DE102020215073A1

DE102020215073A1 - Selbstkalibrierendes optronisches Messsystem

Info

Publication number: DE102020215073A1
Application number: DE102020215073.7A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Es wird ein optronisches Messsystem (110) zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts (112) vorgeschlagen. Das optronische Messsystem (110) umfasst:
a) mindestens eine Lokalisierungseinheit (116), welche eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (120) zu erzeugen, das Messobjekt (112) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (120) zu beleuchten, mindestens einen von dem Messobjekt (112) kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl (114) zu empfangen und mindestens eine Messgröße zu bestimmen;
b) mindestens eine von der Lokalisierungseinheit (116) abgekoppelte Referenzeinheit (128), welche eingerichtet ist, um eine Referenzgröße bereitzustellen;
c) mindestens eine Auswerteeinheit (124), welche eingerichtet ist, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren, wobei die Auswerteeinheit (124) weiter eingerichtet ist, um die mindestens eine Koordinate des Messobjekts (112) durch Auswerten der kalibrierten Messgröße zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein optronisches Messsystem und ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik.
Technischer Hintergrund
Für die dimensionelle Messtechnik werden zunehmend optronische Messsysteme interessant, mit denen berührungslos Distanzen mit sehr hohen Reproduzierbarkeiten, Auflösungen und Messraten über sehr große Strecken, also Strecken >> 1 m, gemessen werden sollen. Allerdings weisen diese Messsysteme nicht ohne Weiteres auch die hierfür benötigte Genauigkeit und Stabilität auf. Sie müssen entsprechend kalibriert werden, damit sichergestellt wird, dass die verwendete Wellenlänge, bzw. die optische Frequenz, tatsächlich so exakt bekannt ist, dass mit ihr eine hochgenaue dimensionelle Messung eines Abstandes erfolgen kann.
Beispielsweise sind FMCW-LIDAR Systeme bekannt, in welchen im Wesentlichen eine Laufzeitmessung erfolgt. Dabei wird der Laufzeitunterschied als Frequenzverstimmung kodiert. Mithin ist es also von größter Bedeutung, dass der Zusammenhang zwischen Frequenzverstimmung und Zeit, also die so genannte Chirprate, zumindest so genau wie die angestrebte Systemgenauigkeit bekannt ist.
Beispielsweise sind weiterhin modengekoppelter Laser bzw. Frequenzkammgeneratoren bekannt, welche auch in der Trägerfrequenzdomäne vollständige Phasenkohärenzeigenschaften aller Moden aufweisen. Dadurch kann einerseits ihre optische Frequenz, bzw. genauer ihre Phase, für Messungen eingesetzt werden. Zum anderen können ebenso die Modenabstände, also die so genannte Repetitionsrate, eingesetzt werden.
Sowohl für die optische Frequenz bzw. die Wellenlänge des Laserlichtes als auch für die Zeit sind die für hochgenaue dimensionelle Messung nötigen Genauigkeiten nicht ohne Weiteres zu erreichen. Wenn beispielsweise 10m Strecke mit 1 µm Genauigkeit gemessen werden sollen, entspricht das einem Verhältnis von 10^-7. Für diesen Fall sollte die Frequenz auf 10^-8 bekannt sein. Will man zudem mit hohen Messraten im Bereich von 1 kHz oder höher arbeiten, kommen noch Anforderungen hinsichtlich der vorzuhaltenden Frequenzstabilität hinzu. Typischerweise ist dann ein Verhältnis von 10^-10 oder besser erforderlich.
Bei industriellen Koordinatenmessgeräten kann es problematisch sein, die benötigte Genauigkeit und Stabilität sowohl für die optische Frequenz als auch für die Zeit zu realisieren. Dejustierende Umgebungseinflüsse können beispielsweise ein Driften der Messgeräte verursachen. Die hierdurch notwendigen Kalibrierintervalle sind wiederum mit Aufenthalten in Kalibrierlaboren und damit zusammenhängenden Einsatzunterbrechungen in der Vermessung verbunden.
Aufgabe der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, ein optronisches Messsystem und ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere sollen selbstkalibrierende und hochgenau messende, optronische Messsysteme und Verfahren ermöglicht werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird adressiert durch ein optronisches Messsystem und ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger 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 den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, 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, 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 ein optronisches Messsystem zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts vorgeschlagen. Das optronische Messsystem umfasst:

a) mindestens eine Lokalisierungseinheit, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, das Messobjekt mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, mindestens einen von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens eine Messgröße zu bestimmen,
b) mindestens eine von der Lokalisierungseinheit abgekoppelte Referenzeinheit, welche eingerichtet ist, um eine Referenzgröße bereitzustellen;
c) mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren, wobei die Auswerteeinheit weiter eingerichtet ist, um die mindestens eine Koordinate des Messobjekts durch Auswerten der kalibrierten Messgröße zu bestimmen.

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 das optronische Messsystem 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- und 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, welches über die Retroreflektoren lokalisiert werden soll, gesperrt sind, kann eine Anordnung mit zwei Retroreflektoren verwendet werden.
Der mindestens eine kohärenzerhaltend remittierte Lichtstrahl von dem Messobjekt kann ein gerichtet oder ungerichtet remittierter Lichtstrahl sein. Der mindestens eine Lichtstrahl von dem Messobjekt kann ein reflektierter Lichtstrahl und/oder gestreuter Lichtstrahl und/oder gebeugter Lichtstrahl sein. Im Folgenden wird exemplarisch auf einen reflektierten Lichtstrahl Bezug genommen.
Der Begriff „Koordinate“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Angabe zur Lage eines Ortes auf einer zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts beziehen. Die Koordinate kann insbesondere eine longitudinale Koordinate sein. Unter dem Ausdruck „zum Bestimmen mindestens einer Koordinate“ kann insbesondere eine Abstandsbestimmung verstanden werden. 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 den Lichtstrahl remittierenden Punktes einer Oberfläche oder eines den Lichtstrahl remittierenden Oberflächensegmentes des Messobjekts zu dem optronischen Messsystem sein. Beispielsweise kann der Abstand eine Information über einen Abstand zwischen einem Ort auf der Oberfläche des Messobjekts und dem optronischen Messsystem sein. Der Ort kann ein beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts sein, an welchem ein Bestimmen einer Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Ort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts sein. Die longitudinale Koordinate kann eine Höhenkoordinate sein. Das optronische Messsystem kann eingerichtet sein, um 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. Das optronische Messsystem 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. Das optronische Messsystem 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 Messobjekts. 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.
Der Begriff „System“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung umfassend eine Mehrzahl von Komponenten oder Elementen beziehen, welche zumindest teilweise zusammenwirken, um mindestens eine Funktion zu erfüllen. Der Begriff „optronisches Messsystem“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein System beziehen, welches zu Messzwecken eingerichtet ist, elektronische Signale in optische Signale und/oder umgekehrt optische Signale in elektronische Signale umzuwandeln.
Das optronische Messsystem umfasst die mindestens eine Lokalisierungseinheit. Der Begriff „Lokalisierungseinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist, mindestens eine Messgröße in Abhängigkeit mindestens einer Koordinate des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Messobjekts zu erzeugen.
Der Begriff „Messgröße“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Größe beziehen, welche aus dem kohärenzerhaltend remittierten, empfangenen Lichtstrahl und/oder unter Verwendung des kohärenzerhaltend remittierten, empfangenen Lichtstrahls erzeugt wurde. Die Messgröße kann insbesondere mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Zeit, optischer Frequenz, Repetitionsrate oder ggf. eine von diesen abgeleitete Messgröße. Beispielsweise kann die Messgröße auch eine Frequenzverstimmungsrate (Dopplershift, Dopplershiftänderung), Carrier-Envelope-Offset-Phase-Shift sein. Die Messgröße kann ein Lichtbeschreibungsparameter in der Baseband und/oder Trägerfrequenzdomäne sein. Aus der Messgröße kann die mindestens eine Koordinate bestimmt werden. Beispielsweise kann die Messgröße die Zeit, insbesondere eine Laufzeit sein. Die Koordinate kann dann über bekannte Verfahren aus der Laufzeit unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden.
Die Lokalisierungseinheit kann mindestens eine Beleuchtungseinheit aufweisen. Unter einer „Beleuchtungseinheit“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungseinheit kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle. 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. Unter einem „Lichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen beliebigen Lichtstrahl beziehen, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um das Messobjekt zu beleuchten.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein ein lichtbasiertes Abstandsmessverfahren mit Heterodyndetektion durchzuführen. Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, um zum Bestimmen der Messgröße mindestens ein Messprinzip zu verwenden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Interferometrie und LIDAR. Die Lokalisierungseinheit kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einen modengekoppelten Laser, mindestens einer LIDAR-Einheit, mindestens einer FMCW-LIDAR-Einheit.
Der Begriff „Interferometrie“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Messprinzip beziehen, welches die Überlagerung von Lichtstrahlen nach dem Superpositionsprinzip zur Bestimmung der mindestens einen Messgröße nutzt. Die Lokalisierungseinheit kann mindestens ein Interferometer aufweisen. Beispielsweise kann das Interferometer ausgewählt sein, aus einem Zweistrahlinterferometer, wie mindestens einem Mach-Zehnder-Interferometer, mindestens einem Michelson-Interferometer, mindestens einem Rayleigh-Interferometer, oder mindestens einem Weißlichtinterferometer, mindestens einem Mirau-Interferometer, und/oder mindestens einem Vielstrahlinterferometer, wie beispielsweise einem Fabry-Perot-Interferometer oder einem Fizeau-Interferometer.
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. Die LIDAR-Einheit kann die mindestens eine Beleuchtungseinheit aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann eingerichtet sin mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen, eine so genannte „Frequency Modulated Continuous Wave“ (FMCW). Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein, den Eingangslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Eingangslichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale LIDAR, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. Unter einem „frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl“ kann ein von der Beleuchtungseinheit erzeugter Lichtstrahl verstanden werden, welcher eine modulierte, beispielsweise linear modulierte, Frequenz aufweist. Die Beleuchtungseinheit kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode, mindestens eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode, mindestens einen Solitonenlaser, mindestens einen Faserlaserlaser, insbesondere in Photonic-Integrated-circuit Bausweise.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, um den von der Beleuchtungseinheit erzeugten Beleuchtungslichtstrahl in mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Messstrahl aufzuteilen. Zu diesem Zweck kann die Lokalisierungseinheit mindestens einen Strahlteiler aufweisen. Der Messstrahl kann eingerichtet sein, um das Messobjekt zu beleuchten. Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet, um mindestens einen von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierten, insbesondere reflektierten, Messstrahl zu erfassen. Unter einem „kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl“ kann ein von dem Messobjekt in Antwort auf den Messstrahl kohärenzerhaltend remittierter Lichtstrahl verstanden werden. Die Lokalisierungseinheit kann mindestens ein Sensorelement aufweisen, welches eingerichtet ist, den kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu detektieren. Unter „Erfassen des kohärenzerhaltend remittierten Messstrahls“ kann ein Detektieren des kohärenzerhaltend remittierten Messstrahls verstanden werden. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, den kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu empfangen und/oder aufzuzeichnen. Das Sensorelement kann mindestens eine Photodiode aufweisen. Das Sensorelement kann ein Element einer Detektoreinheit sein.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, den mindestens einen Referenzlichtstrahl zu erzeugen. Die Lokalisierungseinheit kann mindestens einen Referenzarm aufweisen. Der Referenzlichtstrahl kann ein aktueller Beleuchtungslichtstrahl sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der Lokalisierungseinheit dem Sensorelement zugeführt wird. Die Detektoreinheit kann eingerichtet sein, den Referenzlichtstrahl mit dem kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu überlagern.
Beispielsweise kann das optronische Messsystem die mindestens eine LIDAR-Einheit aufweisen und das Messsignal kann ein LIDAR-Messsignal sein. Unter einem „LIDAR-Messsignal“ kann ein Signal der LIDAR-Einheit verstanden werden, welches mindestens eine Information über einen Frequenzunterschied, auch Frequenzdelta genannt, zwischen Referenzstrahl und dem kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl aufweist. Das LIDAR-Messsignal kann ein Signal sein, in welchem der kohärenzerhaltend remittierte Messstrahl mit dem Referenzstrahl überlagert ist. Das LIDAR-Messsignal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzstrahls überlagert mit dem kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl sein. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein, mindestens einen kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl mit dem Referenzstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus dem LIDAR-Messsignal die mindestens eine Koordinate des Messobjekts zu bestimmen. Die Koordinate des Messobjekts kann eine Information über den Abstand des Messobjekts umfassen, beispielsweise einen Abstandswert und/oder die longitudinale Koordinate und/oder eine Änderung des Abstandes. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein, um mindestens den erfassten kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl mit einem Referenzstrahl 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, so genannte Peaks. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, mindestens einen Peak des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Auswerteeinheit 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 Abstandsinformation des Messobjekts bestimmt werden.
Die optische Vorrichtung weist mindestens eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um von der Lokalisierungseinheit erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der Lokalisierungseinheit und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lokalisierungseinheit, insbesondere die Beleuchtungseinheit, den mindestens einen modengekoppelten Laser aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann mindestens einen Frequenzkammgenerator umfassen. Unter einem „Frequenzkammgenerator“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist zu mindestens einer Frequenzmessung. 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 kann eingerichtet sein, 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 „duale Frequenzkammquelle“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Quelle verstanden werden, welche eingerichtet ist um mindestens zwei Frequenzkammsignale zu erzeugen, insbesondere gleichzeitig. Die Beleuchtungseinheit 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 Beleuchtungseinheit, 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 pulslängeantiproportional-breite Seitenbänder „gruppieren“. Dabei können die Seitenbänder sich kammförmig, insbesondere äquidistant im Frequenzraum verteilen. Bei einer Verwendung eines modengekoppelten Lasers ist das Spektrum grundsätzlich kammförmig mit einem Frequenzabstand, der der inversen Laserresonator-Umlaufzeit entspricht.
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.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, 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. Das erste Messsignal kann der Beleuchtungslichtstrahl sein. Unter einem „ersten Referenzsignal“ kann ein Anteil des ersten Frequenzkammsignals verstanden werden, welcher ungestört ist. Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, um 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 der Detektoreinheit, insbesondere in einem Messdetektor, erfasst wird. Das zweite Messsignal kann ein Signal mit bekanntem spektralen Intensitätsprofil sein. Das zweite Referenzsignal bezeichnet dabei den Anteil des zweiten Frequenzkammsignals, welcher in einem Referenzdetektor erfasst wird. Die Lokalisierungseinheit kann mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor aufweisen. 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. Unter „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 kohärenzerhaltend remittierten 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 kann eingerichtet sein, um das von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierte 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 so genannte „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, um die Beleuchtungseinheit und/oder den Messdetektor und/oder den Referenzdetektor anzusteuern.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, 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 kann eingerichtet sein, um aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums mindestens eine Abstandsinformation des Messobjekts zu bestimmen.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein eine Vielzahl von Koordinaten, insbesondere eine 3D-Information des Messobjekts zu bestimmen. Die Lokalisierungseinheit kann um mindestens zwei Achsen beweglich gelagert sein. Unter „beweglich gelagert“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass die Lokalisierungseinheit um mindestens zwei Achsen gegen das Messobjekt bewegbar ist. Die Lokalisierungseinheit kann beispielsweise mindestens eine Lagerungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheit zu bewegen, und/oder die Lokalisierungseinheit kann in mindestens einen Aktuator eines Koordinatenmessgeräts einbringbar sein, welcher eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheit zu bewegen. Die Lagerungseinheit kann beispielsweise eine Drehschwenkeinrichtung und/oder ein Dreh-Schwenk-Gelenk aufweisen. Die Lokalisierungseinheit kann um mindestens fünf Achsen, bevorzugt sechs Achsen beweglich gelagert sein. Die Lokalisierungseinheit kann ein dreidimensionaler Sensor sein. Die bewegliche Lagerung um mindestens zwei Achsen erlaubt neben der Bestimmung einer ersten Koordinate des Messobjekts, beispielsweise einer longitudinalen Koordinate, nach einer Verlagerung der Lokalisierungseinheit eine Bestimmung mindestens einer weiteren Koordinate des Messobjekts. So kann eine 3D Vermessung des Messobjekts ermöglicht werden. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit entlang mindestens einer weiteren Achse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
Die Lokalisierungseinheit kann als Punkt-Sensorik oder als Flächen-Sensorik ausgestaltet sein. Basierend auf Interferometrie und/oder LIDAR und/oder Holographie kann Punkt-Sensorik und/oder Flächen-Sensorik und/oder kohärente 3D-Bildgebung zur Digitalisierung von Oberflächen und/oder Objekten und/oder Umgebungen realisiert werden.
Die Messgröße kann beispielsweise die Zeit, und/oder optische Frequenz und/oder die Repetitionsrate sein. Insbesondere kann, wie oben ausgeführt, die Lokalisierungseinheit mindestens einen modengekoppelten Laser aufweisen und die Messgröße kann die optische Frequenz sein. Der Begriff „optische Frequenz“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Anzahl von Perioden einer elektromagnetischen Welle innerhalb einer vorbestimmten oder vordefinierten Zeiteinheit und/oder eine Phase beziehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Messgröße die Repetitionsrate sein. Der Begriff „Repetitionsrate“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf Modenabstände des modengekoppelten Lasers beziehen. Die Messgröße kann die Zeit sein. Bei Bestimmungen der Koordinate des Messobjekts unter Verwendung der optischen Frequenz und/oder der Repetitionsrate ist zudem eine genaue Zeitmessung notwendig.
Insbesondere kann, wie oben ausgeführt, die Lokalisierungseinheit mindestens eine LIDAR-Einheit, insbesondere eine FMCW-LIDAR-Einheit, aufweisen. Bei der Bestimmung des Abstandes mit einer FMCW-LIDAR-Einheit kann, wie oben beschrieben, ein frequenzmoduliertes Signal verwendet werden, um aus der Schwebungsfrequenz zwischen Licht am Ort des Sensorelements und dem Licht, dass die Strecke zum Messobjekt bzw. zum Retroreflektor am Messobjekt zweifach durchlaufen hat, den Abstand zu errechnen. Dieses Verfahren kann für bewegte Objekte aufgrund der damit verbundenen Dopplerverschiebung aufwendig in der Korrektur sein. Die Durchstimmung der Lichtfrequenz muss sehr gut linear bzw. linearisiert werden. Ein Zeitintervall, innerhalb dessen die Durchstimmung der Frequenz erfolgt, muss sehr exakt bekannt sein, da diese Zeit multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit den Abstand zum Messobjekt ergibt. Für das Bestimmen des Abstandes durch diese „Laufzeitmessung“ mittels Frequenzverstimmung kann eine hochgenaue Zeitskala notwendig sein. Insbesondere muss die so genannten Chirprate, also der Zusammenhang zwischen Frequenzverstimmung Δv und Zeit Δt, auch als Chirp-Interval bezeichnet, mit Chirprate = Δv/ Δt, bestmöglich bekannt sein. Die Messgröße kann, bei Verwendung einer LIDAR-Einheit als Lokalisierungseinheit, die Zeit, insbesondere das Chirp-Interval sein. Dabei muss die Zeitskala auf kurzen Zeitskalen genau sein, um überhaupt eine genaue Messung, insbesondere eine Einzelmessung zu ermöglichen. Auf langen Zeitskalen muss die Zeitskala ebenfalls genau sein, denn sonst werden Rekalibrierungen nötig.
Das optronische Messsystem umfasst die mindestens eine von der Lokalisierungseinheit abgekoppelte Referenzeinheit. Der Begriff „Referenzeinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein grundsätzlich beliebiges Element des optronischen Messsystems beziehen, welches eingerichtet ist, die mindestens eine Referenzgröße für die mindestens eine Messgröße bereitzustellen. Unter „Bereitstellen“ der Referenzgröße kann ein Erzeugen der Referenzgröße, insbesondere ein Messen der Referenzgröße mit einer internen Referenzmessvorrichtung als Referenzeinheit, und Übermitteln der erzeugten Referenzgröße an die Auswerteeinheit, und/oder ein Übermitteln der Referenzgröße aus mindestens einer Datenbank und/oder mit einer externen Referenzmessvorrichtung erzeugten Referenzgröße mittels der Referenzeinheit an die Auswerteeinheit, verstanden werden. Die Referenzeinheit kann eingerichtet sein, um die Referenzgröße dem optronischen Messsystem, insbesondere der Auswerteeinheit, während des Betriebs des optronischen Messsystems, insbesondere online, also während des Messbetriebs, bereitzustellen.
Der Begriff „Referenzgröße“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein metrologisches Normal beziehen. Die Referenzgröße kann eine Primärnormale sein, insbesondere eine Primärnormale in den Einheiten des internationalen Einheitensystems (SI). Die Referenzgröße kann von einer von der Lokalisierungseinheit unabhängigen Messvorrichtung bereitstellbar sein.
Die Referenzgröße kann mindestens eine Referenzzeitskala und/oder mindestens eine Referenz-Frequenz sein. Der Begriff „Referenzzeitskala“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf mindestens ein zeitliches Normal beziehen. Der Begriff „Referenz-Frequenz“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Frequenz-Normal beziehen.
Der Begriff „abgekoppelte“ Referenzeinheit, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Referenzeinheit beziehen, welche optisch von der Lokalisierungseinheit entkoppelt ist, und/oder gegen dejustierende Einflüsse abgeschirmt ist. Die Referenzeinheit kann örtlich getrennt, und/oder gegen Störeinflüsse abgeschirmt, und/oder physikalisch-prinzipiell unabhängig sein.
Der Begriff „optisch entkoppelt“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere darauf beziehen, dass die abgekoppelte Referenzeinheit und Lokalisierungseinheit voneinander unabhängige optische Vorrichtungen aufweisen, insbesondere voneinander unabhängige Lichtquellen. Die Referenzeinheit kann mindestens ein optisches und/oder mindestens ein nicht-optisches Messprinzip verwenden um die Referenzgröße bereitzustellen.
Unter „dejustierende Einflüsse“ können beliebige Einflüsse der Umgebung verstanden werden, insbesondere allgemeine Alterungsprozesse, allgemeine Instabilitäten, usw.. Die Einflüsse können beispielsweise Temperatur, externe elektromagnetische Kräfte und/oder externe mechanische Kräfte wie beispielsweise Vibrationen sein. Dejustierende Einflüsse können sein allgemeine Alterungsprozesse (langsame Drifts), allgemeine Instabilitäten (kurzzeitige Fluktuationen mit u.U. uneinheitlichen spektralen Dichten der Rauschleistung), allgemeine Ablagen gegen SI Größe (Genauigkeit, „Accuracy“), Richtigkeit der SI-Größe (Unsicherheit). Der Begriff „gegen dejustierende Einflüsse abgeschirmt“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein von dejustierenden Einflüssen Abgekoppelt sein und/oder ein gegenüber dejustierenden Einflüssen Robust sein beziehen. Beispielswiese kann die Referenzeinheit unter Verwendung einer in „A Mobile Ultra-low Phase Noise Sapphire Oscillator“, Poseidon Scientific Instruments Pty Ltd., Microwave Journal, 2002, www.microwavejournal.com/articles/3367-a-mobile-ultra-low-phase-noise-sapphireoscillator, beschriebenen Maßnahme von den dejustierenden Einflüssen der Umgebung abgeschirmt sein. Beispielsweise kann ein dejustierender Einfluss die Temperatur sein. Die Referenzeinheit kann gegenüber der Temperatur durch eine thermo-elektrische Kühlung abgeschirmt sein. Beispielsweise können externe elektromagnetische Kräfte ein dejustierender Einfluss sein. Die Referenzeinheit kann gegenüber externen elektromagnetischen Kräften abgeschirmt sein, indem auf den Einsatz von Piezoelementen verzichtet wird und/oder ein Schaltkreis zur Rauschunterdrückung verwendet wird. Beispielsweise können externe mechanische Kräfte ein dejustierender Einfluss sein. Die Referenzeinheit kann gegenüber externen mechanischen Kräften abgeschirmt sein, indem sie vibrationsunempfindlich ausgestaltet wird.
Es wird insbesondere vorgeschlagen, das optronische Messsystem mit mindestens einer abgekoppelten „On-Board“-Referenzeinheit auszustatten. Die Referenzeinheit kann eine abgekoppelte „On-Board“-Referenzeinheit umfassen. Der Begriff „On-Board“-Referenzeinheit kann sich dabei auf eine lokal vorgehaltene Referenzeinheit beziehen, welche insbesondere eingerichtet ist, die mindestens eine Referenzgröße selbst zu erzeugen. So können die geforderten Genauigkeiten und Stabilitäten erreicht werden. Selbst in mobilen Messgeräten, beispielsweise in so genannten „harsh environments“ (rauen Umgenungen), können gegen den Einfluss dieser Umgebungsbedingungen unempfindliche on-board-Referenzen verwendet werden. So können Referenzgrößen auch dort verfügbar sein, wo kein GPS- oder kein Radioempfang möglich ist, beispielsweise im Bergbau oder Tunnelbau. Auch im Weltraum können hierdurch Referenzgrößen verfügbar sein. Beispielsweise kann die Referenzeinheit eine Weltraumuhr aufweisen, welche beispielsweise ausgestaltet sein kann wie in „Iodine Frequency Reference on a Sounding Rocket“, Klaus Döringshoff et al. in Physical Review Applied, 2019, journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.054068 beschrieben.
Das vorgeschlagene optronische Messsystem erlaubt, dass die Verkörperung des benötigten Maßes nicht mehr lokal vorgehalten werden muss und ein Anschluss an die SI-Primärnormale erfolgt nicht mehr nur in Kalibrierintervallen, sondern im Wesentlichen ständig, insbesondere ständig. Ein mit der erfindungsgemäßen, abgekoppelten Referenzeinheit ausgestattetes optronisches Messsystem kann höchste Genauigkeiten ermöglichen. Ein mit der erfindungsgemäßen, abgekoppelten Referenzeinheit ausgestattetes optronisches Messsystem kann im strengsten Sinne selbstkalibrierend sein, da es ohne übliche Kalibrierintervalle und mit diesen verbundenen Pausen, die mit Aufenthalten in Kalibrierlaboren verbunden sind, ohne Unterbrechungen im Einsatz bleibt. Durch diesen vorgeschlagenen Online-Maßanschluss kann ein so genanntes „Driften“ des optronischen Messsystems verhindert werden.
Die abgekoppelte Referenzeinheit kann mindestens eine kurzzeitstabile Uhr umfassen. Der Begriff „kurzzeitstabile Uhr“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Zeitmesser beziehen, welcher zumindest auf kurzen Zeitskalen sehr geringe Frequenzschwankungen aufweist.
Die kurzzeitstabile Uhr kann mindestens einen Quarzoszillator und/oder mindestens eine Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität und/oder eine optische Uhr, beispielsweise eine Iod-Zelle, umfassen. Der Begriff „Quarzoszillator“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine elektronische Schaltung beziehen, mit welcher über einen Schwingquarz periodische Schwingungen mit bestimmter Frequenz erzeugt werden können. Quarzoszillatoren können sich insbesondere zum Bereitstellen von Referenzzeitskalen eignen, insbesondere in einem Bereich von ~ 1 GHz. Der Begriff „Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen optischen Resonator beziehen, dessen Spiegel aus Ultra-Low-Expansion Glas mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Beispielsweise kann die kurzzeitstabile Uhr wie in „Ultra Compact Reference ULE Cavity“, Didier et al. in IEEE, 2014, oder wie in stablelasers.com/choosing-cavity/, Stable Laser Systems ausgestaltet sein. ULE-Kavitäten können sich insbesondere zum Bereitstellen von Referenz-Frequenzen eignen, insbesondere in einem Bereich von ~ hunderten Terahertz. Die kurzzeitstabile Uhr kann eingerichtet sein, um die Referenzgröße für kurze Zeitskalen bereitzustellen. So können hochgenaue Einzelmessungen der Messgröße ermöglicht werden.
Die Referenzeinheit kann an mindestens ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informationssystem angebunden sein und eingerichtet sein, um von diesen Daten zu empfangen. Die Referenzeinheit kann mindestens eine Datenschnittstelle aufweisen, welche eingerichtet ist, Daten zu empfangen. Daten des globalen Navigationssatellitensystems und/oder des globalen, erdgebundenen Informationssystems können als Referenzgröße verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die kurzzeitstabile Uhr über Anbindung an mindestens ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informationssystem über eine Atomzeit korrigierbar sein. Auf mittleren bis langen Zeitskalen können so Korrekturen der kurzzeitstabilen Uhr durchgeführt werden. Der Begriff „globales Navigationssatellitensystem“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein satellitengestütztes System zur Positionsbestimmung und/oder Navigation auf der Erde und/oder in der Luft beziehen. Beispielsweise kann das globale Navigationssatellitensystem ein beliebiges Satellitenbasiertes Zeitverteilungssystem sein. Beispielsweise kann das globale Navigationssatellitensystem mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: Global Positioning System (GPS), Global Navigation Satellite System (GLONASS) oder Galileo oder ein anderes Satelliten-Navigationssystem. Beispielsweise kann die Korrektur der kurzzeitstabilen Uhr wie in „GPS disziplinierter Normaloszillator (GPSDO)“ von Jörg Logemann, April 2017, shf-treffde/pdf/GPSDO.pdf beschrieben erfolgen.
Der Begriff „globales, erdgebundenes Informationssystem“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft beziehen, welches durch terrestrische Vorrichtungen wie beispielsweise Sendestationen oder Netzverbindungen gestützt wird. Das globale, erdgebundene Informationssystem kann beispielsweise eines oder mehreres von mindestens einen Langwellensender, mindestens ein Glasfasernetz, mindestens einem Radiofrequenzleiter und mindestens einen Mikrowellenleiter aufweisen. Beispielsweise kann der Langwellensender ein DCF77 Langwellensender sein und wie in „Overview of DCF77 Time Protocol“, Cyber Sciences Inc., 2011, www.mon-club-elec.fr/mes_docs/dcf77/TN-103_DCF77.pdf. oder in „Time and Standard Frequency Station DCF77“, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, 1984, www.eecis.udel.edu/-mills/ntp/dcf77.html ausgestaltet sein. Der Begriff „Atomzeit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Zeitskala beziehen, deren Zeittakt aus einer atomaren Resonanz, also aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Die Atomzeit kann auf der Atomsekunde basieren, welche durch den Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von ¹³³Cs definiert ist, oder auch auf optischen Übergangsfrequenzen in Atomhüllen bzw. in Atomkernen.
Die abgekoppelte Referenzeinheit kann mindestens eine optische Uhr umfassen. Die optische Uhr kann eine optische Referenzfrequenz bereitstellen. Beispielsweise kann die optische Uhr eine Iod-Zelle sein und/oder umfassen. Der Begriff „optische Uhr“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Atomuhr beziehen, welche mit einer optischen Resonanz arbeitet. Dazu können einzelne Atome in Ionenkäfigen gespeichert werden. Die zugehörige optische Frequenz kann beispielsweise über Frequenzkammgeneratoren gemessen werden. Die optische Uhr kann sowohl auf kurzen als auch auf langen Zeitskalen eine höhere Genauigkeit aufweisen als kurzzeitstabile Uhren bzw. Caesium-Atomuhren. Die optische Uhr kann beispielsweise wie in „Absolute frequency measurement of the iodine-stabilized Ar+ laser at 514.6 nm using a femtosecond optical frequency comb“, Goncharov et al. in Appl. Phys. B, 2004 oder in „Guidelines for developing optical clocks with 10-18 fractional frequency uncertainty“, Abdel-Hafiz et al., 2019, empir.npl.co.uk/oc18/, beschrieben, ausgestaltet sein.
Das optronische Messsystem umfasst die mindestens eine Auswerteeinheit. Der Begriff „Auswerteeinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist, um die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der Lokalisierungseinheit und der Auswerteeinheit und/oder der Referenzeinheit 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 Lokalisierungseinheit und/oder die Referenzeinheit 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 ist eingerichtet, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren. Der Begriff „kalibrieren“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Regeln einer Messskala der Messgröße auf die Referenzgröße umfassen. Das Kalibrieren kann ein Anpassen einer Messskala der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße umfassen. Der Begriff „Anpassen einer Messskala der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Korrektur der Messskala beziehen abhängig von der Referenzgröße. Beispielsweise kann die Messgröße die Repetitionsrate oder ein Chirp-Intervall sein und die Referenzgröße kann eine Referenzzeit sein, welche beispielsweise von der kurzzeitstabilen Uhr und/oder durch Anbindung an ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informations-System bereitgestellt wird.
In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts vorgeschlagen. In dem Verfahren wird mindestens ein optronisches Messsystem nach einer der weiter oben oder weiter unten beschriebenen, ein optronisches Messsystem, betreffenden Ausführungsformen verwendet.
Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

i) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Lokalisierungseinheit, Beleuchten des Messobjekts mit dem Beleuchtungslichtstrahl, Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl mit der Lokalisierungseinheit und bestimmen mindestens einer Messgröße;
ii) Bereitstellen mindestens einer Referenzgröße mit mindestens einer von der Lokalisierungseinheit abgekoppelten Referenzeinheit;
iii) Kalibrieren der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße mit mindestens einer Auswerteeinheit und Bestimmen der mindestens einen Koordinate des Messobjekts durch Auswerten der kalibrierten Messgröße.

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 erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Das Verfahren kann automatisch durchgeführt werden.
Für weitere Definitionen und Ausgestaltungen des Verfahrens zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts kann auf Definitionen und Ausgestaltungen des optronischen Messsystems verwiesen werden.
Das Verfahren kann computer-implementiert sein und/oder automatisch durchgeführt werden. Zumindest die Verfahrensschritte i) und iii) können computerimplementiert sein und/oder automatisch durchgeführt werden. Der Begriff „computerimplementiert“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Verfahren beziehen, welches mindestens einen Computer und/oder mindestens ein Computer-Netzwerk involviert. Der Computer und/oder das Computer-Netzwerk können mindestens einen Prozessor umfassen, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens der Erfindung durchzuführen. Bevorzugt wird jeder der Verfahrensschritte jeweils von dem Computer und/oder dem Computer-Netzwerk durchgeführt. Der Begriff „automatisch“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Prozess beziehen, welcher vollständig durch einen Computer und/oder ein Computer-Netzwerk und/oder eine Maschine insbesondere ohne Benutzerinteraktion und/oder manuelles Eingreifen durchgeführt wird. Eine Benutzerinteraktion kann erforderlich sein, um den Prozess und/oder einzelne Prozessschritte einzuleiten. Die Benutzerinteraktion kann das Auswählen von mindestens einem Datensatz und/oder das Eingeben mindestens eines Befehls umfassen.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Verfahrensschritte i) und iii), in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Verfahrensschritte i) und iii), 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 und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
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, insbesondere die Verfahrensschritte i) und iii), 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, insbesondere die Verfahrensschritte i) und iii), 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, insbesondere der Verfahrensschritte i) und iii), nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf. So werden hochgenaue Koordinatenmessungen mit sehr hohen Reproduzierbarkeiten, Auflösungen und Messraten über sehr große Strecken ermöglicht. Dabei werden Vermessungsunterbrechungen aufgrund von Kalibrierintervallen vermieden. Durch eine Verwendung von kurzzeitstabilen Uhren lassen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zudem industriell gut umsetzen. Selbst in schwierigen Messumgebungen kann der Einfluss der Umgebungsbedingungen unterdrückt werden.
Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:

Ausführungsform 1 Optronisches Messsystem zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts, umfassend:
1. a) Mindestens eine Lokalisierungseinheit, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, das Messobjekt mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, mindestens einen von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens eine Messgröße zu bestimmen;
2. b) mindestens eine von der Lokalisierungseinheit abgekoppelte Referenzeinheit, welche eingerichtet ist, um eine Referenzgröße bereitzustellen;
3. c) mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren, wobei die Auswerteeinheit weiter eingerichtet ist, um die mindestens eine Koordinate des Messobjekts durch Auswerten der kalibrierten Messgröße zu bestimmen.
Ausführungsform 2 Optronisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Messgröße mindestens eine Größe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Zeit, optischer Frequenz, Repetitionsrate.
Ausführungsform 3 Optronisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Referenzgröße mindestens eine Referenzzeitskala und/oder mindestens eine Referenz-Frequenz ist.
Ausführungsform 4 Optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Kalibrieren ein Regeln einer Messskala der Messgröße auf die Referenzgröße umfasst.
Ausführungsform 5 Optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die abgekoppelte Referenzeinheit von der Lokalisierungseinheit optisch entkoppelt ist und/oder gegen dejustierende Einflüsse abgeschirmt ist.
Ausführungsform 6 Optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Referenzeinheit mindestens eine kurzzeitstabile Uhr umfasst.
Ausführungsform 7 Optronisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die mindestens eine kurzzeitstabile Uhr mindestens einen Quarzoszillator und/oder mindestens eine Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität und/oder mindestens eine optische Uhr umfasst.
Ausführungsform 8 Optronisches Messsystem nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die kurzzeitstabile Uhr über Anbindung an mindestens ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informations-system über eine Atomzeit korrigierbar ist.
Ausführungsform 9 Optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die mindestens eine abgekoppelte Referenzeinheit mindestens eine optische Uhr umfasst.
Ausführungsform 10 Optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Lokalisierungseinheit eingerichtet ist, um zur Bestimmung der Messgröße mindestens ein Messprinzip zu verwenden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Interferometrie und LIDAR.
Ausführungsform 11 Optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Lokalisierungseinheit mindestens ein Element aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem modengekoppelten Laser, mindestens einer LIDAR-Einheit, mindestens einer FMCW-LIDAR-Einheit.
Ausführungsform 12 Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts, wobei in dem Verfahren mindestens ein optronisches Messsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
1. i) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Lokalisierungseinheit, Beleuchten des Messobjekts mit dem Beleuchtungslichtstrahl, Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl mit der Lokalisierungseinheit und bestimmen mindestens einer Messgröße;
2. ii) Bereitstellen mindestens einer Referenzgröße mit mindestens einer von der Lokalisierungseinheit abgekoppelten Referenzeinheit;
3. iii) Kalibrieren der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße mit mindestens einer Auswerteeinheit und Bestimmen der mindestens einen Koordinate des Messobjekts durch Auswerten der kalibrierten Messgröße.
Ausführungsform 13 Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um ein Verfahren nach einer der vorhergehenden ein Verfahren betreffenden Ausführungsformen, insbesondere die Verfahrensschritte i) und iii), durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.

Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von 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 eines erfindungsgemäßen optronischen Messsystems;
2 eine schematische Darstellung einer Intensitätsverteilung eines modengekoppelten Lasers;
3 eine schematische Darstellung eines Frequenzverlaufs bei Verwendung einer FMCW-LIDAR-Einheit; und
4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobj ekts.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optronischen Messsystems 110 zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts 112. Das Messobjekt 112 kann ein beliebig geformtes, zu vermessendes Objekt sein. Das Messobjekt 112 kann 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 sein und/oder kann mindestens einen Retroreflektor aufweisen.
Die Koordinate kann eine Angabe zur Lage eines Ortes auf einer zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts 112 umfassen. Die Koordinate kann insbesondere eine longitudinale Koordinate sein. Das Bestimmen der Koordinate kann eine Abstandsbestimmung umfassen. Die Abstandsbestimmung kann eine Bestimmung einer longitudinalen Koordinate des Messobjekts umfassen, insbesondere ein Vermessen und/oder ein Detektieren und/oder ein Aufnehmen der longitudinalen Koordinate. Der Abstand kann ein Abstand eines, den Lichtstrahl kohärenzerhaltend remittierenden Punktes einer Oberfläche oder eines den Lichtstrahl kohärenzerhaltend remittierenden Oberflächensegmentes des Messobjekts 112 zu dem optronischen Messsystem 110 sein. Beispielsweise kann der Abstand eine Information über einen Abstand zwischen einem Ort auf der Oberfläche des Messobjekts 112 und dem optronischen Messsystem 110 sein. Der Ort kann ein beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts 112 sein, an welchem ein Bestimmen einer Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Ort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts 112 sein. Die longitudinale Koordinate kann eine Höhenkoordinate sein. Das optronische Messsystem 110 kann eingerichtet sein, um weitere Koordinaten des Messobjekts 112 bestimmen. Die Koordinaten können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer transversalen Koordinate des Messobjekts 112, 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. Das optronische Messsystem 110 kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann eine Achse eines Koordinatensystems sein, beispielsweise die z-Achse, wie in 1 gezeigt. Eine Höhenkoordinate, Abstandskoordinate oder einem Abstand kann eine Koordinate entlang der z-Achse umfassen. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse und auch Rotationsachsen, vorgesehen sein. Das optronische Messsystem 110 kann weiter eingerichtet sein zu einer Bestimmung einer räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112. Eine räumliche Position kann einen dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem umfassen, insbesondere eine Lage des Messobjekts 112. Eine Orientierung kann eine Ausrichtung des Messobjekts 112 umfassen, insbesondere eine Winkelposition im Messvolumen. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel.
Das optronische Messsystem 110 umfasst mindestens eine Lokalisierungseinheit 116, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 120 zu erzeugen, das Messobjekt 112 mit dem Beleuchtungslichtstrahl 120 zu beleuchten, mindestens einen von dem Messobjekt 112 kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl 114 zu empfangen und mindestens eine Messgröße zu bestimmen. Die Messgröße kann eine beliebige Größe umfassen, welche aus dem kohärenzerhaltend remittierten, empfangenen Lichtstrahl 114 und/oder unter Verwendung des kohärenzerhaltend remittierten, empfangenen Lichtstrahls 114 erzeugt wurde. Die Messgröße kann insbesondere mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Zeit, optischer Frequenz, Repetitionsrate. Aus der Messgröße kann die mindestens eine Koordinate bestimmt werden. Beispielsweise kann die Messgröße die Zeit, insbesondere eine Laufzeit sein. Die Koordinate kann dann über bekannte Verfahren aus der Laufzeit unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann mindestens eine Beleuchtungseinheit 118 aufweisen. Die Beleuchtungseinheit 118 kann eine Vorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, um den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 120 zu erzeugen. Die Beleuchtungseinheit 118 kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein ein lichtbasiertes Abstandsmessverfahren mit Heterodyndetektion durchzuführen. Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein, um zum Bestimmen der Messgröße mindestens ein Messprinzip zu verwenden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Interferometrie und LIDAR. Die Lokalisierungseinheit kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einen modengekoppelten Laser, mindestens einer LIDAR-Einheit, mindestens einer FMCW-LIDAR-Einheit.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann mindestens ein Interferometer aufweisen. Beispielsweise kann das Interferometer ausgewählt sein, aus einem Zweistrahlinterferometer, wie mindestens einem Mach-Zehnder-Interferometer, mindestens einem Michelson-Interferometer, mindestens einem Rayleigh-Interferometer, oder mindestens einem Weißlichtinterferometer, mindestens einem Mirau-Interferometer, und/oder mindestens einem Vielstrahlinterferometer, wie beispielsweise einem Fabry-Perot-Interferometer oder einem Fizeau-Interferometer.
Die LIDAR-Einheit kann die mindestens eine Beleuchtungseinheit 118 aufweisen. Die Beleuchtungseinheit 118 kann eingerichtet sein, mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen, eine so genannte „Frequency Modulated Continuous Wave“ (FMCW). Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein, den Eingangslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Eingangslichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale LIDAR, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. Der frequenzmodulierte Eingangslichtstrahl kann ein von der Beleuchtungseinheit 118 erzeugter Lichtstrahl 114 sein, welcher eine modulierte, beispielsweise linear modulierte, Frequenz aufweist. Die Beleuchtungseinheit 118 kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungseinheit 118 kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder mindestens eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode, mindestens einen Solitonenlaser, mindestens einen Faserlaserlaser, insbesondere in Photonic-Integrated-circuit Bausweise.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein, um den von der Beleuchtungseinheit 118 erzeugten Beleuchtungslichtstrahl 120 in mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Messstrahl aufzuteilen. Zu diesem Zweck kann die Lokalisierungseinheit 116 mindestens einen Strahlteiler aufweisen. Der Messstrahl kann eingerichtet sein, um das Messobjekt zu beleuchten. Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, um mindestens einen von dem Messobjekt 112 kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu erfassen. Der kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl kann ein von dem Messobjekt in Antwort auf den Messstrahl reflektierter Lichtstrahl 114 sein. Die Lokalisierungseinheit 116 kann mindestens ein Sensorelement aufweisen, welches eingerichtet ist, den kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu detektieren. Das Erfassen des kohärenzerhaltend remittierten Messstrahls kann ein Detektieren des kohärenzerhaltend remittierten Messstrahls umfassen. Das Sensorelement kann eine beliebige Vorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, den kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu empfangen und/oder aufzuzeichnen. Das Sensorelement kann mindestens eine Photodiode aufweisen. Das Sensorelement kann ein Element einer Detektoreinheit 122 sein.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein, mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein, den mindestens einen Referenzlichtstrahl zu erzeugen. Die Lokalisierungseinheit 116 kann mindestens einen Referenzarm aufweisen. Der Referenzlichtstrahl kann ein aktueller Beleuchtungslichtstrahl 120 sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der Lokalisierungseinheit 116 dem Sensorelement zugeführt wird. Die Detektoreinheit 122 kann eingerichtet sein, den Referenzlichtstrahl mit dem kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl zu überlagern.
Beispielsweise kann das optronische Messsystem 110 die mindestens eine LIDAR-Einheit aufweisen und das Messsignal kann ein LIDAR-Messsignal sein. Das LIDAR-Messsignal kann ein Signal der LIDAR-Einheit umfassen, welches mindestens eine Information über einen Frequenzunterschied, auch Frequenzdelta genannt, zwischen Referenzstrahl und dem kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl aufweist. Das LIDAR-Messsignal kann ein Signal sein, in welchem der kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl mit dem Referenzstrahl überlagert ist. Das LIDAR-Messsignal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzstrahls überlagert mit dem kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl sein. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein, mindestens einen kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl mit dem Referenzstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen.
Das optronische Messsystem 110 umfasst mindestens eine Auswerteeinheit 124, welche eingerichtet ist, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren. Die Auswerteeinheit 124 ist eingerichtet, um die mindestens eine Koordinate des Messobjekts durch Auswerten der kalibrierten Messgröße zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um von der Lokalisierungseinheit 116 erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen 126 zwischen der Lokalisierungseinheit 116 und der Auswerteeinheit 124 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 124 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 125 umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller.
Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um aus dem LIDAR-Messsignal die mindestens eine Koordinate des Messobjekts 112 zu bestimmen. Die Koordinate des Messobjekts 112 kann eine Information über den Abstand des Messobjekts 112 umfassen, beispielsweise einen Abstandswert und/oder die longitudinale Koordinate und/oder eine Änderung des Abstandes. Die LIDAR-Einheit kann eingerichtet sein, um mindestens den erfassten kohärenzerhaltend remittierten Messstrahl mit einem Referenzstrahl 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, so genannte Peaks. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, mindestens einen Peak des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Auswerteeinheit 124 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 Abstandsinformation des Messobjekts 112 bestimmt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzverlaufs, Frequenz v als Funktion der Zeit t, bei Verwendung einer FMCW-LIDAR-Einheit. Für das Bestimmen des Abstandes durch diese „Laufzeitmessung“ mittels Frequenzverstimmung kann eine hochgenaue Zeitskala notwendig sein. Insbesondere muss die so genannten Chirprate, also der Zusammenhang zwischen Frequenzverstimmung Δv und Zeit Δt, auch als Chirp-Interval bezeichnet, mit Chirprate = Δv/ Δt, bestmöglich bekannt sein. Die Messgröße kann, bei Verwendung einer LIDAR-Einheit als Lokalisierungseinheit 116, die Zeit, insbesondere das Chirp-Interval sein. Dabei muss die Zeitskala auf kurzen Zeitskalen genau sein, um überhaupt eine genaue Messung, insbesondere eine Einzelmessung zu ermöglichen. Auf langen Zeitskalen muss die Zeitskala ebenfalls genau sein, denn sonst werden Rekalibrierungen nötig.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lokalisierungseinheit 116, insbesondere die Beleuchtungseinheit 118, den mindestens einen modengekoppelten Laser aufweisen. Die Beleuchtungseinheit 118 kann mindestens einen Frequenzkammgenerator umfassen. Der Frequenzkammgenerator, kann mindestens eine duale Frequenzkammquelle umfassen. Die Frequenzkammquelle kann eine Quelle, insbesondere eine Laserquelle, umfassen, 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 kann eingerichtet sein, um mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen. Das Frequenzkammsignal kann ein Lichtsignal umfassend einen Pulszug sein. Der Pulszug kann eine Mehrzahl von Pulswiederholungen des Frequenzkamms aufweisen. Die duale Frequenzkammquelle kann eine Quelle umfassen, welche eingerichtet ist, um mindestens zwei Frequenzkammsignale zu erzeugen, insbesondere gleichzeitig. Die Beleuchtungseinheit 118 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 Beleuchtungseinheit 118, 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 pulslängeantiproportional-breite Seitenbänder „gruppieren“. Dabei können die Seitenbänder sich kammförmig, insbesondere äquidistant im Frequenzraum verteilen. Bei einer Verwendung eines modengekoppelten Lasers ist das Spektrum grundsätzlich kammförmig mit einem Frequenzabstand, der der inversen Laserresonator-Umlaufzeit entspricht.
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.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein, das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal aufzuteilen und das Messobjekt 112 mit dem ersten Messsignal zu beleuchten. Das erste Messsignal kann ein Anteil des ersten Frequenzkammsignals sein, welcher mit dem Messobjekt 112 in Wechselwirkung tritt. Das erste Messsignal kann der Beleuchtungslichtstrahl 120 sein. Das erste Referenzsignal kann ein Anteil des ersten Frequenzkammsignals sein, welcher ungestört ist. Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein, um das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen. Das zweites Messsignal und das zweites Referenzsignal können zwei Anteile des zweiten Frequenzkammsignals sein, welche beide ungestört sind, insbesondere nicht mit dem Messobjekt 112 in Wechselwirkung treten. Das zweite Messsignal bezeichnet dabei den Anteil des zweiten Frequenzkammsignals, welcher in der Detektoreinheit 122, insbesondere in einem Messdetektor, erfasst wird. Das zweite Messsignal kann ein Signal mit bekanntem spektralen Intensitätsprofil sein. Das zweite Referenzsignal bezeichnet dabei den Anteil des zweiten Frequenzkammsignals, welcher in einem Referenzdetektor erfasst wird. Die Lokalisierungseinheit 116 kann mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor aufweisen. Der Messdetektor kann ein beliebiger Detektor sein, welcher eingerichtet ist, ein einfallendes Eingangslichtsignal zu detektieren. Der Referenzdetektor kann ein beliebiger Detektor sein, welcher eingerichtet ist, ein einfallendes Eingangslichtsignal zu detektieren. Das Eingangslichtsignal kann ein einfallender Lichtstrahl 114 sein. Das Detektieren kann ein Erfassen und/oder Aufzeichnen umfassen.
Der Messdetektor und der Referenzdetektor können identisch ausgestaltet sein. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können beispielsweise jeweils mindestens einen Photodetektor aufweisen. 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 kann eingerichtet sein, um das von dem Messobjekt kohärenzerhaltend remittierte 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 so genannte „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 124 kann programmtechnisch eingerichtet sein, um die Beleuchtungseinheit 118 und/oder den Messdetektor und/oder den Referenzdetektor anzusteuern.
Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um die jeweils von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektieren Signale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Signale zu erzeugen. Die Signale können das erste Messsignal und das zweite Messsignal, sowie das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal umfassen. Die Auswerteeinheit 124 kann eingerichtet sein, um aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums mindestens eine Abstandsinformation des Messobjekts 112 zu bestimmen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Intensitätsverteilung, insbesondere die Intensität I als Funktion der optischen Frequenz v, eines modengekoppelten Lasers. Insbesondere kann, wie oben ausgeführt, die Lokalisierungseinheit 116 mindestens einen modengekoppelten Laser aufweisen und die Messgröße kann die optische Frequenz v sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Messgröße die Repetitionsrate f_rep sein. Bei Bestimmungen der Koordinate des Messobjekts 112 unter Verwendung der optischen Frequenz v und/oder der Repetitionsrate f_rep kann zudem eine genaue Zeitmessung notwendig sein. Zusätzlich zu f_rep kann eine weitere Messgröße f_CEO sein, wobei CEO Carrier-Envelope-Offset bedeutet. D.h. der Kamm ist dann im Frequenzraum so gegen Null verschoben, dass die Null am nächsten liegende Kammzinke bei f_CEO liegt. Sie ergibt sich aus den Phasengangsverhältnissen im Resonator, die dazu führen können, dass eine Trägerphase, d.h. der E-Feld-Zeitverlauf, von Puls zu Puls betrachtet, sich gegen den Zeitverlauf der Pulseinhüllenden leicht verschiebt. Für eine Frequenzraumdarstellung kann f_CEO relevant sein, da entsprechend eine Kammzinke durch f_CEO+n*f_rep beschrieben werden muss. Allerdings gibt es auch Laser, bei den f_CEO auf Null bzw. n*f_rep stabilisiert werden. Dann kann eine Angabe von f_rep zur Bestimmung der Position der Kammlinien im Frequenzraum ausreichen.
Die Lokalisierungseinheit 116 kann als Punkt-Sensorik oder als Flächen-Sensorik ausgestaltet sein. Basierend auf Interferometrie und/oder LIDAR und/oder Holographie kann Punkt-Sensorik und/oder Flächen-Sensorik und/oder kohärente 3D-Bildgebung zur Digitalisierung von Oberflächen und/oder Objekten und/oder Umgebungen realisiert werden.
Das optronische Messsystem 110 umfasst mindestens eine von der Lokalisierungseinheit 116 abgekoppelte Referenzeinheit 128, welche eingerichtet ist, um eine Referenzgröße bereitzustellen. Die Referenzeinheit 128 kann ein grundsätzlich beliebiges Element des optronischen Messsystems 110 sein, welches eingerichtet ist, die mindestens eine Referenzgröße für die mindestens eine Messgröße bereitzustellen. Das Bereitstellen kann ein Erzeugen der Referenzgröße, insbesondere ein Messen der Referenzgröße mit einer internen Referenzmessvorrichtung 130, und Übermitteln der erzeugten Referenzgröße an die Auswerteeinheit 124, und/oder ein Übermitteln der Referenzgröße aus mindestens einer Datenbank 132 und/oder mit einer externen Referenzmessvorrichtung 134 erzeugten Referenzgröße an die Auswerteeinheit 124, umfassen. Die Referenzeinheit 128 kann eingerichtet sein, um die Referenzgröße dem optronischen Messsystem 110, insbesondere der Auswerteeinheit 124, während des Betriebs des optronischen Messsystems 110, insbesondere online, also während des Messbetriebs, bereitzustellen.
Wie in 1 gezeigt wird, können Datenbank 132 und/oder die externe Referenzmessvorrichtung 134 außerhalb des optronischen Messsystems 110 angeordnet sein. Die Datenbank 132 und die externe Referenzmessvorrichtung können über elektronische Verbindungen 126 mit der Referenzeinheit 128 verbunden sein. Auch andere, kabellose Verbindungen sind jedoch möglich. Das optronische Messsystem 110 kann kompakt in einer Baugruppe zusammengefasst sein. Das optronischen Messsystem 110 kann sich, wie in 1 gezeigt, aus mehreren räumlich verteilten Komponenten zusammensetzen.
Die Referenzgröße kann ein metrologisches Normal umfassen. Die Referenzgröße kann ein Primärnormal sein, insbesondere ein Primärnormal in den Einheiten des internationalen Einheitensystems (SI). Die Referenzgröße kann von einer von der Lokalisierungseinheit 116 unabhängigen Messvorrichtung bereitstellbar sein. Die Referenzgröße kann mindestens eine Referenzzeitskala und/oder mindestens eine Referenz-Frequenz sein. Die Zeit kann über Zyklenzählen der Nomalfrequenz dargestellt werden. Die Referenzskala kann ein zeitliches Normal umfassen. Die Referenz-Frequenz kann ein Frequenz-Normal umfassen.
Die abgekoppelte Referenzeinheit 128 kann eine Referenzeinheit 128 sein, welche optisch von der Lokalisierungseinheit 116 entkoppelt ist, und/oder gegen dejustierende Einflüsse abgeschirmt ist. Beispielseise können die abgekoppelte Referenzeinheit 128 und Lokalisierungseinheit 116 voneinander unabhängige optische Vorrichtungen sein und/oder aufweisen, insbesondere voneinander unabhängige Lichtquellen. Die Referenzeinheit 128 kann mindestens ein optisches und/oder mindestens ein nicht-optisches Messprinzip verwenden um die Referenzgröße bereitzustellen.
Dejustierende Einflüsse können beliebige Einflüsse der Umgebung umfassen. Die Einflüsse können beispielsweise Temperatur, externe elektromagnetische Kräfte und/oder externe mechanische Kräfte wie beispielsweise Vibrationen sein. Dejustierende Einflüsse können sein allgemeine Alterungsprozesse (langsame Drifts), allgemeine Instabilitäten (kurzzeitige Fluktuationen mit u.U. uneinheitlichen spektralen Dichten der Rauschleistung), allgemeine Ablagen gegen SI Größe (Genauigkeit, „Accuracy“), Richtigkeit der SI-Größe (Unsicherheit). Beispielswiese kann die Referenzeinheit 128 unter Verwendung einer in „A Mobile Ultra-low Phase Noise Sapphire Oscillator“, Poseidon Scientific Instruments Pty Ltd., Microwave Journal, 2002, www.microwavejournal.com/articles/3367-a-mobile-ultra-lowphase-noise-sapphire-oscillator, beschriebenen Maßnahme von den dejustierenden Einflüssen der Umgebung abgeschirmt sein. Beispielsweise kann ein dejustierender Einfluss die Temperatur sein. Die Referenzeinheit 128 kann gegenüber der Temperatur durch eine thermo-elektrische Kühlung abgeschirmt sein. Beispielsweise können externe elektromagnetische Kräfte ein dejustierender Einfluss sein. Die Referenzeinheit 128 kann gegenüber externen elektromagnetischen Kräften abgeschirmt sein, indem auf den Einsatz von Piezoelementen verzichtet wird und/oder ein Schaltkreis zur Rauschunterdrückung verwendet wird. Beispielsweise können externe mechanische Kräfte ein dejustierender Einfluss sein. Die Referenzeinheit 128 kann gegenüber externen mechanischen Kräften abgeschirmt sein, indem sie vibrationsunempfindlich ausgestaltet wird.
Die Referenzeinheit 128 kann eine abgekoppelte „On-Board“-Referenzeinheit umfassen. Die On-Board-Referenzeinheit kann eine lokal vorgehaltene Referenzeinheit 128 umfassen, welche insbesondere eingerichtet ist, die mindestens eine Referenzgröße selbst zu erzeugen. So können die geforderten Genauigkeiten und Stabilitäten erreicht werden. Selbst in mobilen Messgeräten, beispielsweise in so genannten „harsh environments“ (rauen Umgenungen), können gegen den Einfluss dieser Umgebungsbedingungen unempfindliche on-board-Referenzen verwendet werden. So können Referenzgrößen auch dort verfügbar sein, wo kein GPS- oder kein Radioempfang möglich ist, beispielsweise im Bergbau oder Tunnelbau. Auch im Weltraum können hierdurch Referenzgrößen verfügbar sein. Beispielsweise kann die Referenzeinheit 128 eine Weltraumuhr aufweisen, welche beispielsweise ausgestaltet sein kann wie in „Iodine Frequency Reference on a Sounding Rocket“, Klaus Döringshoff et al. in Physical Review Applied, 2019, jour-nals.aps.org/prapplied/abstract/10. 1103/PhysRevApplied.11.054068 beschrieben.
Das vorgeschlagene optronische Messsystem 110 erlaubt, dass die Verkörperung des benötigten Maßes nicht mehr lokal vorgehalten werden muss und ein Anschluss an die SI-Primärnormale nicht mehr nur in Kalibrierintervallen erfolgt, sondern im Wesentlichen ständig, insbesondere ständig. Ein mit der erfindungsgemäßen abgekoppelten Referenzeinheit 128 ausgestattetes optronisches Messsystem 110 kann höchste Genauigkeiten ermöglichen. Ein mit der erfindungsgemäßen abgekoppelten Referenzeinheit 128 ausgestattetes optronisches Messsystem 110 kann im strengsten Sinne selbstkalibrierend sein, da es ohne übliche Kalibrierintervalle und mit diesen verbundenen Pausen, die mit Aufenthalten in Kalibrierlaboren verbunden sind, ohne Unterbrechungen im Einsatz bleibt. Durch diesen vorgeschlagenen Online-Maßanschluss kann ein so genanntes „Driften“ des optronischen Messsystems 110 verhindert werden.
Die abgekoppelte Referenzeinheit 128 kann mindestens eine kurzzeitstabile Uhr 136 umfassen. Die kurzzeitstabile Uhr 136 kann einen Zeitmesser umfassen, welcher zumindest auf kurzen Zeitskalen sehr geringe Frequenzschwankungen aufweist. Die kurzzeitstabile Uhr 136 kann mindestens einen Quarzoszillator und/oder mindestens eine Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität und/oder mindestens eine optische Uhr umfassen. Der Quarzoszillator kann eine elektronische Schaltung umfassen, mit welcher über einen Schwingquarz periodische Schwingungen mit bestimmter Frequenz erzeugt werden können. Quarzoszillatoren können sich insbesondere zum Bereitstellen von Referenzzeitskalen eignen, insbesondere in einem Bereich von ~ 1 GHz. Die Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität kann einen optischen Resonator umfassen, dessen Spiegel aus Ultra-Low-Expansion Glas mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Beispielsweise kann die kurzzeitstabile Uhr wie in „Ultra Compact Reference ULE Cavity“, Didier et al. in IEEE, 2014, oder wie in stablelasers.com/choosing-cavity/, Stable Laser Systems ausgestaltet sein. ULE-Kavitäten können sich insbesondere zum Bereitstellen von Referenz-Frequenzen eignen, insbesondere in einem Bereich von ~ hunderten Terahertz. Die kurzzeitstabile Uhr 136 kann eingerichtet sein, um die Referenzgröße für kurze Zeitskalen bereitzustellen. So können hochgenaue Einzelmessungen der Messgröße ermöglicht werden.
Die Referenzeinheit 128 kann an mindestens ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informationssystem angebunden sein und eingerichtet sein, um von diesen Daten zu empfangen. Die Referenzeinheit 128 kann mindestens eine Datenschnittstelle 138 aufweisen, welche eingerichtet ist, Daten zu empfangen. Daten des globalen Navigationssatellitensystems und/oder des globalen, erdgebundenen Informationssystems können als Referenzgröße verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die kurzzeitstabile Uhr 136 über Anbindung an mindestens ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informationssystem über eine Atomzeit korrigierbar sein. Auf mittleren bis langen Zeitskalen können so Korrekturen der kurzzeitstabilen Uhr 136 durchgeführt werden. Das globale Navigationssatellitensystem kann ein satellitengestütztes System zur Positionsbestimmung und/oder Navigation auf der Erde und/oder in der Luft umfassen. Beispielsweise kann das globale Navigationssatellitensystem ein beliebiges Satellitenbasiertes Zeitverteilungssystem sein. Beispielsweise kann das globale Navigationssatellitensystem mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: Global Positioning System (GPS), Global Navigation Satellite System (GLONASS) oder Galileo oder ein anderes Satelliten-Navigationssystem. Beispielsweise kann die Korrektur der kurzzeitstabilen Uhr wie in „GPS disziplinierter Normaloszillator (GPSDO)“ von Jörg Logemann, April 2017, shf-treff. de/pdf/GP SDO.pdf beschrieben erfolgen.
Das globale, erdgebundene Informationssystem kann ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft umfassen, welches durch terrestrische Vorrichtungen wie beispielsweise Sendestationen oder Netzverbindungen gestützt wird. Das globale, erdgebundene Informationssystem kann beispielsweise eines oder mehreres von mindestens einen Langwellensender, mindestens ein Glasfasernetz, mindestens einem Radiofrequenzleiter und mindestens einen Mikrowellenleiter aufweisen. Beispielsweise kann der Langwellensender ein DCF77 Langwellensender sein und wie in „Overview of DCF77 Time Protocol“, Cyber Sciences Inc., 2011, www.mon-club-elec.fr/mes_docs/dcf77/TN-103_DCF77.pdf, oder in „Time and Standard Frequency Station DCF77“, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, 1984, www.eecis.udel.edu/-mills/ntp/dcf77.html ausgestaltet sein.
Die abgekoppelte Referenzeinheit 128 kann mindestens eine optische Uhr umfassen. Die optische Uhr kann Atomuhr sein, welche mit einer optischen Resonanz arbeitet. Dazu können einzelne Atome in Ionenkäfigen gespeichert werden. Die zugehörige optische Frequenz kann beispielsweise über Frequenzkammgeneratoren gemessen werden. Die optische Uhr kann sowohl auf kurzen als auch auf langen Zeitskalen eine höhere Genauigkeit aufweisen als kurzzeitstabile Uhren 136 bzw. Caesium-Atomuhren. Die optische Uhr kann beispielsweise wie in „Absolute frequency measurement of the iodine-stabilized Ar+ laser at 514.6 nm using a femtosecond optical frequency comb“, Goncharov et al. in Appl. Phys. B, 2004 oder in „Guidelines for developing optical clocks with 10-18 fractional frequency uncertainty“, Abdel-Hafiz et al., 2019, empir.npl.co.uk/oc18/, beschrieben, ausgestaltet sein.
Für folgende Messgrößen können sich zum Bereitstellen der Referenzgröße folgende Vorrichtungen anbieten:

Messgröße Referenzeinheit

f_rep, Δt Schwingquarz, GPS, DCF77 Langwellensender

v Ionenkäfig, Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität
Die Messgröße kann beispielsweise die Zeit Δt, und/oder optische Frequenz v und/oder die Repetitionsrate f_rep sein. Beispielsweise kann die Messgröße die Repetitionsrate oder ein Chirp-Intervall sein und die Referenzgröße kann eine Referenzzeit sein, welche beispielsweise von der kurzzeitstabilen Uhr 136 und/oder durch Anbindung an ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informations-System bereitgestellt wird.
Das optronische Messsystem 110 umfasst die mindestens eine Auswerteeinheit 124. Die Auswerteeinheit 124 kann eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, um die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen 126 zwischen der Lokalisierungseinheit 116 und der Auswerteeinheit 124 und/oder der Referenzeinheit 128 und der Auswerteeinheit 124 vorgesehen sein, wie dies in 1 gezeigt wird. Die Auswerteeinheit 124 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 125 umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 125 kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher 140 aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Lokalisierungseinheit 116 und/oder die Referenzeinheit 128 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 124 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle 142 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 ist eingerichtet, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren. Das Kalibrieren kann ein Regeln einer Messskala der Messgröße auf die Referenzgröße umfassen Das Anpassen einer Messskala der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße kann eine Korrektur der Messskala abhängig von der Referenzgröße umfassen.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts 112. Das Verfahren verwendet mindestens ein erfindungsgemäßes optronisches Messsystem 110. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

i) (Bezugszeichen 144) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls 120 mit mindestens einer Lokalisierungseinheit 116, Beleuchten des Messobjekts 112 mit dem Beleuchtungslichtstrahl 120, Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt 112 kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahls 114 mit der Lokalisierungseinheit 116 und Bestimmen mindestens einer Messgröße;
ii) (Bezugszeichen 146) Bereitstellen mindestens einer Referenzgröße mit mindestens einer von der Lokalisierungseinheit 116 abgekoppelten Referenzeinheit 128;
iii) (Bezugszeichen 148) Kalibrieren der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße mit mindestens einer Auswerteeinheit 124 und Bestimmen der mindestens einen Koordinate des Messobjekts 112 durch Auswerten der kalibrierten Messgröße.

Zumindest Verfahrensschritt i) 144 und Verfahrensschritt iii) 148 können computerimplementiert sein und/oder automatisch durchgeführt werden. Für weitere Ausgestaltungen des Verfahrens kann auf die Beschreibung von 1 verwiesen werden.
Bezugszeichenliste

110: Optronisches Messsystem
112: Messobjekt
114: Lichtstrahl
116: Lokalisierungseinheit
118: Beleuchtungseinheit
120: Beleuchtungslichtstrahl
122: Detektoreinheit
124: Auswerteeinheit
125: Datenverarbeitungsvorrichtung
126: Elektronische Verbindung
128: Referenzeinheit
130: Interne Referenzmessvorrichtung
132: Datenbank
134: Externe Referenzmessvorrichtung
136: Kurzzeitstabile Uhr
138: Datenschnittstelle
140: Datenspeicher
142: Schnittstelle
144: Verfahrensschritt i)
146: Verfahrensschritt ii)
148: Verfahrensschritt iii)

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 [0013]
US 2013/0050410 A1 [0013]
US 2017/0258531 A1 [0013]
US 9559486 B2 [0022, 0079]
US 8913636 B2 [0022, 0079]
US 2016123718 A1 [0022, 0079]

Claims

Optronisches Messsystem (110) zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts (112), umfassend: a) mindestens eine Lokalisierungseinheit (116), welche eingerichtet ist, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (120) zu erzeugen, das Messobjekt (112) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (120) zu beleuchten, mindestens einen von dem Messobjekt (112) kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahl (114) zu empfangen und mindestens eine Messgröße zu bestimmen; b) mindestens eine von der Lokalisierungseinheit (116) abgekoppelte Referenzeinheit (128), welche eingerichtet ist, um eine Referenzgröße bereitzustellen; c) mindestens eine Auswerteeinheit (124), welche eingerichtet ist, die Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße zu kalibrieren, wobei die Auswerteeinheit (124) weiter eingerichtet ist, um die mindestens eine Koordinate des Messobjekts (112) durch Auswerten der kalibrierten Messgröße zu bestimmen.
Optronisches Messsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messgröße mindestens eine Größe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Zeit, optischer Frequenz, Repetitionsrate.
Optronisches Messsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Referenzgröße mindestens eine Referenzzeitskala und/oder mindestens eine Referenz-Frequenz ist.
Optronisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kalibrieren ein Regeln einer Messskala der Messgröße auf die Referenzgröße umfasst.
Optronisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abgekoppelte Referenzeinheit (128) von der Lokalisierungseinheit (116) optisch entkoppelt ist und/oder gegen dejustierende Einflüsse abgeschirmt ist.
Optronisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzeinheit (128) mindestens eine kurzzeitstabile Uhr (136) umfasst.
Optronisches Messsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine kurzzeitstabile Uhr (136) mindestens einen Quarzoszillator und/oder mindestens eine Ultra-Low-Expansion (ULE)-Kavität und/oder mindestens eine optische Uhr umfasst.
Optronisches Messsystem (110) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die kurzzeitstabile Uhr (136) über Anbindung an mindestens ein globales Navigationssatellitensystem und/oder ein globales, erdgebundenes Informationssystem über eine Atomzeit korrigierbar ist.
Optronisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lokalisierungseinheit (116) eingerichtet ist, um zur Bestimmung der Messgröße mindestens ein Messprinzip zu verwenden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Interferometrie und LIDAR, wobei die Lokalisierungseinheit (116) mindestens ein Element aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem modengekoppelten Laser, mindestens einer LIDAR-Einheit, mindestens einer FMCW-LIDAR-Einheit.
Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Koordinate eines Messobjekts (112), wobei in dem Verfahren mindestens ein optronisches Messsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: i) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls (120) mit mindestens einer Lokalisierungseinheit (116), Beleuchten des Messobjekts (112) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (120), Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt (112) kohärenzerhaltend remittierten Lichtstrahls (114) mit der Lokalisierungseinheit (116) und Bestimmen mindestens einer Messgröße; ii) Bereitstellen mindestens einer Referenzgröße mit mindestens einer von der Lokalisierungseinheit (116) abgekoppelten Referenzeinheit (128); iii) Kalibrieren der Messgröße unter Berücksichtigung der Referenzgröße mit mindestens einer Auswerteeinheit (124) und Bestimmen der mindestens einen Koordinate des Messobjekts (112) durch Auswerten der kalibrierten Messgröße.