WO2010094474A1 - Device and method for distance measurement - Google Patents

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WO2010094474A1
WO2010094474A1 PCT/EP2010/001005 EP2010001005W WO2010094474A1 WO 2010094474 A1 WO2010094474 A1 WO 2010094474A1 EP 2010001005 W EP2010001005 W EP 2010001005W WO 2010094474 A1 WO2010094474 A1 WO 2010094474A1
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measuring light
path
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Cristina Alvarez Diez
Bernd Spruck
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Carl Zeiss Ag
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    • G01S7/486Receivers
    • G01S7/487Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for distance measurement.
  • the invention relates to a device and a method for distance measurement using optical methods.
  • the measurement of distances has numerous applications, for example, in industrial manufacturing or quality control in industrial manufacturing, must be determined in the dimensions of manufacturing products.
  • Numerous measuring devices such as micrometers or slides, are available for measuring small distances.
  • the maximum measurable length range is coupled to the resolution such that length measurements with high accuracy are possible at small lengths, for example using a micrometer
  • mechanical measuring means are often not designed for the measurement of lengths in the range of a few meters.
  • Conventional U-turn flow meters and laser rangefinders are suitable for measuring larger distances, but have a length resolution that often does not fall below the millimeter range in the case of inexpensive devices.
  • the scope of conventional laser rangefinders is also limited by the fact that many devices are not designed to measure very short distances in the range of a few centimeters or a few meters.
  • DE 41 32 113 A1 describes a sensor for changes in length or distance, in which a light beam in an elastic light guide is repeatedly guided back and forth between two groups of mirrors.
  • the strain gauge of DE 41 32 113 A1 allows the determination of changes in length, but must be attached to the object on which the change in length is to be determined. Since the light beam is guided in the elastic substrate, the strain gauge is designed to determine the change in length on objects in which the relevant distances do not exceed the size of the strain gauge.
  • the invention has for its object to provide an apparatus and a method for optical distance measurement, can be determined with the or with the distances with high accuracy.
  • the invention has for its object to provide such a device and such a method that uses the transportable devices that can be used at different locations.
  • an apparatus for optical distance measurement of an object which is set up to radiate a measuring light beam along a beam path in the direction of the object, comprises a reflector.
  • the reflector is set up in such a way that, during operation of the device, it receives a measuring light beam reflected by the object and redirects it toward the object along a further radiation path offset to the beam path.
  • the measuring light beam is guided along a beam path, on which it is directed several times on staggered beam paths to the object.
  • the beam path is folded so that the measuring light beam covers the distance between the measuring device and the object more than twice. For a given resolution of a laser rangefinder, extending the path length to be traveled by the measurement light beam allows an increase in the accuracy of the distance measurement.
  • the reflector may be arranged to direct the measuring light beam reflected at the object into the further beam path, wherein the further beam path is substantially parallel and offset from the measuring light beam reflected at the object.
  • the further beam path is also advantageous parallel to the beam path. If the measurement light beam successively has several parallel beam paths gene passes through between the device and the object, the distance of the object can be determined in a simple manner from the path length traveled by the measuring light beam. This guidance of the measuring light beam furthermore makes it possible to use an arrangement of reflectors on the measuring device, which can be selected independently of the distance between the measuring device and the object.
  • the device may comprise at least one further reflector which is set up to receive a measurement light beam reflected again on the object and to direct it in the direction of the object.
  • the distance covered by the measuring light beam is further increased for a given distance between the object and the measuring device. This embodiment of the beam path allows an increase in the accuracy with which the distance can be determined.
  • the reflector and another reflector can be set up such that the measuring light beam directed by the further reflector in the direction of the object lies outside a plane which is defined by the beam path and the further beam path.
  • the plurality of reflectors of the device may be arranged so that the different beam paths on which the measuring light beam passes between the device and the object do not lie in a single plane.
  • the reflector and the at least one further reflector can be set up such that the measuring light beam is guided back and forth between the device and the object on a mantle surface of a virtual three-dimensional body. This allows the reflector and the other reflectors of the device to be positioned in a two-dimensional array to accommodate a large number of reflectors in an area of predetermined dimensions.
  • One of the further reflectors can be designed as a retroreflector in order to further increase the path length to be covered by the measurement light beam by the retroreflection of the measurement light beam in itself.
  • At least one object reflector is provided on the object in order to receive the measuring beam of light emitted by the device along the beam path and to direct it to the reflector.
  • the object reflector may be configured to offset the measurement light beam emitted by the device and to direct it to the reflector in a direction substantially parallel to the beam path.
  • a plurality of object reflectors can be provided on the object, the arrangement of which can be selected depending on the arrangement of reflectors of the device so that the measuring light beam reciprocates on a plurality of mutually parallel and offset beam paths between the measuring device and the object.
  • the reflector or the plurality of reflectors of the device can be attached to a carrier.
  • An actuator may be provided to adjust the carrier.
  • an orientation of the carrier can be controlled, for example, to set a parallel orientation of the carrier to a surface of the object on which the object reflectors are provided.
  • the device may include a sensor for detecting the orientation of the carrier, which may be coupled to the actuator. A part of the measuring light beam can be directed to the sensor. This makes it possible to use the measurement light beam both for distance measurement and to control the orientation of the carrier.
  • the measuring light beam may have light components of two different wavelengths, one of which is directed to the sensor coupled to the actuator to be used to control the alignment.
  • the other of the light components can be fed to another detector for distance measurement.
  • a separate light source can also be provided which transmits a light beam independent of the measuring light beam from the device to the object in order to determine an instantaneous orientation of the carrier.
  • the sensor may include a four-quadrant sensor. Output signals of the four-quadrant sensor make it possible to control tilting of the carrier along two independent tilt axes.
  • the deflection of the measuring light beam in such a way that it is guided back and forth repeatedly between the measuring device and the object on mutually offset beam paths can be used in combination with conventional laser range finders, which measure distance, for example based on transit time measurements or interferometric methods.
  • conventional laser range finders which measure distance, for example based on transit time measurements or interferometric methods.
  • the device may also include a light source for generating the measurement light beam, which in operation generates a sequence of light pulses at a repetition rate.
  • the light source may be a short pulse laser that generates an optical frequency comb.
  • the use of a sequence of light pulses in the measuring light beam allows a determination of the path length traveled by the measuring light beam on the basis of phase positions of the sequence of light pulses.
  • the device may comprise an evaluation device for detecting the sequence of light pulses and for determining the path length covered by the measurement light beam, which determines a phase shift of a signal component of the detected sequence of light pulses for determining the path length, the signal component having a frequency that is a multiple corresponds to the repetition rate. By using a harmonic of the detected signal, the path length traveled by the measuring light beam can be determined with high accuracy.
  • the evaluation device can be set up to generate a further signal for determining the phase difference, which essentially has the phase shift of the signal component and a lower frequency than the signal component.
  • the signal component can be fed to a frequency mixer whose output signal is band-pass filtered. The generation of the further signal with the lower frequency facilitates the measurement of the phase difference.
  • the device can be used in various applications. For example, it may be integrated with a caliper to determine a position or a distance of a movable element of the caliper.
  • reflectors of the measuring device may be provided on the leg of the caliper fixed relative to a guide, while corresponding object reflectors may be attached to the movable leg of the caliper.
  • Distance measurement of an object a measuring light beam directed such that it is repeatedly fed back and forth between the object and a measuring device, so that it is the distance from the measuring device to the object and the distance from the object runs through to the measuring device several times. Based on the distance traveled by the measuring light beam, the distance of the object is determined.
  • the path length covered by the measuring light beam is lengthened. For a given resolution of a laser rangefinder, extending the path length traveled by the measuring light beam allows an increase in the accuracy of the distance measurement.
  • the measuring light beam can successively pass through a plurality of mutually parallel first beam paths from the measuring device to the object and mutually parallel second beam paths from the object to the measuring device.
  • the first beam paths and the second beam paths can be parallel to one another.
  • the first beam paths and the second beam paths may be offset from each other.
  • the parallelism of the beam paths makes it possible to easily determine the distance of the object from the path length traveled by the measuring light beam.
  • At least one first ray path of the plurality of first ray paths may be arranged to extend outside the plane defined by another first ray path of the plurality of first ray paths and a second ray path of the plurality of second ray paths.
  • the first beam paths and the second beam paths can in particular run on a mantle surface of a virtual three-dimensional body. If the beam paths are not within one plane, the reflectors required for deflecting the measurement light beam can be provided in a surface area on the measuring device or on the object which has smaller length dimensions than when arranged along a line.
  • the measuring light beam may be retroreflected so as to pass through the plurality of first beam paths twice and the plurality of second beam paths twice. In this way, the path length covered by the measuring light beam can be further increased.
  • At least one measuring device can be used.
  • Direction provided reflector and attached to the object object reflector can be used.
  • An orientation of the reflector of the measuring device relative to the object reflector may be actively adjusted so that the plurality of first beam paths are parallel to the plurality of second beam paths.
  • a position of the measurement light beam which is guided back and forth repeatedly between the measuring device and the object can be detected.
  • the measurement light beam can thus be used both for determining the distance and for controlling the orientation of the reflector.
  • a conventional laser rangefinder can be used to generate the measurement light beam and to determine the path length traveled by the measurement light beam.
  • the measurement light beam can also comprise a sequence of light pulses which are generated at a repetition rate, for example an optical frequency comb generated by a short-pulse laser.
  • a light intensity of the measuring light beam can be detected after the measuring light beam has been repeatedly guided back and forth between the object and the measuring device.
  • the path length may be determined based on a phase shift of a signal component of the measurement light beam having a frequency that is a multiple of the repetition rate.
  • the traveled path length can be determined with high accuracy.
  • the signal component may be applied to a frequency mixer, the output of which is filtered to produce a further signal having substantially the phase shift of the signal component and a lower frequency than the signal component.
  • the method according to the various embodiments can be carried out with a device according to an embodiment.
  • the devices and methods according to various embodiments of the invention can be used generally for distance measurement.
  • Areas of application include distance or length measurement in the production or quality control of machine parts or in other industrial processes. sen. However, the embodiments of the invention are not limited to these applications.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to an embodiment, wherein in Fig. 1A and 1B different object distances are shown.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
  • Fig. 3 is a schematic perspective view of a device according to another embodiment.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate beam paths of a measuring light beam.
  • Fig. 6 is a schematic perspective view of an apparatus according to an embodiment having an actuator for adjusting a reflector.
  • Fig. 7 is a schematic perspective view of a device according to another embodiment having an actuator for adjusting a reflector.
  • Fig. 8 is a schematic representation of a device according to another embodiment having an actuator for adjusting a reflector.
  • FIG. 9A shows, by way of example, a sequence of light pulses as a function of time
  • FIG. 9B schematically shows a Fourier spectrum of the sequence of light pulses of FIG. 9A.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a light source and a detector that may be used in the devices of various embodiments.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a light source and a detector that may be used in the devices of various embodiments.
  • FIG. 11 is a schematic block diagram of an evaluation device that may be used with the devices according to various embodiments.
  • Fig. 12A shows exemplary input signals of the evaluation device of Fig. 11, and
  • Fig. 12B shows a signal component of the input signals.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a distance measuring device 1, FIGS. 1A and 1B showing the device at different distances of an object 2.
  • the device 1 comprises a light source and detector device 3, a reflector 4 and a retroreflector 5.
  • the light source and detector device 3 may, for example, be a conventional laser range finder which determines the path length traveled by a measuring light beam. To determine the path length, for example, a transit time measurement, an interferometric method or the determination of a phase position of a pulsed signal can be used.
  • the light source and detector device 3 is set up so that it emits a measuring light beam 11 along a beam path 13 in the direction of the object 2 whose distance is to be determined.
  • the reflector 4 is set up in such a way that it receives the measuring light beam reflected by the object 2 and deflects it in such a way that the measuring light beam is redirected to the object 2 along a beam path 14 offset and parallel to the beam path 13.
  • the retroreflector 5 is arranged to receive the measuring light beam reflected on the object 2 and to reflect in itself.
  • a plurality of reflectors 6, 7 are provided, each of which is adapted to receive the measuring light beam directed by the measuring device 1 in the direction of the object 2 and offset and parallel to the received measuring light beam back towards the measuring device 1.
  • the reflectors 6, 7 attached to the object are referred to below as object reflectors.
  • the measuring light beam 11 is radiated by the light source and detector device 3 of the measuring device 1 along the beam path 13 in the direction of the object 2.
  • the object reflector 6 receives the measuring light beam 11 and deflects it in such a way that it is directed to the reflector 4 along a ray path 16 that is parallel and offset from the ray path 13.
  • the reflector 4 of the measuring device receives and deflects the measuring light beam 11 in such a way that it is directed to the object reflector 7 along the beam path 14 that is parallel and offset from the beam paths 13 and 16.
  • the object reflector 7 receives the measuring light beam 11 and deflects it in such a way that it is directed to the retroreflector 5 along a beam path 17 that runs parallel and offset from the beam paths 13, 16 and 14.
  • the retroreflector 5 reflects the measuring light beam in itself, so that the measuring light beam passes through the beam paths 17, 14, 16 and 13 in the reverse direction back to the light source and detector device 3.
  • the reflectors 4, 5 of the measuring device and the object reflectors 6, 7 attached to the object fold the beam path of the measuring light beam, so that the measuring light beam is repeatedly guided back and forth between the measuring device 1 and the object 2.
  • the measuring light beam traverses the distance between measuring device and object eight times, so that the path length covered by the measuring light beam is lengthened by a factor of four in comparison to the beam guidance in a conventional laser distance measurement.
  • the light source and detector device 3 determines the path length traveled by the measuring light beam. Proportions of the path length traveled by the measuring light beam, which result from a beam path transverse to the beam paths 13, 14, 16 and 17, as occurs, for example, at the reflector 4 and the object reflectors 6, 7, or from a beam path within the beam Measuring device 1 are caused by the system geometry and can be assumed to be known. Alternatively, the measuring device 1 can be calibrated in a simple manner by positioning the object 2 at the position x ⁇ in contact with the measuring device 1 in order to determine a path length which is determined only by the system geometry.
  • the path length which corresponds to the sum of the parallel beam paths 13, 14, 16 and 17 between the measuring device 1 and the object 2 can be determined from the path length covered by the measuring light beam.
  • the distance determined by the light source and detector device 3 distance of the object 2 can be determined.
  • the length of each of the beam paths 13 ' , 14 ' , 16 ' and 17 ' changes between the measuring device 1 and the object 2 by the length d, so that the total traversed by the measuring light beam path length increased by 8-d.
  • the beam guidance of the measuring light beam in the apparatus of FIG. 1 leads to an increase in the resolution or accuracy with which the distance of the object 2 can be measured, since the resolution of the distance measurement is determined by the resolution with which the light source and detector device 3 determines the optical path length of the measuring light beam, divided by the number of beam paths between the measuring device and the object, which passes through the measuring light beam.
  • a conventional laser range finder is used as the light source and detector 3 which can measure a minimum optical path length of 1 m and has a resolution of the path length measurement of ⁇ 20 mm
  • a minimum object distance of 50 cm can be measured, and the resolution of the distance measurement is ⁇ 10 mm.
  • the beam path of the measurement light beam is folded using the apparatus 1, a minimum object distance of 12.5 cm can be measured with the laser rangefinder, and the resolution of the distance measurement is ⁇ 2.5 mm.
  • a reflector 4 of the measuring device and as object reflectors 6, 7, for example, mutually tilted mirrors, a triple mirror, a triple prism or the like can be used in the device 1.
  • the embodiment of the device can be modified in further embodiments.
  • the number of reflectors and object reflectors may be selected depending on the particular field of application of the measuring device and the properties of the light source and detector device 3. For example, more than two reflectors can be provided on the measuring device and the object.
  • a retroreflector may be provided on the object to reflect the measuring light beam in itself.
  • the measuring light beam is not reflected in itself, but the The light source and the detector can be spatially spaced so provided that the detector detects the measuring light beam.
  • a detector may be provided which detects the measuring light beam after it has been repeatedly reciprocated on offset beam paths between the measuring device and the object.
  • FIG. 2 shows the use of a device for distance measurement according to an exemplary embodiment in a caliper 20.
  • a first measuring jaw 22 is provided fixedly on a guide 21 of the caliper 20, while a movable second measuring jaw 30 is displaceable along the guide 21, as schematically indicated by the arrow 31.
  • the device for distance measurement is provided, which has a light source and detector device 23, a plurality of reflectors 24-26 and a retroreflector 27.
  • On the movable measuring jaws 30 a plurality of object reflectors 33-36 are provided.
  • the reflectors 24-26 and the object reflectors 33-36 may each comprise a pair of mutually tilted mirrors, a triple mirror, a triple prism, or the like.
  • Each of the reflectors 24-26 is configured to receive a measuring light beam guided by an object reflector 33-36 in the direction of the corresponding reflector and to direct it back in the direction of the movable measuring jaw 30 parallel to the received measuring light beam.
  • Each of the object reflectors 33-36 is set up to receive a measuring light beam guided by the measuring device in the direction of the movable measuring jaw 30 and to guide it back in the direction of the first measuring jaw 22 parallel to the received measuring light beam.
  • the retroreflector 27 is arranged to receive the measurement light beam from the object reflector 36 and to refract it.
  • the light source and detector device 3 radiates the measuring light beam along a beam path 37 to the object reflector 33.
  • the object reflector directs the measuring light beam along a beam path 38, which runs parallel and offset to the beam path 37, to the reflector 24.
  • the reflector 24 directs the measuring light beam along a beam path 39, which runs parallel and offset to the beam path 38, to the object reflector 34
  • the measuring light beam is guided via the object reflector 34, the reflector 25, the object reflector 35, the reflector 26 and the object reflector 36 to the retroreflector 27, where it is irradiated along a ray path. 40 is reflected in itself and on the object reflectors 33-36 and the reflectors 24-26 back to the light source and detector device 23 is guided.
  • the light source and detector device 23 determines the path length traveled by the measurement light beam, from which the distance of the movable measurement jaw 31 from the fixed measurement jaw 22 can be determined.
  • the operation of the device for determining the distance of the movable measuring jaw 31 is identical to the operation of the device described in FIG. 1. Since the measuring light beam is guided back and forth eight times between the two measuring jaws, the spatial resolution and the smallest measurable distance can be correspondingly reduced by a factor of eight compared to a conventional beam guidance in distance measurement.
  • the measuring light beam is reciprocated in a plane several times between the measuring device and the object.
  • the measurement light beam can also be guided so that the beam paths between object and measuring device are not all in one plane.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a device 50 for distance measurement according to a further exemplary embodiment, in which the reflectors and the object reflectors are arranged such that the measuring light beam is guided along a mantle surface of a virtual cuboid.
  • the device 50 has on a carrier 51 a light source 52 for generating a measuring light beam, reflectors 53-55 and a detector 56 for detecting the measuring light beam.
  • the detectors 53-55 are each arranged to receive a measurement light beam reflected on the object and to redirect it to the object with an offset parallel to the received measurement light beam.
  • the direction of the respective offset of the measuring light beam is shown schematically in Fig. 3 by the longitudinal axis of the reflector 53-55.
  • the reflectors 53-55 are not collinear, but arranged rotated against each other. As a result, the measurement light beam is reciprocated along a non-planar mantle surface of a three-dimensional body between the device 50 and the object.
  • Object reflectors 62-65 are arranged on an object 61.
  • Each of the object reflectors 62-65 is configured to receive the measuring light beam from the measuring device 50 and to redirect it toward the measuring device 50 with an offset parallel to the received measuring light beam.
  • the arrangement of the object reflectors 62-65 is selected such that the measurement light beam alternately passes between the object 50 and the object 61 via one of the object reflectors 62-65 and one of the reflectors 53-55. and is guided and thus guided by the light source 52 to the detector 56.
  • the object reflectors are arranged so that at least two of the object reflectors are provided rotated relative to each other.
  • the reflectors 53-55 and the object reflectors 62-65 may be formed as a pair of mutually inclined mirrors, a triple mirror, a triple prism, or the like.
  • the measuring light beam is emitted from the light source 52 along the beam path 71 to the object reflector 62.
  • the object reflector 62 directs the measuring light beam along a beam path 72 to the reflector 53.
  • the reflector 53 directs the measuring light beam along a ray path 73 to the object reflector 63.
  • the object reflector 63 is arranged such that it displaces the measuring light beam along the ray path 74 to the reflector 54, which is rotated relative to the reflector 53 by 90 °. Accordingly, the object reflector 63 is arranged such that the beam path 74 lies outside the plane in which the beam paths 71, 72 and 73 lie.
  • the reflector 54 directs the measuring light beam along the beam path 75 to the object reflector 64.
  • the object reflector 64 directs the measuring light beam along the beam path 76 to the reflector 55.
  • the reflector 55 directs the measuring light beam along the beam path 77 to the object reflector 65.
  • the object reflector 65 directs the Measuring light beam along the beam path 78 to the detector 56th
  • the measuring light beam along a plurality of Beam paths 71-78 repeatedly between the device 50 and the object 61 and led back.
  • the ray paths 71-78 are parallel and staggered but not all in one plane. For example, that of the object reflector 63 is too the beam 53 leading to the reflector 53 and the beam path 75 leading from the reflector 54 to the object reflector 64 not in the plane defined by the beam path 71 and the beam path 72 or the beam path 73.
  • the reflectors and the object reflectors are not provided in a linear arrangement.
  • the reflectors may be arranged along a peripheral edge of a base surface of a virtual three-dimensional body, and the object reflectors may be arranged along a peripheral edge of an opposite ceiling surface of the virtual three-dimensional body.
  • a virtual three-dimensional body while a non-existing real body is called, on the mantle surface of the beam path of the measuring light beam is located.
  • An array of reflectors allows a larger number of reflectors to be accommodated in an area of limited dimensions than when arranged along a line. In this way, the ratio of the distance traveled by the measuring light beam path length to the object distance can be further increased.
  • the determination of the object distance may be as described with reference to the devices of FIGS. 1 and 2.
  • the light source 52 and the detector 56 it is possible with the light source 52 and the detector 56 to carry out a propagation time measurement, an interferometric method or a measuring method using a pulse sequence.
  • the portion of the path length traveled by the measuring light beam, which is not caused by the repeated propagation of the measuring light beam between measuring device 50 and object 61, can be determined, for example, based on the device geometry or by means of a calibration of the measuring device 50.
  • the light source 62 and the detector 56 are provided separately.
  • a retroreflector may be provided to reflect the measuring light beam within it, and instead of the light source 52 may be provided an integrated light source and detector, for example a conventional laser rangefinder.
  • the number and arrangement of reflectors and object reflectors may also be used in a measuring device in which the beam path of the measuring light beam is guided along a mantle surface of a three-dimensional body, depending on the characteristics of the light source and the detector device as well as a desired range of distances with the Distance measuring device to be measured can be selected.
  • FIG. 4 shows an example of a beam path of a measuring light beam 85 in a further exemplary embodiment.
  • the measuring light beam 85 is reciprocated on a mantle surface of a virtual cuboid 80 several times between a measuring device and an object.
  • Reflectors of the measuring device which are not shown in FIG. 4, are arranged along an edge of a base 81 of the virtual cuboid 80, and object reflectors, which are not shown in FIG. 4, are along an edge of a ceiling surface 82 opposite the base 81 Cuboid 80 disposed on the object whose distance is to be determined.
  • a light source and detector device 83 generates the measurement light beam 85, which is repeatedly guided back and forth on the mantle surface of the cuboid 80 between the base surface 81 and the ceiling surface 82.
  • a retroreflector 84 reflects the measuring beam of light 85 back into itself, so that it propagates back to the light source and detector device 83.
  • FIG. 5 shows an example of a beam path of a measuring light beam 95 in a further exemplary embodiment.
  • the measuring light beam 95 is reciprocated on a mantle surface of a virtual cylinder 90 several times between a measuring device and an object. Reflectors of the measuring device, which are not shown in Fig. 5, are arranged along an edge of a base 91 of the virtual cylinder 90, and object reflectors, which are not shown in Fig. 5, along an edge of the base 91 opposite ceiling surface 92 of Cylinder 90 disposed on the object, whose distance is to be determined.
  • a light source and detector device 93 generates the measuring light beam 95, which is repeatedly guided back and forth on the mantle surface of the cylinder 90 between the base surface 81 and the ceiling surface 82.
  • a retroreflector 94 reflects the measuring light beam 95 back into itself so that it propagates back to the light source and detector device 93.
  • the reflectors of the measuring device should have a well-defined orientation to the object reflectors mounted on the object. If the reflectors of the measuring device are mounted on a flat support and the object reflectors are mounted on a planar support, the support and support arrangement can be chosen so that a parallel arrangement of the two supports can be set and an existing residual tilt the measured distance not heavily influenced.
  • the support of the reflectors and / or the support of the object reflectors may be located at a point located on a connecting line between the array of reflectors and the array of object reflectors and advantageously through a connecting line of a center of the array of reflectors with a center of the array of object reflectors ,
  • the support of the reflectors and / or the support of the object reflectors may be mounted along a line which intersects said connecting line.
  • the carrier of the reflectors and / or the carrier of the object reflectors may be mounted on a line connecting the centers of the carriers.
  • the orientation of the support for the reflectors and the support for the object reflectors to each other can also be actively set, as will be explained below with reference to FIG. 6-8.
  • FIG. 6 is a schematic illustration of a distance measuring device 100 with a carrier 103 on which a reflector assembly 104 is mounted.
  • the reflector assembly may comprise a linear array of reflectors as discussed with reference to FIGS. 1 and 2, or a two-dimensional array of reflectors as discussed with reference to FIGS. 3-5.
  • An arrangement of object reflectors (not shown) is provided on a carrier 119.
  • the carrier 119 may be formed, for example, as a movable measuring jaws of a caliper.
  • the carrier 103 is mounted on a plate 102 so that the carrier 103 is tiltable about an axis 112 extending through the center of the carrier 103 relative to the plate 102.
  • a pair of piezo elements 107, 108 is provided, via which the carrier 103 is supported on the plate 102.
  • the plate 102 is supported on a plate 101 such that the plate 102 is tiltable relative to the plate 101 about an axis 111 passing through the center of the plate 102, which is orthogonal to the axis 112.
  • a pair of piezo elements 105, 106 is provided, via which the plate 102 is supported on the plate 101.
  • the plate 101 is fixedly mounted in use of the device 100.
  • the carrier 103 can be tilted by actuation of the piezo elements 105, 106 and / or the piezo elements 107, 108 about the orthogonal axes 11 and / or 112 so that the carrier 104 is aligned with the object reflectors as parallel as possible to the carrier 119.
  • the pairs of piezo elements 107, 108 and 105, 106 can be controlled by a control device 118 depending on an orientation of the carrier 103 relative to the carrier 119 with the object reflectors.
  • control device 118 can control the piezoelectric elements 105 and 106 in antiphase such that one of the piezoelectric elements expands by a certain distance while the other of the piezoelectric elements shrinks by the same distance in order to achieve tilting of the carrier 103 about the axis 111.
  • control device 118, the piezo elements 107 and 108 in anti-phase drive such that one of the piezoelectric elements expands by a certain distance, while the other of the piezoelectric elements shrinks the same distance in order to achieve a tilt about the axis 112.
  • the controller 118 may be fed in a closed loop input signals representing the orientation of the carrier 103 relative to the plane of the carrier 119.
  • the orientation of the carrier 103 can be optically determined.
  • light sources 113, 114 are provided for determining the orientation of the carrier 103 on the carrier 103, wherein the light source 113 transmits a light beam (not shown) to a sensor 115 and the light source 114 a (not shown) ) Emits light beam to a sensor 116.
  • the sensors 115, 116 are arranged on the support 119 for the object reflectors.
  • the sensor 115 detects a position of the light beam irradiated thereon along a first direction, for example a vertical direction of the carrier 119.
  • the senor 115 In an orthogonal direction, for example, the horizontal direction of the carrier 119, the sensor 115 has a width which is sufficient that for expected tilting of the carrier 103 relative to the carrier 119 around the vertical axis of the light beam emitted by the light source 113 still strikes the sensor 115.
  • the sensor 115 may be insensitive to the position of the light beam in the second direction, for example, the horizontal direction of the carrier 119.
  • the sensor 116 detects a position of the light beam irradiated thereon along the second direction, for example, the horizontal direction of the carrier 119.
  • the senor 116 In a direction orthogonal thereto, for example, the vertical direction of the carrier 119, the sensor 116 has a width sufficient is that for expected tilting of the carrier 103 relative to the carrier 119 around its horizontal axis, the light beam emitted by the light source 114 still strikes the sensor 116.
  • the sensor 16 may be insensitive to the position of the light beam in the first direction, for example, the vertical direction of the carrier 119.
  • the output signals of the sensors 115 and 116 indicating the orientation of the carrier 103 are fed to the control device 118, which generates signals for driving the piezoelements 105-108.
  • the control device 118 can amplify and optionally invert the output signals of the sensors 115, 16 in order to achieve the desired control of the orientation of the carrier 103.
  • the control gain is determined by the product of a beam optical amplification factor, which indicates the deflection of the light beam emitted by the light source 113 or 114 per tilt angle, the conversion factor of the sensor 115 or 116, the gain of the control circuit 118 and the conversion characteristic of the piezo elements 105-16.
  • modifications of the adjustment mechanism for the carrier 103 or the sensor for detecting the orientation of the carrier 103 may be used.
  • the pairs of piezo elements in each case a single piezoelement can be used in order to tilt the carrier 103 about the axis 111 or the axis 112.
  • piezoelectric elements instead of piezoelectric elements, other suitable actuators can be used.
  • a single light source and a single sensor can also be used, as described in more detail with reference to FIG. 7.
  • FIG. 7 is a schematic illustration of a device 120 for distance measurement. Elements or devices, their function and design of those 6 correspond to elements or devices of the device 100 described with reference to FIG. 6, are denoted by the same reference numerals and will not be described again.
  • a light source 113 provided at the intersection of the tilt axes 111 and 112 of the carrier 103 and a four-quadrant sensor 117 attached to the carrier 1 19 are used to adjust the orientation of the carrier 103 relative to the carrier 119 for the object reflectors to determine.
  • the four-quadrant sensor 117 is provided on the carrier 119 at a position opposite to the intersection of the tilting axes 111 and 112.
  • the output signals of the four-quadrant sensor 117 indicate the coordinates of the light beam emitted from the light source 113 on the four-quadrant sensor 117 and are processed by the evaluation device 118 as described with reference to FIG relative to the carrier 119 to regulate.
  • the four-quadrant sensor 117 is provided on the carrier 119 for the object reflectors
  • the four-quadrant sensor may be attached to the carrier 103 for the reflectors of the measuring device.
  • An additional reflector for reflecting the light beam from the light source 113 to the four-quadrant sensor may then be provided on the object reflector support 119.
  • the orientation of the carrier for the reflectors in the measuring device is determined on the basis of the measuring light beam used for distance measurement.
  • a beam splitter can be provided in the beam path of the measuring light beam, which decouples a part of the light energy of the measuring light beam to a sensor, for example a four-quadrant sensor, in order to determine the orientation of the carrier.
  • FIG. 8 is a schematic illustration of a device 130 for distance measurement.
  • a light source and detector device 23 On a carrier 131 of the measuring device 130, a light source and detector device 23, reflectors 23-26 and a retroreflector 27 are provided, the design and operation of which corresponds to that of the corresponding elements described with reference to FIG.
  • object reflectors 33-36 On a carrier 132, which can form a part of the object whose distance is to be determined, or which is to be attached to this object, object reflectors 33-36 are provided, the design and mode of operation of which is described with reference to FIG. corresponds to corresponding corresponding elements.
  • the reflectors 24-27 and the object reflectors 33-36 direct the measuring light beam in such a way that it repeatedly traverses the distance between the support 131 of the measuring device and the support 132 with the object reflectors in each direction.
  • a beam splitter 133 In the beam path of the measuring light beam, a beam splitter 133 is arranged. In operation of the device, the beam splitter 133 decouples a portion of the measuring light beam from the beam path and directs it to a four-quadrant sensor 134. The position of the measuring light beam on the four-quadrant sensor 134 represents a tilt of the carrier 131 relative to the carrier 132. The output of the four-quadrant sensor 134 indicative of the position of the measuring light beam on the four-quadrant sensor 134 is fed to a controller 135 which controls the orientation of the carrier 131 via an actuator 136 such that the carrier 131 is substantially parallel is aligned with the carrier 132.
  • a decoupled part of the measuring light beam can also be advantageous in measuring devices for controlling the off - Direction of reflectors are used in which the measuring light beam is not performed in a single plane.
  • Such measuring devices have been explained with reference to Figs. 3-5.
  • an array of reflectors 53-55 as shown in FIG. 3, can be mounted on the actuator-adjustable carrier 103 of the device 100 of FIG. 6 or the device 120 of FIG.
  • a portion of the measuring light beam may be coupled out to a four-quadrant sensor to control the orientation of the carrier 103.
  • the control gain is increased since the multiple propagation of the measuring light beam between the measuring device and the object causes a positional deviation of the measuring beam caused by tilting of the carrier Measuring light beam from the desired beam path can increase.
  • a measurement light beam may be generated having light components of at least two different wavelengths. It can be provided a light-wave sensitive beam splitter, the light of a wavelength decouples the measuring light beam used to determine the orientation. The undocked portion of the measuring light beam can be used for distance determination.
  • the measurement light beam for distance measurement is repeatedly guided back and forth between the measuring device and the object.
  • the resulting lengthening of the path length traveled by the measuring light beam makes it possible to reduce a smallest measurable distance and to achieve a higher measuring accuracy when using a conventional laser rangefinder.
  • a short pulse laser may also be used as a light source which generates a train of light pulses at a repetition rate.
  • the sequence of light pulses is detected with a photodetector after being passed back and forth several times between the measuring device and the object.
  • the transit time of the light pulses and thus the path length traveled by them can be determined from the phase shift of a signal component of the detected signal whose frequency is essentially a multiple of the repetition rate, as will be explained in more detail with reference to FIGS. 9-12.
  • 9A shows by way of example a sequence of short light pulses 141, the output power P of a light source being shown as a function of the time t.
  • the time interval TO between successive pulses is indicated by the reference numeral 142, while the duration of each light pulse is indicated by the reference numeral 143.
  • the duration of each light pulse can be very small compared to the time interval TO between successive light pulses, for example of the order of MO '5.
  • the repetition rate f.theta and the time duration of each pulse can be appropriately selected depending on a desired measurement accuracy in determining a distance traveled by the measuring light beam If the n-th harmonic of f ⁇ is to be used to determine the phase difference, the duration of each light pulse and the time interval TO between successive light pulses are chosen so that the The sequence of light pulses emitted by the light source still has a sufficient spectral weight at the frequency n f0. Although a sequence of rectangular coils is shown in FIG. sen, other suitable pulse shapes may also be selected, for example the square of a hyperbolic secant or a Gaussian function.
  • the frequency spectrum 145 has a number of peaks with a constant frequency spacing f ⁇ , which is schematically indicated at reference numeral 146.
  • the spectral weight of the individual peaks decreases towards higher frequencies, the strength of the drop being determined by the ratio of the time interval between successive light pulses and the duration of the light pulse.
  • These magnitudes are chosen such that the spectral weight of the frequency component 147 with frequency n f0, which is used in the path length measurement for the determination of phase angles, in the sequence of light pulses is sufficiently high for carrying out phase measurements.
  • a sequence of light pulses may be generated by various lasers adapted to generate short pulses of light.
  • optical frequency synthesizers can be used.
  • an electrically pumped diode laser e.g. a Q-switched laser, a gain switched laser, an active or passive mode locked laser or a hybrid mode-locked laser, or a mode-locked vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) may be used as the light source.
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • an optically pumped laser such as a passive mode-coupled external external cavity (VECSEL) surface emitting laser or a photonic-crystal-fiber laser may be used as the light source
  • VECSEL passive mode-coupled external external cavity
  • a photonic-crystal-fiber laser may be used as the light source
  • Exemplary pulse durations of the light source are in a range of 100 fs and 100 ps.
  • Exemplary repetition rates range from 50 MHz to 50 GHz.
  • Exemplary average powers are in a range of 1 mW to 10 W.
  • Exemplary values for the pulse jitter are between 10 fs and 1 ps effective value (root mean square).
  • FIG. 10 shows a light source and detector arrangement 150 with a light source 151, photodetectors 153, 154 and 156 and an evaluation device 157.
  • the light source and detector arrangement 150 can be used, for example, in the devices described with reference to FIGS. 1-8 were.
  • a partial beam of the sequence of light pulses output by the light source 151 is directed via the beam splitter 152 as a reference signal 158 to the reference signal detectors 153, 154.
  • an optical element for beam splitting in particular a beam splitter may be provided to ensure that the sub-beam 158 hits both the reference signal detector 153 and the reference signal detector 154.
  • Another partial beam 160 is emitted as a measuring light beam in the direction of the object whose distance is to be determined.
  • the measuring light beam is repeatedly reciprocated between the measuring device and the object.
  • one of the reflectors of the measuring device is a retroreflector.
  • the measuring light beam which is guided back and forth repeatedly between the measuring device and the object is directed onto a photodetector 156 via a semitransparent mirror 155. From the phase angle of the signal detected by the photodetector 156, the path length traveled by the measuring light beam can be determined.
  • Both the photodetector 156 and the reference signal detectors 153, 154 which are likewise configured as photodetectors, detect a light energy incident on them as a function of time. Due to the light pulses generated with a well-defined repetition rate, the signal component resulting from the sequence of light pulses can be determined during signal processing by the evaluation circuit 157 by suitable filtering, so that in the following other signal components detected by the photodetectors 154, 154 and 156 will not be further discussed become.
  • the different optical path length of a light pulse on the one hand to get to one of the reference signal detectors 153, 154 and on the other hand after passing through the folded beam path for the measuring light beam to the photodetector 156, leads to a time shift ⁇ between the arrival of one and the same light pulse to the detector 156th and at the reference signal detectors 153, 154 which is equal to the path length difference divided by the speed of light c.
  • the optical path length traveled by the light pulse between the beam splitter 152 and the photodetector 156 can be determined.
  • the photodetector 156 and the reference signal detectors 153, 154 are coupled to the evaluation circuit 157, which determines a phase difference between the detected light intensity of the measuring light beam and the reference signal.
  • the evaluation circuit 157 of the arrangement 150 may be configured to determine the phase difference between the light signal detected by the photodetector 156 and the reference signal detected by the reference signal detectors 153, 154 for a signal component whose frequency is substantially is a multiple of the repetition rate.
  • the sequence of light pulses received at the photodetector 156 has a plurality of harmonics whose frequencies are multiples of the repetition rate f ⁇ :
  • i is a natural number and f ⁇ is the repetition rate of the light source 151.
  • a characteristic quantity for frequencies which still have a significant spectral weight in a Fourier representation of the light energy received by the photodetector 156 as a function of time is given by the quotient of the time period TO between successive light pulses and the characteristic duration of a light pulse ,
  • the temporal shift ⁇ between the signals detected by the photodetector 156 and the reference signal detectors 153, 154 results in a signal component of the signal 159 received at the photodetector 156 having a frequency fj relative to a reference signal component of the reference signal detector 153 154 received reference signal 158, which has a frequency fj, a phase shift of
  • Has. D denotes the path length difference between a light path of a light pulse which is emitted by the beam splitter 152 in the direction of the object and is guided back and forth several times between the object and the measuring device, and a light path of a light pulse which emerges from the beam splitter 152 to the reference. signal detectors 153, 154 is directed. It is assumed that the length of the light path of a light pulse, which is directed from the beam splitter 152 to the reference signal detectors 153, 154, is known, since it depends only on the device geometry.
  • Equation (2a) the amount of phase shift on the right side of Equation (2a) which is an integer multiple of 2- ⁇ can be determined.
  • an integer m is determined so that
  • variable lying in the interval of 0 to 2- ⁇ which can be determined by measuring the phase angle between an output signal of the photodetector 156 and an output signal of one of the reference signal detectors 153, 154.
  • the size d ' then according to
  • phase difference can be determined leads according to equation (4) to an improved value for the path length difference d. Since the two quantities ⁇ j 'and ⁇ j differ only by an integer multiple of 2- ⁇ irrelevant for the determination of the phase difference, both quantities are referred to below as the phase difference and are not further distinguished.
  • i> 1 is chosen to determine the phase difference. Therefore, given a given measurement accuracy for a phase difference, below referred to as phase resolution, the measurement accuracy for the path length difference and thus the axial resolution can be increased.
  • the axial resolution is 3 mm / i and decreases as the frequency of the signal component, i, increases.
  • the axial resolution can be increased by determining the phase difference based on a signal component of the signal 159 corresponding to a high frequency harmonic of the sequence of light pulses, i. whose frequency is the repetition rate multiplied by a factor i »1.
  • the signal component on the basis of which the phase difference is determined, is chosen such that it has the highest possible frequency at which the sequence of light pulses still has a sufficient spectral weight and allows signal processing by the evaluation circuit 157 designed as a high-frequency circuit.
  • the evaluation circuit 157 can determine the phase difference by mixing several O berwellen together. By appropriately selecting the harmonics and mixing a signal component of the light signal received at the photodetector 156 with a reference signal component of the reference signal received from the reference signal detectors 153, 154, a mixed product may be generated which is relatively low frequency but contains the phase difference of the harmonic. As a result, instead of the original requirement to measure short propagation times, it is possible to perform a phase measurement at low frequencies.
  • FIG. 11 shows a schematic block diagram of a detector arrangement and evaluation circuit according to an exemplary embodiment.
  • the evaluation device 157 of the arrangement 150 of FIG. 10 can be designed as shown in FIG. 11.
  • the evaluation circuit 170 includes a signal processing path for an electrical signal output from the photodetector 156 representing the light signal detected by the photodetector 156, an input side amplifier 171 and a bandpass filter 172.
  • the evaluation circuit 170 further includes a signal processing path for one of the first reference signal detector 153 output electric signal representing the reference signal detected by the first reference signal detector 153, having an input side amplifier 173 and a band pass filter 174, and a signal processing path for one of second reference signal detector 154 outputs electrical signal representative of the reference signal detected by the second reference signal detector 154 with an input side amplifier 176 and a bandpass filter 177.
  • the signals output from the detectors represent the optical signals incident thereto and the light intensity as a function reflecting the time
  • the signals output by the detectors or reference signal detectors are denoted as well as the detected optical signals, ie as a detected "light signal” or “reference signal”, wherein the signals processed by the evaluation circuit are electrical signals.
  • the band-pass filter 172 is arranged to pass a signal component of the light signal detected by the photodetector 156 at a frequency of n-f ⁇ , where n is a natural number greater than one.
  • n is advantageously chosen as large as possible in order to improve the axial resolution.
  • the bandpass filter 172 has a passband selected such that transmission of signal components having frequencies of (n + 1) -f ⁇ and (n-1) -f ⁇ is significant as compared to transmission of the signal component of frequency n-f ⁇ is weakened.
  • the band-pass filter 172 may have a passband having a width smaller than f ⁇ .
  • the band-pass filter 174 is arranged to pass a reference signal component of the reference signal detected by the first reference signal detector 153 at a frequency of k-f ⁇ , where k is a natural number.
  • the bandpass filter 174 has a passband selected such that the transmission of reference signal components having frequencies of (k + 1) -f ⁇ and (k-1) -f ⁇ is significant as compared to the transmission of the reference signal component of frequency k-f ⁇ is weakened.
  • the band-pass filter 174 may have a passband having a width smaller than f ⁇ .
  • a mixer 175 is input-coupled to the band-pass filters 172 and 174 to receive the signal component 181 of the light signal and the reference signal component 182 of the reference signal. The result of the frequency mixing,
  • (7) has a low-frequency component with the frequency f ⁇ , which corresponds to the fundamental frequency or repetition rate of the signal generated by the light source 151, and a high-frequency component.
  • the phase ⁇ n in the argument of the low frequency component in equation (7) is determined by equation (2), thus corresponding to the phase difference for the signal component of the light signal the frequency n-f ⁇ .
  • the low-frequency component is provided as a signal 183 to a phase evaluator 178 whose second input is coupled to the bandpass filter 177.
  • the band-pass filter 177 is arranged to pass a reference signal component of the reference signal detected by the second reference signal detector 153 at a frequency of f ⁇ .
  • the bandpass filter 177 has a passband which is chosen so that the transmission of reference signal components with frequencies of 0-f0 and 2-f0 is significantly attenuated compared to the transmission of the reference signal component with the frequency f0.
  • the band-pass filter 177 may have a passband having a width smaller than f ⁇ .
  • the resulting reference signal component at frequency f ⁇ is provided as signal 184 to phase evaluator 178.
  • the phase evaluator 178 determines the phase difference ⁇ n between the signal 183 and the signal 184. Since mixing produces a signal of frequency f ⁇ and the phase difference ⁇ n , the phase measurement can be performed at low frequencies.
  • the amplifiers 173 and 176 can be selectively selected in the signal processing paths for the two reference signal detectors 153, 154.
  • the amplifier 176 may be selected to have a good power characteristic at the frequency f ⁇
  • the amplifier 173 may be selected to have a good power characteristic at the frequency (n-1) -f ⁇ .
  • phase difference ⁇ n can be determined according to the equations (4) - (6) covered by the measuring light beam path length from which the distance of the object can be calculated.
  • the high resolution of the path length measurement which can be achieved using the optical frequency comb, in conjunction with the convolution of the beam path effected by the reflectors of the measuring device, allows an accurate distance measurement.
  • Devices and methods for distance measurement have been described with which, due to the beam guidance between measuring device and object, distances in a length range corresponding to typical dimensions of machine parts can be determined with high accuracy using optical methods. Because the devices and methods can combine conventional laser rangefinders of small dimensions with a reflector arrangement, the distance measuring device can be designed to be easily transported and installed in different locations.
  • Exemplary fields of application of the devices and methods according to the various embodiments include length or distance determination in industrial manufacturing or industrial quality control, for example in machine components.
  • the devices and methods according to the various embodiments are not limited to these fields of application.

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Abstract

A device for the distance measurement of an object (2) is designed to emit a measurement light beam (11) along a beam path (13) in the direction of the object (2). The device (1) comprises a reflector (4), which is designed to receive the measurement light beam reflected from the object (2) and to direct said light beam in the direction of the object (2), so that the measurement light beam propagates from the device (1) to the object (2) several times, thus increasing the path length travelled by the measurement light beam (11). In order to determine the distance, the path length travelled by the measurement light beam is recorded.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsmessung Device and method for distance measurement
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung unter Verwendung optischer Methoden.The invention relates to a device and a method for distance measurement. In particular, the invention relates to a device and a method for distance measurement using optical methods.
Die Messung von Abständen hat zahlreiche Anwendungen, beispielsweise bei der industriellen Fertigung oder der Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung, bei der Abmessungen von Fertigungsprodukten bestimmt werden müssen. Zur Messung von kleinen Abständen gibt es zahlreiche Messmittel wie Mikrometer oder Schiebleh- ren. Bei vielen derartigen Messmitteln ist jedoch der maximale messbare Längenbereich derart an die Auflösung gekoppelt ist, dass zwar bei kleinen Längen Längenmessungen mit hoher Genauigkeit möglich sind, beispielsweise unter Verwendung eines Mikrometers, derartige mechanische Messmittel aber häufig nicht für die Messung von Längen im Bereich von einigen Metern ausgelegt sind. Herkömmliche UIt- raschallentfemungsmesser und Laserentfernungsmesser sind zwar zur Messung größerer Abstände geeignet, haben aber eine Längenauflösung, die bei preiswerten Geräten häufig nicht den Millimeterbereich unterschreitet. Der Anwendungsbereich herkömmlicher Laserentfernungsmesser ist ferner dadurch eingeschränkt, dass viele Geräte nicht zur Messung sehr kurzer Entfernungen im Bereich von einigen Zentime- tern oder wenigen Metern ausgelegt sind.The measurement of distances has numerous applications, for example, in industrial manufacturing or quality control in industrial manufacturing, must be determined in the dimensions of manufacturing products. Numerous measuring devices, such as micrometers or slides, are available for measuring small distances. However, in many such measuring devices, the maximum measurable length range is coupled to the resolution such that length measurements with high accuracy are possible at small lengths, for example using a micrometer However, such mechanical measuring means are often not designed for the measurement of lengths in the range of a few meters. Conventional U-turn flow meters and laser rangefinders are suitable for measuring larger distances, but have a length resolution that often does not fall below the millimeter range in the case of inexpensive devices. The scope of conventional laser rangefinders is also limited by the fact that many devices are not designed to measure very short distances in the range of a few centimeters or a few meters.
Gerade bei industriellen Anwendungen, wie im Maschinenbau, ist jedoch häufig eine genaue Vermessung von Teilen mit Abmessungen im Bereich von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern mit hoher Auflösung erforderlich. Die für diese Zwecke typischerweise verwendeten Geräte, die beispielsweise auf taktilen Messvorgängen beruhen, haben jedoch häufig große Abmessungen und sind fest installiert, so dass sie nicht flexibel an unterschiedlichen Orten einsetzbar sind.Especially in industrial applications, such as in mechanical engineering, however, an accurate measurement of parts with dimensions in the range of a few centimeters to a few meters with high resolution is often required. However, the devices typically used for these purposes, such as those based on tactile sensing, often have large dimensions and are permanently installed so that they can not be used flexibly at different locations.
Die DE 41 32 113 A1 beschreibt einen Messaufnehmer für Längen- oder Abstands- änderungen, bei dem ein Lichtstrahl in einem elastischen Lichtleiter mehrfach zwischen zwei Gruppen von Spiegeln hin- und hergeführt wird. Der Dehnungsmessstreifen der DE 41 32 113 A1 erlaubt zwar die Bestimmung von Längenänderungen, muss dazu aber an dem Objekt angebracht werden, an dem die Längenänderung bestimmt werden soll. Da der Lichtstrahl in dem elastischen Substrat geführt wird, ist der Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung von Längenänderung an Objekten ausgelegt, bei denen die relevanten Abstände die Größe des Dehnungsmessstreifens nicht überschreiten.DE 41 32 113 A1 describes a sensor for changes in length or distance, in which a light beam in an elastic light guide is repeatedly guided back and forth between two groups of mirrors. Although the strain gauge of DE 41 32 113 A1 allows the determination of changes in length, but must be attached to the object on which the change in length is to be determined. Since the light beam is guided in the elastic substrate, the strain gauge is designed to determine the change in length on objects in which the relevant distances do not exceed the size of the strain gauge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung anzugeben, mit der bzw. mit dem Abstände mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren anzugeben, die bzw. das transportierbare Geräte einsetzt, die an verschiedenen Orten einsetzbar sind.The invention has for its object to provide an apparatus and a method for optical distance measurement, can be determined with the or with the distances with high accuracy. In particular, the invention has for its object to provide such a device and such a method that uses the transportable devices that can be used at different locations.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.According to the invention the object is achieved by a device and a method as indicated in the independent claims. The dependent claims define advantageous or preferred embodiments.
Nach einem Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objekts, die eingerichtet ist, um einen Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg in Richtung des Objekts abzustrahlen, einen Reflektor auf. Der Reflektor ist derart eingerichtet, dass er im Betrieb der Vorrichtung einen an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl empfängt und entlang einem zu dem Strahlenweg versetzten weiteren Strahlenweg erneut in Richtung des Objekts lenkt.According to one aspect of the invention, an apparatus for optical distance measurement of an object, which is set up to radiate a measuring light beam along a beam path in the direction of the object, comprises a reflector. The reflector is set up in such a way that, during operation of the device, it receives a measuring light beam reflected by the object and redirects it toward the object along a further radiation path offset to the beam path.
Bei dieser Vorrichtung wird der Messlichtstrahl entlang einem Strahlengang geführt, auf dem er mehrfach auf versetzten Strahlenwegen zu dem Objekt gelenkt wird. Durch die Verwendung des Reflektors wird der Strahlengang gefaltet, so dass der Messlichtstrahl die Strecke zwischen Messvorrichtung und Objekt mehr als zweimal zurücklegt. Bei gegebener Auflösung eines Laserentfernungsmessers erlaubt die Verlängerung der von dem Messlichtstrahl zurückzulegenden Weglänge eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Abstandsmessung.In this device, the measuring light beam is guided along a beam path, on which it is directed several times on staggered beam paths to the object. By using the reflector, the beam path is folded so that the measuring light beam covers the distance between the measuring device and the object more than twice. For a given resolution of a laser rangefinder, extending the path length to be traveled by the measurement light beam allows an increase in the accuracy of the distance measurement.
Der Reflektor kann so eingerichtet sein, dass er den an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl in den weiteren Strahlenweg lenkt, wobei der weitere Strahlenweg im Wesentlichen parallel und versetzt zu dem an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl ist. Der weitere Strahlenweg ist vorteilhaft auch parallel zu dem Strahlenweg. Wenn der Messlichtstrahl nacheinander mehrere zueinander parallele Strahlenwe- gen zwischen der Vorrichtung und dem Objekt durchläuft, kann aus der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge auf einfache Weise der Abstand des Objekts bestimmt werden. Diese Führung des Messlichtstrahls ermöglicht weiterhin die Verwendung einer Anordnung von Reflektoren an der Messvorrichtung, die unab- hängig von dem Abstand zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt gewählt werden kann.The reflector may be arranged to direct the measuring light beam reflected at the object into the further beam path, wherein the further beam path is substantially parallel and offset from the measuring light beam reflected at the object. The further beam path is also advantageous parallel to the beam path. If the measurement light beam successively has several parallel beam paths gene passes through between the device and the object, the distance of the object can be determined in a simple manner from the path length traveled by the measuring light beam. This guidance of the measuring light beam furthermore makes it possible to use an arrangement of reflectors on the measuring device, which can be selected independently of the distance between the measuring device and the object.
Die Vorrichtung kann wenigstens einen weiteren Reflektor umfassen, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt erneut reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und in Richtung des Objekts zu lenken. Durch Verwendung mehrerer Reflektoren, die den Messlichtstrahl erneut in Richtung des Objekts lenken, wird bei gegebenem Abstand zwischen Objekt und Messvorrichtung die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge weiter erhöht. Diese Ausgestaltung des Strahlengangs erlaubt eine Erhöhung der Genauigkeit, mit der der Abstand bestimmbar ist.The device may comprise at least one further reflector which is set up to receive a measurement light beam reflected again on the object and to direct it in the direction of the object. By using a plurality of reflectors, which redirect the measuring light beam in the direction of the object, the distance covered by the measuring light beam is further increased for a given distance between the object and the measuring device. This embodiment of the beam path allows an increase in the accuracy with which the distance can be determined.
Der Reflektor und ein weiterer Reflektor können so eingerichtet sein, dass der von dem weiteren Reflektor in Richtung des Objekts gelenkte Messlichtstrahl außerhalb einer Ebene liegt, die durch den Strahlenweg und den weiteren Strahlenweg definiert wird. Die Mehrzahl von Reflektoren der Vorrichtung kann so angeordnet sein, dass die verschiedenen Strahlenwege, auf denen der Messlichtstrahl zwischen der Vorrichtung und dem Objekt verläuft, nicht in einer einzigen Ebene liegen. Beispielsweise können der Reflektor und der wenigstens eine weitere Reflektor so eingerichtet sein, dass der Messlichtstrahl auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers zwischen der Vorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wird. Dies erlaubt es, den Reflektor und die weiteren Reflektoren der Vorrichtung in einer zweidimensionalen Anordnung zu positionieren, um in einem Bereich mit vorgegebenen Abmessungen eine große Zahl von Reflektoren unterzubringen.The reflector and another reflector can be set up such that the measuring light beam directed by the further reflector in the direction of the object lies outside a plane which is defined by the beam path and the further beam path. The plurality of reflectors of the device may be arranged so that the different beam paths on which the measuring light beam passes between the device and the object do not lie in a single plane. For example, the reflector and the at least one further reflector can be set up such that the measuring light beam is guided back and forth between the device and the object on a mantle surface of a virtual three-dimensional body. This allows the reflector and the other reflectors of the device to be positioned in a two-dimensional array to accommodate a large number of reflectors in an area of predetermined dimensions.
Einer der weiteren Reflektoren kann als Retroreflektor ausgebildet sein, um durch die Retroreflexion des Messlichtstrahls in sich selbst die von dem Messlichtstrahl zurückzulegende Weglänge weiter zu erhöhen.One of the further reflectors can be designed as a retroreflector in order to further increase the path length to be covered by the measurement light beam by the retroreflection of the measurement light beam in itself.
Im Gebrauch der Vorrichtung ist an dem Objekt wenigstens ein Objektreflektor vorgesehen, um den von der Vorrichtung entlang dem Strahlenweg abgestrahlten Mess- lichtstrahl zu empfangen und zu dem Reflektor zu lenken. Der Objektreflektor kann eingerichtet sein, um den von der Vorrichtung abgestrahlten Messlichtstrahl versetzt und im Wesentlichen parallel zu dem Strahlenweg zu dem Reflektor zu lenken. Im Gebrauch der Vorrichtung können an dem Objekt auch mehrere Objektreflektoren vorgesehen sein, deren Anordnung abhängig von der Anordnung von Reflektoren der Vorrichtung so gewählt werden kann, dass der Messlichtstrahl auf einer Vielzahl zueinander paralleler und versetzter Strahlenwege zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und herläuft.In use of the device, at least one object reflector is provided on the object in order to receive the measuring beam of light emitted by the device along the beam path and to direct it to the reflector. The object reflector may be configured to offset the measurement light beam emitted by the device and to direct it to the reflector in a direction substantially parallel to the beam path. in the Using the device, a plurality of object reflectors can be provided on the object, the arrangement of which can be selected depending on the arrangement of reflectors of the device so that the measuring light beam reciprocates on a plurality of mutually parallel and offset beam paths between the measuring device and the object.
Der Reflektor bzw. die Mehrzahl von Reflektoren der Vorrichtung kann bzw. können an einem Träger angebracht sein. Es kann ein Aktuator vorgesehen sein, um den Träger zu verstellen. Mit dem Aktuator kann eine Ausrichtung des Trägers geregelt werden, um beispielsweise eine parallele Ausrichtung des Trägers zu einer Fläche des Objekts einzustellen, an der die Objektreflektoren vorgesehen sind.The reflector or the plurality of reflectors of the device can be attached to a carrier. An actuator may be provided to adjust the carrier. With the actuator, an orientation of the carrier can be controlled, for example, to set a parallel orientation of the carrier to a surface of the object on which the object reflectors are provided.
Die Vorrichtung kann einen Sensor zum Erfassen der Ausrichtung des Trägers aufweisen, der mit dem Aktuator gekoppelt sein kann. Auf den Sensor kann ein Teil des Messlichtstrahls gelenkt werden. Dies erlaubt es, den Messlichtstrahl sowohl zur Abstandsmessung als auch zur Regelung der Ausrichtung des Trägers einzusetzen.The device may include a sensor for detecting the orientation of the carrier, which may be coupled to the actuator. A part of the measuring light beam can be directed to the sensor. This makes it possible to use the measurement light beam both for distance measurement and to control the orientation of the carrier.
Der Messlichtstrahl kann Lichtkomponenten mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen, von denen eine zu dem mit dem Aktuator gekoppelten Sensor gelenkt wird, um zur Regelung der Ausrichtung verwendet zu werden. Die andere der Lichtkomponenten kann einem weiteren Detektor zur Abstandsmessung zugeführt werden.The measuring light beam may have light components of two different wavelengths, one of which is directed to the sensor coupled to the actuator to be used to control the alignment. The other of the light components can be fed to another detector for distance measurement.
Zur Regelung der Ausrichtung des Trägers kann auch eine separate Lichtquelle vor- gesehen sein, die einen von dem Messlichtstrahl unabhängigen Lichtstrahl von der Vorrichtung zu dem Objekt sendet, um eine momentane Ausrichtung des Trägers zu bestimmen.To regulate the orientation of the carrier, a separate light source can also be provided which transmits a light beam independent of the measuring light beam from the device to the object in order to determine an instantaneous orientation of the carrier.
Der Sensor kann einen Vier-Quadranten-Sensor umfassen. Ausgangssignale des Vier-Quadranten-Sensors erlauben es, eine Verkippung des Trägers entlang zweier unabhängiger Kippachsen zu regeln.The sensor may include a four-quadrant sensor. Output signals of the four-quadrant sensor make it possible to control tilting of the carrier along two independent tilt axes.
Die Ablenkung des Messlichtstrahls derart, dass er auf zueinander versetzten Strahlenwegen mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und herge- führt wird, kann in Kombination mit herkömmlichen Laserentfernungsmessern verwendet werden, die beispielsweise basierend auf Laufzeitmessungen oder interfero- metrischen Methoden eine Abstandsmessung vornehmen. Durch die Verlängerung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge kann die Genauigkeit der Abstandsbestimmung erhöht und ein minimaler messbarer Abstand verringert werden.The deflection of the measuring light beam in such a way that it is guided back and forth repeatedly between the measuring device and the object on mutually offset beam paths can be used in combination with conventional laser range finders, which measure distance, for example based on transit time measurements or interferometric methods. By extension the path length traveled by the measuring light beam can increase the accuracy of the distance determination and reduce a minimum measurable distance.
Die Vorrichtung kann auch eine Lichtquelle zum Erzeugen des Messlichtstrahls um- fassen, die im Betrieb eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Lichtquelle kann ein Kurzpulslaser sein, der einen optischen Frequenzkamm erzeugt. Die Verwendung einer Folge von Lichtpulsen im Messlichtstrahl erlaubt eine Bestimmung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge anhand von Phasenlagen der Folge von Lichtpulsen. Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrich- tung zum Erfassen der Folge von Lichtpulsen und zum Bestimmen der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge umfassen, die zum Bestimmen der Weglänge eine Phasenverschiebung einer Signalkomponente der erfassten Folge von Lichtpulsen bestimmt, wobei die Signalkomponente eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Durch Verwendung einer Oberwelle des erfassten Signals kann die von dem Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.The device may also include a light source for generating the measurement light beam, which in operation generates a sequence of light pulses at a repetition rate. The light source may be a short pulse laser that generates an optical frequency comb. The use of a sequence of light pulses in the measuring light beam allows a determination of the path length traveled by the measuring light beam on the basis of phase positions of the sequence of light pulses. The device may comprise an evaluation device for detecting the sequence of light pulses and for determining the path length covered by the measurement light beam, which determines a phase shift of a signal component of the detected sequence of light pulses for determining the path length, the signal component having a frequency that is a multiple corresponds to the repetition rate. By using a harmonic of the detected signal, the path length traveled by the measuring light beam can be determined with high accuracy.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um zum Bestimmen der Phasendifferenz ein weiteres Signal zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschie- bung der Signalkomponente und eine niedrigere Frequenz als die Signalkomponente aufweist. Dazu kann die Signalkomponente einem Frequenzmischer zugeführt werden, dessen Ausgangssignal bandpassgefiltert wird. Die Erzeugung des weiteren Signals mit der niedrigeren Frequenz erleichtert die Messung der Phasendifferenz.The evaluation device can be set up to generate a further signal for determining the phase difference, which essentially has the phase shift of the signal component and a lower frequency than the signal component. For this purpose, the signal component can be fed to a frequency mixer whose output signal is band-pass filtered. The generation of the further signal with the lower frequency facilitates the measurement of the phase difference.
Die Vorrichtung nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann sie in eine Schieblehre integriert sein, um eine Position bzw. einen Abstand eines beweglichen Elements der Schieblehre zu ermitteln. In diesem Fall können Reflektoren der Messvorrichtung an dem relativ zu einer Führung ortsfesten Schenkel der Schieblehre vorgesehen sein, während korrespondieren Objektreflektoren an dem beweglichen Schenkel der Schieblehre angebracht sein können.The device according to the various embodiments can be used in various applications. For example, it may be integrated with a caliper to determine a position or a distance of a movable element of the caliper. In this case, reflectors of the measuring device may be provided on the leg of the caliper fixed relative to a guide, while corresponding object reflectors may be attached to the movable leg of the caliper.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur optischenAccording to a further aspect of the invention is in a method for optical
Abstandsmessung eines Objekts ein Messlichtstrahl derart gelenkt, dass er mehrfach zwischen dem Objekt und einer Messvorrichtung hin- und hergeführt wird, so dass er die Strecke von der Messvorrichtung zu dem Objekt und die Strecke von dem Objekt zu der Messvorrichtung jeweils mehrfach durchläuft. Basierend auf der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge wird der Abstand des Objekts ermittelt.Distance measurement of an object, a measuring light beam directed such that it is repeatedly fed back and forth between the object and a measuring device, so that it is the distance from the measuring device to the object and the distance from the object runs through to the measuring device several times. Based on the distance traveled by the measuring light beam, the distance of the object is determined.
Da der Messlichtstrahl die Strecke von der Messvorrichtung zu dem Objekt und die Strecke von dem Objekt zu der Messvorrichtung jeweils mehrfach durchläuft, wird die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge verlängert. Bei gegebener Auflösung eines Laserentfernungsmessers erlaubt die Verlängerung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Abstandsmessung.Since the measuring light beam passes through the distance from the measuring device to the object and the distance from the object to the measuring device several times, the path length covered by the measuring light beam is lengthened. For a given resolution of a laser rangefinder, extending the path length traveled by the measuring light beam allows an increase in the accuracy of the distance measurement.
Der Messlichtstrahl kann nacheinander eine Mehrzahl zueinander paralleler erster Strahlenwege von der Messvorrichtung zu dem Objekt und zueinander paralleler zweiter Strahlenwege von dem Objekt zu der Messvorrichtung durchlaufen. Dabei können die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege zueinander parallel sein. Die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege können zueinander versetzt sein. Die Parallelität der Strahlenwege erlaubt es, aus der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge auf einfache Weise den Abstand des Objekts zu bestimmen.The measuring light beam can successively pass through a plurality of mutually parallel first beam paths from the measuring device to the object and mutually parallel second beam paths from the object to the measuring device. In this case, the first beam paths and the second beam paths can be parallel to one another. The first beam paths and the second beam paths may be offset from each other. The parallelism of the beam paths makes it possible to easily determine the distance of the object from the path length traveled by the measuring light beam.
Wenigstens ein erster Strahlenweg der Mehrzahl von ersten Strahlenwege kann so angeordnet sein, dass er außerhalb der von einem anderen ersten Strahlenweg der Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und einem zweiten Strahlenweg der Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen definierten Ebene verläuft. Die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege können insbesondere auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers verlaufen. Wenn die Strahlenwege nicht innerhalb einer Ebene liegen, können die zur Umlenkung des Messlichtstrahls erforderlichen Reflektoren in einem Flächenbereich an der Messvorrichtung bzw. am Objekt vorgesehen werden, der kleinere Längenabmessungen als bei einer Anordnung entlang einer Linie aufweist.At least one first ray path of the plurality of first ray paths may be arranged to extend outside the plane defined by another first ray path of the plurality of first ray paths and a second ray path of the plurality of second ray paths. The first beam paths and the second beam paths can in particular run on a mantle surface of a virtual three-dimensional body. If the beam paths are not within one plane, the reflectors required for deflecting the measurement light beam can be provided in a surface area on the measuring device or on the object which has smaller length dimensions than when arranged along a line.
Der Messlichtstrahl kann retroreflektiert werden, so dass er die Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und die Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen zweimal durchläuft. Auf diese Weise kann die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge weiter vergrößert werden.The measuring light beam may be retroreflected so as to pass through the plurality of first beam paths twice and the plurality of second beam paths twice. In this way, the path length covered by the measuring light beam can be further increased.
Um den Messlichtstrahl so zu lenken, dass er mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wird, kann wenigstens ein an der Messvor- richtung vorgesehener Reflektor und ein an dem Objekt angebrachter Objektreflektor verwendet werden. Eine Ausrichtung des Reflektors der Messvorrichtung relativ zu dem Objektreflektor kann aktiv so eingestellt werden, dass die Mehrzahl von ersten Strahlenwegen zu der Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen parallel ist.In order to direct the measuring light beam so that it is guided back and forth several times between the measuring device and the object, at least one measuring device can be used. Direction provided reflector and attached to the object object reflector can be used. An orientation of the reflector of the measuring device relative to the object reflector may be actively adjusted so that the plurality of first beam paths are parallel to the plurality of second beam paths.
Zur Regelung der Ausrichtung des Reflektors kann eine Position des mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführten Messlichtstrahls erfasst werden. Der Messlichtstrahl kann somit sowohl zur Abstandsbestimmung als auch zur Regelung der Ausrichtung des Reflektors genutzt werden.In order to control the orientation of the reflector, a position of the measurement light beam which is guided back and forth repeatedly between the measuring device and the object can be detected. The measurement light beam can thus be used both for determining the distance and for controlling the orientation of the reflector.
Bei dem Verfahren kann zur Erzeugung des Messlichtstrahls und zur Bestimmung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser verwendet werden.In the method, a conventional laser rangefinder can be used to generate the measurement light beam and to determine the path length traveled by the measurement light beam.
Der Messlichtstrahl kann aber auch eine Folge von Lichtpulsen umfassen, die mit einer Repetitionsrate erzeugt werden, beispielsweise einen von einem Kurzpulslaser erzeugten optischen Frequenzkamm. Zur Bestimmung der von dem Messlichtstrahl durchlaufenen Weglänge kann eine Lichtintensität des Messlichtstrahls erfasst werden, nachdem der Messlichtstrahl mehrfach zwischen dem Objekt und der Messvor- richtung hin- und hergeführt wurde. Die Weglänge kann basierend auf einer Phasenverschiebung einer Signalkomponente des Messlichtstrahls bestimmt werden, die eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Durch Verwendung einer Oberwelle der erfassten Folge von Lichtpulsen kann die zurückgelegte Weglänge mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.However, the measurement light beam can also comprise a sequence of light pulses which are generated at a repetition rate, for example an optical frequency comb generated by a short-pulse laser. In order to determine the path length traveled by the measuring light beam, a light intensity of the measuring light beam can be detected after the measuring light beam has been repeatedly guided back and forth between the object and the measuring device. The path length may be determined based on a phase shift of a signal component of the measurement light beam having a frequency that is a multiple of the repetition rate. By using a harmonic of the detected sequence of light pulses, the traveled path length can be determined with high accuracy.
Die Signalkomponente kann einem Frequenzmischer zugeführt werden, dessen Ausgangssignal gefiltert wird, um ein weiteres Signal zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente und eine niedrigere Frequenz als die Signalkomponente aufweist.The signal component may be applied to a frequency mixer, the output of which is filtered to produce a further signal having substantially the phase shift of the signal component and a lower frequency than the signal component.
Das Verfahren nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen kann mit einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel ausgeführt werden.The method according to the various embodiments can be carried out with a device according to an embodiment.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zur Abstandsmessung eingesetzt werden. BeispielhafteThe devices and methods according to various embodiments of the invention can be used generally for distance measurement. exemplary
Anwendungsfelder umfassen die Abstands- oder Längenmessung bei der Fertigung oder Qualitätskontrolle von Maschinenteilen oder bei anderen industriellen Prozes- sen. Jedoch sind die Ausfϋhrungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.Areas of application include distance or length measurement in the production or quality control of machine parts or in other industrial processes. sen. However, the embodiments of the invention are not limited to these applications.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments with reference to the attached drawings.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel, wobei in Fig. 1A und 1 B unterschiedliche Objektabstände dargestellt sind.Fig. 1 is a schematic representation of a device according to an embodiment, wherein in Fig. 1A and 1B different object distances are shown.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.Fig. 2 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
Fig. 3 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.Fig. 3 is a schematic perspective view of a device according to another embodiment.
Fig. 4 und 5 illustrieren Strahlengänge eines Messlichtstrahls.FIGS. 4 and 5 illustrate beam paths of a measuring light beam.
Fig. 6 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist.Fig. 6 is a schematic perspective view of an apparatus according to an embodiment having an actuator for adjusting a reflector.
Fig. 7 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist.Fig. 7 is a schematic perspective view of a device according to another embodiment having an actuator for adjusting a reflector.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist.Fig. 8 is a schematic representation of a device according to another embodiment having an actuator for adjusting a reflector.
Fig. 9A zeigt beispielhaft eine Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit, und Fig. 9B zeigt schematisch ein Fourier-Spektrum der Folge von Lichtpulsen von Fig. 9A.9A shows, by way of example, a sequence of light pulses as a function of time, and FIG. 9B schematically shows a Fourier spectrum of the sequence of light pulses of FIG. 9A.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquelle und eines Detektors, die bei den Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden können.FIG. 10 is a schematic representation of a light source and a detector that may be used in the devices of various embodiments. FIG.
Fig. 11 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung, die bei den Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann. Fig. 12A zeigt beispielhafte Eingangssignale der Auswerteeinrichtung von Fig. 1 1 , und Fig. 12B zeigt eine Signalkomponente der Eingangssignale.11 is a schematic block diagram of an evaluation device that may be used with the devices according to various embodiments. Fig. 12A shows exemplary input signals of the evaluation device of Fig. 11, and Fig. 12B shows a signal component of the input signals.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merk- male der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.Hereinafter, embodiments of the invention are explained in detail. The features of the various embodiments may be combined with each other unless expressly excluded in the following description. Although individual embodiments are described with respect to specific applications, for example in the context of an industrial plant, the present invention is not limited to these applications.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Abstandsmessung, wobei Fig. 1A und 1 B die Vorrichtung bei unterschiedlichen Abständen eines Objekts 2 zeigen.FIG. 1 is a schematic representation of a distance measuring device 1, FIGS. 1A and 1B showing the device at different distances of an object 2.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3, einen Reflektor 4 und einen Retroreflektor 5. Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 kann beispielsweise ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser sein, der die von einem Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge ermittelt. Zur Bestimmung der Weglänge kann beispielsweise eine Laufzeitmessung, ein interferometrisches Verfahren oder die Bestimmung einer Phasenlage eines gepulsten Signals verwendet werden.The device 1 comprises a light source and detector device 3, a reflector 4 and a retroreflector 5. The light source and detector device 3 may, for example, be a conventional laser range finder which determines the path length traveled by a measuring light beam. To determine the path length, for example, a transit time measurement, an interferometric method or the determination of a phase position of a pulsed signal can be used.
Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 ist so eingerichtet, dass sie einen Messlichtstrahl 11 entlang einem Strahlenweg 13 in Richtung des Objekts 2 abstrahlt, dessen Abstand bestimmt werden soll. Der Reflektor 4 ist so eingerichtet, dass er den an dem Objekt 2 reflektierten Messlichtstrahl empfängt und derart umlenkt, dass der Messlichtstrahl entlang einem versetzt und parallel zu dem Strahlenweg 13 verlaufenden Strahlenweg 14 erneut zu dem Objekt 2 gelenkt wird. Der Retroreflektor 5 ist so eingerichtet, dass er den an dem Objekt 2 reflektierten Messlichtstrahl empfängt und in sich selbst reflektiert.The light source and detector device 3 is set up so that it emits a measuring light beam 11 along a beam path 13 in the direction of the object 2 whose distance is to be determined. The reflector 4 is set up in such a way that it receives the measuring light beam reflected by the object 2 and deflects it in such a way that the measuring light beam is redirected to the object 2 along a beam path 14 offset and parallel to the beam path 13. The retroreflector 5 is arranged to receive the measuring light beam reflected on the object 2 and to reflect in itself.
An dem Objekt 2 sind mehrere Reflektoren 6, 7 vorgesehen, die jeweils eingerichtet sind, den von der Messvorrichtung 1 in Richtung des Objekts 2 gelenkten Messlichtstrahl zu empfangen und versetzt und parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl zurück in Richtung der Messvorrichtung 1 zu lenken. Aus Gründen der Deutlichkeit werden die am Objekt angebrachten Reflektoren 6, 7 nachfolgend als Objektreflektoren bezeichnet. Im Betrieb der Messvorrichtung 1 wird der Messlichtstrahl 11 von der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 der Messvorrichtung 1 entlang dem Strahlenweg 13 in Richtung des Objekts 2 abgestrahlt. Der Objektreflektor 6 empfängt den Messlicht- strahl 11 und lenkt ihn derart um, dass er entlang einem Strahlenweg 16, der parallel und versetzt zu dem Strahlenweg 13 verläuft, zu dem Reflektor 4 gelenkt wird. Der Reflektor 4 der Messvorrichtung empfängt den Messlichtstrahl 11 und lenkt ihn derart um, dass er entlang dem Strahlenweg 14, der parallel und versetzt zu den Strahlenweg 13 und 16 verläuft, zu dem Objektreflektor 7 gelenkt wird. Der Objektreflektor 7 empfängt den Messlichtstrahl 11 und lenkt ihn derart um, dass er entlang einem Strahlenweg 17, der parallel und versetzt zu den Strahlenwegen 13, 16 und 14 verläuft, zu dem Retroreflektor 5 gelenkt wird. Der Retroreflektor 5 reflektiert den Messlichtstrahl in sich selbst, so dass der Messlichtstrahl die Strahlenwege 17, 14, 16 und 13 in umgekehrter Richtung zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 durchläuft.On the object 2, a plurality of reflectors 6, 7 are provided, each of which is adapted to receive the measuring light beam directed by the measuring device 1 in the direction of the object 2 and offset and parallel to the received measuring light beam back towards the measuring device 1. For reasons of clarity, the reflectors 6, 7 attached to the object are referred to below as object reflectors. During operation of the measuring device 1, the measuring light beam 11 is radiated by the light source and detector device 3 of the measuring device 1 along the beam path 13 in the direction of the object 2. The object reflector 6 receives the measuring light beam 11 and deflects it in such a way that it is directed to the reflector 4 along a ray path 16 that is parallel and offset from the ray path 13. The reflector 4 of the measuring device receives and deflects the measuring light beam 11 in such a way that it is directed to the object reflector 7 along the beam path 14 that is parallel and offset from the beam paths 13 and 16. The object reflector 7 receives the measuring light beam 11 and deflects it in such a way that it is directed to the retroreflector 5 along a beam path 17 that runs parallel and offset from the beam paths 13, 16 and 14. The retroreflector 5 reflects the measuring light beam in itself, so that the measuring light beam passes through the beam paths 17, 14, 16 and 13 in the reverse direction back to the light source and detector device 3.
Bei der Messvorrichtung 1 führen die Reflektoren 4, 5 der Messvorrichtung und die an dem Objekt angebrachten Objektreflektoren 6, 7 zu einer Faltung des Strahlengangs des Messlichtstrahls, so dass der Messlichtstrahl mehrfach zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 hin- und hergeführt wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Messvorrichtung 1 durchläuft der Messlichtstrahl die Strecke zwischen Messvorrichtung und Objekt acht Mal, so dass die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge im Vergleich zu der Strahlführung bei einer herkömmlichen Laserab- standsmessung um einen Faktor vier verlängert wird.In the measuring device 1, the reflectors 4, 5 of the measuring device and the object reflectors 6, 7 attached to the object fold the beam path of the measuring light beam, so that the measuring light beam is repeatedly guided back and forth between the measuring device 1 and the object 2. In the case of the measuring device 1 shown in FIG. 1, the measuring light beam traverses the distance between measuring device and object eight times, so that the path length covered by the measuring light beam is lengthened by a factor of four in comparison to the beam guidance in a conventional laser distance measurement.
Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 ermittelt die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge. Anteile der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge, die von einem Strahlenverlauf quer zu den Strahlenwegen 13, 14, 16 und 17. herrühren, wie er beispielsweise an dem Reflektor 4 und den Objektreflektoren 6, 7 auf- tritt, oder die von einem Strahlenverlauf innerhalb der Messvorrichtung 1 herrühren, sind durch die Systemgeometrie bedingt und können als bekannt vorausgesetzt werden. Alternativ kann die Messvorrichtung 1 auf einfache Weise kalibriert werden, indem das Objekt 2 an der Position xθ in Anlage mit der Messvorrichtung 1 positioniert wird, um eine nur durch die Systemgeometrie bedingte Weglänge zu ermitteln. Auf diese Weise kann aus der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge diejenige Weglänge ermittelt werden, die der Summe der parallelen Strahlenwege 13, 14, 16 und 17 zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 entspricht. Somit kann ausgehend von der von der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 bestimmten Weglänge der Abstand des Objekts 2 ermittelt werden kann.The light source and detector device 3 determines the path length traveled by the measuring light beam. Proportions of the path length traveled by the measuring light beam, which result from a beam path transverse to the beam paths 13, 14, 16 and 17, as occurs, for example, at the reflector 4 and the object reflectors 6, 7, or from a beam path within the beam Measuring device 1 are caused by the system geometry and can be assumed to be known. Alternatively, the measuring device 1 can be calibrated in a simple manner by positioning the object 2 at the position xθ in contact with the measuring device 1 in order to determine a path length which is determined only by the system geometry. In this way, the path length which corresponds to the sum of the parallel beam paths 13, 14, 16 and 17 between the measuring device 1 and the object 2 can be determined from the path length covered by the measuring light beam. Thus, can starting from the distance determined by the light source and detector device 3 distance of the object 2 can be determined.
Wird das Objekt wie schematisch in Fig. 1 B dargestellt um eine Strecke d von der Position x1 zu einer Position x2 verschoben, ändert sich die Länge jedes der Strahlenwege 13', 14', 16'und 17' zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 um die Länge d, so dass sich die gesamte vom Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge um 8-d erhöht.When the object is displaced by a distance d from the position x1 to a position x2, as shown schematically in FIG. 1B, the length of each of the beam paths 13 ' , 14 ' , 16 ' and 17 ' changes between the measuring device 1 and the object 2 by the length d, so that the total traversed by the measuring light beam path length increased by 8-d.
Die Strahlführung des Messlichtstrahls bei der Vorrichtung von Fig. 1 führt zu einer Erhöhung der Auflösung oder Genauigkeit, mit der der Abstand des Objekts 2 gemessen werden kann, da die Auflösung der Abstandsmessung bestimmt ist durch die Auflösung, mit der die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 die optische Weglänge des Messlichtstrahls bestimmt, geteilt durch die Anzahl der Strahlenwege zwischen Messvorrichtung und Objekt, die der Messlichtstrahl durchläuft.The beam guidance of the measuring light beam in the apparatus of FIG. 1 leads to an increase in the resolution or accuracy with which the distance of the object 2 can be measured, since the resolution of the distance measurement is determined by the resolution with which the light source and detector device 3 determines the optical path length of the measuring light beam, divided by the number of beam paths between the measuring device and the object, which passes through the measuring light beam.
Falls beispielsweise ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser als Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 verwendet wird, der eine minimale optische Weglänge von 1 m messen kann und eine Auflösung der Weglängemessung von ± 20 mm aufweist, kann bei einer herkömmlichen Strahlführung ein minimaler Objektabstand von 50 cm gemessen werden, und die Auflösung der Abstandsmessung beträgt ± 10 mm. Falls der Strahlengang des Messlichtstrahls unter Verwendung der Vorrichtung 1 gefaltet wird, kann mit dem Laserentfernungsmesser ein minimaler Objektabstand von 12,5 cm gemessen werden, und die Auflösung der Abstandsmessung beträgt ± 2,5 mm.For example, if a conventional laser range finder is used as the light source and detector 3 which can measure a minimum optical path length of 1 m and has a resolution of the path length measurement of ± 20 mm, in a conventional beam guide, a minimum object distance of 50 cm can be measured, and the resolution of the distance measurement is ± 10 mm. If the beam path of the measurement light beam is folded using the apparatus 1, a minimum object distance of 12.5 cm can be measured with the laser rangefinder, and the resolution of the distance measurement is ± 2.5 mm.
Als Reflektor 4 der Messvorrichtung und als Objektreflektoren 6, 7 können bei der Vorrichtung 1 beispielsweise zueinander verkippte Spiegel, ein Tripelspiegel, ein Tri- pelprisma oder dergleichen verwendet werden.As a reflector 4 of the measuring device and as object reflectors 6, 7, for example, mutually tilted mirrors, a triple mirror, a triple prism or the like can be used in the device 1.
Die Ausgestaltung der Vorrichtung kann bei weiteren Ausführungsbeispielen modifiziert werden. Die Anzahl von Reflektoren und Objektreflektoren kann abhängig von dem jeweiligen Anwendungsgebiet der Messvorrichtung und den Eigenschaften der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 gewählt werden. Beispielsweise können mehr als zwei Reflektoren an der Messvorrichtung und dem Objekt vorgesehen wer- den. Bei einer weiteren Ausgestaltung kann ein Retroreflektor an dem Objekt vorgesehen werden, um den Messlichtstrahl in sich selbst zu reflektieren. Bei einer weiteren Ausgestaltung wird der Messlichtstrahl nicht in sich selbst reflektiert, sondern die Lichtquelle und der Detektor können räumlich beabstandet so vorgesehen werden, dass der Detektor den Messlichtstrahl erfasst. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann beispielsweise anstelle des Retroreflektors 5 ein Detektor vorgesehen sein, der den Messlichtstrahl erfasst, nachdem dieser mehrfach auf versetzten Strahlenwegen zwi- sehen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wurde.The embodiment of the device can be modified in further embodiments. The number of reflectors and object reflectors may be selected depending on the particular field of application of the measuring device and the properties of the light source and detector device 3. For example, more than two reflectors can be provided on the measuring device and the object. In a further embodiment, a retroreflector may be provided on the object to reflect the measuring light beam in itself. In a further embodiment, the measuring light beam is not reflected in itself, but the The light source and the detector can be spatially spaced so provided that the detector detects the measuring light beam. With reference to FIG. 1, for example, instead of the retroreflector 5, a detector may be provided which detects the measuring light beam after it has been repeatedly reciprocated on offset beam paths between the measuring device and the object.
Fig. 2 zeigt die Verwendung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung nach einem Ausführungsbeispiel bei einer Schieblehre 20. An einer Führung 21 der Schieblehre 20 ist ein erster Messbacken 22 ortsfest vorgesehen, während ein beweglicher zwei- ter Messbacken 30 entlang der Führung 21 verschiebbar ist, wie schematisch mit dem Pfeil 31 angedeutet ist. An dem ersten Messbacken 22 ist die Vorrichtung zur Abstandsmessung vorgesehen, die eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23, mehrere Reflektoren 24-26 und einen Retroreflektor 27 aufweist. An dem beweglichen Messbacken 30 sind mehrere Objektreflektoren 33-36 vorgesehen.FIG. 2 shows the use of a device for distance measurement according to an exemplary embodiment in a caliper 20. A first measuring jaw 22 is provided fixedly on a guide 21 of the caliper 20, while a movable second measuring jaw 30 is displaceable along the guide 21, as schematically indicated by the arrow 31. On the first measuring jaws 22, the device for distance measurement is provided, which has a light source and detector device 23, a plurality of reflectors 24-26 and a retroreflector 27. On the movable measuring jaws 30 a plurality of object reflectors 33-36 are provided.
Die Reflektoren 24-26 und die Objektreflektoren 33-36 können beispielsweise jeweils ein Paar zueinander verkippter Spiegel, einen Tripelspiegel, ein Tripelprisma oder dergleichen umfassen. Jeder der Reflektoren 24-26 ist eingerichtet, um einen von einem Objektreflektor 33-36 in Richtung des entsprechenden Reflektors gelenkten Messlichtstrahl zu empfangen und versetzt und parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl zurück in Richtung des beweglichen Messbackens 30 zu lenken. Jeder der Objektreflektoren 33-36 ist eingerichtet, um einen von der Messvorrichtung in Richtung des beweglichen Messbackens 30 gelenkten Messlichtstrahl zu empfangen und versetzt und parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl zurück in Richtung des ersten Messbackens 22 zu lenken. Der Retroreflektor 27 ist eingerichtet, um den Messlichtstrahl von dem Objektreflektor 36 zu empfangen und in sich zurückzureflek- tieren.For example, the reflectors 24-26 and the object reflectors 33-36 may each comprise a pair of mutually tilted mirrors, a triple mirror, a triple prism, or the like. Each of the reflectors 24-26 is configured to receive a measuring light beam guided by an object reflector 33-36 in the direction of the corresponding reflector and to direct it back in the direction of the movable measuring jaw 30 parallel to the received measuring light beam. Each of the object reflectors 33-36 is set up to receive a measuring light beam guided by the measuring device in the direction of the movable measuring jaw 30 and to guide it back in the direction of the first measuring jaw 22 parallel to the received measuring light beam. The retroreflector 27 is arranged to receive the measurement light beam from the object reflector 36 and to refract it.
Im Betrieb der Vorrichtung strahlt die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 37 zu dem Objektreflektor 33 ab. Der Objektreflektor lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 38, der parallel und versetzt zu dem Strahlenweg 37 verläuft, zu dem Reflektor 24. Der Reflektor 24 lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 39, der parallel und versetzt zu dem Strahlenweg 38 verläuft, zu dem Objektreflektor 34. Über den Objektreflektor 34, den Reflektor 25, den Objektreflektor 35, den Reflektor 26 und den Objektreflektor 36 wird der Messlichtstrahl zu dem Retroreflektor 27 geführt, wo er entlang einem Strah- lenweg 40 in sich reflektiert wird und über die Objektreflektoren 33-36 und die Reflektoren 24-26 zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23 geführt wird.During operation of the device, the light source and detector device 3 radiates the measuring light beam along a beam path 37 to the object reflector 33. The object reflector directs the measuring light beam along a beam path 38, which runs parallel and offset to the beam path 37, to the reflector 24. The reflector 24 directs the measuring light beam along a beam path 39, which runs parallel and offset to the beam path 38, to the object reflector 34 The measuring light beam is guided via the object reflector 34, the reflector 25, the object reflector 35, the reflector 26 and the object reflector 36 to the retroreflector 27, where it is irradiated along a ray path. 40 is reflected in itself and on the object reflectors 33-36 and the reflectors 24-26 back to the light source and detector device 23 is guided.
Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23 ermittelt die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge, aus der der Abstand des beweglichen Messbackens 31 von dem festen Messbacken 22 bestimmt werden kann. Bei der Schieblehre 20 ist die Arbeitsweise der Vorrichtung zur Abstandsermittlung des beweglichen Messbackens 31 identisch zu der Arbeitsweise der unter Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung. Da der Messlichtstrahl acht Mal zwischen den beiden Messbacken hin- und herge- führt wird, kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Strahlführung bei der Abstandsmessung die Ortsauflösung und der kleinste messbare Abstand entsprechend um einen Faktor acht verkleinert werden.The light source and detector device 23 determines the path length traveled by the measurement light beam, from which the distance of the movable measurement jaw 31 from the fixed measurement jaw 22 can be determined. In the caliper 20, the operation of the device for determining the distance of the movable measuring jaw 31 is identical to the operation of the device described in FIG. 1. Since the measuring light beam is guided back and forth eight times between the two measuring jaws, the spatial resolution and the smallest measurable distance can be correspondingly reduced by a factor of eight compared to a conventional beam guidance in distance measurement.
Bei den unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen wird der Messlichtstrahl in einer Ebene mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt. Der Messlichtstrahl kann jedoch auch so geführt werden, dass die Strahlenwege zwischen Objekt und Messvorrichtung nicht alle in einer Ebene liegen.In the devices described with reference to Figures 1 and 2, the measuring light beam is reciprocated in a plane several times between the measuring device and the object. However, the measurement light beam can also be guided so that the beam paths between object and measuring device are not all in one plane.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 50 zur Abstandsmessung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei der die Reflektoren und die Objektreflektoren so angeordnet sind, dass der Messlichtstrahl entlang einer Manteloberfläche eines virtuellen Quaders geführt wird.3 shows a schematic representation of a device 50 for distance measurement according to a further exemplary embodiment, in which the reflectors and the object reflectors are arranged such that the measuring light beam is guided along a mantle surface of a virtual cuboid.
Die Vorrichtung 50 weist an einem Träger 51 eine Lichtquelle 52 zum Erzeugen eines Messlichtstrahls, Reflektoren 53-55 und einen Detektor 56 zum Erfassen des Messlichtstrahls auf. Die Detektoren 53-55 sind jeweils eingerichtet, um einen an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und mit einem Versatz parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl wieder in Richtung des Objekts zu lenken. Für jeden der Reflektoren 53-55 ist in Fig. 3 die Richtung des jeweiligen Versatzes des Messlichtstrahls schematisch durch die Längsachse des Reflektors 53-55 dargestellt. Die Reflektoren 53-55 sind nicht kollinear, sondern gegeneinander gedreht angeordnet. Dies führt dazu, dass der Messlichtstrahl entlang einer nicht planaren Manteloberfläche eines dreidimensionalen Körpers zwischen der Vorrichtung 50 und dem Objekt hin- und hergeführt wird. An einem Objekt 61 sind Objektreflektoren 62-65 angeordnet. Jeder der Objektreflektoren 62-65 ist eingerichtet, um den Messlichtstrahl von der Messvorrichtung 50 zu empfangen und mit einem Versatz parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl wieder in Richtung der Messvorrichtung 50 zu lenken. Die Anordnung der Objektre- flektoren 62-65 ist abhängig von der Anordnung der Reflektoren 53-55 derart gewählt, dass der Messlichtstrahl abwechselnd über einen der Objektreflektoren 62-65 und einen der Reflektoren 53-55 zwischen der Vorrichtung 50 und dem Objekt 61 hin- und hergeführt und so von der Lichtquelle 52 zu dem Detektor 56 gelenkt wird. Insbesondere sind die Objektreflektoren so angeordnet, dass wenigstens zwei der Objektreflektoren relativ zueinander gedreht vorgesehen sind.The device 50 has on a carrier 51 a light source 52 for generating a measuring light beam, reflectors 53-55 and a detector 56 for detecting the measuring light beam. The detectors 53-55 are each arranged to receive a measurement light beam reflected on the object and to redirect it to the object with an offset parallel to the received measurement light beam. For each of the reflectors 53-55, the direction of the respective offset of the measuring light beam is shown schematically in Fig. 3 by the longitudinal axis of the reflector 53-55. The reflectors 53-55 are not collinear, but arranged rotated against each other. As a result, the measurement light beam is reciprocated along a non-planar mantle surface of a three-dimensional body between the device 50 and the object. Object reflectors 62-65 are arranged on an object 61. Each of the object reflectors 62-65 is configured to receive the measuring light beam from the measuring device 50 and to redirect it toward the measuring device 50 with an offset parallel to the received measuring light beam. Depending on the arrangement of the reflectors 53-55, the arrangement of the object reflectors 62-65 is selected such that the measurement light beam alternately passes between the object 50 and the object 61 via one of the object reflectors 62-65 and one of the reflectors 53-55. and is guided and thus guided by the light source 52 to the detector 56. In particular, the object reflectors are arranged so that at least two of the object reflectors are provided rotated relative to each other.
Die Reflektoren 53-55 und die Objektreflektoren 62-65 können als ein Paar von gegeneinander geneigten Spiegeln, als ein Tripelspiegel, ein Tripelprisma oder dergleichen ausgebildet sein.The reflectors 53-55 and the object reflectors 62-65 may be formed as a pair of mutually inclined mirrors, a triple mirror, a triple prism, or the like.
Im Betrieb der Vorrichtung wird der Messlichtstrahl von der Lichtquelle 52 entlang dem Strahlenweg 71 zu dem Objektreflektor 62 abgestrahlt. Der Objektreflektor 62 lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 72 zu dem Reflektor 53. Der Reflektor 53 lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 73 zu dem Objekt- reflektor 63. Der Objektreflektor 63 ist derart angeordnet, dass er den Messlichtstrahl mit einem Versatz entlang dem Strahlenweg 74 zu dem Reflektor 54 lenkt, der relativ zu dem Reflektor 53 um 90° gedreht ist. Entsprechend ist der Objektreflektor 63 derart angeordnet, dass der Strahlenweg 74 außerhalb der Ebene liegt, in der die Strahlenwege 71 , 72 und 73 liegen. Der Reflektor 54 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 75 zu dem Objektreflektor 64. Der Objektreflektor 64 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 76 zu dem Reflektor 55. Der Reflektor 55 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 77 zu dem Objektreflektor 65. Der Objektreflektor 65 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 78 zu dem Detektor 56.During operation of the device, the measuring light beam is emitted from the light source 52 along the beam path 71 to the object reflector 62. The object reflector 62 directs the measuring light beam along a beam path 72 to the reflector 53. The reflector 53 directs the measuring light beam along a ray path 73 to the object reflector 63. The object reflector 63 is arranged such that it displaces the measuring light beam along the ray path 74 to the reflector 54, which is rotated relative to the reflector 53 by 90 °. Accordingly, the object reflector 63 is arranged such that the beam path 74 lies outside the plane in which the beam paths 71, 72 and 73 lie. The reflector 54 directs the measuring light beam along the beam path 75 to the object reflector 64. The object reflector 64 directs the measuring light beam along the beam path 76 to the reflector 55. The reflector 55 directs the measuring light beam along the beam path 77 to the object reflector 65. The object reflector 65 directs the Measuring light beam along the beam path 78 to the detector 56th
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung von Reflektoren 53-55 und Objektreflektoren 62-65, bei der die Reflektoren um jeweils 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind und die Objektreflektoren um jeweils 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, wird der Messlichtstrahl entlang einer Mehrzahl von Strahlenwegen 71-78 mehrfach zwischen der Vorrichtung 50 und dem Objekt 61 hin- und hergeführt. Die Strahlenwege 71 -78 sind parallel und versetzt zueinander angeordnet, liegen jedoch nicht alle in einer Ebene. So liegt beispielsweise der von dem Objektreflektor 63 zu dem Reflektor 53 führende Strahlenweg 74 und der von dem Reflektor 54 zu dem Objektreflektor 64 führende Strahlenweg 75 nicht in der Ebene, die durch den Strahlenweg 71 und den Strahlenweg 72 oder den Strahlenweg 73 definiert wird.In the arrangement shown in Fig. 3 of reflectors 53-55 and object reflectors 62-65, in which the reflectors are arranged rotated by 90 ° to each other and the object reflectors are rotated by 90 ° from each other, the measuring light beam along a plurality of Beam paths 71-78 repeatedly between the device 50 and the object 61 and led back. The ray paths 71-78 are parallel and staggered but not all in one plane. For example, that of the object reflector 63 is too the beam 53 leading to the reflector 53 and the beam path 75 leading from the reflector 54 to the object reflector 64 not in the plane defined by the beam path 71 and the beam path 72 or the beam path 73.
Bei einem derartigen Strahlengang des Messlichtstrahls sind die Reflektoren und die Objektreflektoren nicht in einer linearen Anordnung vorgesehen. Dies erlaubt es, die Reflektoren der Messvorrichtung bzw. die Objektreflektoren in einer zweidimensionalen Anordnung zu positionieren. Beispielsweise können die Reflektoren entlang einer Randkante einer Grundfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers angeordnet sein, und die Objektreflektoren können entlang einer Randkante einer entgegengesetzten Deckenfläche des virtuellen dreidimensionalen Körpers angeordnet sein. Als virtueller dreidimensionaler Körper wird dabei ein nicht real existierender Körper bezeichnet, auf dessen Manteloberfläche der Strahlengang des Messlichtstrahls liegt.In such a beam path of the measuring light beam, the reflectors and the object reflectors are not provided in a linear arrangement. This makes it possible to position the reflectors of the measuring device or the object reflectors in a two-dimensional arrangement. For example, the reflectors may be arranged along a peripheral edge of a base surface of a virtual three-dimensional body, and the object reflectors may be arranged along a peripheral edge of an opposite ceiling surface of the virtual three-dimensional body. As a virtual three-dimensional body while a non-existing real body is called, on the mantle surface of the beam path of the measuring light beam is located.
Eine Anordnung von Reflektoren bzw. Objektreflektoren, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde, erlaubt es, in einer Fläche mit beschränkten Abmessungen eine größere Zahl von Reflektoren bzw. Objektreflektoren unterzubringen als bei einer Anordnung entlang einer Linie. Auf diese Weise kann das Verhältnis der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge zum Objektabstand weiter erhöht werden.An array of reflectors, as described with reference to FIG. 3, allows a larger number of reflectors to be accommodated in an area of limited dimensions than when arranged along a line. In this way, the ratio of the distance traveled by the measuring light beam path length to the object distance can be further increased.
Die Bestimmung des Objektabstands kann wie unter Bezugnahme auf die Vorrichtungen von Fig. 1 und 2 beschrieben erfolgen. Zur Bestimmung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge kann mit der Lichtquelle 52 und dem Detektor 56 eine Laufzeitmessung, ein interferometrisches Verfahren oder ein eine Pulsfolge verwendendes Messverfahren durchgeführt werden. Der Teil der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge, der nicht durch die wiederholte Propagation des Messlichtstrahls zwischen Messvorrichtung 50 und Objekt 61 verursacht wird, kann beispielsweise anhand der Vorrichtungsgeometrie oder mithilfe einer Kalibrierung der Messvorrichtung 50 bestimmt werden.The determination of the object distance may be as described with reference to the devices of FIGS. 1 and 2. In order to determine the path length covered by the measuring light beam, it is possible with the light source 52 and the detector 56 to carry out a propagation time measurement, an interferometric method or a measuring method using a pulse sequence. The portion of the path length traveled by the measuring light beam, which is not caused by the repeated propagation of the measuring light beam between measuring device 50 and object 61, can be determined, for example, based on the device geometry or by means of a calibration of the measuring device 50.
Bei der unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläuterten Vorrichtung sind die Lichtquelle 62 und der Detektor 56 separat vorgesehen. Bei einer Abwandlung kann anstelle des Detektors 56 ein Retroreflektor vorgesehen werden, um den Messlichtstrahl in sich zu reflektieren, und anstelle der Lichtquelle 52 kann eine integrierte Lichtquellen- und Detektoreinrichtung, beispielsweise ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser, vorgesehen werden. Die Anzahl und Anordnung von Reflektoren und Objektreflektoren kann auch bei einer Messvorrichtung, bei der der Strahlengang des Messlichtstrahls entlang einer Manteloberfläche eines dreidimensionalen Körpers geführt wird, abhängig von den Eigenschaften der Lichtquelle und der Detektoreinrichtung sowie abhängig von einem gewünschten Bereich von Abständen, die mit der Abstandsmessvorrichtung gemessen werden sollen, gewählt werden.In the device explained with reference to FIG. 3, the light source 62 and the detector 56 are provided separately. In a modification, instead of the detector 56, a retroreflector may be provided to reflect the measuring light beam within it, and instead of the light source 52 may be provided an integrated light source and detector, for example a conventional laser rangefinder. The number and arrangement of reflectors and object reflectors may also be used in a measuring device in which the beam path of the measuring light beam is guided along a mantle surface of a three-dimensional body, depending on the characteristics of the light source and the detector device as well as a desired range of distances with the Distance measuring device to be measured can be selected.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für einen Strahlengang eines Messlichtstrahls 85 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Messlichtstrahl 85 wird auf einer Manteloberfläche eines virtuellen Quaders 80 mehrfach zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt hin- und hergeführt. Reflektoren der Messvorrichtung, die in Fig. 4 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer Grundfläche 81 des virtuellen Quaders 80 angeordnet, und Objektreflektoren, die in Fig. 4 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer der Grundfläche 81 gegenüberliegenden Deckenfläche 82 des Quaders 80 an dem Objekt angeordnet, dessen Abstand zu bestimmen ist. Eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 83 erzeugt den Messlichtstrahl 85, der auf der Manteloberfläche des Quaders 80 mehrfach zwischen der Grundfläche 81 und der Deckenfläche 82 hin- und hergeführt wird. Ein Retroreflektor 84 reflektiert den Mess- lichtstrahl 85 in sich selbst zurück, so dass er zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 83 propagiert.4 shows an example of a beam path of a measuring light beam 85 in a further exemplary embodiment. The measuring light beam 85 is reciprocated on a mantle surface of a virtual cuboid 80 several times between a measuring device and an object. Reflectors of the measuring device, which are not shown in FIG. 4, are arranged along an edge of a base 81 of the virtual cuboid 80, and object reflectors, which are not shown in FIG. 4, are along an edge of a ceiling surface 82 opposite the base 81 Cuboid 80 disposed on the object whose distance is to be determined. A light source and detector device 83 generates the measurement light beam 85, which is repeatedly guided back and forth on the mantle surface of the cuboid 80 between the base surface 81 and the ceiling surface 82. A retroreflector 84 reflects the measuring beam of light 85 back into itself, so that it propagates back to the light source and detector device 83.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen Strahlengang eines Messlichtstrahls 95 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Messlichtstrahl 95 wird auf einer Manteloberfläche eines virtuellen Zylinders 90 mehrfach zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt hin- und hergeführt. Reflektoren der Messvorrichtung, die in Fig. 5 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer Grundfläche 91 des virtuellen Zylinders 90 angeordnet, und Objektreflektoren, die in Fig. 5 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer der Grundfläche 91 gegenüberliegenden Deckenfläche 92 des Zylinders 90 an dem Objekt angeordnet, dessen Abstand zu bestimmen ist. Eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 93 erzeugt den Messlichtstrahl 95, der auf der Manteloberfläche des Zylinders 90 mehrfach zwischen der Grundfläche 81 und der Deckenfläche 82 hin- und hergeführt wird. Ein Retroreflektor 94 reflektiert den Messlichtstrahl 95 in sich selbst zurück, so dass er zurück zu der Lichtquellen- und Detek- toreinrichtung 93 propagiert. Für eine genaue Abstandsmessung sollten die Reflektoren der Messvorrichtung eine wohldefinierte Ausrichtung zu den an dem Objekt angebrachten Objektreflektoren aufweisen. Falls die Reflektoren der Messvorrichtung an einem ebenen Träger angebracht sind und die Objektreflektoren an einem ebenen Träger angebracht sind, kann die Lagerung und Anordnung der Träger so gewählt werden, dass eine möglichst parallele Anordnung der beiden Träger eingestellt werden kann und eine bestehende Restverkippung den gemessenen Abstand nicht stark beeinflusst.5 shows an example of a beam path of a measuring light beam 95 in a further exemplary embodiment. The measuring light beam 95 is reciprocated on a mantle surface of a virtual cylinder 90 several times between a measuring device and an object. Reflectors of the measuring device, which are not shown in Fig. 5, are arranged along an edge of a base 91 of the virtual cylinder 90, and object reflectors, which are not shown in Fig. 5, along an edge of the base 91 opposite ceiling surface 92 of Cylinder 90 disposed on the object, whose distance is to be determined. A light source and detector device 93 generates the measuring light beam 95, which is repeatedly guided back and forth on the mantle surface of the cylinder 90 between the base surface 81 and the ceiling surface 82. A retroreflector 94 reflects the measuring light beam 95 back into itself so that it propagates back to the light source and detector device 93. For accurate distance measurement, the reflectors of the measuring device should have a well-defined orientation to the object reflectors mounted on the object. If the reflectors of the measuring device are mounted on a flat support and the object reflectors are mounted on a planar support, the support and support arrangement can be chosen so that a parallel arrangement of the two supports can be set and an existing residual tilt the measured distance not heavily influenced.
Dazu kann der Träger der Reflektoren und/oder der Träger der Objektreflektoren an einem Punkt, der auf einer Verbindungslinie zwischen der Anordnung von Reflektoren und der Anordnung von Objektreflektoren und vorteilhaft durch eine Verbindungslinie einer Mitte der Anordnung von Reflektoren mit einer Mitte der Anordnung von Objektreflektoren liegt. Alternativ kann der Träger der Reflektoren und/oder der Träger der Objektreflektoren entlang einer Linie gelagert sein, die die genannte Ver- bindungslinie schneidet. Beispielsweise kann der Träger der Reflektoren und/oder der Träger der Objektreflektoren an einer die Mitten der Träger verbindenden Linie gelagert sein. Dadurch kann der Einfluss einer Verkippung der beiden Träger zueinander auf den gemessenen Abstand verringert werden.For this, the support of the reflectors and / or the support of the object reflectors may be located at a point located on a connecting line between the array of reflectors and the array of object reflectors and advantageously through a connecting line of a center of the array of reflectors with a center of the array of object reflectors , Alternatively, the support of the reflectors and / or the support of the object reflectors may be mounted along a line which intersects said connecting line. For example, the carrier of the reflectors and / or the carrier of the object reflectors may be mounted on a line connecting the centers of the carriers. As a result, the influence of tilting of the two carriers relative to one another on the measured distance can be reduced.
Die Ausrichtung des Trägers für die Reflektoren und des Trägers für die Objektreflektoren zueinander kann darüber hinaus aktiv eingestellt werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 6-8 näher erläutert wird.The orientation of the support for the reflectors and the support for the object reflectors to each other can also be actively set, as will be explained below with reference to FIG. 6-8.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Abstandsmessung mit einem Träger 103, auf dem eine Reflektoranordnung 104 befestigt ist. Die Reflektoranordnung kann beispielsweise eine lineare Anordnung von Reflektoren, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erläutert wurde, oder eine zweidimensionale Anordnung von Reflektoren, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 3-5 erläutert wurde, umfassen. An einem Träger 119 ist eine Anordnung von (nicht dargestellten) Objekt- reflektoren vorgesehen. Der Träger 119 kann beispielsweise als beweglicher Messbacken einer Schieblehre ausgebildet sein.FIG. 6 is a schematic illustration of a distance measuring device 100 with a carrier 103 on which a reflector assembly 104 is mounted. For example, the reflector assembly may comprise a linear array of reflectors as discussed with reference to FIGS. 1 and 2, or a two-dimensional array of reflectors as discussed with reference to FIGS. 3-5. An arrangement of object reflectors (not shown) is provided on a carrier 119. The carrier 119 may be formed, for example, as a movable measuring jaws of a caliper.
Der Träger 103 ist an einer Platte 102 so gelagert, dass der Träger 103 um eine durch die Mitte des Trägers 103 verlaufende Achse 112 relativ zu der Platte 102 kippbar ist. Zur Verkippung des Trägers 103 relativ zu der Platte 102 ist ein Paar von Piezoelementen 107, 108 vorgesehen, über das sich der Träger 103 an der Platte 102 abstützt. Die Platte 102 ist an einer Platte 101 so gelagert, dass die Platte 102 um eine durch die Mitte der Platte 102 verlaufende Achse 111 , die orthogonal zur Achse 112 ist, relativ zu der Platte 101 kippbar ist. Zur Verkippung der Platte 102 relativ zu der Plat- te 101 ist ein Paar von Piezoelementen 105, 106 vorgesehen, über das sich die Platte 102 an der Platte 101 abstützt. Die Platte 101 ist im Gebrauch der Vorrichtung 100 ortsfest montiert.The carrier 103 is mounted on a plate 102 so that the carrier 103 is tiltable about an axis 112 extending through the center of the carrier 103 relative to the plate 102. For tilting the carrier 103 relative to the plate 102, a pair of piezo elements 107, 108 is provided, via which the carrier 103 is supported on the plate 102. The plate 102 is supported on a plate 101 such that the plate 102 is tiltable relative to the plate 101 about an axis 111 passing through the center of the plate 102, which is orthogonal to the axis 112. For tilting the plate 102 relative to the plate 101, a pair of piezo elements 105, 106 is provided, via which the plate 102 is supported on the plate 101. The plate 101 is fixedly mounted in use of the device 100.
Der Träger 103 kann durch Betätigung der Piezoelemente 105, 106 und/oder der Piezoelemente 107, 108 um die orthogonalen Achsen 1 11 und/oder 112 so verkippt werden, dass der Träger 104 möglichst parallel zu dem Träger 119 mit den Objektreflektoren ausgerichtet ist. Dazu können die Paare von Piezoelementen 107, 108 bzw. 105, 106 von einer Steuereinrichtung 118 abhängig von einer Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 mit den Objektreflektoren gesteuert werden. Bei einer Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung 118 die Piezoelemente 105 und 106 gegenphasig derart ansteuern, dass sich eines der Piezoelemente um eine gewisse Strecke ausdehnt, während das andere der Piezoelemente um dieselbe Strecke schrumpft, um eine Verkippung des Trägers 103 um die Achse 111 zu erreichen. Ähnlich kann die Steuereinrichtung 118 die Piezoelemente 107 und 108 gegenphasig derart ansteuern, dass sich eines der Piezoelemente um eine gewisse Strecke ausdehnt, während das andere der Piezoelemente um dieselbe Strecke schrumpft, um eine Verkippung um die Achse 112 zu erreichen.The carrier 103 can be tilted by actuation of the piezo elements 105, 106 and / or the piezo elements 107, 108 about the orthogonal axes 11 and / or 112 so that the carrier 104 is aligned with the object reflectors as parallel as possible to the carrier 119. For this purpose, the pairs of piezo elements 107, 108 and 105, 106 can be controlled by a control device 118 depending on an orientation of the carrier 103 relative to the carrier 119 with the object reflectors. In one embodiment, the control device 118 can control the piezoelectric elements 105 and 106 in antiphase such that one of the piezoelectric elements expands by a certain distance while the other of the piezoelectric elements shrinks by the same distance in order to achieve tilting of the carrier 103 about the axis 111. Similarly, the control device 118, the piezo elements 107 and 108 in anti-phase drive such that one of the piezoelectric elements expands by a certain distance, while the other of the piezoelectric elements shrinks the same distance in order to achieve a tilt about the axis 112.
Der Steuereinrichtung 118 können in einem Regelkreis Eingangssignale zugeführt werden, die die Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu der Ebene des Trägers 119 repräsentieren. Die Ausrichtung des Trägers 103 kann optisch bestimmt werden.The controller 118 may be fed in a closed loop input signals representing the orientation of the carrier 103 relative to the plane of the carrier 119. The orientation of the carrier 103 can be optically determined.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung sind zur Bestimmung der Ausrichtung des Trägers 103 an dem Träger 103 Lichtquellen 113, 114 vorgesehen, wobei die Licht- quelle 113 einen (nicht dargestellten) Lichtstrahl auf einen Sensor 115 und die Lichtquelle 114 einen (nicht dargestellten) Lichtstrahl auf einen Sensor 116 abstrahlt. Die Sensoren 115, 116 sind an dem Träger 119 für die Objektreflektoren angeordnet. Der Sensor 115 erfasst eine Position des auf ihn eingestrahlten Lichtstrahls entlang einer ersten Richtung, beispielsweise einer vertikalen Richtung des Trägers 119. In einer dazu orthogonalen Richtung, beispielsweise der horizontalen Richtung des Trägers 119, weist der Sensor 115 eine Breite auf, die ausreichend ist, dass für zu erwartende Verkippungen des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 um dessen vertikale Achse der von der Lichtquelle 113 abgestrahlte Lichtstrahl noch auf den Sensor 115 trifft. Der Sensor 115 kann jedoch unempfindlich gegenüber der Position des Lichtstrahls in der zweiten Richtung, beispielsweise der horizontalen Richtung des Trägers 119, sein. Der Sensor 116 erfasst eine Position des auf ihn eingestrahl- ten Lichtstrahls entlang der zweiten Richtung, beispielsweise der horizontalen Richtung des Trägers 119. In einer dazu orthogonalen Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung des Trägers 119, weist der Sensor 116 eine Breite auf, die ausreichend ist, dass für zu erwartende Verkippungen des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 um dessen horizontale Achse der von der Lichtquelle 114 abgestrahlte Lichtstrahl noch auf den Sensor 116 trifft. Der Sensor 1 16 kann jedoch unempfindlich gegenüber der Position des Lichtstrahls in der ersten Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung des Trägers 119, sein.In the device shown in FIG. 6, light sources 113, 114 are provided for determining the orientation of the carrier 103 on the carrier 103, wherein the light source 113 transmits a light beam (not shown) to a sensor 115 and the light source 114 a (not shown) ) Emits light beam to a sensor 116. The sensors 115, 116 are arranged on the support 119 for the object reflectors. The sensor 115 detects a position of the light beam irradiated thereon along a first direction, for example a vertical direction of the carrier 119. In an orthogonal direction, for example, the horizontal direction of the carrier 119, the sensor 115 has a width which is sufficient that for expected tilting of the carrier 103 relative to the carrier 119 around the vertical axis of the light beam emitted by the light source 113 still strikes the sensor 115. However, the sensor 115 may be insensitive to the position of the light beam in the second direction, for example, the horizontal direction of the carrier 119. The sensor 116 detects a position of the light beam irradiated thereon along the second direction, for example, the horizontal direction of the carrier 119. In a direction orthogonal thereto, for example, the vertical direction of the carrier 119, the sensor 116 has a width sufficient is that for expected tilting of the carrier 103 relative to the carrier 119 around its horizontal axis, the light beam emitted by the light source 114 still strikes the sensor 116. However, the sensor 16 may be insensitive to the position of the light beam in the first direction, for example, the vertical direction of the carrier 119.
Die die Ausrichtung des Trägers 103 anzeigenden Ausgangssignale der Sensoren 115 und 116 werden der Steuereinrichtung 118 zugeführt, die Signale zur Ansteuerung der Piezoelemente 105-108 erzeugt. Zur Erzeugung der Signale für die Piezo- elemente kann die Steuereinrichtung 118 die Ausgangssignale der Sensoren 115, 1 16 verstärken und gegebenenfalls invertieren, um die gewünschte Regelung der Ausrichtung des Trägers 103 zu erreichen. Die Regelverstärkung ist bestimmt durch das Produkt von einem strahlenoptischen Vervielfältigungsfaktor, der die Ablenkung des von der Lichtquelle 113 bzw. 114 abgestrahlten Lichtstrahls pro Kippwinkel angibt, dem Konversionsfaktor des Sensors 115 bzw. 116, dem Verstärkungsfaktor der Steuerschaltung 118 und der Wandlungskennlinie der Piezoelemente 105-108.The output signals of the sensors 115 and 116 indicating the orientation of the carrier 103 are fed to the control device 118, which generates signals for driving the piezoelements 105-108. To generate the signals for the piezoelectric elements, the control device 118 can amplify and optionally invert the output signals of the sensors 115, 16 in order to achieve the desired control of the orientation of the carrier 103. The control gain is determined by the product of a beam optical amplification factor, which indicates the deflection of the light beam emitted by the light source 113 or 114 per tilt angle, the conversion factor of the sensor 115 or 116, the gain of the control circuit 118 and the conversion characteristic of the piezo elements 105-16. 108th
Bei weiteren Ausführungsbeispielen können Abwandlungen des Verstellmechanismus für den Träger 103 oder der Sensorik zum Erfassen der Ausrichtung des Trägers 103 eingesetzt werden. Beispielsweise kann anstelle der Paare von Piezoele- menten jeweils ein einziges Piezoelement verwendet werden, um den Träger 103 um die Achse 111 bzw. die Achse 112 zu verkippen. Anstelle von Piezoelementen kön- nen andere geeignete Aktuatoren verwendet werden.In further embodiments, modifications of the adjustment mechanism for the carrier 103 or the sensor for detecting the orientation of the carrier 103 may be used. For example, instead of the pairs of piezo elements, in each case a single piezoelement can be used in order to tilt the carrier 103 about the axis 111 or the axis 112. Instead of piezoelectric elements, other suitable actuators can be used.
Zur Erfassung der Ausrichtung des Trägers 103 kann auch eine einzige Lichtquelle und ein einziger Sensor verwendet werden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 7 näher beschrieben wird.For detecting the orientation of the carrier 103, a single light source and a single sensor can also be used, as described in more detail with reference to FIG. 7.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 120 zur Abstandsmessung. Elemente oder Einrichtungen, deren Funktion und Ausgestaltung derjenigen von unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 100 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben.FIG. 7 is a schematic illustration of a device 120 for distance measurement. Elements or devices, their function and design of those 6 correspond to elements or devices of the device 100 described with reference to FIG. 6, are denoted by the same reference numerals and will not be described again.
Bei der Vorrichtung 120 wird eine an dem Schnittpunkt der Kippachsen 111 und 112 des Trägers 103 vorgesehene Lichtquelle 113 und ein an dem Träger 1 19 angebrachter Vier-Quadranten-Sensor 117 verwendet, um die Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 für die Objektreflektoren zu bestimmen. Der Vier- Quadranten-Sensor 117 ist an dem Träger 119 an einer Position gegenüber dem Schnittpunkt der Kippachsen 111 und 112 vorgesehen. Die Ausgangssignale des Vier-Quadranten-Sensors 117 zeigen die Koordinaten des von der Lichtquelle 113 abgestrahlten Lichtstrahls an dem Vier-Quadranten-Sensor 117 an und werden von der Auswerteeinrichtung 118 wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben verarbeitet, um die Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 zu regeln.In the device 120, a light source 113 provided at the intersection of the tilt axes 111 and 112 of the carrier 103 and a four-quadrant sensor 117 attached to the carrier 1 19 are used to adjust the orientation of the carrier 103 relative to the carrier 119 for the object reflectors to determine. The four-quadrant sensor 117 is provided on the carrier 119 at a position opposite to the intersection of the tilting axes 111 and 112. The output signals of the four-quadrant sensor 117 indicate the coordinates of the light beam emitted from the light source 113 on the four-quadrant sensor 117 and are processed by the evaluation device 118 as described with reference to FIG relative to the carrier 119 to regulate.
Während bei der Vorrichtung 120 der Vier-Quadranten-Sensor 117 an dem Träger 119 für die Objektreflektoren vorgesehen ist, kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vier-Quadranten-Sensor an dem Träger 103 für die Reflektoren der Messvorrichtung angebracht sein. An dem Träger 119 für die Objektreflektoren kann dann ein zusätzlicher Reflektor zum Reflektieren des Lichtstrahls von der Lichtquelle 113 zu dem Vier-Quadranten-Sensor vorgesehen werden.While in the device 120 the four-quadrant sensor 117 is provided on the carrier 119 for the object reflectors, in another embodiment, the four-quadrant sensor may be attached to the carrier 103 for the reflectors of the measuring device. An additional reflector for reflecting the light beam from the light source 113 to the four-quadrant sensor may then be provided on the object reflector support 119.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Ausrichtung des Trägers für die Reflektoren in der Messvorrichtung aufgrund des Messlichtstrahls ermittelt, der zur Abstands- messung verwendet wird. Dazu kann im Strahlengang des Messlichtstrahls ein Strahlteiler vorgesehen werden, der einen Teil der Lichtenergie des Messlichtstrahls zu einem Sensor, beispielsweise einem Vier-Quadranten-Sensor auskoppelt, um die Ausrichtung des Trägers zu bestimmen.In one embodiment, the orientation of the carrier for the reflectors in the measuring device is determined on the basis of the measuring light beam used for distance measurement. For this purpose, a beam splitter can be provided in the beam path of the measuring light beam, which decouples a part of the light energy of the measuring light beam to a sensor, for example a four-quadrant sensor, in order to determine the orientation of the carrier.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 130 zur Abstandsmessung. An einem Träger 131 der Messvorrichtung 130 sind eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23, Reflektoren 23-26 und ein Retroreflektor 27 vorgesehen, deren Ausgestaltung und Funktionsweise derjenigen der unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebenen korrespondierenden Elemente entspricht. An einem Träger 132, der ei- nen Teil des Objekts bilden kann, dessen Abstand zu bestimmen ist, oder der an diesem Objekt anzubringen ist, sind Objektreflektoren 33-36 vorgesehen, deren Ausgestaltung und Funktionsweise derjenigen der unter Bezugnahme auf Fig. 2 be- schriebenen korrespondierenden Elemente entspricht. Die Reflektoren 24-27 und die Objektreflektoren 33-36 lenken den Messlichtstrahl derart, dass er die Strecke zwischen dem Träger 131 der Messvorrichtung und dem Träger 132 mit den Objektreflektoren in jeder Richtung mehrfach durchläuft.FIG. 8 is a schematic illustration of a device 130 for distance measurement. On a carrier 131 of the measuring device 130, a light source and detector device 23, reflectors 23-26 and a retroreflector 27 are provided, the design and operation of which corresponds to that of the corresponding elements described with reference to FIG. On a carrier 132, which can form a part of the object whose distance is to be determined, or which is to be attached to this object, object reflectors 33-36 are provided, the design and mode of operation of which is described with reference to FIG. corresponds to corresponding corresponding elements. The reflectors 24-27 and the object reflectors 33-36 direct the measuring light beam in such a way that it repeatedly traverses the distance between the support 131 of the measuring device and the support 132 with the object reflectors in each direction.
In dem Strahlengang des Messlichtstrahls ist ein Strahlteiler 133 angeordnet. Im Betrieb der Vorrichtung koppelt der Strahlteiler 133 einen Teil des Messlichtstrahls aus dem Strahlengang aus und lenkt ihn zu einem Vier-Quadranten-Sensor 134. Die Position des Messlichtstrahls an dem Vier-Quadranten-Sensor 134 repräsentiert eine Verkippung des Trägers 131 relativ zu dem Träger 132. Das die Position des Messlichtstrahls an dem Vier-Quadranten-Sensor 134 anzeigende Ausgangssignal des Vier-Quadranten-Sensors 134 wird einer Steuereinrichtung 135 zugeführt, die über einen Aktuator 136 die Ausrichtung des Trägers 131 derart regelt, dass der Träger 131 im Wesentlichen parallel zu dem Träger 132 ausgerichtet ist.In the beam path of the measuring light beam, a beam splitter 133 is arranged. In operation of the device, the beam splitter 133 decouples a portion of the measuring light beam from the beam path and directs it to a four-quadrant sensor 134. The position of the measuring light beam on the four-quadrant sensor 134 represents a tilt of the carrier 131 relative to the carrier 132. The output of the four-quadrant sensor 134 indicative of the position of the measuring light beam on the four-quadrant sensor 134 is fed to a controller 135 which controls the orientation of the carrier 131 via an actuator 136 such that the carrier 131 is substantially parallel is aligned with the carrier 132.
Während in Fig. 8 die Auskopplung eines Teils des Messlichtstrahls zur Regelung der Ausrichtung des Trägers für eine Reflektoranordnung dargestellt ist, bei der die Reflektoren 24-27 entlang einer Linie vorgesehen sind, kann ein ausgekoppelter Teil des Messlichtstrahls vorteilhaft auch bei Messvorrichtungen zur Regelung der Aus- richtung von Reflektoren verwendet werden, bei denen der Messlichtstrahl nicht in einer einzigen Ebene geführt wird. Derartige Messvorrichtungen wurden unter Bezugnahme auf Fig. 3-5 erläutert. Beispielsweise kann eine Anordnung von Reflektoren 53-55, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, auf dem mit Aktuatoren verstellbaren Träger 103 der Vorrichtung 100 von Fig. 6 oder der Vorrichtung 120 von Fig. 7 ange- bracht werden. Ein Teil des Messlichtstrahls kann zu einem Vier-Quadranten-Sensor ausgekoppelt werden, um die Ausrichtung des Trägers 103 zu regeln.While in Fig. 8, the decoupling of a portion of the measuring light beam for controlling the orientation of the support is shown for a reflector assembly in which the reflectors 24-27 are provided along a line, a decoupled part of the measuring light beam can also be advantageous in measuring devices for controlling the off - Direction of reflectors are used in which the measuring light beam is not performed in a single plane. Such measuring devices have been explained with reference to Figs. 3-5. For example, an array of reflectors 53-55, as shown in FIG. 3, can be mounted on the actuator-adjustable carrier 103 of the device 100 of FIG. 6 or the device 120 of FIG. A portion of the measuring light beam may be coupled out to a four-quadrant sensor to control the orientation of the carrier 103.
Wenn ein Teil des Messlichtstrahls ausgekoppelt wird, um in der Abstandsmessvor- richtung eine Ausrichtung des Trägers für die Reflektoren zu regeln, wird die Rege- lungsverstärkung erhöht, da die mehrfache Propagation des Messlichtstrahls zwischen Messvorrichtung und Objekt eine durch eine Verkippung des Trägers hervorgerufene Positionsabweichung des Messlichtstrahls vom gewünschten Strahlenweg erhöhen kann.If a part of the measuring light beam is coupled out in order to regulate an orientation of the carrier for the reflectors in the distance measuring device, the control gain is increased since the multiple propagation of the measuring light beam between the measuring device and the object causes a positional deviation of the measuring beam caused by tilting of the carrier Measuring light beam from the desired beam path can increase.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Messlichtstrahl erzeugt werden, der Lichtkomponenten mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufweist. Es kann ein lichtwellensensitiver Strahlteiler vorgesehen sein, der Licht einer Wellenlänge aus dem Messlichtstrahl auskoppelt, das zur Bestimmung der Ausrichtung verwendet wird. Der nicht ausgekoppelte Teil des Messlichtstrahls kann zur Abstandsbestimmung verwendet werden.In one embodiment, a measurement light beam may be generated having light components of at least two different wavelengths. It can be provided a light-wave sensitive beam splitter, the light of a wavelength decouples the measuring light beam used to determine the orientation. The undocked portion of the measuring light beam can be used for distance determination.
Bei den unter Bezugnahme auf Fig. 1 -8 erläuterten Vorrichtungen wird der Messlichtstrahl zur Abstandsmessung mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt. Die resultierende Verlängerung der von dem Messlichtstrahl durchlaufenen Weglänge erlaubt es, bei Verwendung eines herkömmlichen Laserentfernungsmessers einen kleinsten messbaren Abstand zu verringern und eine höhere Messgenauigkeit zu erzielen.In the devices explained with reference to FIGS. 1 to 8, the measurement light beam for distance measurement is repeatedly guided back and forth between the measuring device and the object. The resulting lengthening of the path length traveled by the measuring light beam makes it possible to reduce a smallest measurable distance and to achieve a higher measuring accuracy when using a conventional laser rangefinder.
Anstelle eines herkömmlichen Laserentfernungsmessers kann bei den Messvorrichtungen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 -8 beschrieben wurden, auch ein Kurzpulslaser als Lichtquelle verwendet werden, der eine Folge von Lichtpulsen mit einer Re- petitionsrate erzeugt. Die Folge von Lichtpulsen wird mit einem Fotodetektor erfasst, nachdem sie mehrmals zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wurde. Die Laufzeit der Lichtpulse und somit die von ihnen zurückgelegte Weglänge kann aus der Phasenverschiebung einer Signalkomponente des erfassten Signals bestimmt werden, deren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repe- titionsrate ist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 9-12 näher erläutert wird.Instead of a conventional laser range finder, in the measurement devices described with reference to Figs. 1-8, a short pulse laser may also be used as a light source which generates a train of light pulses at a repetition rate. The sequence of light pulses is detected with a photodetector after being passed back and forth several times between the measuring device and the object. The transit time of the light pulses and thus the path length traveled by them can be determined from the phase shift of a signal component of the detected signal whose frequency is essentially a multiple of the repetition rate, as will be explained in more detail with reference to FIGS. 9-12.
Fig. 9A zeigt beispielhaft eine Folge kurzer Lichtpulse 141 , wobei die Ausgangsleistung P einer Lichtquelle als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Der Zeitabstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist mit dem Bezugszeichen 142 angedeutet, während die Dauer jedes Lichtpulses mit dem Bezugszeichen 143 angedeutet ist. Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung MO"5. Die Repetitionsrate fθ und die Zeitdauer jedes Pulses können geeignet in Abhängigkeit von einer gewünschten Messgenauigkeit bei der Bestimmung einer von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge, von einer anfänglichen Unsicherheit über die Weglänge oder in Abhängigkeit von weiteren Faktoren gewählt werden. Soll zur Bestimmung der Phasendifferenz die n-te Oberwelle von fθ verwendet werden, werden die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitabstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen so gewählt, dass die von der Lichtquelle ausgege- bene Folge von Lichtpulsen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n fO aufweist. Auch wenn in Fig. 9A beispielhaft eine Folge von Rechteckspul- sen dargestellt ist, können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gaussfunktion.9A shows by way of example a sequence of short light pulses 141, the output power P of a light source being shown as a function of the time t. The time interval TO between successive pulses is indicated by the reference numeral 142, while the duration of each light pulse is indicated by the reference numeral 143. The duration of each light pulse can be very small compared to the time interval TO between successive light pulses, for example of the order of MO '5. The repetition rate f.theta and the time duration of each pulse can be appropriately selected depending on a desired measurement accuracy in determining a distance traveled by the measuring light beam If the n-th harmonic of fθ is to be used to determine the phase difference, the duration of each light pulse and the time interval TO between successive light pulses are chosen so that the The sequence of light pulses emitted by the light source still has a sufficient spectral weight at the frequency n f0. Although a sequence of rectangular coils is shown in FIG. sen, other suitable pulse shapes may also be selected, for example the square of a hyperbolic secant or a Gaussian function.
Fig. 9B zeigt beispielhaft ein Frequenzspektrum 145 einer Folge von Lichtpulsen, die mit einer Repetitionsrate fθ erzeugt werden, wobei die Dauer jedes Lichtpulses kurz im Vergleich zu TO=1/fO ist. Das Frequenzspektrum 145 weist eine Anzahl von Peaks mit einem konstanten Frequenzabstand fθ auf, der bei dem Bezugszeichen 146 schematisch angedeutet ist. Das spektrale Gewicht der einzelnen Peaks nimmt zu höheren Frequenzen hin ab, wobei die Stärke des Abfalls durch das Verhältnis von Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen und Lichtpulsdauer bestimmt ist. Diese Größen sind so gewählt, dass das spektrale Gewicht der Frequenzkomponente 147 mit Frequenz n fO, die bei der Weglängenmessung zur Bestimmung von Phasenlagen verwendet wird, in der Folge von Lichtpulsen ausreichend hoch für die Durchführung von Phasenmessungen ist.Fig. 9B exemplifies a frequency spectrum 145 of a sequence of light pulses generated at a repetition rate fθ, the duration of each light pulse being short compared to TO = 1 / f0. The frequency spectrum 145 has a number of peaks with a constant frequency spacing fθ, which is schematically indicated at reference numeral 146. The spectral weight of the individual peaks decreases towards higher frequencies, the strength of the drop being determined by the ratio of the time interval between successive light pulses and the duration of the light pulse. These magnitudes are chosen such that the spectral weight of the frequency component 147 with frequency n f0, which is used in the path length measurement for the determination of phase angles, in the sequence of light pulses is sufficiently high for carrying out phase measurements.
Eine Folge von Lichtpulsen, wie sie schematisch in Fig. 9 dargestellt ist, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z.B. ein gütege- schalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekop- pelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische- Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert).A sequence of light pulses, as shown schematically in FIG. 9, may be generated by various lasers adapted to generate short pulses of light. In particular, optical frequency synthesizers can be used. For example, an electrically pumped diode laser, e.g. a Q-switched laser, a gain switched laser, an active or passive mode locked laser or a hybrid mode-locked laser, or a mode-locked vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) may be used as the light source. Also, an optically pumped laser such as a passive mode-coupled external external cavity (VECSEL) surface emitting laser or a photonic-crystal-fiber laser may be used as the light source , Exemplary pulse durations of the light source are in a range of 100 fs and 100 ps. Exemplary repetition rates range from 50 MHz to 50 GHz. Exemplary average powers are in a range of 1 mW to 10 W. Exemplary values for the pulse jitter are between 10 fs and 1 ps effective value (root mean square).
Fig. 10 zeigt eine Lichtquellen- und Detektoranordnung 150 mit einer Lichtquelle 151 , Fotodetektoren 153, 154 und 156 und einer Auswerteeinrichtung 157. Die Lichtquellen- und Detektoranordnung 150 kann beispielsweise bei den Vorrichtungen eingesetzt werden, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 -8 beschrieben wurden. Wie in Fig. 10 dargestellt, wird ein Teilstrahl der von der Lichtquelle 151 ausgegebenen Folge von Lichtpulsen über den Strahlteiler 152 als Referenzsignal 158 zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 gelenkt. Falls erforderlich, kann im Strahlengang von dem Strahlteiler 152 zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 ein optisches Element zur Strahlaufteilung, insbesondere ein Strahlteiler vorgesehen sein um sicherzustellen, dass der Teilstrahl 158 sowohl auf den Referenzsignaldetektor 153 als auch auf den Referenzsignaldetektor 154 trifft. Ein weiterer Teilstrahl 160 wird als Messlichtstrahl in Richtung des Objekts abgestrahlt, dessen Abstand zu bestimmen ist. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 -8 erläutert, wird der Messlichtstrahl mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass einer der Reflektoren der Messvorrichtung ein Retroreflektor ist. Der mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführte Messlichtstrahl wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 155 auf einen Fotodetektor 156 gelenkt. Aus der Phasenlage des von dem Fotodetektor 156 erfassten Signals kann die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge ermittelt werden.10 shows a light source and detector arrangement 150 with a light source 151, photodetectors 153, 154 and 156 and an evaluation device 157. The light source and detector arrangement 150 can be used, for example, in the devices described with reference to FIGS. 1-8 were. As shown in FIG. 10, a partial beam of the sequence of light pulses output by the light source 151 is directed via the beam splitter 152 as a reference signal 158 to the reference signal detectors 153, 154. If necessary, in the beam path from the beam splitter 152 to the reference signal detectors 153, 154, an optical element for beam splitting, in particular a beam splitter may be provided to ensure that the sub-beam 158 hits both the reference signal detector 153 and the reference signal detector 154. Another partial beam 160 is emitted as a measuring light beam in the direction of the object whose distance is to be determined. As explained with reference to Figs. 1-8, the measuring light beam is repeatedly reciprocated between the measuring device and the object. For purposes of explanation, it will be assumed that one of the reflectors of the measuring device is a retroreflector. The measuring light beam which is guided back and forth repeatedly between the measuring device and the object is directed onto a photodetector 156 via a semitransparent mirror 155. From the phase angle of the signal detected by the photodetector 156, the path length traveled by the measuring light beam can be determined.
Sowohl der Fotodetektor 156 als auch die ebenfalls als Fotodetektoren ausgestalte- ten Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfassen eine auf sie einfallende Lichtenergie als Funktion der Zeit. Aufgrund der mit wohldefinierter Repetitionsrate erzeugten Lichtpulse kann der Signalanteil, der von der Folge von Lichtpulsen herrührt, bei der Signalverarbeitung durch die Auswerteschaltung 157 durch geeignete Filterung bestimmt werden, so dass im Folgenden andere von den Fotodetektoren 154, 154 und 156 erfasste Signalanteile nicht weiter erörtert werden.Both the photodetector 156 and the reference signal detectors 153, 154, which are likewise configured as photodetectors, detect a light energy incident on them as a function of time. Due to the light pulses generated with a well-defined repetition rate, the signal component resulting from the sequence of light pulses can be determined during signal processing by the evaluation circuit 157 by suitable filtering, so that in the following other signal components detected by the photodetectors 154, 154 and 156 will not be further discussed become.
Die unterschiedliche optische Weglänge eines Lichtpulses, um einerseits zu einem der Referenzsignaldetektoren 153, 154 und andererseits nach Durchlaufen des gefalteten Strahlengangs für den Messlichtstrahl zu dem Fotodetektor 156 zu gelangen, führt zu einer Zeitverschiebung τ zwischen der Ankunft ein- und desselben Lichtpulses an dem Detektor 156 und an den Referenzsignaldetektoren 153, 154, die gleich dem Weglängenunterschied geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ist. Durch Messung der Zeitverschiebungen τ zwischen dem von dem Fotodetektor 156 erfassten Lichtsignal und dem Referenzsignal, das von den Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfasst wird, kann die von dem Lichtpuls zurückgelegte optische Weglänge zwischen dem Strahlteiler 152 und dem Fotodetektor 156 bestimmt werden. Der Fotodetektor 156 sowie die Referenzsignaldetektoren 153, 154 sind mit der Auswerteschaltung 157 gekoppelt, die eine Phasendifferenz zwischen der erfassten Lichtintensität des Messlichtstrahls und dem Referenzsignal ermittelt. Wie näher erläutert wird, kann die Auswerteschaltung 157 der Anordnung 150 eingerichtet sein, um die Phasendifferenz zwischen dem von dem Fotodetektor 156 erfassten Lichtsignal und dem Referenzsignal, das von den Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfasst wird, für eine Signalkomponente zu bestimmen, deren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repetitionsrate ist.The different optical path length of a light pulse, on the one hand to get to one of the reference signal detectors 153, 154 and on the other hand after passing through the folded beam path for the measuring light beam to the photodetector 156, leads to a time shift τ between the arrival of one and the same light pulse to the detector 156th and at the reference signal detectors 153, 154 which is equal to the path length difference divided by the speed of light c. By measuring the time shifts τ between the light signal detected by the photodetector 156 and the reference signal detected by the reference signal detectors 153, 154, the optical path length traveled by the light pulse between the beam splitter 152 and the photodetector 156 can be determined. The photodetector 156 and the reference signal detectors 153, 154 are coupled to the evaluation circuit 157, which determines a phase difference between the detected light intensity of the measuring light beam and the reference signal. As will be explained in detail, the evaluation circuit 157 of the arrangement 150 may be configured to determine the phase difference between the light signal detected by the photodetector 156 and the reference signal detected by the reference signal detectors 153, 154 for a signal component whose frequency is substantially is a multiple of the repetition rate.
Die an dem Fotodetektor 156 empfangene Folge von Lichtpulsen weist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 9 für die von der Lichtquelle erzeugte Folge von Lichtpulsen erläutert, eine Vielzahl von Oberwellen auf, deren Frequenzen Vielfache der Repetitionsrate fθ sind:The sequence of light pulses received at the photodetector 156, as explained with reference to FIG. 9 for the sequence of light pulses generated by the light source, has a plurality of harmonics whose frequencies are multiples of the repetition rate fθ:
fj = i -fo. (1)fj = i -fo. (1)
wobei i eine natürlich Zahl und fθ die Repetitionsrate der Lichtquelle 151 ist. Eine charakteristische Größe für Frequenzen, die noch ein signifikantes spektrales Gewicht in einer Fourier-Darstellung der von dem Fotodetektor 156 empfangenen Licht- energie als Funktion der Zeit aufweisen, ist durch den Quotienten aus der Zeitdauer TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen und der charakteristischen Zeitdauer eines Lichtpulses gegeben.where i is a natural number and fθ is the repetition rate of the light source 151. A characteristic quantity for frequencies which still have a significant spectral weight in a Fourier representation of the light energy received by the photodetector 156 as a function of time is given by the quotient of the time period TO between successive light pulses and the characteristic duration of a light pulse ,
Die zeitliche Verschiebung τ zwischen den von dem Fotodetektor 156 und den Refe- renzsignaldetektoren 153, 154 erfassten Signalen führt dazu, dass eine Signalkomponente des an dem Fotodetektor 156 empfangenen Signals 159, die eine Frequenz fj aufweist, relativ zu einer Referenzsignalkomponente des an den Referenzsignaldetektoren 153, 154 empfangenen Referenzsignals 158, die eine Frequenz fj aufweist, eine Phasenverschiebung vonThe temporal shift τ between the signals detected by the photodetector 156 and the reference signal detectors 153, 154 results in a signal component of the signal 159 received at the photodetector 156 having a frequency fj relative to a reference signal component of the reference signal detector 153 154 received reference signal 158, which has a frequency fj, a phase shift of
Δφj = 2-π-fj-τ = 2-πΨfO-τ (2a)Δφj = 2-π-fj-τ = 2-πΨfO-τ (2a)
= 2-π-i-fO-(d/c) (2b)= 2-π-i-fO- (d / c) (2b)
hat. Dabei bezeichnet d die Weglängendifferenz zwischen einem Lichtpfad eines Lichtpulses, der von dem Strahlteiler 152 aus in Richtung des Objekts abgestrahlt und mehrfach zwischen Objekt und Messvorrichtung hin- und hergeführt wird, und einem Lichtpfad eines Lichtpulses, der von dem Strahlteiler 152 aus zu den Refe- renzsignaldetektoren 153, 154 gelenkt wird. Dabei wird angenommen, dass die Länge des Lichtpfads eines Lichtpulses, der von dem Strahlteiler 152 aus zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 gelenkt wird, bekannt ist, da sie nur von der Vorrichtungsgeometrie abhängt.Has. D denotes the path length difference between a light path of a light pulse which is emitted by the beam splitter 152 in the direction of the object and is guided back and forth several times between the object and the measuring device, and a light path of a light pulse which emerges from the beam splitter 152 to the reference. signal detectors 153, 154 is directed. It is assumed that the length of the light path of a light pulse, which is directed from the beam splitter 152 to the reference signal detectors 153, 154, is known, since it depends only on the device geometry.
Wenn bereits ein Schätzwert dS für die Weglängendifferenz d bekannt ist, der diese mit einer Genauigkeit von c/(i-fθ) annähert, so dassIf an estimated value dS for the path length difference d is already known, which approximates this with an accuracy of c / (i-fθ), so that
I d - dS | < c/ fj = c/(i fθ), (3)I d - dS | <c / fj = c / (i fθ), (3)
kann auf der Basis von dS der Anteil der Phasenverschiebung auf der rechten Seite von Gleichung (2a) bestimmt werden, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2-π ist. Basierend auf dS wird eine ganze Zahl m ermittelt, so dassFor example, on the basis of dS, the amount of phase shift on the right side of Equation (2a) which is an integer multiple of 2-π can be determined. Based on dS, an integer m is determined so that
d = d1 + rn-c/ fj, wobei | d' | < c/ fj. (4)d = d 1 + rn-c / fj, where | d '| <c / fj. (4)
Folglich ist
Figure imgf000028_0001
= 2-π-i-fO-(d'/c) (5)
Consequently, it is
Figure imgf000028_0001
= 2-π-i-fO- (d '/ c) (5)
eine im Intervall von 0 bis 2-π liegende Größe, die durch Messung der Phasenlage zwischen einem Ausgangssignal des Fotodetektors 156 und einem Ausgangssignal eines der Referenzsignaldetektoren 153, 154 bestimmt werden kann. Die Größe d', die dann gemäßa variable lying in the interval of 0 to 2-π, which can be determined by measuring the phase angle between an output signal of the photodetector 156 and an output signal of one of the reference signal detectors 153, 154. The size d ', then according to
d1 = c-Δφj7(2-π-i-fO) (6)d 1 = c-Δφj7 (2-π-i-fO) (6)
ermittelt werden kann, führt gemäß Gleichung (4) zu einem verbesserten Wert für den Weglängenunterschied d. Da sich die beiden Größen Δφj' und Δφj nur um ein für die Bestimmung der Phasendifferenz irrelevantes ganzzahliges Vielfaches von 2-π unterscheiden, werden beide Größen nachfolgend als Phasendifferenz bezeichnet und nicht weiter unterschieden.can be determined leads according to equation (4) to an improved value for the path length difference d. Since the two quantities Δφj 'and Δφj differ only by an integer multiple of 2-π irrelevant for the determination of the phase difference, both quantities are referred to below as the phase difference and are not further distinguished.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren nach Ausführungsbeispielen der Erfindung wird i > 1 , typischerweise i » 1 gewählt, um die Phasendifferenz zu bestimmen. Daher kann bei vorgegebener Messgenauigkeit für eine Phasendifferenz, im Folgenden als Phasenauflösung bezeichnet, die Messgenauigkeit für den Weglängenunterschied und somit die axiale Auflösung erhöht werden.In the apparatus and method of embodiments of the invention, i> 1, typically i »1, is chosen to determine the phase difference. Therefore, given a given measurement accuracy for a phase difference, below referred to as phase resolution, the measurement accuracy for the path length difference and thus the axial resolution can be increased.
Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass die Phasenauflösung 2-π/1000 be- trägt und fθ = 100 MHz. Dann beträgt die axiale Auflösung 3 mm/i und nimmt mit zunehmender Frequenz der Signalkomponente, i, ab. Für i=700, wird beispielsweise eine axiale Auflösung von ungefähr 4,1 μm erreicht. Somit kann die axiale Auflösung vergrößert werden, indem die Phasendifferenz auf der Basis einer Signalkomponente des Signals 159 ermittelt wird, die einer hochfrequenten Oberwelle der Folge von Lichtpulsen entspricht, d.h. deren Frequenz die Repetitionsrate multipliziert mit einem Faktor i » 1 ist. Die Signalkomponente, auf deren Basis die Phasendifferenz bestimmt wird, wird so gewählt, dass sie eine möglichst hohe Frequenz aufweist, bei der die Folge von Lichtpulsen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht hat und die eine Signalverarbeitung durch die als Hochfrequenzschaltung ausgestaltete Auswerteschaltung 157 erlaubt.By way of illustration, it is assumed that the phase resolution is 2-π / 1000 and fθ = 100 MHz. Then, the axial resolution is 3 mm / i and decreases as the frequency of the signal component, i, increases. For i = 700, for example, an axial resolution of about 4.1 μm is achieved. Thus, the axial resolution can be increased by determining the phase difference based on a signal component of the signal 159 corresponding to a high frequency harmonic of the sequence of light pulses, i. whose frequency is the repetition rate multiplied by a factor i »1. The signal component, on the basis of which the phase difference is determined, is chosen such that it has the highest possible frequency at which the sequence of light pulses still has a sufficient spectral weight and allows signal processing by the evaluation circuit 157 designed as a high-frequency circuit.
Die Auswerteschaltung 157 kann die Phasendifferenz ermitteln, indem mehrere O- berwellen miteinander gemischt werden. Durch geeignete Wahl der Oberwellen und durch Mischen einer Signalkomponente des an dem Fotodetektor 156 empfangenen Lichtsignals mit einer Referenzsignalkomponente des von den Referenzsignaldetektoren 153, 154 empfangenen Referenzsignals kann ein Mischprodukt erzeugt werden, das relativ niederfrequent ist, aber die Phasendifferenz der Oberwelle enthält. Dadurch erhält man an Stelle der ursprünglichen Anforderung, kurze Laufzeiten zu messen, die Möglichkeit, eine Phasenmessung bei tiefen Frequenzen vorzunehmen.The evaluation circuit 157 can determine the phase difference by mixing several O berwellen together. By appropriately selecting the harmonics and mixing a signal component of the light signal received at the photodetector 156 with a reference signal component of the reference signal received from the reference signal detectors 153, 154, a mixed product may be generated which is relatively low frequency but contains the phase difference of the harmonic. As a result, instead of the original requirement to measure short propagation times, it is possible to perform a phase measurement at low frequencies.
Fig. 11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Detektoranordnung und Auswerteschaltung nach einem Ausführungsbeispiel. Die Auswerteeinrichtung 157 der Anordnung 150 von Fig. 10 kann wie in Fig. 11 dargestellt ausgeführt sein.11 shows a schematic block diagram of a detector arrangement and evaluation circuit according to an exemplary embodiment. The evaluation device 157 of the arrangement 150 of FIG. 10 can be designed as shown in FIG. 11.
Die Auswerteschaltung 170 umfasst einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem Fotodetektor 156 ausgegebenes elektrisches Signal, das das von dem Fotodetektor 156 erfasste Lichtsignal repräsentiert, mit einem eingangsseitigen Verstärker 171 und einem Bandpassfilter 172. Die Auswerteschaltung 170 umfasst weiterhin einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem ersten Referenzsignaldetektor 153 ausge- gebenes elektrisches Signal, das das von dem ersten Referenzsignaldetektor 153 erfasste Referenzsignal repräsentiert, mit einem eingangsseitigen Verstärker 173 und einem Bandpassfilter 174, und einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem zweiten Referenzsignaldetektor 154 ausgegebenes elektrisches Signal, das das von dem zweiten Referenzsignaldetektor 154 erfasste Referenzsignal repräsentiert, mit einem eingangsseitigen Verstärker 176 und einem Bandpassfilter 177. Da die von den Detektoren bzw. Referenzsignaldetektoren ausgegebenen Signale die auf sie einfallenden optischen Signale repräsentieren und die Lichtintensität als Funktion der Zeit wiederspiegeln, werden die von den Detektoren bzw. Referenzsignaldetektoren ausgegebenen Signale ebenso bezeichnet wie die erfassten optischen Signale, d.h. als erfasstes „Lichtsignal" bzw. „Referenzsignal", wobei die von der Auswerteschaltung verarbeiteten Signale elektrische Signale sind.The evaluation circuit 170 includes a signal processing path for an electrical signal output from the photodetector 156 representing the light signal detected by the photodetector 156, an input side amplifier 171 and a bandpass filter 172. The evaluation circuit 170 further includes a signal processing path for one of the first reference signal detector 153 output electric signal representing the reference signal detected by the first reference signal detector 153, having an input side amplifier 173 and a band pass filter 174, and a signal processing path for one of second reference signal detector 154 outputs electrical signal representative of the reference signal detected by the second reference signal detector 154 with an input side amplifier 176 and a bandpass filter 177. Since the signals output from the detectors represent the optical signals incident thereto and the light intensity as a function reflecting the time, the signals output by the detectors or reference signal detectors are denoted as well as the detected optical signals, ie as a detected "light signal" or "reference signal", wherein the signals processed by the evaluation circuit are electrical signals.
Das Bandpassfilter 172 ist so eingerichtet, dass eine Signalkomponente des von dem Fotodetektor 156 erfassten Lichtsignals mit einer Frequenz von n-fθ durchgelassen wird, wobei n eine natürliche Zahl größer als 1 ist. Wie oben beschrieben, wird n vorteilhaft möglichst groß gewählt, um die axiale Auflösung zu verbessern. Vorteilhaft weist das Bandpassfilter 172 einen Durchlassbereich auf, der so gewählt ist, dass die Übertragung von Signalkomponenten mit Frequenzen von (n+1 )-fθ und (n-1)-fθ im Vergleich zur Übertragung der Signalkomponente mit der Frequenz n-fθ deutlich abgeschwächt ist. Dazu kann das Bandpassfilter 172 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als fθ ist.The band-pass filter 172 is arranged to pass a signal component of the light signal detected by the photodetector 156 at a frequency of n-fθ, where n is a natural number greater than one. As described above, n is advantageously chosen as large as possible in order to improve the axial resolution. Advantageously, the bandpass filter 172 has a passband selected such that transmission of signal components having frequencies of (n + 1) -fθ and (n-1) -fθ is significant as compared to transmission of the signal component of frequency n-fθ is weakened. For this, the band-pass filter 172 may have a passband having a width smaller than fθ.
Das Bandpassfilter 174 ist so eingerichtet, dass eine Referenzsignalkomponente des von dem ersten Referenzsignaldetektor 153 erfassten Referenzsignals mit einer Frequenz von k-fθ durchgelassen wird, wobei k eine natürliche Zahl ist. Beispielsweise kann k = n-1 gewählt werden, so dass das Bandpassfilter 174 eine Referenzsignal- komponente mit der Frequenz (n-1 )-f0 durchlässt. Vorteilhaft weist das Bandpassfilter 174 einen Durchlassbereich auf, der so gewählt ist, dass die Übertragung von Referenzsignalkomponenten mit Frequenzen von (k+1 )-fθ und (k-1)-fθ im Vergleich zur Übertragung der Referenzsignalkomponente mit der Frequenz k-fθ deutlich abgeschwächt ist. Dazu kann das Bandpassfilter 174 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als fθ ist.The band-pass filter 174 is arranged to pass a reference signal component of the reference signal detected by the first reference signal detector 153 at a frequency of k-fθ, where k is a natural number. For example, k = n-1 can be chosen so that the bandpass filter 174 passes a reference signal component with the frequency (n-1) -f0. Advantageously, the bandpass filter 174 has a passband selected such that the transmission of reference signal components having frequencies of (k + 1) -fθ and (k-1) -fθ is significant as compared to the transmission of the reference signal component of frequency k-fθ is weakened. For this, the band-pass filter 174 may have a passband having a width smaller than fθ.
Ein Mischer 175 ist eingangsseitig mit den Bandpassfiltern 172 und 174 gekoppelt, um die Signalkomponente 181 des Lichtsignals und die Referenzsignalkomponente 182 des Referenzsignals zu empfangen. Das Ergebnis der Frequenzmischung,A mixer 175 is input-coupled to the band-pass filters 172 and 174 to receive the signal component 181 of the light signal and the reference signal component 182 of the reference signal. The result of the frequency mixing,
cos (n-f(M+Δφn) -cos ((n-1 )-fθ-t) = [cos (fO-t+Δφn) + cos ((2-n-1 )-fO-t+Δφn)]/2,cos (nf (M + Δφn) -cos ((n-1) -fθ-t) = [cos (f o t + Δφ n) + cos ((2-n-1) -f o-t + Δφ n) ] / 2
(7) weist eine niederfrequente Komponente mit der Frequenz fθ, die der Grundfrequenz bzw. Repetitionsrate des von der Lichtquelle 151 erzeugten Signals entspricht, und eine hochfrequente Komponente auf.(7) has a low-frequency component with the frequency fθ, which corresponds to the fundamental frequency or repetition rate of the signal generated by the light source 151, and a high-frequency component.
Obwohl der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (7) die Grundfrequenz fθ aufweist, ist die Phase Δφn im Argument der niederfrequenten Komponente in Gleichung (7) durch Gleichung (2) bestimmt, entspricht also der Phasendifferenz für die Signalkomponente des Lichtsignals mit der Frequenz n-fθ. Die niederfrequente Kom- ponente wird als Signal 183 an einen Phasenauswerter 178 bereitgestellt, dessen zweiter Eingang mit dem Bandpassfilter 177 gekoppelt ist.Although the first term on the right side of equation (7) has the fundamental frequency fθ, the phase Δφ n in the argument of the low frequency component in equation (7) is determined by equation (2), thus corresponding to the phase difference for the signal component of the light signal the frequency n-fθ. The low-frequency component is provided as a signal 183 to a phase evaluator 178 whose second input is coupled to the bandpass filter 177.
Das Bandpassfilter 177 ist so eingerichtet, dass eine Referenzsignalkomponente des von dem zweiten Referenzsignaldetektor 153 erfassten Referenzsignals mit einer Frequenz von fθ durchgelassen wird. Vorteilhaft weist das Bandpassfilter 177 einen Durchlassbereich auf, der so gewählt ist, dass die Übertragung von Referenzsignalkomponenten mit Frequenzen von 0-fO und 2-fO im Vergleich zur Übertragung der Referenzsignalkomponente mit der Frequenz fθ deutlich abgeschwächt ist. Dazu kann das Bandpassfilter 177 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als fθ ist. Die resultierende Referenzsignalkomponente mit der Frequenz fθ wird als Signal 184 an den Phasenauswerter 178 bereitgestellt.The band-pass filter 177 is arranged to pass a reference signal component of the reference signal detected by the second reference signal detector 153 at a frequency of fθ. Advantageously, the bandpass filter 177 has a passband which is chosen so that the transmission of reference signal components with frequencies of 0-f0 and 2-f0 is significantly attenuated compared to the transmission of the reference signal component with the frequency f0. For this, the band-pass filter 177 may have a passband having a width smaller than fθ. The resulting reference signal component at frequency fθ is provided as signal 184 to phase evaluator 178.
Der Phasenauswerter 178 bestimmt die Phasendifferenz Δφn zwischen dem Signal 183 und dem Signal 184. Da durch das Mischen ein Signal mit Frequenz fθ und mit der Phasendifferenz Δφn erzeugt wird, kann die Phasenmessung bei tiefen Frequenzen erfolgen.The phase evaluator 178 determines the phase difference Δφ n between the signal 183 and the signal 184. Since mixing produces a signal of frequency fθ and the phase difference Δφ n , the phase measurement can be performed at low frequencies.
Da das Signal 184 mithilfe des zweiten Referenzsignaldetektors 153 direkt optisch aufgenommen und nicht aus dem Signal erzeugt wird, das der erste Referenzsignal- detektor 154 aufnimmt, können die Verstärker 173 und 176 in den Signalverarbeitungspfaden für die beiden Referenzsignaldetektoren 153, 154 gezielt ausgewählt werden. Beispielsweise kann der Verstärker 176 so gewählt werden, dass er bei der Frequenz fθ eine gute Leistungscharakteristik aufweist, während der Verstärker 173 so gewählt werden kann, dass er bei der Frequenz (n-1 )-fθ eine gute Leistungscha- rakteristik aufweist. Aus der mit der Auswerteschaltung 170 bestimmten Phasendifferenz Δφn kann nach den Gleichungen (4)-(6) die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge ermittelt werden, aus der der Abstand des Objekts berechnet werden kann. Die hohe Auflösung der Weglängenmessung, die unter Verwendung des optischen Frequenz- kamms erzielt werden kann, in Verbindung mit der durch die Reflektoren der Messvorrichtung bewirkte Faltung des Strahlengangs erlaubt eine genaue Abstandsmessung.Since the signal 184 is optically picked up by the second reference signal detector 153 and is not generated from the signal received by the first reference signal detector 154, the amplifiers 173 and 176 can be selectively selected in the signal processing paths for the two reference signal detectors 153, 154. For example, the amplifier 176 may be selected to have a good power characteristic at the frequency fθ, while the amplifier 173 may be selected to have a good power characteristic at the frequency (n-1) -fθ. From the determined with the evaluation circuit 170 phase difference Δφ n can be determined according to the equations (4) - (6) covered by the measuring light beam path length from which the distance of the object can be calculated. The high resolution of the path length measurement which can be achieved using the optical frequency comb, in conjunction with the convolution of the beam path effected by the reflectors of the measuring device, allows an accurate distance measurement.
Es wurden Vorrichtungen und Verfahren zur Abstandsmessung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben, mit denen aufgrund der Strahlführung zwischen Messvorrichtung und Objekt Abstände in einem Längebereich, der typischen Abmessungen von Maschinenteilen entspricht, unter Verwendung optischer Methoden mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Da bei den Vorrichtungen und Verfahren herkömmliche Laserentfernungsmesser mit kleinen Abmessungen mit einer Re- flektoranordnung kombiniert werden können, kann die Vorrichtung zur Abstandsmessung so ausgeführt werden, dass sie einfach transportiert und an unterschiedlichen Orten installiert werden kann.Devices and methods for distance measurement according to various exemplary embodiments have been described with which, due to the beam guidance between measuring device and object, distances in a length range corresponding to typical dimensions of machine parts can be determined with high accuracy using optical methods. Because the devices and methods can combine conventional laser rangefinders of small dimensions with a reflector arrangement, the distance measuring device can be designed to be easily transported and installed in different locations.
Beispielhafte Anwendungsfelder der Vorrichtungen und Verfahren nach den ver- schiedenen Ausführungsbeispielen umfassen die Längen- oder Abstandsbestimmung in der industriellen Fertigung oder industriellen Qualitätskontrolle, beispielsweise bei Maschinenbauteilen. Die Vorrichtungen und Verfahren nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind jedoch nicht auf diese Anwendungsfelder beschränkt. Exemplary fields of application of the devices and methods according to the various embodiments include length or distance determination in industrial manufacturing or industrial quality control, for example in machine components. However, the devices and methods according to the various embodiments are not limited to these fields of application.

Claims

AN S P R U C H E
1. Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objekts (2; 30; 61 ; 132), die eingerichtet ist, um einen Messlichtstrahl (11 ; 85; 95) entlang einem Strahlenweg (13; 37; 71 ) in Richtung des Objekts (2; 30; 61 ; 132) abzustrahlen, wobei die Vorrichtung einen Reflektor (4; 24; 53) umfasst, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) reflektierten Messlichtstrahl (16; 38; 72) zu empfangen und entlang einem zu dem Strahlenweg (13; 37; 71) versetzten weiteren Strahlenweg (14; 39; 73) in Richtung des Objekts (2; 30; 61 ; 132) zu lenken.An apparatus for optical distance measurement of an object (2; 30; 61; 132) which is set up to move a measuring light beam (11; 85; 95) along a beam path (13; 37; 71) in the direction of the object (2; , 61, 132), the apparatus comprising a reflector (4; 24; 53) arranged to receive a measuring light beam (16; 38; 72) reflected from the object (2; 30; 61; 132) and directing them along a further beam path (14; 39; 73) offset to the beam path (13; 37; 71) in the direction of the object (2; 30; 61; 132).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Reflektor (4; 24; 53) eingerichtet ist, um den an dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) reflektierten Messlichtstrahl (16; 38; 72) in den weiteren Strahlenweg (14; 39; 73), der im Wesentlichen parallel und versetzt zu dem an dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) reflektierten Messlichtstrahl (16; 38; 72) ist, zu lenken.Apparatus according to claim 1, wherein the reflector (4; 24; 53) is arranged to transmit the measuring light beam (16; 38; 72) reflected at the object (2; 30; 61; 132) into the further beam path (14; 39; 73) which is substantially parallel and offset from the measuring light beam (16; 38; 72) reflected at the object (2; 30; 61; 132).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche wenigstens einen weiteren Reflektor (5; 25-27; 54, 55) umfasst, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) erneut reflektierten Messlichtstrahl (17; 40; 74, 76) zu empfangen und in Richtung des Objekts (2; 30; 61 ; 132) zu lenken.Device according to claim 1 or 2, comprising at least one further reflector (5; 25-27; 54, 55) arranged to detect a measuring light beam (17.) Reflected on the object (2; 30; 61; 40, 74, 76) and to guide them towards the object (2; 30; 61; 132).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein weiterer Reflektor (54, 55) des wenigstens einen weiteren Reflektors (54, 55) derart eingerichtet ist, dass der von dem weiteren Reflektor (54, 55) in Richtung des Objekts (61) gelenkte Messlichtstrahl (75, 77) außerhalb einer Ebene liegt, die durch den Strahlenweg (71) und den weiteren Strahlenweg (73) definiert ist.4. Device according to claim 3, wherein a further reflector (54, 55) of the at least one further reflector (54, 55) is set up such that the measuring light beam guided by the further reflector (54, 55) in the direction of the object (61) (75, 77) lies outside a plane defined by the beam path (71) and the further beam path (73).
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Reflektor (53) und der wenigstens eine weitere Reflektor (54, 55) derart eingerichtet sind, dass der Messlichtstrahl (85; 95) auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers (80; 90) zwischen der Vorrichtung und dem Ob- jekt hin- und hergeführt wird.5. Apparatus according to claim 3 or 4, wherein the reflector (53) and the at least one further reflector (54, 55) are arranged such that the measuring light beam (85; 95) on a mantle surface of a virtual three-dimensional body (80; 90) between the device and the object.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, wobei der Reflektor oder ein weiterer Reflektor des wenigstens einen weiteren Reflektors als Retroreflektor (5; 27; 84; 94) ausgebildet ist, um den Messlichtstrahl in sich selbst zu reflektieren.6. Device according to one of claims 3-5, wherein the reflector or another reflector of the at least one further reflector is designed as a retroreflector (5; 27; 84; 94) in order to reflect the measurement light beam in on itself.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen an dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) anzubringenden Objektreflektor (6; 33; 62) umfasst, der eingerichtet ist, um den von der Vorrichtung abgestrahlten Messlichtstrahl zu empfangen und zu dem Reflektor (4; 24; 53) zu lenken.Apparatus according to any one of the preceding claims, comprising an object reflector (6; 33; 62) to be mounted on the object (2; 30; 61; 132) adapted to receive and to which the measuring light beam radiated from the apparatus To direct the reflector (4; 24; 53).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Objektreflektor (6; 33; 62) eingerichtet ist, um den von der Vorrichtung entlang dem Strahlenweg (13; 37; 71 ) abgestrahlten Messlichtstrahl versetzt und im Wesentlichen parallel zu dem Strahlenweg (13; 37; 71 ) zu dem Reflektor (4; 24; 53) zu lenken.Apparatus according to claim 7, wherein the object reflector (6; 33; 62) is arranged to offset the measuring light beam radiated from the apparatus along the beam path (13; 37; 71) and substantially parallel to the beam path (13; 71) to the reflector (4; 24; 53).
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reflektor (24; 53) an einem Träger (51 ; 104; 131 ) angebracht ist und die Vorrichtung einen Aktuator (105-108; 136) zum Verstellen des Trägers (51 ; 104; 131 ) umfasst.A device according to any one of the preceding claims, wherein the reflector (24; 53) is mounted on a support (51; 104; 131) and the device comprises an actuator (105-108; 136) for displacing the support (51; 104; 131).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, welche einen mit dem Aktuator (105-108; 136) gekoppelten Sensor (115, 116; 1 17; 134) zum Erfassen einer Ausrichtung des Trägers (104; 131 ) umfasst.The apparatus of claim 9, including a sensor (115, 116; 1 17; 134) coupled to the actuator (105-108; 136) for detecting an orientation of the carrier (104; 131).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, welche einen im Strahlengang des Messlichtstrahls vorgesehenen Strahlteiler (133) umfasst, der eingerichtet ist, um einen Teil des Messlichtstrahls zu dem Sensor (134) zu lenken.11. The apparatus of claim 10, which comprises a provided in the beam path of the measuring light beam beam splitter (133) which is adapted to direct a portion of the measuring light beam to the sensor (134).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei der Messlichtstrahl Lichtkomponenten mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufweist, wobei der Strahlteiler (133) eingerichtet ist, um Licht mit einer der Wellenlängen zu dem Sensor (134) zu lenken.The apparatus of claim 11, wherein the measurement light beam has light components of two different wavelengths, the beam splitter (133) being arranged to direct light having one of the wavelengths to the sensor (134).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, wobei der Sensor (117; 134) einen Vier-Quadranten-Sensor umfasst. The apparatus of any of claims 10-12, wherein the sensor (117; 134) comprises a four-quadrant sensor.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Lichtquelle (151 ) zum Erzeugen des Messlichtstrahls umfasst, die eingerichtet ist, um eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate zu erzeugen.14. Apparatus as claimed in any one of the preceding claims including a light source (151) for generating the measurement light beam configured to generate a train of light pulses at a repetition rate.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Lichtquelle ein Kurzpulslaser (151 ) ist.15. The apparatus of claim 14, wherein the light source is a short pulse laser (151).
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, welche eine Auswerteeinrichtung (157) zum Bestimmen einer von dem Messlicht- strahl zurückgelegten Weglänge umfasst, die eingerichtet ist, um zum Bestimmen der Weglänge eine Phasenverschiebung einer Signalkomponente (181 ) einer von einem Detektor (156) erfassten Folge von Lichtpulsen zu bestimmen, wobei die Signalkomponente (181) eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.16. Device according to claim 14, which comprises an evaluation device for determining a path length covered by the measuring light beam, which is set up to determine a phase shift of a signal component of a detector for determining the path length. detected sequence of light pulses, wherein the signal component (181) has a frequency which corresponds to a multiple of the repetition rate.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Auswerteeinrichtung (157) eingerichtet ist, um zum Bestimmen der Phasendifferenz ein weiteres Signal (183) zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente und eine niedrigere Frequenz als die Sig- nalkomponente aufweist.17. Device according to claim 16, wherein the evaluation device (157) is set up to generate, for determining the phase difference, a further signal (183) which essentially has the phase shift of the signal component and a lower frequency than the signal component.
18. Schieblehre, umfassend eine Führung (21 ), ein an der Führung (21) beweglich gelagertes Element (30), und eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionsbestimmung des beweglich gelagerten Elements (30) an der Führung (21 ).18. caliper, comprising a guide (21), on the guide (21) movably mounted element (30), and a device according to one of the preceding claims for determining the position of the movably mounted element (30) on the guide (21).
19. Schieblehre nach Anspruch 18, wobei die Vorrichtung als Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 ausgebildet ist und der Objektreflektor (33) an dem beweglich gelagerten Element (30) vorgesehen ist.19. caliper according to claim 18, wherein the device is designed as a device according to claim 7 or 8 and the object reflector (33) on the movably mounted element (30) is provided.
20. Verfahren zur optischen Abstandsmessung eines Objekts (2; 30; 61 ; 132), bei dem der Abstand des Objekts (2; 30; 61 ; 132) abhängig von einer von einem Messlichtstrahl (11 ; 85; 95) zurückgelegten Weglänge ermittelt wird, wobei der Messlichtstrahl (11 ; 85; 95) derart gelenkt wird, dass er mehrfach zwischen dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) und einer Messvorrichtung (1 ; 22; 51 ; 131 ) hin- und hergeführt wird. 20. A method for optical distance measurement of an object (2; 30; 61; 132), in which the distance of the object (2; 30; 61; 132) is determined as a function of a path length covered by a measuring light beam (11; 85; 95) in that the measurement light beam (11; 85; 95) is steered such that it is guided back and forth several times between the object (2; 30; 61; 132) and a measuring device (1; 22; 51; 131).
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Messlichtstrahl nacheinander eine Mehrzahl zueinander paralleler erster Strahlenwege (13, 14; 37, 39; 71 , 73, 75, 77) von der Messvorrichtung zu dem Ob- jekt (2; 30; 61 ; 132) und zueinander paralleler zweiter Strahlenwege (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76 78) von dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) zu der Messvorrichtung durchläuft.21. The method of claim 20, wherein the measuring light beam sequentially receives a plurality of first ray paths (13, 14; 37, 39; 71, 73, 75, 77) parallel to each other from the measuring device to the object (2; 30; 61; 132 ) and mutually parallel second beam paths (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76, 78) from the object (2; 30; 61; 132) to the measuring device.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei die ersten Strahlenwege (13, 14; 37, 39; 71 , 73, 75, 77) und die zweiten Strah- lenwege (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76 78) zueinander parallel sind.22. Method according to claim 21, wherein the first ray paths (13, 14; 37, 39; 71, 73, 75, 77) and the second ray paths (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76 78) are parallel to each other.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei die ersten Strahlenwege (13, 14; 37, 39; 71 , 73, 75, 77) und die zweiten Strahlenwege (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76 78) zueinander versetzt sind.23. A method according to claim 21 or 22, wherein the first beam paths (13, 14; 37, 39; 71, 73, 75, 77) and the second beam paths (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76, 78) offset from each other.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 -23, wobei wenigstens ein erster Strahlenweg (75, 77) der Mehrzahl von ersten Strahlenwege außerhalb der von einem anderen ersten Strahlenweg (71 ) der Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und einem zweiten Strahlenweg (72) der Mehrzahl von zwei- ten Strahlenwegen definierten Ebene verläuft.24. The method of claim 21, wherein at least one first ray path (75, 77) of said plurality of first ray paths is outside that of another first ray path (71) of said plurality of first ray paths and a second ray path (72) of said plurality plane defined by second ray paths.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-24, wobei die ersten Strahlenwege (71 , 73, 75, 77) und die zweiten Strahlenwege (72, 74, 76 78) auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers (80; 90) verlaufen.The method of any one of claims 21-24, wherein the first beam paths (71, 73, 75, 77) and the second beam paths (72, 74, 76, 78) extend on a mantle surface of a virtual three-dimensional body (80, 90).
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 -25, wobei der Messlichtstrahl (85; 95) in sich retroreflektiert wird, so dass er die Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und die Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen zwei- mal durchläuft.26. A method according to any one of claims 21 to 25, wherein the measuring light beam (85; 95) is retroreflected so as to pass twice through the plurality of first beam paths and the plurality of second beam paths.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-26, wobei zum Lenken des Messlichtstrahls wenigstens ein an der Messvorrichtung vorgesehener Reflektor (4, 5; 24-27; 53-56) und ein an dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) an- gebrachter Objektreflektor (6, 7; 33-36; 62-65) vorgesehen sind, wobei eine Ausrichtung des Reflektors (4, 5; 24-27; 53-56) relativ zu dem Objektreflektor (6, 7; 33-36; 62-65) so eingestellt wird, dass die ersten Strahlenwege (13, 14; 37, 39; 71 , 73, 75, 77) und die zweiten Strahlenwege (16, 17; 38, 40; 72, 74, 76 78) zueinander parallel sind.27. Method according to one of claims 21-26, wherein at least one reflector (4, 5, 24-27, 53-56) provided on the measuring device and one on the object (2; 30; 61; 132) are provided for directing the measuring light beam. Object Reflector (6, 7, 33-36, 62-65) are provided, wherein an orientation of the reflector (4, 5, 24-27, 53-56) relative to the object reflector (6, 7, 33-36 62-65) is adjusted so that the first beam paths (13, 14; 37, 39; 71, 73, 75, 77) and the second beam paths (16, 17, 38, 40, 72, 74, 76, 78) are parallel to each other.
28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei eine Position des mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt (132) hin- und hergeführten Messlichtstrahls erfasst und die Ausrichtung des Reflektors (24-27) basierend auf der erfassten Position geregelt wird.28. The method according to claim 27, wherein a position of the measuring light beam reciprocated repeatedly between the measuring device and the object (132) is detected and the orientation of the reflector (24-27) is controlled based on the detected position.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-28, wobei der Messlichtstrahl eine Folge von Lichtpulsen (191 ) umfasst, die mit einer Repetitionsrate erzeugt werden.29. The method of claim 20, wherein the measuring light beam comprises a sequence of light pulses (191) generated at a repetition rate.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei eine Lichtintensität des Messlichtstrahls (160) erfasst wird, nachdem der Messlichtstrahl mehrfach zwischen dem Objekt (2; 30; 61 ; 132) und der Messvorrichtung hin- und hergeführt wurde, und wobei eine von dem Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge basierend auf einer Phasenverschiebung einer Signalkomponente (181) des Messlichtstrahls bestimmt wird, die eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.30. A method according to claim 29, wherein a light intensity of the measuring light beam (160) is detected after the measuring light beam has been repeatedly reciprocated between the object (2; 30; 61; 132) and the measuring device, and one of the measuring light beam passed through Path length is determined based on a phase shift of a signal component (181) of the measuring light beam having a frequency corresponding to a multiple of the repetition rate.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Signalkomponente (181 ; 196) einem Frequenzmischer (175) zugeführt wird, um ein weiteres Signal (183) zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente (181 ) und eine niedrigere Frequenz als die Sig- nalkomponente (181 ; 196) aufweist.The method of claim 30, wherein the signal component (181; 196) is applied to a frequency mixer (175) to produce a further signal (183) that substantially matches the phase shift of the signal component (181) and a lower frequency than the sig - Nalkomponente (181, 196).
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-31 , zur Messung eines Abstands in der industriellen Fertigung.32. The method according to any one of claims 20-31, for measuring a distance in industrial production.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-32, zur Messung eines Abstands zwischen Schenkeln (22, 30) einer Schieblehre (20).33. The method according to any one of claims 20-32, for measuring a distance between legs (22, 30) of a caliper (20).
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-33, welches mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -17 durchgeführt wird. 34. The method according to any one of claims 20-33, which is carried out with the device according to any one of claims 1-17.
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