reflektivität auf.According to a first aspect, an optical system for measuring measurement objects and / or arrangements of measurement objects, in particular of three-dimensional measurement objects, arrangements of measurement objects, 3D scenarios, etc. is provided. The optical system can be used in particular for determining the distance to one or more objects. The measurement can z. B. by means of light transit time measurement ("time-of-flight" measurement) and / or reflectivity measurement. In a reflectivity measurement, the measurement objects preferably have the same reflectivity.

Das optische Messsystem umfasst:
zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls;
eine (senderseitige) Scan- oder Winkelablenkvorrichtung zum Scannen bzw. zum optischen Abtasten eines Messobjekts mit dem Sendestrahl entlang zweier Scanachsen,
eine Empfangseinrichtung zum Detektieren bzw. Erfassen zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahls und zum Generieren zumindest eines Empfangssignals, wobei die Empfangseinrichtung zumindest einen Detektor oder ein Detektorarray aufweist;
eine (empfangsseitige) Trackingvorrichtung (Nachverfolgungsvorrichtung) zum Nachführen des vom Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts; und
eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals, um Informationen über die Entfernung zu einzelnen Messpunkten des Messobjekts zu erhalten.
The optical measuring system comprises:
at least one light source for emitting a transmission beam;
a (transmitter-side) scanning or angled deflection device for scanning or for optically scanning a measurement object with the transmission beam along two scan axes,
a receiving device for detecting or detecting at least part of the transmitted beam reflected and / or scattered by the measured object and for generating at least one received signal, wherein the receiving device has at least one detector or a detector array;
a (receiving side) tracking device (tracking device) for tracking the reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device and transmit beam beam light; and
a signal processing device for processing the at least one received signal to obtain information about the distance to individual measuring points of the measuring object.

Die Lichtquelle kann z. B. ein Laser, eine LED oder andere geeignete Lichtquellen umfassen. Die Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann z. B. Spiegel, Prismen oder andere geeignete Mittel umfassen, um den von der Lichtquelle ausgesendeten Sendestrahl abzulenken und das Messobjekt entlang zweier Scanachsen optisch abzutasten. Das optische System kann auch mehrere Lichtquellen umfassen (z. B. mehrere Laser, LEDs, etc.), die jeweils einen Sendestrahl aussenden. Die einzelnen Lichtquellen könnten das Messobjekt unter unterschiedlichen Einfallswinkeln bzw. in unterschiedlichen Richtungen scannen. So kann z. B. das optische System zwei oder mehrere Lichtquellen umfassen, die entlang der einen Scanachse (z. B. entlang der horizontalen Richtung) das Messobjekt unter unterschiedlichen Einfallswinkeln scannen. Das Gleiche gilt für die zweite Scanachse (z. B. für die vertikale Richtung). Die mehreren Lichtquellen können parallel oder zeitlich versetzt bzw. multiplexiert betrieben werden.The light source can be z. As a laser, an LED or other suitable light sources include. The scan or Winkelablenkvorrichtung can z. B. mirror, prisms or other suitable means to deflect the emitted from the light source and transmit the measurement object along two scanning axes optically. The optical system may also include a plurality of light sources (eg, multiple lasers, LEDs, etc.) each emitting a transmit beam. The individual light sources could scan the measurement object at different angles of incidence or in different directions. So z. For example, the optical system may include two or more light sources that scan the measurement object at different angles of incidence along one scan axis (eg, along the horizontal direction). The same applies to the second scan axis (eg for the vertical direction). The multiple light sources can be operated in parallel or in a time-shifted or multiplexed manner.

Die zwei Scanachsen können orthogonal zueinander sein. Andere Anordnungen sind jedoch auch möglich. Ferner kann eine der beiden Achsen eine schnelle Achse und die andere eine langsame Achse sein.The two scan axes may be orthogonal to each other. However, other arrangements are also possible. Further, one of the two axes may be a fast axis and the other a slow axis.

Die Trackingvorrichtung ist ausgelegt, die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch bzw. virtuell nachzuführen.The tracking device is designed to track the first of the two scan axes optically and the second scan axis electronically or virtually.

Die Trackingvorrichtung umfasst eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung, welche ausgelegt ist, das vom Messobjekt in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht (nachfolgend auch als Empfangslicht bzw. Empfangsstrahl bezeichnet) synchron zum (senderseitigen) Scanvorgang in der einen (ersten) Scanachse abzulenken (z. B. synchron zur Ablenkung des Sendestrahls entlang der einen (ersten) Scanachse abzulenken).The tracking device comprises a transmissive optical beam deflecting arrangement which is designed to deflect the transmitted beam light reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device (hereinafter also referred to as receive light or receive beam) synchronously with the (transmitter side) scan process in the one (first) scan axis (eg, to deflect along the one (first) scan axis in synchronism with the deflection of the transmit beam).

Ferner umfasst die Trackingvorrichtung zumindest ein abbildendes optisches Element, das ausgelegt ist, das durch die Strahlablenkungsanordnung propagierte Licht auf den zumindest einen Detektor oder das zumindest eine Detektorarray abzubilden bzw. zu fokussieren. Dadurch kann eine optische Nachführung für die eine (erste) Scanachse realisiert werden.Furthermore, the tracking device comprises at least one imaging optical element which is designed to image or focus the light propagated by the beam deflection arrangement onto the at least one detector or the at least one detector array. As a result, an optical tracking for the one (first) scan axis can be realized.

Die Trackingvorrichtung ist ferner ausgelegt, unterschiedliche Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays synchron zum (senderseitigen) Scanvorgang in der zweiten Scanachse zu schalten bzw. zu aktivieren, wobei der jeweils geschaltete bzw. aktivierte Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht. Die unterschiedlichen Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays können z. B. seriell nacheinander und synchron zur Ablenkung eines von einer Lichtquelle ausgesendeten und von der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung abgelenkten Sendestrahls geschaltet bzw. aktiviert werden. Dadurch kann eine elektronische Nachführung für die andere (zweite) Scanachse realisiert werden.The tracking device is further designed to switch or to activate different subregions of the detector or of the detector array synchronously to the (transmitter-side) scanning process in the second scanning axis, wherein the respectively switched or activated subarea is in signal connection with the signal processing device. The different subregions of the detector or the detector array can, for. B. serially in succession and synchronously switched to the deflection of a light emitted by a light source and deflected by the scanning or Winkelablenkvorrichtung transmission beam or activated. As a result, an electronic tracking for the other (second) scan axis can be realized.

Der Detektor kann ein linearer Detektor sein, d. h. ein Detektor, der (wesentlich) länger als breit ist. Ebenfalls kann das Detektorarray ein lineares Detektorarray sein, d. h. eine zeilenförmige Anordnung von einzelnen Detektoren bzw. Detektorelementen. Die einzelnen Detektoren bzw. Detektorelemente des Arrays können für sich genommen jeweils (wesentlich) länger als breit sein. Der lineare Detektor oder das lineare Detektorarray kann im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Trackingvorrichtung bzw. senkrecht zur optischen Achse des Empfangszweigs des optischen Messsystems und/oder im Wesentlichen parallel zu einer der Scanachsen angeordnet sein.The detector may be a linear detector, i. H. a detector that is (substantially) longer than it is wide. Also, the detector array may be a linear detector array, i. H. a row-shaped arrangement of individual detectors or detector elements. The individual detectors or detector elements of the array can each be (substantially) longer than they are wide. The linear detector or the linear detector array may be arranged substantially perpendicular to the optical axis of the tracking device or perpendicular to the optical axis of the receiving branch of the optical measuring system and / or substantially parallel to one of the scanning axes.

Sind mehrere Lichtquellen vorhanden, die das Messobjekt unter unterschiedlichen Winkeln scannen, können mehrere Detektoren oder Detektorarrays vorgesehen werden, wobei jeder Detektor bzw. jedes Dektorarray einer Lichtquelle zugeordnet ist. Ebenfalls ist es möglich, unterschiedliche Teilbereiche eines Detektors oder Detektorarrays, die unterschiedlichen Lichtquellen zugeordnet sind, parallel, z. B. mittels eines N × X Multiplexors, oder zeitlich versetzt in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung zu bringen bzw. auszulesen.If there are a plurality of light sources which scan the measurement object at different angles, a plurality of detectors or detector arrays may be provided, each detector or each detector array being associated with a light source. It is also possible, different portions of a detector or detector array associated with different light sources, in parallel, z. B. by means of an N × X multiplexer, or offset in time to bring in signal communication with the signal processing means or read.

So kann z. B. das optische System zwei (oder mehrere) Lichtquellen umfassen, die das Messobjekt entlang einer der Scanachsen (z. B. entlang der horizontalen Scanachse) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln scannen bzw. optisch abtasten. In diesem Fall kann die Empfangseinrichtung zwei Detektoren oder zwei Detektorarrays umfassen, die so ausgelegt sind, das vom Messobjekt reflektiertes und/oder gestreutes Licht der jeweiligen Lichtquelle zu detektieren. Die beiden (z. B. vertikal angeordneten) Detektoren oder Detektorarrays können parallel oder zeitlicht vesetzt bzw. multipliexiert ausgelesen werden. So z. For example, the optical system may include two (or more) light sources that scan or optically scan the measurement object along one of the scan axes (eg, along the horizontal scan axis) at different angles of incidence. In this case, the receiving device may comprise two detectors or two detector arrays, which are designed to detect the light reflected and / or scattered by the measurement object of the respective light source. The two (eg vertically arranged) detectors or detector arrays can be read out in parallel or in time, or read out in multipliexed form.

Es ist jedoch nicht notwendig, bei mehreren Lichtquellen die Anzahl der Detektoren entsprechend zu erhöhen. So kann das optische System zwei (oder mehrere) Lichtquellen umfassen, die das Messobjekt entlang einer der Scanachsen (z. B. der vertikalen Scanachse) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln scannen. Die Empfangseinrichtung kann z. B. einen linearen Detektor oder ein lineares Detektorarray umfassen, der bzw. das vertikal angeordnet ist. Der Detektor bzw. das Detektorarray kann so ausgelegt und angeordnet werden, dass die Spots der jeweiligen Lichtquelle auf dem Detektor oder Detektorarray räumlich versetzt zueinander sind, z. B. um mehreren Detektorelemente. Die entsprechenden Teilbereiche des Detektors bzw. des Detektorarrays können z. B. mittels eines N × X Multiplexors parallel ausgelesen werden. Es ist ebenfalls möglich, die Teilbereiche des Detektors bzw. des Detektorarrays, die den unterschiedlichen Lichtquellen entsprechen, zeitlich versetzt bzw. multiplexiert auszulesen.However, it is not necessary to increase the number of detectors with multiple light sources. Thus, the optical system may include two (or more) light sources that scan the measurement object along one of the scan axes (eg, the vertical scan axis) at different angles of incidence. The receiving device can, for. B. comprise a linear detector or a linear detector array which is arranged vertically. The detector or the detector array can be designed and arranged so that the spots of the respective light source on the detector or detector array are spatially offset from each other, for. B. by several detector elements. The corresponding portions of the detector or the detector array can, for. B. be read in parallel by means of an N × X multiplexer. It is likewise possible to read out the sections of the detector or of the detector array which correspond to the different light sources with a time offset or multiplexed.

Das vorgeschlagene optische System zur Vermessung von Objekten (optisches Messsystem) basiert somit auf einem neuen Systemkonzept, in dem zwei unterschiedliche Nachführungstechniken: eine virtuelle Nachführung und eine optische Nachführung vorteilhaft miteinander kombiniert werden, wobei die optische Nachführung mittels transmissiven optischen Elementen erfolgt. Vorzugsweise wird die elektronische Nachführung für die schnelle Scanachse und die optische Nachführung für die langsame Scanachse eingesetzt.The proposed optical system for measuring objects (optical measuring system) is thus based on a new system concept in which two different tracking techniques: a virtual tracking and an optical tracking are advantageously combined with each other, wherein the optical tracking is effected by means of transmissive optical elements. Preferably, the electronic tracking is used for the fast scan axis and the optical tracking for the slow scan axis.

Unter dem Begriff „virtueller” bzw. „elektronischer” Nachführung wird die Veränderung des Empfangs-Winkelbereichs (Blickrichtung) der Detektor-Empfangsoptik-Kombination synchron zum Scanvorgang in zumindest einer Scanachse durch Umschalten bzw. Aktivieren von Teilbereichen des Detektors oder des Detektorarrays verstanden. Dadurch wird der Veränderung der Empfangsspot-Position abhängig vom Empfangswinkelbereich Rechnung getragen. Anders ausgedrückt wird unter dem Begriff „virtueller” bzw. „elektronischer” Nachführung die Veränderung der Richtungsabhängigkeit der Empfangscharakteristik der Detektor-Empfangsoptik-Kombination mittels elektronischer Schaltung bzw. Aktivierung von Teilbereichen des Detektors synchron zum Scanvorgang in zumindest einer Scanachse verstanden (z. B. synchron zur Strahlablenkung des Sendestrahls in zumindest einer Scanachse). Dies erfolgt z. B. dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt ein Teilbereich eines Detektors oder eines Detektorarrays mit der Signalverarbeitung der optischen Messvorrichtung verbunden ist. Der Teilbereich des Detektors oder des Detektorarrays kann aus einem oder mehreren Detektorelementen bestehen. Der mit der Signalverarbeitung verbundene Teilbereich des Detektors oder des Detektorarrays wird synchron zum Scanvorgang geschaltet. Wird z. B. ein Detektorarray mit einem Scanmuster ausgeleuchtet, wird zu jedem Zeitpunkt das jeweils gerade beleuchtete Detektorelement mit der darauffolgenden Signalverarbeitung verbunden. Das Prinzip der virtuellen Nachführung ist z. B. in den Publikationen „Laser-Rangefinder auf Basis von MEMS-Spiegeln für adaptive Robotik”, S. Bogatscher et al., Mikrosystemtechnik Kongress 14. Oktober 2013, Seiten 211–214 beschrieben. Ferner wird auf die Publikation „Large Aperture at Low Cost Three-Dimensional Time-of-Flight Sensor Using Scanning MEMS Micromirrors and Synchronous Detector Switching”, Applied Optics, Vol. 53, Nr. 8, Seiten 1570 bis 1582 verwiesen.The term "virtual" or "electronic" tracking is understood to mean the change of the reception angular range (viewing direction) of the detector-receiving optical system in synchronism with the scanning process in at least one scan axis by switching or activating partial regions of the detector or of the detector array. As a result, the change in the reception spot position is accommodated depending on the reception angle range. In other words, the term "virtual" or "electronic" tracking means the change in the directional dependence of the reception characteristic of the detector-receiving optical combination by means of electronic circuit or activation of partial areas of the detector synchronously to the scanning process in at least one scan axis (eg. synchronous to the beam deflection of the transmission beam in at least one scan axis). This is done z. B. in that at any time a portion of a detector or a detector array is connected to the signal processing of the optical measuring device. The subregion of the detector or of the detector array can consist of one or more detector elements. The portion of the detector or the detector array connected to the signal processing is switched synchronously to the scanning process. If z. For example, if a detector array is illuminated with a scan pattern, the respective currently illuminated detector element is connected to the subsequent signal processing at any time. The principle of virtual tracking is z. B. in the publications "laser rangefinder based on MEMS levels for adaptive robotics", S. Bogatscher et al., Microsystems Technology Congress October 14, 2013, pages 211-214 described. Further, reference is made to the publication "Large Aperture at Low Cost Three-Dimensional Time-of-Flight Sensor Using Scanning MEMS Micromirrors and Synchronous Detector Switching," Applied Optics, Vol. 53, No. 8, pp. 1570-1582.

Unter dem Begriff „optischer” bzw. „winkelverstärkter” Nachführung wird die Veränderung des Empfangs-Winkelbereichs bzw. der Blickrichtung der Detektor-Empfangsoptik-Kombination synchron zum Scanvorgang in zumindest einer Scanachse mit optischen Mitteln verstanden. Dies kann durch eine Ablenkung bzw. eine Änderung der Ausbreitungsrichtung des vom Messobjekt in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Teils des Sendestrahllichts um zumindest eine Achse erzielt werden, wobei die Ablenkung bzw. die Änderung der Ausbreitungsrichtung synchron zum Scanvorgang entlang zumindest einer Scanachse erfolgt (z. B. synchron zur Ablenkung eines Sendestrahls entlang zumindest einer Scanachse). Gemäß der Erfindung erfolgt die Veränderung des Empfangs-Winkelbereichs mittels einer empfangsseitigen optischen Strahlablenkungsanordnung, die auf dem Prinzip der Strahltransmission basiert. Das von einem Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht passiert durch die transmissive Strahlablenkungsanordnung, wird durch diese abgelenkt und anschließend auf den linearen Detektor oder das lineare Detektorarray fokussiert. Der Winkelbereich, in dem der Empfangsstrahl abgelenkt wird, kann z. B. ±80°, ±70°, ±60°, ±45° oder ein anderer Winkelbereich sein.The term "optical" or "angle-enhanced" tracking is understood to mean the change in the reception angle range or the viewing direction of the detector-receiving optical system in synchronism with the scanning process in at least one scan axis by optical means. This can be achieved by deflecting or changing the propagation direction of the part of the transmission beam light reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device about at least one axis, the deflection or the change of the propagation direction being synchronous with the scanning process along at least one scan axis takes place (eg synchronously with the deflection of a transmission beam along at least one scan axis). According to the invention, the change in the reception angular range is effected by means of a receiving-side optical beam deflection arrangement based on the principle of beam transmission. The transmitted beam light reflected and / or scattered by a measurement object in the direction of the reception device or the receiver passes through the transmissive beam deflection arrangement, is deflected by the latter and then focused onto the linear detector or the linear detector array. The angular range in which the receive beam is deflected, z. B. ± 80 °, ± 70 °, ± 60 °, ± 45 ° or another angle range.

Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Systemkonzepts liegt darin, dass die Stärken der beiden eingesetzten Nachführungstechniken optimal ausgenutzt und gleichzeitig die größten Prinzip bedingten Schwächen minimiert oder vermieden werden können. Die jeweiligen Stärken liegen insbesondere in der Entkopplung zwischen Empfangsapertur und Scanfrequenz (virtuelle bzw. elektronische Nachführung) sowie zwischen Empfangsapertur und Sichtfeld (optische bzw. winkelverstärkte Nachführung). So kann das Sichtfeld der elektronisch nachgeführten Scanachse kleiner als das der optisch bzw. winkelverstärkt nachgeführten Scanachse gemacht werden. Andererseits kann die Scanfrequenz der elektronisch nachgeführten Achse deutlich höher als die der optischen bzw. winkelverstärkten (z. B. mechanisch-translatorisch) nachgeführten Achse gewählt werden. Durch die vorteilhafte Ausnutzung dieser Zusammenhänge lässt sich somit ein 3D-Scanner mit – im Vergleich zu bekannten Systemen – größerer Empfangsapertur realisieren, ohne die Framerate oder das Sichtfeld zu reduzieren und/oder die Kosten deutlich erhöhen zu müssen.An essential advantage of the proposed system concept is that the strengths of the two tracking techniques used are optimally utilized while at the same time causing the greatest principle Weaknesses can be minimized or avoided. The particular strengths lie in particular in the decoupling between receiving aperture and scanning frequency (virtual or electronic tracking) and between receiving aperture and field of view (optical or angle-enhanced tracking). Thus, the field of view of the electronically tracked scan axis can be made smaller than that of the optically or angularly enhanced tracking scan axis. On the other hand, the scanning frequency of the electronically tracked axis can be chosen to be significantly higher than that of the optical or angle-enhanced (eg mechanically-translationally) tracked axis. The advantageous utilization of these relationships thus makes it possible to realize a 3D scanner with a larger receiving aperture compared with known systems without having to reduce the frame rate or the field of view and / or to increase the costs significantly.

Aufgrund der Verwendung von transmissiven optischen Elementen (Transmissionsoptiken bzw. Transmissionselementen), insbesondere in Kombination mit einem einzigen senderseitigen mikromechanischen Element zur Ablenkung des Sendestrahls, kann der Bauraum der optischen Messvorrichtung erheblich reduziert werden. Eine Platzersparnis wird insbesondere dadurch erzielt, dass ein Füllfaktor der Empfangsoptik bis zu 100% erreicht werden kann und empfangsseitig ausschließlich Transmissionselemente eingesetzt werden, die platzsparend direkt hintereinander angeordnet werden können.Due to the use of transmissive optical elements (transmission optics or transmission elements), in particular in combination with a single transmitter-side micromechanical element for deflecting the transmission beam, the installation space of the optical measuring device can be significantly reduced. A space saving is achieved in particular by the fact that a filling factor of the receiving optics can be achieved up to 100% and the receiving side only transmission elements are used, which can be arranged directly behind each other to save space.

Ein weiterer Vorteil ist die geringe Wafer-Fläche, die bei bestimmten Scanwinkelbereichen für eine vorgegebene Empfangsapertur benötigt wird. Die benötigte Wafer-Fläche ist z. B. wesentlich kleiner als bei dem in DE 10 2007 045 334 A1 vorgeschlagenen Ansatz mit einem Array von synchron schwingenden mikromechanischen Schwingspiegeln.Another advantage is the small wafer area required for a given receive aperture at certain scan angle ranges. The required wafer area is z. B. much smaller than in the DE 10 2007 045 334 A1 proposed approach with an array of synchronously vibrating micromechanical vibrating mirrors.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Lebensdauer, da Lager oder sonstige verschleißbehaftete Bauteile weitgehend vermieden werden können.Another advantage is the long service life, since bearings or other components subject to wear can be largely avoided.

Die Ablenkung des von dem Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (Empfangsstrahls) kann z. B. durch eine mechanisch-translatorische Bewegung von zumindest zwei transmissiven optischen Elementen relativ zueinander erzielt werden. Diese Art von Nachführung wird nachfolgend auch mechanisch-translatorische Nachführung genannt.The deflection of the reflected from the measurement object in the direction of the receiving device or the receiver and / or scattered transmission beam light (receiving beam) can, for. Example, be achieved by a mechanical translational movement of at least two transmissive optical elements relative to each other. This type of tracking is also referred to below as mechanical-translational tracking.

Die mechanische Bewegung kann z. B. eine translatorische Bewegung zweier Mikrolinsenarrays oder Lentikularlinsenarrays relativ zueinander sein. Die Mikrolinsen- oder Lentikularlinsenarrays können im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur optischen Achse des Empfangszweigs und insbesondere der Empfangseinrichtung angeordnet werden.The mechanical movement can z. B. be a translational movement of two microlens arrays or lenticular lens arrays relative to each other. The microlens or lenticular lens arrays can be arranged essentially parallel to one another and perpendicular to the optical axis of the receiving branch and in particular of the receiving device.

Die Größe des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays liegt vorzugsweise im Bereich von 5 × 5 mm2 bis 50 × 50 mm2. Die einzelnen Linsen des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays können längliche Linsen sein, wie z. B. zylindrische oder andere asphärische Linsen. Die Längsachse der einzelnen Linsen des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays kann im Wesentlichen parallel zum linearen Detektor oder Detektorarray und im Wesentlichen senkrecht zur Translationsbewegung des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays sein.The size of the micro or lenticular lens array is preferably in the range of 5 × 5 mm 2 to 50 × 50 mm 2 . The individual lenses of the micro or lenticular lens array may be elongated lenses, such as. As cylindrical or other aspherical lenses. The longitudinal axis of the individual lenses of the micro- or lenticular lens array may be substantially parallel to the linear detector or detector array and substantially perpendicular to the translational motion of the micro- or lenticular lens array.

Die Periode des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays kann beispielsweise von 50 μm bis 500 μm, vorzugsweise ungefähr 200 μm sein. Die maximale translatorische Bewegung des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays entspricht ungefähr dem halben Durchmesser der einzelnen Linsen des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays. Die Geschwindigkeit bzw. Frequenz der translatorischen Bewegung kann im Bereich Sub- bis Kilohertz liegen, z. B. im Bereich von 1 Hz bis 50 Hz. Der maximale Ablenkwinkel kann im Bereich von einigen 10 Grad liegen. Beispielsweise kann der maximale Ablenkwinkel ±25°, vorzugsweise ±26,5° betragen.The period of the micro- or lenticular lens array may, for example, be from 50 μm to 500 μm, preferably approximately 200 μm. The maximum translational movement of the micro or lenticular lens array is approximately half the diameter of the individual lenses of the micro or lenticular lens array. The speed or frequency of the translatory movement can be in the range of sub- to kilohertz, z. In the range of 1 Hz to 50 Hz. The maximum deflection angle may be in the range of several tens of degrees. For example, the maximum deflection angle can be ± 25 °, preferably ± 26.5 °.

Ein Vorteil der mechanisch-translatorischen Nachführung mittels Mikrolinsen oder Lentikularlinsen ist, dass mit relativ kleinen translatorischen Bewegungen ein relativ großer Scanbereich abgedeckt werden kann. Dadurch kann die optische Nachführung sehr platzsparend umgesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, den mechanischen Antrieb aufgrund der relativ kleinen notwendigen Bewegung einfach und kostengünstig zu gestalten.An advantage of the mechanical-translational tracking by means of microlenses or lenticular lenses is that with relatively small translational movements, a relatively large scan area can be covered. As a result, the optical tracking can be implemented very space-saving. Furthermore, it is possible to make the mechanical drive due to the relatively small movement necessary simple and inexpensive.

Eine Ablenkung des von dem Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (Empfangsstrahls) kann ebenfalls durch eine gegenläufige Rotation zweier Transmissionsgitter oder durch zumindest ein zeitlich veränderbares bzw. programmierbares Transmissionsgitter erzielt werden. Es ist z. B. möglich, zur Ablenkung steuerbare transmissive räumliche Lichtmodulatoren, wie z. B. LCD Modulatoren, einzusetzen, in welche Gitter mit veränderbaren Richtung und Periode eingeschrieben sind. Ein Vorteil der Verwendung von elektronisch steuerbaren Transmissionsgittern oder anderen elektronisch steuerbaren Lichtmodulatoren ist, dass die Trackingvorrichtung keine mechanisch beweglichen Komponenten benötigt. Dadurch kann die Scangeschwindigkeit der Trackingvorrichtung erhöht und deren Aufbau vereinfacht werden. Ferner kann das Bauvolumen der optischen Messvorrichtung reduziert und deren Robustheit erhöht werden.A deflection of the transmitted beam light (receiving beam) reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device or the receiver can likewise be achieved by an opposite rotation of two transmission gratings or by at least one temporally variable or programmable transmission grating. It is Z. B. possible, for the deflection controllable transmissive spatial light modulators such. As LCD modulators to use, in which grids are written with variable direction and period. An advantage of using electronically controlled transmission gratings or other electronically controllable light modulators is that the tracking device does not require mechanically moving components. Thereby, the scanning speed of the tracking device can be increased and its structure can be simplified. Furthermore, the construction volume of the optical measuring device can be reduced and its robustness can be increased.

Das abbildende optische Element kann eine Sammellinse, insbesondere eine Fresnellinse sein. Vorteile einer Fresnellinse sind insbesondere ihr geringes Gewicht, ihre einfache und kostengünstige Fertigung (auch von komplexen asphärischen Linsen) und ihre sehr geringe Bauraumanforderungen. Ferner lassen sich Fresnellinsen aufgrund ihrer Planarität sehr gut in günstige Halterungen integrieren.The imaging optical element may be a converging lens, in particular a Fresnel lens. The advantages of a Fresnel lens are, in particular, its low weight, its simple and cost-effective production (even of complex aspherical lenses) and its very low installation space requirements. Furthermore, Fresnel lenses can be very well integrated into convenient brackets due to their planarity.

Die senderseitige Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann einen schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegel umfassen. Der Scanspielgel kann z. B. ein Mikrospiegel oder ein anderes mikromechanisches Scanelement sein. Der Mikrospiegel kann z. B. eine Größe von 0,4 mm bis 4 mm Durchmesser, vorzugsweise von 1 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt 1,5 mm bis 2 mm Durchmesser aufweisen. Der Scanspiegel kann z. B. elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezo-elektrisch angetrieben werden. Die schnelle Scanachse kann z. B. resonant schwingen, die langsame Scanachse kann z. B. statisch ansteuerbar sein. Die Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann auch mehrere Scanspiegel umfassen, z. B. ein ein- oder zweidimensionales Spiegelarray. Die Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann ferner eine Positionseinrichtung zur Messung der Position des Scanspiegels umfassen, die in Signalverbindung mit der Trackingvorrichtung und/oder der Signalverarbeitungsvorrichtung stehen kann. Dadurch kann die Synchronisation zwischen dem Scanvorgang und der Nachführung verbessert werden, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Vermessung führt.The transmitter-side scan or angle deflection device may comprise a vibrating and / or rotating scanning mirror. The Scanspielgel can z. As a micromirror or other micromechanical scanning element. The micromirror can z. B. have a size of 0.4 mm to 4 mm in diameter, preferably from 1 mm to 3 mm, more preferably 1.5 mm to 2 mm in diameter. The scanning mirror can z. B. electrostatically, electromagnetically or piezo-electrically driven. The fast scan axis can z. B. oscillate resonantly, the slow scan axis can z. B. be statically controlled. The scanning or Winkelablenkvorrichtung may also include a plurality of scanning mirror, z. B. a one- or two-dimensional mirror array. The scanning or angled deflection device may further comprise a position device for measuring the position of the scanning mirror, which may be in signal communication with the tracking device and / or the signal processing device. As a result, the synchronization between the scanning operation and the tracking can be improved, which leads to an increase in the accuracy of the measurement.

Die sendeseitige Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und die empfangsseitige Trackingvorrichtung können Bestandteile einer Scaneinheit bzw. eines Scanmoduls sein. In einem Beispiel kann ein Scanspiegel der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung in einer Aussparung in zumindest einem optischen Transmissionselement (wie z. B. in dem doppelseitigen und/oder dem einseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarray) angeordnet sein.The transmission-side scan or angle deflection device and the reception-side tracking device can be components of a scan unit or of a scan module. In one example, a scan mirror of the scanning or angled deflection device may be disposed in a recess in at least one optical transmission element (such as in the double-sided and / or single-sided micro or lenticular lens array).

Somit kann das Bauvolumen des optischen Messsystems reduziert werden.Thus, the construction volume of the optical measuring system can be reduced.

Die senderseitige Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und die empfangsseitige Trackingvorrichtung und/oder Empfangseinrichtung können derart angeordnet sein, dass deren optischen Achsen koaxial sind. Anders ausgedrückt können der Sender und der Empfänger koaxial angeordnet sein. Durch die koaxiale Anordnung der senderseitigen Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und/oder der empfangsseitigen Trackingvorrichtung und/oder Empfangseinrichtung (d. h. des Senders und des Empfängers) kann eine aufgrund des Triangulationseffekts auftretende ungewollte distanzabhängige Verschiebung des Empfangsstrahlspots auf dem Detektor (bzw. einen Parallaxenfehler) vermieden oder minimiert werden. Mit dieser distanzabhängigen Spotverschiebung geht auch eine ungewollte distanzabhängige Verschiebung der optimalen Umschaltzeitpunkte einher, die vor allem bei kleinen Messdistanzen zum Tragen kommt. Eine koaxiale Anordnung der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und der Trackingvorrichtung kann z. B. durch die oben beschriebene Anordnung des Scanspiegels in einer Aussparung in einem oder mehreren transmissiven optischen Elementen der transmissiven Strahlablenkungsanordnung realisiert werden.The transmitter-side scanning or angular deflection device and the receiving-side tracking device and / or receiving device can be arranged such that their optical axes are coaxial. In other words, the transmitter and the receiver can be arranged coaxially. Due to the coaxial arrangement of the transmitter-side scan or Winkelablenkvorrichtung and / or the receiving side tracking device and / or receiving device (ie the transmitter and the receiver) can occur due to the triangulation unwanted distance-dependent displacement of the receiving beam spot on the detector (or a parallax error) avoided or be minimized. This distance-dependent spot shift is accompanied by an unintentional distance-dependent shift of the optimal switchover times, which is particularly noticeable at small measurement distances. A coaxial arrangement of the scan or Winkelablenkvorrichtung and the tracking device can, for. B. be realized by the above-described arrangement of the scanning mirror in a recess in one or more transmissive optical elements of the transmissive beam deflection arrangement.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, z. B. mittels Lichtlaufzeitmessung („Time-of-Flight” Messung) und/oder mittels Reflektivitätsmessung. Das Verfahren kann beispielsweise mit dem oben beschriebenen optischen Messsystem durchgeführt werden. Das Verfahren umfasst:
Aussenden zumindest eines Sendestrahls;
Scannen eines Messobjekts mit dem zumindest einen Sendestrahl entlang zweier Scanachsen,
Nachführen des vom Messobjekt in Richtung einer Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts, wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite der beiden Scanachsen elektronisch bzw. virtuell nachgeführt wird,
Detektieren bzw. Erfassen zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (bzw. zumindest eines Teils des Empfangsstrahls) mittels zumindest eines (z. B. linearen) Detektors oder zumindest eines (z. B. linearen) Detektorarrays der Empfangseinrichtung und Generieren zumindest eines Empfangssignals; und
Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals mittels einer Signalverarbeitungsvorrichtung.
Another aspect of the invention relates to a method for measuring measurement objects and / or arrangements of measurement objects, in particular of three-dimensional measurement objects and / or arrangements of measurement objects, eg. Example by means of light transit time measurement ("time-of-flight" measurement) and / or by reflectivity measurement. The method can be carried out, for example, with the optical measuring system described above. The method comprises:
Transmitting at least one transmission beam;
Scanning a measurement object with the at least one transmission beam along two scan axes,
Tracking the transmitted object reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of a receiving device, wherein the first of the two scan axes is optically and the second of the two scan axes electronically or virtually tracked,
Detecting or detecting at least part of the transmitted beam light (or at least part of the receiving beam) reflected and / or scattered by the measured object by at least one (eg linear) detector or at least one (eg linear) detector array of the receiving device and Generating at least one received signal; and
Processing the at least one received signal by means of a signal processing device.

Das optische Nachführen der ersten Scanachse umfasst:
Ablenken des vom Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (bzw. des Empfangsstrahls) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse (z. B. synchron zur Strahlablenkung des Sendestrahls entlang der ersten Scanachse) mittels einer transmissiven optischen Ablenkungsanordnung; und
Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung propagierten Lichts bzw. Empfangsstrahls auf den Detektor oder das Detektorarray.
The optical tracking of the first scan axis comprises:
Deflecting the transmission beam light (or the reception beam) reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the reception device synchronously to the scanning process in the first scan axis (eg synchronously with the beam deflection of the transmission beam along the first scan axis) by means of a transmissive optical deflection arrangement; and
Imaging the propagated by the beam deflection assembly light or receiving beam to the detector or the detector array.

Das elektronische Nachführen der zweiten Scanachse umfasst Schalten bzw. Aktivieren von unterschiedlichen Teilbereichen des Detektors oder des Detektorarrays (z. B. seriell nacheinander) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse, wobei der jeweils geschaltete bzw. aktivierte Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht. Die unterschiedlichen Teilbereiche des Detektors oder Detektorarrays können seriell nacheinander, z. B. synchron zur Strahlablenkung des Sendestrahls entlang der zweiten Scanachse geschaltet bzw. aktiviert werden.The electronic tracking of the second scan axis comprises switching or activating different subareas of the detector or of the detector array (for example serially one after the other) synchronously with the scanning process in the second scan axis, wherein the respective switched or activated subarea is in signal connection with the signal processing device. The different subregions of the detector or detector array can be successively serially, z. B. synchronously switched to the beam deflection of the transmission beam along the second scan axis or activated.

Wie oben beschrieben kann das Ablenken des vom Messobjekt in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts bzw. des Empfangsstrahls zum Beispiel mittels einer translatorischen Bewegung eines doppelseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays und eines einseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays relativ zueinander erfolgen. Es ist auch möglich, das Ablenken mittels einer gegenläufigen Rotation zweier Transmissionsgitter oder mittels eines elektronisch schaltbaren (elektronischen) Transmissionsgitters zu realisieren.As described above, the deflection of the transmitted beam light or the receiving beam reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device can take place, for example, by means of a translatory movement of a double-sided micro- or lenticular lens array and a single-sided micro- or lenticular lens array relative to each other. It is also possible to realize the deflection by means of an opposite rotation of two transmission gratings or by means of an electronically switchable (electronic) transmission grating.

Weiterhin kann wie oben beschrieben das Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung propagierten Lichts bzw. Empfangsstrahls auf den Detektor oder das Detektorarray mittels einer Fresnellinse erfolgen. Das Scannen des Messobjekts mit dem Sendestrahl kann mittels eines schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegels, z. B. einen elektrostatisch oder elektromagnetisch betriebenen Mikrospiegels erfolgen.Furthermore, as described above, the imaging of the light or the reception beam propagated by the beam deflection arrangement onto the detector or the detector array can take place by means of a Fresnel lens. The scanning of the measurement object with the transmission beam can be performed by means of an oscillating and / or rotating scanning mirror, for. B. an electrostatically or electromagnetically operated micromirror.

Das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren können in der Automatisierungstechnik, Robotik, fahrerlosen Transportsystemen, Automobilfertigung, Logistik, etc. eingesetzt werden. In den meisten dieser Bereiche werden derzeit einachsig scannende Laserscanner eingesetzt, da das Problem des Bereitstellens von effizienten, robusten und schnellen zwei-achsigen Laserscanner nicht zufriedenstellend gelöst ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet des optischen Messsystems ist das autonome Fahren, z. B. zur Lokalisierung von Fahrzeugen nebeneinander und in verschiedenen Distanzen und/oder zur Unterscheidung von Verkehrsteilnehmer und deren Distanz.The measuring system according to the invention and the measuring method according to the invention can be used in automation technology, robotics, driverless transport systems, automobile production, logistics, etc. Uniaxial-scanning laser scanners are currently used in most of these areas because the problem of providing efficient, robust and fast two-axis laser scanners has not been satisfactorily solved. Another application of the optical measuring system is autonomous driving, z. As for the localization of vehicles side by side and at different distances and / or to distinguish road users and their distance.

So können das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren zum Ermitteln einer 3D-Punktwolke eines Objekts eingesetzt werden, z. B. eines zu transportierenden Objekts bei fahrerlosen Transportsystemen. Eine messtechnisch ermittelte 3D-Punktwolke des zu transportierenden Objekts hilft, die Ladungsträgeraufnahme zuverlässiger und schneller umzusetzen, was Kosten und Zeit spart.Thus, the measuring system according to the invention and the measuring method according to the invention for determining a 3D point cloud of an object can be used, for. B. an object to be transported in driverless transport systems. A metrologically determined 3D point cloud of the object to be transported helps to implement the charge carrier recording more reliably and faster, which saves costs and time.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below by way of example with reference to exemplary embodiments and the figures. Show it:

1 ein beispielhaftes Scanmuster; 1 an exemplary scan pattern;

2A das Prinzip der virtuellen Nachführung; 2A the principle of virtual tracking;

2B das Prinzip der optischen bzw. winkelverstärkten Nachführung; 2 B the principle of optical or angle-enhanced tracking;

2C einen Teilbereich des Strahlengangs des Empfangsstrahls durch zwei Mikrolinsenarrays bei maximalem Auslenkwinkel der langsamen Achse; 2C a portion of the beam path of the receiving beam through two microlens arrays at maximum deflection angle of the slow axis;

3 und 4 den schematischen Aufbau eines beispielhaften optischen Messsystems, wobei der Empfangsstrahl für einen im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel (3) und für einen schrägen Einfallswinkel (4) der langsamen Scanachse dargestellt ist; 3 and 4 1 shows the schematic structure of an exemplary optical measuring system, wherein the receiving beam for a substantially perpendicular angle of incidence (FIG. 3 ) and for an oblique angle of incidence ( 4 ) of the slow scan axis is shown;

5 eine perspektivische Ansicht des in 3 und 4 gezeigten Messsystems; 5 a perspective view of the in 3 and 4 shown measuring system;

6 ein beispielhaftes Mikrolinsenarray, welches vor einem Detektorarray angeordnet ist; 6 an exemplary microlens array disposed in front of a detector array;

7 eine beispielhafte Ausführung eines Mikrolinsenarrays mit einer Aussparung für den senderseitigen Scanspiegel; und 7 an exemplary embodiment of a microlens array with a recess for the transmitter-side scanning mirror; and

8 den schematischen Aufbau eines weiteren beispielhaften optischen Messsystems; 8th the schematic structure of another exemplary optical measuring system;

9 die Lichtbeugung an einem Transmissionsgitter; 9 the light diffraction on a transmission grating;

10 eine beispielhafte Strahlablenkungsanordnung umfassend zwei gegenläufig rotierende Transmissionsgitter. 10 an exemplary beam deflection assembly comprising two counter-rotating transmission grating.

In den Figuren sind einander entsprechende oder funktionsähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, corresponding or functionally similar components are provided with the same reference numerals.

Das optische Messsystem und das optische Messverfahren in den nachfolgenden Beispielen basieren auf der Lichtlaufzeitmessung. Das Messsystem und Messverfahren können jedoch auf der Reflektivitätsmessung basieren.The optical measuring system and the optical measuring method in the following examples are based on the time of flight measurement. However, the measuring system and measuring methods can be based on the reflectivity measurement.

Mithilfe der Laufzeitmessung eines optischen Signals kann der zurückgelegte Weg bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Im Fall von Luft als Ausbreitungsmedium ist die Lichtgeschwindigkeit c ≈ 3·108 m/s. Wird die Umlaufzeit τ gemessen, so kann aus folgendem Zusammenhang die Messdistanz d berechnet werden: d = c·τ/2τ (1) Using the transit time measurement of an optical signal, the distance covered can be determined at a known propagation speed. In the case of air as a propagation medium, the speed of light is c ≈ 3 · 10 8 m / s. If the orbital period τ is measured, then the measuring distance d can be calculated from the following relationship: d = c · τ / 2τ (1)

Zur Messung der Laufzeit können sowohl Pulslaufzeitmessverfahren als auch Phasenlaufzeitmessverfahren eingesetzt werden. Alternativ können Verfahren auf Basis der Frequenzmodulation, wie z. B. FMCW Radar (English: Frequency Modulated Continuous Wave) eingesetzt werden.To measure the transit time, both pulse transit time measurement method and phase transit time measurement method can be used. Alternatively, methods based on frequency modulation, such as. B. FMCW Radar (English: Frequency Modulated Continuous Wave) are used.

Das Prinzip der Pulslaufzeitmessung basiert auf der direkten Zeitmessung. Daher wird dieses Verfahren oft auch als direkte Laufzeitmessung (Englisch: „direct Time-of-Flight” oder „ToF”) bezeichnet. Für eine Einzelpunktmessung wird im einfachsten Fall lediglich ein einziger Puls vom Sender transmittiert. Dieser Puls wird von einem Messobjekt im Abstand d zurückgestreut und/oder reflektiert und vom Empfänger in abgeschwächter Form registriert. Dabei entspricht die gemessene Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls der Umlaufzeit r. Die gesuchte Messdistanz kann abschließend gemäß Gleichung (1) berechnet werden.The principle of the pulse transit time measurement is based on the direct time measurement. Therefore, this method is often referred to as direct time-of-flight measurement (English: "direct time-of-flight" or "ToF"). For a single-point measurement, in the simplest case, only a single pulse is transmitted by the transmitter. This pulse is scattered back and / or reflected by a measured object at a distance d and registered by the receiver in a weakened form. The measured time difference between the transmitted and received pulses corresponds to the round trip time r. The sought measuring distance can finally be calculated according to equation (1).

Im Gegensatz zur Pulslaufzeitmessung wird bei der Phasenlaufzeitmessung eine indirekte Messung der Lichtlaufzeit über eine Phasenmessung durchgeführt. Daher wird dieses Verfahren oft auch als indirekte „Time-of-Flight” Methode bezeichnet. Dabei kommt eine, in der Regel sinusförmige, Amplitudenmodulation der ausgesendeten optischen Leistung mit der Modulationsfrequenz fm zum Einsatz. Die Phase φ zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal entspricht der Umlaufzeit τ über den folgenden Zusammenhang

Figure DE102016002441B3_0002
In contrast to the pulse transit time measurement, an indirect measurement of the light transit time is carried out during the phase delay measurement via a phase measurement. Therefore, this method is often referred to as an indirect "time-of-flight" method. In this case, one uses, usually sinusoidal, amplitude modulation of the emitted optical power with the modulation frequency f m . The phase φ between transmitted and received signal corresponds to the round trip time τ via the following relationship
Figure DE102016002441B3_0002

Die Messvorrichtungen und Messverfahren in den nachfolgenden Beispielen sind Scanverfahren und basieren auf einer Strahlablenkung des Sende- und Empfangsstrahls und damit auf einer sequentiellen Vermessung des Sichtfeldes. Somit werden die Bildpunkte bzw. die Messpunkte des Messobjekts seriell nacheinander vermessen.The measuring devices and measuring methods in the following examples are scanning methods and are based on a beam deflection of the transmitting and receiving beam and thus on a sequential measurement of the field of view. Thus, the pixels or the measuring points of the measuring object are measured serially one after the other.

Ein beispielhaftes zeilenförmiges Scanmuster ist in 1 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird das Messobjekt entlang einer schnellen Achse y und einer langsamen Achse x gescannt bzw. optisch abgetastet. Die horizontale Scanbewegung kann eine sinusförmige Bewegung sein, während die vertikale Scanbewegung eine lineare Bewegung sein kann. Pro Frame wird das Scanmuster einmal durchlaufen. Am Ende des Frames erfolgt ein Rücklauf zur Startposition oder der Frame läuft entgegen das Muster „rückwärts”.An exemplary line scan pattern is shown in FIG 1 shown. In this example, the measurement object is scanned or optically scanned along a fast axis y and a slow axis x. The horizontal scan motion may be a sinusoidal motion, while the vertical scan motion may be a linear motion. The scan pattern is processed once per frame. At the end of the frame, a return to the starting position or the frame runs counter to the pattern "backwards".

Das Empfangskonzept des optischen Messsystems und des Messverfahrens basiert auf einer Kombination zweier unterschiedlicher Nachführungstechniken: einer virtuellen bzw. elektronischen Nachführung und einer optischen bzw. winkelverstärkten Nachführung.The reception concept of the optical measuring system and the measuring method is based on a combination of two different tracking techniques: a virtual or electronic tracking and an optical or angle-enhanced tracking.

2A illustriert schematisch das Prinzip der virtuellen bzw. elektronischen Nachführung, die ohne eine Strahlablenkung des Empfangsstrahls erfolgt. Unter dem Begriff „Empfangsstrahl” wird dabei der Teil des Lichts (Empfangslicht) verstanden, welcher vom Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektiert und/oder gestreut wird und von der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers erfasst wird. Anders ausgedrückt „blickt” die Empfangseinrichtung bzw. der Empfänger in die Richtung, aus der der Empfangsstrahl kommt. Der Begriff „Empfangsstrahl” kann somit in einigen Fällen mit der Blickrichtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers gleichgesetzt werden. 2A schematically illustrates the principle of the virtual or electronic tracking, which takes place without a beam deflection of the receiving beam. The term "receiving beam" is understood to mean the part of the light (receiving light) which is reflected and / or scattered by the measuring object in the direction of the receiving device or of the receiver and detected by the receiving device or the receiver. In other words, the receiving device or the receiver "looks" in the direction from which the receiving beam comes. The term "receive beam" can thus be equated in some cases with the viewing direction of the receiving device or the receiver.

Der gesamte Scanwinkelbereich einer Scanachse (z. B. der schnellen Achse y) wird durch ein abbildendes optisches Element (z. B. eine Sammellinse) auf einen länglichen bzw. linearen Detektor oder auf ein lineares bzw. eindimensionalen Detektorarray 9 abgebildet. Während der auf den Detektor bzw. auf das Detektorarray 9 fokussierte Empfangsstrahl 51 sich aufgrund des Scanvorgangs über den Detektor bzw. das Detektorarray 9 bewegt, wird jeweils das am meisten beleuchtete Detektorelement durch einen Multiplexer 10 mit der darauffolgenden Signalverarbeitung 11 verbunden. Durch das Umschalten zwischen den einzelnen Detektoren des Detektorarrays 9 kann die gesamte Lichtmenge des Empfangsstrahls 51, die auf die Sammellinse 7 trifft, empfangen werden. Die zwei größten Empfangswinkel des Empfangsstrahls 51, die empfangen werden können, sind in gestrichelten bzw. in durchgezogenen Linien dargestellt.The entire scan angle range of a scan axis (eg the fast axis y) is converted to an elongated or linear detector or to a linear or one-dimensional detector array by an imaging optical element (eg a converging lens) 9 displayed. While on the detector or on the detector array 9 focused reception beam 51 due to the scan across the detector or detector array 9 moves, each is the most illuminated detector element by a multiplexer 10 with the subsequent signal processing 11 connected. By switching between the individual detectors of the detector array 9 can the total amount of light of the receiving beam 51 pointing to the condenser lens 7 meets, be received. The two largest receiving angles of the receiving beam 51 that can be received are shown in dashed and solid lines, respectively.

Insbesondere bewegt sich aufgrund der resonanten Schwingung des Scanspiegels der Fokus des Empfangsstrahls mit einem z. B. sinusförmigen Geschwindigkeitsprofil über das Detektorarray 9 hinweg. Um eine kontinuierliche Distanzmessung zu ermöglichen, wird zu jedem Zeitpunkt der maximal beleuchtete Detektor mit der Signalverarbeitung verbunden. Dies kann durch einen Multiplexer 10 erfolgen. Besteht der Detektor nicht aus einem Detektorarray, so entfällt der Multiplexer 10 und es muss nicht umgeschaltet werden. In diesem Fall fällt jedoch das Störlicht des gesamten Winkelbereichs auf dem Detektor und erhöht das Rauschen.In particular, due to the resonant oscillation of the scanning mirror, the focus of the receiving beam moves with a z. B. sinusoidal velocity profile over the detector array 9 time. In order to enable a continuous distance measurement, the maximum illuminated detector is connected to the signal processing at any time. This can be done through a multiplexer 10 respectively. If the detector does not consist of a detector array, the multiplexer is eliminated 10 and it does not have to be switched. In this case, however, the stray light of the entire angular range falls on the detector and increases the noise.

Aufgrund der Vermeidung beweglicher Nachführungsmechaniken wird bei der elektronischen bzw. virtuellen Nachführung eine Entkopplung zwischen Scanfrequenz und Empfangsapertur erreicht. Die erreichbare Empfangsapertur ist lediglich durch die Größe des Detektorarrays und des Sichtfeldes bestimmt. Durch die erreichbaren schnellen Umschaltzeiten des Multiplexers ist die Scanfrequenz damit lediglich durch die Charakteristika des Scanspiegels limitiert. Hohe Scanfrequenzen ermöglichen z. B. die Registrierung schneller Bewegungen in weiter Entfernung. Es ist beispielsweise möglich, ein Bildfeld von 100×100 Pixel mit einer Framerate von fFR = 100 Hz bei einer Scanfrequenz der schnellen Achse von ffa= 5 kHz und einer Pixelrate von fpx = 1 MHz zu vermessen.Due to the avoidance of movable tracking mechanisms, a decoupling between scanning frequency and receiving aperture is achieved in the electronic or virtual tracking. The achievable receive aperture is determined only by the size of the detector array and the field of view. Due to the achievable fast switching times of the multiplexer, the scanning frequency is thus limited only by the characteristics of the scanning mirror. High scanning frequencies allow z. B. the registration of fast movements in the far distance. For example, it is possible to measure an image field of 100 × 100 pixels at a frame rate of f FR = 100 Hz at a scan frequency of the fast axis of f fa = 5 kHz and a pixel rate of f px = 1 MHz.

Ferner ist es möglich, nur geringe Waferflächen mit teuren MEMS-Strukturen und große Waferflächen mit günstigen Detektorstrukturen einzusetzen, was die Kosten für das gesamte optische Messsystem verringert. Des Weiteren kann der Synchronisationsaufwand von der mechanischen in die elektrische Domäne verlagert werden. So ist es möglich, selbst mit nur einem Triggerpuls pro Schwingungsperiode des Mikrospiegels, die Mikrospiegelschwingung und die Umschaltzeitpunkte zu synchronisieren. Die Synchronisationsgenauigkeit kann z. B. durch ein sensorisch erfasstes Positionssignal des Mikrospiegels weiter verbessert werden. Durch die Verlagerung des Synchronisationsaufwands in die elektrische Domäne lassen sich ferner beliebige Scanmuster nachführen, was die Flexibilität deutlich steigert.Furthermore, it is possible to use only small wafer areas with expensive MEMS structures and large wafer areas with favorable detector structures, which reduces the costs for the entire optical measuring system. Furthermore, the synchronization effort can be shifted from the mechanical to the electrical domain. Thus, it is possible to synchronize even with only one trigger pulse per oscillation period of the micromirror, the micro-mirror oscillation and the switching times. The synchronization accuracy can z. B. be further improved by a sensory detected position signal of the micromirror. As a result of the shifting of the synchronization effort into the electrical domain, it is also possible to track any scan pattern, which considerably increases the flexibility.

Wie oben beschrieben ist die erreichbare Empfangsapertur durch die Größe des Detektorarrays bestimmt. Ein Erhöhen der Anzahl der Detektorelemente kann jedoch zu einer Verkomplizierung des Schaltungsdesigns und zu einer Kostensteigerung führen.As described above, the achievable receive aperture is determined by the size of the detector array. However, increasing the number of detector elements can lead to complication of circuit design and cost increase.

Ein Nachteil der elektronischen Nachführung kann die verminderte Messgenauigkeit in den Umschaltbereichen sein. Ein Grund für diese Reduktion der Messgenauigkeit kann eine Verfälschung der Phasenmessung während des Umschaltens zwischen zwei Detektoren bzw. Detektorelementen sein. Eine mögliche Lösung für dieses Problems ist es, die Messwerte, die während des Umschaltvorgangs ermittelt werden, noch vor einer Quadraturdemodulation durch eine phasenrichtig verzögerte Kopie der letzten Messwerte zu ersetzen. Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht in einer Anpassung des Schaltungsdesigns.A disadvantage of the electronic tracking can be the reduced measurement accuracy in the switching ranges. One reason for this reduction of the measurement accuracy may be a falsification of the phase measurement during switching between two detectors or detector elements. A possible solution to this problem is to replace the measured values obtained during the switching process with an in-phase delayed copy of the last measured values before a quadrature demodulation. Another solution is to adapt the circuit design.

Ferner kann ein Teil des Lichts im Umschaltbereich durch eine Verteilung des durch den Empfangsstrahl beleuchteten Spots auf zwei oder mehrere Detektorelemente verloren gehen, was zu einer Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses führen kann. Durch Auswerten des Messergebnisses in den beleuchteten Detektorelementen und Mitteln der erfassten Werte kann die Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses im Umschaltbereich verringert werden. Bei einer Verteilung des beleuchteten Spots auf zwei Detektorelemente kann z. B. die Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses von 2 auf verringert werden.Further, part of the light in the switching area may be lost by distributing the spot illuminated by the receiving beam to two or more detector elements, which may result in a reduction of the signal-to-noise ratio. By evaluating the measurement result in the illuminated detector elements and means of the detected values, the reduction of the signal-to-noise ratio in the switching region can be reduced. In a distribution of the illuminated spot on two detector elements z. B. the reduction of the signal-to-noise ratio of 2 can be reduced.

Ferner kann eine Desynchronisation zwischen der Schwingung des Scanspiegels und des Detektorumschaltens durch ein Nachführen der Umschaltzeitpunkte mit entsprechender Positionssensorik des Scanspiegels vermieden werden. Furthermore, a desynchronization between the oscillation of the scanning mirror and the detector switching can be avoided by tracking the switching times with corresponding position sensors of the scanning mirror.

2B zeigt schematisch das Prinzip der optischen bzw. winkelverstärkten Nachführung und insbesondere der mechanisch-translatorischen Nachführung. Bei dem in 2B gezeigten Beispiel wird die mechanisch-translatorische Strahlnachführung mittels einer transmissiven Strahlablenkungsanordnung umfassend drei Mikrolinsenarrays realisiert. 2B zeigt den Fall des maximalen Ablenkungswinkels βmax. Das erste Linsenarray LA1 fokussiert den Einfallsstrahl (Empfangsstrahl 51) in die Feldebene im Abstand fml, in der sich das Feldlinsenarray LA2 gleicher Brennweite fml befindet. Dieses bildet die zugehörige Mikrolinse des ersten Mikrolinsenarrays LA1 auf die zugehörige Mikrolinse des dritten Mikrolinsenarrays LA3 ab, so dass ein „Mikrolinsenkanal” entsteht, den der Einfallsstrahl im Idealfall nicht verlassen kann. Die Linse des dritten Mikrolinsenarrays LA3 kollimiert den abgelenkten divergenten Strahl. Eine laterale Verschiebung s des dritten Mikrolinsenarrays LA3 relativ zu den ersten beiden Arrays LA1 und LA2 verändert den Ablenkwinkel. 2 B schematically shows the principle of optical or angle-enhanced tracking and in particular the mechanical-translational tracking. At the in 2 B In the example shown, the mechanical-translational beam tracking is realized by means of a transmissive beam deflection arrangement comprising three microlens arrays. 2 B shows the case of the maximum deflection angle β max . The first lens array LA1 focuses the incident beam (receive beam 51 ) in the field plane at a distance f ml , in which the field lens array LA2 is the same focal length f ml . This forms the associated microlens of the first microlens array LA1 on the associated microlens of the third microlens array LA3, so that a "microlensenkanal" is formed, which can not leave the incident beam in the ideal case. The lens of the third microlens array LA3 collimates the deflected divergent beam. A lateral displacement s of the third microlens array LA3 relative to the first two arrays LA1 and LA2 changes the deflection angle.

Der Zusammenhang zwischen der lateralen Verschiebung s und dem Ablenkwinkel β des Einfallstrahls ist gegeben durch die folgende Gleichung: s = fml·tan(β) (3) The relationship between the lateral displacement s and the deflection angle β of the incident beam is given by the following equation: s = f ml · tan (β) (3)

Die maximale Verschiebung smax des Mikrolinsenarrays LA3 ist gegeben durch

Figure DE102016002441B3_0003
Wird die laterale Verschiebung s größer als der halbe Mikrolinsendurchmesser Dml, so überschreitet der Zwischenfokus den Rand der Feldlinse und kann somit nicht mehr im Mikrolinsenkanal verbleiben. Daher berechnet sich der maximale Ablenkwinkel βmax dieses Strahlablenkungsprinzips mit
Figure DE102016002441B3_0004
Figure DE102016002441B3_0005
The maximum displacement s max of the microlens array LA3 is given by
Figure DE102016002441B3_0003
If the lateral displacement s is greater than half the microlens diameter D ml , then the intermediate focus exceeds the edge of the field lens and thus can no longer remain in the microlens channel. Therefore, the maximum deflection angle β max of this beam deflection principle is also calculated
Figure DE102016002441B3_0004
Figure DE102016002441B3_0005

2C zeigt eine mögliche Umsetzung des in 2B gezeigten Prinzips der mechanisch-translatorischen Nachführung mit einem doppelseitig strukturierten Mikrolinsenarray 4 und einem einseitig strukturiertem Mikrolinsenarray 5. Insbesondere zeigt 2C einen Teilbereich des Strahlengangs des Empfangsstrahls 51 durch die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 bei maximalem Auslenkwinkel der langsamen Scanachse. Der von einem Messobjekt 3 reflektierte und/oder gestreute Empfangsstrahl 51 wird durch das doppelseitig strukturierte Mikrolinsenarray 4 in einzelne Teilstrahlen aufgeteilt, welche in eine Zwischenebene fokussiert werden und danach auf ein zweites, einseitig strukturiertes Mikrolinsenarray 5 wieder kollimiert und anschließend auf einen Detektor bzw. auf ein Detektorarray (nicht gezeigt) fokussiert. Durch eine laterale translatorische Verschiebung der beiden Mikrolinsenarrays relativ zueinander kann eine laterale Strahlablenkung erreicht werden, d. h. eine Strahlablenkung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse z der Empfangseinrichtung. Die Verschiebung findet synchron zur Strahlablenkung entlang einer der Scanachsen (z. B. der langsamen Scanachse) statt. 2C shows a possible implementation of the in 2 B shown principle of mechanical-translational tracking with a double-sided structured microlens array 4 and a one-sided structured microlens array 5 , In particular shows 2C a portion of the beam path of the receiving beam 51 through the two microlens arrays 4 and 5 at maximum deflection angle of the slow scan axis. The one of a measuring object 3 reflected and / or scattered receive beam 51 is due to the double-sided structured microlens array 4 divided into individual partial beams, which are focused in an intermediate plane and then on a second, one-sided structured microlens array 5 again collimated and then focused on a detector or on a detector array (not shown). By a lateral translational displacement of the two microlens arrays relative to each other, a lateral beam deflection can be achieved, ie a beam deflection in a plane perpendicular to the optical axis z of the receiving device. The shift takes place synchronously with the beam deflection along one of the scan axes (eg the slow scan axis).

Eine mechanisch-translatorische Nachführung kann auch mit anderen transmissiven optischen Elementen realisiert werden. So kann der Ablenkwinkel β durch eine gegenläufige Rotationsbewegung zweier Transmissionsgitter relativ zueinander verändert werden. Ebenfalls ist es möglich, den Ablenkwinkel β durch zwei elektronisch steuerbare bzw. veränderbare Transmissionsgitter oder andere räumliche Lichtmodulatoren zu ändern. Da in diesem Fall keine mechanisch beweglichen Teile notwendig sind, kann die Robustheit und/oder Genauigkeit des Systems erhöht werden.A mechanical-translational tracking can also be realized with other transmissive optical elements. Thus, the deflection angle β can be changed by an opposite rotational movement of two transmission grating relative to each other. It is also possible to change the deflection angle β by two electronically controllable or variable transmission gratings or other spatial light modulators. Since no mechanically moving parts are necessary in this case, the robustness and / or accuracy of the system can be increased.

Aufgrund der notwendigen Richtungswechsel der Bewegung sind mit einer optischen und insbesondere einer mechanisch-translatorischen Nachführung zwar in der Regel nicht so hohe Scanfrequenzen möglich, jedoch kann dieses Strahlablenkungsprinzip beispielsweise in der langsamen Scanachse des Messsystems integriert werden. Für die schnelle Scanachse kann, wie oben erläutert, das Prinzip der virtuellen Nachführung eingesetzt werden.Due to the necessary changes in direction of the movement, not so high scanning frequencies are generally possible with an optical and in particular a mechanical-translational tracking, but this beam deflection principle can be integrated, for example, in the slow scan axis of the measuring system. As explained above, the principle of virtual tracking can be used for the fast scan axis.

Während die erreichbare Empfangsapertur bei der elektronischen Nachführung durch die Größe des Detektorarrays und das Sichtfeld begrenzt ist, liegt die Begrenzung im Fall der mechanisch-translatorischen Ablenkung bei der Detektorgröße und den mechanischen Eigenschaften der Translation. Ein wichtiger Vorteil der mechanisch-translatorischen Strahlablenkung ist die Entkopplung zwischen Sichtfeld und erreichbarer Empfangsapertur. Weiterhin zeichnet sich die Methode durch geringe Bauraumanforderungen aus. Eine Kombination der elektronischen Nachführung in der schnellen und der mechanisch-translatorischen Nachführung in der langsamen Scanachse, wie in den nachfolgenden Figuren gezeigt, ermöglicht sowohl das Ausnutzen der jeweiligen Stärken beider Nachführungsprinzipien als auch das Vermeiden Prinzip bedingter Schwächen. While the achievable receive aperture in the electronic tracking is limited by the size of the detector array and the field of view, the limit in the case of mechanical-translational deflection lies in the detector size and the mechanical properties of the translation. An important advantage of the mechanical-translatory beam deflection is the decoupling between field of view and achievable reception aperture. Furthermore, the method is characterized by low space requirements. A combination of the electronic tracking in the fast and the mechanical-translational tracking in the slow scan axis, as shown in the following figures, allows both the exploitation of the respective strengths of both tracking principles as well as avoiding the principle of conditional weaknesses.

3 zeigt eine Ansicht von oben auf ein beispielhaftes Messsystem mittels Lichtlaufzeitmessung, wobei der Empfangsstrahl 51 für einen Einfallswinkel der langsamen Scanachse y dargestellt ist, welcher im Wesentlichen Null ist (senkrechter Einfall). 4 zeigt den gleichen Aufbau wie 3, wobei der Empfangsstrahl 51 für einen schrägen Einfallswinkel der langsamen Scanachse y dargestellt ist. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 3 und 4 gezeigten Messsystems. 3 shows a top view of an exemplary measurement system by means of light transit time measurement, wherein the receive beam 51 is shown for an angle of incidence of the slow scan axis y, which is substantially zero (vertical incidence). 4 shows the same structure as 3 , wherein the receiving beam 51 is shown for an oblique angle of incidence of the slow scan axis y. 5 shows a perspective view of the in 3 and 4 shown measuring system.

Das Messsystem umfasst eine Sendeeinheit mit einer Laserdiode 1 oder einer anderen geeigneten Lichtquelle. Die Sendeeinheit kann in Signalverbindung mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung stehen und ausgelegt sein, ein von der Signalverarbeitungsvorrichtung erzeugtes elektrisches Signal in ein moduliertes optisches Signal (Sendestrahl) umzuwandeln. Das optische Signal kann z. B. amplitudenmoduliert sein.The measuring system comprises a transmitting unit with a laser diode 1 or another suitable light source. The transmitting unit may be in signal communication with a signal processing device and may be configured to convert an electrical signal generated by the signal processing device into a modulated optical signal (transmit beam). The optical signal can, for. B. be amplitude modulated.

Ein kollimierter Sendestrahl 50 wird von der Laserdiode 1 ausgesendet und über einen senderseitigen Scanspiegel 2 innerhalb des Blickfelds in zwei Achsen (Scanachsen) abgelenkt. Der senderseitige Scanspiegel 2 kann z. B. ein mikromechanischer, elektrostatisch oder elektromagnetisch angetriebener Schwingspiegel sein. Die schnelle Scanachse (y) ist eine Schwingung um die x-Achse, die langsame Scanachse (x) eine Schwingung um die y-Achse. Befindet sich ein streuendes und/oder reflektierendes Messobjekt 3 im Sichtfeld des optischen Messsystems, so entsteht ein Empfangssignal 51, welches auf die Trackingvorrichtung trifft. Die Trackingvorrichtung umfasst die in z-Richtung (d. h. in Richtung senkrecht zur x-Achse und y-Achse, wobei die z-Richtung vorzugsweise mit der optischen Achse der Empfangseinrichtung zusammenfällt) hintereinander positionierten transmissiven optischen Elemente 4, 5, 6 und 7, wobei die Anordnung der optischen Elemente 4, 5, 6 und 7 bis auf eine Bedingung beliebig sein kann. Die Bedingung, die erfüllt werden muss, ist, dass der Empfangsstrahl 51 zuerst auf die beiden Mikrolinsenarrays 4,5 trifft und durch diese passiert, bevor er auf die Sammellinse 7 trifft. Bei dem in 3 bis 5 gezeigten Beispiel ist eines der beiden Mikrolinsenarrays doppelseitig strukturiert (doppelseitiges Mikrolinsenarray 4), das andere einseitig (einseitiges Mikrolinsenarray 5).A collimated transmission beam 50 is from the laser diode 1 transmitted and via a transmitter-side scanning mirror 2 deflected within the field of view in two axes (scan axes). The transmitter-side scanning mirror 2 can z. B. be a micromechanical, electrostatic or electromagnetically driven oscillating mirror. The fast scan axis (y) is a vibration about the x-axis, the slow scan axis (x) a vibration about the y-axis. Is there a scattering and / or reflective measurement object 3 in the field of view of the optical measuring system, the result is a received signal 51 which hits the tracking device. The tracking device comprises the transmissive optical elements successively positioned in the z-direction (ie in the direction perpendicular to the x-axis and y-axis, the z-direction preferably coinciding with the optical axis of the receiving device) 4 . 5 . 6 and 7 wherein the arrangement of the optical elements 4 . 5 . 6 and 7 except for one condition may be arbitrary. The condition that must be met is that the receive beam 51 first on the two microlens arrays 4 . 5 meets and passes through these before going to the condenser lens 7 meets. At the in 3 to 5 shown example, one of the two microlens arrays is double-sided structured (double-sided microlens array 4 ), the other one-sided (single-sided microlens array 5 ).

Die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 umfassen mehrere einzelne Mikrolinsen, z. B. mehrere zylindrische, lentikulare, etc. Mikrolinsen. Die Längsachse jeder einzelnen Mikrolinse ist im Wesentlichen senkrecht zur x-Richtung und parallel zur y-Richtung. Die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 sind im Wesentlichen parallel zu einander und senkrecht zur optischen Achse z angeordnet.The two microlens arrays 4 and 5 comprise several individual microlenses, e.g. B. several cylindrical, lenticular, etc. microlenses. The longitudinal axis of each individual microlens is substantially perpendicular to the x-direction and parallel to the y-direction. The two microlens arrays 4 and 5 are arranged substantially parallel to each other and perpendicular to the optical axis z.

Die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 werden synchron zur Bewegung der langsamen Scanachse des sendeseitigen Scanspiegels 2 relativ zueinander in x-Richtung bewegt (siehe 4). Die relative Bewegung kann, wie in 4 dargestellt, über eine Bewegung des doppelseitigen Mikrolinsenarrays 4, über eine Bewegung des einseitigen Mikrolinsenarrays 5, oder über eine Bewegung beider Mikrolinsenarray 4 und 5 realisiert werden. Zur Reduzierung der Masse des bewegten Mikrolinsenarrays kann das einseitig strukturierte Mikrolinsenarray 5 bewegt werden, dessen Dicke auf den minimal notwendigen Wert, der die gewünschte Stabilität gewährleistet, reduziert werden kann. Bei gegebener Antriebskraft eines Aktors zur Verschiebung ist der begrenzende mechanische Faktor für die Empfangsapertur die Scanfrequenz.The two microlens arrays 4 and 5 become synchronous with the movement of the slow scan axis of the transmit-side scan mirror 2 moved relative to each other in the x direction (see 4 ). The relative movement can, as in 4 shown by a movement of the double-sided microlens array 4 , about a movement of the single-sided microlens array 5 , or via a movement of both microlens array 4 and 5 will be realized. To reduce the mass of the moving microlens array, the unilaterally structured microlens array 5 be moved, the thickness of which can be reduced to the minimum necessary value, which ensures the desired stability. For a given actuator drive force, the limiting mechanical factor for the receive aperture is the scan frequency.

Nachdem der Empfangsstrahl 51 den optischen Filter 6 passiert hat, wird er vor der Sammellinse 7 (z. B. einer Fresnellinse) auf das Detektorarray 9 fokussiert. Das lineare Detektorarray 9 mit den Detektorelementen erstreckt sich in y-Richtung (siehe z. B. 5). Vor dem Detektorarray 9 kann ein zusätzliches Mikro- oder Lentikularlinsenarray 8 zur Erhöhung des Füllfaktors des Detektorarrays 9 positioniert sein (wie z. B. in 6 gezeigt). Das zusätzliche Mikrolinsenarray 8 kann z. B. ein einseitiges Mikro- der Lentikularlinsenarray sein.After the receiving beam 51 the optical filter 6 has happened, he is facing the condenser lens 7 (eg a Fresnel lens) on the detector array 9 focused. The linear detector array 9 with the detector elements extends in the y-direction (see eg. 5 ). In front of the detector array 9 can be an additional micro or lenticular lens array 8th to increase the fill factor of the detector array 9 be positioned (such as in 6 shown). The additional microlens array 8th can z. B. be a one-sided micro- the lenticular lens array.

Der transmissive optische Filter 6 ist ausgelegt, unerwünschte Wellenlängenbereiche (wie z. B. Fremdlichtquellen, Sonnenstrahlung, etc.) des. elektromagnetischen Spektrums zu unterdrücken und die erwünschten Bereiche passieren zu lassen. Der optische Filter 6 kann ein schmalbandiger Bandpassfilter sein, dessen Transmissionsmaximum bei der Wellenlänge des von der Laserdiode 1 emittierten Lichts ist. Es können auch Interferenzfilter und Absorptionsfilter kombiniert werden, um schmalbandige Filter mit hoher optischer Dichte in den Sperrbereichen zu realisieren.The transmissive optical filter 6 is designed to suppress unwanted wavelength ranges (such as extraneous light sources, solar radiation, etc.) of the electromagnetic spectrum and to allow the desired ranges to pass through. The optical filter 6 may be a narrowband bandpass filter whose transmission maximum at the wavelength of the laser diode 1 emitted light is. It can too Interference and absorption filters are combined to realize narrow band filters with high optical density in the stopband areas.

Der Fokus des Empfangsstrahls 51 bewegt sich auf dem Detektorarray 9 aufgrund der Schwingung der schnellen Scanachse in y-Richtung. Zu jedem Zeitpunkt wird das Detektorelement oder werden die Detektorelemente auf dem bzw. auf denen sich der Schwerpunkt des Fokus befindet über einen Multiplexer 10 mit der darauffolgenden Signalverarbeitung 11 verbunden. In dieser Weise kann eine virtuelle/elektronische Nachführung entlang der schnellen Achse x realisiert werden. Ist der Detektor als ein länglicher Detektor, der sich entlang der y-Achse erstreckt, ausgebildet, sind ein Multiplexer und eine Umschaltung der einzelnen Detektorelemente nicht notwendig.The focus of the receive beam 51 moves on the detector array 9 due to the vibration of the fast scan axis in the y-direction. At any point in time, the detector element or elements on which the center of gravity of the focus is located are via a multiplexer 10 with the subsequent signal processing 11 connected. In this way, virtual / electronic tracking along the fast axis x can be realized. If the detector is designed as an elongated detector extending along the y-axis, a multiplexer and a switching of the individual detector elements are not necessary.

Der Multiplexer 10 kann ein halbleiterbasierter Analogmultiplexer sein, z. B. ein CMOS-Multiplexer, ein gepufferter Analogmultiplexer (Englisch: „buffered analog multiplexer” oder „video multiplexer-amplifier”). Vorzugsweise wird die Anzahl der Multiplexerstufen auf einem Minimum gehalten werden, um ein Rauschen zu reduzieren. Dies kann durch eine Minimierung der Anzahl der Detektorelemente erreicht werden, was bei gegebener Detektorlänge eine Erhöhung der aktiven Fläche jedes Einzeldetektors und somit eine Reduktion der Bandbreite zur Folge hat. Bei einem linearen (eindimensionalen) Detektorarray kann jedoch ein optimaler Kompromiss zwischen Rauschreduzierung und Bandbreitenvergrößerung einfacher als bei einem 2D-Detektorarray gefunden werden.The multiplexer 10 may be a semiconductor-based analog multiplexer, e.g. As a CMOS multiplexer, a buffered analog multiplexer ("buffered analog multiplexer" or "video multiplexer-amplifier"). Preferably, the number of multiplexer stages will be kept to a minimum to reduce noise. This can be achieved by minimizing the number of detector elements, resulting in an increase in the active area of each individual detector for a given detector length and thus a reduction of the bandwidth. However, with a linear (one-dimensional) detector array, an optimal trade-off between noise reduction and bandwidth enhancement can be found more easily than with a 2D detector array.

6 zeigt ein beispielhaftes einseitiges Mikrolinsenarray 8, welches optional vor dem Detektorarray 9 angeordnet werden kann. Das Mikrolinsenarray 8 kann zur Erhöhung des Füllfaktors des Detektorarrays 9 eingesetzt werden. 6 shows an exemplary single-sided microlens array 8th which optionally in front of the detector array 9 can be arranged. The microlens array 8th can increase the fill factor of the detector array 9 be used.

7 zeigt eine beispielhafte Ausführung des Mikrolinsenarrays 4, welches eine Aussparung aufweist. Diese Aussparung kann dazu dienen, den sendeseitigen Scanspiegel 2 in der Ebene des Mikrolinsenarrays 4 zu positionieren. Somit kann ein besonders kompaktes Messsystem realisiert werden. Darüber hinaus sind in dieser Ausführungsform die optischen Achsen des Senders und der Empfängers bzw. der senderseitigen Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und der empfangsseitigen Trackingvorrichtung und/oder Empfangsvorrichtung kollinear. 7 shows an exemplary embodiment of the microlens array 4 which has a recess. This recess can serve to the transmitting side scanning mirror 2 in the plane of the microlens array 4 to position. Thus, a particularly compact measuring system can be realized. Moreover, in this embodiment, the optical axes of the transmitter and the receiver and the transmitter-side scanning or Winkelablenkvorrichtung and the receiving side tracking device and / or receiving device are collinear.

8 zeigt ein beispielhaftes Messsystem, bei dem der senderseitige Scanspiegel 2 neben der empfangsseitigen Trackingvorrichtung (umfassend die Mikrolinsenarrays 4 und 5, den Filter 6 und die Sammellinse 7) angeordnet ist. Um Schatteneffekte zu vermeiden, kann in diesem Fall eine Off-Axis-Fresnellinse als Sammellinse 7 verwendet werden. 8th shows an exemplary measuring system in which the transmitter-side scanning mirror 2 in addition to the receiving side tracking device (comprising the microlens arrays 4 and 5 , the filter 6 and the condenser lens 7 ) is arranged. In this case, to avoid shadow effects, an off-axis Fresnel lens as a condensing lens 7 be used.

In den obigen Beispielen werden Mikrolinsenarrays zur Strahlablenkung und somit optischen Nachführung verwendet. Statt Mikrolinsenarrays können andere transmissive optische Elemente, wie z. B. Lentikularlinsenarrays oder diffraktive Transmissionsgitter verwendet werden. So ist es möglich, durch eine laterale Verschiebung zweier Mikro- oder Lentikularlinsenarrays zueinander oder durch eine Rotation zweier diffraktiver Gitter in entgegengesetzten Richtungen, eine optische, mechanisch-translatorische Nachführung zu realisieren. Durch den Einsatz von optischen Transmissionselementen und durch den relativ kleinen erforderlichen Bewegungsbereich der optischen Transmissionselemente kann das Translationsprinzip sehr platzsparend umgesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, den mechanischen Antrieb aufgrund der relativ kleinen notwendigen Bewegung einfach und kostengünstig zu gestalten. So stehen mit Tauchspulenantrieben günstige translatorische Antriebskonzepte für das Mikro- oder Lentikularlinsenarray(s) zur Verfügung.In the above examples, microlens arrays are used for beam deflection and thus optical tracking. Instead of microlens arrays other transmissive optical elements such. As lenticular lens arrays or diffractive transmission grating can be used. Thus, it is possible to realize an optical, mechanical-translational tracking by a lateral displacement of two micro- or lenticular lens arrays relative to one another or by a rotation of two diffractive gratings in opposite directions. By using optical transmission elements and by the relatively small required range of motion of the optical transmission elements, the translational principle can be implemented in a very space-saving manner. Furthermore, it is possible to make the mechanical drive due to the relatively small movement necessary simple and inexpensive. So with dive coil drives favorable translational drive concepts for the micro or lenticular lens array (s) are available.

Ebenfalls ist es möglich, elektronisch steuerbare räumliche Lichtmodulatoren oder Transmissionsgitter zu verwenden. So kann z. B. durch eine elektronisch gesteuerte Veränderung der Gitterstrukturen zweier diffraktiver Transmissionsgitter relativ zueinander, ebenfalls eine optische Nachführung realisiert werden. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Trackingvorrichtung keine mechanisch beweglichen Teile benötigt.It is also possible to use electronically controllable spatial light modulators or transmission gratings. So z. B. by an electronically controlled change of the grating structures of two diffractive transmission grating relative to each other, also an optical tracking can be realized. An advantage of this approach is that the tracking device does not require any mechanical moving parts.

In den obigen Beispielen erfolgt das Umschalten der Detektorelemente synchron zum Scanvorgang entlang einer der Scanachsen. Eine zeitliche Abweichung zwischen dem optimalen Umschaltzeitpunkt beim Übergang des Fokus zwischen zwei Detektorelementen und dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt kann dabei zu einer Verschlechterung des Empfangssignals führen. Dies kann z. B. durch eine Berücksichtigung der Position des Scanspiegels bei der Verarbeitung des von dem Detektor generierten Empfangssignals minimiert werden. Die Position des Scanspiegels kann z. B. mittels einer geeigneten Positionssensorik (welche in dem Scanspiegel integriert werden kann) erfasst werden. Dadurch kann eine zeitliche Verschiebung der optimalen Umschaltzeitpunkte, z. B. aufgrund von Temperatur- bzw. Luftfeuchtigkeitsschwankungen, die beispielsweise die Oszillationsamplitude leicht beeinflussen, im Wesentlichen kompensiert werden.In the above examples, the switching of the detector elements takes place synchronously with the scanning process along one of the scanning axes. A time deviation between the optimal switching time at the transition of the focus between two detector elements and the actual switching time can lead to a deterioration of the received signal. This can be z. B. be minimized by considering the position of the scanning mirror in the processing of the received signal generated by the detector. The position of the scan mirror can, for. B. by means of a suitable position sensors (which can be integrated in the scanning mirror) are detected. This allows a temporal shift of the optimal Switching times, z. B. due to temperature or humidity fluctuations that affect, for example, the Oszillationsamplitude easily, are substantially compensated.

Wie oben beschrieben kann aufgrund des Parallaxenfehlers eine ungewollte Verschiebung des Empfangsstrahlspots bzw. des Fokus auf dem Detektor auftreten. Mit dieser distanzabhängigen Spotverschiebung geht auch eine distanzabhängige Verschiebung der optimalen Umschaltzeitpunkte einher, die vor allem bei kleinen Messdistanzen zum Tragen kommt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um dieses Problem zu lösen. Zum einen kann der Effekt durch ein koaxiales Anordnen der optischen Achsen von Sender- und Empfänger weitgehend vermieden oder minimiert werden (vgl. z. B. 7). Es ist auch möglich, die Problematik in die optisch und insbesondere mechanisch-translatorisch nachgeführte Achse zu verlagern. So kann die Strahlablenkungsanordnung so ausgelegt sein, die durch Triangulation bedingte distanzabhängige Verschiebung des Empfangsstrahlspots bzw. des Fokus auf dem Detektor im Wesentlichen zu kompensieren. Dank der Flexibilität des Umschaltansatzes ist es ferner möglich, zwei Detektoren bzw. Detektorelemente gleichzeitig auszulesen und das bessere von beiden Empfangssignalen für eine Quadraturdemodulation zu verwenden. Dieser Ansatz erhöht die Komplexität der Umschaltung und auch der Signalverarbeitung, bietet jedoch die Möglichkeit durch die Bildung des Mittelwerts beider Empfangssignale (z. B. vor der Quadraturdemodulation) das im Umschaltbereich halbierte SNR (Signal-Rausch Verhältnis) um den Faktor zu verbessern. Es ist selbstverständlich möglich, mehr als zwei Elemente gleichzeig auszulesen. Ebenfalls ist es möglich, die Umschaltzeitpunkte auch aus den Abstandsinformationen aus dem vorhergehenden Frame zu berechnen.As described above, due to the parallax error, an unwanted shift of the receiving beam spot or focus on the detector may occur. This distance-dependent spot shift is also accompanied by a distance-dependent shift of the optimum switchover times, which is particularly noticeable at small measurement distances. There are several ways to solve this problem. On the one hand, the effect can be largely avoided or minimized by a coaxial arrangement of the optical axes of transmitter and receiver (cf. 7 ). It is also possible to shift the problem into the optically and in particular mechanically translationally guided axis. Thus, the beam deflection arrangement can be designed to substantially compensate for the triangulation-dependent distance-dependent displacement of the receiving beam spot or of the focus on the detector. Thanks to the flexibility of the switching approach, it is also possible to read two detectors or detector elements simultaneously and to use the better of both received signals for a quadrature demodulation. This approach increases the complexity of the switching as well as the signal processing, but offers the possibility of improving the SNR (signal-to-noise ratio) halved in the switching range by the factor by forming the average of both received signals (eg before quadrature demodulation). It is of course possible to read out more than two elements at the same time. It is also possible to calculate the switching times also from the distance information from the previous frame.

In den obigen Beispielen kann der maximale vertikale Durchmesser Dv der Sammellinse in Abhängigkeit von der Länge des Detektorarrays wdet gewählt werden, z. B. nach der folgenden Formel:

Figure DE102016002441B3_0006
wobei kmin die minimal realisierbare Blendenzahl bezeichnet (z. B. kmin ≈ 1) und βv der maximale Einfallswinkel (Halbwinkel) ist. Bei z. B. wdet = 4 mm, kmin ≈ 1 ist der maximale vertikale Durchmesser der Sammellinse ungefähr 11,3 mm.In the above examples, the maximum vertical diameter D v of the condenser lens may be chosen as a function of the length of the detector array w det , e.g. For example, according to the following formula:
Figure DE102016002441B3_0006
where k min denotes the minimum feasible f-number (eg k min ≈ 1) and β v is the maximum angle of incidence (half angle). At z. B. w det = 4 mm, k min ≈ 1, the maximum vertical diameter of the converging lens is about 11.3 mm.

Unter Umständen können auch noch kleinere Blendenzahlen erreicht werden, jedoch steigen auch die Aberrationen bei derart lichtstarken Optiken drastisch an. Dies wiederum verringert die optische Effizienz, da die Spotgröße die Detektorgröße übertrifft.Under certain circumstances, even smaller f-numbers can be achieved, but also increase the aberrations in such high-intensity optics drastically. This in turn reduces the optical efficiency as the spot size exceeds the detector size.

Die Sammellinse kann eine Fresnellinse sein. Ein Vorteil einer Fresnellinse ist ihr geringes Gewicht, was vor allem bei großen Linsen zum Tragen kommt. In der Massenfertigung von Kunststoff-Optiken lässt sich mit der Spritzgusstechnik auch mit asphärischen Strukturen ein sehr niedriger Stückkostenpreis erreichen. Zusätzlich haben Fresnellinsen auch sehr geringe Bauraumanforderungen und lassen sich aufgrund ihrer Planarität sehr gut in günstige Halterungskonzepte integrieren. Für die Fertigung geringer Stückzahlen können auch spanende Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Ein Nachteil von Fresnellinsen sind jedoch die Schattenbereiche, die durch Totalreflektion an den Seitenwänden der Strukturen auftreten. Der Schatteneffekt kann z. B. durch geschicktes Anordnen der Fresnelstrukturen minimiert, jedoch in vielen Fällen nicht vollständig vermieden werden.The condenser lens may be a Fresnel lens. One advantage of a Fresnel lens is its low weight, which is especially important for large lenses. In the mass production of plastic optics can be achieved with the injection molding technology with aspherical structures, a very low unit cost. In addition, Fresnel lenses also have very small installation space requirements and can be very well integrated into favorable support concepts due to their planarity. For the production of small quantities also cutting manufacturing processes can be used. However, a disadvantage of Fresnel lenses is the shadow areas that occur by total reflection on the sidewalls of the structures. The shadow effect can be z. As minimized by cleverly arranging the Fresnel structures, but in many cases can not be completely avoided.

In den obigen Beispielen umfasst der durch den Empfangsstrahl 51 beleuchtete Spot des Detektorarrays vorzugsweise ein Detektorelement. Es ist jedoch möglich, insbesondere in bestimmten Bereichen des Detektorarrays, dass der beleuchtete Spot mehrere Detektorelemente umfasst. Die Empfangsleistung verteilt sich in diesem Fall auf zwei oder mehrere Detektorelemente und wird reduziert. Dies führt in der Regel zu einer Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses. Es ist möglich, die Signale der beleuchteten Detektorelemente zu addieren. Dies führt jedoch nicht zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, weil sich mit dem Signal auch das Rauschen verdoppelt. Mittels einer Mittelung der Signale kann die Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses begrenzt werden.In the above examples, that includes the receive beam 51 illuminated spot of the detector array, preferably a detector element. However, it is possible, in particular in certain areas of the detector array, that the illuminated spot comprises a plurality of detector elements. The reception power is distributed in this case to two or more detector elements and is reduced. This usually leads to a reduction of the signal-to-noise ratio. It is possible to add the signals of the illuminated detector elements. However, this does not lead to an improvement of the signal-to-noise ratio because the signal also doubles the noise. By means of an averaging of the signals, the reduction of the signal-to-noise ratio can be limited.

9 zeigt schematisch die Lichtbeugung an einem Transmissionsgitter 12. Im gezeigten Beispiel ist das Gitter ein Blazed Gitter. Derartige Gitter beugen das Licht im Wesentlichen in eine Beugungsordnung und weisen eine hohe Beugungseffizienz auf. Es ist ebenfalls möglich, andere Gitter zu verwenden, die jedoch Störordnungen aufweisen und weniger effizient sind. 9 schematically shows the light diffraction on a transmission grating 12 , In the example shown, the grid is a blazed grid. Such gratings diffract the light substantially in a diffraction order and have a high diffraction efficiency. It is also possible to use other grids, but they have clutter and are less efficient.

Die Gitterbeugung kann vektoriell mit dem Wellenvektorkonzept beschrieben werden. Durch die Beugung am Gitter addiert sich zum Wellenvektor der einfallenden Wellenfront k →in ein Gittervektor g →, so dass nach der Wellenfront der ausfallenden Wellenfront k →out die folgende Gleichung (6) erfüllt: k →out = k →in + g → (6) The lattice diffraction can be described vectorially with the wave vector concept. The diffraction at the grating adds to the wave vector of the incident wavefront k → in a grid vector g →, so that after the wavefront of the failing wavefront k → out the following equation (6) satisfies: k → out = k → in + g → (6)

In der Gleichung (6) bezeichnen:

  • Figure DE102016002441B3_0007
    den Wellenvektor der einfallenden Wellenfront;
  • g → = λ / p den Gittevektor;
  • p die Periode des Gitters; und
  • λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts.
In equation (6) denote:
  • Figure DE102016002441B3_0007
    the wave vector of the incident wavefront;
  • g → = λ / p the Gittevektor;
  • p the period of the grid; and
  • λ is the wavelength of the incident light.

10 zeigt eine beispielhafte Strahlablenkungsanordnung umfassend zwei gegenläufig rotierende Transmissionsgitter 13 und 14. Vorzugsweise sind die Gitter 13 und 14 Blazed Gitter. 10 shows an exemplary beam deflection assembly comprising two counter-rotating transmission gratings 13 and 14 , Preferably, the grids 13 and 14 Blazed grid.

Die Gittervektoren der Transmissionsgitter 12 und 14 sind jeweils g →1 und g →2. The lattice vectors of the transmission gratings 12 and 14 are each g → 1 and g → 2 .

Bei zwei gegenläufig rotierenden Gittern der gleichen Periode, heben sich die Y-Komponenten der beiden Gittervektoren g →1 und g →2 gegenseitig auf. Der Summenvektor g →s, wobei g →s = g →1 + g →2, zeigt immer in die gleiche Richtung, hat aber je nach Rotationswinkel einen variablen Betrag, der sich zwischen 0 und 2π periodisch ändert. Damit lässt sich ein linearer Scanner realisieren.With two counter-rotating gratings of the same period, the Y components of the two grating vectors are lifted g → 1 and g → 2 each other up. The sum vector g → s , in which g → s = g → 1 + g → 2 , always points in the same direction but, depending on the angle of rotation, has a variable amount that changes periodically between 0 and 2π. This allows a linear scanner to be realized.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Laserdiode mit zugehöriger KollimationsoptikLaser diode with associated collimation optics
22
Sendeseitiger ScanspiegelTransmission side scanning mirror
33
Messobjekt mit reflektierenden und/oder streuenden EigenschaftenMeasuring object with reflective and / or scattering properties
44
Empfangsseitiges bewegliches doppelseitig strukturiertes Mikrolinsenarray oder LentikularlinsenarrayReceiving-side movable double-sided structured microlens array or lenticular lens array
55
Empfangsseitiges einseitig strukturiertes Mikrolinsenarray oder LentikularlinsenarrayReceiving-side unilaterally structured microlens array or lenticular lens array
66
Optisches Filter oder FilteranordnungOptical filter or filter arrangement
77
Sammellinse (z. B. Fresnellinse)Condenser lens (eg Fresnel lens)
88th
Mikrolinsenarray zur Erhöhung des Füllfaktors des DetektorarraysMicrolens array for increasing the fill factor of the detector array
99
Lineares DetektorarrayLinear detector array
1010
Multiplexermultiplexer
1111
Signalverarbeitung und SignalauswertungSignal processing and signal evaluation
1212
Transmissionsgittertransmission grid
13, 1413, 14
gegenläufig rotierende Transmissionsgittercounter-rotating transmission gratings
5050
Sendestrahltransmission beam
5151
Empfangsstrahlreceiving beam
LA1–LA3LA1-LA3
MikrolinsenarraysMicrolens arrays

Claims (14)

Optisches System zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, umfassend: zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls (50); eine Scan- oder Winkelablenkvorrichtung zum Scannen eines Messobjekts (3) mit dem Sendestrahl (50) entlang zweier Scanachsen; eine Empfangseinrichtung zum Detektieren zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) und zum Generieren zumindest eines Empfangssignals, wobei die Empfangseinrichtung zumindest einen Detektor oder ein Detektorarray (9) aufweist; eine Trackingvorrichtung zum Nachführen des vom Messobjekt (3) in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51), wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch nachgeführt wird; und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals, um Informationen über die Entfernung zu einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) und/oder über die Reflektivität in einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) zu erhalten, wobei die Trackingvorrichtung umfasst: eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung (4, 5: 13, 14), welche ausgelegt ist, das vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht (51) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse abzulenken; und ein abbildendes optisches Element (7), das ausgelegt ist, das durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14) propagierte Licht auf den Detektor oder das Detektorarray (9) abzubilden; und wobei die Trackingvorrichtung ferner ausgelegt ist, unterschiedliche Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays (9) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse zu schalten, wobei der jeweils geschaltete Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht.Optical system for measuring measuring objects and / or arrangements of measuring objects, in particular of three-dimensional measuring objects and / or arrangements of measuring objects, comprising: at least one light source for emitting a transmitting beam ( 50 ); a scanning or angled deflection device for scanning a measurement object ( 3 ) with the transmission beam ( 50 ) along two scan axes; a receiving device for detecting at least part of the transmitted object reflected and / or scattered by the measurement beam ( 51 ) and for generating at least one received signal, wherein the receiving device comprises at least one detector or a detector array ( 9 ) having; a tracking device for tracking the object to be measured ( 3 ) in the direction of the receiving device reflected and / or scattered transmission beam light ( 51 ), wherein the first of the two scan axes is tracked optically and the second scan axis electronically; and a signal processing device for processing the at least one received signal to obtain information about the distance to individual measuring points of the measuring object ( 3 ) and / or via the reflectivity in individual measuring points of the test object ( 3 ), the tracking device comprising: a transmissive optical beam deflection assembly ( 4 . 5 : 13 . 14 ), which is designed, that of the measuring object ( 3 ) in the direction of the receiving device reflected and / or scattered transmission beam light ( 51 ) to deflect in synchronism with the scan in the first scan axis; and an imaging optical element ( 7 ) designed by the beam deflecting arrangement ( 4 . 5 ; 13 . 14 ) propagated light onto the detector or detector array ( 9 ); and wherein the tracking device is further configured to detect different subregions of the detector or of the detector array ( 9 ) in synchronism with the scanning process in the second scan axis, wherein the respective switched subarea is in signal connection with the signal processing device. Optisches System nach Anspruch 1, wobei der Detektor ein linearer Detektor ist oder das Dektorarray ein lineares Detektorarray ist.The optical system of claim 1, wherein the detector is a linear detector or the detector array is a linear detector array. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlablenkungsanordnung aufweist: ein doppelseitiges Mikro- oder Lentikularlinsenarray und ein einseitiges Mikro- oder Lentikularlinsenarray, wobei das doppelseitige Mikro- oder Lentikularlinsenarray und das einseitige Mikro- oder Lentikularlinsenarray relativ zueinander translatorisch verschiebbar angeordnet sind.An optical system according to claim 1 or 2, wherein the beam deflecting arrangement comprises: a double-sided micro- or lenticular lens array and a single-sided micro- or lenticular lens array, wherein the double-sided micro or lenticular lens array and the single-sided micro or lenticular lens array are arranged translationally relative to each other. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlablenkungsanordnung aufweist: zwei gegenläufig rotierende Transmissionsgitter (13, 14); oder ein elektronisch steuerbares Transmissionsgitter.An optical system according to claim 1 or 2, wherein the beam deflection assembly comprises: two counter-rotating transmission gratings ( 13 . 14 ); or an electronically controllable transmission grating. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das abbildende optische Element (7) eine Fresnellinse ist.Optical system according to one of the preceding claims, wherein the imaging optical element ( 7 ) is a Fresnel lens. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Scan- oder Winkelablenkvorrichtung einen schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegel (2) umfasst.Optical system according to one of the preceding claims, wherein the scanning or angled deflection device comprises a vibrating and / or rotating scanning mirror ( 2 ). Optisches System nach Anspruch 3 und Anspruch 6, wobei das doppelseitige und/oder das einseitige Mikro- oder Lentikularlinsenarray eine Aussparung aufweist, in welcher der Scanspiegel (2) angeordnet ist.Optical system according to claim 3 and claim 6, wherein the double-sided and / or single-sided micro or lenticular lens array has a recess in which the scanning mirror ( 2 ) is arranged. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optischen Achsen der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und der Trackingvorrichtung und/oder Empfangseinrichtung koaxial sind.Optical system according to one of the preceding claims, wherein the optical axes of the scan or Winkelablenkvorrichtung and the tracking device and / or receiving means are coaxial. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche wobei die Vermessung mittels Lichtlaufzeitmessung und/oder Reflektivitätsmessung erfolgt.Optical system according to one of the preceding claims wherein the measurement is carried out by means of light transit time measurement and / or reflectivity measurement. Verfahren zur Vermessung von Messobjekten Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten und/oder. Anordnungen von Messobjekten, umfassend: Aussenden zumindest eines Sendestrahls (50); Scannen eines Messobjekts (3) mit dem zumindest einen Sendestrahl (50) entlang zweier Scanachsen, Nachführen des vom Messobjekt (3) in Richtung einer Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51), wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch nachgeführt wird, Detektieren zumindest eines Teils des vom Messobjekt (3) reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) mittels zumindest eines Detektors oder zumindest eines Detektorarrays (9) der Empfangseinrichtung und Generieren zumindest eines Empfangssignals; und Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals mittels einer Signalverarbeitungsvorrichtung, wobei das optische Nachführen der ersten Scanachse umfasst: Ablenken des vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse mittels einer transmissiven optischen Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14); und Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14) propagierten Lichts (51) auf den Detektor oder das Detektorarray (9); und wobei das elektronische Nachführen der zweiten Scanachse umfasst: Schalten von unterschiedlichen Teilbereichen des Detektors oder des Detektorarrays (9) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse, wobei der jeweils geschaltete Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht.Arrangement of Measuring Objects, in Particular of Three-Dimensional Measuring Objects and / or. Arrangements of objects to be measured, comprising: transmitting at least one transmission beam ( 50 ); Scanning a DUT ( 3 ) with the at least one transmission beam ( 50 ) along two scan axes, tracking the object to be measured ( 3 ) in the direction of a receiving device reflected and / or scattered transmission beam light ( 51 ), wherein the first of the two scan axes is tracked electronically and the second scan axis is electronically tracked, detecting at least part of the object to be measured ( 3 ) reflected and / or scattered transmission beam light ( 51 ) by means of at least one detector or at least one detector array ( 9 ) the receiving device and generating at least one received signal; and processing the at least one received signal by means of a signal processing device, wherein the optical tracking of the first scan axis comprises: deflecting the object to be measured ( 3 ) in the direction of the receiving device reflected and / or scattered transmission beam light ( 51 ) in synchronism with the scanning process in the first scan axis by means of a transmissive optical beam deflection arrangement ( 4 . 5 ; 13 . 14 ); and imaging by the beam deflecting assembly ( 4 . 5 ; 13 . 14 ) propagated light ( 51 ) on the detector or detector array ( 9 ); and wherein the electronic tracking of the second scan axis comprises: Switching of different sections of the detector or the detector array ( 9 ) synchronously with the scanning process in the second scan axis, wherein the respective switched subarea is in signal connection with the signal processing device. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ablenken des vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51): mittels einer translatorischen Bewegung eines doppelseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays und eines einseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays relativ zueinander erfolgt; oder mittels einer gegenläufigen Rotation zweier Transmissionsgitter (13, 14) oder mittels eines elektronisch schaltbaren Transmissionsgitters erfolgt.Method according to claim 10, wherein the deflection of the object to be measured ( 3 ) in the direction of the receiving device reflected and / or scattered transmission beam light ( 51 ): takes place by means of a translational movement of a double-sided micro or lenticular lens array and a single-sided micro or lenticular lens array relative to each other; or by means of an opposite rotation of two transmission gratings ( 13 . 14 ) or by means of an electronically switchable transmission grating. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14) propagierten Lichts (51) auf den Detektor oder das Detektorarray (9) mittels einer Fresnellinse erfolgt; und/oder das Scannen des Messobjekts (3) mit dem Sendestrahl (50) mittels eines schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegels (2) erfolgt.A method according to claim 10 or 11, wherein imaging by the beam deflecting arrangement ( 4 . 5 ; 13 . 14 ) propagated light ( 51 ) on the detector or detector array ( 9 ) takes place by means of a Fresnel lens; and / or scanning the measurement object ( 3 ) with the transmission beam ( 50 ) by means of a vibrating and / or rotating scanning mirror ( 2 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Detektor ein linearer Detektor ist oder das Dektorarray ein lineares Detektorarray ist.Method according to one of claims 10 to 12, wherein the detector is a linear detector or the Dektorarray is a linear detector array. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Vermessung mittels Lichtlaufzeitmessung und/oder Reflektivitätsmessung erfolgt.Method according to one of claims 10 to 13, wherein the measurement is carried out by means of light transit time measurement and / or reflectivity measurement.
DE102016002441.0A 2016-02-29 2016-02-29 Mechanically robust optical measuring system by means of light transit time and / or reflectivity measurement Active DE102016002441B3 (en)

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