DE102004037137A1

DE102004037137A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung

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Publication number: DE102004037137A1
Application number: DE102004037137A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Lange; Martin Albrecht; Bernd Dr. Buxbaum; Rolf Fensterle; Martin Buck
Original assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Current assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-07-31
Also published as: DE102004037137B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die Intensität der von dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit- bzw. phasensensitiv detektiert wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit einer Quelle für intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung und mit mindestens einem Laufzeit-sensitiven Detektor für die intensitätsmodulierte Strahlung. DOLLAR A Um ein optisches Meßverfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, die einen erweiterten Eindeutigkeitsbereich der Messung und eine erhöhte Genauigkeit erlauben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß mindestens ein weiteres optisches Verfahren zur Entfernungsmessung angewandt wird. Hinsichtlich der Vorrichtung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß Einrichtungen zur Durchführung mindestens eines weiteren optischen Verfahrens zur Entfernungsmessung vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, und die Intensität der von dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit- bzw. phasensensitiv detektiert wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens.

Aus dem Stand der Technik ist ein optisches Verfahren zur Entfernungs- bzw. Abstandsmessung bekannt, bei dem der Abstand eines Objekts von einem Referenzpunkt anhand der Laufzeit eines intensitätsmodulierten optischen Signals von einem Objekt zu einem Detektor bestimmt wird. Dieses Meßverfahren wird auch als Time-of-Flight- (TOF-) Messung oder Laufzeitmessung bezeichnet.

Dabei wird die Intensität der von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle emittierte Strahlung moduliert und auf ein Objekt gerichtet. Der von dem Objekt gestreute bzw. reflektierte Teil der Strahlung wird mit einem TOF-Detektor erfaßt und mit einem elektrischen oder optischen Referenzsignal verglichen. Aus der Laufzeit der intensitätsmodulierten optischen Strahlung, diese kann beispielsweise ein gepulstes oder ein periodisch moduliertes optisches Signal sein, wird dann die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Detektor bestimmt. Solche TOF-Detektoren sind beispielsweise aus der DE 198 21 974 A1 oder der WO 02/49339 A2 bekannt.

Ist das für die Messung verwendete optische Signal gepulst, so kann die Messung nach Art einer Stop-Uhr erfolgen, während bei periodisch modulierten Signalen die Laufzeitmessung durch eine Messung der Phasendifferenz zwischen der Intensitätsmodulation des optischen Signals und dem Referenzsignal erfolgt.

Da die Modulation der Intensität der elektromagnetischen Strahlung bzw. der Amplitude des elektrischen Referenzsignals typischennreise periodisch ist, beispielsweise ein Sinus- oder Rechtecksignal oder auch eine periodische Abfolge von Pulsen, ist die TOF-Messung mit Hilfe eines TOF-Detektors in der Regel mit einer Mehrdeutigkeit verbunden. Diese rührt daher, daß aufgrund der Periodizität des Signals die Eindeutigkeit der Messung auf einen Abstand beschränkt ist, welcher der zeitlichen Dauer einer Periode des Signals entspricht. Soll eine TOF-Messung durchgeführt werden, die einen erhöhten Eindeutigkeitsbereich aufweist, so können beispielsweise weitere Messungen mit verschiedenen Modulationsfrequenzen durchzuführen oder es kann ein quasi periodisches Signal (pseudo-noise modulation, quasi-Rauschmodulation) verwendet werden. Solch ein erweiterter Eindeutigkeitsbereich ist jedoch nur mit einem erheblichen technischen Mehraufwand zu erreichen.

Weiterhin erweist es sich als nachteilig, daß TOF-Detektoren ein fehlerhaftes Entfernungssignal erzeugen, sobald sie gleichzeitig mit Strahlung beleuchtet werden, welche von zwei unterschiedlich weit von dem Detektor entfernt angeordneten Gegenständen reflektiert wird. Eine solche Situation tritt in typischen kollinearen TOF-Anordnungen auf, in denen der von der Quelle erzeugte Strahl vom Objekt in sich selbst zurückreflektiert wird. Wenn sich ein transparentes Material, beispielsweise eine Glasscheibe im Strahlengang vor einem Festkörper befindet, so treffen die Oberflächenreflexe der Glasscheibe und die Reflexion von der Oberfläche des Festkörpers gleichzeitig auf das gleiche TOF-Detektorelement. Auch beim Eintritt eines Objekts in den Strahlpfad kommt es zu einem solchen gleichzeitigen Einfall zweier Signale mit unterschiedlich langer Laufzeit auf das TOF-Detektorelement und nachfolgend zur Ausgabe eines fehlerhaften (Misch-)Signals.

Vor dem Hintergrund des zuvor beschriebenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Meßverfahren bereitzustellen, das die zuvor genannten Nachteile vermeidet, einen erweiterten Eindeutigkeitsbereich der Messung und eine erhöhte Genauigkeit erlaubt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Durchführung einer optischen Entfernungsmessung mit erweitertem Eindeutigkeitsbereich und erhöhter Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Entfernungsmessung bereitgestellt wird, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die Intensität der vom Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit- bzw. phasensensitiv detektiert wird, wobei mindestens ein weiteres optisches Verfahren zur Entfernungsmessung angewandt wird.

Dabei sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei denen das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung ein Triangulationsverfahren, ein Stereo-Triangulationsverfahren oder ein interferometrisches Verfahren ist. Dabei kann jedoch auch jede Kombination der genannten Verfahren verwendet werden. Beispiele für mögliche Kombinationen sind: Time-of-Flight-Verfahren mit Triangulationsverfahren und interferometrischem Verfahren oder Time-of-Flight-Verfahren mit Stereo-Triangulationsverfahren und interferometrischem Verfahren.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der mindestens eine Detektor sowohl für die Laufzeit- bzw. phasensensitive Detektion der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung als auch für das weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung verwendet wird.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der mindestens eine Detektor mindestens ein TOF-Element aufweist und das TOF-Element mit einem elektrischen Referenzsignal versorgt wird, das mit der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung korreliert ist, wobei die auf jedes der TOF-Elemente fallende intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit dem Referenzsignal gemischt wird und wobei die Phasenverschiebung zwischen dem Referenzsignal und der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird. Nachfolgend wird als TOF-Element ein einzelnes Sensor-Element eines Detektors bezeichnet.

Ein Detektor, mit dem ein solches Verfahren ausgeführt wird, ist beispielsweise aus der DE 198 21 974 A1 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hier durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren oder UV- Frequenzbereich liegt. In diesem Frequenzbereich kann auf aus dem Stand der Technik bekannte Technologien zur Herstellung entsprechender TOF-Detektoren zurückgegriffen werden.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn die Modulationsfrequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich zwischen 1 kHz und 500 GHz, vorzugsweise zwischen 100 kHz und 100 MHz liegt. Dabei ist die Modulationsfrequenz an den Abstandsbereich anzupassen, für den das Meßverfahren eingesetzt werden soll. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Modulationsfrequenz der elektromagnetischen Strahlung abstimmbar ist, so daß das Meßverfahren in verschiedenen Situationen anwendbar ist.

Es wird eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher die von dem Objekt reflektierte und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung mit einem abbildenden Element auf den Detektor fokussiert wird.

Zum Vergrößern des Eindeutigkeitsbereichs der Time-of-Flight-Messung wird eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der das mindestens eine weitere Verfahren zur Entfernungsmessung ein Triangulationsverfahren ist. Zur Ausführung des Verfahrens müssen die Quelle der elektromagnetischen Strahlung und der mindestens eine Detektor einen bekannten Abstand voneinander aufweisen, der vorzugsweise veränderbar ist.

Im einfachsten Fall wird bei dem Triangulationsverfahren das Objekt mit einem punktförmigen intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahl beleuchtet. Der vom Objekt reflektierte Strahl trifft dann in einem Abstand von der Quelle auf den Detektor, wobei der Abstand zwischen der Quelle und dem Auftreffpunkt der elektromagnetischen Strahlung vom Abstand des Objekts von der Quelle bzw. einer Bezugsebene abhängt. Dabei ist der Abstand zwischen Objekt und Bezugsebene eine eindeutige Funktion von dem Auftreffpunkt der reflektierten Strahlung. Im einfachsten Fall kann der Auftreffpunkt bestimmt werden, indem ein einzelner Detektor mit nur einem Bildpunkt bzw. TOF-Element so lange verschoben wird, bis der Detektor im Bereich der reflektierten Strahlung liegt.

Besonders bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der mindestens eine Detektor eine Zeile aus mindestens zwei nebeneinander angeordneten Photomischdetektoren aufweist. Ein solcher zeilenförmiger Detektor kann mit festem Abstand zu der Quelle der elektromagnetischen Strahlung, dieser Abstand wird auch als Triangulationsbasis bezeichnet, verwendet weiden. In Abhängigkeit vom Abstand des Objekts von der Bezugsebene bzw. der Quelle der elektromagnetischen Strahlung fällt die vom Objekt gestreute bzw. reflektierte elektromagnetische Strahlung auf unterschiedliche TOF-Elemente bzw. Bildpunkte des zeilenförmigen Detektors. In Abhän gigkeit davon, welcher der TOF-Element die gestreute Strahlung erfaßt, läßt sich mit Hilfe der Triangulationsberechnung der Abstand des Objekts von der Referenzebene berechnen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen zeilenförmigen Detektor, bei dem mehrere TOF-Elemente in einer Zeile nebeneinander angeordnet sind.

Dabei können jeweils zwei TOF-Elemente zu einem Bildpunkt zusammengefaßt sein. Die beiden zu einem Bildpunkt zusammengefaßten TOF-Elemente sind vorzugsweise in zwei übereinanderliegenden Zeilen angeordnet, was den Meßfehler verringert, da beide TOF-Elemente an der gleichen Stelle in der Zeile angeordnet sind. Die beiden zusammengefaßten TOF-Elemente werden mit zwei Referenzsignalen versorgt, die eine relative Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen, so daß mit einer einzelnen Messung die beiden Quadraturkomponenten und somit die Phase der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird.

Alternativ zu der zeilenförmigen Anordnung der TOF-Elemente in dem Detektor kann auch eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen verwendet werden, so daß das gesamte Bild des Objekts mit einem Detektor erfaßt werden kann. Bei Verwendung beispielsweise einer Zeilenbeleuchtung kann der Abstand des Objekts aus der Lage der Abbildung der Zeilenbeleuchtung auf dem zweidimensionalen Detektor berechnet werden (Lichtschnitt-Verfahren).

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung ein Stereo-Triangulationsverfahren. Bei einem solchen Verfahren werden mindestens zwei Detektoren nebeneinander angeordnet, wobei die mindestens zwei Detektoren jeweils eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen aufweisen. Die beiden Detektoren sind so gegeneinander versetzt, daß sie das von der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung beleuchtete Objekt unter zwei Winkeln beobachten. Dabei ist der Abstand (Basisabstand) zwischen den beiden Detektoren bekannt. Aus der Lage der beiden auf den Detektoren erzeugten Bilder zueinander und dem bekannten Basisabstand der beiden Detektoren läßt sich der Abstand des Objekts von der Referenzebene bzw. dem Referenzpunkt eindeutig bestimmen.

Die Kombination des Stereo-Triangulationsverfahrens mit dem TOF-Verfahren liefert zusätzlich zu der zweifachen Entfernungsinformation aus den TOF-Messungen der beiden TOF-Detektoren eine weitere Entfernungsinformation. Durch diese Redundanz läßt sich je nach Systemauslegung der Eindeutigkeitsbereich der TOF-Messung erweitern und zudem die Genauigkeit erhöhen. Außerdem ist eine massive Erweiterung des Dynamikbereichs erzielbar. Die Kombination der Time-of-Flight-Messung mit Hilfe der TOF-Detektoren mit dem zuvor beschriebenen Triangulationsverfahren stellt gewissermaßen zwei Skalen zur Entfernungsmessung bereit. Dabei wird beispielsweise mit Hilfe des Triangulationsverfahrens der Abstand des Objekts von der Referenzebene grob bestimmt, wäh rend eine Feinbestimmung mit Hilfe des gleichzeitig ausgeführten Time-of-Flight-Verfahrens erfolgt. So wird der Eindeutigkeitsbereich der Time-of-Flight-Messung durch die Anwendung des zweiten Verfahrens vergrößert.

Alternativ kann die Triangulation für eine genauere Auflösung im Nahbereich und das TOF-Verfahren für größere Entfernungen genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil aller beschriebenen Kombinationen des TOF-Verfahrens mit Triangulationsverfahren ist, daß die an Objekten mit unterschiedlicher Entfernung zum Detektor reflektierte Strahlung unter unterschiedlichen Winkeln auf den Detektor trifft, so daß prinzipiell niemals ein TOF-Element gleichzeitig mit der reflektierten Strahlung von unterschiedlich weit vom Detektor entfernten Objekten beleuchtet wird. Auf diese Weise kommt es nicht zur Ausgabe fehlerhafter Entfernungsinformation . Beispielsweise werden hintereinander angeordnete transparente und nicht transparente Gegenstände getrennt voneinander erfaßt.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung ein interferometrisches Verfahren ist.

In der Interferometrie nutzt man die Welleneigenschaft elektromagnetischer Strahlung zur relativen oder absoluten Entfernungsmessung. Dabei werden zwei kohärente elektromagnetische Wellen auf einem Detektor räumlich überlagert. Aufgrund der räumlichen Überlagerung und der Kohärenz des Lichts kommt es zu Interferenzerscheinungen zwischen den beiden Wellen. In Abhängigkeit ihrer Phasendifferenz ändert sich die integrale Intensität auf dem Detektor. Dabei hängt die Phasendifferenz der beiden elektromagnetischen Wellen von ihrem Laufzeitunterschied bzw. ihrer Weglängendifferenz ab. Entspricht der Laufzeitunterschied genau der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen davon, so interferieren die beiden elektromagnetischen Wellen destruktiv miteinander. Die Intensität der gemessenen Strahlung ist dann minimal. Überlagern sich die beiden Wellen hingegen konstruktiv, d.h. mit einem Laufzeitunterschied, der einer ganzen Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, so ist die Intensität maximal. In Abhängigkeit vom Laufzeitunterschied können alle Intensitätswerte zwischen dem Minimum bei destruktiver Interferenz und dem Maximum bei konstruktiver Interferenz erreicht werden. Aus der Intensität kann somit auf den Laufzeitunterschied zwischen den beiden elektromagnetischen Wellen zurückgerechnet werden.

Ein solches interferometrisches Verfahren läßt sich mit dem Time-of-Flight-Verfahren kombinieren, indem zusätzlich ein optischer Referenzstrahlpfad von der Quelle direkt auf den Detektor geleitet wird, so daß auf dem Detektor eine Interferenz zwischen der elektromagnetischen Welle, die den Referenzstrahlpfad entlanggelaufen ist und der elektromagnetischen Welle, die im Meßstrahlpfad über das Objekt gelaufen ist, stattfindet.

Dabei wird eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die Länge des Referenzstrahlpfads variiert wird. Dies kann beispielsweise durch Verschieben eines Spiegels in Referenzstrahlpfad erreicht werden.

Aufgrund der geringen Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung im optischen oder infraroten Frequenzbereich lassen sich mit dem interferometrischen Verfahren bereits geringe Abstände und Abstandsänderungen in der Größenordnung von wenigen Nanometern messen. Während der Eindeutigkeitsbereich der Time-of-Flight-Messung von der Periodizität der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung begrenzt ist, ist der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messung von der Wellenlänge bzw. Frequenz der verwendeten monochromatischen elektromagnetischen Strahlung abhängig. Bei der Weißlichtinterferometrie oder Interferometrie mit Strahlung mit geringer Kohärenzlänge ist der Eindeutigkeitsbereich von der Kohärenzlänge der Strahlung abhängig.

Um in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Eindeutigkeitsbereich des interferometrischen Meßverfahrens zu vergrößern, wird eine intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit einem weißen, d.h. breitbandigen Spektrum verwendet. Eine solche weiße elektromagnetische Strahlung zeichnet sich durch ihre geringe Kohärenzlänge aus. D.h. nur bei im wesentlichen in ihrer Länge abgeglichenen Strahlpfaden des Referenz- bzw. Meßstrahls kann überhaupt eine Interferenz beobachtet werden. Die Sichtbarkeit des Interferenzmusters variiert dabei innerhalb der Kohärenzlänge stark, so daß ein wesentlich verbesserter Eindeutigkeitsbereich erreicht wird. Dabei kann bereits aus der Anpassung des Referenzstrahlpfads an die Länge des Meßstrahlpfads eine erste Abschätzung für die Größenordnung des Abstands des Objekts von der Referenzebene erfolgen.

Aus der Kombination des Time-of-Flight-Verfahrens mit interferometrischen Verfahren ergibt sich die Möglichkeit, den Abstand des Objekts von einer Referenzebene mit einer wesentlich höheren Genauigkeit zu bestimmen als dies mit der Time-of-Flight-Messung allein möglich wäre. Die TOF-Messung ermöglicht es zudem, die relative interferometrische Messung zu einer absoluten Messung zu ergänzen.

Es versteht sich, daß das Time-of-Flight-Verfahren nicht nur mit einem der genannten weiteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung kombiniert werden kann, sondern auch mit mehreren dieser Verfahren gleichzeitig.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren.
1 zeigt eine schematische Ansicht von oben einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2A, B zeigen eine Draufsicht auf eine zeilenförmige Anordnung von TOF-Elemente,
3 zeigt eine schematische Ansicht eines TOF-Elements,
4 zeigt eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen,
5 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
8 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist eine schematische Ansicht von oben auf eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfernungsmessung dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Laserquelle zur Erzeugung monochromatischer elektromagnetischer Strahlung bezeichnet. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge um 800 nm. In Strahlrichtung hinter dem Laser 1 befindet sich ein optischer Modulator 2, welcher der von dem Laser 1 emittierten Strahlung eine Intensitätsmodulation aufprägt. Der Modulator 2 ist in der dargestellten Ausführungsform ein elektro-optischer Modulator, so wie er für Telekommunikationsanwendungen kommerziell erhältlich ist. Alternativ dazu kann jedoch auch die Laserquelle 1 zum Beispiel durch Modulation des Stroms direkt intensitätsmoduliert werden. Das Modulationssignal des Modulators 2 wird von einer Signalquelle 3 vorgegeben, die darüber hinaus einen Referenzausgang aufweist, der mit dem Detektor bzw. den Photomischdetektoren des Detektors verbunden ist. Der intensitätsmodulierte Strahl wird über eine abbildende Optik 4 auf das Objekt 5 gelenkt. Von dort wird die elektromagnetische Strahlung reflektiert. Das in Richtung des Detektors 6 reflektierte Licht wird von einer sammelnden Optik 7 auf den Detektor 6 fokussiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Detektor 6 ein Zeilendetektor, so wie er in 2A dargestellt ist. Alternativ dazu können jedoch auch andere Detektoranordnungen, so wie sie weiter unten diskutiert werden, verwendet werden. In Abhängigkeit vom Abstand x des Objekts von der Referenzebene 8 fällt das vom Objekt 5 reflektierte Licht unter verschiedenen Winkeln auf die sammelnde Optik 7 ein. In Abhängigkeit vom Abstand des Objekts von der Referenzebene 8 trifft der vom Objekt gestreute Strahl 9, 10, 11 an unterschiedlichen Positionen 12, 13, 14 auf den zeilenförmigen Detektor 6.
Die Entfernung x des Objekts 5 von der Referenzebene 8 läßt sich dann berechnen als
wobei b die Triangulationsbasis, d.h. der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden abbildenden Optiken 4, 7 ist und h ist der Abstand des Detektors von der fokussierenden Optik 7, wobei für den gezeigten Fall die Symmetrieachse der abbildenden Linse 7 parallel zu dem zeilenförmigen Detektor ist. Der Winkel α beschreibt die Verkippung des Detektors gegenüber einer senkrecht auf der Triangulationsbasis stehenden Geraden.
In 2A ist die zeilenförmige Anordnung der TOF-Elementen 15 auf dem Detektor 6 zu erkennen. Dabei sind jeweils zwei TOF-Elementen 15 zu einem Bildpunkt 16 des zeilenförmigen Detektors 6 zusammengefaßt. Die TOF-Elemente 15 eines jeden Bildpunkts 16 der Detektorzeile 6 werden mit einem um 90° phasenverschobenen Referenzsignal versorgt, um mit den beiden TOF-Elementen 15 eines jeden Bildpunkts 16 die Quadraturkomponenten der einfallenden elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig messen zu können. Mit Hilfe des in 1 gezeigten Aufbaus kann die Entfernung des Objekts 5 von der Referenzebene 8 gleichzeitig mit einem Detektor 6 mit Hilfe des Time-of-Flight-Verfahrens und des Triangulationsverfahrens bestimmt werden. Bei geeigneter Wahl der Modulationsfrequenz und der Anzahl an Bildpunkten 16 pro Längeneinheit des Detektors 6 läßt sich mit Hilfe des Triangulationsverfahrens der Abstand des Objekts 5 von der Referenzebene 8 in einer Genauigkeit bestimmen, die geringer ist als der Eindeutigkeitsbereich der Time-of-Flight-Messung. Die gleichzeitig ausgeführte Time-of-Flight-Messung erlaubt dann eine exakte Bestimmung des Abstands des Objekts 5 von der Referenzebene 8 in einer Genauigkeit, die größer ist als die Genauigkeit der Triangulationsmessung.
In 2B ist eine alternative Ausführungsform des zeilenförmigen Detektors 106 dargestellt. Der Detektor 106 besteht im wesentlichen aus zwei Zeilen 117, 118 von TOF-Elementen 115. Dabei bilden jeweils zwei übereinanderliegende TOF-Elemente 115 einen Bildpunkt 116. Die beiden TOF-Elemente 115 eines jeden Bildpunkts 116 werden wieder zur Erfassung der Quadraturkomponenten der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung mit um 90° zueinander verschobenen Referenzsignalen versorgt. Die Anordnung der TOF-Elemente 115 auf dem zeilenförmigen Detektor 106 aus 2B weist den Vorteil auf, daß entlang der Zeile mehr Bildpunkte untergebracht werden können, da diese in ihrer Ausdehnung entlang der Zeile kleiner sind als beispielsweise in der Ausführungsform aus 2A. Gegebenenfalls kann der zeilenförmige Detektor 106 aus 2B astigmatisch ausgeleuchtet werden, so daß seine Auflösung in Zeilenrichtung maximal ist, während beide Zeilen 117, 118 mit den zu einem Bildpunkt 116 gehörenden TOF-Elementen 115 optimal ausgeleuchtet wird.
In alternativen Ausführungsformen können die Detektoren auch Bildpunkte aufweisen, die aus nicht phasen- bzw. Laufzeitsensitiven TOF-Elementen aufgebaut sind.
In 3 ist ein TOF-Element 15 bzw. 115 dargestellt, so wie es in Detektoranordnungen aus den 2A und B sowie 4 verwendet wird. Das TOF-Element 15 ist ein Photomischdetektor, so wie er beispielsweise in der DE 198 21 974 A1 beschrieben wir. Dieser weist zwei Auslesegates 19, 20 auf, die leitfähig mit einem darunterliegenden photoleitenden Material verbunden sind. Darüber hinaus sind zwei transparente und gegen das photoleitende Material isolierte Modulationsgates 21, 22 vorgesehen. Die auf den Photomischdetektor 15 treffende elektromagnetische Strahlung trifft auf die photoleitende Schicht des Detektors und erzeugt dort Ladungsträger. Die Modulationsgates 21, 22 werden mit dem Referenzsignal vorgespannt, wobei das Referenzsignal der beiden Modulationsgates 21, 22 eine Phasenverschiebung von 180° zueinander aufweisen. So wird ein Potentialgefälle in einer Richtung senkrecht zu den streifenförmigen Gates des Photomischdetektors 15 erzeugt, dessen Richtung mit der Frequenz des Modulationssignals wechselt. Die photogenerierten Ladungsträger in dem photoleitenden Material werden in dem von den Modulationsgates 21, 22 hervorgerufenen elektrischen Feld in Richtung der Auslesegates 19, 20 getrieben. Der an den Auslesegates 19, 20 erfaßte Strom bzw. die erzeugte Spannungsdifferenz ist dann abhängig vom Produkt der photomodulierten Leitfähigkeit des photoleitfähigen Materials und der an den Modulationsgates 21, 22 anliegenden Modulationsspannung. In einer alternativen Ausführungsform des Photomischdetektors kann auf die streifenförmigen Modulationsgates 21, 22 verzichtet werden, wobei dann das Modulations- bzw. Referenzsignal direkt an die Auslesegates 19, 20 angelegt werden muß.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entfernungsmessung in einer schematischen Ansicht dargestellt. Wieder ist die Laserquelle 201 mit dem optischen Modulator 202 und dem Signalgenerator 203 zu erkennen. Das intensitätsmodulierte Licht wird mit Hilfe einer abbildenden Optik 204 auf das Objekt 205 fokussiert. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführungsform sind nun zwei Detektoren 231, 232 vorgesehen. Die von dem Objekt 205 gestreute Strahlung wird mit Hilfe zweier abbildender Elemente 207, 230 auf die Detektoren 231, 232 abgebildet. Dabei betrachten die beiden Detektoren 231, 232 das Objekt 205 unter verschiedenen Winkeln. Die Detektoren 231, 232 weisen eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen auf, so wie sie in 4 dargestellt ist. In einer zweidimensionalen Matrix sind Bildpunkte 216 angeordnet, die es erlauben, ein flächiges Bild des Objektes 205 aufzunehmen. Dabei setzt sich wieder jeder Bildpunkt 216 aus zwei Photomischdetektoren 215 zur Erfassung der Quadraturkomponenten der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zusammen. Aus den Positionen der beiden Bilder auf den Detektoren 231, 232 kann mit Hilfe des bekannten Basisabstandes der beiden Detektoren 231, 232 wieder der Abstand x des Objekts 205 von der Referenzebene 208 bestimmt werden.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung dargestellt, bei welcher das Time-of-Flight-Verfahren zur Entfernungsmessung mit einem interferometrischen Verfahren kombiniert ist. Abermals ist die Quelle der optischen Strahlung ein Halbleiterlaser 301. Der emittierteStrahl wird mit einem Strahlteiler 340, in der dargestellten Ausführungsform einem Strahlteilerwürfel, in zwei Teile aufgespalten, den Meßpfad 341 und den Referenzpfad 342. Der Meßpfad 341 beleuchtet, wie auch in den anderen Ausführungsformen, das Objekt 305, während der Referenzstrahlpfad 342 über eine variable Ausgleichsstrecke 343 und einen weiteren Strahlteiler 344 auf den Detektor 331 geleitet wird. In dem Meßpfad 341 befindet sich hinter dem Strahlteiler 340 ein optischer Modulator 302, der mit einem Signalgenerator 303 verbunden ist. Auf diese Weise wird in der dargestellten Ausführungsform nur die Intensität der Strahlung im Meßpfad 341 moduliert. An dem zweiten Strahlteiler 344 wird die Strahlung des Meßpfads 341 mit der Strahlung des Referenzpfads 342 räumlich überlagert, so daß die elektromagnetischen Wellen, welche die beiden Strahlpfade durchlaufen haben, miteinander interferieren können. Die Interferenz wird von dem Detektor 331, der einem Detektorelement entspricht, wie es zum Beispiel in 7 und der zugehörigen Beschreibung offenbart ist, erfaßt. Zusätzlich wird die Information über den Abstand des Objekts 305 von der Referenzebene 308 mit Hilfe der Photomischdetektoren in dem Detektor 331 mit dem Time-of-Flight-Verfahren detektiert. Alternativ zu der monochromatischen Laserquelle 301 kann auch eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge (z.B. eine Weißlichtquelle) verwendet werden, so daß mit der in 6 dargestellten Vorrichtung Low-Coherence-Interferometire oder Weißlichtinterferometrie in Kombination mit einer Time-of-Flight-Messung betrieben werden kann.
In 7 ist ein ähnlicher Aufbau wie in 6 dargestellt, wobei der Detektor 406 ein Zeilendetektor mit mehreren Bildpunkten aus TOF-Elementen ist. Der dargestellte Aufbau erlaubt die Kombination des Time-of-Flight-Verfahrens und des Triangulationsverfahrens zusammen mit dem interferometrischen Verfahren. Die Entfernung läßt sich mit allen drei Verfahren gleichzeitig und unabhängig voneinander bestimmen, so daß sich die verschiedenen Skalen, auf denen die einzelnen Verfahren arbeiten, zu einer hochpräzisen Messung über einen großen Meßbereich hinweg ergänzen.
In 8 ist das beanspruchte Meßverfahren in einem Übersichtsdiagramm dargestellt. Die Strahlungsquelle 550 sendet Strahlung aus, die parallel für das Time-of-Flight-Verfahren 551, das aktive Triangulationsverfahren 552, das passive Triangulationsverfahren 553 (z.B. Stereo-Triangulationsverfahren) und das interferometrische Verfahren 554 zur Entfernungsmessung verwendet wird. Die Verfahren können wie in dem Diagramm angedeutet, gleichzeitig und parallel verwendet werden, wobei zumindest das Time-of-Flight-Verfahren mit einem anderen Verfahren vorgesehen ist. Dabei wird die für das TOF-Verfahren verwendete Strahlung mit Hilfe eines optischen Modulators 557 moduliert. Der Detektor 555 ist ein ein- oder mehr dimensionaler Detektor, der aus TOF-Elementen, so wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebaut ist. Dabei deutet die gestrichelte Linie 556 an, daß der Detektor 555 bei der Messung mit einem Referenzsignal, das mit der Intensitätsmodulation der Strahlung für das TOF-Verfahren korreliert ist, versorgt wird.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

Claims

Verfahren zur Entfernungsmessung, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die Intensität der von dem Objekt gestreuten und/oder reflektierten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit-sensitiv detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres optisches Verfahren zur Entfernungsmessung angewandt wird.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor mindestens ein TOF-Element aufweist und das TOF-Element mit einem elektrischen Referenzsignal versorgt wird, das mit der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung korreliert ist, wobei die auf das TOF-Element fallende intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit dem Referenzsignal gemischt wird und wobei die Laufzeitdifferenz zwischen dem Referenzsignal und der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung erfaßt wird.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren oder UV- Frequenzbereich liegt.
Verfahren zur Entfernungsmessung einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Intensitätsmodulation im Bereich zwischen 1 kHz und 500 GHz und vorzugsweise zwischen 100 kHz und 100 MHz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei TOF-Elemente des Detektors einen Bildpunkt bilden, wobei die Referenzsignale der beiden TOF-Elemente eines Bildpunkts um 90° zueinander phasenverschoben sind und wobei die Quadraturkomponenten der elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig von je einem der Photomischdetektoren erfaßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Objekt reflektierte und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung mit einem abbildenden Element auf den Detektor fokussiert wird.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Detektor für die Laufzeitsensitive Erfassung der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung und für das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem weiteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung um ein Triangulationsverfahren handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der elektromagnetischen Strahlung und der mindestens eine Detektor einen bekannten Abstand von einander aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Quelle der elektromagnetischen Strahlung und dem mindestens einen Detektor veränderbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Position und/oder der Größe der Bildpunkte des Objekts auf dem mindestens einen Detektor die Entfernung des Objekts von einem Referenzpunkt bestimmt wird.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem mindestens einen weiteren Verfahren zur Entfernungsmessung um ein Stereo-Triangulationsverfahren handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor eine Zeile aus mindestens zwei nebeneinander angeordneten TOF-Elementen aufweist.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor eine zweidimensionalen Anordnung von TOF-Elemeneten aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß genau zwei Detektoren vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabstand zwischen den beiden Detektoren bekannt ist.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem mindestens einen weiteren optischen Verfahren zur Entfernungsmessung um ein interferometrisches Verfahren handelt.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung monochromatisch ist.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung breitbandig ist.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, vozugsweise nicht moduliert, über einen Referenzstrahlpfad auf den mindestens einen Detektor geleitet wird.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenzstrahlpfades variiert wird.
Verfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Länge des Referenzstrahlpfade mindestens ein Spiegel im Referenzstrahlpfad verschoben wird.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit einer Quelle für intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung und mit mindestens einem Laufzeit-sensitiven Detektor für die intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Durchführung mindestens eines weiteren optischen Verfahrens zur Entfernungsmessung vorgesehen sind.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor eine zeilenförmige Anordnung von TOF-Elementen aufweist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor eine zweidimensionale Anordnung von TOF-Elementen aufweist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß genau zwei Detektoren mit einer mehrdimensionalen Anordnung von TOF-Elementen vorgesehen sind.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor mindestens ein TOF-Element und mindestens einen nicht Laufzeit-sensitives Element aufweist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Quelle für intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, infraroten oder UV- Frequenzbereich ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei TOF-Elemente des mindestens einen Detektors einen Bildpunkt bilden, wobei die Referenzsignale der beiden TOF-Elemente eines Bildpunkts um 90° zueinander phasenverschoben sind und wobei die Quadraturkomponenten der elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig von je einem der Photomischdetektoren erfaßbar sind.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Objekt reflektierte und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung mit einem abbildenden Element auf den Detektor fokussierbar ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor für die Laufzeit-sensitive Detektion der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung und für das mindestens eine weitere optische Verfahren zur Entfernungsmessung verwendbar ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des Objekts aus der Position und/oder Größe der Bildpunkte auf dem mindestens einen Detektor bestimmbar ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der elektromagnetischen Strahlung und der mindestens eine Detektor einen bekannten Abstand voneinander aufweisen.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Quelle der elektromagnetischen Strahlung und dem mindestens einen Detektor veränderbar ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem mindestens einen weiteren Verfahren zur Entfernungsmessung um ein Stereo-Triangulationsverfahren handelt.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabstand zwischen den beiden Detektoren bekannt ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Durchführung des mindestens einen weiteren optischen Verfahrens zur Entfernungsmessung ein Interferometer ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Quelle für monochromatische intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Quelle fürbreitbandige intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strahlteiler aufweist, welcher die von der Quelle erzeugte Strahlung in einen Referenzstrahlpfad und einen Meßstrahlpfad aufteilt.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenzstrahlpfades einstellbar ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Länge des Referenzstrahlpfades mindestens ein Spiegel im Referenzstrahlpfad verschiebbar ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zweiten Strahlteiler aufweist, auf welchem die Strahlung aus dem Referenzstrahlpfad und dem Meßstrahlpfad räumlich überlagert werden.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 23 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22. vorgesehen ist.