DE102019001275A1

DE102019001275A1 - lnterferometrische Distanzmessung auf Basis von Laufzeitunterschieden

Info

Publication number: DE102019001275A1
Application number: DE102019001275.5A
Authority: DE
Inventors: Dirk Günther
Original assignee: Optomet GmbH
Current assignee: Optomet GmbH
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-27
Also published as: DE112020000945A5; WO2020169845A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt (80). Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Objektstrahls (12) und eines Referenzstrahls (14) auf, wobei der Objektstrahl zum Objekt (80) propagiert. Die Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Modulator, um den Objektstrahl mit einer ersten Modulationsfrequenzen zeitlich periodisch zu modulieren. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Strahlungsdetektor, an welchem zumindest ein Teil des vom Objekt (80) reflektierten Objektstrahls (15) unter Bildung eines Interferenzsignals mit dem Referenzstrahl (14) interferiert. Eine Auswerteeinheit (50) ist dazu ausgestaltet, auf Basis des Interferenzsignals am Strahlungsdetektor (40) eine mit der zu messenden Distanz korrelierende Phasendifferenz zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) und einem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt, wobei die Distanz bzw. der Abstand statisch als auch dynamisch, etwa zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen der Vorrichtung und dem Objekt und/oder zur Messung von Vibrationen des Objekts bestimmbar ist.
Hintergrund
Mithilfe eines Interferometers lassen sich Abstandsänderungen zu einem Objekt sehr genau messen. Dazu ermittelt man die Phasenlagendifferenz zwischen einem über eine Referenzstrecke laufenden Referenzstrahl und einem am Objekt reflektierten Messstrahl. Je nach relativer Phasenlage zwischen Messstrahl und Referenzstrahl erhält man nach Überlagerung der beiden Strahlen unterschiedliche Lichtintensitäten. Detektiert man mit einer Photodetektoreinheit diese Interferenzphase, ist es möglich die Verschiebung auf einen Bruchteil der optischen Wellenlänge zu bestimmen.
Die Ermittlung der absoluten Entfernung des Objektes ist jedoch aufwändiger. Da sich die Interferenzphase bei Änderung der Objektentfernung um eine halbe optische Wellenlänge periodisch wiederholt, ist der Eindeutigkeitsbereich sehr klein, typischerweise einige hundert Nanometer. Entfernungen lassen sich mit einem einfachen Interferometer so nur durch Aufintegrieren der Phasenänderung unter Berücksichtigung der Periodendurchgänge ermitteln.
In der praktischen Anwendung ist dies aber mit Nachteilen verbunden: Messgerät und Messobjekt müssen entweder zunächst zusammengeführt und anschließend wieder auseinandergebracht werden, oder ein Reflektor muss vom Messgerät zur Messstelle gebracht werden (Lasertracker). Wird zum Beispiel die Messung auch nur für kurze Zeit (Störung der Sichtverbindung oder Speckle-Effekt an rauer Messoberfläche) unterbrochen, so kann die Integration fehlerhaft sein. Ähnlich negativ wirken sich Unstetigkeiten bzw. räumliche Sprünge beim Abtasten von Messobjekten aus.
Mittels eines Interferometers, insbesondere mittels eines Heterodyn-Interferometers können ferner auch Relativbewegungen zwischen einem zu vermessenden Objekt und einer Messvorrichtung präzise gemessen werden. Auch können mittels eines Interferometers Vibrationen oder Schwingungszustände des Objekts qualitativ als auch quantitativ präzise und in Echtzeit gemessen werden.
Für eine hochpräzise Vermessung von Abständen, Distanzen sowie Bewegungen des Objekts kommen daher auf Interferometrie basierende Messverfahren zum Einsatz. Soll zusätzlich noch der typischerweise mehrere Meter betragende Abstand zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt bestimmt werden, kann dies typischerweise mittels eines weiteren berührungslosem Abstandsmesssystem erfolgen. Dieses kann auf einem gänzlich anderen Messprinzip basieren. Die Signale der beiden unabhängig arbeitenden und für unterschiedliche Einsatzbereiche vorgesehenen Vorrichtungen zur Messung des absoluten oder groben Abstands einerseits und zur hochpräzisen Messung von Distanzen oder Bewegungszuständen des Objekts andererseits müssen daher präzise aufeinander abgestimmt werden. Daneben muss sichergestellt werden, dass beide unabhängig voneinander arbeitenden Systeme auf ein und denselben Punkt oder Bereich des reflektierenden Objekts Bezug nehmen. Dies geht mit einem vergleichsweise hohen Justage- und Kalibrierungsaufwand einher. Zudem ist der apparative Aufwand vergleichsweise hoch.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt bereitzustellen. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen sich durch einen großen Messbereich, durch eine hohe Messgenauigkeit sowie durch einen geringen apparativen sowie technischen Aufwand auszeichnen. Mit ein und derselben Vorrichtung soll zum einen der absolute, gegebenenfalls mehrere Meter betragende Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt unter Verwendung einer einzigen Strahlungsquelle bestimmbar sein.
Zugleich soll die Vorrichtung eine Messgenauigkeit im Submikrometerbereich, Nanometerbereich oder Subnanometerbereich bereitstellen. Ferner soll die Vorrichtung besonders kompakt ausgestaltet sein und ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen. Die Vorrichtung soll sich insbesondere für mobile Einsatzzwecke eignen. Die Vorrichtung und das mit ihr durchzuführende Messverfahren sollen sich ferner durch eine vergleichsweise einfache Justage und Kalibrierung auszeichnen.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt und mit einem entsprechenden Verfahren zur Messung einer Distanz zum reflektierenden Objekt jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und das Verfahren sind Gegenstand jeweils abhängiger Patentansprüche.
Insoweit ist eine Vorrichtung zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Objektstrahls und eines Referenzstrahls auf. Typischerweise ist die Strahlungsquelle zur Erzeugung einer Sendestrahlung ausgestaltet. Der Objektstrahl und der Referenzstrahl können typischerweise mittels eines Strahlteilers aus der Sendestrahlung erzeugt werden. Von Vorteil ist es, wenn die Intensitäten des Objektstrahls und des Referenzstrahls variabel einstellbar sind. Alternativ hierzu können zueinander kohärente und somit interferenzfähige Objektstrahlen und Referenzstrahl auch direkt von der Strahlungsquelle erzeugbar sein.
Der Objektstrahl ist hierbei zum Objekt gerichtet. Die Vorrichtung und das Objekt sind zueinander derart positionierbar, dass der Objektstrahl zum Objekt hin propagiert. Die Vorrichtung weist ferner zumindest einen ersten Modulator im Strahlengang der Sendestrahlung oder im Strahlengang des Objektstrahls auf. Der Modulator ist dazu ausgestaltet, die Sendestrahlung bzw. den Objektstrahl mit einer ersten Modulationsfrequenz zeitlich periodisch zu modulieren.
Die Vorrichtung weist ferner einen Strahlungsdetektor auf, an welchem zumindest ein Teil des vom Objekt reflektierten Objektstrahls unter Bildung eines Referenzsignals mit dem Referenzstrahl interferiert. Der Objektstrahl und der Referenzstrahl sind zueinander interferenzfähig. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine elektronische Auswerteeinheit auf, die signaltechnisch mit dem Strahlungsdetektor gekoppelt ist. Die elektronische Auswerteeinheit ist dazu ausgestaltet, auf Basis des Interferenzsignals am Strahlungsdetektor eine mit der zu messenden Distanz korrelierende Phasendifferenz zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und einem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls zu bestimmen. Aus der Phasendifferenz zwischen moduliertem und unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls können Rückschlüsse über die Entfernung bzw. die Distanz zwischen der Vorrichtung und dem reflektierenden Objekt gezogen werden.
Die Auswerteeinheit und das hiermit durchzuführende Verfahren ist insbesondere dazu ausgestaltet, einen Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahl durch Messung des Phasenunterschieds zwischen dem modulierten Signalanteil und dem unmodulierten Signalanteil des Objektstrahls zu bestimmen. Die Signalanteile des reflektierten Objektstrahls haben keinen Laufzeitunterschied sondern aufgrund der Modulation einen Phasenunterschied, der mit der gemeinsamen Laufzeit proportional zur Differenzfrequenz der Signalanteile anwächst.
Es ist hierbei ferner oder alternativ denkbar, dass der Objektstrahl lediglich zwei Signalanteile bei unterschiedlichen Frequenzen aufweist. Anstelle einer Modulation des Objektstrahls können hierfür auch zwei zueinander kohärenzfähige Strahlungsquellen oder zwei aus unterschiedlichen Strahlungsquellen stammende Objektstrahlen verwendet werden, welche jeweils einen Strahlanteil aufweisen, die für die unterschiedlichen Objektstrahlen eine definierte, d.h. systembekannte Frequenzverschiebung aufweisen.
Alternativ kann für die Distanzbestimmung zum reflektierenden Objekt auch eine Phasendifferenz zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und einer Phasenlage des Modulators bestimmt und verwendet werden. Hierbei kann insbesondere ein amplitudenmoduliertes Signal als Objektstrahl verwendet werden. Der reflektierte Objektstrahl, insbesondere dessen Phase kann dann mit der Phasenlage des Modulators oder eines die Modulation erzeugenden Signalgebers verglichen werden. Diese relative Phase ist in Kenntnis der Modulationsfrequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Objektstrahls ein direktes Maß für den absoluten Abstand zum Objekt.
Ein Eindeutigkeitsbereich für die Abstandsmessung ist durch die erste Modulationsfrequenz v₁ bestimmt. Dieser Abstand D bemisst sich auf D= C/(2v₁). Bei einer vergleichsweise hohen Modulationsfrequenz ist der Eindeutigkeitsbereich relativ klein. Mit einer hohen Modulationsfrequenz kann jedoch das Auflösungsvermögen der Vorrichtung gesteigert werden. Bei einer vergleichsweise niedrigen Modulationsfrequenz ist zwar der Eindeutigkeitsbereich für die Distanzmessung größer. Dies geht jedoch zulasten der Messgenauigkeit bzw. zulasten des räumlichen Auflösungsvermögen der Messvorrichtung.
Bei der Strahlungsquelle handelt es sich typischerweise um eine monochromatische Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle ist typischerweise als optische monochromatische Strahlungsquelle implementiert. Die Strahlungsquelle kann insbesondere einen monochromatischen Laser mit einer vergleichsweise großen Kohärenzlänge aufweisen. Die Kohärenzlänge der Strahlungsquelle beträgt typischerweise mehrere Meter, mehrere 100 m oder sogar mehrere Kilometer.
Die Vorrichtung weist von Vorteil ein optisches Interferometer auf, mittels welchem von der Strahlungsquelle emittierte Sendestrahlung in einen Objektstrahl und in einen Referenzstrahl aufteilbar ist. Der Referenzstrahl wird typischerweise über eine oder mehrere Umlenkeinrichtungen, beispielsweise über Strahlteiler und/oder Spiegel zum Strahlungsdetektor gelenkt. Der Objektstrahl verlässt die Vorrichtung, propagiert zum Objekt und wird am Objekt reflektiert. Das Objekt kann ein retroreflektierendes Objekt sein. Es kann aber auch ein diffus streuendes bzw. diffus reflektierendes Objekts sein.
Der Modulator kann in Propagationsrichtung der Sendestrahlung hinter dem Strahlteiler angeordnet sein. Auf diese Art und Weise wird erreicht, dass ausschließlich der Objektstrahl mit der ersten Modulationsfrequenz moduliert wird. Der Objektstrahl erhält somit zumindest zwei Signalanteile, nämlich einen ersten oder Grundsignalanteil auf Basis der Trägerfrequenz der Sendestrahlung und einen weiteren modulierten Signalanteil auf Basis der ersten Modulationsfrequenz. Indem beide Signalanteile zum Objekt propagieren, vom Objekt reflektiert werden und zusammen mit dem Referenzstrahl am oder im Detektor wieder rekombiniert werden, kann typischerweise über die Interferenz mit dem Referenzstrahl der Phasenunterschied zwischen dem moduliert Signalanteil und dem unmodulierten Signalanteil gemessen und qualitativ bestimmt werden. Die hier gewählte Beschreibung des Vergleichs eines modulierten und unmodulierten Signalanteils kann auf zwei Signalanteile verallgemeinert werden, die unterschiedliche, typischerweise leicht zueinander verschobene Frequenzen aufweisen, sodass seiner Propagation über dieselbe Wegstrecke aufgrund der einander verschobenen Frequenzen eine messbare Phasendifferenz entsteht.
Der Objektstrahl kann auch lediglich aus einem einzigen oszillierenden, bzw. zeitlich modulierten Signal bestehen. Für die Distanzmessung zum Objekt ist dann lediglich die Phase des vom Objekt reflektierten Objektstrahls relativ zur Phasenlage des Modulators zu vergleichen.
Unter der Annahme, dass die Distanz zum Objekt kleiner als der durch die erste Modulationsfrequenz vorgegebene Eindeutigkeitsbereich ist, ergibt sich die Distanz unmittelbar aus der messbaren Phasenverschiebung zwischen dem reflektierten Objektstrahl und der Phasenlage des Modulators. Aus der Phasendifferenz kann in Kenntnis der ersten Modulationsfrequenz die Laufzeit bestimmt werden, welche der Objektstrahl für die Propagation zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt benötigt. Hieraus und in Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann schließlich der Abstand, bzw. die Distanz berechnet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet, auf Basis der gemessenen Phasendifferenz zwischen dem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und einem bzw. dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls eine Laufzeit des reflektierten Objektstrahls zu bestimmen. Im Frequenzraum erhält der Objektstrahl durch die Modulation einen unmodulierten Signalanteil, typischerweise bei der Trägerfrequenz der Strahlungsquelle und einen mit der erste Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil. Der unmodulierte und der modulierte Signalanteil unterscheiden sich im Frequenzraum um die Modulationsfrequenz. Die Laufzeit des reflektierten Objektstrahls ist diejenige Zeit, die der Objektstrahl zur Propagation von der Messvorrichtung zum Objekt und vom Objekt zurück zur Messvorrichtung benötigt.
Alternativ kann die Laufzeit des reflektierten Objektstrahls von der Messvorrichtung zum Objekt und vom Objekt zurück zur Messvorrichtung auch auf Basis der Phasendifferenz zwischen dem reflektierten modulierten Objektstrahl und der Phasenlage des Modulators bestimmt werden.
Durch die Modulation wird auf dem Objektstrahl quasi eine Schwebung bzw. ein weiterer frequenzverschobene Signalanteil generiert, die oder über den Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahls zu einer messbaren Phasendifferenz oder Phasenverschiebung zwischen dem modulierten Signalanteil und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls führt. Durch Messung der Phasendifferenz zwischen dem modulierten und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls kann in Kenntnis der Modulationsfrequenz die Laufzeit des reflektierten Objektstrahls und damit auch der Laufzeitunterschied zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl bestimmt werden. Aus der Phasendifferenz und/oder Laufzeit des reflektierten Objektstrahls bzw. aus dem Laufzeitunterschied zwischen dem reflektierten Objektstrahl und dem Referenzstrahl kann die Distanz zwischen der Vorrichtung und dem reflektierenden Objekt bestimmt werden.
Je größer der Laufzeitunterschied bzw. je größer der Abstand zwischen der Vorrichtung und dem reflektierenden Objekt ist, desto größer ist die Phasendifferenz zwischen dem modulierten Signalanteil und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls. Gleiches gilt für die Phasendifferenz des modulierten Objektstrahls gegenüber der Phasenlage des Modulators.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet, den Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahl auf Basis der oben erwähnten Phasendifferenz zu bestimmen. Mit der Phasendifferenz kann hier die Phasendifferenz zwischen dem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls gemeint sein.
Der Eindeutigkeitsbereich, d. h. die maximal mit der Vorrichtung zu messende Distanz D ist hierbei durch die folgende Gesetzmäßigkeit D= C/(2v₁) definiert. Durch geeignete Wahl der ersten Modulationsfrequenz v₁ kann ein gewünschter Eindeutigkeitsbereich festgelegt werden. Ein vergleichsweise großer Eindeutigkeitsbereich wird mittels einer vergleichsweise geringen ersten Modulationsfrequenz erzielt. Eine geringe oder nur kleine Modulationsfrequenz verringert die Messgenauigkeit der Vorrichtung. Es ist insbesondere möglich, die Vorrichtung sukzessiv und nacheinander mit mehreren, größeren bzw. größer werdenden ersten Modulationsfrequenzen zu betreiben.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass die ersten Modulationsfrequenzen derart gewählt werden, dass die sich hierdurch ergebenden Eindeutigkeitsbereiche einen gewissen Überlappungsbereich aufweisen. Somit kann durch mehrmalige Ausführung eines Messverfahrens mittels der hier vorgesehenen Vorrichtung durch Wahl einer vergleichsweise kleinen Modulationsfrequenz die Distanz zwischen der Vorrichtung und dem reflektierenden Objekt zunächst relativ grob und dann durch schrittweise Erhöhung der ersten Modulationsfrequenz sukzessive immer feiner und präziser bestimmt werden. Hierbei werden sukzessive oder schrittweise größere erste Modulationsfrequenzen für die Modulation des Objektstrahls verwendet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass der erste Modulator dazu ausgestaltet ist, die erste Modulationsfrequenz elektronisch zu erzeugen. Der Modulator kann insbesondere zur Erzeugung von Modulationsfrequenzen im kHz-Bereich, im MHz- Bereich, im GHz-Bereich oder sogar im Terraherzbereich ausgebildet sein. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Modulator erste Modulationsfrequenzen in einem solchen Frequenzbereich erzeugen kann, sodass der Eindeutigkeitsbereich der Vorrichtung in den Bereich der halben Wellenlänge der Trägerfrequenz der Strahlungsquelle hineinreicht. Auf diese Art und Weise kann durch sukzessive Variation der ersten Modulationsfrequenz der Messbereich und das räumliche Auflösungsvermögen der Vorrichtung bedarfsgerecht verändert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Modulator ein Phasenmodulator, ein Amplitudemodulator, ein Polarisationsmodulator oder ein Frequenzmodulator. Insbesondere ein Phasenmodulator kann in einem vergleichsweise großen Frequenzbereich, etwa im Gigahertzbereich, 10 GHz Bereich oder 100 GHz Bereich betrieben werden, sodass die Messgenauigkeit des laufzzeitbassierten Verfahrens besser ist als die Breite des Eindeutigkeitsbereichs des Interferometrischen Verfahrens (typischerweise Hälfte der Wellenlänge des Laserlichts) um so einen Übergang zwischen beiden Messverfahren zu ermöglichen.
Die hier beschriebene Vorrichtung und das Verfahren können auf vielerlei unterschiedliche Arten und Weisen implementiert werden. Anstelle eines Phasenmodulator in gleicher Art und Weise auch ein Amplitudenmodulator, ein Polarisationsmodulator oder ein Frequenzmodulator als erster Modulator eingesetzt werden. Für unterschiedlichste Messaufgaben oder Spezifikationen als auch für unterschiedliche reflektierende Objekte kann hier jeweils ein geeignetes Modulationsverfahren für den ersten Modulator verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit einen multiplikativen Mischer und einen dem Mischer nachgeschalteten Filter auf. Der Mischer kann insbesondere als Quadrierer ausgestaltet sein. Mittels des Mischers und des Filters ist aus dem am Detektor vorliegenden, bzw. dort messbaren Interferenzsignal ein mit der ersten Modulationsfrequenz oszillierendes Differenzsignal generierbar. In dem Differenzsignal sind ferner die Information hinsichtlich der Phasendifferenz zwischen dem modulierten und unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und damit auch Informationen hinsichtlich des Laufzeitunterschieds zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahls enthalten. Letztlich kann durch geeignete Signalverarbeitung aus dem Differenzsignal die Phasendifferenz zwischen dem modulierten und unmodulierten Signalanteil und/oder der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl rechnerisch bestimmt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit einen Demodulator auf, mittels welchem durch Demodulation des Differenzsignals bei der ersten Modulationsfrequenz die Phasendifferenz zwischen dem modulierten Signalanteil und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und/oder mittels welchem durch Demodulation des Differenzsignals bei der ersten Modulationsfrequenz der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl bestimmbar ist.
Der Mischer und der Demodulator können in Form von digitalen Signalverarbeitungskomponenten vorliegen. Der Mischer und/oder der nachgeschaltete Filter und/oder der dem Modulator können auch rein softwaretechnisch implementiert sein. Der Mischer, der Demodulator, etwaige Filter, Tiefpässe, Hochpässe oder Bandpässe sowie jegliche weitere signalverarbeitende Komponenten der Auswerteeinheit können auch hardwaretechnisch implementiert sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist im Strahlengang des Referenzstrahls ein zweiter Modulator angeordnet. Dieser ist dazu ausgebildet, den Referenzstrahl mit einer zweiten Modulationsfrequenz zu modulieren. Bei dem zweiten Modulator handelt es sich typischerweise um einen Frequenzmodulator. Mittels des zweiten Modulators kann die Frequenz im Referenzstrahl moduliert bzw. verändert werden. Die Interferometeranordnung der Messvorrichtung kann auf diese Art und Weise nach Art eines Heterodyn-Interferometers ausgestaltet sein. Mittels des zweiten Modulators kann der Referenzstrahl mit einer zweiten Modulationsfrequenz versehen sein.
Der Referenzstrahl kann somit einen mit der zweiten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil sowie einen unmodulierten Signalanteil aufweisen. Mittels des frequenzmodulierten Signalanteils des Referenzstrahls kann eine aufgrund von einer Relativbewegung zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung bedingte Dopplerverschiebung des reflektierten Objektstrahls präzise gemessen werden. Mit dem frequenzmodulierten Referenzstrahl kann auf Basis des Interferenzsignals sowohl die relative Geschwindigkeit zwischen dem reflektierenden Objekt und der Messvorrichtung als auch die Bewegungsrichtung des reflektierenden Objekts relativ zur Messvorrichtung bestimmt werden.
Insbesondere kann das Interferenzsignal einer vibrometrischen Auswertung unterzogen werden. Die Messvorrichtung kann insbesondere als Laservibrometer ausgestaltet sein, welches hochpräzise Abstandsänderungen und Vibrationen bzw. Bewegungen des reflektierenden Objekts in Echtzeit messen kann. Parallel und quasi zeitgleich hierzu können auch absolute Abstände bzw. Distanzen zwischen der Messvorrichtung und dem reflektierenden Objekt auf Basis des Laufzeitunterschieds zwischen dem reflektierten Objektstrahl und dem Referenzstrahl gemessen werden.
Für den Betrieb eines Laservibrometers können solche absoluten Abstandsinformationen noch während eines die Oberfläche des reflektierenden Objektes abtastenden Scannprozesses genutzt werden, um einzelne Messparameter zu optimieren. So können beispielsweise der Fokus der Sendestrahlung bzw. des Objektstrahls dynamisch nachgeführt oder ein Speckle-Tracking optimiert werden.
Der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahl wird auf Basis des sich durch die erste Modulationsfrequenz bedingten Phasenversatz bestimmt. Hierbei kann ein Dauerstrichbetrieb der Strahlungsquelle vorgesehen werden. Die Erzeugung kurzer Laserpulse, wie ansonsten für die Messung von Laufzeitunterschieden üblich sind hierfür nicht erforderlich.
Ferner kann die Bewegung bzw. eine Vibration oder Schwingungen des reflektierenden Objekt als auch dessen absolute Entfernung oder Distanz zur Messvorrichtung präzise und quasi zeitgleich mit ein und derselben Vorrichtung auf Basis bzw. mittels ein und derselben Strahlungsquelle gemessen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Auswerteeinheit einen ersten Bandpassfilter und einen hierzu parallel geschalteten zweiten Bandpassfilter auf. Der erste Bandpassfilter ist dazu ausgestaltet, aus dem Interferenzsignal einen ersten Signalanteil bei der zweiten Modulationsfrequenz zu extrahieren oder herauszufiltern. Der zweite Bandpassfilter ist dazu ausgestaltet, aus dem Interferenzsignal bei der Differenz zwischen der ersten Modulationsfrequenz und der zweiten Modulationsfrequenz einen zweiten Signalanteil zu extrahieren. Der zweite Signalanteil enthält ein mit der Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Modulationsfrequenz oszillierenden Signalanteil.
Auf Basis des zweiten Signalanteils kann insbesondere das zuvor beschriebene bei der ersten Modulationsfrequenz oszillierende Differenzsignal generiert werden. Mithin kann aus dem zweiten Signalanteil des Interferenzsignals die Phasendifferenz zwischen dem modulierten und unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektsstrahls und/oder der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahl bestimmt werden.
Auf Basis des ersten Signalanteils kann insbesondere eine Geschwindigkeit des reflektierenden Objekts relativ zur Messvorrichtung bestimmt und gemessen werden.
Der erste und/oder der zweite Bandpassfilter können ferner auf die durch die Geschwindigkeit des Objekts bedingte Dopplerverschiebung des reflektierten Objektstrahls angepasst sein. Mithin kann der Filter eine Bandbreite um die zweite Modulationsfrequenz und/oder um die Differenz von erster und zweiter Modulationsfrequenz aufweisen, welche die durch die Bewegung und die Geschwindigkeit des Objekts bedingte Dopplerverschiebung 2v/c berücksichtigt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung weist der multiplikative Mischer einen ersten Eingang auf, welcher mit einem Ausgang des ersten Bandpassfilters signaltechnisch verbunden ist. Der multiplikative Mischer weist ferner einen zweiten Eingang auf, welcher mit einem Ausgang des zweiten Bandpassfilters signaltechnisch verbunden bzw. gekoppelt ist. Auf diese Art und Weise kann der erste Signalanteil des Interferenzsignals multiplikativ mit dem zweiten Signalanteil des Interferenzsignals gemischt, bzw. multipliziert werden. Die einzelne und unterschiedliche Frequenzen aufweisenden Signalanteile des Interferenzsignals können auf diese Art und Weise voneinander getrennt und separiert werden.
Das am Ausgang des Mischers vorliegende Mischsignal weist zumindest einen ersten und einen zweiten Signalanteil mit der Summe und der Differenz der jeweiligen Frequenzen auf. Der Summenterm ist für die hier vorgesehene Betrachtung unerheblich. Der Differenzenterms kann mittels des dem Mischer nachgeschalteten Filters aus dem Mischersignal extrahiert oder herausgefiltert werden.
Jenes gefilterte Mischersignal kann alsdann dem Demodulator zugeführt werden, welcher dazu ausgestaltet ist, durch die Modulation bei der ersten Modulationsfrequenz die Phasendifferenz bzw. den Laufzeitunterschied zu bestimmen oder zu berechnen, aus Basis derer schließlich die Distanz- oder Abstandsinformation zwischen der Messvorrichtung und dem reflektierenden Objekt gewonnen werden kann.
Die Verwendung von erstem und zweitem Bandpassfilter ermöglicht eine einfachere und schnellere Signalverarbeitung. Zudem kann auf Basis des vom ersten Bandpassfilter extrahierten ersten Signalanteils die Geschwindigkeitsinformation des reflektierenden Objekts relativ zur Messvorrichtung bestimmt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist der erste Modulator signaltechnisch mit der Auswerteeinheit gekoppelt. Der erste Modulator ist ferner zur Erzeugung mehrerer unterschiedlicher erster Modulationsfrequenzen ausgestaltet. Insbesondere kann der erste Modulator von der Auswerteeinheit und/oder von einer Steuerung gesteuert und/oder geregelt sein. Mithin kann die Auswerteeinheit einen Controller oder Regler aufweisen, mittels welchem der erste Modulator gesteuert oder geregelt wird.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt. Das Verfahren umfasst hierbei ein Erzeugen eines Objektstrahls und eines Referenzstrahl, typischer aus einer Sendestrahlung mittels eines Strahlteilers. Der Objektstrahl propagiert dabei zum Objekt hin. Das Verfahren umfasst ferner ein zeitlich periodisches Modulieren des Objektstrahls mit einer ersten Modulationsfrequenz, typischerweise mithilfe eines ersten Modulators.
Des Weiteren wird ein Interferenzsignal an einem Strahlungsdetektor detektiert, an welchem zumindest ein Teil des vom Objekt reflektierten Objektstrahls mit dem Referenzstrahl interferiert. Zudem wird eine mit der zu messenden Distanz zwischen dem reflektierenden Objekt und der Messvorrichtung korrelierende Phasendifferenz zwischen dem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls bestimmt. Alternativ hierzu kann die mit der Distanz korrelierende Phasendifferenz zwischen dem modulierten reflektierten Objektstrahl und einer Phasenlage des Modulators bestimmt werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, die Distanz zu dem reflektierenden Objekt mittels einer Interferometeranordnung, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt zu bestimmen. Mithin betrifft das hier vorgesehene Verfahren zur Messung einer Distanz eine bestimmungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Sämtliche Eigenschaften, Merkmale und Vorteile die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben sind gelten auch gleichermaßen für das hier vorgesehene Verfahren; und umgekehrt.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Laufzeitunterschied zwischen dem reflektierten Objektstrahl und dem Referenzstrahl durch ein multiplikatives Mischen des am Detektor vorliegenden Interferenzsignals erfolgt. Dem Mischen des Interferenzsignals kann eine Tiefpassfilterung nachgeschaltet sein. Das tiefpassgefilterte gemischten Interferenzsignals kann mittels eines Demodulators bei der ersten Modulationsfrequenz demoduliert werden. Aus dem demodulierten Signal ist der Laufzeitunterschied zwischen dem reflektierten Objektstrahl und dem Referenzstrahl bestimmbar.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die erste Modulationsfrequenz derart bestimmt, dass die zu messende Distanz kleiner ist als ein durch die erste Modulationsfrequenz vorgegebener Eindeutigkeitsbereich. Umgekehrt wird die Modulationsfrequenz derart klein gewählt, dass die in etwa grob abgeschätzte Distanz zwischen der Messvorrichtung und dem reflektierenden Objekt kleiner ist als der durch die Modulationsfrequenz vorgegebener Eindeutigkeitsbereich der Messvorrichtung.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahls auf Basis unterschiedlicher erster Modulationsfrequenzen wiederholt und sukzessive bestimmt. Typischerweise beginnt das Verfahren bei einer vergleichsweise kleinen oder niedrigen ersten Modulationsfrequenz, sodass ein großer Eindeutigkeitsbereich für eine absolute Entfernungsmessung oder Distanzmessung zwischen dem reflektierenden Objekt und der Messvorrichtung vorliegt.
Bei einer vergleichsweise kleinen Modulationsfrequenz ist die räumliche Auflösung bzw. die Messgenauigkeit der Messvorrichtung vergleichsweise gering. Durch sukzessives Erhöhen der ersten Modulationsfrequenz kann der Eindeutigkeitsbereich sukzessive verringert und die Messgenauigkeit bzw. das räumliche Auflösungsvermögen sukzessive gesteigert werden.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Computerprogramm zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt, wobei das Computerprogramm in einer Auswerteeinheit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Distanzmessung implementierbar ist. Das Computerprogramm ist in oder mit der Auswerteeinheit durchführbar und weist Programmmittel zum zeitlich periodischen Modulieren eines Objektstrahls der Messvorrichtung sowie Programmmittel zum Detektieren eines Interferenzsignals an einem Strahlungsdetektor der Messvorrichtung auf.
Des Weiteren weist das Computerprogramm Programmmittel zum Bestimmen einer mit der zu messenden Distanz korrelierenden Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Objektstrahls auf. Sämtliche Eigenschaften, Merkmale und Vorteile, die im Zusammenhang mit der Vorrichtung und dem Verfahren beschrieben sind gelten auch gleichermaßen für das hier vorgesehene Computerprogramm; und umgekehrt
Die Implementierung der auf der Phasendifferenz basierenden Abstand-oder Distanzmessung in einem Interferometer hat ferner den Vorteil einer quasi optischen Verstärkung des informationstragenden Signalanteils. Die messbare Intensität des am Strahlungsdetektor vorliegenden Interferenzsignals ist proportional zu $\sqrt{P_{m} P_{r}},$
(P_m-Leistung im Objektarm, P_r-Leistung im Referenzarm). Eine Erhöhung der Leistung im das Referenzstrahl, d. h. im Referenzarm, führt zu einer entsprechenden Verstärkung des Signals.
Zwar steigt auch das sogenannte Schrotrauschen. Wählt man aber die Leistung im Referenzarm ausreichend hoch, so wird das System durch das Schrotrauschen begrenzt. Das bedeutet, dass gegenüber dem Schrotrauschen im Detektor alle anderen Rauschquellen z.B. das thermische Rauschen oder das Rauschen der nachfolgenden Verstärker-Stufen einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Signal zu RauschVerhältnis haben.
Als Strahlungsdetektor kann insoweit eine vergleichweise kostengünstig zu implementierende Photodiode zum Einsatz kommen.
Um die erwähnten Vorteile des interferometrischen Verfahrens für eine Laufzeitmessung zurückzugreifen, ist es notwendig, das für die Phasendifferenzmessung bzw. für die Laufzeitmessung verwendete modulierte Signal quasi in den optischen Frequenzbereich hinaufzumischen.
Die Information, welche z.B. amplitudenmoduliert im niedrigen elektronischen Frequenzbereich (MHz-GHz) codiert war, wird in den phasen/frequenz-codierten optischen Frequenzbereich (100 THz) transferiert. Das System arbeitet dann quasi im Dauerstrich Betrieb (cw-Modus). Auf Empfänger Seite, d.h. am Detektor muss die Information, welche die Laufzeit enthält, nun vom optischen 100 THz Frequenzbereich wieder mit Hilfe des Interferometers in den elektronisch erfass- und verarbeitbaren Frequenzbereich (MHz/GHz) heruntergemischt werden.
Das Hoch- und anschließende Heruntermischen erscheint zunächst als unnötiger Aufwand, bietet aber in Bezug auf die Signalqualität einen entscheidenden Vorteil, da man hier die optische Verstärkung des interferometrischen Verfahrens ausnutzen kann. Teure, aufwändige und im Signal zu Rausch Verhältnis dennoch schlechtere Avalanche-Photodioden oder Photo-Multiplier sind nicht erforderlich.
Eine Schwierigkeit für die interferometrische Laufzeitmessung nach dem Phase-Shift-Verfahren besteht darin, dass neben der absoluten Entfernung auch die mikroskopisch kleinen Abstandsänderungen von der Ordnung der Laserwellenlänge bzw. die Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler Effekts Auswirkungen auf die Phasenlage haben. Es überlagern sich somit Effekte des interferometrischen Messprinzips mit denen des Laufzeit-Messprinzips.
Die Phasenmodulation des Messarms stellt eine der Möglichkeiten dar, ein harmonisches Signal für die Verwendung des Phase-Shift-Verfahrens im optischen Frequenzbereich zu realisieren. Der phasenmodulierte Laserstrahl mit Frequenz ω₀ lässt sich schreiben als eine Überlagerung von mehreren Frequenzen im Abstand der Modulationsfrequenz ω₁, $cos (ω_{0} t + η sin ω_{1} t) = \sum_{n = - \infty}^{\infty} J_{n} (η) cos [(ω_{0} + n ω_{1}) t]$
Dabei sind η der Modulationsindex und J_n(η) die Besselfunktionen der ersten Art. Für einen kleinen Modulationsindex liefern nur die die niedrigen Ordnungen n = 0, ± 1, ±2, ... einen wesentlichen Beitrag.
Bei einem Heterodyn-Interferometer handelt es sich um ein mit der Geschwindigkeit des Messobjektes moduliertes Signal, welches zudem durch die Bewegung des Messobjektes eine Phasenverschiebung erfährt. Aus der Phasenlage des Trägersignals lässt sich praktisch nicht auf die absolute Entfernung schließen. Mit der Kombination mindestens zweier Frequenzen, etwa ω₀ und ω₀ + ω₁, im Messstrahl, denen die interferometrischen Messinformationen zu Geschwindigkeit und Verschiebung von der Ordnung der Laserwellenlänge aufgeprägt sind, lässt sich die Laufzeitinformation von der Geschwindigkeit separieren und eine absolute Entfernungsmessung erreichen.
Der technische Fortschritt bei den Modulatoren macht es möglich, bei entsprechender Auslegung (z.B. hinreichend großer Arbeitsfrequenz des Modulators im Objektarm und ausreichender Leistung im Referenzarm) mit diesem Aufbau die Auflösung des Phase-Shift-Verfahrens so zu erhöhen bis in den Eindeutigkeitsbereich des interferometrischen Messprinzips hinein. Damit lässt sich mit wenigen Ergänzungen an Komponenten aus einem einfachen Interferometer ein absolut messendes Interferometer realisieren.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile sowie Anwendungsmöglichkeiten und Eigenschaften der Messvorrichtung und des Messverfahrens sowie des Computerprogramms werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild der Messvorrichtungen,
2 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Distanzmessung und
3 ein schematisches Blockschaltbild der Auswerteeinheit der Messvorrichtung.

Detaillierte Beschreibung
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1 zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekte 80 dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist vorliegend als Interferometer implementiert. Sie weist eine Strahlungsquelle 10 zu Erzeugung einer Sendestrahlung 11 auf. Die Strahlungsquelle 10 kann eine kohärente und monochromatische Laserlichtquelle aufweisen. Ferner weist die Vorrichtung 1 einen Strahlteiler 30 auf, welche aus der Sendestrahlung 11 einen zum reflektierenden Objekt 80 gerichteten Objektstrahl 12 und einen Referenzstrahl 14 erzeugt oder extrahiert.
Der Objektstrahl 12 propagiert ferner durch einen ersten Modulator 20 und durch einen weiteren Strahlteiler 17. Der Strahlteiler 17 kann als polarisierender Strahlteiler ausgestaltet sein. Zumindest ein Teil des vom Objekt 80 reflektierten Objektstrahls 15 gelangt in der zum Objektstrahl 12 entgegengesetzten Richtung wieder in den Strahlteiler 17. Der reflektierte Objektstrahls 15 wird zum Beispiel aufgrund seiner gedrehten Polarisation von dem polarisierenden Strahlteiler 17 auf einem Spiegel 18 umgelenkt.
Von dort propagiert der reflektierte Objektstrahls 15 in Richtung zu einem Strahlungsdetektor 40. Der Strahlungsdetektor 40 kann als Photodiode ausgestaltet sein. Zwischen dem Spiegel 18 und dem Strahlungsdetektor 40 ist ein weiterer Strahlteiler 19 angeordnet. In diesem Strahlteiler 19 rekombinieren der reflektierte Objektstrahls 50 und der Referenzstrahl 14. Da die Sendestrahlung 11 eine vergleichsweise große Kohärenzlänge aufweist entsteht auf dem Strahlungsdetektor 40 ein Interferenzsignal.
Die vorliegende Implementierung der Vorrichtung 1 beruht auf einem Mach-Zehnder Interferometer. Sie kann aber auch gleichermaßen beispielsweise in Form eines Michelson Interferometer implementiert sein.
Im Referenzarm, d. h. zwischen dem Strahlteiler 30 und dem Strahlteiler 19, ist ferner ein zweiter Modulator 16 angeordnet. Bei dem zweiten Modulator 16 handelt es sich typischerweise um einen Frequenzmodulator. Der Strahlungsdetektor 40 ist ferner signalübertragend mit einer Auswerteeinheit 50 gekoppelt. Die Auswerteeinheit 50 weist typischerweise einen Analog-digital-Wandler 56 auf, welcher aus einem vom Strahlungsdetektor 40 erzeugten analogen Signal eine digitale Signalfolge erzeugt.
Die Auswerteeinheit 50 weist ferner eine digitale Signaverabeitungskomponente auf, welche die vom Analog-Digital-Wandler erhältlichen Signale digital weiterverarbeitet. Die Auswerteeinheit 50 steht ferner signalübertragend mit dem ersten Modulator 20 als auch mit dem zweiten Modulator 16 in Verbindung.
Insbesondere kann mittels der Auswerteeinheit 50 eine Modulationsfrequenz der jeweiligen ersten und/oder zweiten Modulatoren 20, 16 bedarfsgerecht eingestellt und/oder verändert werden. Alternativ kann ein separater Controller oder Frequenzgenerator vorgesehen sein, welcher signaltechnisch sowohl mit der Auswerteeinheit 50 als auch mit zumindest einem der Modulatoren 16, 20 gekoppelt ist.
Im schematisch skizzierten Blockschaltbild gemäß der 3 ist die Signalverarbeitung der Auswerteeinheit 50 in unterschiedliche Untereinheiten exemplarisch dargestellt. Die Auswerteeinheit 50 kann eine Signalaufbereitung 51 aufweisen, die mit dem Strahlungsdetektor 40 signaltechnisch verbunden ist. Das beispielsweise vom Strahlungsdetektor 40 erhältliche Signal kann in der Signalaufbereitung 51 gefiltert, skaliert und für die Analog-Digital-Wandlung aufbereitet werden. Die Signalaufbereitung 51 weist einen Analog-digital-Wandler 56 auf. Ein Ausgang des Analog-DigitalWandlers 56 ist signaltechnisch mit einem Linienseparator 52 gekoppelt. Der Linienseparator weist einen ersten Bandpass 68 und einen zweiten Bandpass 70 auf. Der erste und der zweite Bandpass 68, 70 operieren typischerweise bei unterschiedlichen oder leicht unterschiedlichen Frequenzen und filtern aus dem vom Analog-Digital-Wandler 56 bereitgestellten Signal die für die Signalauswertung relevanten Frequenzbänder heraus.
Die Auswerteeinheit 50 verfügt ferner über eine Laufzeit Auswerteeinheit 53 sowie über eine Geschwindigkeits-Auswerteeinheit 54. Die Laufzeit Auswerteeinheit 53 weist einen multiplikativen Mischer 60 auf. Ein erster Eingang 61 des Mischers 60 ist signaltechnisch mit einem Ausgang 69 des ersten Bandpasses 68 gekoppelt. Ein zweiter Eingang 62 des Mischers 60 ist mit einem Ausgang 71 des zweiten Bandpasses 70 gekoppelt. Mittels des Mischers 62 sind die von den beiden Bandpässen 68, 70 bereitgestellten und dementsprechend frequenzgefilterten Signale miteinander multiplizierbar. Des Weiteren oder alternativ hierzu kann mit dem Mischer 60 auch ein einziges vom Analog-Digital-Wandler 56 bereitgestelltes Interferenzsignal quadriert werden.
Dem Mischer 60 ist ein Tiefpassfilter 64 nachgeschaltet. Die Kombination von multiplikativem Mischer 60 und Tiefpass 64 ermöglicht es, aus dem am Detektor 40 anliegenden Interferenzsignal ein Referenzsignal zu generieren. Das Differenzsignal kann anschließend über einen mit dem Ausgang des Tiefpasses 64 verbundenen Modulator 66 bei der ersten Modulationsfrequenz des ersten Modulators 20 moduliert werden. Am Ausgang 72 des Demodulators 66 wird schließlich eine Phasendifferenz zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls 15 und einem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls 15 bereitgestellt.
Aus dieser Phasendifferenz kam in Kenntnis der Modulationsfrequenz schließlich der Abstand oder die Distanz vom Ausgang des ersten Modulators 20 zum Objekt 80 und vom Objekt 80 bis zum Detektor 40 bestimmt werden. Ein Teil dieser Wegstrecke, nämlich die optische Weglänge vom ersten Modulator 20 bis zum Strahlungsdetektor 40 ist konstant. Variierende Abstände zwischen dem Strahlteiler 17 und dem reflektierenden Objekt 80 können auf Basis der mittels der Laufzeit-Auswerteeinheit 53 bestimmbaren Phasendifferenz ermittelt bzw. quantitativ gemessen werden.
Ist das Objekt 30 gegenüber der Vorrichtung 1 in Bewegung so kann die Messvorrichtung 1 vorzugsweise in einem Heterodyn-Modus betrieben werden. Der zweite Modulator 16, welche als Frequenzmodulator ausgestaltet ist, kann die Frequenz des Referenzstrahl 14 modulieren bzw. um eine zweite Modulationsfrequenz verschieben. Durch jene Frequenzverschiebung ist es möglich, die durch die Relativbewegung von reflektierenden Objekt 80 und der Messvorrichtung ein entstehende Dopplerverschiebung des reflektierten Objektstrahls 15 nicht nur präzise zu messen sondern auch die Richtung der Relativbewegung von reflektierendem Objekt 80 und der Messvorrichtung 1 zu bestimmen. Die Geschwindigkeits-Auswerteeinheit 54 weist einen Demodulator 74 auf, welcher mit einem Ausgang des ersten Bandpasses 68 signaltechnisch gekoppelt ist.
Der Demodulator 74 führt eine Demodulation auf Basis der zweiten Modulationsfrequenz aus. Ein Ausgang des Demodulators 64 ist mit einem Eingang eines Differenzieres 76 signaltechnisch gekoppelt. Der Differenzierer führt eine zeitliche Ableitung des demodulierten Signals aus. Im Ergebnis können alsdann am Ausgang 78 des Differenzierers die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des reflektierenden Objekts 80 relativ zur Messvorrichtung bereitgestellt werden.
Das Blockschaltbild der 3 dient lediglich illustrative Zwecken. Die einzelnen hier dargestellten Komponenten mit sind keinesfalls zwingend als Hardwarekomponenten zu realisieren. Sie können allesamt oder auch nur zum Teil als Software oder als logische Komponenten implementiert sein.
Das Verfahren zur Messung einer Distanz zum reflektierenden Objekt 80 und/oder das zeitgleich ablaufende Verfahren zur Messung einer Geschwindigkeit des Objekts relativ zur Messvorrichtung ist als Flussdiagramm in 2 schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt werden ausgehend von der Strahlungsquelle ein Objektstrahl 12 und ein Referenzstrahl 14 bereitgestellt. Dies kann typischerweise mittels eines im Strahlengang der Sendestrahlung 11 angeordneten Strahlteilers 30 erfolgen. Der Objektstrahl 12 propagiert in Richtung zum reflektierenden Objekt 80. In einem nachfolgenden Schritt 102 wird die Sendestrahlung 11 oder der Objektstrahl 12 mit einer ersten Modulationsfrequenz mittels des ersten Modulators 20 moduliert. Im Schritt 104 wird ein Interferenzsignal am Strahlungsdetektor 40 detektiert. Das Interferenzsignal beruht auf der Interferenz des vom Objekt reflektierten Objektstrahls 15 mit dem Referenzstrahl 14.
Auf Basis des detektierten Interferenzsignals wird schließlich im Schritt 106 eine mit der zu messenden Distanz korrelierende Phasendifferenz zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls und einem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls bestimmt. Jene Bestimmung erfolgt auf Basis einer frei wählbaren ersten Modulationsfrequenz des ersten Modulators 20.
Die erste Modulationsfrequenz ist hierbei derart gewählt, dass der Eindeutigkeitsbereich der Distanzmessung größer oder deutlich größer als eine Distanz zwischen der Messvorrichtung 1 und dem reflektierten Objekt 80 ist.
Alsdann kann das Verfahren quasi iterativ fortgesetzt werden. Die Distanzmessung bei einer vergleichsweise kleinen ersten Modulationsfrequenz weist womöglich eine unzureichende Präzision oder eine vergleichsweise geringe räumliche Auflösung auf. Das Verfahren kann alsdann erneut mit Schritt 102 fortfahren, jedoch bei einer anderen ersten Modulationsfrequenz, die im Vergleich zur zuvor durchgeführte Distanzmessung um einen vorgegebenen Betrag verändert, typischerweise erhöht ist. Der Eindeutigkeitsbereich für die Distanzmessung wird auf diese Art und Weise zugunsten einer höheren räumlichen Auflösung verringert. Indem die Schritte 102, 104 und 106, sukzessive und mehrmals wiederholt bei jeweils größeren ersten Modulationsfrequenz durchgeführt werden, kann durch sukzessive Messungen der Eindeutigkeitsbereich der Messanordnung sukzessive verringert, die Auflösung und Messgenauigkeit für die Distanzmessung jedoch schrittweise erhöht werden.
Parallel und zeitgleich hierzu kann mittels der Geschwindigkeits-Auswerteeinheit 54 eine Geschwindigkeitsmessung des reflektierenden Objekts 80 durchgeführt werden.
Für die vorliegende Vorrichtung und das Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft, dass die Distanz zum reflektierenden Objekt und die Bewegungen bzw. die Geschwindigkeit des reflektierenden Objekt gleichzeitig gemessen werden können. Hierbei kann ein und dieselbe Hardware sowie ein und dieselbe Signalverarbeitung verwendet und benutzt werden. Stör- und Fehlerquellen sind hierdurch deutlich minimiert. Des Weiteren kann durch eine variable Aufteilung der Intensitäten auf Objektstrahl und Referenzstrahl eine optische Verstärkung erzielt werden.
In die am Detektor 40 messbare Intensität des Referenzsignals gehen die Intensitäten des Referenzstrahl und des reflektierten Objektstrahls jeweils proportional ein. Der messbare und zeitlich veränderliche Anteil des Interferenzsignals weist eine Intensität proportional zur Wurzel aus dem Produkt der Intensität des Referenzstrahls und der Intensität des reflektierten Objektstrahls auf. Eine sogenannte interferometrische Verstärkung des Interferenzsignals am Detektor 40 kann durch eine Erhöhung der Intensität des Referenzstrahl erzielt werden. Dies ist insbesondere für verschiedenste messtechnische Applikationen von Vorteil, da der Referenzstrahl im Inneren der Messvorrichtung verbleibt. Gleichzeitig kann die Intensität des Objektstrahls und des reflektierten Objektstrahls auf eine für die Einhaltung von Laserschutzbestimmungen vorteilhaften niedrigen Niveau gehalten werden. Zudem können kostengünstige Photodioden als Detektoren eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Signalverarbeitung der Auswerteeinheit 50 beispielhaft für eine Messvorrichtung 1 dargestellt, bei welcher der erste Modulator 20 als Phasenmodulator implementiert ist. Der Referenzstrahl b) wird vorliegend als $b = B cos (ω_{0} + ω_{2}) t$
beschrieben, wobei ω₀ die Trägerfrequenz der Sendestrahlung 11 und w2 die zweite Modulationsfrequenz des zweiten Modulators 16 ist. Der vom Objekt 80 reflektierte Objektstrahl 15 kann hinsichtlich zweier Signalanteile a₀ und a₁ betrachtet werden: $a_{0} = A_{0} cos {ω_{0} \cdot (1 - \frac{2 v}{c}) (t - T)}$
und $a_{1} = A_{1} cos {(ω_{0} + ω_{1}) (1 - 2 \frac{v}{c}) (t - T)},$
wobei ω₁ die erste Modulationsfrequenz darstellt, T der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl 14 und dem reflektierten Objektstrahls 15 ist und A₀ und A₁ die jeweiligen Signalamplituden sind. V steht ferner für die Geschwindigkeit des reflektierenden Objekts 80 relativ zur Messvorrichtung 1 und c ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Objektstrahls 12.
Die einzelnen Signalanteile b, a0 und a1 interferieren am Strahlungsdetektor 40. Die messbare Intensität ist eine zeitliche Mittelung des Quadrats des Interferenzsignals, welches sich mathematisch wie folgt darstellt. $I = {〈 {(b + a_{0} + a_{1})}^{2} 〉}_{τ}$
Die DC-Anteile, d. h. die zeitlich invarianten Anteile werden in der Signalaufbereitung 51 herausgefiltert. Terme, in welchen einzelne Frequenzen miteinander addiert werden sind aufgrund der vergleichsweise hohen Trägerfrequenz derart hochfrequent, dass sie bei der zeitlichen Mittelung herausfallen. Für die Signalauswertung sind folglich nur die diejenigen Terme des Interferenzsignals von Relevanz, bei welchen einzelne Signalanteile bei diversen Differenzfrequenzen oszillieren. Die zeitlich gemittelte Intensität des Interferenzsignals stellt sich wie folgt dar: $I = DC + s_{a} + s_{0} + s_{1}$
mit $s_{a} = A_{0} A_{1} cos {(ω_{1} - \frac{2 ν}{c}) t - (ω_{1} - \frac{2 ν}{c}) T}$
und $s_{0} = A_{0} B cos {(ω_{2} + \frac{2 ν}{c} ω_{0}) t + ω_{0} (1 - \frac{2 ν}{c}) T}$
und $s_{1} = A_{1} B cos {(ω_{2} - ω_{1} + \frac{2 ν}{c} (ω_{0} + ω 1) t + (ω_{0} + ω 1) (1 - \frac{2 ν}{c}) T} .$
S₀ kann mittels des ersten Bandpasses 68 aus dem Signal herausgefiltert werden. Der erste Bandpass 68 extrahiert den Signalanteile S₀ bei der zweiten Modulationsfrequenz ω₂. Der zweite Signalanteile S₁ kann mit dem zweiten Bandpass 70 isoliert bzw. extrahiert werden. Der zweite Bandpass operiert bei der Differenzfrequenz zwischen der zweiten Modulationsfrequenz ω₂ und der ersten Modulationsfrequenz ω₁.
Die auf diese Art und Weise aus dem detektierten Signal separierten ersten und zweiten Signalanteile werden im Mischer 60 miteinander multipliziert und anschließend über den Tiefpass 64 gefiltert. Hierbei werden die Summenfrequenzen der Multiplikation bzw. des Mischvorgangs unterdrückt oder herausgefiltert, sodass lediglich die Differenzfrequenzen in einem Differenzsignal S_Δ übrig bleiben. Dieses Differenzsignal stellt sich mathematisch wie folgt dar $s_{Δ} = cos {ω_{1} (1 - \frac{2 ν}{c}) t - ω_{1} (1 - \frac{2 ν}{c}) T} .$
Demoduliert man dieses Signal mit der ersten Modulationsfrequenz ω₁ so erhält man die Phasendifferenz ω₁ T zwischen dem mit der ersten Modulationsfrequenz ω₁ modulierten Signalanteil und dem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls 15, wobei T der Laufzeitunterschied zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl ist. Über die bekannte Beziehung T = 2 X/C kann der Abstand bzw. die Distanz X zum reflektierenden Objekt 80 präzise bestimmt werden. Die Faktoren $(1 - \frac{2 ν}{c})$
sind sehr nahe bei 1.
Alternativ könnte anstelle des Signals s_Δ auch lediglich die Signalkomponente s_a , welche die gleiche spektrale Form wie s_Δ hat, verwendet werden. Im Gegensatz zu letzterer enthält jene lediglich das Produkt der Amplituden aus dem reflektierten Objektstrahl A₀A₁ (welche je nach Reflektivität des Messobjekts sehr klein sein können), während s_Δ das Produkt aus der Amplitude der jeweiligen Komponente des Objektstrahls und des Referenzstrahls enthält ( A₀B bzw. A₁B ) und hierüber eine optische Verstärkung bewirkt.
Die Geschwindigkeits-Auswerteeinheit 54 erhält das Signal S₀ als Eingangssignal im Demodulator 74. Der Demodulator 74 führt eine Demodulation bei der zweiten Modulationsfrequenz ω₂ aus. Durch diese Demodulation und durch die zeitliche Ableitung mittels des nachgeschalteten Differenzierers 76 erhält man das Argument V/C ω₀, welches durch Multiplikation mit dem Term C/2 ω₀ nach der Geschwindigkeit aufgelöst werden kann.
Die Geschwindigkeit, bzw. Vibration oder Schwingung des Objekts 80 können insoweit zeitgleich bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Distanzmessung
10: Strahlungsquelle
11: Sendestrahlung
12: Objektstrahl
14: Referenzstrahl
15: reflektierte Objektstrahl
16: Modulator
17: Strahlteiler
18: Spiegel
19: Strahlteiler
20: Modulator
30: Strahlteiler
40: Detektor
50: Auswerteeinheit
51: Signalaufbereitung
52: Laufzeit-Auswerteeinheit
54: Geschwindigkeits-Auswerteeinheit
56: Analog-digital-Wandler
60: Mischer
61: Eingang
62: Eingang
64: Tiefbass
66: Demodulator
68: Bandpass
69: Ausgang
70: Bandpass
71: Ausgang
72: Ausgang
74: Demodulator
76: Differenzierer
78: Ausgang
80: Objekt

Claims

Vorrichtung zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt (80), mit: - einer Strahlungsquelle (10) zur Erzeugung eines Objektstrahls (12) und eines Referenzstrahls (14), wobei der Objektstrahl zum Objekt (80) propagiert, - zumindest einem ersten Modulator (20) zur Modulation des Objektstrahls (12), wobei der Modulator (20) dazu ausgestaltet ist, den Objektstrahl (12) mit einer ersten Modulationsfrequenz zeitlich periodisch zu modulieren, - einem Strahlungsdetektor (40), an welchem zumindest ein Teil des vom Objekt (80) reflektierten Objektstrahls (15) unter Bildung eines Interferenzsignals mit dem Referenzstrahl (14) interferiert, und - mit einer mit dem Strahlungsdetektor (40) gekoppelten elektronischen Auswerteeinheit (50), welche dazu ausgestaltet ist, auf Basis des Interferenzsignals am Strahlungsdetektor (40) eine mit der zu messenden Distanz korrelierende Phasendifferenz: - zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) und einem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15), oder - zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) und einer Phasenlage des Modulators (20) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (50) dazu ausgestaltet ist, auf Basis der Phasendifferenz eine Laufzeit des reflektierten Objektstrahls (15) und/oder die Distanz zum reflektierenden Objekt (80) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (50) dazu ausgestaltet ist, einen Laufzeitunterschied (T) zwischen dem Referenzstrahl (14) und dem reflektierten Objektstrahl (12) auf Basis der Phasendifferenz zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Modulator (20) dazu ausgestaltet ist, die erste Modulationsfrequenz elektronisch zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Modulator (20) ein Phasenmodulator, ein Amplitudenmodulator, ein Polarisationsmodulator oder ein Frequenzmodulator ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (50) einen multiplikativen Mischer (60) und einen dem Mischer (60) nachgeschalteten Filter (62) aufweist, mittels welchem aus dem Interferenzsignal ein mit der ersten Modulationsfrequenz oszillierendes Differenzsignal generierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinheit (50) einen Demodulator (64) aufweist, mittels welchem durch Demodulation des Differenzsignals bei der ersten Modulationsfrequenz die Phasendifferenz oder der Laufzeitunterschied bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Strahlengang des Referenzstrahls (14) ein zweiter Modulator (16) angeordnet ist, welcher dazu ausgebildet ist, den Referenzstrahl (14) mit einer zweiten Modulationsfrequenz zu modulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Auswerteeinheit (50) einen ersten Bandpassfilter (68) und einen hierzu parallel geschalteten zweiten Bandpassfilter (70) aufweist, wobei der erste Bandpassfilter (68) dazu ausgestaltet ist, aus dem Interferenzsignal einen ersten Signalanteil bei der zweiten Modulationsfrequenz zu extrahieren und wobei der zweite Bandpassfilter (70) dazu ausgestaltet ist, aus dem Interferenzsignal bei der Differenz zwischen der ersten Modulationsfrequenz und der zweiten Modulationsfrequenz einen zweiten Signalanteil zu extrahieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6 und 9, wobei der multiplikative Mischer (60) einen ersten Eingang (61) aufweist, welcher mit einem Ausgang (69) des ersten Bandpassfilters (68) signaltechnisch verbunden ist und wobei der multiplikative Mischer (60) einen zweiten Eingang (62) aufweist, welcher mit einem Ausgang (71) des zweiten Bandpassfilters (70) signaltechnisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Modulator (20) signaltechnisch mit der Auswerteeinheit (50) gekoppelt ist und wobei der Modulator (20) zur Erzeugung mehrerer unterschiedlicher erster Modulationsfrequenzen ausgestaltet ist.
Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem reflektierenden Objekt (80), mit den Schritten: - Erzeugen eines Objektstrahls (12) und eines Referenzstrahls (14) mittels einer Strahlungsquelle (10), wobei der Objektstrahl zum Objekt (80) propagiert, - zeitlich periodisches Modulieren des Objektsstrahls (12) mit einer ersten Modulationsfrequenz mittels eines ersten Modulators (20), - Detektieren eines Interferenzsignals an einem Strahlungsdetektor (40), an welchem zumindest ein Teils des vom Objekt (80) reflektierten Objektstrahls (15) mit dem Referenzstrahl (14) interferiert, - Bestimmen einer mit der zu messenden Distanz korrelierenden Phasendifferenz - zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) und einem unmodulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) oder - zwischen einem mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Signalanteil des reflektierten Objektstrahls (15) und einer Phasenlage des Modulators (20) auf Basis des Interferenzsignals am Strahlungsdetektor (40).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Modulationsfrequenz derart bestimmt wird, dass die zu messende Distanz kleiner ist als ein durch die erste Modulationsfrequenz vorgegebener Eindeutigkeitsbereich.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Laufzeitunterschied (T) wiederholt und sukzessive auf Basis unterschiedlicher erster Modulationsfrequenzen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, welches mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.