DE102020202982A1

DE102020202982A1 - Optische Vorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102020202982A1
Application number: DE102020202982.2A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-09-09
Also published as: US20210278533A1

Abstract

Es wird eine optische Vorrichtung (110) zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts (112) vorgeschlagen. Die optische Vorrichtung (110) umfasst:a) mindestens eine LiDAR-Einheit (116), welche mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (118) aufweist, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt (112) mit dem Eingangslichtstrahl zu beleuchten, wobei die LiDAR-Einheit (116) mindestens einen Messkanal (120) aufweist, welcher eingerichtet ist mindestens einen von dem Messobjekt (112) in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierten Messstrahl zu erfassen und mindestens ein LiDAR-Messsignal zu erzeugen;b) mindestens einen Lichtsensor (126), welcher mindestens eine optische Quelle (128) mit mindestens einem modengekoppelten Laser aufweist, wobei der modengekoppelte Laser eingerichtet ist, um mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen, wobei der Lichtsensor (126) eingerichtet ist das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufzuteilen und das Messobjekt (112) mit dem ersten Messsignal zu beleuchten, wobei der Lichtsensor (112) eingerichtet ist das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen, wobei der Lichtsensor (126) mindestens einen Messdetektor (140) und mindestens einen Referenzdetektor (142) aufweist, wobei der Messdetektor (140) eingerichtet ist, um das von dem Messobjekt (112) reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal zu erfassen, wobei der Referenzdetektor (142) eingerichtet ist, um das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu erfassen;c) mindestens eine Auswerteeinheit (124), welche eingerichtet ist aus dem LiDAR-Messsignal mindestens eine erste Abstandsinformation des Messobjekts (112) zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit (124) eingerichtet ist, um die jeweils von dem Messdetektor (140) und dem Referenzdetektor (142) detektieren Signale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale zu erzeugen, wobei die Auswerteeinheit (124) eingerichtet ist, um aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor (140) erfassten Frequenzspektrums und des

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik. Die optische Vorrichtung und das Verfahren können insbesondere für industrielle Anwendungen und Außenanwendungen, wie Gebäudedigitalisierung auf Baustellen, eingesetzt werden.
Stand der Technik
Bekannte optische Systeme basierend auf Interferometrie funktionieren nur auf eingeschränktem Oberflächenspektrum und liefern im Allgemeinen nur inkrementelle Verlagerungsaussagen, d.h. keine absoluten Abstandsmessungen. Weiter wird ein permanente Sichtlinien (line-of-sight) -Verbindung benötigt. Dies schließt unterbrochene Messungen, sogennanter intermittent use, wie er in der industriellen Messtechnik aus Geometrie- oder Prozessgründen häufig benötigt wird, aus.
Weiter müssen in bekannten Koordinaten-Messystemen bzw. -Geräten im Allgemeinen Maßstäbe in ihrer mechanischen Abmessung einer zu messenden Länge entsprechen, welches insbesondere für große Längen nur Stückweise darstellbar ist, und müssen als mechanische Maßverkörperungen gegen alle widrigen Umstände des Arbeitsalltags geschützt werden. Messgeschwindigkeiten können eher gering sein.
Bekannt sind optische Systeme, welche auf dem LiDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection andranging) genannt, basieren. Derartige Vorrichtungen können jedoch nicht gleichzeitig höchste Genauigkeiten und höchste Verfolgungsbandbreiten beziehungsweise, Messraten gewährleisten, welche insbesondere für in Bewegung auszuführende Messungen gleichzeitige und nicht gegeneinander verhandelbare Anforderungen sind.
Ein weiterer Ansatz sind Abstandsmessungen unter Verwendung von modengekoppelten Lasern, wie beispielsweise in „Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs‟, P. Trocha et al., Science, RESEARCH REPORTS, 23. Februar 2018, Vol. 359 Issue 6378 beschrieben. Diese lassen bei höchsten Genauigkeiten höchste Verfolgungsbandbreiten erreichen, weisen jedoch einen eingeschränkten Eindeutigkeitsbereich auf.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine kompakte und robuste Abstandbestimmung ermöglicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Vorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes eines Messobjekts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, 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 optische Vorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts vorgeschlagen.
Unter einer „optischen Vorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens eine optische Sensorik, insbesondere mindestens einen optischen Sensor aufweist. Die optische Vorrichtung kann, wie weiter unten detailliert ausgeführt wird, eine hybride optische Sensorik, auch als Hybridsensorik bezeichnet, aufweisen. Unter einer „hybriden optischen Sensorik“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine optische Sensorik verstanden werden, welche Messsysteme basierend auf verschiedenen optischen Messmethoden aufweist.
Unter einer „Abstandsbestimmung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Bestimmung einer longitudinalen Koordinate des Messobjekts verstanden werden, insbesondere ein Vermessen und/oder ein Detektieren und/oder ein Aufnehmen der longitudinalen Koordinate. Der Abstand kann ein Abstand eines reflektierenden Punktes einer Oberfläche oder eines reflektierenden Oberflächenausschnittes des Messobjekts zu der optischen Vorrichtung sein. Beispielsweise kann der Abstand eine Information über einen Abstand zwischen einem Ort auf der Oberfläche des Messobjekts und der optischen Vorrichtung sein. Der Ort kann ein beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts sein, an welchem ein Erfassen einer Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Ort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts sein. Die longitudinale Koordinate kann eine Höhenkoordinate sein. Die optische Vorrichtung kann weitere Koordinaten des Messobjekts bestimmen. Die Koordinaten können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer transversalen Koordinate des Messobjekts, beispielsweise eine x- und/oder y-Koordinate, und einer longitudinalen Koordinate. Zur Bestimmung des Abstandes können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Die optische Vorrichtung kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann eine Achse eines Koordinatensystems sein, beispielsweise die z-Achse. Unter einer Höhenkoordinate, Abstandskoordinate oder einem Abstand kann eine Koordinate entlang der z-Achse verstanden werden. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse und auch Rotationsachsen, vorgesehen sein.
Die optische Vorrichtung kann weiter eingerichtet sein zu einer Bestimmung einer räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts. 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 Messobjekts verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition im Messvolumen. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel.
Unter einem „Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes, zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ein Prüfling, ein Werkstück, ein zu vermessendes Bauteil, ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Das Messobjekt kann mindestens ein Retroreflektor sein und/oder kann mindestens einen Retroreflektor aufweisen. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung eingerichtet sein zur Bestimmung von drei Orts-Freiheitsgraden des Messobjektes, welches einen Retroreflektor aufweist. Beispielsweise kann das Messobjekt drei Retroreflektoren aufweisen und/oder mit diesem verbunden sein. So kann eine 6D-Ermittlung von drei Orts- als auch drei Winkelfreiheitsgraden eines mit den Retroreflektoren verbundenen Messobjektes möglich sein. 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 aufgenommen wird, einem Würfelprisma, einem cornercube. Der Retroreflektor kann fest und/oder auswechselbar auf dem Messobjekt angeordnet sein. Eine Position des Retroreflektors auf dem Messobjekt kann bekannt sein. Das Messobjekt kann eine Vielzahl von Retroreflektoren aufweisen, beispielsweise zwei drei, vier, fünf, sechs oder mehr Retroreflektoren. Beispielsweise für Ausführungsbeispiele, in welchen Freiheitsgrade des Messobjekts, welcher über die Retroreflektoren lokalisiert werden soll, gesperrt sind, kann eine Anordnung mit zwei Retroreflektoren verwendet werden.
Die optische Vorrichtung umfasst:

a) mindestens eine LiDAR-Einheit, welche mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt mit dem Eingangslichtstrahl zu beleuchten, wobei die LiDAR-Einheit mindestens einen Messkanal aufweist, welcher eingerichtet ist mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierten Messstrahl zu erfassen und mindestens ein LiDAR-Messsignal zu erzeugen;
b) mindestens einen Lichtsensor, welcher mindestens eine optische Quelle mit mindestens einem modengekoppelten Laser aufweist, wobei der modengekoppelte Laser eingerichtet ist, um mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen, wobei der Lichtsensor eingerichtet ist das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufzuteilen und das Messobjekt mit dem ersten Messsignal zu beleuchten, wobei der Lichtsensor eingerichtet ist das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen, wobei der Lichtsensor mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor aufweist, wobei der Messdetektor eingerichtet ist, um das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal zu erfassen, wobei der Referenzdetektor eingerichtet ist, um das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu erfassen;
c) mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist aus dem LiDAR-Messsignal mindestens eine erste Abstandsinformation des Messobjekts zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um die jeweils von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektieren Signale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale zu erzeugen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums mindestens eine zweite Abstandsinformation des Messobjekts 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 FMCWVerfahren. 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.
Der Eingangslichtstrahl der LiDAR-Einheit kann Licht mindestens einer Wellenlänge von 1000 nm bis 1700 nm aufweisen. 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 einem „frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl“ kann ein von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugter Lichtstrahl verstanden werden, welcher eine modulierte, beispielsweise linear modulierte, Frequenz aufweist. 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 „Beleuchten des Messobjekts“ kann ein Beaufschlagen des Messobjekts mit dem Eingangslichtstrahl verstanden werden. Beispielsweise kann zum Beleuchten des Messobjekts der Eingangslichtstrahl in den Messkanal, insbesondere in mindestens eine optische Faser, eingekoppelt werden und zu dem Messobjekt geleitet werden. Auch weitere optische Elemente, wie Linsen und Spiegel, können zusätzlich zum Beleuchten des Messobjekts verwendet werden.
Unter einem „Messkanal“ kann ein Element der LiDAR-Einheit verstanden werden, welches eingerichtet ist das Messobjekt, insbesondere mindestens einen Retroreflektor, mit mindestens einen Anteil des Eingangslichtstrahls zu beleuchten und mindestens einen von dem Messobjekt reflektierten Strahl zu erfassen.
Der Messkanal kann mindestens eine optische Faser aufweisen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser.
Der Messkanal kann mindestens ein erstes optisches Element aufweisen. Das erste optische Element kann eingerichtet sein den durch die optische Faser laufenden Eingangslichtstrahl aus der optischen Faser auszukoppeln und den von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl in die optische Faser einzukoppeln. Die optischen Faser kann einen Faseranfang und ein Faserende aufweisen, wobei mindestens ein Anteil des Eingangslichtstrahls von dem Faseranfang zu dem Faserende durch die 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.
Der Messkanal kann mindestens einen statischen oder einstellbaren Spiegel aufweisen. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung mindestens eine Steuerung aufweisen, welche eingerichtet ist den Spiegel an zu steuern und in eine beliebige Winkelstellung einzustellen.
Der Messkanal kann mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass das Messobjekt, insbesondere mindestens drei auf dem Messobjekt angeordnete Retroreflektoren, überstrahlt werden. Beispielsweise kann der Messkanal 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.
Der Messkanal ist eingerichtet, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierten Messstrahl zu erfassen. Unter einem „reflektierten Messstrahl“ kann ein von dem Messobjekt in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierter Lichtstrahl verstanden werden. Der reflektierte Messstrahl kann ein Ausgangslichtstrahl des Messkanals sein. Die LiDAR-Einheit kann mindestens ein Sensorelement aufweisen, welches eingerichtet ist den reflektierten Messstrahl zu detektieren. Unter „Erfassen des reflektierten Messstrahls“ kann ein Detektieren des Ausgangslichtstrahls des Messkanals verstanden werden. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist den reflektierten Messstrahl zu empfangen und/oder aufzuzeichnen. Das Sensorelement kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
Die LiDAR-Einheit ist eingerichtet mindestens ein LiDAR-Messsignal 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 LiIDAR-Einheit dem Sensorelement zugeführt wird. Das Sensorelement kann eingerichtet sein den Referenzlichtstrahl mit dem reflektierten Messstrahl zu überlagern. Unter einem „LiDAR-Messsignal“ kann ein Signal der LiDAR-Einheit verstanden werden, welches mindestens eine Information über einen Frequenzunterschied, auch Frequenzdelta genannt, zwischen Referenzlichtstrahl und dem reflektierten Messstrahl aufweist. Das LiDAR-Messsignal kann ein Signal sein, in welchem der reflektierte Messstrahl mit dem Referenzlichtstrahl überlagert ist. Das LiDAR-Messsignal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzlichtstrahls überlagert mit dem reflektierten Messstrahl sein. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein mindestens einen reflektierten Messstrahl mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen.
Die optische Vorrichtung weist mindestens eine Auswerteeinheit auf. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von der LiDAR-Einheit und/oder dem Lichtsensor erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der LiDAR-Einheit und der Auswerteeinheit und/oder dem Lichtsensor 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 die LiDAR-Einheit und/oder den Lichtsensor 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 um aus dem LiDAR-Messsignal mindestens eine erste Abstandsinformation des Messobjekts zu bestimmen. Unter einer „Abstandsinformation“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Information über den Abstand des Messobjekts, beispielsweise einen Abstandswert und/oder die longitudinale Koordinate und/oder eine Änderung des Abstandes, verstanden werden. Die Kennzeichnung als „erste“ und „zweite“ Abstandsinformation sind hierbei als reine Bezeichnungen anzusehen.
Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein, um mindestens den erfassten reflektierten Messstrahl mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um das Frequenzspektrum mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Das Frequenzspektrum kann mindestens ein Maximum, insbesondere eine Vielzahl von Maxima, aufweisen, sogenannte Peaks. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein mindestens einen Peak des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein, um in dem Frequenzspektrum mindestens einen Peak zu bestimmen. Aus den Informationen über die Anordnung des Peaks in dem Frequenzspektrum kann die erste Abstandsinformation des Messobjekts 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 bekanntem Abstand mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein mindestens einen Peak in dem Frequenzspektrum zu bestimmen und diesen mit dem bekannten Abstand zu kalibrieren. Diese Fitfunktion kann hierbei beispielsweise ein 1D Polynom sein, wobei die z- Koordinate des Retroreflektors auf die Frequenzposition in dem Frequenzspektrum abgebildet werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus der Information über die Peak-Position in dem Frequenzspektrum den Abstand des Retroreflektors zurückzurechnen.
Beispielsweise kann das Messobjekt mindestens drei Retroreflektoren aufweisen. Bei einer Verwendung von mindestens drei Retroreflektoren kann die räumliche Position, also die 3D-Information, des Messobjekts bestimmt werden. Insbesondere kann die Bestimmung der räumlichen Position, wie in DE 10 2018 222 629 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit aufgenommen wird, erfolgen. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position des Messobjekts zu bestimmen. In dem Kalibrierverfahren kann die Auswerteeinheit mindestens drei Peaks in dem Frequenzspektrum bestimmen und diese mit einer bekannten räumlichen Position des Retroreflektors kalibrieren. Die Fitfunktion kann hierbei beispielsweise ein 3D Polynom sein, wobei die drei (x,y,z)- Koordinaten der bekannten räumlichen Position des Retroreflektors auf die Frequenzposition abgebildet werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein durch numerische Umkehrung dieser Fitfunktion die drei (x,y,z)-Koordinaten des Retroreflektors mit bekannten 3D-Punktes zurückzurechnen.
Die LiDAR-Einheit kann eine Mehrzahl von Messkanälen aufweisen. Insbesondere kann die Ausgestaltung der LiDAR-Einheit, wie in DE 10 2018 222 629 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit aufgenommen wird, erfolgen. Die Messkanäle können identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein. 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. Die optischen Fasern bevorzugt eine unterschiedliche Länge aufweisen. Dieses kann eine Trennung der jeweiligen Messkanäle in einem Frequenzspektrum ermöglichen. Die optischen Fasern können beispielsweise 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 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. Die LiDAR-Einheit kann mindestens einen ersten Strahlaufteiler, insbesondere einen Multiplexer, aufweisen. 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.
Insbesondere kann die Bestimmung der räumlichen Position und räumlichen Orientierung bei einer Ausgestaltung der LiDAR-Einheit mit einer Mehrzahl von Messkanälen, wie in DE 10 2018 222 629 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit aufgenommen wird, erfolgen. Bei einer Ausgestaltung der LiDAR-Einheit mit einer Mehrzahl von Messkanälen kann die Auswerteeinheit beispielsweise eingerichtet sein, bei einer parallelen Messung in 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 Messobjekt kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
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 Messobjekt 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 Messobjekt als Validitätskriterium berücksichtigt werden, sowie die aus der zeitliche Veränderung der 6D-Informationen zu früheren Zeitpunkten, nunter Berücksichtigung der erwarteten Trägheit der Bewegung des Messobjekts, 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 reflektierten Messstrahlen und des Referenzlichtstrahls, auch Referenzsignal genannt, nicht nur Interferenzen zwischen jeweiligem Messstrahl und Referenzsignal entstehen, sondern auch Interferenzen zwischen den einzelnen Messstrahlen. Die optische Vorrichtung kann derart ausgestaltet, dass eine Trennung der Peaks durch Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen reflektierten Messstrahlen von den Peaks durch Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen reflektierten Messstrahlen 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 Messstrahlen von den Interferenzen durch Überlagerung der jeweiligen Messstrahlen mit dem Referenzlichtstrahl zu trennen. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen Band- und/oder Hochpassfilter aufweisen.
Die optische Vorrichtung kann eine hybride optische Sensorik. Die optische Vorrichtung umfasst zusätzlich zu der LiDAR-Einheit mindestens einen Lichtsensor. Die LiDAR-Einheit und der Lichtsensor sind Messsysteme basierend auf verschiedenen optischen Messmethoden. Eine Kombination dieser beiden optischen Messsysteme hat zahlreiche Vorteile und kann insbesondere eine extrem kompakte und robuste Realisierung zur Abstandsmessung ermöglichen.
Unter einem „Lichtsensor“ kann ein beliebiger optischer Sensor und/oder eine optische Sensorik verstanden werden, welche eingerichtet ist optisch mit dem Messobjekt in Wechselwirkung zu treten und eine Antwort des Messobjekts auf das in Wechselwirkungtreten zu erfassen, beispielsweise einen von dem Messobjekt in Antwort auf ein Messsignal erzeugten reflektierten Lichtstrahl.
Der Lichtsensor weist mindestens eine optische Quelle mit mindestens einem modengekoppelten Laser auf. Unter „einer optischen Quelle“ kann eine beliebige Beleuchtungsvorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Der Lichtsensor kann mindestens einen Frequenzkammgenerator umfassen. Unter einem „Frequenzkammgenerator“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist zu mindestens einer Frequenzmessung. Die optische Quelle, insbesondere der Frequenzkammgenerator, kann mindestens eine duale Frequenzkammquelle umfassen. Unter einer „Frequenzkammquelle“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Quelle, insbesondere eine Laserquelle, verstanden werden, welche eingerichtet ist den mindestens einen Frequenzkamm zu erzeugen. Der Frequenzkamm kann eine Mehrzahl von Moden aufweisen, welche einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise kann in den modengekoppelten Lasern der Frequenzabstand der Moden streng konstant sein, wobei Phasenfluktuationen möglich sind.
Der modengekoppelte Laser ist eingerichtet, um mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen. Die Ausdrücke „erstes“ und „zweites“ geben hierbei keine Auskunft über eine Reihenfolge oder ob weitere Signale vorgesehen sind. Unter einem „Frequenzkammsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Lichtsignal umfassend einen Pulszug verstanden werden. Der Pulszug kann eine Mehrzahl von Pulswiederholungen des Frequenzkamms aufweisen. Unter einer „duale Frequenzkammquelle“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Quelle verstanden werden, welche eingerichtet ist um mindestens zwei Frequenzkammsignale zu erzeugen, insbesondere gleichzeitig. Die optische Quelle kann zwei integrierte Continuous wave (CW) LASER-Quellen aufweisen.
Das erste und zweite Frequenzkammsignal können Wellenlängen von 1000 nm bis 1700 nm aufweisen. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich kann sich aus der spektralen Breite des Pulses der verwendeten optischen Quelle, beispielsweise eines modengekoppelten Lasers, ergeben. Diese ist umgekehrt proportional zur Pulsdauer. Eine Trägerwellenlänge kann beispielsweise von 1530 nm bis 1550 nm betragen, um welche sich dann pulslängenantiproportional-breite Seitenbänder „gruppieren“. Dabei können die Seitenbänder sich kammförmig, insbesondere äquidistant im Frequenzraum verteilen. Bei einer Verwendung eines modengekoppelten Laser ist das Spektrum grundsätzlich kammförmig mit einem Frequenzabstand, der der inversen Laserresonator-Umlaufzeit entspricht. Unter dem Begriff „Lichtsignal“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.
Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können dissipative Kerr Soliton (DKS) Frequenzkammsignale sein. Die duale Frequenzkammquelle kann mindestens zwei Mikroresonatoren aufweisen, insbesondere Siliziumnitrid (Si₃N₄) Mikroresonatoren. Die Continuous wave (CW) LASER-Quellen können eingerichtet sein die Mikroresonatoren zu pumpen. Die Mikroresonatoren können eingerichtet sein die DKS Frequenzkammsignale zu erzeugen. Die duale Frequenzkammquelle kann weiterhin mindestens einen Verstärker aufweisen, insbesondere einen Erbium dotierten Faserverstärker.
Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können einen gleichen Wellenlängenbereich oder einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Frequenzen im Bereich von 150 bis 500 THz aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Laserwellenlängen um 1300 nm, oder auch um 1100 nm aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können zumindest teilweise einen spektralen Überlapp aufweisen, so dass eine Schwebung entsteht.
Der Lichtsensor ist eingerichtet das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufzuteilen und das Messobjekt mit dem ersten Messsignal zu beleuchten. Unter einem „ersten Messsignal“ kann ein Anteil des ersten Frequenzkammsignals verstanden werden, welcher mit dem Messobjekt in Wechselwirkung tritt. Unter einem „ersten Referenzsignal“ kann ein Anteil des ersten Frequenzkammsignals verstanden werden, welcher ungestört ist.
Der Lichtsensor ist eingerichtet das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen. Die Bezeichnungen „zweites Messsignal“ und „zweites Referenzsignal“ beziehen sich auf zwei Anteile des zweiten Frequenzkammsignals, welche beide ungestört sind, insbesondere nicht mit dem Messobjekt in Wechselwirkung treten. Das zweite Messsignal bezeichnet dabei den Anteil des zweiten Frequenzkammsignals, welcher in dem Messdetektor erfasst wird. Das zweite Messsignal kann ein Signal mit bekannten spektralen Intensitätsprofil sein. Das zweite Referenzsignal bezeichnet dabei den Anteil des zweiten Frequenzkammsignals, welcher in dem Referenzdetektor erfasst wird.
Der Lichtsensor weist mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor auf. Unter einem „Messdetektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Detektor verstanden werden, welcher eingerichtet ist ein einfallendes Eingangslichtsignal zu detektieren. Unter einem „Referenzdetektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Detektor verstanden werden, welcher eingerichtet ist ein einfallendes Eingangslichtsignal zu detektieren. Das „Eingangslichtsignal“ kann ein einfallender Lichtstrahl verstanden werden. Unter „detektieren“ kann ein Erfassen und/oder Aufzeichnen verstanden werden. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können identisch ausgestaltet sein. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können beispielsweise jeweils mindestens einen Photodetektor aufweisen. Die Bezeichnung „Messdetektor“ kennzeichnet hierbei den Detektor, welcher eingerichtet ist einen von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl zu detektieren. Die Bezeichnung „Referenzdetektor“ kennzeichnet hierbei den Detektor, welcher eingerichtet ist mindestens einen Referenzstrahl zu detektieren.
Der Messdetektor und der Referenzdetektor können eingerichtet sein in Antwort auf die einfallenden Lichtsignale jeweils mindestens ein elektrisches Signal zu erzeugen. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können jeweils mindestens einen Verstärker aufweisen, welcher eingerichtet ist die elektrischen Signale zu verstärken.
Der Messdetektor ist eingerichtet, um das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal zu erfassen. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können eingerichtet sein zu einer multi-heterodynen Detektion. Der Messdetektor kann eingerichtet sein das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu überlagern. So kann ein zu vermessendes Signal, das erste Messsignal, mit einem Signal, dem zweiten Messsignal, mit bekannten spektralen Intensitätsprofil überlagert werden. Das erste Messsignal und das zweite Messsignal können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals sogenannte „Beats“ erzeugt werden. Der Referenzdetektor kann eingerichtet sein das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu überlagern. Das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Referenzsignals und des zweiten Referenzsignals Beats erzeugt werden. Aus einem Vergleich der mit dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektierten Beatspektren kann eine Koordinate des Messobjekts bestimmt werden, insbesondere ein Abstand zu diesem.
Die Auswerteeinheit kann programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die optische Quelle und/oder den Messdetektor und/oder den Referenzdetektor anzusteuern.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um die jeweils von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektieren Signale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale zu erzeugen. Unter „Signale“ sind in diesem Zusammenhang das erste Messsignal und das zweite Messsignal, sowie das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu verstehen. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums mindestens eine zweite Abstandsinformation des Messobjekts zu bestimmen.
Der Lichtsensor kann eingerichtet sein eine Vielzahl von Koordinaten, insbesondere eine 3D-Information des Messobjekts zu bestimmen. Der Lichtsensor ist um mindestens zwei Achsen beweglich gelagert. Unter „beweglich gelagert“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass der Lichtsensor um mindestens zwei Achsen gegen das Messobjekt bewegbar ist. Der Lichtsensor kann beispielsweise mindestens eine Lagerungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist den Lichtsensor zu bewegen, und/oder der Lichtsensor kann in mindestens einen Aktuator des Koordinatenmessgeräts einbringbar sein, welcher eingerichtet ist den Lichtsensor zu bewegen. Die Lagerungseinheit kann beispielsweise eine Drehschwenkeinrichtung und/oder ein Dreh-Schwenk-Gelenk aufweisen. Der Lichtsensor kann um mindestens fünf Achsen, bevorzugt sechs Achsen beweglich gelagert sein. Der Lichtsensor kann ein dreidimensionaler Lichtsensor sein. Der Lichtsensor kann ein Linien und/oder Flächensensor sein. Die bewegliche Lagerung um mindestens zwei Achsen erlaubt neben der Bestimmung einer ersten Koordinate des Messobjekts, beispielsweise einer longitudinalen Koordinate, nach einer Verlagerung des Lichtsensors eine Bestimmung mindestens einer weiteren Koordinate des Messobjekts. So kann eine 3D-Vermessung des Messobjekts ermöglicht werden. Durch Änderung der Ausrichtung des Lichtsensors entlang mindestens einer weiteren Achse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
Die Auswerteeinheit kann mindestens einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) aufweisen, welcher eingerichtet ist, um die von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor generierten elektrischen Signale aufzunehmen. Die Auswerteeinheit kann mindestens ein Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) aufweisen, welches eingerichtet ist die von dem ADC aufgenommenen Signale auszuwerten.
Die LiDAR-Einheit und/oder der Lichtsensor können auf mindestens einem photonisch integrierten Schaltkreis (PIC) implementiert sein. Unter einem „photonisch integrierten Schaltkreis“ kann ein optisches System verstanden werden, welches eingerichtet ist zu einer Kommunikation zwischen Komponenten des Schaltkreises mittels Lichtsignalen. Die Komponenten des Schaltkreises können dazu auf einem gemeinsamen Substrat, beispielsweise einen Chip, insbesondere einem Mikrochip, angeordnet sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eine Mehrzahl von Lichtleitern aufweisen, insbesondere Faserbasierte Lichtleiter. Eine Implementierung als photonisch integrierte Schaltkreis kann eine kompakte Bauweise der optischen Vorrichtung ermöglichen.
Der Lichtsensor kann mindestens einen photonisch integrierten Schaltkreis aufweisen. Der Lichtsensor kann beispielsweise mindestens einen photonischen Multichip aufweisen. Der Multichip kann die optische Quelle, den Messdetektor, den Referenzdetektor, den photonisch integrierte Schaltkreis und die Signal- und Datenverarbeitungseinheit aufweisen. Der photonische Multichip kann beispielsweise wie in „Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs‟, P. Trocha et al., Sience, RESEARCH REPORTS, 23. Februar 2018, Vol. 359 Issue 6378 beschrieben, ausgestaltet sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis ermöglicht eine robuste, vergleichsweise günstige und kompakte Integration von Frequenzkammgeneratoren in Mess- und Bearbeitungsmaschinen.
Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das erste Frequenzkammsignal in das mindestens eine erste Messsignal und das mindestens eine erste Referenzsignal und das zweite Frequenzkammsignal in das mindestens eine zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann mindestens einen ersten Faserbasierten Signalteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, das erste Frequenzkammsignal in das erste Messsignal und das erste Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann mindestens einen zweiten Faserbasierten Signalteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, um das zweite Frequenzkammsignal in das zweite Messsignal und das zweite Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet das erste Messsignal zu der Koppelvorrichtung des Lichtsensors zu leiten, um das Messobjekt mit dem ersten Messsignal zu beleuchten. Die Koppelvorrichtung ist eingerichtet das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal in den photonisch integrierten Schaltkreis einzukoppeln. Unter einer „Koppelvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist ein Lichtsignal aus dem photonisch integrierten Schaltkreis, insbesondere einen Lichtleitern des photonisch integrierten Schaltkreises, ein- und auszukoppeln. Die Koppelvorrichtung kann mindestens eine Mikrolinse aufweisen. Die Mikrolinse kann eingerichtet sein das erste Messsignal zu dem Messobjekt zu kollimieren.
Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das reflektierte erste Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten. Hierzu können einer oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, das erste Messsignal von der Koppelvorrichtung zu dem Messdetektor zu leiten. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das erste Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten. Zwischen dem ersten Faserbasierten Signalteiler und dem Referenzdetektor können zu diesem Zweck einer oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein.
Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das zweite Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten. Zwischen dem zweiten Faserbasierten Signalteiler und dem Messdetektor können zu diesem Zweck einer oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das zweite Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten. Zwischen dem zweiten Faserbasierten Signalteiler und dem Referenzdetektor können zu diesem Zweck einer oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein.
Die optische Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu einem Nachverfolgen des Messobjekts. Unter „Nachverfolgen“ des Messobjekts, auch Tracking genannt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bestimmen des Abstands und/oder einer Änderung des Abstandes zu verschiedenen Zeitpunkten verstanden werden. Insbesondere kann die optische Vorrichtung eingerichtet sein eine Bewegung des Messobjekts nachzuverfolgen.
Die optische Vorrichtung kann eingerichtet sein, dass ein Bestimmen der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation simultan erfolgt. Unter „simultan“ kann eine zumindest teilweise gleichzeitige und/oder zumindest teilweise parallele Messung und/oder Auswertung verstanden werden. Unter „zumindest teilweise gleichzeitig“ und „zumindest teilweise parallel“ kann eine vollständig gleichzeitig und/oder parallele Messung und/oder Auswertung verstanden werden, wobei Ausführungsformen denkbar sind, in welchen Schritte zur Bestimmung der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation nacheinander und/oder zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen.
Die optische Vorrichtung kann eine Abstandsmessung ermöglichen, bei welcher simultan eine Messung eines Abstandes und/oder einer Änderung des Abstandes mit einer LiDAR-Einheit und einem Lichtsensor mit einem modengekoppelten Laser erfolgt. Für die LiDAR-Einheit kann eine hohe Verfolgungsbandbreite als Anforderung aufgegeben werden. Die Absolutabstandsmessung kann nur noch derart schnell erfolgen, dass sichergestellt ist, das ein Übertritt einer Abstandsmessung mit dem Lichtsensor über die Grenze des Uneindeutigkeitsbereiches eindeutig und sicher erfasst wird. Dieses kann die Messgenauigkeit erhöhen. Die Messung mit der LiDAR-Einheit kann eine niederfrequente, hochgenaue Absolutabstandmessung liefern. Lichtsensoren unter Verwendung eines modengekoppelten Lasers können einen limitierten Eindeutigkeitsbereich aufweisen, innerhalb dessen Verlagerungen eindeutig gemessen werden können. Für den Lichtsensor kann die Forderung nach einem großen Eindeutigkeitsbereich aufgegeben werden, welches eine Erhöhung der Abtastrate ermöglicht. Der Lichtsensor kann, unter Verwendung eines modengekoppelten Lasers, beispielsweise eines Femtosekundenlasers, eine hochfrequente, hochgenaue Abstandsmessung innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs des Lasers liefern. Die Hybridsensorik, also die Kombination der LiDAR-Einheit und des Lichtsensor, kann eine Verbesserung und/oder Erhöhung einer Leistungsfähigkeit hinsichtlich Abtastrate, Messbereich, Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu optischen Systemen mit Einzelsensorik ermöglichen.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation eine kombinierte Abstandsinformation zu bestimmen. Unter einer „kombinierten Abstandsinformation“ kann eine Information über den Abstand verstanden werden, welche unter Berücksichtigung der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation bestimmt wird. Die LiDAR-Einheit kann Abstände mit beispielsweise 10 Hz auf 100 Mikrometer genau bestimmen. Das Abstandsmesssystem mit mindestens modengekoppelten Laser liefert mit beispielsweise 10 KHz auf 1 Mikrometer Modulo Eindeutigkeitsbereich genaue Abstände. Vorzugsweise sollte der Eindeutigkeitsbereich größer sein als die Genauigkeit der LiDAR-Einheit. Die erste Abstandsinformation wird für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation wird für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet. Die erste Abstandsinformation wird für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation wird für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet. Die Abstandsinformation der LiDAR-Einheit kann für den groben Abstand und die Abstandsinformation des modengekoppelten Lasers für die Nachkommastellen verwendet werden. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, um eine Messgenauigkeit der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation zu bestimmen und zu vergleichen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um, in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs, eine von der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation auszuwählen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um außerhalb eines Eindeutigkeitsbereich des modengekoppelten Lasers die erste Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation auszuwählen. Durch die Bestimmung einer kombinierten Abstandsinformation kann eine Verbesserung und/oder Erhöhung einer Leistungsfähigkeit hinsichtlich Abtastrate, Messbereich, Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu optischen Systemen mit Einzelsensorik ermöglicht werden.
In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes eines Messobjekts vorgeschlagen. In dem Verfahren wird mindestens eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung verwendet. Hinsichtlich Definitionen und Ausführungsformen wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung verwiesen. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

i) Bestimmen mindestens einer ersten Abstandsinformation des Messobjekts mit mindestens einer LiDAR-Einheit, welche mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, wobei mindestens ein frequenzmodulierter Eingangslichtstrahl mit der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird und das Messobjekt mit dem Eingangslichtstrahl beleuchtet wird, wobei die LiDAR-Einheit mindestens einen Messkanal aufweist, wobei mindestens ein von dem Messobjekt in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierter Messstrahl von dem Messkanal erfasst wird und mindestens ein LiDAR-Messsignal erzeugt wird, wobei aus dem LiDAR-Messsignal die erste Abstandsinformation des Messobjekts mit mindestens einer Auswerteeinheit bestimmt wird;
ii) Bestimmen mindestens einer zweiten Abstandsinformation des Messobjekts mit mindestens einem Lichtsensor, welcher mindestens eine optische Quelle mit mindestens einem modengekoppelten Laser aufweist, wobei mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal mit dem modengekoppelten Laser erzeugt wird, wobei das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufgeteilt wird und das Messobjekt mit dem ersten Messsignal beleuchtet wird, wobei das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufgeteilt wird, wobei der Lichtsensor mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor aufweist, wobei das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal von dem Messdetektor erfasst wird, wobei das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal von dem Referenzdetektor erfasst wird, wobei die jeweils von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektieren Signale mit der Auswerteeinheit ausgewertet werden und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale erzeugt wird, wobei aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums mindestens eine zweite Abstandsinformation des Messobjekts bestimmt wird.

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. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Das Verfahren kann automatisch durchgeführt werden.
Das Verfahren kann ein simultanes Bestimmen der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation umfassen.
In dem Verfahren kann aus der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation eine kombinierte Abstandsinformation bestimmt werden. Die LiDAR-Einheit kann Abstände mit beispielsweise 10 Hz auf 100 Mikrometer genau bestimmen. Das Abstandsmesssystem mit mindestens modengekoppelten Laser liefert mit beispielsweise 10 KHz auf 1 Mikrometer Modulo Eindeutigkeitsbereich genaue Abstände. Vorzugsweise sollte der Eindeutigkeitsbereich größer sein als die Genauigkeit der LiDAR-Einheit. Die Abstandsinformation der LiDAR-Einheit kann für den groben Abstand und die Abstandsinformation des modengekoppelten Lasers für die Nachkommastellen verwendet werden. Beispielsweise kann eine Messgenauigkeit der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation bestimmt und verglichen werden. In Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs kann eine von der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation ausgewählt werden. Beispielsweise kann außerhalb eines Eindeutigkeitsbereich des modengekoppelten Lasers die erste Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation ausgewählt werden.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.
Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
Ausführungsform 1: Optische Vorrichtung zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts, umfassend:

Ausführungsform 2: Optische Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die optische Vorrichtung eingerichtet ist, dass ein Bestimmen der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation simultan erfolgt.
Ausführungsform 3: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die optische Vorrichtung eingerichtet ist, zu einem Nachverfolgen des Messobjekts.
Ausführungsform 4: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um aus der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation eine kombinierte Abstandsinformation zu bestimmen.
Ausführungsform 5: Optische Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die erste Abstandsinformation für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet wird.
Ausführungsform 6: Optische Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um eine Messgenauigkeit der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation zu bestimmen und zu vergleichen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um, in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs, eine von der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation auszuwählen.
Ausführungsform 7: Optische Vorrichtung nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um außerhalb eines Eindeutigkeitsbereich des modengekoppelten Lasers die erste Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation auszuwählen.
Ausführungsform 8: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Eingangslichtstrahl und/oder das erste und zweite Frequenzkammsignal Wellenlängen von 1000 nm bis 1700 nm aufweisen.
Ausführungsform 9: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die optische Quelle mindestens eine duale Frequenzkammquelle aufweist.
Ausführungsform 10: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal dissipative Kerr Soliton (DKS) Frequenzkammsignale sind.
Ausführungsform 11: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die LiDAR-Einheit eingerichtet ist, um mindestens den erfassten reflektierten Messstrahl mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen, wobei die LIDAR-Einheit eingerichtet ist in dem Frequenzspektrum mindestens einen Peak zu bestimmen und aus diesen die erste Abstandsinformation des Messobjekts zu bestimmen.
Ausführungsform 12: Optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die LiDAR-Einheit und/oder der Lichtsensor auf mindestens einem photonisch integrierten Schaltkreis (PIC) implementiert sind.
Ausführungsform 13: Optische Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Lichtsensor mindestens einen photonisch integrierten Schaltkreis aufweist, welcher eingerichtet ist, das erste Frequenzkammsignal in das erste Messsignal und das erste Referenzsignal und das zweite Frequenzkammsignal in das zweite Messsignal und das zweite Referenzsignal aufzuteilen, wobei der photonisch integrierte Schaltkreis eingerichtet ist das erste Messsignal zu einer Koppelvorrichtung des Lichtsensors zu leiten, um das Messobjekt mit dem ersten Messsignal zu beleuchten, wobei die Koppelvorrichtung eingerichtet ist das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal in den photonisch integrierten Schaltkreis einzukoppeln, wobei der photonisch integrierte Schaltkreis eingerichtet ist, um das reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten, wobei der photonisch integrierte Schaltkreis eingerichtet ist, um das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten.
Ausführungsform 14: Optische Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Lichtsensor mindestens einen photonischen Multichip aufweist, wobei der Multichip mindestens ein Element aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: die optische Quelle, den Messdetektor, den Referenzdetektor, den photonisch integrierten Schaltkreis und die Auswerteeinheit.
Ausführungsform 15: Optische Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der photonisch integrierte Schaltkreis eine Mehrzahl von Lichtleitern aufweist, wobei der photonisch integrierte Schaltkreis mindestens einen ersten Faserbasierten Signalteiler aufweist, welcher eingerichtet ist, das erste Frequenzkammsignal in das erste Messsignal und das erste Referenzsignal aufzuteilen, wobei der photonisch integrierte Schaltkreis mindestens einen zweiten Faserbasierten Signalteiler aufweist, welcher eingerichtet ist, um das zweite Frequenzkammsignal in das zweite Messsignal und das zweite Referenzsignal aufzuteilen.
Ausführungsform 16: Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes eines Messobjekts, wobei in dem Verfahren mindestens eine optische Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

Ausführungsform 17: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren ein simultanes Bestimmen der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation umfasst.
Ausführungsform 18: Verfahren nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden, Ausführungsformen, wobei aus der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation eine kombinierte Abstandsinformation bestimmt wird.
Ausführungsform 19: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die erste Abstandsinformation für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet wird.
Ausführungsform 20: Verfahren nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei eine Messgenauigkeit der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation bestimmt und verglichen wird, wobei, in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs, eine von der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation ausgewählt wird.
Ausführungsform 21: Verfahren nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei außerhalb eines Eindeutigkeitsbereich des modengekoppelten Lasers die erste Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation ausgewählt wird.
Ausführungsform 22: Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden Ausführungsformen, in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Ausführungsform 23: Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden Ausführungsformen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
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 Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung; und
2 eine schematische Darstellung eines Lichtsensors.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt hochschematisch eine Ausführungsform einer optischen Vorrichtung 110 zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts 112.
Beispielsweise kann das Messobjekt 112 ein Prüfling, ein Werkstück, ein zu vermessendes Bauteil, ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Das Messobjekt 112 kann mindestens ein Retroreflektor 114 sein und/oder kann mindestens einen Retroreflektor 114 aufweisen. 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 aufgenommen wird, einem Würfelprisma, einem cornercube. Der Retroreflektor 114 kann fest und/oder auswechselbar auf dem Messobjekt 112 angeordnet sein. Eine Position des Retroreflektors 114 auf dem Messobjekt 112 kann bekannt sein. Das Messobjekt 112 kann eine Vielzahl von Retroreflektoren 114 aufweisen, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Retroreflektoren 114.
Die optische Vorrichtung 110 kann eine hybride optische Sensorik aufweisen, welche Messsysteme basierend auf verschiedenen optischen Messmethoden aufweist.
Die optische Vorrichtung 110 umfasst mindestens eine LiDAR-Einheit 116. Die LIDAR-Einheit 116 basiert auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt. Die LiDAR-Einheit 116 weist mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 118 auf, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen, eine sogenannte „Frequency Modulated Continuous Wave“ (FMCW). Die LiDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein den Eingangslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCWVerfahren. 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 116 wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein.
Der frequenzmodulierte Eingangslichtstrahl kann eine modulierte, beispielsweise linear modulierte, Frequenz aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 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 Messkanal 120 auf, welcher eingerichtet ist mindestens einen von dem Messobjekt 112 in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierten Messstrahl zu erfassen und mindestens ein LiDAR-Messsignal zu erzeugen. Der Messkanal 120 kann eingerichtet sein, um das Messobjekt 112, insbesondere mindestens einen Retroreflektor 114, mit mindestens einen Anteil des Eingangslichtstrahls zu beleuchten und mindestens einen von dem Messobjekt 112 reflektierten Strahl zu erfassen.
Der Messkanal 120 kann mindestens eine optische Faser aufweisen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser. Der Messkanal 120 kann mindestens ein erstes optisches Element aufweisen. Das erste optische Element kann eingerichtet sein den durch die optische Faser laufenden Eingangslichtstrahl aus der optischen Faser auszukoppeln und den von dem Messobjekt 112 reflektierten Lichtstrahl in die optische Faser einzukoppeln. Die optischen Faser kann einen Faseranfang und ein Faserende aufweisen, wobei mindestens ein Anteil des Eingangslichtstrahls von dem Faseranfang zu dem Faserende durch die 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.
Der Messkanal 120 kann mindestens einen statischen oder einstellbaren Spiegel aufweisen. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung 110 mindestens eine Steuerung, in den Figuren nicht dargestellt, aufweisen, welche eingerichtet ist den Spiegel an zu steuern und in eine beliebige Winkelstellung einzustellen.
Der Messkanal 120 kann mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass das Messobjekt 112, insbesondere mindestens drei auf dem Messobjekt 112 angeordnete Retroreflektoren 114, überstrahlt werden. Beispielsweise kann der Messkanal 120 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 114 und gute Effizienz bei der Einkoppelung im Brennpunkt ermöglicht.
Die LiDAR-Einheit 116, insbesondere der Messkanal 120, kann mindestens ein Sensorelement 122 aufweisen, welches eingerichtet ist den reflektierten Messstrahl zu detektieren. Das Sensorelement 122 kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
Die LiDAR-Einheit 116 ist eingerichtet mindestens ein LiDAR-Messsignal 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 sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der LiIDAR-Einheit 116 dem Sensorelement 122 zugeführt wird. Das Sensorelement 122 kann eingerichtet sein den Referenzlichtstrahl mit dem reflektierten Messstrahl zu überlagern. Das LiDAR-Messsignal kann mindestens eine Information über einen Frequenzunterschied, auch Frequenzdelta genannt, zwischen Referenzlichtstrahl und dem reflektierten Messstrahl aufweisen. Das LiDAR-Messsignal kann ein Signal sein, in welchem der reflektierte Messstrahl mit dem Referenzlichtstrahl überlagert ist. Das LiDAR-Messsignal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzlichtstrahls überlagert mit dem reflektierten Messstrahl sein. Die LiDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein mindestens einen reflektierten Messstrahl mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen.
Die optische Vorrichtung 110 weist mindestens eine Auswerteeinheit 124 auf. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um von der LiDAR-Einheit erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der LiDAR-Einheit 116 und der Auswerteeinheit 124 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 124 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 die LiDAR-Einheit 116 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 124 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 124 kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
Die Auswerteeinheit 124 ist eingerichtet um aus dem LiDAR-Messsignal mindestens eine erste Abstandsinformation des Messobjekts 112 zu bestimmen. Die Abstandsinformation kann eine Information über den Abstand des Messobjekts 112, beispielsweise einen Abstandswert und/oder die longitudinale Koordinate und/oder eine Änderung des Abstandes, sein.
Die LiDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein, um mindestens den erfassten reflektierten Messstrahl mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um das Frequenzspektrum mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Das Frequenzspektrum kann mindestens ein Maximum, insbesondere eine Vielzahl von Maxima, aufweisen, sogenannte Peaks. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein mindestens einen Peak des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die LiDAR-Einheit 116 kann eingerichtet sein, um in dem Frequenzspektrum mindestens einen Peak zu bestimmen. Aus den Informationen über die Anordnung des Peaks in dem Frequenzspektrum kann die erste Abstandsinformation des Messobjekts 112 bestimmt werden.
Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein ein Kalibrierverfahren durchzuführen. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein eine Fitfunktion zu kalibrieren. In dem Kalibrierverfahren kann für mindestens einen Retroreflektor 114 mit bekanntem Abstand mindestens ein Frequenzspektrum bestimmt werden. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein mindestens einen Peak in dem Frequenzspektrum zu bestimmen und diesen mit dem bekannten Abstand zu kalibrieren. Diese Fitfunktion kann hierbei beispielsweise ein 1D Polynom sein, wobei die z- Koordinate des Retroreflektors 114 auf die Frequenzposition in dem Frequenzspektrum abgebildet werden. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um aus der Information über die Peak-Position in dem Frequenzspektrum den Abstand des Retroreflektors 114 zurückzurechnen.
Die optische Vorrichtung 110 umfasst zusätzlich zu der LiDAR-Einheit 116 mindestens einen Lichtsensor 126. Die LiDAR-Einheit 116 und der Lichtsensor 126 sind Messsysteme basierend auf verschiedenen optischen Messmethoden. Eine Kombination dieser beiden optischen Messsysteme hat zahlreiche Vorteile und kann insbesondere eine extrem kompakte und robuste Realisierung zur Abstandsmessung ermöglichen.
2 zeigt hochschematisch ein Ausführungsbeispiel des Lichtsensor 126. Der Lichtsensor 126 umfasst mindestens eine optische Quelle 128. Die optische Quelle 128 kann mindestens eine duale Frequenzkammquelle aufweisen. Die duale Frequenzkammquelle kann eingerichtet sein mindestens zwei Frequenzkämme zu erzeugen. Der Frequenzkamm kann jeweils eine Mehrzahl von Moden aufweisen, welche einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise kann in den modengekoppelten Lasern der Frequenzabstand der Moden streng konstant sein, wobei Phasenfluktuationen möglich sind. Die optische Quelle 128 ist eingerichtet mindestens ein erstes Frequenzkammsignal 130 und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal 132 zu erzeugen. Das erste Frequenzkammsignal 130 und das zweite Frequenzkammsignal 132 können jeweils ein Lichtsignal umfassend einen Pulszug aufweisen. Der Pulszug kann eine Mehrzahl von Pulswiederholungen des Frequenzkamms aufweisen. Die duale Frequenzkammquelle 128 kann zwei integrierte Continuous wave (CW) LASER-Quellen 134 aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal 130 und das zweite Frequenzkammsignal 132 können dissipative Kerr Soliton (DKS) Frequenzkammsignale sein. Die duale Frequenzkammquelle 128 kann mindestens zwei Mikroresonatoren 136 aufweisen, insbesondere Siliziumnitrid (Si₃N₄) Mikroresonatoren. Die Continuous wave (CW) LASER-Quellen k134 können eingerichtet sein die Mikroresonatoren 136 zu pumpen. Die Mikroresonatoren 136 können eingerichtet sein die DKS Frequenzkammsignale zu erzeugen. Die duale Frequenzkammquelle 128 kann weiterhin mindestens einen Verstärker 138 aufweisen, insbesondere einen Erbium dotierten Faserverstärker.
Das erste Frequenzkammsignal 130 und das zweite Frequenzkammsignal 132 können einen gleichen Wellenlängenbereich oder einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal 130 und das zweite Frequenzkammsignal 132 Frequenzen im Bereich von 150 bis 500 THz aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Laserwellenlängen um 1300 nm, oder auch um 1100 nm aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können zumindest teilweise einen spektralen Überlapp aufweisen, so dass eine Schwebung entsteht.
Der Lichtsensor 126 umfasst weiter mindestens einen Messdetektor 140 und mindestens einen Referenzdetektor 142, welche jeweils eingerichtet sind, um mindestens ein Eingangslichtsignal zu detektieren. Der Messdetektor 140 und der Referenzdetektor 142 können beispielsweise jeweils mindestens einen Photodetektor aufweisen.
Der Lichtsensor 126 kann mindestens einen photonisch integrierten Schaltkreis 144 aufweisen. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann eingerichtet sein zu einer Kommunikation zwischen Komponenten des Schaltkreises 144 mittels Lichtsignalen. Die Komponenten des Schaltkreises 144 können dazu auf einem gemeinsamen Substrat 146, beispielsweise einen Chip, insbesondere einem Mikrochip, angeordnet sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann eine Mehrzahl von Lichtleitern aufweisen, insbesondere Faserbasierte Lichtleiter. Der Lichtsensor 126 kann beispielsweise mindestens einen photonischen Multichip aufweisen. Der Multichip kann die optische Quelle 128, den Messdetektor 140, den Referenzdetektor 142, den photonisch integrierte Schaltkreis 144 und die Auswerteeinheit 124 aufweisen. Der photonische Multichip kann beispielsweise wie in „Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs‟, P. Trocha et al., Sience, RESEARCH REPORTS, 23. Februar 2018, Vol. 359 Issue 6378 beschrieben, ausgestaltet sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 ermöglicht eine robuste, vergleichsweise günstige und kompakte Integration von Frequenzkammgeneratoren in Mess- und Bearbeitungsmaschinen.
Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann eingerichtet sein, um das erste Frequenzkammsignal 130 in mindestens ein erstes Messsignal 150 und mindestens ein erstes Referenzsignal 152 und das zweite Frequenzkammsignal 132 in mindestens ein zweites Messsignal 154 und mindestens ein zweites Referenzsignal 156 aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann mindestens einen ersten Faserbasierten Signalteiler 158 aufweisen, welcher eingerichtet ist, das erste Frequenzkammsignal 130 in das erste Messsignal 150 und das erste Referenzsignal 152 aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann mindestens einen zweiten Faserbasierten Signalteiler 160 aufweisen, welcher eingerichtet ist, um das zweite Frequenzkammsignal 132 in das zweite Messsignal 154 und das zweite Referenzsignal 156 aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 ist eingerichtet das erste Messsignal 150 zu einer Koppelvorrichtung 162 des Lichtsensors 110 zu leiten, um das Messobjekt 112 mit dem ersten Messsignal 150 zu beleuchten. Die Koppelvorrichtung 162 ist eingerichtet das von dem Messobjekt 112 reflektierte erste Messsignal 164 in den photonisch integrierten Schaltkreis 144 einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung 162 kann mindestens eine Mikrolinse aufweisen. Die Mikrolinse kann eingerichtet sein das erste Messsignal 150 zu dem Messobjekt 112 zu kollimieren.
Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann eingerichtet sein, um das reflektierte erste Messsignal 164 zu dem Messdetektor 140 zu leiten. Hierzu können einer oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, das erste Messsignal 150 von der Koppelvorrichtung 162 zu dem Messdetektor 140 zu leiten. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann eingerichtet sein, um das erste Referenzsignal 152 zu dem Referenzdetektor 142 zu leiten. Zwischen dem ersten Faserbasierten Signalteiler 158 und dem Referenzdetektor 142 können zu diesem Zweck einer oder mehrere Lichtleiter 168 vorgesehen sein.
Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 kann eingerichtet sein, um das zweite Messsignal 154 zu dem Messdetektor 140 zu leiten. Zwischen dem zweiten Faserbasierten Signalteiler 160 und dem Messdetektor 140 können zu diesem Zweck einer oder mehrere Lichtleiter 170 vorgesehen sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis 144 ist eingerichtet, um das zweite Referenzsignal 156 zu dem Referenzdetektor 142 zu leiten. Zwischen dem zweiten Faserbasierten Signalteiler 160 und dem Referenzdetektor 142 können zu diesem Zweck einer oder mehrere Lichtleiter 172 vorgesehen sein.
Der Messdetektor 140 und der Referenzdetektor 142 können eingerichtet sein in Antwort auf die einfallenden Lichtsignale jeweils mindestens ein elektrisches Signal zu erzeugen. Der Messdetektor 140 und der Referenzdetektor 142 können jeweils mindestens einen Verstärker aufweisen, welcher eingerichtet ist die elektrischen Signale zu verstärken.
Der Messdetektor 140 und der Referenzdetektor 142 können eingerichtet sein zu einer multi-heterodynen Detektion. Der Messdetektor 140 kann eingerichtet sein das erste Messsignal 150 und das zweite Messsignal 154 zu überlagern. So kann ein zu vermessendes Signal, das erste Messsignal 150, mit einem Signal, dem zweiten Messsignal 154, mit bekannten spektralen Intensitätsprofil überlagert werden. Das erste Messsignal 150 und das zweite Messsignal 154 können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals sogenannte „Beats“ erzeugt werden. Der Referenzdetektor 142 kann eingerichtet sein das erste Referenzsignal 152 und das zweite Referenzsignal 156 zu überlagern. Das erste Referenzsignal 152 und das zweite Referenzsignal 156 können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Referenzsignals und des zweiten Referenzsignals Beats erzeugt werden. Aus einem Vergleich der mit dem Messdetektor 140 und dem Referenzdetektor 142 detektierten Beatspektren kann eine Koordinate des Messobjekts 112 bestimmt werden, insbesondere ein Abstand zu diesem.
Die Auswerteeinheit 124 kann programmtechnisch eingerichtet sein, um die optische Quelle 128 und/oder den Messdetektor 140 und/oder den Referenzdetektor 142 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 124 ist eingerichtet, um die jeweils von dem Messdetektor 140 und dem Referenzdetektor 142 detektieren Eingangslichtsignale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Eingangssignale zu erzeugen. Aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor 140 erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor 142 erfassten Frequenzspektrums ist mindestens eine Koordinate des Messobjekts 112, insbesondere ein Abstand zwischen Lichtsensor 126 und Messobjekt 112, bestimmbar. Durch Änderung der Ausrichtung des Lichtsensors 126 entlang mindestens einer weiteren Achse können weitere Koordinaten des Messobjekts 112 auf die beschriebene Weise bestimmt werden. Die Auswerteeinheit 124 kann mindestens einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) aufweisen, welcher eingerichtet ist, um die von dem Messdetektor 140 und dem Referenzdetektor 142 generierten elektrischen Signale aufzunehmen. Die Auwerteeinheit 124 kann mindestens ein Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) aufweisen, welches eingerichtet ist die von dem ADC aufgenommenen Signale auszuwerten.
Die optische Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein, zu einem Nachverfolgen des Messobjekts 112. Insbesondere kann die optische Vorrichtung 110 eingerichtet sein eine Bewegung des Messobjekts 112 nachzuverfolgen.
Die optische Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein, dass ein Bestimmen der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation simultan erfolgt. Die optische Vorrichtung 110 kann eine Abstandsmessung ermöglichen, bei welcher simultan eine Messung eines Abstandes und/oder einer Änderung des Abstandes mit einer LiDAR-Einheit 116 und einem Lichtsensor 126 mit einem modengekoppelten Laser erfolgt. Für die LiDAR-Einheit 116 kann eine hohe Verfolgungsbandbreite als Anforderung aufgegeben werden. Die Absolutabstandsmessung kann nur noch derart schnell erfolgen, dass sichergestellt ist, das ein Übertritt einer Abstandsmessung mit dem Lichtsensor 126 über die Grenze des Uneindeutigkeitsbereiches eindeutig und sicher erfasst wird. Dieses kann die Messgenauigkeit erhöhen. Die Messung mit der LiDAR-Einheit 116 kann eine niederfrequente, hochgenaue Absolutabstandmessung liefern. Lichtsensoren 126 unter Verwendung eines modengekoppelten Lasers können einen limitierten Eindeutigkeitsbereich aufweisen, innerhalb dessen Verlagerungen eindeutig gemessen werden können. Für den Lichtsensor 126 kann die Forderung nach einem großen Eindeutigkeitsbereich aufgegeben werden, welches eine Erhöhung der Abtastrate ermöglicht. Der Lichtsensor 126 kann, unter Verwendung eines modengekoppelten Lasers, beispielsweise eines Femtosekundenlasers, eine hochfrequente, hochgenaue Abstandsmessung innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs des Lasers liefern. Die Hybridsensorik, also die Kombination der LiDAR-Einheit 116 und des Lichtsensor 126, kann eine Verbesserung und/oder Erhöhung einer Leistungsfähigkeit hinsichtlich Abtastrate, Messbereich, Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu optischen Systemen mit Einzelsensorik ermöglichen.
Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um aus der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation eine kombinierte Abstandsinformation zu bestimmen. Die LiDAR-Einheit 116 kann Abstände mit beispielsweise 10 Hz auf 100 Mikrometer genau bestimmen. Das Abstandsmesssystem mit mindestens modengekoppelten Laser liefert mit beispielsweise 10 KHz auf 1 Mikrometer Modulo Eindeutigkeitsbereich genaue Abstände. Vorzugsweise sollte der Eindeutigkeitsbereich größer sein als die Genauigkeit der LiDAR-Einheit 116. Die erste Abstandsinformation wird für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation wird für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet. Die erste Abstandsinformation wird für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation wird für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet. Die Abstandsinformation der LiDAR-Einheit 116 kann für den groben Abstand und die Abstandsinformation des modengekoppelten Lasers für die Nachkommastellen verwendet werden. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 124 eingerichtet sein, um eine Messgenauigkeit der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation zu bestimmen und zu vergleichen. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um, in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs, eine von der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation auszuwählen. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um außerhalb eines Eindeutigkeitsbereich des modengekoppelten Lasers die erste Abstandsinformation als kombinierte Abstandsinformation auszuwählen. Durch die Bestimmung einer kombinierten Abstandsinformation kann eine Verbesserung und/oder Erhöhung einer Leistungsfähigkeit hinsichtlich Abtastrate, Messbereich, Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu optischen Systemen mit Einzelsensorik ermöglicht werden.
Bezugszeichenliste

110: Optische Vorrichtung
112: Messobjekt
114: Retroreflektor
116: LiDAR-Einheit
118: Beleuchtungsvorrichtung
120: Messkanal
122: Sensorelement
124: Auswerteeinheit
126: Lichtsensor
128: Optische Quelle
130: 1. Frequenzkammsignal
132: 2. Frequenzkammsignal
134: CW LASER Quelle
136: Mikroresonatoren
138: Verstärker
140: Messdetektor
142: Referenzdetektor
144: photonisch integrierter Schaltkreis
146: Substrat, photonischer Multichip

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 2011/0007326 A1 [0015, 0099]
US 2013/0050410 A1 [0015, 0099]
US 2017/0258531 A1 [0015, 0099]
US 9559486 B2 [0017, 0101]
US 8913636 B2 [0017, 0101]
US 2016123718 A1 [0017, 0101]
DE 102018222629 A1 [0033, 0034, 0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs‟, P. Trocha et al., Science, RESEARCH REPORTS, 23. Februar 2018, Vol. 359 [0005]
„Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs‟, P. Trocha et al., Sience, RESEARCH REPORTS, 23. Februar 2018, Vol. 359 [0056, 0117]

Claims

Optische Vorrichtung (110) zur Abstandsbestimmung eines Messobjekts (112), umfassend: a) mindestens eine LiDAR-Einheit (116), welche mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (118) aufweist, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt (112) mit dem Eingangslichtstrahl zu beleuchten, wobei die LiDAR-Einheit (116) mindestens einen Messkanal (120) aufweist, welcher eingerichtet ist mindestens einen von dem Messobjekt (112) in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierten Messstrahl zu erfassen und mindestens ein LiDAR-Messsignal zu erzeugen; b) mindestens einen Lichtsensor (126), welcher mindestens eine optische Quelle (128) mit mindestens einem modengekoppelten Laser aufweist, wobei der modengekoppelte Laser eingerichtet ist, um mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen, wobei der Lichtsensor (126) eingerichtet ist das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufzuteilen und das Messobjekt (112) mit dem ersten Messsignal zu beleuchten, wobei der Lichtsensor (112) eingerichtet ist das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen, wobei der Lichtsensor (126) mindestens einen Messdetektor (140) und mindestens einen Referenzdetektor (142) aufweist, wobei der Messdetektor (140) eingerichtet ist, um das von dem Messobjekt (112) reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal zu erfassen, wobei der Referenzdetektor (142) eingerichtet ist, um das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu erfassen; c) mindestens eine Auswerteeinheit (124), welche eingerichtet ist aus dem LiDAR-Messsignal mindestens eine erste Abstandsinformation des Messobjekts (112) zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit (124) eingerichtet ist, um die jeweils von dem Messdetektor (140) und dem Referenzdetektor (142) detektieren Signale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale zu erzeugen, wobei die Auswerteeinheit (124) eingerichtet ist, um aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor (140) erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor (142) erfassten Frequenzspektrums mindestens eine zweite Abstandsinformation des Messobjekts (112) zu bestimmen.
Optische Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die optische Vorrichtung (110) eingerichtet ist, dass ein Bestimmen der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation simultan erfolgt.
Optische Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (124) eingerichtet ist, um aus der ersten Abstandsinformation und der zweiten Abstandsinformation eine kombinierte Abstandsinformation zu bestimmen.
Optische Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Abstandsinformation für einen groben Abstand und die zweite Abstandsinformation für eine Feinbestimmung des Abstandes verwendet wird.
Optische Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Quelle (128) mindestens eine duale Frequenzkammquelle aufweist.
Optische Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LiDAR-Einheit (116) eingerichtet ist, um mindestens den erfassten reflektierten Messstrahl mit einem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen, wobei die LIDAR-Einheit (116) eingerichtet ist in dem Frequenzspektrum mindestens einen Peak zu bestimmen und aus diesen die erste Abstandsinformation des Messobjekts (112) zu bestimmen.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LiDAR-Einheit und/oder der Lichtsensor auf mindestens einem photonisch integrierten Schaltkreis (PIC) (144) implementiert sind.
Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes eines Messobjekts (112), wobei in dem Verfahren mindestens eine optische Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: i) Bestimmen mindestens einer ersten Abstandsinformation des Messobjekts (112) mit mindestens einer LiDAR-Einheit (116), welche mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (118) aufweist, wobei mindestens ein frequenzmodulierter Eingangslichtstrahl mit der Beleuchtungsvorrichtung (118) erzeugt wird und das Messobjekt (112) mit dem Eingangslichtstrahl beleuchtet wird, wobei die LiDAR-Einheit (116) mindestens einen Messkanal (120) aufweist, wobei mindestens ein von dem Messobjekt (112) in Antwort auf den Eingangslichtstrahl reflektierter Messstrahl von dem Messkanal (120) erfasst wird und mindestens ein LiDAR-Messsignal erzeugt wird, wobei aus dem LiDAR-Messsignal die erste Abstandsinformation des Messobjekts mit mindestens einer Auswerteeinheit (124) bestimmt wird; ii) Bestimmen mindestens einer zweiten Abstandsinformation des Messobjekts (112) mit mindestens einem Lichtsensor (126), welcher mindestens eine optische Quelle (128) mit mindestens einem modengekoppelten Laser aufweist, wobei mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal mit dem modengekoppelten Laser erzeugt wird, wobei das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufgeteilt wird und das Messobjekt (112) mit dem ersten Messsignal beleuchtet wird, wobei das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufgeteilt wird, wobei der Lichtsensor (126) mindestens einen Messdetektor (140) und mindestens einen Referenzdetektor (142) aufweist, wobei das von dem Messobjekt (112) reflektierte erste Messsignal und das zweite Messsignal von dem Messdetektor (140) erfasst wird, wobei das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal von dem Referenzdetektor (142) erfasst wird, wobei die jeweils von dem Messdetektor (140) und dem Referenzdetektor (142) detektieren Signale mit der Auswerteeinheit (124) ausgewertet werden und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale erzeugt wird, wobei aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor (140) erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor (142) erfassten Frequenzspektrums mindestens eine zweite Abstandsinformation des Messobjekts (112) bestimmt wird.
Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren nach dem vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden Anspruch, in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach Anspruch 8 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.