DE3701882C1

DE3701882C1 - Process and arrangement for optical distance measuring

Info

Publication number: DE3701882C1
Application number: DE19873701882
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr Haeusler; Manfred Maul; Hans Weissmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-01-23
Filing date: 1987-01-23
Publication date: 1988-12-01

Abstract

For determining the distance between an object and a reference plane, the object is illuminated with a small light spot and the curvature of the wave front emanating from this light spot is determined. For this purpose, the light spot is virtually duplicated and spatially offset and the interferogram of the wave fronts emanating from these two light spots is recorded. This interferogram contains the required distance information in the form of a stripe pattern, which is evaluated with the aid of Fourier transformation or by phase measurement at two or more points in the reference plane. The invention is suitable in particular also for measuring microrough, diffusely reflecting surfaces.

Description

Die Erfindung ist vorwiegend für die Automatisierung von Sichtprüfungsaufgaben bestimmt. Dazu gehören z. B. Voll ständigkeitsprüfung, Längenmessung, Form- und Lagemessung, räumliche Anordnung usw.The invention is primarily for the automation of Visual inspection tasks determined. These include e.g. B. Full endurance test, length measurement, shape and position measurement, spatial arrangement etc.

Viele Sichtprüfungsaufgaben lassen sich vorteilhaft mit Verfahren bewältigen, die die dreidimensionalen Daten des Prüfobjekts ermitteln. Zentraler Kern solcher Verfahren ist die Fähigkeit zur Messung der longitudinalen Distanz (z-Richtung) zwischen enem Objektpunkt und einer Bezugsebene, die gewöhnlich parallel zur xy-Ebene gewählt wird.Many visual inspection tasks can advantageously be mastered with methods that determine the three-dimensional data of the test object. The core of such methods is the ability to measure the longitudinal distance (z direction) between an object point and a reference plane, which is usually chosen parallel to the xy plane.

Für viele Sichtprüfungsaufgaben ist eine longitudinale Auflösung von ca. 0,1 mm bei einem freien Arbeitsabstand von mindestens 100 mm und einem Meßbereich von mindestens 100 mm gefordert. Aus dem Schrifttum ist eine Vielzahl von optischen Verfahren zur Distanzmessung bekannt. Man unterscheidet mehrere Prinzipien (T. Strand, "OPTICS IN MACHINE VISION", SPIE-Proc. Vol 456, 1984): Triangulation, Fokussuche, Laufzeit messung, Interferometrie. Die Empfindlichkeit dieser Verfahren läßt sich häufig durch Heterodyne-Techniken steigern (R. Crane, "INTERFERENCE PHASE MEASUREMENT", Applied Optics, Vol. 8, No. 3, 1969). Eine wichtige Kategorie optischer Distanzmesser beruht auf dem Prinzip der Interferometrie. Herkömmliche interferometrische Verfahren sind allerdings für rauhe Objekte nicht anwendbar und sind für die oben genannte Aufgabenstellung auch zu empfindlich. Lediglich Interferometrie im fernen Infrarot (λ ∼ 10 µm) und ein von A.F. Fercher, H.Z. Hzu und U. Vry ("ROUGH SURFACE INTERFEROMETRY WITH A TWO-WAVELENGTH HETERODYNE SPECKLE INTERFEROMETER", Applied Optics, Vol 24, No. 14, 1985) entwickeltes 2-Wellen längen-Heterodyn-Interferometer sind für Distanzmessung an rauhen Oberflächen geeignet. Beide Verfahren sind jedoch gegen mechanische Erschütterungen sehr empfindlich (Zweitstrahl interferometer). Das letztgenannte Verfahren erfordert Nach fokussierung der Beleuchtung auf dem Objekt und einen sehr hohen elektronischen Aufwand zur Signalgewinnung.For many visual inspection tasks, a longitudinal resolution of approx. 0.1 mm with a free working distance of at least 100 mm and a measuring range of at least 100 mm is required. A large number of optical methods for distance measurement are known from the literature. There are several principles (T. Strand, "OPTICS IN MACHINE VISION", SPIE-Proc. Vol 456, 1984): triangulation, focus search, runtime measurement, interferometry. The sensitivity of these methods can often be increased by heterodyne techniques (R. Crane, "INTERFERENCE PHASE MEASUREMENT", Applied Optics, Vol. 8, No. 3, 1969). An important category of optical distance meters is based on the principle of interferometry. However, conventional interferometric methods cannot be used for rough objects and are also too sensitive for the task mentioned above. Only interferometry in the far infrared ( λ ∼ 10 µm) and one by AF Fercher, HZ Hzu and U. Vry ("ROUGH SURFACE INTERFEROMETRY WITH A TWO-WAVELENGTH HETERODYNE SPECKLE INTERFEROMETER", Applied Optics, Vol 24, No. 14, 1985) Developed 2-wavelength heterodyne interferometer are suitable for distance measurement on rough surfaces. However, both methods are very sensitive to mechanical shocks (second beam interferometer). The latter method requires after focusing the lighting on the object and a very high electronic effort for signal acquisition.

Man könnte u. U. auch ein von G. Hege ("Speckle Verfahren zur Abstandsmessung", Diss., veröff. in: Bericht aus dem Institut für Techn. Optik der Univ. Stuttgart, (Prof. Tiziani) Nr. 4, Mai 1984) angegebenes Verfahren zur Messung der Korrelations breite von Specklemustern als Interferrometrisches Verfahren bezeichnen. Dies soll der Vollständigkeit halber erwähnt werden, weil in der vorliegenden Anmeldung auch Speckles ausgewertet werden. Da bei Tiziani die Phase jedoch nicht benutzt wird, ist das o.g. Verfahren nicht sehr empfindlich.One could U. also one of G. Hege ("Speckle procedure for Distance measurement ", Diss., Published in: Report from the institute for technical optics of the Univ. Stuttgart, (Prof. Tiziani) No. 4, May 1984) specified method for measuring the correlation width of speckle patterns as an interferometric method describe. This should be mentioned for the sake of completeness because in the present application also speckles be evaluated. Since the phase at Tiziani is not is used, is the above Procedure not very sensitive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein interferometrisches Verfahren zu schaffen, das keine externe Referenzwelle benötigt. Dadurch wird das Verfahren unempfindlich gegen Erschütterung und Objektbewegung.The invention has for its object an interferometric method to create that does not need an external reference wave. This makes the process insensitive to Vibration and object movement.

Im Lehrbuch von Ch. Gerthsen (Ch. Gerthsen, O. Kneser, "Physik", 6. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 1960, S. 376- 378) ist eine Methode beschrieben, wie mit Hilfe eines Fresnel-Doppelspiegels eine Lichtquelle virtuell verdoppelt werden kann und auf diese Weise zwei interferenzfähige Wellen erzeugt werden. In einer Referenzebene im Abstand d vom virtuellen Lichtquellenpaar entsteht ein Interferenzmuster, aus dem bei bekanntem Abstand die Wellenlänge ermittelt werden kann. Dieses Prinzip läßt sich umkehren und auf speckle behaftete oder partiell kohärent strahlende Quellen anwenden. Weil sich das Interferenzmuster bei entsprechenden Vorkehrungen sehr genau auswerten läßt, kann man erfindungsgemäß bei sehr geringer Beleuchtungs- und Beobachtungsapertur eine extrem genaue Messung des Objektabstandes von einer Referenzebene durchführen. Ch. Gerthsen's textbook (Ch. Gerthsen, O. Kneser, "Physik", 6th edition, Springer Verlag, Berlin, 1960, pp. 376-378) describes a method of using a Fresnel double mirror as a light source can be virtually doubled and two interference-capable waves can be generated in this way. In a reference plane at a distance d from the pair of virtual light sources, an interference pattern arises from which the wavelength can be determined if the distance is known. This principle can be reversed and applied to speckled or partially coherent sources. Because the interference pattern can be evaluated very precisely with appropriate precautions, an extremely precise measurement of the object distance from a reference plane can be carried out according to the invention with a very low illumination and observation aperture.

Die geringen notwendigen Aperturen vermeiden dabei die Vignet tierung (oder Abschattung) von Objektdetails, die notwendig bei praktisch allen anderen bekannten Verfahren auftritt.The small apertures required avoid Vignet tation (or shading) of object details that are necessary occurs in practically all other known processes.

Der Lösung der gestellten Aufgabe liegt folgendes Prinzip zugrunde:The solution to the task is based on the following principle:

Ein idealer Lichtpunkt erzeugt eine kugelförmige Wellenfläche, deren Krümmung im Beobachtungsabstand z Information über diesen Abstand beinhaltet. Die Krümmung kann durch Interferenz mit einer beispielsweise ebenen Referenzwelle und Auswertung des Interferogramms bestimmt werden.An ideal point of light creates a spherical wave surface, the curvature of which at the observation distance contains z information about this distance. The curvature can be determined by interference with, for example, a flat reference wave and evaluation of the interferogram.

In der Regel läßt sich nun kein idealer Lichtpunkt auf einem Gegenstand erzeugen, sondern nur ein ausgedehnter, wenngleich kleiner Lichtfleck. Ist das Objekt zudem rauh (bezogen auf die verwendete Wellenlänge), so entstehen Speckles in der Beobachtungsebene. Die Phasen verschiedener Speckles sind nicht korreliert (z. B. Dainty 35 S. 35-46/1), so daß die direkte Vermessung der Krümmung mit einer externen (z. B. ebenen) Referenzwelle zu keinem Erfolg führt.As a rule, there is no ideal point of light on one Create object, but only an extensive one, albeit small spot of light. Is the object also rough (related to the used wavelength), so speckles arise in the Observation level. The phases of different speckles are not correlated (e.g. Dainty 35 pp. 35-46 / 1), so that the direct measurement of the curvature with an external (e.g. level) reference wave leads to no success.

Die Krümmung läßt sich erfindungsgemäß aber bestimmen, wenn als Referenzwellenfront das räumlich versetzte Duplikat der vom Lichtfleck erzeugten Wellenfront benutzt wird.According to the invention, however, the curvature can be determined if the spatially offset duplicate of the the wavefront generated by the light spot is used.

Im Fall einer rein lateralen Versetzung a (bezogen auf die Beobachtungsebene) ergibt sich die IntensitätsverteilungIn the case of a purely lateral displacement a (in relation to the observation plane), the intensity distribution results

wobei ξ,η die lateralen Koordinaten im Objektraum, û( ξ,η ) die komplexe Amplitude des Lichtflecks x,y die lateralen Koordinaten in der Beobachtungsebene und z der Abstand Lichtfleck- Beobachtungsebene sind. where ξ, η are the lateral coordinates in the object space, û ( ξ, η ) the complex amplitude of the light spot x, y the lateral coordinates in the observation plane and z the distance between the light spot and the observation plane.

Für einen sehr kleinen, annähernd punktförmigen Lichtfleck û( ξ,η ) kann man näherungsweise schreiben:For a very small, approximately punctiform light spot û ( ξ, η ) one can write approximately:

Man beobachtet also ein gleichmäßiges, wenn auch intensitäts moduliertes Streifenmuster, der Form:So you can see a steady, albeit intense modulated stripe pattern, the shape:

I₀ (x) = cos² (π ax/λ z) = const*[1-cos(2f ax/λ z)] (3) I ₀ (x) = cos² ( π ax / λ z ) = const * [1-cos (2 f ax / λ z )] (3)

aus dessen Frequenz f = a/λ z der Abstand z bei konstanter Versetzung a und bekannter Wellenlänge λ ermittelt werden kann:From its frequency f = a / λ z the distance z can be determined with constant displacement a and known wavelength λ :

z = a/λ f (4)
z = a / λ f (4)

Bei weniger idealen Voraussetzungen (größerer Lichtfleck und/oder größere Versetzung a) beobachtet man ein weitgehend gleichmäßiges, aber stellenweise verbogenes Streifensystem. Die Wahrscheinlichkeit, einen Streifen am richtigen Ort vorzufinden, wird durch die Höhe der Kreuzkorrelation der beiden versetzten Specklefelder bestimmt (siehe Dainty, S. 46 /1/, Fercher, /2/).With less ideal conditions (larger light spot and / or larger displacement a) , a largely uniform, but in places bent strip system is observed. The probability of finding a stripe in the right place is determined by the level of the cross-correlation of the two offset speckle fields (see Dainty, p. 46/1 /, Fercher, / 2 /).

Diese Kreuzkorrelation ist groß für kleine Versetzung a und wird sehr klein oder Null für eine Versetzung a gleich oder größer dem mittleren Speckledurchmesser in der Beobachtungs ebene. Im letzteren Fall ist die Streifenlage in benachbarten Speckles weitgehend unkorreliert. Die räumliche Versetzung a wir daher erfindungsgemäß kleiner als ein Speckledurchmesser gewählt.This cross correlation is large for small dislocation a and becomes very small or zero for dislocation a equal to or greater than the mean speckle diameter in the observation plane. In the latter case, the stripe position in neighboring speckles is largely uncorrelated. According to the invention, the spatial offset a is therefore chosen to be smaller than a speckled diameter.

Zudem wird erfindungsgemäß angestrebt, über möglichst viele Speckles zu mitteln, damit kleine Lageschwankungen der Streifen sich herausmitteln. In addition, the aim of the invention is to use as many as possible To average speckles, so that small fluctuations in Streak out.

Erfindungsgemäß kann statt einer lateralen Versetzung auch eine longitudinale Versetzung der beiden Lichtflecke benutzt werden. In diesem Fall ist das Gl. (3) entsprechende interes sierende Interferoprogramm ein Fresnelzonenmuster:According to the invention, instead of a lateral displacement a longitudinal displacement of the two light spots used will. In this case, Eq. (3) corresponding interests Interfering program send a Fresnel zone pattern:

wobei r = (x²+y²)^½ die radiale Koordinate ist; a/λ ist die Phase im Ursprung r = 0.wherein r = (x ² + y ²) ^½ is the radial coordinate; a / λ is the phase at the origin r = 0.

Erfindungsgemäß kann auch eine Kombination von lateraler Versetzung a (in x-Richtung) und longitudinaler Versetzung b (in z-Richtung) der beiden Lichtflecke benutzt werden. In diesem Fall ist das Gl. (3) entsprechende interessierende Interferogramm:According to the invention, a combination of lateral displacement a (in the x direction) and longitudinal displacement b (in the z direction) of the two light spots can also be used. In this case, Eq. (3) corresponding interferogram of interest:

Im folgenden werden nun fünf Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenIn the following, five exemplary embodiments are described with reference to Drawings explained in more detail. Show it

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit stehenden Interferenz streifen und zusammenhängendem Beobachtungsbereich, Fig. 1 shows an embodiment with stationary interference fringes and contiguous observation area,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit stehenden Interferenz streifen und geteiltem Beobachtungsbereich, Fig. 2 shows an embodiment with stationary interference fringes and shared observation area,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit bewegten Interferenz streifen für schwach depolarisierende Objekte, Fig. 3 shows an embodiment with moving interference fringes for weak depolarizing properties,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit bewegten Interferenzstreifen für schwach depolarisierende Objekte, Fig. 4 shows a further embodiment with moving interference fringes for weak depolarizing properties,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit bewegten Interferenzstreifen für stark depolarisierende Objekte. Fig. 5 shows an embodiment with moving interference fringes for strongly depolarizing objects.

To Fig. 1

Bei dieser Ausprägung der Erfindung wird das Objekt 2 mit einem (fokussierten) Laserlichtbündel 1 beleuchtet und erzeugt einen Lichtfleck 3 auf dem Objekt. Das vom Objekt 2 zurück gestreute Licht wird an der Vorder- und Rückseite der vorzugsweise beidseitig teilverspiegelten trans-parenten Plan parallelplatte 4 reflektiert. Damit wird virtuell der Lichtfleck auf dem Objekt dupliziert und räumlich versetzt. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel ϕ der Normalen der Planparallelplatte zur Verbindungslinie von der Mitte der Planparallelplatte zum Lichtfleck ca. 45-50°. Hierdurch wird eine fast ausschließlich laterale Versetzung der virtuellen Lichtflecken erzielt. Jeder der beiden virtuellen Lichtflecken erzeugt ein weitgehend gleiches Specklefeld, die auf der Photodiodenzeile 5 interferieren.In this embodiment of the invention, the object 2 is illuminated with a (focused) laser light bundle 1 and generates a light spot 3 on the object. The light scattered back by the object 2 is reflected on the front and back of the parallel plate 4 , which is preferably partially mirrored on both sides. This virtually duplicates the light spot on the object and spatially displaces it. The angle of inclination ϕ of the normal of the plane parallel plate to the connecting line from the center of the plane parallel plate to the light spot is preferably approximately 45-50 °. As a result, an almost exclusively lateral displacement of the virtual light spots is achieved. Each of the two virtual light spots generates a largely identical speckle field, which interfere on the photodiode line 5 .

Ist die Versetzung ausreichend gering, so entsteht auf dieser Empfängerzeile 5 ein weitgehend aus gleichmäßigen cos-Streifen bestehendes Interferogramm. Vorzugsweise wird als Empfängerzeile eine Photodiodenzeile mit schmalen und hohen Photodioden verwendet, um eine Mittelung der Streifenlage entlang der Streifenrichtung durchzuführen.If the dislocation is sufficiently small, an interferogram consisting largely of uniform cos strips is produced on this receiver line 5 . A photodiode line with narrow and high photodiodes is preferably used as the receiver line in order to average the strip position along the strip direction.

Das Interferogramm wird durch die Photodiodenzeile in ein elektrisches Signal konvertiert und anschließend vorzugsweise digitalisiert und einer digitalen Fouriertransformation unter worfen. Diese Fouriertransformation wird mit vielfacher (z. B.: 100facher) Überabtastung durchgeführt, wodurch die Frequenz des cos-Streifensystems mit hoher Genauigkeit bestimmt wird. Es sei aber angemerkt, daß auch rein analogelektronische Bestimmung der Frequenz, z. B. mit Hilfe eines "phase-locked loop" möglich ist. Ferner ist auch eine weitgehend optische Frequenzbestimmung durchführbar, z. B. unter Verwendung eines optischen kohärent-kohärent Wandlers ("light-valve") und optischer Fouriertransformation. The interferogram is in one by the photodiode row converted electrical signal and then preferably digitized and a digital Fourier transform under throw. This Fourier transformation is carried out with multiple (e.g .: 100 times) oversampling performed, reducing the frequency of the cos strip system is determined with high accuracy. However, it should be noted that also purely analog electronic Determination of the frequency, e.g. B. using a "phase-locked loop "is possible. Furthermore, a largely optical Frequency determination feasible, e.g. B. using a optical coherent-coherent converter ("light valve") and optical Fourier transformation.

Die Frequenzbestimmung reduziert sich dann auf die Bestimmung eines Intensitätsmaximums in der Fouriertransformationsebene, die z. B. mit Hilfe einer Photodiodenzeile erfolgen kann. Diese im Prinzip durch die erreichbare Schnelligkeit bestechende Möglichkeit ist allerdings technisch aufwendig. Die erzielbare Genauigkeit wird wesentlich bestimmt durch das Verhältnis des Abstandes z (Beobachtungsebene-Lichtfleck) zur Ausdehnung des bei der Frequenzbestimmung verwerteten Bereichs in der Beobachtungsebene (in Richtung der seitlichen Versetzung); in der oben beschriebenen Ausprägung ist dieser Bereich die Länge der Photodiodenzeile.The frequency determination is then reduced to the determination of an intensity maximum in the Fourier transformation plane, which, for. B. can be done with the help of a photodiode array. This option, which is impressive in principle due to the speed that can be achieved, is technically complex. The achievable accuracy is essentially determined by the ratio of the distance z (observation plane-light spot) to the expansion of the area used in the frequency determination in the observation plane (in the direction of the lateral offset); In the form described above, this area is the length of the photodiode row.

Um dieses Verhältnis zu vergrößern, können mehrere Photodioden zeilen in der Beobachtungsebene in Zeilenrichtung aneinander gereiht werden entlang einer Linie parallel zur Richtung der seitlichen Versetzung. Dabei sind Lücken zwischen den Zeilen zulässig. Der maximale Abstand zwischen den einander zugewandten Enden zweier Zeilen darf dabei nur so groß gewählt werden, daß die Anzahl der Cosinusstreifen im Zwischen raum eindeutig aus den beiden Zeilensignalen ermittelt werden kann.To increase this ratio, several photodiodes can be used rows in the observation plane in the row direction are lined up along a line parallel to the direction the lateral displacement. There are gaps between the Rows allowed. The maximum distance between each other facing ends of two lines may only be as large be chosen that the number of cosine stripes in between space clearly determined from the two line signals can be.

Ein Beispiel dieser Anordnung zeigt die Fig. 2. Die Beleuchtung des Objektes 13 erfolgt mit einem kohärenten, vorzugsweise polarisierten Lichtbündel 11 und der Linse 12. Die Duplizierung und seitliche Versetzung des Lichtflecks 14 wird durch 2 Savartplatten 15 a, 15 b mit jeweils gleicher Aufspaltung von ordentlichem und außerordentlichem Strahl durchgeführt, die sich knapp vor den beiden Photodiodenzeilen 17 a, 17 b befinden. Die Länge der Savartplatte in Aufspaltungsrichtung ist etwa gleich der Länge einer Photodiodenzeile. Zwischen einer jeweiligen Photodiodenzeile und der entsprechenden Savartplatte ist jeweils ein unter 45° zu den Hauptachsen der Savartplatte orientierter Analysator 16 a, 16 b angebracht.An example of this arrangement is shown in FIG. 2. The object 13 is illuminated with a coherent, preferably polarized light beam 11 and the lens 12 . The duplication and lateral displacement of the light spot 14 is carried out by 2 Savart plates 15 a , 15 b , each with the same splitting of ordinary and extraordinary beam, which are just before the two rows of photodiodes 17 a , 17 b . The length of the Savart plate in the splitting direction is approximately equal to the length of a row of photodiodes. An analyzer 16 a , 16 b oriented at 45 ° to the main axes of the Savart plate is attached between a respective photodiode row and the corresponding Savart plate.

Falls das Objekt das auffallende Licht weitgehend depolarisiert, ist außerdem zwischen Objekt und Savartplatte jeweils ein unter 45° zu den Hauptachsen der Savartplatte orientierter Polarisator einzufügen. If the object largely depolarizes the incident light, is also between the object and Savartplatte each one oriented at 45 ° to the main axes of the Savartplatte Insert polarizer.

Das Beleuchtungsbündel wird durch die Lücke zwischen den beiden Savartplatte/Photodiodenzeile-Kombination geführt. Hierdurch wird ein sehr schmaler Meßkopf realisiert. Die Frequenz des Streifensystems wird mittels gemeinsamer Fourier transformation der beiden Detektorzeilensignale ermittelt.The beam of light is created by the gap between the two Savartplatte / photodiode array combination led. This creates a very narrow measuring head. The The frequency of the strip system is determined using a common Fourier transformation of the two detector line signals determined.

Neben der oben beschriebenen Auswertung des Streifensystems mit der Fouriertransformation, läßt sich das Streifensystem auch mit phasenmessenden Heterodyne-Methoden auswerten. Damit ist eine sehr genaue und schnelle Bestimmung der Objektent fernung möglich.In addition to the evaluation of the strip system described above with the Fourier transformation, the stripe system can be also evaluate with phase-measuring heterodyne methods. In order to is a very precise and quick determination of the object distance possible.

To FIG. 3: heterodyne method for weak depolarizing properties

Man benützte eine kohärente, linear polarisierte Lichtquelle (i.A. Laser) 21, und schickt das Licht dieser Quelle nach evtl. Aufweitung über eine Abbildungsoptik 22 auf das zu messende Objekt 24. Zwischen Abbildungs-Optik und Objekt stellt man eine leicht geneigte λ/4-Platte 23, deren beide Hauptachsen 45° zur Polarisationsrichtung des einfallenden Laserlichts geneigt sind.A coherent, linearly polarized light source (generally a laser) 21 was used , and the light from this source was sent to the object 24 to be measured via an imaging optics 22 after being expanded. A slightly inclined λ / 4 plate 23 is placed between the imaging optics and the object, the two main axes of which are inclined at 45 ° to the direction of polarization of the incident laser light.

Man erhält also nach der g/4-Platte eine zirkular polarisierte Welle (z. B. rechtszirkular). Dieses Lichtbündel gelangt dann auf das Objekt und wird von diesem i. a. diffus reflektiert, wobei ein Teil des Lichts wieder auf die λ/4-Platte 23 gelangt. Wiederum ein Teil 29 dieses Lichts wird sofort an die Oberfläche der Platte reflektiert. Ein Teil des rückge streuten Lichts dringt jedoch in die λ/4-Platte ein. Ein Teil 30 davon wird an der Rückseite der λ/4-Platte reflektiert und lateral und longitudinal versetzt in die gleiche Richtung abgestrahlt, wie die Lichtkomponente, welche an der Vorderseite reflektiert wurde. Die Größe der lateralen und longitudinalen Versetzung wird von der Dicke der λ/4-Platte und vom Winkel ϕ zwischen der Normalen auf die λ/4-Platte und dem Beleuchtungsstrahl bestimmt. A circularly polarized wave (e.g. right-hand circular) is thus obtained after the g / 4 plate. This light beam then reaches the object and is generally diffusely reflected by it, with some of the light again reaching the λ / 4 plate 23 . Again a part 29 of this light is immediately reflected on the surface of the plate. However, part of the backscattered light penetrates the λ / 4 plate. A portion 30 of it is reflected on the back of the λ / 4 plate and radiated laterally and longitudinally offset in the same direction as the light component which was reflected on the front. The size of the lateral and longitudinal displacement is determined by the thickness of the λ / 4 plate and by the angle ϕ between the normal to the λ / 4 plate and the illumination beam.

Zusätzlich hat die Lichtkomponente, die die λ/4-Platte zweimal durchlaufen hat, ihren Polarisationszustand gegenüber der an der Vorderfläche der λ/4-Platte reflektierten Komponente verkehrt; aus z. B. rechtszirkular pol. Licht wurde links zirkular pol. Licht.In addition, the light component that has passed through the λ / 4 plate twice has reversed its polarization state with respect to the component reflected on the front surface of the λ / 4 plate; from z. B. right circular pol. Light became circular pol. Light.

Man erhält von einer Objektwelle 2 zueinander räumlich versetzte Teilwellen 29, 30, die entgegengesetzt zirkular polarisiert sind.Partial waves 29 , 30 which are spatially offset from one another and which are circularly polarized in opposite directions are obtained from an object wave 2 .

Diese beiden unterschiedlich pol. Wellen werden durch einen mit der Frequenz ω _r rotierenden Polarisator 25 im weiteren Strahlengang gegeneinander in der Frequenz verschoben (H.Z. Hu, "POLARIZATION HETERODYNE INTERFEROMETRY USING A SIMPLE ROTATING ANALYZER. 1: THEORY AND ERROR ANALYSIS" Applied Optics, Vol. 22, Nor. 13, 1983), so daß man nach dem Polarisator laufende Streifen erhält.These two differ pol. Waves are shifted in frequency in the further beam path by a polarizer 25 rotating with the frequency ω _r (HZ Hu, "POLARIZATION HETERODYNE INTERFEROMETRY USING A SIMPLE ROTATING ANALYZER. 1: THEORY AND ERROR ANALYSIS" Applied Optics, Vol. 22, Nor. 13, 1983) so that stripes are obtained after the polarizer.

Das Interferenzmuster wird mit zwei Detektoren 27 a, 27 b an zwei festen Beobachtungspunkten in der Beobachtungsebene 26 beobachtet. Beide Detektoren sehen eine z. B. sinusförmige Intensitätsverteilung und wandeln diese in ein elektrisches Signal der Frequenz 2ω _r um. Gemessen wird ein Phasenunterschied zwischen beiden Signalen, dessen Größe umgekehrt proportional zur Streifenbreite ist, da derselbe Streifen zu unterschiedlicher Zeit über die verschiedenen Detektoren läuft. Aus der Lage der Beobachtungspunkte und der Phasen differenz ergibt sich dann die Krümmung der vom Objekt ausgehenden Welle und damit die Objektentfernung.The interference pattern is observed with two detectors 27 a , 27 b at two fixed observation points in the observation plane 26 . Both detectors see a z. B. sinusoidal intensity distribution and convert it into an electrical signal of frequency 2 ω _r . A phase difference between the two signals is measured, the size of which is inversely proportional to the strip width, since the same strip runs across the different detectors at different times. The position of the observation points and the phase difference then result in the curvature of the wave emanating from the object and thus the object distance.

Die Phasendifferenz wird elektronisch durch das Phasenmeßgerät 28 (z. B. Lock-in-Verstärker) bestimmt. Ein Vorteil dieser Methode ist es, daß man Detektoren verwenden kann, die senkrecht zur Streifenrichtung schmal aber ausgedehnt in Richtung der Streifen sind; damit kann man über viele Speckles mitteln und erhält einen statistisch besseren Ausgangs wert. Ferner können mehrere Photodetektoren, vorzugsweise entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen angeordnet werden, um die Frequenz des Streifenmusters über einen größeren Frequnezbereich eindeutig messen zu können und hierdurch auch einen größeren Meßbereich zu erzielen. The phase difference is determined electronically by the phase measuring device 28 (e.g. lock-in amplifier). An advantage of this method is that detectors can be used which are narrow perpendicular to the direction of the stripe but extended in the direction of the stripes; this means that you can average over many speckles and get a statistically better starting value. Furthermore, a plurality of photodetectors can be arranged, preferably along a line perpendicular to the stripes, in order to be able to clearly measure the frequency of the stripe pattern over a larger frequency range and thereby also to achieve a larger measuring range.

Statt mehrer Photoempfänger kann man auch nur 2 verwenden, wenn man während einer Messung den Abstand der Detektoren verändert und damit die Phase an mehreren Beobachtungspunkten mit passendem Phasenmeßgerät 28 genau bestimmt.Instead of several photo receivers, it is also possible to use only 2 if the distance between the detectors is changed during a measurement and the phase is thus precisely determined at several observation points with a suitable phase measuring device 28 .

To FIG. 4: for heterodyne weak depolarizing properties

Zur Beleuchtung verwendet man eine kohärente Lichtquelle 31, die 2 nur wenig verschiedene Wellenlängen liefert, deren jeweilige lin. Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander sind. (z. B. 2-Moden-Laser, od. akusto-opt. modul. Licht welle).A coherent light source 31 is used for the illumination, which supplies 2 only slightly different wavelengths, whose respective linear polarization directions are perpendicular to one another. (e.g. 2-mode laser or acousto-optic modular light wave).

Der Beleuchtungsstrahl besteht also aus 2 zueinander senkrecht pol. Komponenten, die geringfügig unterschiedliche Frequenzen haben und kollinear geführt sind.The illuminating beam thus consists of 2 perpendicular to each other pole. Components that have slightly different frequencies have and are collinear.

Dieser Beleuchtungsstrahl wird durch die Optik 32 aufgeweitet und auf das Objekt fokussiert. Das am Objekt 33 reflektierte Licht enthält nun ebenfalls diese beiden Komponenten und wird von der Savartplatte 34 nach der unterschiedlichen Polari sation getrennt und gegeneinander räumlich versetzt.This illumination beam is widened by the optics 32 and focused on the object. The light reflected on the object 33 now also contains these two components and is separated from the Savart plate 34 according to the different polarization and spatially offset from one another.

Man erhält aus einem Objektpunkt 2 Bildpunkte, die unter schiedlich polarisiert sind und auch noch verschiedene Frequenz haben.You get 2 pixels from an object point, the under are polarized differently and also different Have frequency.

Die nun folgende λ/4-Platte 35 macht aus den beiden linear polarisierten Komponenten gegensinnig zirkular polarisierte Lichtwellen. Durch den nachfolgenden festen Polarisator 36 werden die beiden Teilwellen interferenzfähig und es entsteht ein Streifenmuster, welches mit der Differenzfrequenz der beiden Lichtfrequenzen an den Detektoren vorbeiläuft. Die Messung der Phasendifferenz wird wie bei Fig. 3 beschrieben mit den in der Beobachtungsebene angeordneten Photodioden 37 a, 37 b und dem Phasenmeßgerät 38 durchgeführt. The following λ / 4 plate 35 turns the two linearly polarized components into circularly polarized light waves. The subsequent fixed polarizer 36 makes the two partial waves capable of interference, and a stripe pattern is created which runs past the detectors at the difference frequency of the two light frequencies. The phase difference is measured as described in FIG. 3 with the photodiodes 37 a , 37 b arranged in the observation plane and the phase measuring device 38 .

To Fig. 5: heterodyne method for highly depolarizing properties

Die Beleuchtung des Objekts erfolgt mit einer kohärenten Lichtquelle 41, dessen Lichtbündel mit der Optik 42 auf das Objekt 43 fokussiert wird. Das vom Objekt rückgestreute Licht wird dann durch eine Savartplatte 45 beobachtet. Vorzugsweise wird zur Kontrasterhöhung ein Polarisator 44 vor der Savartplatte angeordnet, wobei die Achse des Polarisators unter 45° zu den Hauptachsen der Savartplatte orientiert wird.The object is illuminated with a coherent light source 41 , the light bundle of which is focused on the object 43 by the optics 42 . The light backscattered from the object is then observed through a Savart plate 45 . A polarizer 44 is preferably arranged in front of the Savart plate in order to increase the contrast, the axis of the polarizer being oriented at 45 ° to the main axes of the Savart plate.

Die Savartplatte spaltet das rückgestreute Licht nach Polarisations zuständen auf; die beiden zueinander senkrecht linear polarisierten Komponenten werden räumlich gegeneinander versetzt, d. h. man sieht 2 Bilder des Lichtflecks auf dem Objekt.The Savart plate splits the backscattered light according to polarization states on; the two are linearly perpendicular to each other Polarized components are spatially opposed to one another offset, d. H. you can see 2 pictures of the light spot on the Object.

Nach der Savartplatte werden die beiden Lichtkomponenten nun durch eine λ/4-Platte 46, welche unter 45° zu den Polarisations richtungen der Komponenten orientiert ist, in gegensinnig zirkular pol. Wellen verwandelt. Diese beiden Wellen werden mittels des drehenden Polarisators 47 frequenzverschoben und man erhält ein laufendes Interferenzmuster. Mit Hilfe der Photodetektoren 48 a, 48 b und der Phasenmeßeinrichtung 49 wird wiederum die Phase zwischen zwei Punkten in der Beobachtungsebene 50 bestimmt und daraus die Objektentfernung z ermittelt.After the Savart plate, the two light components are now through a λ / 4 plate 46 , which is oriented at 45 ° to the polarization directions of the components, in opposite circular pol. Waves are transformed. These two waves are frequency-shifted by means of the rotating polarizer 47 and a continuous interference pattern is obtained. The phase between two points in the observation plane 50 is again determined with the aid of the photodetectors 48 a , 48 b and the phase measuring device 49 and the object distance z is determined therefrom.

Lit.:
J.C. Dainty, "Laser Speckle and related Phenomena", S. 54ff, Springer Verlag, Sec. Ed. (1984).Lit .:
JC Dainty, "Laser Speckle and related Phenomena", pp. 54ff, Springer Verlag, Sec. Ed. (1984).

Claims

1. A method for distance measurement, in which the object is illuminated with a light spot, characterized in that two spatially separate images are generated from the light spot, that the wave fronts emanating from these images interfere and that from the distances of the interference fringes measured in a reference plane Distance of the light spot on the object from the reference plane is calculated.

2. The method according to claim 1 characterized in that the two light spots laterally from the reference plane appear staggered.

3. The method according to claim 1 characterized in that the two light spots longitudinally from the reference plane appear staggered.

4. The method according to claim 1 characterized in that from the reference plane the two light spots at the same time appear laterally and longitudinally offset.

5. The method according to claim 1 characterized in that the Fourier transform of the interference pattern is determined , from this the frequency of the information about the Streak-bearing strip system is obtained and from it the distance of the light spot is determined.

6. The method according to claim 1-4 characterized in that the resulting interference pattern with a same shifted Pattern is multiplied from the product of the two Pattern the stripe frequency is determined and from it the Distance is determined.

7. The method according to claim 1-4 characterized in that by additional means that the information about the curvature supporting interference fringing system essentially perpendicular for local orientation of the strips is moved.

8. The method according to claim 1-4 and 7 characterized in that in at least two locations in the reference plane the temporal Course of the intensity of the interference pattern is measured and from the phase difference of the two intensity signals The frequency of the strip system is determined and from this the distance of the light spot is determined by the observation area.

9. The method according to claim 2-4 characterized in that the virtual duplication of the light spot and mutual Dislocation by splitting the wavefront with the help of Reflection and refraction take place.

10. The method according to claim 2-8 characterized in that the virtual duplication of the light spot and mutual Dislocation is done using birefringence.

11. The method according to claims 2-4 characterized in that the virtual duplication of the light spot and mutual Dislocation by combining birefringence, more ordinary Refraction and partial reflection occurs.

12. An apparatus for performing the method according to claim 1-11, in which the object is illuminated with a light spot, characterized in that a lighting device preferably a partially coherent one Light spot on the object creates that light spot is virtually duplicated using optical beam splitters, that the corresponding interference pattern by a Detector device is detected and with the help of a computing unit the distance of the light spot from the detected pattern is calculated.

13. The apparatus of claim 12 characterized in that the virtual duplication of the light spot and mutual Dislocation by at least one, preferably part mirrored plane plate is made.

14. The apparatus according to claim 12, characterized in that the virtual duplication of the light spot and mutual offset by a λ / 4 plate.

15. The apparatus of claim 12 characterized in that the virtual duplication of the light spot and mutual Dislocation by optically birefringent elements, preferably done by a Savart plate.

16. The apparatus according to claim 12, characterized in that the interference pattern is modulated in time in the reference plane by the λ / 4 plate arranged at 45 ° to its optical axis and a rotating analyzer are connected downstream of the birefringent element.

17. The device according to any one of claims 12-15 characterized in that the interference pattern is modulated in time in the reference plane is, by using a light source that has two frequencies emitted, preferably a two-mode laser.

18. Device according to claims 12 and 15, characterized in that the interference pattern is modulated in time in the reference plane by the λ / 4 plate arranged at 45 ° to its optical axis and a rotating analyzer is connected downstream of the birefringent element.