DE102018222629A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts Download PDF

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Volker Rasenberger
Florian Rettich
Thomas Mayer
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts (112) mit mindestens drei Retroreflektoren (114) vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) weist mindestens eine LIDAR-Einheit (116) mit mindestens drei Messkanälen (118) auf. Die LIDAR-Einheit (116) weist mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (126) auf, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl (128) zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit (116) weist mindestens einen ersten Strahlaufteiler (130) auf, wobei der erste Strahlaufteiler (130) eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl (128) parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle (118) aufzuteilen. Die Messkanäle (118) sind jeweils eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit (116) ist eingerichtet für die Messsignale mindestens ein LIDAR-Signal zu erzeugen. Die Vorrichtung (110) weist mindestens eine Auswerteeinheit (148) auf, welche eingerichtet ist aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts (112) zu bestimmen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik zur Vermessung von sehr großen Bauteilen.
  • Stand der Technik
  • Auf dem Gebiet der Vermessung von sehr großen Bauteilen, wie beispielsweise Komponenten von Windenergieanlagen, werden üblicherweise sehr große Koordinatenmessgeräte und/oder Lasertracker oder Lasertracer verwendet. Die Herstellung derartiger Vorrichtungen mit einer gewünschten hohen Genauigkeit auch bei großen Messstrecken und verschiedenen Umgebungsbedingungen ist jedoch aufwendig und führt zu hohen Kosten.
  • Bekannt sind Vermessungsverfahren, bei welchen mit einem Messkopf eines Sensors ein großes Bauteil abgetastet wird und eine Position und Ausrichtung des Messkopfes in einem Messvolumen mittels einer Abstandsmessvorrichtung und einer zusätzlichen Winkelmessvorrichtung erfolgt.
  • So beschreibt beispielsweise US 2014/0043622 A1 ein System zum Messen der Position eines Objekts in einem Messvolumen, mit einer optischen Winkelmessvorrichtung, die mit einer statischen Optik angeordnet ist und zum Messen des Azimuth- und Elevationswinkels des Objekts in dem Messvolumen konfiguriert ist. Zu der optischen Winkelmessvorrichtung ist eine Entfernungsmessvorrichtung, die mit einer statischen Komponente angeordnet ist, konfiguriert zum Messen der Entfernung des Objekts in dem Messvolumen.
  • DE 10 2009 024 464 A1 beschreibt eine Auswerteeinrichtung für eine Weglängenmessung, welche eingerichtet ist, um ein Messsignal auszuwerten, das eine Intensität einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, nach Durchlaufen einer zu messenden Weglänge als Funktion der Zeit repräsentiert. Die Folge von Pulsen wird von einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Lichtquelle, mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, um eine erste Komponente des Messsignals, die mit einer ersten Frequenz oszilliert, und eine zweite Komponente des Messsignals, die mit einer zweiten Frequenz oszilliert, die größer als die erste Frequenz ist, auszuwerten. Die erste Frequenz kann der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entsprechen. Die zweite Frequenz kann einem weiteren Vielfachen der Repetitionsrate entsprechen.
  • EP 3 165 876 A2 beschreibt ein Opto-elektronisches Vermessungsgerät zur Distanz - und/oder Positionsbestimmung mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Messstrahlung einer ersten Wellenlänge, wobei die Messstrahlung gerichtet in den freien Raum emittiert wird. Die Strahlungsquelle ist derart ausgebildet, dass die erste Wellenlänge im Bereich zwischen 1210 nm und 1400 nm liegt und die Leistung der emittierten Messstrahlung im zeitlichen und räumlichen Mittel wenigstens 14mW beträgt.
  • Derartige bekannte Verfahren und Vorrichtung sind jedoch komplex und benötigen mindestens zwei Messsysteme eines zur Vermessung der räumlichen Position und eines zur Winkelmessung. Weiter können durch Verwendung von verschiedenen Messsystemen zur Bestimmung der räumlichen Position und Winkelmessung große Messunsicherheiten entstehen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität erfolgen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B“ auf, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
  • Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
  • Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
  • In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts mit mindestens drei Retroreflektoren vorgeschlagen.
  • Unter einem Objekt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes, zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Objekt ein Messkopf eines Sensors sein oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Das Objekt weist mindestens drei Retroreflektoren auf. Unter einem Retroreflektor kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche einen eintreffenden Lichtstrahl reflektiert. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge, Kugellinsen mit Reflektionsschicht, einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, einem Würfelprisma, einem cornercube. Die Retroreflektoren können fest und/oder auswechselbar auf dem Objekt angeordnet sein. Eine Position der Retroreflektoren auf dem Objekt kann bekannt sein. Das Objekt kann eine Vielzahl von Retroreflektoren aufweisen, insbesondere mehr als drei Retroreflektoren, beispielsweise vier, fünf, sechs oder mehr Retroreflektoren.
  • Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Unter einer räumlichen Position kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage des Objekts. Unter einer Orientierung kann eine Ausrichtung des Objekts verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition im Messvolumen. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel.
  • Die Vorrichtung weist mindestens eine LIDAR-Einheit mit mindestens drei Messkanälen auf. Die LIDAR-Einheit weist mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit weist mindestens einen ersten Strahlaufteiler auf. Der erste Strahlaufteiler ist eingerichtet den Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle aufzuteilen. Die Messkanäle sind jeweils eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit ist eingerichtet für die Messsignale mindestens ein LIDAR-Signal zu erzeugen. Die Vorrichtung weist mindestens eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts zu bestimmen.
  • Unter einer LIDAR-Einheit kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Wie oben beschrieben, weist die LIDAR-Einheit mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen, eine sogenannte „Frequency Modulated Continuous Wave“ (FMCW). Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Eingangslichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein.
  • Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu erzeugen. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung IR-Licht, also Licht aus dem Infrarot Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Unter einen Eingangslichtstrahl kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher eine modulierte, beispielsweise linear modulierte, Frequenz aufweist und in die Messkanäle zumindest teilweise einkoppelbar ist. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode.
  • Unter einem Messkanal kann ein Element der LIDAR-Einheit verstanden werden, welches eingerichtet ist mindestens einen Retroreflektor mit mindestens einen Anteil des Eingangslichtstrahls zu beleuchten und mindestens einen von dem mindestens einen Retroreflektor reflektierten Strahl zu erfassen. Die Messkanäle können identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Die LIDAR-Einheit kann eine Vielzahl Messkanälen aufweisen, beispielsweise vier, fünf oder mehr Messkanäle. Die Messkanäle können zumindest teilweise räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgestaltet sein. Unter „zumindest teilweise räumlich getrennt“ kann verstanden werden, dass räumlich nicht getrennte Anteile der Messkanäle möglich sind, wobei mindestens ein Anteil der jeweiligen Messkanäle räumlich getrennt von den anderen Messkanälen ist. Unter „zumindest teilweise zeitlich getrennt“ kann dabei verstanden werden, dass die Messkanäle zu verschiedenen Zeitpunkten betrieben werden, wobei ein zeitlicher Überlapp möglich ist. Beispielsweise kann ein weiter unten beschriebender zweiter Strahlaufteiler derart ausgestaltet sein, dass nur ein Ablenkspiegel angesteuert wird, und für die unterschiedlichen Retroreflektoren zeitlich versetzt der Ablenkspiegel auf die jeweiligen Retroreflektoren einstellbar ist.
  • Die Messkanäle können jeweils mindestens eine optische Faser aufweisen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser. Die optischen Fasern können bevorzugt eine unterschiedliche Länge aufweisen. Dieses kann eine Trennung der jeweiligen Messkanäle in einem weiter unten beschriebenen Frequenzspektrum ermöglichen. Die optischen Fasern können jeweils einen Längen-Offset aufweisen. Unter einem Längen-Offset kann eine beliebig lange Verzögerungsstrecke verstanden werden. Der Längen-Offset der optischen Fasern kann derart sein, dass jeweilige Frequenzspektren der Messkanäle in dem weiter unten beschriebenen Frequenzspektrum identifizierbar und/oder trennbar sind.
  • Die Messkanäle können jeweils mindestens ein erstes optisches Element aufweisen. Das erste optische Element kann eingerichtet sein den durch die jeweilige optische Faser laufenden Eingangslichtstrahl aus der optischen Faser auszukoppeln und einen von mindestens einem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahl in die jeweilige optische Faser einzukoppeln. Die optischen Fasern können einen Faseranfang und ein Faserende aufweisen, wobei mindestens ein Anteil des Eingangslichtstrahls von dem Faseranfang zu dem Faserende durch die jeweilige optische Faser läuft. Das erste optische Element kann an dem Faserende angeordnet sein. Das optische Element kann eine Auskoppeloptik umfassen. Das optische Element kann eine Einkoppeloptik umfassen. Die Auskoppeloptik und die Einkoppeloptik können identisch sein.
  • Die Messkanäle können jeweils mindestens einen statischen oder einstellbaren Spiegel aufweisen. Beispielsweise kann die Vorrichtung mindestens eine Steuerung aufweisen, welche eingerichtet ist den Spiegel an zu steuern und in eine beliebige Winkelstellung einzustellen.
  • Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die Messkanäle parallel und/oder sequenziell zu betreiben. Bei parallelem Betreiben kann eine Messung von mehreren Distanzen gleichzeitig ermöglicht werden. Wie oben ausgeführt, weist die LIDAR-Einheit mindestens einen ersten Strahlaufteiler, insbesondere einen Multiplexer, auf. Unter einem Strahlaufteiler kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl mindestens einem Messkanal zu zuführen, und/oder den Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell zumindest teilweise auf die Messkanäle aufzuteilen. Der erste Strahlaufteiler kann eingerichtet sein den gesamten Eingangslichtstrahl einem ersten Messkanal zu zuführen und nacheinander einem zweiten und einem dritten Messkanal zuzuführen. Alternativ oder zusätzlich kann der Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichstrahl in mindestens zwei Anteile aufzuteilen. Der erste Strahlaufteiler kann eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle aufzuteilen. Der erste Strahlaufteiler kann in Ausbreitungsrichtung des Eingangslichtstrahls vor der jeweiligen optischen Faser des Messkanals angeordnet sein.
  • Weiter können die Messkanäle jeweils mindestens einen zweiten Strahlaufteiler aufweisen. Der zweite Strahlaufteiler kann in Ausbreitungsrichtung des Eingangslichtstrahls hinter der jeweiligen optischen Faser des Messkanals angeordnet sein. Der zweite Strahlaufteiler kann eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell zur Beleuchtung von mindestens einem der Retroreflektoren bereitzustellen. Unter „den Eingangslichtstrahl bereitzustellen“ kann ein Beaufschlagen mit dem Eingangslichtstrahl verstanden werden.
  • Die Messkanäle können jeweils mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass die mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden. Beispielsweise können die Messkanäle jeweils ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Die Optik kann mindestens eine Sammellinse oder eine Konkavlinse aufweisen. Bevorzugt kann eine Sammellinse verwendet werden, welche eine annähernd gekippte Planwellenfront am Retroreflektor und gute Effizienz bei der Einkoppelung im Brennpunkt ermöglicht. Jeder Retroreflektor kann einen Teil des auf ihn einfallenden Lichtstrahls zurücksenden.
  • Die Messkanäle sind jeweils eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Unter einem Messsignal kann ein von mindestens einem Retroreflektor reflektiertes Signal verstanden werden, insbesondere ein reflektierter Lichtstrahl. Das Messsignale eines jeden Messkanals kann ein Ausgangslichtstrahl des jeweiligen Messkanals sein. Die LIDAR-Einheit kann mindestens ein Sensorelement aufweisen, welches eingerichtet ist die Messsignale der Messkanäle zu detektieren. Unter „Detektieren der Messsignale der Messkanäle“ kann ein Detektieren der einzelnen Messsignale und/oder ein Detektieren der überlagerten Messsignale der Messkanäle verstanden werden. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist die Messsignale der Messkanäle zu empfangen. Das Sensorelement kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
  • Die LIDAR-Einheit ist eingerichtet für jeden Messkanal mindestens ein LIDAR-Signal zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein einen Referenzlichtstrahl zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit kann mindestens einen Referenzarm aufweisen. Der Referenzlichtstrahl kann ein aktueller Eingangslichtstrahl sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der LIDAR-Einheit dem Sensorelement zugeführt wird. Das Sensorelement kann eingerichtet sein den Referenzlichtstrahl mit den Messsignalen der Messkanäle zu überlagern. Unter einem „LIDAR-Signal“ kann ein Signal der LIDAR-Einheit verstanden werden, welches mindestens eine Information über einen Frequenzunterschied, auch Frequenzdelta genannt, zwischen Referenzlichtstrahl und Messsignal aufweist. Das LIDAR-Signal kann ein Signal sein, in welchem die Messsignale der Messkanäle mit dem Referenzlichtstrahl überlagert sind. Das LIDAR-Signal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzlichtstrahls überlagert mit den Messsignalen sein. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein mindestens ein Messsignal mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Der erste Strahlaufteiler kann eingerichtet sein die Messsignale der drei Messkanäle zu überlagern. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position und Orientierung des Objekts zu bestimmen.
  • Die Vorrichtung weist mindestens eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts zu bestimmen. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von den Messkanälen, insbesondere dem Sensorelement, erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen den Messkanälen, insbesondere dem Sensorelement, und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
  • Die Auswerteeinheit ist eingerichtet aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein ein Frequenzspektrum des LIDAR-Signals, insbesondere dem Schwebungssignal, mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Das Frequenzspektrum kann eine Vielzahl von Maxima aufweisen, sogenannte Peaks. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Peaks des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eingerichtet sein bei einer parallelen Messung in den drei Messkanälen mindestens neun Peaks zu identifizieren. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Peaks jeweils einem Messkanal zu zuordnen. Beispielsweise bei einer parallelen Messung mit drei Messkanälen kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein die neun identifizierten Peaks in 3x3 Gruppen, auch Messkanalgruppen genannt, zuzuordnen. Aus den Informationen über die genaue Verteilung und/oder Anordnung der Peaks in den einzelnen Gruppen kann eine räumliche Position der drei Retroreflektoren bestimmt werden. Aus drei Längen aus unterschiedlichen Richtungen lässt sich ein 3D-Punkt bestimmen. Bei bekannter Anordnung der Retroreflektoren auf dem Objekt kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
  • Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein ein Kalibrierverfahren durchzuführen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein eine Fitfunktion zu kalibrieren. In dem Kalibrierverfahren kann für mindestens einen Retroreflektor mit bekannter räumlicher Position mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein mindestens drei Peaks in dem Frequenzspektrum zu bestimmen und diese mit der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors zu kalibrieren. Diese Fitfunktion kann hierbei beispielsweise für jeden Messkanal ein 3D Polynom sein, wobei die drei (x,y,z)-Koordinaten der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors auf die Frequenzposition in dem jeweiligen Kanal abgebildet werden. Die Fitfunktion kann, da mindestens drei Messkanäle verwendet werden, mindestens drei solcher 3D Polynome aufweisen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein durch numerische Umkehrung dieser Funktion aus den mindestens 3 Messkanalsignalen die drei (x,y,z)-Koordinaten des Retroreflektors mit bekannten 3D-Punktes zurückzurechnen. Diese Umkehrbarkeit ist hierbei dadurch garantiert, dass durch die geometrische Anordnung der Messkanäle keine zwei 3D-Punkt auf die gleichen Frequenzpositionen im Spektrum abgebildet werden können.
  • Beispielsweise kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein das Frequenzspektrum mit einer empirisch oder semi-empirisch bestimmten und/oder bestimmbaren Funktion unter der Annahme einer bekannten Position der Retroreflektoren auf dem Objekt zu fitten und so die 6D-Informationen zu bestimmen. Als Startwert kann eine letzte bekannte Position der Retroreflektoren verwendet werden. Durch mindestens drei Retroreflektoren und mindestens drei Messkanäle können mindestens 9 Peaks im Frequenzspektrum des LIDAR-Signals entstehen, welche durch die einfache Trennung in drei Messkanalgruppen zu mindestens 33=27 sinnvollen 3er-Peak-tuple führen und dadurch 27 mögliche 3D-Positionen, sog. Kandidaten, gefunden werden. Die Auswahl der korrekten oder wirklichen drei 3D-Positionen kann hierbei durch die Berechnung der Abstände, bspw. der euklidschen Abstände, aller 3er-Untermengen der 27 Kandidaten zum letzten gefunden Wert, dem sog. Startwert, erfolgen. Diese 3er-Untermenge mit dem geringsten aufsummierten Abständen zum Startwert kann hierbei einen Vorschlag für die korrekten 3 3D-Punkte darstellen, die die 6D-Information aufweisen. Insbesondere kann bei dieser Auswahl auch die geometrische Anordnung der Marker auf dem Messkopf als Validitätskriterium berücksichtigt werden, sowie die aus der zeitliche Veränderung der 6D-Informationen zu früheren Zeitpunkten, unter Berücksichtigung der erwarteten Trägheit der Bewegung des Messkopfes, ergebenden Vorhersagen der 3D-Punkte.
  • Wie oben ausgeführt, kann eine parallele Messung in den drei Messkanälen erfolgen. Dieses kann dazu führen, dass bei der Überlagerung der Messsignale und des Referenzlichtstrahls, auch Referenzsignal genannt, nicht nur Interferenzen zwischen jeweiligem Messsignal und Referenzsignal entstehen, sondern auch Interferenzen zwischen den einzelnen Messsignalen. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass eine Trennung der Peaks durch Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale von den Peaks durch Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl möglich ist. Beispielsweise kann mindestens ein Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Tiefenabstände der Retroreflektoren auf dem Objekt; Längen-Offset der optischen Fasern; Länge eines Signalanalysezeitfensters; Messvolumentiefe; Abtastfrequenz des A/D-Wandlers, derart gewählt werden, dass eine Trennung der Peaks im Frequenzspektrum möglich ist. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale von den Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl zu trennen. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen Band- und/oder Hochpassfilter aufweisen.
  • In einer ersten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel auf die drei Messkanäle aufzuteilen. Der Eingangslichtstrahl der LIDAR Einheit kann beispielsweise über einen parallelen Multiplexer in die mindestens drei Messkanäle aufgeteilt und in die optischen Fasern, welche durch den individuellen Längen-Offset charakterisiert sind, eingekoppelt werden. Am Faserende kann mindestens ein Spiegel, insbesondere ein Ablenkspiegel, angeordnet sein. Die Messkanäle können jeweils mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass die mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden. Beispielsweise können die Messkanäle jeweils ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Die Optik kann mindestens eine Sammellinse oder eine Konkavlinse aufweisen. Bevorzugt kann eine Sammellinse verwendet werden, welche eine annähernd gekippte Planwellenfront am Retroreflektor und gute Effizienz bei der Einkoppelung im Brennpunkt ermöglicht. Jeder Retroreflektor kann einen Teil des auf ihn einfallenden Lichtstrahls zurücksenden. Die zurückgesendeten Lichtstrahlen können in den Messkanälen zurück durch die Optik, welche somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler, welcher somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen führt, laufen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks aufweist, welche die 6D-Informationen aufweisen. Die Auswerteinheit kann, wie oben ausgeführt, eingerichtet sein das Frequenzspektrum zu fitten und die 6D-Informationen zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein das Frequenzspektrum mit vielen Peaks in die drei Messkanalgruppen aufzuteilen. Ein jeweiliger Retroreflektor kann dabei als Peak in immer einer dieser Messkanalgruppen angeordnet sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein alle möglichen 3D-Positionen, die sich aus diesen Peaks ergeben zu bestimmen. Beispielsweise können drei Peaks in drei Messkanalgruppen 33 = 27 3D-Positionen ergeben. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein mittels eines Startwerts zur Lage der Retroreflektoren, beispielsweise zu einem letzten Messzeitpunkt und einer geometrischen Anordnung der Retroreflektoren, drei „best-fit“ 3D-Punkte für die Retroreflektoren zu bestimmen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein einen Startwert, beispielsweise zu Beginn einer Vermessung eines sehr großen Bauteils, zu bestimmen. Dazu kann eine Eindeutigkeit der Position der Retroreflektoren im 3D-Raum durch Blindstellen aller Retroreflektoren bis auf einen erfolgen und dieses periodisch mit den anderen Retroreflektoren durchgewechselt werden. So kann durch einen Zeitstempel eine eindeutige, gute Startorientierung, d.h. Startwerte für die Bestimmung der 6D-Information (räumliche Position und Orientierung), bestimmt werden. Alternativ kann ebenso ein fest vorgegebenes Volumen im Messbereich dieser Vorrichtung definiert werden, in der eine feste Ausrichtung des Messkopfes mit den zugehörigen Retroreflektoren sehr zuverlässig durch das System wieder gefunden werden kann und somit ein verlorenes Tracker-Signal wieder sehr stabil gefunden werden kann, sobald man sich in dieses Volumen mit der richtigen Ausrichtung des Messkopfs bewegt. Diese erste Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann. Weiter kann ein Wechsel von mindestens einem Retroreflektor auf dem Objekt sehr einfach sein, da keine individuellen Retroreflektoren beleuchtet werden, sondern mit einem aufgeweiteten Strahl mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden.
  • Die Vorrichtung kann eingerichtet sein das Objekt zu tracken. Unter „tracken“ kann eine Nachverfolgung einer Bewegung des Objekts zu verschiedenen Zeitpunkten verstanden werden. Wie oben ausgeführt, kann in der ersten Ausführungsform ein aufgeweiteter Lichtstrahl verwendet werden, derart, dass mindestens drei Retroreflektoren des Objekts gleichzeitig überstrahlt werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein jeweils einen Mittelpunkt der drei Messkanalgruppen im Frequenzspektrum zu bestimmen und aus diesen einen groben 3D-Punkt des Objekts zu bestimmen. Dieser grobe 3D-Punkt kann zum Objekt-Tracken verwendet werden. Das Nachverfolgen des Objekts kann einfach erfolgen, da unter Verwendung des aufgeweiteten Strahls nur eine grobe Positionsbestimmung und Nachverfolgung dieser notwendig ist. Weiter kann durch die parallele Messung das Tracken schnell erfolgen. Eine Trackingfrequenz kann einer Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit entsprechen, beispielsweise 1 bis 10 kHz. Da das Nachverfolgen durch die LIDAR-Signale möglich ist kann auf eine zusätzliche Trackingeinheit verzichtet werden.
  • In einer zweiten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel auf die drei Messkanäle aufzuteilen. Hinsichtlich der zweiten Ausführungsform kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Der Eingangslichtstrahl der LIDAR Einheit kann beispielsweise über einen parallelen Multiplexer in die mindestens drei Messkanäle aufgeteilt und in die optischen Fasern, welche durch den individuellen Längen-Offset charakterisiert sind, eingekoppelt werden. In der zweiten Ausführungsform kann an dem jeweiligen Faserende in jedem Messkanal ein zweiter Strahlaufteiler angeordnet sein, beispielsweise ein sequentieller Multiplexer. Weiter kann jeder Messkanal eine Vielzahl von Spiegeln, insbesondere Ablenkspiegeln, aufweisen. Die Spiegel in einem Messkanal sind jeweils eingerichtet einen von der optischen Faser zu dem Spiegel umgelenkten Lichtstrahl auf genau einen Retroreflektor zu lenken. In einem Messkanal kann somit ein Spiegel einem Retroreflektor zu geordnet sein. Der zweite Strahlaufteiler kann den durch die optische Faser des jeweiligen Messkanals laufenden Lichtstrahl sequentiell auf mindestens drei einstellbare Spiegel umlenken, wobei die Spiegel aller Messkanäle, die einem Retroreflektor zugeordnet sind gleichzeitig, also synchronisiert, angesteuert und/oder eingestellt werden können. So kann ein individueller Retroreflektor über alle Messkanäle gleichzeitig angeleuchtet werden. Der jeweilige Retroreflektor kann einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl kann zurück durch die Optik, die somit zu einer Einkoppeloptik in die Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle führt, laufen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens drei relevante Peaks umfasst, welche die Informationen eines 3D-Punktes umfasst und über mindestens drei verschiedene so bestimmte 3D-Punkte, die 6D-Information umfasst. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft sein, da eine einfache Trennung der Peaks möglich ist und so eine Auswertung vereinfacht wird. Diese zweite Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung eingerichtet sein individuelle Retroreflektoren nachzuverfolgen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein eine eigene Trackingmessung für jeden Messkanal und jeden einzelnen Retroreflektor durchzuführen. Die Trackingfrequenz kann durch die Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit geteilt durch die Anzahl der Messkanäle bestimmt sein, beispielsweise 0.3 bis 10 kHz.
  • In einer dritten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl sequentiell auf die drei Messkanäle aufzuteilen. Hinsichtlich der dritten Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten und zweiten Ausführungsform verwiesen werden. In der dritten Ausführungsform kann die LIDAR-Einheit eingerichtet sein die Messkanäle mit dem Eingangslichtstrahl über einen sequentiellen Multiplexer nacheinander zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser, welche durch den individuellen Längen-Offset charakterisiert sind, einzukoppeln. An dem jeweiligen Faserende kann in jedem Messkanal ein zweiter Strahlaufteiler angeordnet sein, beispielsweise ein sequentieller Multiplexer. Weiter kann jeder Messkanal eine Vielzahl von Spiegeln, insbesondere Ablenkspiegeln, aufweisen. Die Spiegel in einem Messkanal sind jeweils eingerichtet einen von der optischen Faser zu dem Spiegel umgelenkten Lichtstrahl auf genau einen Retroreflektor zu lenken. In einem Messkanal kann somit ein Spiegel einem Retroreflektor zu geordnet sein. Der Eingangslichtstrahl kann am Faserende über den sequentiellen Multiplexer zwischen zwei Kanalschaltungen des ersten sequentiellen Strahlaufteilers auf einen Spiegel umgelenkt werden, so dass ein individueller Retroreflektor angeleuchtet wird. Der jeweilige Retroreflektor kann einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl kann zurück durch die Optik, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle führt, laufen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens einen relevanten Peak umfasst, welcher eine Teilinformation eines 3D-Punktes umfasst. Über mindestens neun verschiedene so bestimmte Teilinformationen kann die 6D-Information bestimmt werden. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft sein, da eine einfache Trennung der Peaks möglich ist und so eine Auswertung vereinfacht wird. Diese dritte Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung eingerichtet sein individuelle Retroreflektoren nachzuverfolgen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein eine eigene Trackingmessung für jeden Messkanal und jeden einzelnen Retroreflektor durchzuführen. Die Trackingfrequenz kann durch die Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit geteilt durch die Anzahl der Messkanäle und die Anzahl der getrackten Retroreflektoren bestimmt sein, beispielsweise 0.1 bis 1 kHz.
  • In einer vierten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel auf die drei Messkanäle aufzuteilen. Hinsichtlich der vierten Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform verwiesen werden. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die Messkanäle mit dem Eingangslichtstrahl über einen parallelen Multiplexer gleichzeitig zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser, welche durch den individuellen Längen-Offset charakterisiert sind, einzukoppeln. An dem jeweiligen Faserende kann in jedem Messkanal ein zweiter Strahlaufteiler angeordnet sein, beispielsweise ein weiterer paralleler Multiplexer. Weiter kann jeder Messkanal eine Vielzahl von Spiegeln, insbesondere Ablenkspiegeln, aufweisen. Die Spiegel in einem Messkanal sind jeweils eingerichtet einen von der optischen Faser zu dem Spiegel umgelenkten Lichtstrahl auf genau einen Retroreflektor zu lenken. In einem Messkanal kann somit ein Spiegel einem Retroreflektor zu geordnet sein. Der Eingangslichtstrahl kann in jedem Messkanal am Faserende über den zweiten Strahlaufteiler parallel auf mindestens drei Spiegel pro Messkanal umgelenkt werden, so dass alle Retroreflektoren gleichzeitig angeleuchtet werden. Der jeweilige Retroreflektor kann einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl kann zurück durch die Optik, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle führt, laufen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks umfasst, aus welchen die 6D-Information bestimmt werden. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft sein, da eine einfache Trennung der Peaks möglich ist und so eine Auswertung vereinfacht wird. Diese vierte Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung eingerichtet sein individuelle Retroreflektoren nachzuverfolgen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein eine eigene Trackingmessung für jeden Messkanal und jeden einzelnen Retroreflektor durchzuführen. Die Trackingfrequenz kann durch die Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit bestimmt sein.
  • In einer fünften Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel auf die drei Messkanäle aufzuteilen. Hinsichtlich der fünften Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform verwiesen werden. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die Messkanäle mit dem Eingangslichtstrahl über einen parallelen Multiplexer gleichzeitig zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser, welche durch den individuellen Längen-Offset charakterisiert sind, einzukoppeln. Weiter kann jeder Messkanal mindestens einen Spiegel, insbesondere einen Ablenkspiegel, aufweisen, welcher in dieser Ausführungsform scannend betrieben werden kann. Unter „scannend betreiben“ kann verstanden werden, dass eine Spiegelorientierung kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich verändert wird. Der Spiegel kann derart eingestellt werden, dass der Spiegel verschiedene Winkelpositionen einnimmt. Die Messkanäle können jeweils die mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist, dass ein Lichtstrahl durch einen Laserlinien- oder Laserrasterscan zeitlich einen Raumwinkel überstreicht und/oder auf mindestens einen der Retroreflektoren jeweils nachverfolgend zu fokussieren. Die Messkanäle können jeweils die mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl in eine Laserlinie aufzuweiten, so dass während eines scannenden Betriebs des Spiegels, also während eines Bewegungsablaufs der Laserlinie des Eingangslichtstrahls, einem sogenannten Laserlinienscans, ein Raumwinkelbereich mit der Laserlinie überstrichen wird, in dem sich mindestens drei Retroreflektoren befinden, bspw. durch Linear- oder Rotationsbewegung der Laserlinie. Beispielsweise können die Messkanäle jeweils ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Die Optik kann mindestens eine Sammellinse oder eine Konkavlinse aufweisen. Bevorzugt kann eine Sammellinse verwendet werden. Alle zu einem Zeitpunkt überstrichenen Retroreflektoren können einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl kann zurück durch die Optik, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle führt. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen zeitlich über einen Laserlinienscan aufintegriertes Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks umfasst, aus welchen die 6D-Information bestimmt werden. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese fünfte Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann. Weiter kann ein Wechsel von mindestens einem Retroreflektor auf dem Objekt sehr einfach sein, da keine individuellen Retroreflektoren beleuchtet werden, sondern bei einem Überstreichen des Raumwinkelbereichs mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung eingerichtet sein das Objekt zu tracken. Wie oben ausgeführt, kann in der fünften Ausführungsform ein aufgeweiteter Lichtstrahl verwendet werden, derart, dass mindestens drei Retroreflektoren des Objekts beim Überstreichen des Raumwinkelbereichs mit der Laserlinie überstrahlt werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein jeweils einen Mittelpunkt der drei Messkanalgruppen im Frequenzspektrum zu bestimmen und aus diesen einen groben 3D-Punkt des Objekts zu bestimmen. Dieser grobe 3D-Punkt kann zum Objekt-Tracken verwendet werden. Das Tracken des Objekts kann einfach erfolgen, da unter Verwendung des aufgeweiteten Strahls nur eine grobe Positionsbestimmung und Nachverfolgung dieser notwendig ist. Weiter kann durch die parallele Messung das Tracken schnell erfolgen. Die Trackingfrequenz kann der Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit entsprechen, beispielsweise 1 bis 10 kHz, insbesondere legt die Dauer der Überstreichung des Raumwinkelbereichs mit der Laserlinie die Trackingfrequenz zusätzlich fest. Da das Tracken durch die LIDAR-Signale möglich ist kann auf eine zusätzliche Trackingeinheit verzichtet werden.
  • In einer sechsten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl parallel auf die drei Messkanäle aufzuteilen. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die Messkanäle mit dem Eingangslichtstrahl über einen parallelen Multiplexer gleichzeitig zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser, welche durch den individuellen Längen-Offset charakterisiert sind, einzukoppeln. Weiter kann jeder Messkanal mindestens einen Spiegel, insbesondere einen Ablenkspiegel, aufweisen, welcher in dieser Ausführungsform scannend betrieben werden kann. Der Spiegel kann derart eingestellt werden, dass der Spiegel verschiedene Winkelpositionen einnimmt. Die Messkanäle können jeweils mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen gegebenen Raumwinkel zu strahlen, so dass während eines scannenden Betriebs des Spiegels, also während eines Bewegungsablaufs des Laserstrahls, bei welchem eine oder mehrere, zusammenhängende oder unzusammenhängende, Raumwinkelregionen Zeilen- oder Spaltenweise abgerastert werden, ein sogenannter Laserrasterscan, mindestens drei Retroreflektoren überstrichen werden. Beispielsweise können die Messkanäle jeweils ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Die Optik kann mindestens eine Sammellinse oder eine Konkavlinse aufweisen. Bevorzugt kann eine Sammellinse verwendet werden. Alle zu einem Zeitpunkt überstrichenen Retroreflektoren können einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl kann zurück durch die Optik, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle führt. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen zeitlich über einen Laserrasterscan aufintegriertes Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks umfasst, aus welchen die 6D-Information bestimmt werden. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann. Weiter kann ein Wechsel von mindestens einem Retroreflektor auf dem Objekt sehr einfach sein, da keine individuellen Retroreflektoren beleuchtet werden, sondern bei einem Überstreichen des Raumwinkelbereichs mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung eingerichtet sein das Objekt zu tracken. Wie oben ausgeführt, kann in der fünften Ausführungsform ein Lichtstrahl verwendet werden, derart, dass mindestens drei Retroreflektoren des Objekts beim Überstreichen des Raumwinkelbereichs mit dem Lichtstrahl überstrahlt werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein jeweils einen Mittelpunkt der drei Messkanalgruppen im Frequenzspektrum zu bestimmen und aus diesen einen groben 3D-Punkt des Objekts zu bestimmen. Dieser grobe 3D-Punkt kann zum Objekt-Tracken verwendet werden. Das Tracken des Objekts kann einfach erfolgen, da unter Verwendung des aufgeweiteten Strahls nur eine grobe Positionsbestimmung und Nachverfolgung dieser notwendig ist. Weiter kann durch die parallele Messung das Tracken schnell erfolgen. Die Trackingfrequenz kann der Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit entsprechen, beispielsweise 1 bis 10 kHz, insbesondere legt die Dauer der Überstreichung des Raumwinkelbereichs mit dem Laserstrahl die Trackingfrequenz zusätzlich fest. Da das Tracken durch die LIDAR-Signale möglich ist kann auf eine zusätzliche Trackingeinheit verzichtet werden.
  • Auch Ausführungsformen ohne einen Längenoffset sind denkbar. Beispielsweise kann die Vorrichtung für jeden Messkanal mindestens ein Sensorelement aufweisen, wobei das Sensorelement des jeweiligen Messkanals unabhängig von den Sensorelementen der anderen Messkanäle ist. Unter „unabhängig“ kann hierbei verstanden werden, dass das Sensorelement nur Ausgangssignale seines Messkanals detektiert, jedoch nicht die der anderen Messkanäle. Beispielsweise kann der erste Messkanal ein erstes Sensorelement, der zweite Messkanal ein zweites Sensorelement und der dritte Messkanal ein drittes Sensorelement aufweisen. Das erste Sensorelement kann eingerichtet sein die Ausgangssignale des ersten Messkanals zu detektieren. Das zweite Sensorelement kann eingerichtet sein die Ausgangssignale des zweiten Messkanals zu detektieren. Das dritte Sensorelement kann eingerichtet sein die Ausgangssignale des dritten Messkanals zu detektieren. Ein Eingangslichtstrahl der Beleuchtungsvorrichtung kann über einen Strahlaufteiler, beispielsweise den ersten Strahlaufteiler, insbesondere einen parallelen Multiplexer, in die mindestens drei Messkanäle in optische Fasern getrennt werden. Am Faserende kann mindestens ein Ablenkspiegel mit verstellbaren Auslenkwinkel angeordnet sein, welcher durch eine Optik, insbesondere eine Zoomoptik, umfassend das mindestens eine erste optische Element und/oder die mindestens eine Optik den Eingangslichtstrahl in einen Raumwinkel aufweitet, so dass mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden. Jeder der Retroreflektoren kann mindestens einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Die reflektierten Lichtstrahlen können rückwärts die Optik durchlaufen, welche zu einer Einkoppeloptik in die jeweilige Faser wird. Jeder der Messkanäle kann mindestens einen weiteren Strahlaufteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist die reflektierten Lichtstrahlen des Messkanals auf das mindestens eine Sensorelement des Messkanals zu führen. Der erste Strahlaufteiler kann eingerichtet sein für jeden Messkanal einen Eingangslichtstrahl auf das Sensorelement des jeweiligen Messkanals zu leiten. In der LIDAR-Einheit kann der Eingangslichtstrahl der drei Messkanäle mit einem aktuellen Ausgangssignal des jeweiligen Messkanals auf dem jeweiligen Sensorelement interferieren. Es kann für jeden der drei Messkanäle ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum eine Mehrzahl von Peaks aufweist. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein das Frequenzspektrum für jeden Messkanal zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein ein Frequenzspektrum des LIDAR-Signals, insbesondere dem Schwebungssignal, mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Die Messkanäle können jeweils einem Sensorelement zugeordnet sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Peaks des jeweiligen Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein durch Auswerten der Peakverteilung und/oder Anordnung der Peaks eine räumliche Position der drei Retroreflektoren zu bestimmen. Bei bekannter Anordnung der Retroreflektoren auf dem Objekt kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts mit mindestens drei Retroreflektoren vorgeschlagen. In dem Verfahren wird eine Vorrichtung mit mindestens einer LIDAR-Einheit mit mindestens drei Messkanälen nach einem der vorhergehenden oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen verwendet. In dem Verfahren wird mindestens ein frequenzmodulierter Eingangslichtstrahl mit einer Beleuchtungsvorrichtung der LIDAR-Einheit erzeugt. Der Eingangslichtstrahl wird parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle mit mindestens einem ersten Strahlaufteiler aufgeteilt. Jeweils mindestens ein Messsignal wird von den Messkanälen erzeugt. Mindestens ein LIDAR-Signal wird mit der LIDAR-Einheit für die Messsignale erzeugt. Mit mindestens einer Auswerteeinheit wird aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts bestimmt.
  • Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Das Verfahren kann insbesondere mindestens ein Tracking-Verfahren aufweisen, bei welchem die Verfahrensschritte zumindest teilweise wiederholt durchgeführt werden. Unter zumindest teilweise wiederholen kann verstanden werden, dass in dem Trackingverfahren nicht alle Verfahrensschritte des Verfahrens vollständig wiederholt werden und/oder einzelne Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden, wohingegen andere Verfahrensschritte nicht wiederholt durchgeführt werden. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
  • Das Verfahren kann ein Kalibrierverfahren aufweisen. In dem Kalibrierverfahren kann für mindestens einen Retroreflektor mit bekannter räumlicher Position mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt werden. In dem Kalibrierverfahren können mindestens drei Peaks in dem Frequenzspektrum bestimmt werden und mit der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors kalibriert werden.
  • Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
    • Ausführungsform 1: Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts mit mindestens drei Retroreflektoren, wobei die Vorrichtung mindestens eine LIDAR-Einheit mit mindestens drei Messkanälen aufweist, wobei die LIDAR-Einheit mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen, wobei die LIDAR-Einheit mindestens einen ersten Strahlaufteiler aufweist, wobei der erste Strahlaufteiler eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle aufzuteilen, wobei die Messkanäle jeweils eingerichtet sind mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die LIDAR-Einheit eingerichtet ist für die Messsignale mindestens ein LIDAR-Signal zu erzeugen, wobei die Vorrichtung mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, welche eingerichtet ist aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts zu bestimmen.
    • Ausführungsform 2: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die LIDAR-Einheit eingerichtet ist die Messkanäle parallel und/oder sequenziell zu betreiben.
    • Ausführungsform 3: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle zumindest teilweise räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgestaltet sind.
    • Ausführungsform 4: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine Lichtquelle aufweist.
    • Ausführungsform 5: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweist.
    • Ausführungsform 6: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle jeweils mindestens einen statischen oder einstellbaren Spiegel aufweisen.
    • Ausführungsform 7: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle jeweils mindestens eine optische Faser aufweisen
    • Ausführungsform 8: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die optischen Fasern jeweils einen Längen-Offset aufweisen.
    • Ausführungsform 9: Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle jeweils mindestens ein erstes optisches Element aufweisen, wobei das erste optische Element eingerichtet ist den durch die jeweilige optische Faser laufenden Eingangslichtstrahl aus der optischen Faser auszukoppeln und einen von mindestens einem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahl in die jeweilige optische Faser einzukoppeln.
    • Ausführungsform 10: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vorrichtung für jeden Messkanal mindestens ein Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement des jeweiligen Messkanals unabhängig von den Sensorelementen der anderen Messkanäle ist.
    • Ausführungsform 11: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle jeweils mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass die mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden.
    • Ausführungsform 12: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle jeweils die mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist, dass ein Lichtstrahl durch einen Laserlinien- oder Laserrasterscan zeitlich einen Raumwinkel überstreicht und/oder auf mindestens einen der Retroreflektoren jeweils nachverfolgend zu fokussieren.
    • Ausführungsform 13: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die LIDAR-Einheit eingerichtet ist mindestens ein Messsignal mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen.
    • Ausführungsform 14: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der erste Strahlaufteiler eingerichtet ist die Messsignale der drei Messkanäle zu überlagern, wobei die LIDAR-Einheit eingerichtet ist die überlagerten Messsignale mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen.
    • Ausführungsform 15: Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die LIDAR-Einheit eingerichtet ist in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position und Orientierung des Objekts zu bestimmen.
    • Ausführungsform 16: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messkanäle jeweils mindestens einen zweiten Strahlaufteiler aufweisen, wobei der zweite Strahlaufteiler in Ausbreitungsrichtung des Eingangslichtstrahl hinter der jeweiligen optischen Faser des Messkanals angeordnet ist, wobei der zweite Strahlaufteiler eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell zur Beleuchtung von mindestens einem der Retroreflektoren bereitzustellen.
    • Ausführungsform 17: Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts mit mindestens drei Retroreflektoren, wobei eine Vorrichtung mit mindestens einer LIDAR-Einheit mit mindestens drei Messkanälen nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei mindestens ein frequenzmodulierter Eingangslichtstrahl mit einer Beleuchtungsvorrichtung der LIDAR-Einheit erzeugt wird, wobei der Eingangslichtstrahl parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle mit mindestens einem ersten Strahlaufteiler aufgeteilt wird, wobei jeweils mindestens ein Messsignal von den Messkanälen erzeugt wird, wobei mindestens ein LIDAR-Signal mit der LIDAR-Einheit für die Messsignale erzeugt wird, wobei mit mindestens einer Auswerteeinheit aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts bestimmt wird.
    • Ausführungsform 18: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren ein Kalibrierverfahren aufweist, wobei in dem Kalibrierverfahren für mindestens einen Retroreflektor mit bekannter räumlicher Position mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt wird, wobei mindestens drei Peaks in dem Frequenzspektrum bestimmt werden und mit der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors kalibriert werden.
  • Figurenliste
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
  • Im Einzelnen zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 2A bis 2C die Intensität I als Funktion der Zeit t für ein exemplarisches Schwebungssignal, ein zugehöriges Frequenzspektrum des Schwebungssignal und ein bereinigtes Frequenzspektrum;
    • 3 ein Beispiel eines Kalibrationsverfahrens;
    • 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 7 eine schematische Darstellung eines fünften und sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
    • 9A bis C beispielhafte Messsignale auf Sensorelementen.
  • Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts 112 mit mindestens drei Retroreflektoren 114. Das Objekt 112 kann beispielsweise ein Messkopf eines Sensors sein oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Beispielsweise kann der Retroreflektor 114 ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor 114 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge, Kugellinsen mit Reflektionsschicht, einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, einem Würfelprisma, einem cornercube. Die Retroreflektoren 114 können fest und/oder auswechselbar auf dem Objekt 112 angeordnet sein. Eine Position der Retroreflektoren 114 auf dem Objekt 112 kann bekannt sein. Das Objekt 112 kann eine Vielzahl von Retroflektoren 114 aufweisen, insbesondere mehr als drei Retroreflektoren 114, beispielsweise vier, fünf, sechs oder mehr Retroreflektoren 114.
  • Die Vorrichtung 110 weist mindestens eine LIDAR-Einheit 116 mit mindestens drei Messkanälen 118 auf. Die Messkanäle 118 können identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Die LIDAR-Einheit 116 kann eine Vielzahl Messkanälen 118 aufweisen, beispielsweise vier, fünf oder mehr Messkanäle. Die Messkanäle 118 können zumindest teilweise räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgestaltet sein. In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung drei Messkanäle 118 auf, nämlich einen ersten Messkanal 120, einen zweiten Messkanal 122 und einen dritten Messkanal 124.
  • Die LIDAR-Einheit 116 weist mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 126 auf, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl 128 zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Eingangslichtstrahls 128 linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit 116 wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein.
  • Die Beleuchtungsvorrichtung 126 kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 126 kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 126 kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode.
  • Die LIDAR-Einheit 116 weist mindestens einen ersten Strahlaufteiler 130 auf. Der erste Strahlaufteiler 130 ist eingerichtet den Eingangslichtstrahl 128 parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle 118 aufzuteilen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die LIDAR-Einheit 116 eingerichtet sein die Messkanäle 118 parallel zu betreiben. Bei parallelem Betreiben kann eine Messung von mehreren Distanzen gleichzeitig ermöglicht werden. Der erste Strahlaufteiler 130 kann mindestens einen Multiplexer aufweisen. Der erste Strahlaufteiler 130 kann in Ausbreitungsrichtung des Eingangslichtstrahls 128 vor der jeweiligen optischen Faser 132 des Messkanals 118 angeordnet sein.
  • Die Messkanäle 118 können jeweils mindestens eine optische Faser 132 aufweisen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser. Die optischen Fasern 132 können bevorzugt eine unterschiedliche Länge aufweisen. Dieses kann eine Trennung der jeweiligen Messkanäle in einem weiter unten beschriebenen Frequenzspektrum ermöglichen. Die optischen Fasern 132 können jeweils einen Längen-Offset 134 aufweisen. Der Längen-Offset 134 der optischen Fasern 132 kann derart sein, dass jeweilige Frequenzspektren der Messkanäle 118 in einem Frequenzspektrum identifizierbar und/oder trennbar sind.
  • Die Messkanäle 118 können jeweils mindestens ein erstes optisches Element 136 aufweisen. Das erste optische Element 136 kann eingerichtet sein den durch die jeweilige optische Faser 132 laufenden Eingangslichtstrahl 128 aus der optischen Faser 132 auszukoppeln und einen von mindestens einem Retroreflektor 114 reflektierten Lichtstrahl 138 in die jeweilige optische Faser 132 einzukoppeln. Die optischen Fasern 132 können einen Faseranfang 140 und ein Faserende 142 aufweisen, wobei mindestens ein Anteil des Eingangslichtstrahls 128 von dem Faseranfang 140 zu dem Faserende 142 durch die jeweilige optische Faser 132 läuft. Das erste optische Element 136 kann an dem Faserende 142 angeordnet sein. Das optische Element 136 kann eine Auskoppeloptik umfassen. Das optische Element 136 kann eine Einkoppeloptik umfassen. Die Auskoppeloptik und die Einkoppeloptik können identisch sein.
  • Die Messkanäle 118 können jeweils mindestens einen statischen oder einstellbaren Spiegel 144 aufweisen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 110 mindestens eine Steuerung aufweisen, welche eingerichtet ist den Spiegel 144 an zu steuern und in eine beliebige Winkelstellung einzustellen.
  • Die Messkanäle 118 sind jeweils eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit 116 kann mindestens ein Sensorelement 146 aufweisen, welches eingerichtet ist die Messsignale der Messkanäle118 zu detektieren. Das Sensorelement kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
  • Die LIDAR-Einheit 116 ist eingerichtet für jeden Messkanal 118 mindestens ein LIDAR-Signal zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein einen Referenzlichtstrahl zu erzeugen. Die LIDAR-Einheit 116 kann mindestens einen Referenzarm aufweisen. Der Referenzlichtstrahl kann ein aktueller Eingangslichtstrahl 128 sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der LIDAR-Einheit 116 dem Sensorelement 146 zugeführt wird. Das Sensorelement 146 kann eingerichtet sein den Referenzlichtstrahl mit den Messsignalen der Messkanäle 118 zu überlagern. Das LIDAR-Signal kann ein Signal sein, in welchem die Messsignale der Messkanäle 118 mit dem Referenzlichtstrahl überlagert sind. Das LIDAR-Signal kann ein Schwebungssignal sein. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein mindestens ein Messsignal mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Der erste Strahlaufteiler 130 kann eingerichtet sein die Messsignale, insbesondere Ausgangslichtstrahlen, der drei Messkanäle 118 zu überlagern. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor 114 mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position und Orientierung des Objekts 112 zu bestimmen.
  • Die Vorrichtung 110 weist mindestens eine Auswerteeinheit 148 auf, welche eingerichtet ist aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts 112 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 148 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement 146 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 148 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit 148 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit 148 kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
  • Die Auswerteeinheit 148 ist eingerichtet aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts 112 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein ein Frequenzspektrum des LIDAR-Signals, insbesondere dem Schwebungssignal, mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Das Frequenzspektrum kann eine Vielzahl von Maxima aufweisen, sogenannte Peaks. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein die Peaks des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Auswerteeinheit 148 kann beispielsweise eingerichtet sein bei einer parallelen Messung in den drei Messkanälen mindestens neun Peaks zu identifizieren. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein die Peaks jeweils einem Messkanal zu zuordnen. Beispielsweise bei einer parallelen Messung mit drei Messkanälen kann die Auswerteeinheit 148 eingerichtet sein die neun identifizierten Peaks in 3x3 Gruppen, auch Messkanalgruppen genannt, zuzuordnen. Aus den Informationen über die genaue Verteilung und/oder Anordnung der Peaks in den einzelnen Gruppen kann eine räumliche Position der drei Retroreflektoren bestimmt werden. Aus drei Längen aus unterschiedlichen Richtungen lässt sich ein 3D-Punkt bestimmen. Bei bekannter Anordnung der Retroreflektoren auf dem Objekt 112 kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
  • Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein ein Kalibrierverfahren durchzuführen. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein eine Fitfunktion zu kalibrieren. In dem Kalibrierverfahren kann für mindestens einen Retroreflektor 114 mit bekannter räumlicher Position mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt werden. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein mindestens drei Peaks in dem Frequenzspektrum zu bestimmen und diese mit der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors 114 zu kalibrieren. Diese Fitfunktion kann hierbei beispielsweise für jeden Messkanal 118 ein 3D Polynom aufweisen, wobei die drei (x,y,z)-Koordinaten des bekannten 3D-Punktes auf die Frequenzposition in dem jeweiligen Kanal abgebildet werden. Die Fitfunktion kann, da mindestens drei Messkanäle 118 verwendet werden, mindestens drei solcher 3D Polynome aufweisen. Durch die numerische Umkehrung dieser Funktion kann den mindestens 3 Messkanalsignalen die drei (x,y,z)-Koordinaten des bekannten 3D-Punktes zurückgerechnet werden. Diese Umkehrbarkeit ist hierbei dadurch garantiert, dass durch die geometrische Anordnung der Messkanäle keine zwei 3D-Punkt auf die gleichen Frequenzpositionen im Spektrum abgebildet werden können.
  • Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 148 eingerichtet sein das Frequenzspektrum mit einer empirisch oder semi-empirisch bestimmten und/oder bestimmbaren Funktion unter der Annahme einer bekannten Position der Retroreflektoren auf dem Objekt zu fitten und so die 6D-Informationen zu bestimmen. Als Startwert kann eine letzte bekannte Position der Retroreflektoren verwendet werden. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass durch mindestens drei Retroreflektoren 114 und mindestens drei Messkanäle 118 mindestens 9 Peaks im Frequenzspektrum des LIDAR-Signals entstehen, welche durch die einfache Trennung in die drei Messkanalgruppen 168 zu mindestens 33=27 sinnvollen 3er-Peak-tuple führen und dadurch 27 mögliche 3D-Positionen, sog. Kandidaten, gefunden werden. Die Auswahl der korrekten 3 3D-Positionen kann hierbei durch die Berechnung der Abstände, bspw. der euklidschen Abstände, aller 3er-Untermengen der 27 Kandidaten zum letzten gefunden Wert, dem sog. Startwert, erfolgen. Diese 3er-Untermenge mit dem geringsten aufsummierten Abständen zum Startwert kann hierbei den Vorschlag für die korrekten 3 3D-Punkte darstellen, die die 6D-Information enthalten. Insbesondere kann bei dieser Auswahl auch die geometrische Anordnung der Marker auf dem Messkopf als Validitätskriterium berücksichtigt werden, sowie die aus der zeitliche Veränderung der 6D-Informationen zu früheren Zeitpunkten, unter Berücksichtigung der erwarteten Trägheit der Bewegung des Messkopfes, ergebenden Vorhersagen der 3D-Punkte.
  • Wie oben ausgeführt kann in der in 1 gezeigten Ausführungsform der erste Strahlaufteiler 130 eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 parallel auf die drei Messkanäle 118 aufzuteilen. Der Eingangslichtstrahl 128 der LIDAR Einheit 116 kann beispielsweise über einen parallelen Multiplexer in die mindestens drei Messkanäle 118 aufgeteilt und in die optischen Fasern 132 eingekoppelt werden. Am Faserende 142 kann der mindestens eine Spiegel 144, insbesondere ein Ablenkspiegel, angeordnet sein. Die Messkanäle können jeweils mindestens eine Optik 150 aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass die mindestens drei Retroreflektoren 114 überstrahlt werden. Beispielsweise können die Messkanäle 118 jeweils ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Die Optik 150 kann mindestens eine Sammellinse oder eine Konkavlinse aufweisen. Bevorzugt kann eine Sammellinse verwendet werden, welche eine annähernd gekippte Planwellenfront am Retroreflektor 114 und gute Effizienz bei der Einkoppelung im Brennpunkt ermöglicht. Jeder Retroreflektor 114 kann einen Teil des auf ihn einfallenden Lichtstrahls zurücksenden. Die reflektierten Lichtstrahlen 138 können in den Messkanälen 118 zurück durch die Optik 150, welche somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler 130, welcher somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Lichtstrahlen 138 führt, laufen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen 152 mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks aufweist, welche die 6D-Informationen aufweisen. Ein Frequenzspektrum 153 wird 1 exemplarisch dargestellt.
  • 2A zeigt die Intensität I als Funktion der Zeit t für ein exemplarisches Schwebungssignal. 2B zeigt das zugehörige Frequenzspektrum des Schwebungssignal, insbesondere den Absolut-Betrag der Fouriertransformierten Intensität abs(Ifft) als Funktion der Frequenz f. Bei einer parallelen Messung in den drei Messkanälen 118 können bei der Überlagerung der Messsignale und des Referenzsignals nicht nur Interferenzen zwischen jeweiligem Messsignal und Referenzsignal entstehen, sondern auch Interferenzen zwischen den einzelnen Messsignalen. 2B zeigt, dass sich die Peaks durch Interferenzen der Messsignale in einem Bereich 154 des Frequenzspektrums befinden. Durch geeignete Wahl von Auslegeparametern lassen sich somit die Interferenzen durch die Überlagerung der Messsignale von denen Interferenzen durch Überlagerung der Messsignale mit dem Referenzsignal im Frequenzspektrum voneinander trennen. Beispielsweise kann mindestens ein Parameter, auch Auslegeparameter genannt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Tiefenabstände der Retroreflektoren auf dem Objekt; Längen-Offset der optischen Fasern; Länge eines Signalanalysezeitfensters; Messvolumentiefe; Abtastfrequenz des A/D-Wandlers, derart gewählt werden, dass eine Trennung der Peaks im Frequenzspektrum möglich ist. Die Position der Interferenzen im Frequenzspektrum der einzelnen Messsignale direkt miteinander hängen von Tiefenabständen der Retroreflektoren 114 auf dem Objekt 112 und dem Längen-Offset der optischen Fasern 132 ab. Ein Abstand 156 im Frequenzspektrum von der Position der Interferenzen der einzelnen Messsignale direkt miteinander zu einer Position der Interferenzen der Messsignale mit dem Referenzsignal kann von der Messvolumentiefe und dem jeweiligen Längen-Offset der optischen Fasern 132 abhängen. Beispielsweise kann ein Mindestoffset derart gewählt werden, dass bei kürzester Distanz zum Sensorelement 146 keine Kollision mit Messstrahlinterferenzen stattfindet. Beispielsweise kann ein Mindestoffset 5m sein. Weiter kann eine Feinheit oder Auflösung, in 2B mit Pfeilen 158 dargestellt, des Frequenzspektrums von einer Länge eines Signalanalysefensters abhängen. Beispielsweise kann die Länge des Signalanalysezeitfensters 1/1 kHz betragen. Weiter kann ein Abstand 160 zwischen den Peaks der Interferenzen der Messsignale mit dem Referenzsignal zwischen den einzelnen Messkanalgruppen von dem Längen-Offset der optischen Fasern 132 abhängen. Weiter kann eine Breite 162 der Messkanalgruppen durch Weglängendifferenzen der verschiedenen Retroreflektoren 114 in einem Messkanal 118 festgelegt sein. Die Peakpositionen in den Messkanalgruppen werden durch das Frequenzdelta zwischen Referenzlichtstrahl und Messsignal festgelegt. Eine Länge 164 des betrachtbaren Frequenzspektrums kann definiert sein durch die Abtastfrequenz des AD-Wandlers, bspw. 2GHz . Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass eine Trennung der Peaks durch Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale von den Peaks durch Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl möglich ist. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale von den Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl zu trennen. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen Band- und/oder Hochpassfilter aufweisen.
  • 2C zeigt ein um die Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messsignal untereinander bereinigtes Frequenzspektrum. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein das Objekt 112 zu tracken. Wie oben ausgeführt, kann in der in 1 gezeigten Ausführungsform ein aufgeweiteter Lichtstrahl verwendet werden, derart, dass mindestens drei Retroreflektoren 114 des Objekts 112 gleichzeitig überstrahlt werden. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein jeweils einen Mittelpunkt 166 der drei Messkanalgruppen im Frequenzspektrum zu bestimmen und aus diesen einen groben 3D-Punkt des Objekts 112 zu bestimmen. Dieser grobe 3D-Punkt kann zum Objekt-Tracken verwendet werden. Das Nachverfolgen des Objekts 112 kann einfach erfolgen, da unter Verwendung des aufgeweiteten Strahls nur eine grobe Positionsbestimmung und Nachverfolgung dieser notwendig ist. Weiter kann durch die parallele Messung das Tracken schnell erfolgen. Eine Trackingfrequenz kann einer Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit 116 entsprechen, beispielsweise 1 bis 10 kHz. Da das Nachverfolgen durch die LIDAR-Signale möglich ist kann auf eine zusätzliche Trackingeinheit verzichtet werden.
  • Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein ein Kalibrierverfahren zum Tracken des Objekts 112 durchzuführen. In dem Kalibrierverfahren zum Tracken des Objekts 112 können Winkelstellungen der drei Spiegel 144 für mindestens einen Abstand von der LIDAR-Einheit 116 zu dem Objekt 112 bestimmt werden, welche es ermöglichen, dass ein vorgegebenes Volumen des Objekts 112 mit dem aufgeweiteten Eingangslichtstrahl 128 überdeckt werden kann. Während des Nachverfolgens des Objekts 112 kann die Vorrichtung 110 auf diese bestimmte Spiegelwinkelstellungen regeln.
  • 2C zeigt weiter die drei identifizierten Messkanalgruppen 168, welche jeweils drei Sub-Peaks aufweisen, welche jeweils einem Retroreflektor 114 zugeordnet werden können. Die Information über die genaue Verteilung und/oder Anordnung der Sub-Peaks in den drei Messkanalgruppen 168 definiert die genaue Position von drei 3D-Punkten, und daher die komplette 6D-Information. Die Auswerteinheit 148 kann eingerichtet sein das Frequenzspektrum zu fitten und die 6D-Informationen zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein das Frequenzspektrum mit vielen Peaks in die drei Messkanalgruppen 168 aufzuteilen. Ein jeweiliger Retroreflektor kann dabei als Peak in immer einer dieser Messkanalgruppen 168 angeordnet sein. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein alle möglichen 3D-Positionen, die sich aus diesen Peaks ergeben zu bestimmen. Beispielsweise können drei Peaks in drei Messkanalgruppen 33 = 27 3D-Positionen ergeben. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein mittels eines Startwerts zur Lage der Retroreflektoren 114, beispielsweise zu einem letzten Messzeitpunkt und einer geometrischen Anordnung der Retroreflektoren 114, drei „best-fit“ 3D-Punkte für die Retroreflektoren 114 zu bestimmen.
  • Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein ein Startwert, beispielsweise zu Beginn einer Vermessung eines sehr großen Bauteils, zu bestimmen. 3 zeigt ein Beispiel für ein derartiges Kalibrationsverfahren. Dazu kann eine Eindeutigkeit der Position der Retroreflektoren 114 im 3D-Raum durch Blindstellen aller Retroreflektoren 114 bis auf einen erfolgen und dieses periodisch mit den anderen Retroreflektoren durchgewechselt werden. Aus drei Längen aus unterschiedlichen Richtungen kann ein 3D-Punkt bestimmt werden. Die Peaks im Frequenzspektrum können beispielsweise polynomial oder mit einer anderen Fitfunktion gefittet werden. Ein Frequenzspektrum 153 wird 3 exemplarisch dargestellt. So kann durch einen Zeitstempel eine eindeutige, gute Startorientierung, d.h. Startwerte für die Bestimmung der 6D-Information, bestimmt werden.
  • Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die Messkanäle 118 parallel und/oder sequenziell zu betreiben. 4 bis 7 zeigen weitere Beispiele für ein paralleles und/oder sequenzielles Betreiben der Messkanäle.
  • 4 zeigt eine zweite Ausführungsform. Hinsichtlich der zweiten Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform in den 1 bis 3 verwiesen werden. Wie in der ersten Ausführungsform kann in der zweiten Ausführungsform der erste Strahlaufteiler 130 eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 parallel auf die drei Messkanäle 118 aufzuteilen. Der Eingangslichtstrahl 128 der LIDAR-Einheit 116 kann beispielsweise über einen parallelen Multiplexer in die mindestens drei Messkanäle 118 aufgeteilt und in die optischen Fasern, welche durch den individuellen Längen-Offset 134 charakterisiert sind, eingekoppelt werden. In der in 4 gezeigten Ausführungsform können die Messkanäle 118 jeweils mindestens einen zweiten Strahlaufteiler 170 aufweisen. Der zweite Strahlaufteiler 170 kann in Ausbreitungsrichtung des Eingangslichtstrahls 128 hinter der jeweiligen optischen Faser 132 des Messkanals 118 angeordnet sein. Der zweite Strahlaufteiler 170 kann eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 parallel und/oder sequenziell zur Beleuchtung von mindestens einem der Retroreflektoren 114 bereitzustellen. In der in 4 gezeigten Ausführungsform kann an dem jeweiligen Faserende 142 in jedem Messkanal 118 ein zweiter Strahlaufteiler 170 angeordnet sein, beispielsweise ein sequentieller Multiplexer. Weiter kann jeder Messkanal 118 eine Vielzahl von Spiegeln 144, insbesondere Ablenkspiegeln, aufweisen. Die Spiegel 144 in einem Messkanal 118 sind jeweils eingerichtet einen von der optischen Faser 132 zu dem Spiegel 144 umgelenkten Lichtstrahl auf genau einen Retroreflektor 114 zu lenken. In einem Messkanal 118 kann somit ein Spiegel 144 einem Retroreflektor 114 zu geordnet sein. Der zweite Strahlaufteiler 170 kann den durch die optische Faser 132 des jeweiligen Messkanals 118 laufenden Lichtstrahl sequentiell auf mindestens drei einstellbare Spiegel 144 umlenken, wobei die Spiegel 144 aller Messkanäle 118, die einem Retroreflektor 114 zugeordnet sind gleichzeitig, also synchronisiert, angesteuert und/oder eingestellt werden können. So kann ein individueller Retroreflektor 114 über alle Messkanäle 118 gleichzeitig angeleuchtet werden. Der jeweilige Retroreflektor 114 kann einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl 138 kann zurück durch die Optik 150, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler 130, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle 118 führt, laufen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl 128, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens drei relevante Peaks umfasst, welche die Informationen eines 3D-Punktes umfasst und über mindestens drei verschiedene so bestimmte 3D-Punkte, die 6D-Information umfasst. Ein Frequenzspektrum 153 wird in 4 exemplarisch dargestellt. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft sein, da eine einfache Trennung der Peaks möglich ist und so eine Auswertung vereinfacht wird.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung 110 eingerichtet sein individuelle Retroreflektoren 114 nachzuverfolgen. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein eine eigene Trackingmessung für jeden Messkanal 118 und jeden einzelnen Retroreflektor 114 durchzuführen. Die Trackingfrequenz kann durch die Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit 116 geteilt durch die Anzahl der Messkanäle 118 bestimmt sein, beispielsweise 0.3 bis 10 kHz. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform. Hinsichtlich der dritten Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten und zweiten Ausführungsform in den 1 bis 4 verwiesen werden. In der dritten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler 130 eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 sequentiell auf die drei Messkanäle 118 aufzuteilen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die Messkanäle 118 mit dem Eingangslichtstrahl 128 über einen sequentiellen Multiplexer nacheinander zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser 132, welche durch den individuellen Längen-Offset 134 charakterisiert sind, einzukoppeln. An dem jeweiligen Faserende 142 kann in jedem Messkanal 118 ein zweiter Strahlaufteiler 170 angeordnet sein, beispielsweise ein sequentieller Multiplexer. Weiter kann jeder Messkanal 118 eine Vielzahl von Spiegeln 144, insbesondere Ablenkspiegeln, aufweisen. Die Spiegel 144 in einem Messkanal 118 sind jeweils eingerichtet einen von der optischen Faser 132 zu dem Spiegel 144 umgelenkten Lichtstrahl auf genau einen Retroreflektor 114 zu lenken. In einem Messkanal 118 kann somit ein Spiegel 144 einem Retroreflektor 114 zu geordnet sein. Der Eingangslichtstrahl 128 kann am Faserende 142 über den sequentiellen Multiplexer zwischen zwei Kanalschaltungen des ersten sequentiellen Strahlaufteilers 130 auf einen Spiegel 144 umgelenkt werden, so dass ein individueller Retroreflektor 114 angeleuchtet wird. Der jeweilige Retroreflektor 114 kann einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl 138 kann zurück durch die Optik 150, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser 132 wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler 130, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle führt, laufen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl 128, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens einen relevanten Peak umfasst, welcher eine Teilinformation eines 3D-Punktes umfasst. Ein Frequenzspektrum 153 wird 5 exemplarisch dargestellt. Über mindestens neun verschiedene so bestimmte Teilinformationen kann die 6D-Information bestimmt werden. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft sein, da eine einfache Trennung der Peaks möglich ist und so eine Auswertung vereinfacht wird. Diese dritte Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung 110 eingerichtet sein individuelle Retroreflektoren 114 nachzuverfolgen. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein eine eigene Trackingmessung für jeden Messkanal 118 und jeden einzelnen Retroreflektor 114 durchzuführen. Die Trackingfrequenz kann durch die Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit 116 geteilt durch die Anzahl der Messkanäle 118 und die Anzahl der getrackten Retroreflektoren 114 bestimmt sein, beispielsweise 0.1 bis 1 kHz.
  • 6 zeigt eine vierte Ausführungsform. Hinsichtlich der vierten Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform in den 1 bis 5 verwiesen werden. In der vierten Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler 130 eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 parallel auf die drei Messkanäle 118 aufzuteilen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die Messkanäle 118 mit dem Eingangslichtstrahl 128 über einen parallelen Multiplexer gleichzeitig zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser 132, welche durch den individuellen Längen-Offset 134 charakterisiert sind, einzukoppeln. An dem jeweiligen Faserende 142 kann in jedem Messkanal 118 ein zweiter Strahlaufteiler 170 angeordnet sein, beispielsweise ein weiterer paralleler Multiplexer. Weiter kann jeder Messkanal eine Vielzahl von Spiegeln 144, insbesondere Ablenkspiegeln, aufweisen. Die Spiegel 144 in einem Messkanal 118 sind jeweils eingerichtet einen von der optischen Faser 132 zu dem Spiegel 144 umgelenkten Lichtstrahl auf genau einen Retroreflektor 114 zu lenken. In einem Messkanal 118 kann somit ein Spiegel 144 einem Retroreflektor 114 zu geordnet sein. Der Eingangslichtstrahl 128 kann in jedem Messkanal 118 am Faserende 142 über den zweiten Strahlaufteiler 170 parallel auf mindestens drei Spiegel 144 pro Messkanal 118 umgelenkt werden, so dass alle Retroreflektoren 114 gleichzeitig angeleuchtet werden. Der jeweilige Retroreflektor 114 kann einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl 138 kann zurück durch die Optik 150, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser 132 wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler 130, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen 138 der Messkanäle 118 führt, laufen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks umfasst, aus welchen die 6D-Information bestimmt werden. Ein Frequenzspektrum 153 wird 6 exemplarisch dargestellt. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft sein, da eine einfache Trennung der Peaks möglich ist und so eine Auswertung vereinfacht wird. Diese vierte Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung 110 eingerichtet sein individuelle Retroreflektoren nachzuverfolgen. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein eine eigene Trackingmessung für jeden Messkanal 118 und jeden einzelnen Retroreflektor 114 durchzuführen. Die Trackingfrequenz kann durch die Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit 116 bestimmt sein.
  • 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform. Hinsichtlich der fünften Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform in den 1 bis 6 verwiesen werden. In der fünften Ausführungsform kann der erste Strahlaufteiler 130 eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 parallel auf die drei Messkanäle 118 aufzuteilen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die Messkanäle 118 mit dem Eingangslichtstrahl 128 über einen parallelen Multiplexer gleichzeitig zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser 132, welche durch den individuellen Längen-Offset 134 charakterisiert sind, einzukoppeln. Weiter kann jeder Messkanal 118 mindestens einen Spiegel 144, insbesondere einen Ablenkspiegel, aufweisen, welcher in dieser Ausführungsform scannend betrieben werden kann. Der Spiegel 144 kann derart kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich eingestellt werden, dass der Spiegel 144 verschiedene Winkelpositionen einnimmt. Die Messkanäle 118 können die mindestens eine Optik 150 aufweisen, welche eingerichtet ist, dass ein Lichtstrahl durch einen Laserlinien- oder Laserrasterscan zeitlich einen Raumwinkel überstreicht. Alternativ oder zusätzlich, wie beispielsweise in den Ausführungsformen zwei, drei und vier kann die Optik 150 eingerichtet sein auf mindestens einen der Retroreflektoren 114 jeweils nachverfolgend zu fokussieren. Die Messkanäle 118 können jeweils die mindestens eine Optik 150 aufweisen, welche eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl 128 in eine Laserlinie 172 aufzuweiten, so dass während eines scannenden Betriebs des Spiegels 144, also während eines Bewegungsablaufs der Laserlinie 172 des Eingangslichtstrahls 128, einem sogenannten Laserlinienscans, ein Raumwinkelbereich mit der Laserlinie überstrichen wird, in dem sich mindestens drei Retroreflektoren 114 befinden, bspw. durch Linear- oder Rotationsbewegung der Laserlinie. Eine exemplarische Bewegungsrichtung ist in 7 mit Pfeilen 174 dargestellt. Weiter zeigt 7 exemplarisch einen Bewegungsbereich 176, welche die Laserlinie 172 während des Bewegungsablaufs überstreicht. Alle zu einem Zeitpunkt überstrichenen Retroreflektoren 114 können einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl 138 kann zurück durch die Optik 150, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser 132 wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler 130, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle 118 führt, laufen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl 128, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Ausführungsform kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen zeitlich über einen Laserlinienscan aufintegriertes Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks umfasst, aus welchen die 6D-Information bestimmt werden. Ein Frequenzspektrum 153 wird 7 exemplarisch dargestellt. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese fünfte Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit 116 ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann. Weiter kann ein Wechsel von mindestens einem Retroreflektor 114 auf dem Objekt 112 sehr einfach sein, da keine individuellen Retroreflektoren 114 beleuchtet werden, sondern bei einem Überstreichen des Raumwinkelbereichs mindestens drei Retroreflektoren 114 überstrahlt werden.
  • In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung 110 eingerichtet sein das Objekt 112 zu tracken. Wie oben ausgeführt, kann in der fünften Ausführungsform ein aufgeweiteter Lichtstrahl verwendet werden, derart, dass mindestens drei Retroreflektoren 114 des Objekts 112 beim Überstreichen des Raumwinkelbereichs mit der Laserlinie überstrahlt werden. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein jeweils einen Mittelpunkt 166 der drei Messkanalgruppen 168 im Frequenzspektrum zu bestimmen und aus diesen einen groben 3D-Punkt des Objekts 112 zu bestimmen. Dieser grobe 3D-Punkt kann zum Objekt-Tracken verwendet werden. Das Tracken des Objekts 112 kann einfach erfolgen, da unter Verwendung des aufgeweiteten Strahls nur eine grobe Positionsbestimmung und Nachverfolgung dieser notwendig ist. Weiter kann durch die parallele Messung das Tracken schnell erfolgen. Die Trackingfrequenz kann der Auslesefrequenz der LIDAR-Einheit 116 entsprechen, beispielsweise 1 bis 10 kHz, insbesondere legt die Dauer der Überstreichung des Raumwinkelbereichs mit der Laserlinie die Trackingfrequenz zusätzlich fest. Da das Tracken durch die LIDAR-Signale möglich ist kann auf eine zusätzliche Trackingeinheit verzichtet werden.
  • In einer sechsten Ausführungsform (ebenso skizziert in 7) kann der erste Strahlaufteiler 130 eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl 128 parallel auf die drei Messkanäle 118 aufzuteilen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die Messkanäle 118 mit dem Eingangslichtstrahl 128 über einen parallelen Multiplexer gleichzeitig zu beaufschlagen und in die jeweilige optische Faser 132, welche durch den individuellen Längen-Offset 134 charakterisiert sind, einzukoppeln. Weiter kann jeder Messkanal 118 mindestens einen Spiegel 144, insbesondere einen Ablenkspiegel, aufweisen, welcher in dieser Ausführungsform scannend betrieben werden kann. Der Spiegel 144 kann derart eingestellt werden, dass der Spiegel 144 verschiedene Winkelpositionen einnimmt. Die Messkanäle 118 können jeweils die mindestens eine Optik 150 aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen gegebenen Raumwinkel zu strahlen, so dass während eines scannenden Betriebs des Spiegels, also während eines Bewegungsablaufs des Laserstrahls, bei welchem eine oder mehrere, zusammenhängende oder unzusammenhängende, Raumwinkelregionen Zeilen- oder Spaltenweise abgerastert werden, ein sogenannter Laserrasterscan, mindestens drei Retroreflektoren 114 überstrichen werden. Beispielsweise können die Messkanäle 118 jeweils ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Alle zu einem Zeitpunkt überstrichenen Retroreflektoren 114 können einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Der reflektierte Lichtstrahl 138 kann zurück durch die Optik 150, die somit zu einer Einkoppeloptik in die optische Faser 132 wird, und zurück durch den ersten Strahlaufteiler 130, der somit zu einer Überlagerung aller reflektierten Strahlen der Messkanäle 118 führt, laufen. Die LIDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein die überlagerten Strahlen mit einem Referenzlichtstrahl, insbesondere einem aktuellen Eingangslichtstrahl, zu überlagern, so dass Interferenzen entstehen. In dieser Variante kann ein Schwebungssignal entstehen, dessen zeitlich über einen Laserrasterscan aufintegriertes Frequenzspektrum mindestens neun relevante Peaks umfasst, aus welchen die 6D-Information bestimmt werden. Hinsichtlich der Auswertung kann auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden. Diese Ausführungsform erlaubt eine Bestimmung von 6D-Informationen mit verbesserter Genauigkeit und geringerer Komplexität. Die Messgenauigkeit hängt nur direkt von der Genauigkeit der LIDAR-Einheit 116 ab, welche insbesondere unempfindlich gegenüber Rauschen sein kann. Weiter kann ein Wechsel von mindestens einem Retroreflektor 114 auf dem Objekt 112 sehr einfach sein, da keine individuellen Retroreflektoren 114 beleuchtet werden, sondern bei einem Überstreichen des Raumwinkelbereichs mindestens drei Retroreflektoren 114 überstrahlt werden.
  • 8 zeigt eine Ausführungsform ohne einen Längenoffset 134. Die LIDAR-Einheit 116, insbesondere die FMCW-LIDAR-Einheit, kann eingerichtet sein die von den Retroreflektoren 114 reflektierten Lichtstrahlen 138 aufzuteilen und auszuwerten. Die LIDAR-Einheit kann für jeden Messkanal 118 mindestens ein Sensorelement 146 aufweisen. Die Sensorelemente 146 der einzelnen Messkanäle 118 können unabhängig von denen der anderen Messkanäle 118 sein. Ein Eingangslichtstrahl 128 der Beleuchtungsvorrichtung 126 kann über den ersten Strahlaufteiler 130, insbesondere einen parallelen Multiplexer, in die mindestens drei Messkanäle 118 in optische Fasern 132 getrennt werden. Am Faserende 142 kann mindestens ein Ablenkspiegel 144 mit verstellbaren Auslenkwinkel angeordnet sein, welcher durch eine Optik, insbesondere eine Zoomoptik, umfassend das mindestens eine erste optische Element 136 und/oder die mindestens eine Optik 150 den Eingangslichtstrahl 128 in einen Raumwinkel aufweitet, so dass mindestens drei Retroreflektoren 114 überstrahlt werden. Jeder der Retroreflektoren 114 kann mindestens einen Teil des auf ihn einfallenden Strahls zurücksenden. Die reflektierten Lichtstrahlen 138 können rückwärts die Optik durchlaufen, welche zu einer Einkoppeloptik in die jeweilige Faser 132 wird.
  • Jeder der Messkanäle 118 kann mindestens einen weiteren Strahlaufteiler 178 aufweisen, welcher eingerichtet ist die reflektierten Lichtstrahlen 138 des Messkanals 118 auf das mindestens eine Sensorelement 146 des Messkanals 118 zu führen. Der erste Strahlaufteiler 130 kann eingerichtet sein für jeden Messkanal 118 einen Eingangslichtstrahl 128 auf das Sensorelement 146 des jeweiligen Messkanals zu leiten. In der LIDAR-Einheit 116 kann der Eingangslichtstrahl 128 der drei Messkanäle 118 mit einem aktuellen Ausgangssignal des jeweiligen Messkanals 118 auf dem jeweiligen Sensorelement 146 interferieren. Es kann für jeden der drei Messkanäle 118 ein Schwebungssignal entstehen, dessen Frequenzspektrum 153 eine Mehrzahl von Peaks aufweist. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein das Frequenzspektrum 153 für jeden Messkanal 118 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein ein Frequenzspektrum des LIDAR-Signals, insbesondere dem Schwebungssignal, mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Beispielsweise kann der erste Messkanal 120 ein erstes Sensorelement 180, der zweite Messkanal 122 ein zweites Sensorelement 182 und der dritte Messkanal ein drittes Sensorelement 184 aufweisen. In 8 ist beispielhaft ein Frequenzspektrum 153a für das erste Sensorelement 180, ein Frequenzspektrum 153b für das zweite Sensorelement 182 und ein Frequenzspektrum 153c für das dritte Sensorelement 184 gezeigt.
  • Beispielhafte Messsignale auf dem ersten Sensorelement 180 sind in 9A, dem zweiten Sensorelement 182 in 9B und dem dritten Sensorelement 184 in 9C mit jeweils sieben Peaks gezeigt. Die Messkanäle 118 können somit jeweils einem Sensorelement zugeordnet sein. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein die Peaks des jeweiligen Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Auswerteeinheit 148 kann eingerichtet sein durch Auswerten der Peakverteilung und/oder Anordnung der Peaks eine räumliche Position der drei Retroreflektoren 114 zu bestimmen. Bei bekannter Anordnung der Retroreflektoren auf dem Objekt 112 kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 110
    Vorrichtung
    112
    Objekt
    114
    Retroreflektor
    116
    LIDAR-Einheit
    118
    Messkanal
    120
    1. Messkanal
    122
    2. Messkanal
    124
    3. Messkanal
    126
    Beleuchtungsvorrichtung
    128
    Eingangslichtstrahl
    130
    Erster Strahlteiler
    132
    Optische Faser
    134
    Längen-Offset
    136
    erstes optisches Element
    138
    reflektierter Lichtstrahl
    140
    Faseranfang
    142
    Faserende
    144
    Spiegel
    146
    Sensorelement
    148
    Auswerteeinheit
    150
    Optik
    152
    Überlagerte Strahlen
    153
    Frequenzspektrum
    153a
    Frequenzspektrum
    153b
    Frequenzspektrum
    153c
    Frequenzspektrum
    154
    Bereich Interferenz Messsignale
    156
    Abstand
    158
    Pfeil
    160
    Abstand
    162
    Breite der Messkanalgruppen
    164
    Länge
    166
    Mittelpunkt
    168
    Messkanalgruppen
    170
    2. Strahlaufteiler
    172
    Laserlinie
    174
    Pfeile
    176
    Bewegungsbereich
    178
    Weiterer Strahlaufteiler
    180
    Erstes Sensorelement
    182
    zweites Sensorelement
    184
    drittes Sensorelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0043622 A1 [0004]
    • DE 102009024464 A1 [0005]
    • EP 3165876 A2 [0006]
    • US 2011/0007326 A1 [0014, 0052]
    • US 2013/0050410 A1 [0014, 0052]
    • US 2017/0258531 A1 [0014, 0052]
    • US 9559486 B2 [0017, 0054]
    • US 8913636 B2 [0017, 0054]
    • US 2016123718 A1 [0017, 0054]

Claims (12)

  1. Vorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts (112) mit mindestens drei Retroreflektoren (114), wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine LIDAR-Einheit (116) mit mindestens drei Messkanälen (118) aufweist, wobei die LIDAR-Einheit (116) mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (126) aufweist, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl (128) zu erzeugen, wobei die LIDAR-Einheit (116) mindestens einen ersten Strahlaufteiler (130) aufweist, wobei der erste Strahlaufteiler (130) eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl (128) parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle (118) aufzuteilen, wobei die Messkanäle (118) jeweils eingerichtet sind mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die LIDAR-Einheit (116) eingerichtet ist für die Messsignale mindestens ein LIDAR-Signal zu erzeugen, wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine Auswerteeinheit (148) aufweist, welche eingerichtet ist aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts (112) zu bestimmen.
  2. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messkanäle (118) zumindest teilweise räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgestaltet sind.
  3. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messkanäle (118) jeweils mindestens einen statischen oder einstellbaren Spiegel (144) aufweisen.
  4. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messkanäle (116) jeweils mindestens eine optische Faser (132) aufweisen, wobei die optischen Fasern (132) jeweils einen Längen-Offset (134) aufweisen.
  5. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messkanäle (118) jeweils mindestens ein erstes optisches Element (136) aufweisen, wobei das erste optische Element (136) eingerichtet ist den durch die jeweilige optische Faser (132) laufenden Eingangslichtstrahl (128) aus der optischen Faser (132) auszukoppeln und einen von mindestens einem Retroreflektor (114) reflektierten Lichtstrahl (138) in die jeweilige optische Faser (132) einzukoppeln.
  6. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (110) für jeden Messkanal (118) mindestens ein Sensorelement (146) aufweist, wobei das Sensorelement (146) des jeweiligen Messkanals (118) unabhängig von den Sensorelementen (146) der anderen Messkanäle (118) ist.
  7. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messkanäle (118) jeweils mindestens eine Optik (150) aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass die mindestens drei Retroreflektoren (114) überstrahlt werden.
  8. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messkanäle (118) jeweils die mindestens eine Optik (150) aufweisen, welche eingerichtet ist, dass ein Lichtstrahl durch einen Laserlinien- oder Laserrasterscan zeitlich einen Raumwinkel überstreicht und/oder auf mindestens einen der Retroreflektoren (114) jeweils nachverfolgend zu fokussieren.
  9. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LIDAR-Einheit (116) eingerichtet ist mindestens ein Messsignal mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen, wobei die LIDAR-Einheit (116) eingerichtet ist in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor (114) mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position und Orientierung des Objekts (112) zu bestimmen.
  10. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messkanäle (118) jeweils mindestens einen zweiten Strahlaufteiler (170) aufweisen, wobei der zweite Strahlaufteiler (170) in Ausbreitungsrichtung des Eingangslichtstrahl (128) hinter der jeweiligen optischen Faser (132) des jeweiligen Messkanals (118) angeordnet ist, wobei der zweite Strahlaufteiler (170) eingerichtet ist den Eingangslichtstrahl (128) parallel und/oder sequenziell zur Beleuchtung von mindestens einem der Retroreflektoren (114) bereitzustellen.
  11. Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Objekts (112) mit mindestens drei Retroreflektoren (114), wobei eine Vorrichtung (110) mit mindestens einer LIDAR-Einheit (116) mit mindestens drei Messkanälen (118) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei mindestens ein frequenzmodulierter Eingangslichtstrahl (128) mit einer Beleuchtungsvorrichtung (126) der LIDAR-Einheit (116) erzeugt wird, wobei der Eingangslichtstrahl (128) parallel und/oder sequenziell auf die Messkanäle (118) mit mindestens einem ersten Strahlaufteiler (130) aufgeteilt wird, wobei jeweils mindestens ein Messsignal von den Messkanälen (118) erzeugt wird, wobei mindestens ein LIDAR-Signal mit der LIDAR-Einheit (116) für die Messsignale erzeugt wird, wobei mit mindestens einer Auswerteeinheit (148) aus dem LIDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung des Objekts (112) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren ein Kalibrierverfahren aufweist, wobei in dem Kalibrierverfahren für mindestens einen Retroreflektor (114) mit bekannter räumlicher Position mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt wird, wobei mindestens drei Peaks in dem Frequenzspektrum bestimmt werden und mit der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors kalibriert werden.
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