DE102017212973A1 - Distance measuring device, measuring system and method for optical distance measurement - Google Patents

Distance measuring device, measuring system and method for optical distance measurement Download PDF

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Aaron Köhler
Max Köppel
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine berührungslose optische Abstandsmessung. Hierzu erfolgt eine Modulation eines Lichtstrahls, der in Richtung eines Zielobjektes ausgesendet wird. Durch Auswerten des Phasengangs des an dem Zielobjekt reflektierten modulierten Lichtes kann der Abstand zu dem Zielobjekt berechnet werden. Das modulierte Licht kann mittels eines Lichtleiters zu einer geeigneten Position geführt werden, von welcher der Abstand zu dem Zielobjekt ermittelt werden soll.

Figure DE102017212973A1_0000
The invention relates to a non-contact optical distance measurement. For this purpose, a modulation of a light beam, which is emitted in the direction of a target object. By evaluating the phase response of the modulated light reflected at the target object, the distance to the target object can be calculated. The modulated light can be guided by means of a light guide to a suitable position, from which the distance to the target object is to be determined.
Figure DE102017212973A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung, ein Messsystem und ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung.The present invention relates to a distance measuring device, a measuring system and a method for optical distance measurement.

Stand der TechnikState of the art

In vielen industriellen Anwendungsbereichen müssen Abstände in einer sehr hohen Präzision gemessen werden. Hierbei gewinnen berührungslose Verfahren zur Abstandsmessung zunehmend an Bedeutung. Bei derartigen Messungen von Abständen werden in der Regel Relativverschiebungen von Maschinenteilen gegeneinander ermittelt. Insbesondere im industriellen Umfeld kommen dabei konventionelle elektrische Sensoren auf Basis von kapazitiven oder induktiven Messprinzipien schnell an ihre Grenzen. Gerade bei schwer zugänglichen Bereichen, bei hohen Temperaturen oder auch bei spannungsführenden Bauteilen sind derartige konventionelle Messverfahren nicht oder nur unter sehr hohem Aufwand einsetzbar.In many industrial applications, distances must be measured with very high precision. Non-contact methods for distance measurement are becoming increasingly important here. In such measurements of distances relative displacements of machine parts are usually determined against each other. Conventional electrical sensors on the basis of capacitive or inductive measuring principles are quickly reaching their limits, especially in the industrial environment. Especially in hard to reach areas, at high temperatures or even with live components such conventional measuring methods are not or only with great effort applicable.

Eine Möglichkeit zur optischen Abstandsmessung ist beispielsweise eine optische Triangulation. Derartige Sensorsysteme auf Basis einer optischen Triangulation erfordern jedoch in der Regel einen großen Bauraum, da für den Sender und den Empfänger eines solchen Sensorsystems räumlich unterschiedliche Positionen gewählt werden müssen. Darüber hinaus sind derartige Sensorsysteme auch gerade in einem rauen industriellen Umfeld sehr anfällig gegenüber Verschmutzungen oder Beschädigungen.One possibility for optical distance measurement is, for example, optical triangulation. However, such sensor systems based on optical triangulation usually require a large amount of space, since spatially different positions must be selected for the transmitter and the receiver of such a sensor system. Moreover, even in a harsh industrial environment, such sensor systems are very susceptible to soiling or damage.

Weiterhin sind auch optische Sensoren zur Abstandsmessung bekannt, welche auf einer interferometrischen Abstandsmessung basieren. Derartige Systeme sind in der Regel jedoch sehr aufwändig. Weiterhin ermöglichen interferometrische Sensorsysteme keine absolute Entfernungsmessung. Wird das Messsystem durch eine Störung, wie zum Beispiel eine kurzzeitige starke Vibration oder ähnliches gestört und geht dabei die Korrelation des Interferenzmusters verloren, so ist trotz vorherigem Referenzieren keine absolute Abstandsmessung mehr möglich.Furthermore, optical sensors for distance measurement are known, which are based on an interferometric distance measurement. However, such systems are usually very expensive. Furthermore, interferometric sensor systems do not allow absolute range finding. If the measuring system is disturbed by a disturbance, such as a brief strong vibration or the like, and the correlation of the interference pattern is lost, absolute distance measurement is no longer possible despite prior referencing.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer präzisen berührungslosen Abstandsmessung. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einer berührungslosen Abstandsmessung, welche auch bei schwierigen Anwendungsfällen zuverlässig eingesetzt werden kann. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einer berührungslosen Abstandsmessung, die auch bei einem geringen verfügbaren Bauraum eingesetzt werden kann.There is therefore a need for a precise non-contact distance measurement. In particular, there is a need for a non-contact distance measurement, which can be used reliably even in difficult applications. In addition, there is a need for a non-contact distance measurement, which can be used even with a small available space.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Abstandsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Messsystem zur optischen Abstandsmessung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.The present invention provides a distance measuring device having the features of patent claim 1, an optical distance measuring measuring system having the features of patent claim 13 and a method for optical distance measurement having the features of patent claim 15.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:

Eine Abstandsmessvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Modulator, einer Sende- und Empfangseinrichtung und einer Auswerteeinrichtung. Die Lichtquelle ist dazu ausgelegt, einen Lichtstrahl auszusenden. Der Modulator ist dazu ausgelegt, den von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren. Die Sende- und Empfangseinrichtung ist dazu ausgelegt, den modulierten Lichtstrahl in Richtung eines Zielobjekts auszusenden. Ferner ist die Sende- und Empfangseinrichtung dazu ausgelegt, von dem Zielobjekt in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung reflektiertes Licht des ausgesendeten modulierten Lichtstrahls zu empfangen. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Phasenunterschied zwischen einer Phase des von der Sende- und Empfangseinrichtung ausgesendeten modulierten Lichtstrahls und des von der Sende- und Empfangseinrichtung empfangenen reflektierten Lichts zu ermitteln. Weiterhin ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds einen Abstand zwischen einem vorbestimmten Referenzpunkt und dem Zielobjekt zu berechnen.A distance measuring device with a light source, a modulator, a transmitting and receiving device and an evaluation device. The light source is designed to emit a light beam. The modulator is configured to modulate the light beam emitted by the light source at a predetermined frequency. The transmitting and receiving device is designed to emit the modulated light beam in the direction of a target object. Furthermore, the transmitting and receiving device is designed to receive reflected light of the emitted modulated light beam from the target object in the direction of the transmitting and receiving device. The evaluation device is designed to determine a phase difference between a phase of the modulated light beam emitted by the transmitting and receiving device and the reflected light received by the transmitting and receiving device. Furthermore, the evaluation device is designed to calculate a distance between a predetermined reference point and the target object using the determined phase difference.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is provided:

Ein Messsystem zur optischen Entfernungsmessung mit einer erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung und mindestens einem Reflektor. Der Reflektor ist dazu ausgelegt, den von der Sende- und Empfangseinrichtung der Abstandsmessvorrichtung ausgesendeten Lichtstrahl in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zu reflektieren.A measuring system for optical distance measurement with a distance measuring device according to the invention and at least one reflector. The reflector is designed to reflect the light beam emitted by the transmitting and receiving device of the distance measuring device in the direction of the transmitting and receiving device.

Schließlich ist vorgesehen:Finally, it is planned:

Ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung mit einem Schritt zum Aussenden eines modulierten Lichtstrahls in Richtung eines Zielobjekts, und einem Schritt zum Empfangen von Licht des ausgesendeten modulierten Lichtstrahls, das an dem Zielobjekt reflektiert worden ist. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Ermitteln eines Phasenunterschieds des ausgesendeten modulierten Lichtstrahls und des empfangenen reflektierten Lichtstrahls. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Berechnen eines Abstands zwischen einem vorbestimmten Referenzpunkt und dem Zielobjekt unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds.An optical distance measurement method comprising a step of emitting a modulated light beam toward a target object, and a step of receiving light of the transmitted modulated light beam reflected on the target object. The method further includes a step of determining a phase difference of the transmitted modulated light beam and the received reflected light beam. Furthermore, the method includes a step of calculating a distance between a predetermined reference point and the target object using the determined phase difference.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Auswertung des Phasengangs eines modulierten Lichtstrahls eine präzise Abstandsmessung möglich wird. Dabei kann der Frequenzgang eines Lichtstrahls sehr einfach auch unter rauen industriellen Anlagenbedingungen ermittelt werden. Aus diesem Frequenzgang kann daraufhin eine Abstandsberechnung abgeleitet werden.The present invention is based on the finding that a precise distance measurement becomes possible by evaluating the phase response of a modulated light beam. The frequency response of a light beam can be very easily determined even under harsh industrial plant conditions. From this frequency response can then be derived a distance calculation.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Abstandsmessung vorzusehen, welche auf der Ermittlung eines Frequenzganges eines ausgesendeten und an einem Ziel reflektierten Lichtstrahls basiert. Eine solche Abstandsmessung, die auf der Ermittlung eines modulierten Lichtstrahls basiert, ermöglicht selbst unter schwierigen Umgebungsbedingungen eine sehr genaue Abstandsermittlung. Insbesondere ist es möglich und sogar wünschenswert, dass das Aussenden des modulierten Lichtstrahls und das Empfangen des an einem zielreflektierten modulierten Lichtstrahls an einer gleichen räumlichen Position erfolgen. Auf diese Weise kann selbst bei beengten räumlichen Verhältnissen eine sehr genaue Abstandsmessung realisiert werden.The present invention is therefore based on the idea to take this knowledge into account and provide a distance measurement, which is based on the determination of a frequency response of a emitted and reflected at a target light beam. Such a distance measurement, which is based on the determination of a modulated light beam, allows a very accurate distance determination even under difficult environmental conditions. In particular, it is possible, and even desirable, for the emission of the modulated light beam and the reception of the modulated light beam reflected at a target to be in the same spatial position. In this way, a very accurate distance measurement can be realized even in confined spaces.

An der Position, an der der modulierte Lichtstrahl ausgesendet wird, und an der der von einem Zielobjekt reflektierte Anteil des modulierten Lichtstrahls empfangen wird, sind dabei nur rein passive, optische Komponenten ohne Elektronik erforderlich. Daher kann die Sende- und Empfangseinrichtung an dieser Position vollständig aus nicht-metallischen Werkstoffen realisiert werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungen mit starken elektrischen und/oder magnetischen Feldern von großem Vorteil.At the position at which the modulated light beam is emitted, and at which the portion of the modulated light beam reflected by a target object is received, only purely passive, optical components without electronics are required. Therefore, the transmitting and receiving device can be completely realized at this position of non-metallic materials. This is particularly advantageous in applications with strong electrical and / or magnetic fields.

Als Lichtquelle kann für die Abstandsmessvorrichtung eine beliebige Lichtquelle verwendet werden, welche dazu geeignet ist, einen modulierbaren Lichtstrahl auszusenden. Beispielsweise kann die Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) umfassen. Insbesondere sind beispielsweise auch Laserdioden möglich. Das ausgesendete Licht kann im Bereich von 1300 nm -1550 nm liegen. Ferner kann das Licht auch im Bereich des sichtbaren Wellenlängenspektrums zwischen 400 nm und 750 nm liegen. Darüber hinaus ist auch nicht sichtbares Licht im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich möglich.As the light source can be used for the distance measuring device any light source which is suitable to emit a modulated light beam. For example, the light source may comprise a light emitting diode (LED). In particular, for example, laser diodes are possible. The emitted light can be in the range of 1300 nm -1550 nm. Furthermore, the light can also be in the range of the visible wavelength spectrum between 400 nm and 750 nm. In addition, non-visible light in the ultraviolet or infrared wavelength range is possible.

Bei dem Modulator kann es sich um einen beliebigen Modulator handeln, der dazu geeignet ist, den von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahl zu modulieren. Insbesondere kann der Modulator dabei die Amplitude der Intensität des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahls mit einer vorbestimmten Frequenz modulieren. Diese vorbestimmte Frequenz kann insbesondere beispielsweise mehrere Gigahertz, zum Beispiel 10 GHz betragen. Dabei muss es sich bei der vorbestimmten Frequenz nicht um eine fest eingestellte Frequenz handeln, sondern vielmehr kann der Modulator den Lichtstrahl auch mit einer variablen Frequenz modulieren. Die Frequenz, mit der der Modulator den Lichtstrahl moduliert wird, kann dabei beispielsweise basierend auf einem externen, dem Modulator zugeführten Signal eingestellt werden. Dabei kann die Frequenz, mit der der Modulator den Lichtstrahl moduliert, auch kontinuierlich oder stufenweise variiert werden. Beispielsweise kann als Modulator für die Modulation des Lichtstrahls ein sogenannter Mach-Zehnder-Modulator eingesetzt werden.The modulator may be any modulator capable of modulating the light beam emitted by the light source. In particular, the modulator can thereby modulate the amplitude of the intensity of the light beam emitted by the light source at a predetermined frequency. In particular, this predetermined frequency may be, for example, several gigahertz, for example 10 GHz. In this case, the predetermined frequency does not have to be a fixed frequency, but rather the modulator can also modulate the light beam with a variable frequency. The frequency with which the modulator modulates the light beam can be set, for example, based on an external signal supplied to the modulator. The frequency with which the modulator modulates the light beam can also be varied continuously or stepwise. For example, as a modulator for the modulation of the light beam, a so-called Mach-Zehnder modulator can be used.

Der von dem Modulator modellierte Lichtstrahl kann daraufhin von der Sende- und Empfangseinrichtung in Richtung des Zielobjekts ausgesendet werden. Dabei kann sich die Sende- und Empfangseinrichtung gegebenenfalls direkt räumlich an den Modulator anschließen. Ferner ist es auch möglich, dass der von dem Modulator modulierte Lichtstrahl über ein geeignetes Bauelement an eine weitere Position geleitet wird und daraufhin die Sende- und Empfangseinrichtung an dieser weiteren Position den modulierten Lichtstrahl in Richtung des Zielobjekts abstrahlt. Von dem modulierten abgestrahlten Lichtstrahl wird von einem Zielobjekt mindestens ein Teil zurück an die Sende- und Empfangseinrichtung reflektiert. Hierzu kann als Zielobjekt beispielsweise ein geeigneter Reflektor an einer zu vermessenden Position vorgesehen sein. Die Sende- und Empfangseinrichtung kann daraufhin das von dem Zielobjekt reflektierte modulierte Licht empfangen und zur Weiterverarbeitung bereitstellen. Vorzugsweise kann das reflektierte modulierte Licht an der gleichen räumlichen Position empfangen werden, an der der modulierte Lichtstrahl durch die Sende- und Empfangseinrichtung in Richtung des Zielobjekts ausgesendet worden ist. Insbesondere können zum Beispiel für das Aussenden und das Empfangen die gleichen optischen Bauelemente verwendet werden.The light beam modeled by the modulator can then be emitted by the transmitting and receiving device in the direction of the target object. In this case, the transmitting and receiving device may possibly connect directly to the spatial modulator. Furthermore, it is also possible for the light beam modulated by the modulator to be conducted via a suitable component to a further position, and then the transmitting and receiving device at this further position to emit the modulated light beam in the direction of the target object. At least part of the modulated radiated light beam is reflected by a target object back to the transmitting and receiving device. For this purpose, as a target object, for example, a suitable reflector may be provided at a position to be measured. The transmitting and receiving device can then receive the modulated light reflected by the target object and provide it for further processing. Preferably, the reflected modulated light may be received at the same spatial position at which the modulated light beam has been transmitted by the transceiver towards the target object. In particular, for example, the same optical components can be used for transmitting and receiving.

Soll das empfangene reflektierte modulierte Licht nicht direkt an der Position der Sende- und Empfangseinrichtung ausgewertet werden, an der der reflektierte modulierte Lichtstrahl empfangen worden ist, so kann das empfangene reflektierte modulierte Licht auch über ein geeignetes Bauteil an eine weitere Position weitergeleitet werden. Insbesondere kann dabei beispielsweise für das Weiterleiten des modulierten Lichts von dem Modulator zur Sende- und Empfangseinrichtung und für das Weiterleiten des empfangenen reflektierten Lichts von der Sende- und Empfangseinrichtung zu der Weiterverarbeitung in eine Auswerteeinrichtung ein gemeinsames Bauteil, wie zum Beispiel ein gemeinsamer Lichtleiter, verwendet werden. In diesem Fall kann das empfangene, reflektierte modulierte Licht mittels eines geeigneten Auskoppelelements aus dem Bauteil zur Übertragung des Lichtes ausgekoppelt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Bei diesem Bauelement zum Auskoppeln des empfangenen reflektierten Lichts kann es sich beispielsweise um einen Zirkulator handeln.If the received reflected modulated light is not to be evaluated directly at the position of the transmitting and receiving device at which the reflected modulated light beam has been received, then the received reflected modulated light can also be forwarded to a further position via a suitable component. In particular, for example, for the forwarding of the modulated light from the modulator to the transmitting and receiving device and for the forwarding of the received reflected light from the transmitting and receiving device to the further processing in an evaluation a common Component, such as a common light guide can be used. In this case, the received, reflected modulated light can be coupled out by means of a suitable coupling-out element from the component for transmitting the light and provided for further processing. This component for decoupling the received reflected light may, for example, be a circulator.

Durch die Verwendung eines Listleiters zwischen dem Messort, an dem das Licht ausgesendet wird und dem Auswerteort, an dem das empfangene Licht analysiert und ausgewertet wird, können größere Distanzen bis hin zu einigen 100 Metern überbrückt werden.By using a list conductor between the measuring location at which the light is emitted and the evaluation location at which the received light is analyzed and evaluated, greater distances can be bridged up to some 100 meters.

Daraufhin kann das ausgesendete modulierte Licht mit dem empfangenen, reflektierten modulierten Licht verglichen werden und hierbei insbesondere ein Phasenunterschied zwischen den Phasen des ausgesendeten und des empfangenen Lichts ermittelt werden. Dabei können Phasenunterschiede des Lichtstrahls bei Modulation mit unterschiedlichen Frequenzen ermittelt und ausgewertet werden. Hieraus kann beispielsweise durch Ermittlung des Frequenzgangs, der Abstand des Zielobjekts zu einem vorbestimmten Referenzpunkt berechnet werden.Thereupon, the emitted modulated light can be compared with the received, reflected modulated light and in particular a phase difference between the phases of the emitted and the received light can be determined. In this case, phase differences of the light beam can be determined and evaluated during modulation with different frequencies. From this, for example, by determining the frequency response, the distance of the target object to a predetermined reference point can be calculated.

Die Abstandsberechnung auf Basis des eingesetzten Mehrfrequenzverfahrens ermöglicht hierbei eine sehr genaue Messauflösung, die gegenüber konventionellen Messverfahren, wie zum Beispiel Laser Distormetern deutlich gesteigert werden kann.The distance calculation based on the multi-frequency method used here allows a very accurate measurement resolution, which can be significantly increased compared to conventional measuring methods, such as laser disturbers.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Modulator der Abstandsmessvorrichtung dazu ausgelegt, die vorbestimmte Frequenz für die Modulation des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahls innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs kontinuierlich oder stufenweise zu variieren. Hierzu kann beispielsweise an dem Modulator ein Steuersignal bereitgestellt werden. Der Modulator kann daraufhin die Modulation des Lichtstrahls in Abhängigkeit von dem bereitgestellten Steuersignal anpassen. Beispielsweise kann der Modulator den Lichtstrahl mit einer Frequenz im Bereich von einigen Gigahertz, beispielsweise im Bereich von 10 GHz modulieren. Die Frequenz der Modulation kann zum Beispiel im Bereich von einem oder mehreren GHz, oder im Bereich von einigen MHz, einigen 10 MHz oder einigen 100 MHz variiert werden. Insbesondere kann die Frequenz für die Modulation des Lichtstrahls beispielsweise kontinuierlich oder stufenweise von einer unteren Frequenz bis zu einer oberen Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters erhöht oder abgesenkt werden. Die Variation der Frequenz kann insbesondere periodisch erfolgen. Auch ein abwechselndes Anheben und Absenken der Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs ist möglich. Auf diese Weise kann innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs der Frequenzgang des empfangenen, von dem Zielobjekt reflektierten modulierten Lichtstrahls in Bezug auf den ausgesendeten Lichtstrahl ermittelt werden, um hieraus die Entfernung des Zielobjekts von einem Referenzpunkt zu bestimmen.According to one embodiment, the modulator of the distance measuring device is designed to continuously or stepwise vary the predetermined frequency for the modulation of the light beam emitted by the light source within a predetermined frequency range. For this purpose, for example, a control signal can be provided at the modulator. The modulator can then adjust the modulation of the light beam in response to the control signal provided. For example, the modulator can modulate the light beam at a frequency in the range of a few gigahertz, for example in the range of 10 GHz. The frequency of the modulation may be varied, for example, in the range of one or more GHz, or in the range of several MHz, some 10 MHz, or some 100 MHz. In particular, the frequency for the modulation of the light beam may be increased or decreased, for example, continuously or stepwise from a lower frequency to an upper frequency within a predetermined time window. The variation of the frequency can be done in particular periodically. Also, an alternating raising and lowering of the frequency within a predetermined frequency range is possible. In this way, within the predetermined frequency range, the frequency response of the received modulated light beam reflected by the target object with respect to the emitted light beam can be determined in order to determine therefrom the distance of the target object from a reference point.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sende- und Empfangseinrichtung mindestens einen Lichtleiter. Der Lichtleiter kann dazu ausgelegt sein, das modulierte Licht von dem Modulator an eine vorbestimmte Position zu übertragen. In diesem Fall kann das Licht von dieser vorbestimmten Position in Richtung des Zielobjektes ausgesendet werden. Ferner kann der Lichtleiter dazu ausgelegt sein, an dieser vorbestimmten Position reflektiertes Licht des ausgesendeten Lichtstrahls zu empfangen, das von dem Zielobjekt in Richtung der vorbestimmten Position reflektiert worden ist. Dieses empfangene Licht kann von dem Lichtleiter daraufhin zu der Auswerteeinrichtung übertragen werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Lichtleiter um einen sogenannten Lichtwellenleiter handeln. Auf diese Weise kann das von dem Modulator modulierte Licht an eine nahezu beliebige Position geleitet werden, von welcher aus die optische Bestimmung des Abstandes erfolgen soll. Bei dem Lichtleiter kann es sich dabei um ein rein passives Bauelement handeln, welches vollständig aus nicht-metallischen Werkstoffen realisiert werden kann. Auf diese Weise entsteht keine Störung zwischen der Übertragung des Lichtes und elektrischen oder magnetischen Feldern in der Umgebung.According to one embodiment, the transmitting and receiving device comprises at least one light guide. The light guide may be configured to transmit the modulated light from the modulator to a predetermined position. In this case, the light can be emitted from this predetermined position toward the target object. Further, the optical fiber may be configured to receive at this predetermined position reflected light of the emitted light beam which has been reflected by the target object in the direction of the predetermined position. This received light can then be transmitted from the light guide to the evaluation device. For example, the optical waveguide may be a so-called optical waveguide. In this way, the light modulated by the modulator can be directed to an almost arbitrary position, from which the optical determination of the distance is to take place. The optical waveguide may be a purely passive component, which may be realized entirely from non-metallic materials. In this way, no interference arises between the transmission of the light and electric or magnetic fields in the environment.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Lichtleiter einen Single-Mode-Lichtleiter. Derartige Single-Mode-Lichtwellenleiter eignen sich besonders gut zur Übertragung des Lichtes, wobei ein zeitliches Auseinanderlaufen des modulierten Lichtes aufgrund von optischer Dispersion vermieden werden kann. Darüber hinaus sind auch Multimode-Lichtwellenleiter, insbesondere Multimode-Lichtwellenleiter mit geringer Dispersion möglich.According to one embodiment, the at least one light guide comprises a single-mode light guide. Such single-mode optical waveguides are particularly well suited for the transmission of light, wherein a temporal divergence of the modulated light due to optical dispersion can be avoided. In addition, multimode optical waveguides, in particular multimode optical waveguides with low dispersion are also possible.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sende- und Empfangseinrichtung eine Auskoppeleinrichtung. Die Auskoppeleinrichtung kann dazu ausgelegt sein, das empfangene reflektierte Licht aus dem Lichtleiter auszukoppeln und an der Auswerteeinrichtung bereitzustellen. Beispielsweise kann es sich bei der Auskoppeleinrichtung um einen sogenannten Zirkulator handeln. Auf diese Weise kann ein gemeinsamer Lichtleiter zur Übertragung des modulierten Lichts an die gewünschte Position zum Aussenden des modulierten Lichtes und zum Übertragen des empfangenen reflektierten Lichtes zu der Auswerteeinrichtung genutzt werden.According to one embodiment, the transmitting and receiving device comprises a decoupling device. The decoupling device can be designed to decouple the received reflected light from the optical waveguide and to provide it to the evaluation device. For example, the decoupling device may be a so-called circulator. In this way, a common optical fiber for transmitting the modulated light to the desired position for emitting the modulated light and for transmitting the received reflected light to the evaluation device can be used.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Lichtleiter dazu ausgelegt, an der vorbestimmten Position, an der das modulierte Licht in Richtung des Zielobjektes ausgesendet wird, einen Teil des modulierten Lichtes zu reflektieren. In diesem Fall kann der vorbestimmte Referenzpunkt, von dem der Abstand zu dem Zielobjekt berechnet wird, der Position entsprechen, an der ein Teil des modulierten Lichtes reflektiert wird. Diese Position, an der ein Teil des modulierten Lichtes in dem Lichtleiter reflektiert wird, kann insbesondere einem Ende des Lichtleiters entsprechen. Auf diese Weise kann das an dem Lichtleiter reflektierte Licht mit dem weiteren, am Zielobjekt reflektierten Licht verglichen werden und dabei der Phasenunterschied zwischen diesen beiden Anteilen des reflektierten Lichtes für die Abstandsberechnung ausgewertet werden. Hierdurch können Einflüsse des Lichtleiters auf den Frequenzgang des modulierten Lichtes sehr einfach eliminiert werden und fließen nicht in die Berechnung des Abstandes mit ein.According to one embodiment, the light guide is adapted to be at the predetermined Position at which the modulated light is emitted towards the target object to reflect a portion of the modulated light. In this case, the predetermined reference point from which the distance to the target object is calculated may correspond to the position at which a part of the modulated light is reflected. This position, at which part of the modulated light is reflected in the light guide, may in particular correspond to one end of the light guide. In this way, the light reflected at the light guide can be compared with the further light reflected at the target object and the phase difference between these two parts of the reflected light can be evaluated for the distance calculation. As a result, influences of the optical fiber on the frequency response of the modulated light can be very easily eliminated and are not included in the calculation of the distance.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sende- und Empfangseinrichtung mehrere Lichtleiter. Jeder dieser mehreren Lichtleiter kann dabei dazu ausgelegt sein, das modulierte Licht an jeweils eine separate vorbestimmte Position zu übertragen. Auf diese Weise können besonders effizient mehrere Abstandsmessungen ausgeführt werden. Insbesondere sind hierbei nur eine einzige Lichtquelle, ein einziger Modulator und eine einzige Auswerteeinrichtung erforderlich.According to one embodiment, the transmitting and receiving device comprises a plurality of optical fibers. Each of these multiple optical fibers can be designed to transmit the modulated light to a separate predetermined position. In this way, a plurality of distance measurements can be carried out particularly efficiently. In particular, in this case only a single light source, a single modulator and a single evaluation device are required.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Abstandsmessvorrichtung einen Multiplexer. Der Multiplexer kann zwischen dem Modulator und den mehreren Lichtleitern angeordnet sein. Dabei kann der Multiplexer dazu ausgelegt sein, das modulierte Licht abwechselnd an jeweils einem der mehreren Lichtleiter bereitzustellen. Auf diese Weise können abwechselnd jeweils Abstandsmessungen mittels der einzelnen Lichtleitern ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige und effiziente Messung mehrerer Abstände mittels einer gemeinsamen Vorrichtung.According to one embodiment, the distance measuring device comprises a multiplexer. The multiplexer may be disposed between the modulator and the plurality of optical fibers. In this case, the multiplexer can be designed to provide the modulated light alternately on in each case one of the plurality of optical fibers. In this way, distance measurements by means of the individual optical waveguides can be carried out alternately. This allows a particularly reliable and efficient measurement of multiple distances by means of a common device.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die mehreren Lichtleiter jeweils eine unterschiedliche Länge auf. Insbesondere unterscheiden sich die Längen der einzelnen Lichtleiter signifikant voneinander. Signifikant kann in diesem Fall beispielsweise ein Unterschied von einem oder mehreren Millimetern, einem oder mehreren Zentimetern oder auch ein größerer Längenunterschied bedeuten. Durch die Verwendung unterschiedlich langer Lichtleiter zur Übertragung des modulierten Lichts an unterschiedliche Positionen können die einzelnen unterschiedlichen Positionen basierend auf Laufzeitunterschieden des Lichtes sehr einfach identifiziert und unterschieden werden.According to one embodiment, the plurality of optical fibers each have a different length. In particular, the lengths of the individual light guides differ significantly from one another. Significant in this case, for example, mean a difference of one or more millimeters, one or more centimeters or a greater difference in length. By using different lengths of light guide for transmitting the modulated light to different positions, the individual different positions can be easily identified and distinguished based on transit time differences of the light.

Gemäß einer Ausführungsform ist jede Lichtquelle dazu ausgelegt, monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge auszusenden. Das Licht kann im Wellenlängenspektrum von sichtbarem Licht, d.h. im Bereich zwischen 400 und 750 nm liegen. Darüber hinaus ist auch nicht für den Menschen sichtbares Licht im infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich möglich. Insbesondere ist Licht im Bereich von 1300nm - 1550 nm gut geeignet. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch Lichtquellen möglich, welche dazu ausgelegt sind, Licht mit mehreren unterschiedlichen Spektralanteilen auszusenden.According to one embodiment, each light source is adapted to emit monochromatic light having a predetermined wavelength. The light may be in the wavelength spectrum of visible light, i. range between 400 and 750 nm. In addition, light that is not visible to humans is also possible in the infrared or ultraviolet wavelength range. In particular, light in the range of 1300nm - 1550 nm is well suited. In principle, light sources are also possible, which are designed to emit light with several different spectral components.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, die Amplitude des von der Sende- und Empfangseinrichtung ausgesendeten Lichtstrahls und des von der Sende- und Empfangseinrichtung empfangenen reflektierten Lichts zu ermitteln. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung die Entfernung des Zielobjekts unter Verwendung der ermittelten Amplituden berechnen.According to one embodiment, the evaluation device is designed to determine the amplitude of the light beam emitted by the transmitting and receiving device and of the reflected light received by the transmitting and receiving device. In this case, the evaluation device can calculate the distance of the target object using the determined amplitudes.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Abstandsmessvorrichtung ferner eine optische Einrichtung, die dazu ausgelegt ist, den von der Sende- und Empfangseinrichtung ausgesendeten Lichtstrahl abzulenken. Ferner kann die optische Einrichtung auch dazu ausgelegt sein, den ausgesendeten Lichtstrahl und/ oder das von dem Zielobjekt reflektierte Licht zu bündeln, zu fokussieren und/oder in einer anderen geeigneten Weise optisch zu beeinflussen. Insbesondere kann die Abstandsmessvorrichtung auch einen sogenannten Kollimator umfassen, der das ausgesendete modulierte Licht in geeigneter Weise auf das Zielobjekt ausrichtet.According to one embodiment, the distance measuring device further comprises an optical device which is designed to deflect the light beam emitted by the transmitting and receiving device. Furthermore, the optical device can also be designed to focus, focus and / or optically influence the emitted light beam and / or the light reflected by the target object, and / or in another suitable manner. In particular, the distance measuring device may also include a so-called collimator, which aligns the emitted modulated light in a suitable manner to the target object.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Messsystem mit der Abstandsmessvorrichtung einen Referenzreflektor. Dieser Referenzreflektor kann an einem vorbestimmten Referenzpunkt angeordnet sein. Insbesondere kann der Referenzreflektor dazu ausgelegt sein, mindestens einen Teil des von der Sende- und Empfangseinrichtung ausgesendeten Lichtstrahls in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zu reflektieren. Auf diese Weise kann das von dem Referenzreflektor reflektierte Licht als Referenz zur Ermittlung des Phasenunterschiedes in Bezug auf das vom Zielobjekt reflektierte Licht genutzt werden.According to one embodiment, the measuring system with the distance measuring device comprises a reference reflector. This reference reflector may be arranged at a predetermined reference point. In particular, the reference reflector can be designed to reflect at least a portion of the light beam emitted by the transmitting and receiving device in the direction of the transmitting and receiving device. In this way, the light reflected from the reference reflector can be used as a reference for determining the phase difference with respect to the light reflected from the target object.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Messsystem einen Reflektor, der an dem Zielobjekt angeordnet ist. Auf diese Weise kann an dem Zielobjekt besonders effizient das modulierte Licht zur Sende- und Empfangseinrichtung reflektiert werden. Insbesondere sind als Reflektoren sogenannte Retroreflektoren geeignet. Derartige Retroreflektoren reflektieren das Licht größtenteils in Richtung der Strahlungsquelle zurück. Diese Reflektoren bestehen typischerweise aus sogenannten Corner Cubes. Die Größe der einzelnen Cubes kann zwischen wenigen µm und etwa 5mm variieren.According to one embodiment, the measuring system comprises a reflector which is arranged on the target object. In this way, the modulated light can be reflected to the transmitting and receiving device particularly efficiently at the target object. In particular, so-called retroreflectors are suitable as reflectors. Such retroreflectors largely reflect the light back toward the radiation source. These reflectors typically consist of so-called corner cubes. The size of the individual cubes can vary between a few μm and about 5mm.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen. The above embodiments and developments can, as far as appropriate, combine arbitrarily. Further refinements, further developments and implementations of the invention also include combinations of feature of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the present invention.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Messsystems zur optischen Abstandsmessung mit einer Auswerteeinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform;
  • 4: eine schematische Darstellung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 5: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur optischen Abstandsmessung wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. Showing:
  • 1 : a schematic representation of a measuring system for optical distance measurement with an evaluation device according to an embodiment;
  • 2 : a schematic representation of a measuring system according to a further embodiment;
  • 3 a schematic representation of a measuring system according to yet another embodiment;
  • 4 FIG. 2 is a schematic representation of a distance measuring device according to an embodiment; FIG.
  • 5 FIG. 2 is a schematic representation of a method for optical distance measurement on which a method according to an embodiment is based. FIG.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems zur optischen Abstandsmessung gemäß einer Ausführungsform. Das Messsystem umfasst eine Abstandsmessvorrichtung mit einer Lichtquelle 1, einem Modulator 2, einer Sende- und Empfangseinrichtung 3 und einer Auswerteeinrichtung 4. Das Messsystem dient dazu, einen Abstand a zwischen einem Referenzpunkt R und einem Zielobjekt 5 zu ermitteln. Hierzu kann gegebenenfalls an dem Zielobjekt 5 ein Reflektor 51 vorgesehen sein. Bei der Lichtquelle 1 kann es sich um eine beliebige Lichtquelle handeln, die dazu geeignet ist, einen Lichtstrahl mit den gewünschten Eigenschaften bereitzustellen. Insbesondere kann die Lichtquelle monochromatisches Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgeben. Das Licht kann dabei sowohl im sichtbaren Wellenlängenbereich, als auch im nicht sichtbaren infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich liegen. Insbesondere kann es sich bei der Lichtquelle 1 beispielsweise um eine Leuchtdiode handeln. Vorzugsweise kann es sich bei der Lichtquelle um eine Leuchtdiode handeln, welche dazu ausgelegt ist, Laserlicht einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren. Das Licht von der Lichtquelle 1 wird einem Modulator 2 zugeführt. Bei dem Modulator 2 kann es sich beispielsweise um einen Mach-Zehnder-Modulator handeln. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige andere Modulatoren möglich, welche dazu geeignet sind, das Licht von der Lichtquelle 1 in seiner Intensität zu modulieren. Der Modulator 2 moduliert dabei die Intensität des Lichtes 1 von der Lichtquelle 1 derart, dass die Intensität mit einer vorgegebenen Frequenz variiert. Insbesondere kann die Intensität des Lichtes dabei sinusförmig moduliert werden. Hierzu kann die Frequenz, mit der das Licht in dem Modulator 2 moduliert werden soll, von einer externen Steuergröße vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Intensität des Lichtes in dem Modulator 2 mit einer Frequenz von einigen Gigahertz, insbesondere im Bereich von 10 GHz oder gegebenenfalls auch mehr moduliert werden. Aber auch eine Modulation mit Frequenzen von weniger als 10 GHz ist möglich. Die vorgegebene Frequenz, mit der das Licht in dem Modulator 2 moduliert wird, muss dabei nicht konstant gehalten werden. Vielmehr kann die Frequenz für die Modulation des Lichtes in dem Modulator 2 kontinuierlich oder gegebenenfalls auch stufenweise variiert werden. Beispielsweise kann die Frequenz, mit der das Licht in dem Modulator 2 moduliert wird, innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches im Bereich von einigen Kilohertz, einigen Megahertz oder gegebenenfalls auch im Bereich von einem oder mehreren Gigahertz variiert werden. Insbesondere kann die Variation der Modulationsfrequenz periodisch erfolgen. Dabei kann die Frequenz für die Modulation kontinuierlich oder stufenweise von einem unteren Frequenzwert bis zu einem oberen Frequenzwert angehoben werden. Alternativ kann die Frequenz auch von einem oberen Frequenzwert bis zu einem unteren Frequenzwert kontinuierlich oder stufenweise abgesenkt werden. Darüber hinaus kann die Frequenz auch abwechselnd zwischen einem unteren und einem oberen Frequenzwert angehoben und abgesenkt werden. Soll die Frequenz schrittweise angehoben und/oder abgesenkt werden, so können hierbei eine beliebige Anzahl von Schritten gewählt werden. Beispielsweise sind zwei, vier, fünf, zehn oder auch mehr Schritte möglich. Durch die Erhöhung der Anzahl von Schritten oder auch gegebenenfalls durch das Anpassen des Frequenzintervalls zwischen dem die Modulation des Lichtes erfolgt, kann die Genauigkeit der Abstandsbestimmung gegebenenfalls erhöht werden. 1 shows a schematic representation of a measuring system for optical distance measurement according to an embodiment. The measuring system comprises a distance measuring device with a light source 1 , a modulator 2 , a transmitting and receiving device 3 and an evaluation device 4 , The measuring system serves a distance a between a reference point R and a target object 5 to investigate. This may optionally be done on the target object 5 a reflector 51 be provided. At the light source 1 it may be any light source capable of providing a light beam having the desired characteristics. In particular, the light source can output monochromatic light of a predetermined wavelength. The light can be both in the visible wavelength range, as well as in the non-visible infrared or ultraviolet wavelength range. In particular, it may be at the light source 1 for example, to act a light emitting diode. Preferably, the light source may be a light emitting diode configured to emit laser light of a predetermined wavelength. The light from the light source 1 becomes a modulator 2 fed. In the modulator 2 it may be, for example, a Mach-Zehnder modulator. In addition, however, any other modulators are possible, which are adapted to the light from the light source 1 to modulate in its intensity. The modulator 2 modulates the intensity of the light 1 from the light source 1 such that the intensity varies with a given frequency. In particular, the intensity of the light can be modulated sinusoidally. This may be the frequency with which the light in the modulator 2 should be modulated by an external control variable. For example, the intensity of the light in the modulator 2 be modulated with a frequency of a few gigahertz, in particular in the range of 10 GHz or possibly even more. But also a modulation with frequencies of less than 10 GHz is possible. The default frequency with which the light in the modulator 2 modulated, it does not have to be kept constant. Rather, the frequency for the modulation of the light in the modulator 2 be varied continuously or optionally also gradually. For example, the frequency with which the light in the modulator 2 is modulated to be varied within a predetermined frequency range in the range of a few kilohertz, a few megahertz or possibly also in the range of one or more gigahertz. In particular, the variation of the modulation frequency can take place periodically. In this case, the frequency for the modulation can be raised continuously or stepwise from a lower frequency value to an upper frequency value. Alternatively, the frequency may also be lowered continuously or stepwise from an upper frequency value to a lower frequency value. In addition, the frequency can also be alternately raised and lowered between a lower and an upper frequency value. If the frequency is to be incrementally raised and / or lowered, an arbitrary number of steps can be selected here. For example, two, four, five, ten or even more steps are possible. By increasing the number of steps or possibly by adjusting the frequency interval between which the modulation of the light takes place, the accuracy of the distance determination can optionally be increased.

Nachdem das Licht von der Lichtquelle 1 in dem Modulator 2 moduliert worden ist, wird es der Sende- und Empfangseinrichtung 3 zugeführt. Die Sende- und Empfangseinrichtung 3 kann neben einem Sende- und Empfangselement 33 einen Lichtleiter 32 und eine Auskoppeleinrichtung 31 umfassen. Bei der Auskoppeleinrichtung 31 kann es sich beispielsweise um einen Zirkulator oder ein ähnliches Bauelement handeln. Insbesondere kann es sich bei der Auskoppeleinrichtung 31 um ein vorzugsweise passives Bauelement handeln, welches ein Auftrennen des Lichtes durch die Auskoppeleinrichtung 31 in Abhängigkeit von der Signalrichtung ermöglicht. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, das Licht von dem Modulator 2 durch die Auskoppeleinrichtung 33 in Richtung der Sende- und Empfangseinheit 33 zu leiten. Bei einer umgekehrten Signalrichtung des Lichts von der Sende- und Empfangseinheit 33 wird das Licht dagegen der Auswerteeinrichtung 4 zugeführt.After the light from the light source 1 in the modulator 2 is modulated, it becomes the transmitting and receiving device 3 fed. The transmitting and receiving device 3 can be next to a transmitting and receiving element 33 a light guide 32 and a decoupling device 31 include. At the decoupling device 31 For example, it may be a circulator or similar Act component. In particular, it may be in the decoupling device 31 to act a preferably passive device, which is a separation of the light through the coupling device 31 depending on the signal direction allows. In this way it is possible, for example, the light from the modulator 2 through the coupling-out device 33 in the direction of the transmitting and receiving unit 33 to lead. In a reverse signal direction of the light from the transmitting and receiving unit 33 On the other hand, the light is the evaluation device 4 fed.

Die Sende- und Empfangseinrichtung 3 kann darüber hinaus mindestens einen Lichtleiter 32 umfassen. Bei diesem Lichtleiter 32 kann es sich um einen beliebigen Lichtwellenleiter handeln. Vorzugsweise kann es sich bei dem Lichtleiter 32 um einen sogenannten Single-Mode-Lichtwellenleiter handeln. Hierdurch ist es möglich, ein zeitliches Auseinanderlaufen des modulierten Lichts aufgrund von optischer Dispersion zu vermeiden. Darüber hinaus sind jedoch auch Multimode-Lichtwellenleiter, insbesondere Multimode-Lichtwellenleiter mit geringer Dispersion sind ebenfalls möglich. Mittels des Lichtwellenleiters 32 ist es möglich, das Licht von dem Modulator 2 bis zu einer gewünschten Messstelle zu leiten. Auf diese Weise können auch schwer zugängliche Messstellen gut erreicht werden. Insbesondere können die Lichtleiter 32 vollständig aus nicht-metallischen Werkstoffen realisiert werden, so dass selbst bei starken elektrischen und/oder magnetischen Feldern keine Beeinflussung oder Störung erfolgt. Die Länge der Lichtleiter 32 ist dabei nur durch die eventuell vorhandene Dämpfung in dem Lichtleiter 32 begrenzt. Bei entsprechend qualitativ hochwertigen Lichtleitern 32 sind dabei Längen bis zu einigen Metern und sogar einigen hundert Metern oder gegebenenfalls darüber hinaus möglich.The transmitting and receiving device 3 In addition, at least one light guide 32 include. In this light guide 32 it can be any fiber optic cable. Preferably, it may be in the optical fiber 32 to act as a so-called single-mode optical fiber. This makes it possible to avoid temporal divergence of the modulated light due to optical dispersion. In addition, however, multimode optical fibers, in particular multimode optical fibers with low dispersion are also possible. By means of the optical waveguide 32 is it possible to get the light from the modulator 2 to lead to a desired measuring point. In this way, hard-to-reach measuring points can be easily reached. In particular, the light guides 32 be completely made of non-metallic materials, so that even with strong electrical and / or magnetic fields no interference or disturbance takes place. The length of the light guides 32 is only by the possibly existing attenuation in the light guide 32 limited. With correspondingly high quality light guides 32 Lengths up to a few meters and even a few hundred meters or possibly beyond are possible.

Am Ende des Lichtleiters 32 ist eine Sende- und Empfangseinheit 33 vorgesehen. Im einfachsten Fall kann es sich bei dieser Sende- und Empfangseinheit 33 um ein Ende des Lichtleiters 32 handeln, aus welchem das durch den Modulator 2 modulierte Licht gezielt austreten kann. Darüber hinaus kann die Sende- und Empfangseinheit 33 gegebenenfalls auch noch weitere optische Elemente umfassen. Insbesondere kann die Sende- und Empfangseinheit 33 beispielsweise einen Kollimator umfassen. Ein solcher Kollimator dient zur Kollimation, also zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs, des aus dem Lichtleiter 32 austretenden Lichtes. Darüber hinaus sind gegebenenfalls auch weitere optische Bauelemente zum gezielten Ablenken des aus dem Lichtleiter 32 austretenden Lichtstrahls möglich. Gegebenenfalls kann beim Austritt des durch den Modulator 2 modulierten Lichtes aus dem Lichtleiter 32 ein Teil des modulierten Lichtes an dem Ende des Lichtleiters 32 reflektiert werden. Dieses reflektierte Licht breitet sich daraufhin erneut durch den Lichtleiter 32 bis zu der Auskoppeleinrichtung 31 und weiter zu der Auswerteeinrichtung 4 aus.At the end of the light guide 32 is a transmitting and receiving unit 33 intended. In the simplest case, this transmitting and receiving unit can 33 around one end of the light guide 32 act, from which through the modulator 2 modulated light can escape specifically. In addition, the transmitting and receiving unit 33 optionally also comprise further optical elements. In particular, the transmitting and receiving unit 33 For example, include a collimator. Such a collimator is used for collimation, ie for generating a parallel beam path, that of the light guide 32 leaking light. In addition, if necessary, further optical components for targeted deflection of the light guide 32 Exiting light beam possible. Optionally, at the exit of the through the modulator 2 modulated light from the light guide 32 a portion of the modulated light at the end of the light guide 32 be reflected. This reflected light then propagates again through the light guide 32 to the decoupling device 31 and on to the evaluation device 4 out.

Der nicht-reflektierte Anteil des modulierten Lichts 2 tritt aus dem Lichtleiter 32 aus. Dabei ist das austretende Licht vorzugsweise in Richtung eines Zielobjekts 5 gerichtet. Das ausgetretene, modulierte Licht trifft auf das Zielobjekt 5 und wird an diesem reflektiert. Hierzu kann gegebenenfalls an einem Zielobjekt 5 ein geeigneter Reflektor 51 vorgesehen sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Reflektor 51 um einen sogenannten Retroreflektor handeln. Ein solcher Retroreflektor reflektiert die einfallende Strahlung weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Reflektors größtenteils zurück zur Strahlungsquelle, also in diesem Fall zur Sende- und Empfangseinheit 33.The non-reflected portion of the modulated light 2 emerges from the light guide 32 out. In this case, the exiting light is preferably in the direction of a target object 5 directed. The leaked, modulated light hits the target object 5 and is reflected on this. This may optionally be done on a target object 5 a suitable reflector 51 be provided. For example, it may be at the reflector 51 to act as a so-called retroreflector. Such a retroreflector largely reflects the incident radiation largely independent of the orientation of the reflector back to the radiation source, so in this case to the transmitting and receiving unit 33 ,

Das an dem Zielobjekt 5 reflektierte Licht, welches wieder auf die Sende- und Empfangseinheit 33 tritt, wird über den Lichtleiter 32 weitergeleitet bis zu der Auskoppeleinheit 31. Die Auskoppeleinheit 33 leitet das reflektierte Licht weiter zur Auswerteeinrichtung 4.That on the target object 5 reflected light, which again on the transmitting and receiving unit 33 occurs, is over the light guide 32 forwarded to the decoupling unit 31 , The decoupling unit 33 directs the reflected light to the evaluation device 4 ,

Somit empfängt die Auswerteeinrichtung 4 einerseits das modulierte Licht, welches nicht aus dem Lichtleiter 32 ausgetreten ist, sondern direkt am Ende des Lichtleiters 32 zurückreflektiert worden ist. Darüber hinaus empfängt die Auswerteeinrichtung 4 auch das Licht, welches von der Sende- und Empfangseinheit 3 in Richtung des Zielobjekts 5 emittiert wurde, vom Zielobjekt 5 reflektiert und zurück zu der Sende- und Empfangseinheit 23 reflektiert worden ist.Thus, the evaluation device receives 4 on the one hand, the modulated light, which is not out of the light guide 32 is leaked, but directly at the end of the light guide 32 has been reflected back. In addition, the evaluation device receives 4 also the light coming from the transmitting and receiving unit 3 in the direction of the target object 5 was emitted from the target object 5 reflected and back to the transmitting and receiving unit 23 has been reflected.

Auf diese Weise ergibt sich zwischen den beiden Anteilen des von der Auswerteeinrichtung 4 empfangenen Lichtes ein Laufzeitunterschied, der der doppelten Entfernung a zwischen dem Zielobjekt 5 und einer Referenzposition R entspricht. Die Referenzposition R entspricht dabei zum Beispiel der Position, an der ein Teil des modulierten Lichts 2 direkt reflektiert worden ist, ohne aus dem Lichtleiter 32 auszutreten.In this way, results between the two shares of the evaluation 4 light received a transit time difference of twice the distance a between the target object 5 and a reference position R corresponds. The reference position R corresponds, for example, to the position at which a part of the modulated light 2 has been reflected directly, without leaving the light guide 32 withdraw.

Die Auswerteeinrichtung 4 empfängt die von der Auskoppeleinrichtung 31 der Sende- und Empfangseinrichtung 3 ausgekoppelten Lichtsignale. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung 4 beispielsweise einen Sensor 41 umfassen, welcher die optischen Signale in elektronische Signale konvertiert. Beispielsweise kann es sich bei diesem Sensor 41 um eine Photodiode oder ein ähnliches Bauelement handeln. Die Auswerteeinrichtung 4 erhält somit ein Signal, welches sich analog zu der Kombination der beiden optischen Signale aus dem am Referenzpunkt R reflektierten modulierten Lichtsignal und dem am Zielobjekt 5 reflektierten Lichtsignal zusammensetzt. Aufgrund der Laufzeitunterschiede der beiden Signale ergibt sich zwischen den beiden Signalanteilen ein Phasenunterschied. Die Auswerteeinrichtung 4 analysiert diesen Phasenunterschied zwischen den beiden Signalanteilen und berechnet unter Verwendung des Phasenunterschiedes den Abstand a zwischen dem Referenzpunkt R und dem Zielobjekt 5.The evaluation device 4 receives the from the decoupler 31 the transmitting and receiving device 3 decoupled light signals. For this purpose, the evaluation 4 for example, a sensor 41 include, which converts the optical signals into electronic signals. For example, this sensor may be 41 to act a photodiode or a similar device. The evaluation device 4 thus receives a signal which is analogous to the combination of the two optical signals from the modulated at the reference point R modulated light signal and the target object 5 composed of reflected light signal. Due to the differences in the transit time of the two signals, a phase difference results between the two signal components. The evaluation device 4 analyzes this phase difference between the two signal components and calculates, using the phase difference, the distance a between the reference point R and the target object 5 ,

Neben der Messung der Phasen in dem empfangenen Signal in der Auswerteeinrichtung 4 kann darüber hinaus auch die Amplitude des empfangenen Signals mit in den Berechnungsprozess für die Bestimmung des Abstands a einbezogen werden.In addition to the measurement of the phases in the received signal in the evaluation 4 In addition, the amplitude of the received signal can also be included in the calculation process for the determination of the distance a.

Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Modulationsfrequenzen für die Modulation des Lichts in dem Modulator 2 können mehrere Messungen durchgeführt werden, bei denen jeweils die Phasenunterschiede zwischen dem Licht, das an dem Referenzpunkt R reflektiert worden ist und dem Licht, das an dem Zielobjekt 5 reflektiert worden ist, miteinander verglichen werden. Auf diese Weise kann der Frequenzganz über den Bereich ermittelt werden, über den das Licht in dem Modulator 2 moduliert worden ist. Hierzu ist, wie zuvor bereits beschrieben, eine kontinuierliche oder stufenweise Variation der Modulationsfrequenz über einen vorgegebenen Frequenzbereich möglich.By using several different modulation frequencies for the modulation of the light in the modulator 2 For example, a plurality of measurements may be performed in which the phase differences between the light reflected at the reference point R and the light incident at the target object, respectively 5 has been reflected, compared with each other. In this way, the frequency can be determined entirely over the range over which the light in the modulator 2 has been modulated. For this purpose, as already described above, a continuous or stepwise variation of the modulation frequency over a predetermined frequency range is possible.

Zur Bestimmung des Abstandes a zwischen dem Referenzpunkt R und dem Zielobjekt 5 kann aus dem zuvor beschriebenen gemessenen Frequenzgang eine Impulsantwort der Lichtreflexion bestimmt werden. Diese Impulsantwort kann beispielsweise mittels einer inversen Fourier-Transformation des Frequenzgangs berechnet werden. Bei einer bekannten Lichtausbreitungsgeschwindigkeit kann daraus im Anschluss der Abstand a zwischen dem Referenzpunkt R und einem oder mehreren Zielobjekten 5 bestimmt werden. Dieses Verfahren zur Bestimmung des Abstands a zwischen dem Referenzpunkt R und dem Zielobjekt 5 beruht auf dem Prinzip der inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie (Englisch: optical frequency domain reflectometry, OFDR). Dieses Verfahren beruht auf der Eigenschaft, dass die Modulationsfrequenz des gesendeten Lichts über einen größeren Bereich variiert.For determining the distance a between the reference point R and the target object 5 can be determined from the measured frequency response described above, an impulse response of the light reflection. This impulse response can be calculated, for example, by means of an inverse Fourier transformation of the frequency response. At a known light propagation speed, the distance a between the reference point can subsequently ensue R and one or more targets 5 be determined. This method for determining the distance a between the reference point R and the target object 5 is based on the principle of incoherent optical frequency domain reflectometry (OFDR). This method is based on the property that the modulation frequency of the transmitted light varies over a wider range.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems mit einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Abstandsmessvorrichtung in dieser Ausführungsform ist weitestgehend identisch mit der zuvor beschriebenen Abstandsmessvorrichtung, so dass die Beschreibung der gleichen oder gleichwertigen Komponenten nicht wiederholt wird. Die Abstandsmessvorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel darin, dass hierbei mehrere Abstände a-i zu mehreren Zielobjekten 5-i gemessen werden können. Hierzu kann das vor dem Modulator 2 modulierte Licht nach der Auskoppeleinrichtung 31 in mehrere Teile aufgespalten werden. Beispielsweise kann hierzu in der Sende- und Empfangseinrichtung ein Strahlteiler 34 oder ein anderes Bauteil vorgesehen sein, welches das modulierte Licht in mehrere vorzugsweise gleiche Teile aufspaltet. Anschließend kann jeder Teil des Lichtes über einen separaten Lichtleiter 32-i an eine Sende- und Empfangseinheit 33-i weitergeleitet werden. Jede der Sende- und Empfangseinheiten 33-i kann daraufhin einen Lichtstrahl in Richtung eines Zielobjekts 5-i aussenden. Das von dem entsprechenden Zielobjekt 5-i reflektierte Licht wird daraufhin von der korrespondierenden Sende- und Empfangseinheit 33-i erfasst und über den jeweiligen Lichtleiter 32-i zu der Auskoppeleinrichtung 31 geleitet. Dabei können die einzelnen Anteile des reflektierten Lichtes vor der Auskoppeleinrichtung 31 kombiniert werden. Die Auswerteeinrichtung 4 kann in diesem Fall die einzelnen Frequenzgänge für jeden einzelnen Strang aus Lichtleiter 32-i und angeschlossener Sende- und Empfangseinheit 33-i bis hin zu dem jeweiligen Zielobjekt 5-i erfassen und auswerten. Daraufhin können die einzelnen Abstände a-i entsprechend berechnet werden. Zur Unterscheidung der einzelnen Teilstränge in einer solchen Anordnung mit mehreren Lichtleitern 32-i und mehreren Sende- und Empfangseinheiten 33-i ist es vorteilhaft, dass die einzelnen Lichtleiter 32-i jeweils voneinander signifikant unterschiedliche Längen aufweisen. Signifikant unterschiedliche Längen können in diesem Zusammenhang Längenunterschiede von mindestens einigen Millimetern oder Zentimetern oder gegebenenfalls auch von einigen oder mehreren Metern bedeuten. 2 shows a schematic representation of a measuring system with a distance measuring device according to another embodiment. The distance measuring device in this embodiment is almost identical to the above-described distance measuring device, so that the description of the same or equivalent components will not be repeated. The distance measuring device in this embodiment differs from the embodiment described above in that in this case a plurality of distances ai to a plurality of target objects 5-i can be measured. This can be done in front of the modulator 2 modulated light after the coupling device 31 split into several parts. For example, for this purpose, in the transmitting and receiving device, a beam splitter 34 or another component which splits the modulated light into a plurality of preferably identical parts. Subsequently, each part of the light can be transmitted via a separate light guide 32-i to a transmitting and receiving unit 33-i to get redirected. Each of the transmitting and receiving units 33-i can then send a beam of light towards a target object 5-i send out. That of the corresponding target object 5-i reflected light is then from the corresponding transmitting and receiving unit 33-i recorded and over the respective light guide 32-i to the decoupling device 31 directed. In this case, the individual portions of the reflected light in front of the coupling-out device 31 be combined. The evaluation device 4 can in this case the individual frequency responses for each strand of optical fiber 32-i and connected transmitting and receiving unit 33-i up to the respective target object 5-i capture and evaluate. Then the individual distances ai can be calculated accordingly. To distinguish the individual sub-strands in such an arrangement with multiple optical fibers 32-i and a plurality of transmitting and receiving units 33-i It is advantageous that the individual light guides 32-i each have significantly different lengths from each other. Significantly different lengths may in this context mean differences in length of at least a few millimeters or centimeters or possibly also of a few or several meters.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zur optischen Abstandsmessung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel ist weitestgehend identisch mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich im Wesentlichen darin, dass anstelle eines Strahlteilers 34 zum Aufspalten des modulierten Lichtes ein Multiplexer 35 vorgesehen ist. Der Multiplexer 35 weist auf der Eingangsseite einen Eingang auf, in dem das modulierte Licht von dem Modulator 2 bereitgestellt werden kann. Ferner weist der Multiplexer mehrere Ausgänge auf. Entsprechend einem Steuersignal, das beispielsweise von der Auswerteeinrichtung 4 bereitgestellt werden kann, verbindet der Multiplexer 1 den Eingang des Multiplexers 35 mit jeweils einem Ausgang des Multiplexers 35. Somit können je nach Einstellung des Multiplexers 35 jeweils ein Signalpfad mit einem Lichtleiter 32 und der korrespondierenden Sende- und Empfangseinheit 33-i angesteuert werden. Durch abwechselndes bzw. nacheinander folgendes Aufschalten der einzelnen Ausgänge des Multiplexers 35 können somit mehrere Abstandsmessungen mit den einzelnen Lichtleitern 32-i und den korrespondierenden Sende- und Empfangseinheiten 33-i zu den entsprechenden Zielobjekten 5-i ausgeführt werden. Da der Auswerteeinrichtung 4 auf Grundlage des Steuersignals für den Multiplexer 35 der jeweilige Signalpfad bekannt ist, können die Signale besonders einfach der entsprechenden Abstandsmessung zugeordnet werden. 3 shows a schematic representation of a measuring device for optical distance measurement according to another embodiment. This embodiment is largely identical to the embodiment described above and differs essentially in that instead of a beam splitter 34 for splitting the modulated light, a multiplexer 35 is provided. The multiplexer 35 has an input on the input side in which the modulated light from the modulator 2 can be provided. Furthermore, the multiplexer has several outputs. In accordance with a control signal, for example from the evaluation device 4 can be provided, the multiplexer connects 1 the input of the multiplexer 35 each with an output of the multiplexer 35 , Thus, depending on the setting of the multiplexer 35 in each case a signal path with a light guide 32 and the corresponding transmitting and receiving unit 33-i be controlled. By alternately or successively connecting the individual outputs of the multiplexer 35 Thus, several distance measurements with the individual light guides 32-i and the corresponding transmitting and receiving units 33-i to the corresponding target objects 5-i be executed. As the evaluation 4 based on the control signal for the multiplexer 35 the respective signal path is known, the signals can be particularly easily associated with the corresponding distance measurement.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere handelt es sich hierbei um die Konfiguration von möglichen optischen Bauelementen zur Steuerung des Lichtstrahls zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung 3 und dem Zielobjekt 5. Die hierbei beschriebenen optischen Bauelemente können dabei einzeln oder gegebenenfalls auch in Kombination mit jeder der zuvor beschriebenen Abstandsmessvorrichtungen eingesetzt werden. Das Licht von dem Lichtleiter 32 tritt an der Sende- und Empfangseinheit 33 aus dem Lichtleiter 32 aus. Wie zuvor bereits beschrieben, kann hierbei beispielsweise ein Teil des modulierten Lichtes am Ende des Lichtleiters 32 reflektiert werden. Dieses direkt am Ende des Lichtleiters 32 reflektierte Licht kann dabei als Referenzsignal für die Bestimmung des Phasenunterschiedes herangezogen werden. Entsprechend stellt das Ende des Lichtleiters 32, an dem ein Teil des modulierten Lichtes unmittelbar reflektiert wird, die Referenzposition R dar. Darüber hinaus ist es grundsätzlich auch möglich, einen weiteren Referenzreflektor vorzusehen, der einen Teil des aus dem Lichtleiter 32 austretenden Lichtes reflektiert und zurück zu der Sende- und Empfangseinheit 33 wirft. In diesem Fall kann mittels eines solchen Referenzreflektors auch eine Referenzposition an einer beliebigen anderen Stelle vorgesehen werden. 4 shows a schematic representation of a portion of a distance measuring device according to an embodiment. In particular, this is the configuration of possible optical components for controlling the light beam between the transmitting and receiving device 3 and the target object 5 , The optical components described here can be used individually or optionally also in combination with any of the distance measuring devices described above. The light from the light guide 32 occurs at the transmitting and receiving unit 33 from the light guide 32 out. As already described above, in this case, for example, a part of the modulated light at the end of the light guide 32 be reflected. This right at the end of the light guide 32 reflected light can be used as a reference signal for the determination of the phase difference. Accordingly, the end of the light guide 32 at which a part of the modulated light is directly reflected, the reference position R In addition, it is also possible in principle to provide a further reference reflector which forms part of the light guide 32 reflected light and back to the transmitting and receiving unit 33 throws. In this case, by means of such a reference reflector and a reference position can be provided at any other location.

Zur Gestaltung des Lichtstrahls kann nach der Sende- und Empfangseinheit 33 ein Kollimator 36 vorgesehen sein, der den aus dem Lichtleiter 32 austretenden Lichtstrahl formt und dabei einen möglichst parallelen Strahlengang des austretenden Lichtes erzeugt. Der Kollimator 36 kann beispielsweise eine oder mehrere optische Linsen umfassen. Ferner können in dem Strahlengang des modulierten Lichtstrahls auch eine oder mehrere optische Umlenkeinrichtungen 37 vorgesehen sein, welche den Strahlengang des modulierten Lichtes sowie des am Zielobjekt reflektierten Lichtes umlenken können. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Spiegel, ein Prisma oder ein geeignetes weiteres Bauelement zum Umlenken des Lichtes handeln. Ein solches Bauelement zum Umlenken des Strahlengangs kann beispielsweise fest an einer vorgegebenen Position fixiert werden. In diesem Fall erfolgt stets die gleiche Umlenkung des Lichtes zwischen der Sende- und Empfangseinheit 33 und dem Zielobjekt 5. Gegebenenfalls kann ein solches Objekt zum Umlenken des Lichts auch an einer variablen Halterung, wie zum Beispiel einer Goniometerhalterung fixiert werden. Auf diese Weise kann auch zu einem späteren Zeitpunkt der Strahlengang des Lichtes zwischen der Sende- und Empfangseinheit 33 und dem Zielobjekt 5 genau justiert werden.For the design of the light beam can after the transmitting and receiving unit 33 a collimator 36 be provided, which from the light guide 32 emerges light beam and thereby generates a parallel possible beam path of the exiting light. The collimator 36 For example, it may include one or more optical lenses. Furthermore, in the beam path of the modulated light beam and one or more optical deflection devices 37 be provided, which can deflect the beam path of the modulated light and the light reflected at the target object. For example, this may be a mirror, a prism or a suitable further component for deflecting the light. Such a device for deflecting the beam path can be fixed, for example, fixed at a predetermined position. In this case, always the same deflection of the light between the transmitting and receiving unit 33 and the target object 5 , Optionally, such an object for deflecting the light may also be fixed to a variable support, such as a goniometer holder. In this way, at a later time the beam path of the light between the transmitting and receiving unit 33 and the target object 5 be adjusted exactly.

Ferner ist es auch möglich, eine oder mehrere Einrichtungen zum Ablenken des Lichtstrahls mittels eines steuerbaren Elementes anzusteuern. Beispielsweise kann eine motorische Steuerung oder eine Steuerung mittels eines mikroelektromechanischen Elementes, eines Piezoelementes oder ähnlichem erfolgen. Auf diese Weise kann der Strahlengang dynamisch angepasst werden. Somit können beispielsweise auch Abstandsmessungen zu unterschiedlichen Zielpunkten/Zielobjekten 5 durch entsprechende Ansteuerung der Halterung für das Umlenkelement realisiert werden.Furthermore, it is also possible to control one or more devices for deflecting the light beam by means of a controllable element. For example, a motor control or a control by means of a microelectromechanical element, a piezoelectric element or the like can take place. In this way, the beam path can be dynamically adjusted. Thus, for example, distance measurements to different target points / targets 5 be realized by appropriate control of the holder for the deflection.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird ein modulierter Lichtstrahl in Richtung eines Zielobjektes 5 ausgesandt. Dabei erfolgt insbesondere eine Amplitudenmodulation des Lichtstrahls mit einer vorgegebenen Frequenz. Die Frequenz kann dabei in einem vorgegebenen Frequenzbereich stufenweise oder kontinuierlich variiert werden. In Schritt S2 wird Licht des ausgesendeten modulierten Lichtstrahls empfangen, das von dem Zielobjekt 5 reflektiert worden ist. In Schritt S3 erfolgt eine Ermittlung eines Phasenunterschiedes zwischen einer Phase des ausgesendeten Lichtstrahls und einer Phase des empfangenen reflektierten Lichts. In Schritt S4 wird ein Abstand zwischen einem vorbestimmten Referenzpunkt R und dem Zielobjekt 5 berechnet. Die Berechnung des Abstandes a erfolgt unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds. Insbesondere kann für die Berechnung des Abstands ein Frequenzgang des ausgesendeten modulierten Lichtes berechnet werden, der als Grundlage für die Berechnung des Abstandes dient. Hierzu kann beispielsweise mittels einer inversen Fourier-Transformation eine Impulsantwort berechnet werden, die unter Verwendung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes für die Berechnung des Abstandes zu dem Zielobjekt genutzt werden kann. 5 shows a schematic representation of a flow chart, as it is based on a method for optical distance measurement according to an embodiment. In step S1 becomes a modulated light beam towards a target object 5 sent. In particular, an amplitude modulation of the light beam takes place at a predetermined frequency. The frequency can be varied stepwise or continuously in a given frequency range. In step S2 light from the transmitted modulated light beam is received from the target object 5 has been reflected. In step S3 A determination is made of a phase difference between a phase of the emitted light beam and a phase of the received reflected light. In step S4 becomes a distance between a predetermined reference point R and the target object 5 calculated. The calculation of the distance a is carried out using the determined phase difference. In particular, for the calculation of the distance, a frequency response of the emitted modulated light can be calculated, which serves as the basis for the calculation of the distance. For this purpose, for example, an impulse response can be calculated by means of an inverse Fourier transformation, which can be used to calculate the distance to the target object using the propagation velocity of the light.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine berührungslose optische Abstandsmessung. Hierzu erfolgt eine Modulation eines Lichtstrahls, der in Richtung eines Zielobjektes ausgesendet wird. Durch Auswerten des Phasengangs des an dem Zielobjekt reflektierten modulierten Lichtes kann der Abstand zu dem Zielobjekt berechnet werden. Das modulierte Licht kann mittels eines Lichtleiters zu einer geeigneten Position geführt werden, von welcher der Abstand zu dem Zielobjekt ermittelt werden soll.In summary, the present invention relates to a non-contact optical distance measurement. For this purpose, a modulation of a light beam, which is emitted in the direction of a target object. By evaluating the phase response of the modulated light reflected at the target object, the distance to the target object can be calculated. The modulated light can be guided by means of a light guide to a suitable position, from which the distance to the target object is to be determined.

Claims (15)

Abstandsmessvorrichtung, mit: einer Lichtquelle (1), die dazu ausgelegt ist, einen Lichtstrahl auszusenden; einem Modulator (2), der dazu ausgelegt ist, den von der Lichtquelle (1) ausgesendeten Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren; einer Sende- und Empfangseinrichtung (3), die dazu ausgelegt ist, den modulieren Lichtstrahl in Richtung eines Zielobjekts (5) auszusenden, und von dem Zielobjekt (5) in Richtung in der Sende- und Empfangseinrichtung (3) reflektiertes Licht des ausgesendeten modulierten Lichtstrahls zu empfangen; und einer Auswerteeinrichtung (4), die dazu ausgelegt ist, einen Phasenunterschied zwischen einer Phase des von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) ausgesendeten Lichtstrahls und des von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) empfangenen reflektierten Lichts zu ermitteln, und unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds einen Abstand zwischen einem vorbestimmten Referenzpunkt (R) und dem Zielobjekt (5) zu berechnen.Distance measuring device, with: a light source (1) adapted to emit a light beam; a modulator (2) adapted to modulate the light beam emitted by the light source (1) at a predetermined frequency; a transmitting and receiving device (3) which is designed to emit the modulated light beam in the direction of a target object (5), and light of the emitted modulated light beam reflected by the target object (5) in the direction in the transmitting and receiving device (3) to recieve; and an evaluation device (4), which is designed to determine a phase difference between a phase of the light emitted by the transmitting and receiving device (3) and the light received by the transmitting and receiving device (3) reflected light, and using the determined Phase difference to calculate a distance between a predetermined reference point (R) and the target object (5). Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Modulator (2) dazu ausgelegt ist, die vorbestimmte Frequenz für die Modulation des von der Lichtquelle (1) ausgesendeten Lichtstrahls innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs kontinuierlich oder stufenweise zu variieren.Distance measuring device according to Claim 1 wherein the modulator (2) is adapted to continuously or stepwise vary the predetermined frequency for the modulation of the light beam emitted by the light source (1) within a predetermined frequency range. Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sende- und Empfangseinrichtung (3) mindestens einen Lichtleiter (32) umfasst, der dazu ausgelegt ist, das modulierte Licht von dem Modulator (2) an eine vorbestimmte Position zu übertragen und an der vorbestimmten Position in Richtung des Zielobjekts (5) auszusenden, und wobei der Lichtleiter (32) dazu ausgelegt ist, an der vorbestimmten Position reflektiertes Licht des ausgesendeten Lichtstrahls zu empfangen und das empfangene reflektierte Licht zu der Auswerteeinrichtung (4) zu übertragen.Distance measuring device according to Claim 1 or 2 wherein the transmitting and receiving device (3) comprises at least one light guide (32) which is adapted to transmit the modulated light from the modulator (2) to a predetermined position and at the predetermined position in the direction of the target object (5) and wherein the optical fiber (32) is adapted to receive at the predetermined position reflected light of the emitted light beam and to transmit the received reflected light to the evaluation device (4). Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Sende- und Empfangseinrichtung (3) eine Auskoppeleinrichtung (31) umfasst, die dazu ausgelegt ist, dass empfangene reflektierte Licht aus dem Lichtleiter (32) auszukoppeln und an der Auswerteeinrichtung (4) bereitzustellen.Distance measuring device according to Claim 3 wherein the transmitting and receiving device (3) comprises a decoupling device (31) which is designed to decouple the received reflected light from the optical waveguide (32) and to provide it to the evaluation device (4). Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Lichtleiter (32) dazu ausgelegt ist, an der vorbestimmten Position das modulierte Licht in Richtung des Zielobjekts (5) auszusenden und einen Teil des modulierten Lichts zu reflektieren, wobei der vorbestimmte Referenzpunkt (R) der Position entspricht, an der ein Teil des modulierten Lichts an dem Lichtleiter (32) reflektiert wird.Distance measuring device according to Claim 3 or 4 wherein the optical fiber (32) is adapted to emit at the predetermined position the modulated light towards the target object (5) and to reflect a portion of the modulated light, the predetermined reference point (R) corresponding to the position at which a portion of the modulated light is reflected at the light guide (32). Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Sende- und Empfangseinrichtung (3) mehrere Lichtleiter (32-i) umfasst, die dazu ausgelegt sind, das modulierte Licht an jeweils eine vorbestimmte Position zu übertragen.Distance measuring device according to one of Claims 3 to 5 wherein the transmitting and receiving device (3) comprises a plurality of optical fibers (32-i) adapted to transmit the modulated light to a respective predetermined position. Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 6, mit einem Multiplexer (35), der zwischen dem Modulator (2) und den mehreren Lichtleitern (32-i) angeordnet ist, und der dazu ausgelegt ist, das moduliert Licht abwechselnd an einem der mehreren Lichtleiter (32-i) bereitzustellen.Distance measuring device according to Claim 6 comprising a multiplexer (35) disposed between the modulator (2) and the plurality of optical fibers (32-i) and configured to provide the modulated light alternately on one of the plurality of optical fibers (32-i). Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die mehreren Lichtleiter (32-i) jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen.Distance measuring device according to Claim 6 or 7 wherein the plurality of optical fibers (32-i) each have a different length. Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der mindestens eine Lichtleiter (32) einen Singlemode-Lichtleiter umfasst.Distance measuring device according to one of Claims 3 to 8th wherein the at least one light guide (32) comprises a singlemode light guide. Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lichtquelle (1) dazu ausgelegt ist, monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge auszusenden.Distance measuring device according to one of Claims 1 to 9 wherein the light source (1) is adapted to emit monochromatic light having a predetermined wavelength. Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, Amplituden des von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) ausgesendeten Lichtstrahls und des von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) empfangenen reflektierten Lichts zu ermitteln, und die Entfernung des Zielobjekts (5) unter Verwendung der ermittelten Amplituden zu berechnen.Distance measuring device according to one of Claims 1 to 10 wherein the evaluation device (4) is adapted to determine amplitudes of the light beam emitted by the transmitting and receiving device (3) and of the reflected light received by the transmitting and receiving device (3), and the distance of the target object (5) below Use of the determined amplitudes to calculate. Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer optischen Einrichtung (37), die dazu ausgelegt ist, den von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) ausgesendeten Lichtstrahl abzulenken.Distance measuring device according to one of Claims 1 to 11 , with an optical device (37) which is designed to deflect the light beam emitted by the transmitting and receiving device (3). Messsystem zur optischen Entfernungsmessung, mit: einer Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und mindestens einem Reflektor (51), der dazu ausgelegt ist, den von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) ausgesendeten Lichtstrahl in Richtung der der Sende- und Empfangseinrichtung (3) zu reflektieren.A measuring system for optical distance measurement, comprising: a distance measuring device according to one of Claims 1 to 12 , and at least one reflector (51), which is adapted to the light beam emitted by the transmitting and receiving device (3) in Direction of the transmitting and receiving device (3) to reflect. Messsystem nach Anspruch 13, mit einem Referenzreflektor, der an dem vorbestimmten Referenzpunkt (R) angeordnet ist und der dazu ausgelegt ist, mindestens einen Teil des von der Sende- und Empfangseinrichtung (3) ausgesendeten Lichtstrahls in Richtung der der Sende- und Empfangseinrichtung (3) zu reflektieren.Measuring system after Claim 13 , with a reference reflector, which is arranged at the predetermined reference point (R) and which is adapted to reflect at least a portion of the light emitted by the transmitting and receiving device (3) in the direction of the transmitting and receiving device (3). Verfahren zur optischen Abstandsmessung, mit den Schritten: Aussenden (S1) eines modulieren Lichtstrahls in Richtung eines Zielobjekts (5); Empfangen (S2) von Licht des ausgesendeten modulierten Lichtstrahls, das an einem Zielobjekt (5) reflektiert worden ist; Ermitteln (S3) eines Phasenunterschieds zwischen einer Phase des ausgesendeten Lichtstrahls und des empfangenen reflektierten Lichts; und Berechnen (S4) eines Abstands zwischen einem vorbestimmten Referenzpunkt (R) und dem Zielobjekt (5) unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds.Method for optical distance measurement, comprising the steps: Emitting (S1) a modulating light beam toward a target object (5); Receiving (S2) light of the transmitted modulated light beam that has been reflected at a target object (5); Determining (S3) a phase difference between a phase of the emitted light beam and the received reflected light; and Calculating (S4) a distance between a predetermined reference point (R) and the target object (5) using the determined phase difference.
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