專利名稱：估值裝置、測量設備和測量路徑長度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及估值裝置、測量設備和測量路徑長度的方法。本發(fā)明具體涉及采用光學測量技術的估值裝置、測量設備和測量路徑長度的方法。
背景技術：
距離的測量可具有多個應用領域，例如用于控制或反饋控制工業(yè)、醫(yī)藥、和娛樂業(yè)的各種機器和設備。通過測量物體相對于多個參考位置的距離或物體的多個點相對于參考位置的距離，可允許在二維或三維空間內確定物體的位置，這已經廣泛應用于例如制造技術或質量控制。通過測量諸如光的電磁輻射覆蓋的路徑長度可確定距離。為此，電磁輻射一次或多次行進通過參考位置與物體之間的路徑，從而使得可由輻射覆蓋的路徑長度推導出距 離。實施裝置和方法的技術挑戰(zhàn)是在幾米長的空間內以幾微米或幾十微米范圍內的精確度來確定距離或物體位置。這尤其適用于以高的測量頻率和短的信號處理時間來確定位置，以接近實時地確定位置。激光路徑長度測量裝置可允許確定物體的距離。在K. Minoshima和H. Matsumoto的文章“High-accuracy measurement of 240_m distance in an optical tunnel by useof a compact femtosecond laser”，Applied Optics,Vol. 39,No. 30,pp. 5512-5517(2000)中，描述了采用頻率梳測量距離。在此測量技術中，在激光束覆蓋光源、物體和檢測器之間的路徑之后，估算激光束頻率梳的強度的信號分量的相位角以確定被激光束覆蓋的路徑長度。為此目的，該信號分量被選擇使得其以一頻率振蕩，該頻率對應于激光束的重復頻率的典型的大倍數(shù)。因此，估值電子設備必須滿足高要求，這是因為其必須能夠處理特別是混頻典型地在數(shù)IOGHz頻率范圍內的信號。所使用的光檢測器必須滿足類似的高要求，這是因為它們必須能夠記錄頻率在數(shù)IOGHz的范圍內的接收強度的變化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種改進的估值裝置、一種改進的測量設備、以及一種用于路徑長度測量的改進方法。具體地，本發(fā)明的目的是提供一種估值裝置、一種測量設備和一種以良好的空間分辨率快速確定位置的方法。根據(jù)本發(fā)明，通過根據(jù)獨立權利要求的估值裝置，測量設備和方法來實現(xiàn)此目的。從屬權利要求限定有利或優(yōu)選的實施例。根據(jù)一方面，提供一種用于路徑長度測量的估值裝置。此估值裝置配置為用于路徑長度測量，其中電磁輻射脈沖序列(特別是光脈沖序列)覆蓋要測量的路徑長度，脈沖序列具有重復頻率。在脈沖序列覆蓋要測量的路徑長度之后，估值裝置配置為對測量信號估值，該測量信號作為時間的函數(shù)的脈沖序列的強度。估值裝置被配置為確定以一頻率振蕩的測量信號的分量與以該頻率振蕩的參考信號之間的相位差，該頻率對應于重復頻率或該重復頻率的倍數(shù)。為了確定相位差，估值裝置配置為產生具有另一相位差的第一信號和第二信號，使得第一信號和第二信號各自以不同于所述頻率的另一頻率振蕩，并且該另一相位差與該相位差具有預定關系。測量信號的光譜分量(即，作為時間的函數(shù)的記錄的光強度)在本文被稱為以一頻率振蕩的測量信號的分量。例如，以一頻率振蕩的分量可以是與各個頻率相關的測量信號的傅里葉表示的分量。術語“重復頻率的倍數(shù)”是指重復頻率的整數(shù)倍。另一相位差可通過對以另一頻率振蕩的第一信號與第二信號估值而確定，這是因為估值裝置產生第一信號和第二信號使得另一頻率不同于測量信號的頻率。這允許根據(jù)對于測量準確性的各種要求以及可用的相位測量儀而適當?shù)剡x擇另一頻率。估值裝置可配置為產生第一信號和第二信號使得另一相位差等于所述測量信號的分量與參考信號之間的相位差。具體地，術語“另一相位差”不是指另一相位差必須具有不同于該相位差的值。由于該相位差提供對被脈沖序列覆蓋的路徑長度的測量，如果另一相位差等于該相位差，則通過確定另一相位差可立即確定該相位差。估值裝置可配置為產生第一信號和第二信號使得另一頻率小于所述頻率，所產生的第一信號和所產生的第二信號在該另一頻率上振蕩。具體地，估值裝置可配置為產生第一信號和第二信號使得另一頻率小于重復頻率，所產生的第一信號和所產生的第二信號在該另一頻率上振蕩。由于第一和第二信號的頻率相對于測量信號的所述分量的頻率較小，所以可基于振蕩得更緩慢的信號確定另一相位差，例如通過測量第一信號與第二信號之間 的時間偏移。估值裝置可配置為通過降頻變換測量信號的所述分量而產生第一信號。估值裝置也可配置為通過降頻變換參考信號而產生第二信號。具體地，給定信號的“降頻變換”涉及一種處理，其中給定信號經歷混頻以產生以較小頻率振蕩的另一信號。混頻的輸出信號可經歷通帶濾波或低通濾波，以從混頻結果獲得以較小的差頻振蕩的信號。估值裝置可配置為使測量信號的所述分量與參考信號分別與相同的第三振蕩信號混頻，從而分別產生第一信號和第二信號。估值裝置可具有用于測量信號的信號處理路徑以及用于參考信號的另一信號處理路徑，以產生第一信號和第二信號。用于測量信號的信號處理路徑可具有混頻器，以使測量信號的所述分量與第三振蕩信號混頻從而產生第一信號。信號處理路徑可具有濾波器以對混頻器的輸出信號濾波。具體地，濾波器可以是帶通濾波器或低通濾波器。濾波器可具有通帶，該通帶包括小于重復頻率的頻率。信號處理路徑可具有至少一個第二混頻器以使該混頻器的輸出信號與第四振蕩信號混頻從而產生第一信號。由此，可以通過在多級降頻變換測量信號的所述分量而產生第一信號。例如，可首先產生中間頻率范圍的信號，該信號隨后被提供到至少一個第二混頻器。用于參考信號的另一信號處理路徑可具有另一混頻器，以使參考信號與第三振蕩信號混頻從而產生第二信號。另一信號處理路徑可具有另一濾波器以對該另一混頻器的輸出信號濾波。另一信號處理路徑可具有至少一個另外的第二混頻器，以使該另一混頻器的輸出信號與第四振蕩信號混頻從而產生第二信號。由此，可通過多級降頻變換參考信號(即，經由中間頻率范圍)而產生第二信號。第三振蕩信號的頻率可被選擇，使得第三振蕩信號的頻率與重復頻率的商值不是整數(shù)。由此，第一和第二振蕩信號可以產生，使得另一頻率可被選擇為小于重復頻率。估值裝置可配置為從參考信號產生第三振動信號。為此，可設置分頻器，其在輸入側連接到信號處理路徑或另一信號處理路徑以產生第三振動信號，第三振動信號的頻率不是重復頻率的倍數(shù)。分頻器可配置為數(shù)字分頻器。估值裝置可以包括具有第一信號和第二信號輸入的相位測量儀裝置以確定另一相位差。相位測量儀裝置可配置以測量第一信號的過零和第二信號的過零之間的時間從而確定另一相位差。為此目的，例如可提供第一比較器或限幅放大器以及第二比較器或限幅放大器，從而分別探測第一信號和第二信號的過零，并且可提供計數(shù)器以確定探測的第一 信號的過零與第二信號的過零之間的時鐘信號的脈沖數(shù)。根據(jù)所確定的第一信號和第二信號的過零之間的時鐘脈沖數(shù)與第一信號和第二信號的另一頻率，可確定另一相位差。相位測量儀裝置也可包括時間對數(shù)字轉換器。根據(jù)另一方面，提供一種用于路徑長度測量的測量設備。測量設備包括檢測器，該檢測器被配置為，在脈沖序列覆蓋了要測量的路徑長度之后，記錄作為時間的函數(shù)的電磁輻射脈沖序列(尤其是光脈沖序列)的強度，脈沖序列具有重復頻率。檢測器被配置為提供測量信號，該測量信號表示記錄的強度。測量設備還包括連接到檢測器的估值裝置，以處理由檢測器提供的測量信號，其中估值裝置被配置為根據(jù)本發(fā)明的一方面或實施例的估值
>J-U裝直。測量設備可包括用于產生脈沖序列的光源。光源可包括激光器，尤其是短脈沖激光器。光源可包括頻率梳產生器。頻率梳可具有高的頻率和相位穩(wěn)定性,并因此是用于距離測量的適合光源。在測量設備中可以各種方式提供參考信號。光源例如可配置為輸出作為時間的函數(shù)的輸出信號，該輸出信號表示光源產生的脈沖序列的強度，估值裝置連接到光源且配置為從光源的輸出信號產生參考信號。測量設備也可包括在參考位置的另一檢測器，其配置為記錄作為時間的函數(shù)的產生的脈沖序列的強度。估值裝置隨后可被連接到另一檢測器并且可配置為從另一檢測器的輸出信號產生參考信號?？商峁┓质鳎浔徊贾迷谟晒庠串a生的脈沖序列的光束路徑中，以在測量光束行進穿過要測量的路徑長度時將參考光束引導到另一檢測器。根據(jù)另一方面，提供一種用于路徑長度測量的方法。在方法中，在脈沖序列覆蓋了要測量的路徑長度之后，測量信號被記錄和估值，該測量信號表示作為時間的函數(shù)的電磁輻射脈沖序列(尤其是光脈沖序該列)的強度。該方法包括確定測量以一頻率振蕩的信號的分量與以該頻率振蕩的參考信號之間的相位差，該頻率對應于重復頻率或重復頻率的倍數(shù)。為了確定相位差，產生第一信號和第二信號，使得第一信號和第二信號各自以不同于所述頻率的另一頻率振蕩，并且第一信號和第二信號具有另一相位差，該另一相位差與所述相位差具有預定關系。另一相位差可通過對以另一頻率振蕩的第一信號與第二信號估值而確定，這是因為第一信號和第二信號產生使得另一頻率不同于該頻率。從另一相位差可確定相位差，這是因為另一相位差與測量信號的所述分量和參考信號之間的相位差具有預定關系。第一信號和第二信號可產生為使得另一相位差等于測量信號的所述分量與參考信號之間的相位差。第一信號和第二信號可產生為使得另一頻率小于所述頻率，所產生的第一信號和所產生的第二信號在該另一頻率上振蕩。具體地，另一頻率可小于電磁輻射的脈沖序列的重復頻率。測量信號的分量可被降頻變換以產生第一信號。測量信號的分量可被多級降頻變換。例如，測量信號的分量可被降頻變換以產生中間頻率范圍的信號，且該中間頻率范圍的信號可被進一步降頻變換以產生第一信號。參考信號可被降頻變換以產生第二信號。參考信號可被多級降頻變換。
測量信號的所述分量和參考信號可分別與第三振蕩信號混頻以通過降頻變換產生第一信號和第二信號。第三振蕩信號的頻率可選擇為使得第三振蕩信號的頻率不是重復頻率的倍數(shù)。具體地，第三振蕩信號的頻率可被選擇為使得第三振蕩信號的頻率與重復頻率的商值不是整數(shù)。通過確定第一信號的過零與第二信號的過零之間的時間差可確定另一相位?？刹捎枚堂}沖激光器產生電磁輻射的脈沖信號序列。具體地，短脈沖激光器可被配置為頻率梳產生器。在該方法中，可采用根據(jù)本發(fā)明的方面或實施例的估值裝置評價測量信號。可采用根據(jù)方面或實施例的測量設備來執(zhí)行該方法。根據(jù)各種方面和實施例的估值裝置、測量設備和方法可配置為確定物體離參考位置的距離。為此，可選擇其中電磁輻射的脈沖序列兩次行進通過參考位置與物體之間的路徑的布置。例如，可在物體上提供反射器以反射電磁輻射的脈沖序列。也可以選擇其中在物體上提供檢測器或從物體發(fā)射光脈沖序列的布置。根據(jù)各種方面和實施例的估值裝置、測量設備和方法也可用以確定一物體離多個參考位置的距離，或者確定物體的彼此間隔開的多個區(qū)域相對于一個參考位置的距離。例如采用三邊測量，根據(jù)確定的距離可確定物體的空間位置和/或取向。根據(jù)各種方面和實施例的估值裝置、測量設備和方法可用于在DE 10 2008 045 387 and DE 102008 045 386描述的應用中確定位置。根據(jù)各種方面和實施例的估值裝置、測量設備和方法也可用于確定坐標測量機器的探針頭的位置，如本申請人于同一天提交的德國專利申請“Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglangenmessung
sowi e Messanordnung und Verfahren f iir e in Koordinatenmessgerat
und Koordinatenmessgerat” (用于路徑長度測量的估值裝置、測量設備和方法、和坐標測
量裝置的測量系統(tǒng)和方法，以及坐標測量裝置)。根據(jù)各種方面和實施例的估值裝置、測量設備和方法一般可用于測量路徑長度，尤其用于路徑長度測量或位置確定。諸如自動生產或傳輸設備的工業(yè)設備的測量應用是示范性的應用領域。然而，本發(fā)明的實施例不限于這些應用。


以下，將參照附圖借助實施例更詳細地描述本發(fā)明。圖I是根據(jù)實施例的測量設備的示意圖。圖2是根據(jù)另一實施例的測量設備的示意圖。圖3A示意性地示出作為時間的函數(shù)的光脈沖序列，以及圖3B示意性地示出圖3A的光脈沖序列的傅里葉光譜。圖4A和4B示意性地示出可能發(fā)生在根據(jù)實施例的估值裝置中的信號。圖5示出根據(jù)實施例的估值裝置。圖6示出根據(jù)實施例的估值裝置。 圖7示出另一估值裝置。圖8示出根據(jù)實施例的估值裝置中的相位測量儀裝置的實施方式。圖9示出發(fā)生在圖8的相位測量儀裝置中的信號。
具體實施例方式在下面，將更加詳細地描述本發(fā)明的實施例。各種實施例的特征可彼此結合，除非在下面的描述中明確排除此結合。雖然一些實施例在諸如確定工業(yè)設備中的位置的具體應用的背景下描述，但是本發(fā)明不限于這些應用。各種實施例配置用于路徑長度測量，在所述測量中電磁輻射脈沖序列行進通過要測量的路徑長度。脈沖序列具有以重復頻率調制的振幅。為了執(zhí)行路徑長度測量，通過適合的裝置(諸如短脈沖激光器)以重復頻率產生序列的脈沖，使得在光束路徑的給定位置，電磁輻射的振幅以及因此功率密度或光束強度在重復頻率處具有最大的重復。圖I是根據(jù)實施例的測量設備I的示意圖。測量設備I包括光源2、安裝到物體的反射器3、檢測器4、另一檢測器5和估值裝置6。此外，設置分束器7和偏轉鏡8以將參考光束引導到所述另一檢測器5和將測量光束引導到檢測器4。光源2可配置為激光器，該激光器作為頻率梳產生器工作。具體地，光源2可配置為產生具有高頻率和相位穩(wěn)定性的信號。如將參考圖3更詳細地解釋的，光源2產生具有重復頻率的光脈沖序列。分束器7布置在光源2產生的光脈沖序列的光束路徑11中，以朝向另一檢測器5率禹合出部分光束。由分束器7傳輸?shù)牟糠止馐?2從分束器7行進到反射器3,其中部分光束12反射為朝向偏轉鏡8的光束13，偏轉鏡8將光束13引導到檢測器4。由分束器7耦合出的部分光束14，其被弓丨導到另一檢測器5上，行進通過由測量設備I的幾何布局確定的路徑長度。由分束器7傳輸?shù)牟糠止馐?2，其行進到設置在物體上的反射器3上，行進通過自分束器7經由反射器3和偏轉反射鏡8到檢測器4的路徑，該路徑的路徑長度取決于其上安裝有反射器3的物體的位置。由檢測器4記錄的光束以及另一檢測器5記錄的光束覆蓋的不同路徑，引起記錄信號之間的時移，其對應于運行時間延遲。運行時間延遲導致檢測器4和另一檢測器5所記錄的信號的傅里葉表示中的分量的相移。這些相移中的至少一個被確定，從而確定檢測器4和另一檢測器5所記錄的兩個光束之間的路徑長度差。由于僅由裝置幾何布局確定的路徑長度差的一部分，諸如從分束器7到檢測器5的部分光束14覆蓋的距離，要么是已知的要么被認為是通過校準測量設備的偏移，因此通過確定該路徑長度差可確定其上安裝有反射器3的物體離參考位置的距離，所述參考位置諸如分束器7或偏轉反射鏡8。箭頭9示意性的表示物體的可變位置。從分束器7經由反射器3和偏轉鏡8到檢測器4的光束12、13 (其將在下面被稱為測量光束)可能覆蓋的距離顯著長于分束器7耦合出的參考光束14到另一檢測器所覆蓋的距離。因此，分束器7可配置為使得其將入射到其上的光脈沖序列的強度的相當大的部分(諸如約99% )作為測量光束傳輸，且將僅約1%引導為到達另一檢測器5的參考光束。這使得更容易獲得足夠大的有用信號，即使在分別對于物體與分束器7之間的距離大以及當物體表面不是反射性的情形。檢測器4可配置為光檢測器，其記錄入射到其上的作為時間的函數(shù)的測量光束的強度并輸出測量信號15，測量信號15表示作為時間的函數(shù)的記錄強度。另一檢測器5可配置為光檢測器，其記錄入射到其上的作為時間的函數(shù)的參考光束的強度并輸出另一信號16，該另一信號16表示作為時間的函數(shù)的記錄強度。估值裝置6連接到檢測器4和另一檢測器5以對測量信號15和表示參考光束的強度的另一信號16估值。如將更詳細描述的，估值裝置6配置為確定信號15、16的光譜分量之間的相位差。 圖2是根據(jù)另一實施例的測量設備21的示意圖。測量裝置21包括光源2、安裝到物體上的反射器3’、檢測器4、另一檢測器5和估值裝置6，就它們的結構、布置和操作而言，其對應于以相同參考標號表示的測量設備I的元件或裝置。此外，提供分束器27。在測量設備21中，反射器3’配置為回射器，其將從分束器27朝向反射器3’行進的測量光束22反射回到其本身。分束器27配置為使得其將從物體反射回來的測量光束22引導到檢測器4。為此目的，分束器27可配置為使得從反射器3’入射到分束器27上的大部分的(例如本質上全部的)測量光束22的強度被引導到檢測器4。就其他的結構特征而言，測量設備21對應于測量設備I。具體地，估值裝置6配置為從檢測器4接收測量信號15并確定用于路徑長度測量的測量信號15的分量的相位差。測量設備I和21是將參考圖3至9更詳細地解釋的估值裝置和距離測量方法的示范性應用領域。在根據(jù)其他的實施例的測量設備中，可做出各種變型。雖然在參考圖I和2解釋的測量設備I和21中光脈沖序列自由傳播，但是在根據(jù)其他的實施例的測量設備中，光例如也可以在光導中(特別是在玻璃或塑料制成的光纖中)被部分地引導。測量設備可包括光纖、其一端例如安裝到物體，確定該物體自參考位置的距離。在實施例中，光纖的另一端可設置為靠近檢測器4。光脈沖序列從光源2向安裝到物體的光纖的一端輻射。光脈沖序列在物體處耦入到光纖中且被引導到檢測器4。在另一實施例中，光纖的另一端可連接到光源2，使得光脈沖序列從安裝到物體的光纖的一端發(fā)出并行進到檢測器4。雖然在參考圖I和2解釋的測量設備I和21中，另一檢測器5設置為在參考位置記錄作為時間的函數(shù)的光強度，但也可以以另外的方式提供對應的參考信號。在實施例中，作為頻率梳產生器工作的激光器2可例如具有輸出，以輸出表不激光器2發(fā)出的作為時間的函數(shù)的光強度的電信號。激光器2的此輸出可連接到估值裝置6，估值裝置6采用激光器2提供的信號作為參考信號或用于產生相位測量的參考信號。雖然在測量設備I和21中示意性地示出在一個維度上的距離測量，但是也可采用多個檢測器4和/或多個安裝到物體的反射器3來測量一個反射器距多個參考位置的距離，或者不同的反射器距一個參考位置的距離，例如，如DE 10 2008 045 387中所述。然后，例如采用三邊測量，可在兩個或三個維度確定反射器的坐標。不同于安裝到物體的反射器，物體的表面本身可反射或散射光也是可能的，使得在另外的實施例中不需要設置物體上的分立的反射器。參考圖3至6，將更詳細地描述采用光源2、檢測器4和估值裝置6的路徑長度測量。光源2產生光學信號，該光學信號以周期性函數(shù)被調制、且具有基頻f0以及基頻f0的諧波的顯著分量，即，頻率為f0倍數(shù)的顯著頻率分量。這樣的信號例如由短脈沖激光器產生，所述短脈沖激光器產生具有明確定義的間隔TO = 1/fO的光脈沖序列，即，具有重復頻率f0，相比于連續(xù)脈沖之間的間隔T0，每個脈沖的持續(xù)時間是短的。圖3A示范性示出這樣的短光脈沖31的序列的強度，光源2的輸出功率P顯示為時間t的函數(shù)。連續(xù)脈沖之間的間隔TO以參考標號32示意性地表示，而每個光脈沖的持 續(xù)時間以參考標號33示意性表示。相比于連續(xù)的光脈沖之間的間隔T0，每個光脈沖的持續(xù)時間可以非常短，例如在I *10_5的數(shù)量級。根據(jù)路徑長度或距離測量的希望的測量準確性、物體位置的初始不確定性、以及估值裝置6的信號處理特性，或基于附加因素，可適當?shù)剡x擇重復頻率f0和每個脈沖的持續(xù)時間。如果f0的k次諧波用于確定相位差，則每個光脈沖的持續(xù)時間和連續(xù)的光脈沖之間的間隔TO被選擇為,光源2輸出的光信號序列在頻率k *f0仍具有足夠的光譜權重。雖然圖3A示范性示出方波脈沖序列，但也可選擇其它的合適的脈沖形狀，例如雙曲正割(hyperbolic secans)的平方或高斯函數(shù)。圖3B示范性示出產生為具有重復頻率f0的光脈沖序列的強度的頻譜35，每個光脈沖的持續(xù)時間相比于TO = 1/fO是短的。頻譜35具有多個峰，多個峰有不變的頻率間隔fo,間隔f0示意性由參考標號36指示。單獨的峰的光譜權重朝向高頻減小,減小速率由連續(xù)的光脈沖之間的時間間隔與光脈沖持續(xù)時間之間的比值確定。對于裝置I的光源2，這些量被選擇為，用于確定相位差的具有頻率k -fO的分量37的光譜權重足夠大以執(zhí)行相位測量。如圖3示意性示出的光脈沖序列可由配置為產生短光脈沖的各種激光器產生。具體地，可采用光學頻率合成器。例如，電學泵浦二極管激光器，諸如q開關激光器、增益開關激光器、有源或無源模式鎖定激光器或混合模式的鎖定激光器、或具有垂直空腔的模式鎖定表面發(fā)射激光器(“垂直空腔表面發(fā)射激光器”，VCSEL)，可用作光源2。光學泵浦激光器也可用作光源2，例如具有外部垂直空腔的無源模式鎖定表面發(fā)射激光器(“垂直外部空腔表面發(fā)射激光器”，VECSEL)或基于光子-晶體-纖維的激光器(光子-晶體-纖維激光器)。光源2的示范性脈沖持續(xù)時間在IOOfs至IOOps的范圍內。示范性重復頻率在50MHz至50GHz的范圍內。示范性平均功率在ImW至10W的范圍。脈沖抖動的示范值在IOfs至Ips的有效值之間(均方)。分別在測量設備I和21中，檢測器4記錄作為時間的函數(shù)的測量光束的強度，另一檢測器5在參考位置記錄光源2產生的光脈沖序列的強度。在傅里葉表示中，另一檢測器5記錄的參考光束的強度具有光譜表示
Pe (t) =Ei Bi cos (2 n i f0 t+ 小 K, ) , (I)例如，其中求和指數(shù)i在具有0的自然數(shù)上運算，f0是重復頻率，Bi是具有頻率
i f0的光譜分量的光譜權重，t為時間，且為具有頻率i f0的光譜分量的相位，其考慮在從測量光束的耦出點與另一檢測器5之間的、由參考光束覆蓋的路徑長度。類似地，在傅里葉表示中，檢測器4記錄的測量光束的強度具有表示Pm (t) = E i bj cos (2 n i fO t+Mj j (2)其中求和指數(shù)i在具有0的自然數(shù)上運算，fO是重復頻率，匕是具有頻率i fO的光譜分量的光譜權重，t為時間，且為具有頻率i fO的光譜分量的相位，其考慮測量光束與參考光束分離的點與檢測器4之間的、由測量光束覆蓋的路徑長度。測量信號42與表示參考位置上的光脈沖序列的強度的信號41之間的時移T引起以頻率fi = i fO振蕩的信號PM(t)與Pk(t)的分量之間的相移或相位差A (^=(^,「(^4 (3)
相位差的模數(shù)與檢測器4和另一檢測器5記錄的強度之間的時移T成比例，IA^iI = 2 f0 T = 2 i f0 d/c. (4)這里，d表示測量光束與參考光束之間的路徑長度差，且c為光速。圖4A表示當光源2以明確定義的重復頻率產生短光脈沖序列時，估值裝置6的輸入上可能發(fā)生的信號。圖4A顯示可能由另一檢測器5記錄的示范信號41，另一檢測器5記錄的參考光束的功率顯示為時間的函數(shù)。相對于表示參考光束的強度的信號41，測量信號42，如可被檢測器4記錄的，具有43指示的時移T。圖4B示范性示出測量信號4的分量46 (以頻率i f0振蕩)以及以頻率i f0振蕩的參考信號45，，參考信號45可以是另一檢測器5記錄的以頻率i f0振蕩的信號分量。測量信號的振蕩分量46具有相對于參考信號45的相位差△ (^。通過對其中一個傅里葉分量確定相位差A (K，路徑長度差可根據(jù)等式(4)被確定。由于相位差AcK僅可被確定為達到2* 的整數(shù)倍，將假設估計量dS對于測量光束與參考光束之間的路徑長度差d為已知，估計量以c/(k ))的準確度接近路徑長度差，使得I d-dS I < c/ (k f0). (5)這里，k為自然數(shù)，其表示測量信號的分量，將對于該分量確定相位差。路徑長度差的估計量dS可以是預先已知的，例如，當其位置要確定的物體僅可在限定的空間區(qū)域內移動，而空間區(qū)域的尺度如此小以至于d僅可在一個唯一性范圍內變化時。估計量dS也可采用另外的粗分辨率測量技術來確定。如果例如采用具有f0 = IOOMHz的重復頻率的激光器，且對于k = I的基波確定相位差從而確定路徑長度，則需要以約3m的準確度接近路徑長度差的估計量。基于dS，相位差A (K部分可被確定，其為2 的整數(shù)倍?；赿S，整數(shù)m被確定為d = d，+m c/ (k f0)，其中，0 < d，< c/ (k f0). (6)因此，對于正的A(j5k，A (J)k，= A (J)k-2 m= 2 n k fO (d’ /c) (7)為位于從0到2 的間隔內的值，且其可通過測量在測量信號的以頻率k f0振蕩的分量與參考信號之間的相位角而確定。以后可根據(jù)d，= c A ￠/ /(2 JI k f0)⑶
確定的量d’，所述量d’根據(jù)式(6)導致路徑長度差d的值改善。當兩個量A (J) k’和A 4)k僅相差2 n的整數(shù)倍時,其對于確定相位差不相關，因此在下面兩個量均稱為相位差，且在它們之間將沒有進一步的區(qū)別。在根據(jù)各種實施例的測量設備中，諸如在圖I的測量設備I中或在圖2的測量設備21中，估值裝置6配置為確定檢測器4記錄的測量信號的以重復頻率或整數(shù)倍重復頻率振蕩的分量與參考信號之間的相位差。圖5為根據(jù)實施例的估值裝置51的線路圖，估值裝置51連接到光檢測器4、5。估值裝置51可用作圖I的測量設備I中或圖2的測量設備21中的估值裝置6。估值裝置51具有輸入以接收測量信號。用于接受測量信號的輸入可連接到檢測器4，如圖5所示，以接收表示檢測器4記錄的測量光束的強度的測量信號15。估值裝置51具有另一輸入以接受參考信號或例如通過濾波可從其導出參考信號的信號。如圖5所示， 另外的輸入可連接到另一檢測器5以從其接收信號16，信號16表示另一檢測器5記錄的參考光束的強度。如果沒有其他檢測器5設置為在參考位置記錄光脈沖序列的強度，則估值裝置51的其他輸入可連接到光源2的輸出以從其接收信號，該信號表示作為時間的函數(shù)的產生的光脈沖序列。估值裝置51配置為確定測量信號的以頻率k f0振蕩的分量與以頻率k f0振蕩的參考信號之間的相位差。這里，k表示大于或等于I的自然數(shù)，且f0表示光脈沖序列的重復頻率。為了確定相位差，估值裝置51配置為，進行降頻變換以產生第一振蕩信號和第二振蕩信號，第一振蕩信號和第二振蕩信號各自以不同于頻率1^ f0的另一頻率振蕩。估值裝置51具有用于測量信號的信號處理路徑以及用于參考信號的另一信號處理路徑。在用于測量信號的信號處理路徑中，通過降頻變換測量信號的分量執(zhí)行混頻和濾波以產生第一振蕩信號。在用于參考信號的另一信號處理路徑中，通過降頻變換參考信號執(zhí)行混頻和濾波以產生第二振蕩信號。用于測量信號的信號處理路徑包括輸入放大器52、帶通濾波器53、混頻器54和濾波器55。測量濾波器15通過輸入放大器52被放大。放大的測量信號62被提供到帶通濾波器53。帶通濾波器53具有頻率k*f0位于其中的通帶。在實施例中，帶通濾波器可配置為，除了頻率k f0之外沒有其他的頻率p f0位于通帶中，p為不同于k的整數(shù)。在此情況下，帶通濾波器53的輸出信號63本質上對應于測量信號的以k f0振蕩的分量。帶通濾波器53的輸出信號63以及第三振蕩信號72提供到混頻器54。估值裝置51例如可具有輸入以從外部振蕩器71接收第三振蕩信號72。混頻器54的輸出信號64具有以k -fO以及第三振蕩信號72的頻率的和來振蕩的分量，以及以這些頻率的差的模數(shù)振蕩的具有較低頻率的分量?；祛l器54的輸出信號64提供到濾波器55。濾波器55可配置為帶通濾波器或低通濾波器。濾波器55具有通帶，該通帶被選擇為，混頻器54的輸出信號64的具有較低頻率的該分量被傳輸，相比之下，而混頻器54的輸出信號64的以頻率的和振蕩的該分量被減弱。用于參考信號的另一信號處理路徑包括輸入放大器56、帶通濾波器57、混頻器58和濾波器59。另一檢測器5提供的信號16通過輸入放大器56被放大。放大的信號66提供到帶通濾波器57。帶通濾波器57具有頻率k*f0位于其中的通帶。在實施例中，帶通濾波器可配置為，除了頻率k f0之外沒有其他頻率p f0位于通帶中，p為不同于k的整數(shù)。在此情況下，帶通濾波器57的輸出信號67為本質上以頻率k )振蕩的參考信號，其對應于另一檢測器5記錄的信號16的以頻率k fO振蕩的分量。帶通濾波器57的輸出信號67以及第三振蕩信號72提供到混頻器58?；祛l器58的輸出信號68具有以k f0與第三振蕩信號72的頻率的和振蕩的分量，以及以這些頻率的差的模數(shù)振蕩的具有較低頻率的分量?；祛l器58的輸出信號68提供到濾波器59。濾波器59可配置為帶通濾波器或低通濾波器。濾波器59具有通帶， 該通帶被選擇為，混頻器58的輸出信號68的具有較低頻率的該分量被傳輸,相比之下,混頻器58的輸出信號68的以頻率的和振蕩的該分量被減弱。測量信號的信號處理路徑中的濾波器55的輸出信號表不第一振蕩信號65,且參考信號的信號處理路徑中的濾波器59中的輸出信號的表示第二振蕩信號69，其由估值裝置51產生。由于采用混頻器54、58混頻以及后續(xù)的濾波，第一信號和第二信號以另一頻率振蕩，該頻率小于測量信號的分量的頻率k* f0，對于測量信號的該分量確定相位差。在混頻器54和混頻器58兩者處執(zhí)行與第三振蕩信號72的混頻，相位差在信號處理路徑之間保持不變。即，第一信號65和第二信號69的相位差與測量信號的以頻率k f0振蕩的分量63與以頻率k *f0振蕩的參考信號67的相位差相同。因此，第一信號65和第二信號69的另一相位差等于測量信號的以頻率k f0振蕩的分量63與以頻率k f0振蕩的參考信號67的相位差。第一信號65和第二信號69提供到相位測量儀裝置60,其測量第一振蕩信號65與第二振蕩信號69之間的另一相位差73。相位測量儀裝置60可確定另一相位差73，例如通過確定同一方向上第一信號65的過零與第二信號69的接續(xù)過零之間的時間間隔。將參考圖8和9更詳細地解釋相位測量儀裝置60的可能構造。相位測量儀裝置60也可包括時間對數(shù)字轉換器，其可用于以高分辨率確定同一方向上第一信號65的過零與第二信號69的接續(xù)過零之間的時間。相位測量儀裝置60也可包括一個或多個傳統(tǒng)的相位估值器。估值裝置51處理的信號可以是適當?shù)碾娦盘?，諸如電流或電壓信號。測量信號的以頻率k f0振蕩的分量63則例如可寫成Um (t) = Um cos (2 n k f0 t+4>M,k). (9)以頻率k f0振湯的參考彳目號可與成Ue (t) = Ue cos (2 k f0 t+R,k) (10)這里，Um和Ur分別表示信號的振幅，f0表示光脈沖序列的重復頻率，t表示時間，且Au和分別表示由測量光束和參考光束覆蓋的路徑長度引起的信號的相位。第三振蕩信號72可寫成Ux (t) = Ux cos (2 fx t+ x), (11)其中Ux是振幅，fx是頻率且CK是通常為未知的第三振蕩信號72的相位角。通過將測量信號的以頻率k f0振蕩的分量63與第三振蕩信號72混頻，產生信號Um (t) Ux (t) = Um Ux cos (2 n k fO t+ 小 M, k) cos (2 n fx t+ x)
(12)其具有以頻率和k*fO+fx振蕩的分量以及以頻率差k*fO_fx振蕩的分量。采用濾波器55通過濾波得到的以頻率差振蕩的分量給出為
U1 (t) = (1/2) Um Ux cos [2 ji (k f0-fx) t+( M, k_ x) ] (13)并且表不產生的第一信號65。通過將測量信號的以頻率k f0振蕩的分量63與第三振蕩信號72混頻，產生信號Ue (t) Ux (t) = Ur Ux cos (2 k fO t+ R, k) cos (2 n fx t+ x)
(14)其具有以頻率和k*fO+fx振蕩的分量以及以頻率差k*fO_fx振蕩的分量。采用濾波器59通過濾波得到的以頻率差振蕩的分量給出為U2 (t) = (1/2) Uk Ux cos [2 Ji (k fO-fx) t+( Ej k-x) ] (15) 并且表不產生的第二信號69。第一信號U1U)通過降頻變換測量信號Um(t)的以頻率k*fO振蕩的分量而產生，第二信號％(0通過降頻變換以頻率k*fo振蕩的參考信號％(0而產生，第一信號U1U)和第二信號U2 (t)各自以頻率差k fO-fx振蕩并且具有相位差A = ((]5Mjk-(j5x)-((j5Ejk-(j5x) = A (j5k (16)其等于Um (t)與隊(0的相位差。估值裝置51因此配置為降頻變換測量信號的以頻率k fO振蕩的分量和參考信號，同時保持相對相位角。利用以不同于頻率k fO的頻率振蕩的第一信號和第二信號，適當?shù)剡x擇第三振蕩信號的頻率fx使得第一信號和第二信號被產生為，它們具有便于后續(xù)確定相位差的頻率。如果，例如通過測量同一方向上的第一信號的過零與第二信號的過零之間的時間間隔來確定相位差，則第三振蕩信號的頻率fx可選擇為第一信號和第二信號以小于頻率k fO的頻率振蕩。這使得對于相位測量儀裝置60的給定時間分辨率，可提高相位分辨率。第三振蕩信號的頻率fX具體可選擇為第一信號和第二信號以小于重復頻率fO的另外的頻率振蕩。在實施例中，例如可選擇k= I。即，為了進行路徑長度測量，對于以頻率fO振蕩的光強的基波，可確定相位差。在此情況下，第三信號也可以小于頻率fO的頻率fx振蕩，例如 fx = 0. 9 fOo如果第三振蕩信號72通過外部振蕩器71提供，則振蕩器71可具體選擇為具有高的相位和頻率穩(wěn)定性。可替換地，估值裝置51也可配置為，其例如從參考信號或測量信號的分量產生第三振蕩信號。為此，估值裝置可具有從信號處理路徑或從另一信號處理路徑的分出的對應分支，從而通過分頻和/或倍頻產生第三振蕩信號。估值裝置例如可包括分頻器以從參考信號或測量信號分量產生第三振蕩信號，其具有不對應于重復頻率的倍數(shù)的頻率。第三振蕩信號的頻率可具體對應于重復頻率fO與有理數(shù)u/v的乘積，u和V為整數(shù)。這樣的第三振蕩信號例如可通過分頻或混頻合成。估值裝置51的變型可實施為根據(jù)另外的實施例的估值裝置。例如，也可省略帶通濾波器53、57,如果濾波器55和59配置的通帶使得他們傳輸混頻器的輸出信號的第一信號和第二信號的話。因此，在另外的實施例中，在濾波器59傳輸混頻器58的輸出信號的第二信號之前，參考信號與另一檢測器5提供的信號16的其它光譜分量一起被降頻變換。在另一實施例中，在測量信號的信號處理路徑中以及參考信號的另一信號處理路徑中，執(zhí)行多級降頻變換。圖6為根據(jù)實施例的估值裝置80的線路圖，估值裝置80連接到光檢測器4、5。估值裝置80可用作圖I的測量設備I中或圖2的測量設備21中的估值裝置6。就它們的結構或操作而言，對應于估值裝置51的元件和裝置的估值裝置80的元件和裝置以相同的參考標號表示，并附加引用了估值裝置51的描述。估值裝置80包括測量信號的信號處理路徑，該信號處理路徑具有放大器52、帶通濾波器53、混頻器54和濾波器55，其就它們的操作而言對應于估值裝置51的相應元件。測量信號的信號處理路徑具有第二混頻器81和濾波器82以對混頻器81的輸出信號91濾波。濾波器55的輸出信號65以及第四振蕩信號86提供到第二混頻器81。第四振蕩信號86例如可通過振蕩器85產生。第二混頻器81的輸出信號91包括以濾波器55的輸出信號65的頻率與第四振蕩信號86的頻率的和振蕩的分量以及以較低的頻率差振蕩的分量。混頻器81的輸出信號91提供到濾波器82。濾波器82可配置為，第二濾波器81的輸出信號91的以較低的頻率差振蕩的分量位于濾波器82的通帶中，而與之相比，強烈地減弱以頻率和振蕩的分量。濾波器82的輸出信號用作第一信號92。第一信號92以對應于濾波器55 的輸出信號65的頻率與第四振蕩信號86的頻率的差的頻率振蕩。估值裝置80包括參考信號的另一信號處理路徑，該另一信號處理路徑具有放大器56、帶通濾波器57、混頻器58和濾波器59，就它們的操作而言，其對應于估值裝置51的相應元件。測量信號的信號處理路徑具有第二混頻器83和對混頻器83的輸出信號93濾波的濾波器84。濾波器59的輸出信號69以及第四振蕩信號86提供到第二混頻器83。第二混頻器83的輸出信號93包括以濾波器59的輸出信號69的頻率與第四振蕩信號86的頻率的和振蕩的分量，以及以較低的頻率差振蕩的分量?；祛l器83的輸出信號93提供到濾波器84。濾波器84可配置為，第二濾波器83的輸出信號93的以較低頻率差振蕩的分量位于濾波器84的通帶中，而與之相比，強烈地減弱以頻率和振蕩的分量。濾波器84的輸出信號用作第二信號94。第二信號94以對應于濾波器59的輸出信號69的頻率與第四振蕩信號86的頻率的差的頻率而振蕩。由于對測量信號的信號處理路徑中的另一混頻器81以及參考信號的信號處理路徑中的另一混頻器83提供相同的第四振蕩信號86，以頻率差振蕩的信號91、93在估值裝置80中兩級混頻。第一信號92和第二信號94之間的另一相位差等于測量信號的以重復頻率或重復頻率的倍數(shù)振蕩的分量63與以此頻率振蕩的參考信號67之間的相位差。在估值裝置80中，第四振蕩信號86可通過外部振蕩器85提供。可替換地，估值裝置51也可配置為其例如從參考信號或測量信號的分量合成第四振蕩信號。為此，估值裝置可具有從信號處理路徑或另一信號處理路徑的分出的對應分支，從而通過分頻和/或倍頻產生第四振蕩信號。在估值裝置80中，測量信號的以該頻率振蕩的分量和參考信號可經由中間頻率被多級降頻變換。如果采用具有f0 = IOOMHz的光源，則振蕩器71可調到96MHz。信號65和69因此具有4MHz的頻率。振蕩器85例如可調到3. 990MHz的頻率。估值裝置80產生的第一信號91和第二信號94因此具有IOkHz的頻率，相位差通過降頻變換而保持不變。如果例如通過相位測量儀裝置60測量同一方向上的第一信號92的過零與第二信號94的接續(xù)過零之間的時間間隔來確定相位差，則當?shù)谝恍盘?2和第二信號94由于降頻變換而以較小的頻率振蕩時，在過零之間的時間間隔被測量時，對于給定時間分辨率，可達到較高的相位分辨率。圖7為根據(jù)另一實施例的估值裝置101的線路圖，估值裝置101連接到光檢測器4、5。估值裝置101可用作圖I的測量設備I中或可用于圖2的測量設備21中的估值裝置6。估值裝置101具體地可用于路徑長度測量，即使對于以重復頻率f0振蕩的信號，也可采用足以獲得路徑長度測量的目標準確度的準確度來確定相位差。估值裝置101包括測量信號的信號處理路徑以及參考信號的信號處理路徑，檢測器4記錄的測量信號15作為輸入信號提供到測量信號的信號處理路徑，另一檢測器5的輸出信號16作為輸入信號提供到參考信號的信號處理路徑。
測量信號的信號處理路徑具有輸入放大器52和帶通濾波器53。放大器52的輸出信號62提供到帶通濾波器53。帶通濾波器53具有通帶，例如對應于重復頻率f0或重復頻率的小倍數(shù)k*f0的頻率位于該通帶中。例如，帶通濾波器53的通帶可包括重復頻率f0并且可具有小于f0的帶寬。帶通濾波器53的輸出信號102則為測量信號15的以頻率f0振蕩的分量。參考信號的另一信號處理路徑具有輸入放大器56和帶通濾波器57。放大器56的輸出信號66提供到帶通濾波器57。帶通濾波器57具有通帶，其中，例如對應于重復頻率f0或重復頻率的小倍數(shù)k -fO的頻率位于該通帶中。例如，帶通濾波器57的通帶可包括重復頻率fo并且可具有小于f0的帶寬。帶通濾波器57的輸出信號103則為另一檢測器提供的信號16的以頻率f0振蕩的分量。帶通濾波器53的輸出信號102以及帶通濾波器57的輸出信號103提供到相位測量儀裝置60，相位測量儀裝置60確定信號之間的相位差73。在估值裝置101中，因此對以頻率f0或f0的小倍數(shù)振蕩的參考光束和測量光束的記錄強度的分量確定相位差。參考圖8和9將描述相位測量儀裝置的可能構造。圖8是相位測量儀裝置11的示意線路圖。相位測量儀裝置111可用作圖5的估值裝置51中、圖6的估值裝置80中或圖7的估值裝置101中的相位測量儀裝置60。相位測量儀裝置111可配置以確定同一方向上第一振蕩信號121的過零與第二振蕩信號122的接續(xù)過零之間的時間間隔。對于第一振蕩信號121和第二振蕩信號122的已知振蕩頻率，相位差可確定為第一振蕩信號121和第二振蕩信號122的過零之間的時間間隔與振蕩頻率的乘積。時間間隔示意性表示為參考標號123。當相位測量儀裝置111用于根據(jù)實施例的估值裝置中時，第一振蕩信號121可以是通過降頻變換測量信號分量而由估值裝置產生的第一振蕩信號，且第二振動信號122可以是通過降頻變換參考信號而由估值裝置產生的第二振蕩信號。相位測量儀裝置111包括諸如比較器或限制放大器的第一線路元件112，其配置以將第一振蕩信號121轉換為方形信號124。第一線路元件112例如可配置為，如果第一振蕩信號121為正或等于0時，第一線路元件112的輸出信號124具有邏輯值“1”，當?shù)谝徽袷幮盘?21為負時，第一線路元件112的輸出信號124具有邏輯值“O”。相位測量儀裝置111包括諸如比較器或限制放大器的第二線路元件113，其配置以將第二振蕩信號122轉換為方形信號125。第一線路元件113例如可配置為，如果第二振蕩信號122為正或等于0時，第二線路元件113的輸出信號125具有邏輯值“1”，當?shù)诙袷幮盘?22為負時，第二線路元件112的輸出信號124具有邏輯值“O”。兩個方形信號124、125可提供到數(shù)字估值，其中例如以信號124的正邊緣使計數(shù)器114開始。以信號125的正邊緣使計數(shù)器114停止。計數(shù)器提供有來自時鐘信號源115的時鐘信號127，且計數(shù)在方形信號124、125的正邊緣之間的時間間隔126內的時鐘信號127的脈沖。方形信號124、125的正邊緣之間的時間間隔126等于同一方向上第一振蕩信號121的過零與第二振蕩信號122的接續(xù)過零之間的時間間隔123。圖9示出計數(shù)器114處的各種信號。使計數(shù)器開始計數(shù)的方形信號124以及使計數(shù)器停止計數(shù)的方形信號125定義出標號132表示的時間窗口。在該時間窗口中，允許脈沖信號產生器115產生的脈沖127傳送到計數(shù)單元，使得計數(shù)值在方形信號124、125的正邊緣之間的時間窗口內根據(jù)脈沖數(shù)而增加。為此目的，時鐘信號127例如可僅在標號132表不的時間窗口中傳送到計數(shù)單兀的輸入，如標號133所不。在此時間窗口中，時鐘信號產 生器115提供的脈沖數(shù)與相位差成比例。表示相位差的計數(shù)值可采用傳統(tǒng)技術讀出，例如 通過計算機界面，并且可提供到計算機。在相位測量儀裝置的另一操作模式中，上述測量例如可執(zhí)行多次。為此目的，計數(shù)單元對于在方形信號124和125的上升邊緣之間的時鐘信號產生器115提供的脈沖數(shù)進行多次(例如10次)計數(shù)。計數(shù)值可隨后除以重復測量的計數(shù)。由此，可在多個計數(shù)時間段上執(zhí)行平均化?？稍诹硗獾膶嵤├袑嵤┫辔粶y量儀111的各種變型。例如，計數(shù)器也可附加地由方形信號124、125的下降邊緣觸發(fā)，使得在每個周期循環(huán)中執(zhí)行兩個相位測量。時鐘信號產生器115可實施為，其從測量信號或從測量信號的分量導出時鐘信號127。通過相位測量儀111獲得的相位分辨率或準確度由另外的頻率與時鐘信號產生器115提供的時鐘信號127的比值來確定,第一振蕩信號121和第二振蕩信號122在該另外的頻率振蕩。如果第一振蕩信號121和第二振蕩信號122的頻率例如為10kHz，且時鐘信號產生器115輸出頻率為IOOkHz的脈沖，2 ji或360°的相位分別可采用10000步的分辨率測量。因此，對于輸出IGHz的頻率的脈沖的時鐘信號產生器115，其對于個人計算機例如為普通的，2* 或360°的相位可采用IO5步的分辨率來測量。如果具有這樣的相位測量儀裝置的估值裝置例如用于在圖I的測量設備I中或在圖2的測量設備2中測量相位差，則可實現(xiàn)幾微米或幾十微米范圍內的長度測量。如果例如光源配置為頻率梳產生器并且產生具有f0 = IOOMHz的重復頻率的光脈沖，并且如果為了路徑長度測量，通過將測量信號以頻率f0振蕩的分量(S卩，具有頻率f0的基波)降頻變換為IOkHz的頻率，從而確定此分量相位差，在時鐘信號產生器115輸出IGHz頻率的脈沖的情況下，則可在3m/105 = 30 的分辨率上執(zhí)行路徑長度測量。在反射模式中，其中測量光束兩次行進通過光源與檢測器布置與物體之間的距離，距離分辨率為15 Pm。如果諧波而不是基波被用于確定相位差，分辨率可進一步提高。如果對于前述段落中提到的參數(shù)，測量信號的具有IGHz = 10 * f0的頻率的分量降頻變換到用于路徑長度測量的IOkHz并被估值，例如由于較大的相位差而獲得I. 5 iim的距離分辨率。根據(jù)另外的實施例的估值裝置中可使用另外的相位測量儀裝置。第一和第二振蕩信號例如被取樣，以后對取樣值作出擬合，以確定相位差。也可以采用傳統(tǒng)的相位測量儀。
已經詳細描述了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的估值裝置、測量布置和方法。在另外的實施中可實施另外的變型。可采用具有可見、紫外以及紅外光譜范圍內的波長的光的光脈沖序列，執(zhí)行路徑長度測量。在另外的實施例中，可采用具有光譜范圍之外的波長的電磁脈沖序列取代光脈沖序列。根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的估值裝置、測量設備和方法可實現(xiàn)以高的空間分辨率尤其采用光學技術執(zhí)行路徑長度測量。路徑長度測量例如可用于測量物體離參考位置的距離。通過結合至少兩個這樣的路徑長度測量，通過三邊測量可在平面內確定物體的位置。通過結合至少三個這樣的路徑長度測量，例如通過三邊測量可在三維空間內確定物體的位 置。各種實施例通?？捎糜诰嚯x或位置確定，示范性的應用領域為工業(yè)設備中的(例如自動生產或傳送設備中)測量應用。
權利要求
1.路徑長度測量的估值裝置，配置為在電磁輻射的脈沖序列已覆蓋要測量的路徑長度之后對作為時間的函數(shù)的測量信號(15 ；42)估值，該測量信號表示該電磁輻射的脈沖序列的強度，尤其光脈沖序列的強度，該脈沖序列具有重復頻率， 該估值裝置出;51 ；80)配置來確定測量信號(15 ；42)的分量(46 ；63)與參考信號(45 ；67)之間的相位差(47)，所述測量信號(15 ；42)的分量(46 ；63)以ー頻率振蕩，所述參考信號(45;67)以所述頻率振蕩，所述頻率對應于該重復頻率或該重復頻率的倍數(shù)，并且 其中，為了確定相位差(47)，該估值裝置出；51 ；80)配置為產生具有另ー相位差(73)的第一信號(65 ；92)和第二信號(69 ;94),使得該第一信號(65 ；92)和該第二信號(69 ；94)各自以不同于所述頻率的另ー頻率振蕩，并且該另ー相位差(73)與所述相位差(47)具有預定關系。
2.根據(jù)權利要求I所述的估值裝置， 其中該估值裝置出;51 ；80)配置為產生第一信號￠5 ；92)和第二信號￠9 ;94)，使得該另ー相位差(73)等于該測量信號(15 ；42)的分量(46 ；63)與該參考信號(45 ；67)之間的該相位差(47)。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的估值裝置， 其中該估值裝置出;51 ；80)配置為產生第一信號￠5 ；92)和第二信號￠9 ;94)，使所述另ー頻率小于所述頻率，所產生的第一信號￠5 ；92)和所產生的第二信號￠9 ；94)以所述另ー頻率振蕩。
4.根據(jù)前述任一項權利要求所述的估值裝置， 其中該估值裝置出;51 ；80)配置為產生第一信號￠5 ；92)和第二信號￠9 ;94)，使所述另ー頻率小于該重復頻率，所產生的第一信號￠5 ；92)和所產生的第二信號￠9 ；94)以所述另ー頻率振蕩。
5.根據(jù)前述任一項權利要求所述的估值裝置，包括 用于該測量信號(15)的信號處理路徑(52-55;52-55，81，82)，其具有混頻器(54)以將該測量信號(15 ；42)的所述分量(46 ；63)與第三振蕩信號(72)混頻，從而產生該第一信號(65 ；92)。
6.根據(jù)權利要求5所述的估值裝置， 其中該信號處理路徑(52-55 ;52-55，81，82)具有濾波器(55)以對該混頻器(54)的輸出信號濾波。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的估值裝置， 其中，該信號處理路徑(52-55 ;81，82)具有至少ー個第二混頻器(80)，以使該混頻器的輸出信號與第四振蕩信號(86)混頻，從而產生該第一信號(92)。
8.根據(jù)權利要求5至7中任一項所述的估值裝置，包括 用于該參考信號(45 ；67)的另一信號處理路徑(56-59 ;56_59，83，84)，其具有另ー混頻器(58)以將該參考信號(45 ；67)與該第三振蕩信號(72)混頻，從而產生該第二信號(69 ；94)。
9.根據(jù)權利要求8所述的估值裝置， 其中該另一信號處理路徑(56-59 ;56-59，83，84)具有另ー濾波器(59)以對該另ー混頻器(58)的輸出信號濾波。
10.根據(jù)權利要求8或9以及根據(jù)權利要求6所述的估值裝置， 其中，該另一信號處理路徑(56-59 ;83，84)具有至少ー個另ー第二混頻器(83)，以使該另ー混頻器(58)的輸出信號與該第四振蕩信號(86)混頻，從而產生該第二信號(94)。
11.根據(jù)權利要求5至10中任一項所述的估值裝置， 其中，該第三振蕩信號(72)具有ー頻率，該頻率被選擇使得該第三振蕩信號(72)的頻率與該重復頻率的商值不是整數(shù)。
12.根據(jù)權利要求11所述的估值裝置， 配置為從該測量信號(15)或從該參考信號(45 ；67)產生該第三振蕩信號(72)。
13.根據(jù)前述任一項權利要求所述的估值裝置，包括 相位測量裝置￠0 ;111)，其具有該第一信號￠5 ；92)和該第二信號￠9 ；94)的輸入以確定該另ー相位差(73)。
14.根據(jù)前述任一項權利要求所述的估值裝置， 其中該估值裝置出;51 ；80)配置為測量該第一信號￠5 ；92)的過零和該第二信號(69,94)的過零之間的時間，從而確定該另ー相位差(73)。
15.用于路徑長度測量的測量設備，包括 檢測器(4)，配置為在電磁輻射脈沖序列覆蓋了要測量的路徑長度之后，記錄作為時間的函數(shù)的該電磁輻射脈沖序列的強度，尤其是光脈沖序列的強度，該脈沖序列具有重復頻率，該檢測器⑷配置為提供表示記錄的強度的測量信號(15;42)，以及 根據(jù)前述權利要求的任一項所述的估值裝置出;51 ;80)，其連接到該檢測器(4)以處理該檢測器(4)提供的該測量信號(15 ；42)。
16.根據(jù)權利要求15所述的測量設備，包括 光源(2)，用于產生該脈沖序列。
17.根據(jù)權利要求16所述的測量設備， < 其中該光源(2)包括激光器，具體地短脈沖激光器。
18.根據(jù)權利要求16或17所述的測量設備， 其中該光源(2)包括頻率梳產生器。
19.根據(jù)權利要求16至18中任一項所述的測量設備， 其中，該光源(2)配置為輸出輸出信號，該輸出信號表示作為時間的函數(shù)的所產生的脈沖序列的強度，其中該估值裝置出;51 ；80)連接到該光源(2)且配置為從該光源(2)的該輸出信號產生參考信號(45 ；67)。
20.根據(jù)權利要求16至18中任一項所述的測量設備，包括 另ー檢測器(5)，配置為在參考位置記錄作為時間的函數(shù)的所產生的脈沖序列的強度，其中該估值裝置出;51 ；80)連接到該另ー檢測器(5)且配置為從該另ー檢測器(5)的輸出信號(16)產生參考信號(45 ；67)。
21.用于路徑長度測量的方法，其中在電磁輻射的脈沖序列覆蓋了要測量的路徑長度之后，測量信號(15;42)被記錄和估值，該測量信號表示作為時間的函數(shù)的電磁輻射的脈沖序列，尤其是光脈沖序列，其中該脈沖序列具有重復頻率，其中該方法包括確定該測量信號(15 ；42)的分量(46 ；63)與參考信號(45 ；67)之間的相位差(47),所述測量信號(15 ；42)的分量(46 ；63)以ー頻率振蕩，所述參考信號(45 ；67)以所述頻率振蕩，其中所述頻率對應于該重復頻率或該重復頻率的倍數(shù)。
其中，為了確定該相位差(47),產生第一信號(65 ；92)和第二信號(69 ;94),使得該第一信號(65 ；92)和該第二信號(69 ；94)各自以不同于所述頻率的另ー頻率振蕩，并且該第一信號(65 ；92)和該第二信號(69 ；94)具有另ー相位差(73),該另ー相位差(73)與所述相位差(47)具有預定關系。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法， 其中該第一信號(65 ；92)和該第二信號(69 ；94)產生使得該另ー相位差(73)等于該測量信號(15 ；42)的所述分量(46 ；63)與該參考信號(45 ；67)之間的所述相位差(47)。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的方法， 其中該第一信號￠9 ；94)和該第二信號￠9 ；94)產生使得所述另ー頻率小于所述頻率，所產生的第一信號(65 ；92)和所產生的第二信號(69 ；94)以所述另ー頻率振蕩。
24.根據(jù)權利要求21至23中任一項所述的方法， 其中該第一信號￠9 ；94)和該第二信號￠9 ；94)產生使得所述另ー頻率小于該重復頻率，所產生的第一信號￠5 ；92)和所產生的第二信號￠9 ；94)以所述另ー頻率振蕩。
25.根據(jù)權利要求21至24中任一項所述的方法， 其中，該測量信號(15 ；42)的所述分量(46 ；63)被降頻變換以產生該第一信號。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法， 其中，該測量信號(15 ；42)的所述分量(46 ；63)被多級降頻變換。
27.根據(jù)權利要求21至26中任一項所述的方法， 其中該參考信號(45 ；67)被降頻變換以產生該第二信號(69 ;94)。
28.根據(jù)權利要求26或27所述的方法， 其中，該參考信號(45 ；67)被多級降頻變換。
29.根據(jù)權利要求21至28中任一項所述的方法， 其中，該測量信號(15 ；42)的所述分量(46 ；63)和該參考信號(45 ；67)分別與第三振蕩信號(72)混頻。
30.根據(jù)權利要求29所述的方法， 其中，選擇該第三振蕩信號(72)的頻率使得該第三振蕩信號(72)的頻率與該重復頻率的商值不是整數(shù)。
31.根據(jù)權利要求21至30中任一項所述的方法， 其中通過確定該第一信號(65;92)的過零與該第二信號(69 ；94)的過零之間的間隔而確定所述另ー相位差(73)。
32.根據(jù)權利要求21至31中任一項所述的方法， 其中該光脈沖序列由短脈沖激光器(2)產生。
33.根據(jù)權利要求21至32中任一項所述的方法， 其中，該測量信號(15 ；42)由根據(jù)權利要求I至14中的任一項所述的估值裝置出；51 ；80)估值。
34.根據(jù)權利要求21至33中任一項所述的方法， 用于在ニ維空間區(qū)域或三維空間區(qū)域內確定物體的多個坐標。
全文摘要
一種用于路徑長度測量的估值裝置(51)配置為對測量信號(15)估值，測量信號(15)表示作為時間的函數(shù)的電磁輻射的脈沖序列的強度。脈沖序列具有重復頻率。估值裝置(51)配置為確定測量信號(15)的分量(63)與參考信號(67)之間的相位差，該分量(63)以第一頻率振蕩，參考信號(67)以該頻率振蕩。該估值裝置(51)例如通過混頻產生具有第二相位差(73)的第一信號(65)和第二信號(69)，使得該第一信號(65)和該第二信號(69)各自以不同于所述頻率的另一頻率振蕩，并且該第二相位差(73)與所述相位差(47)具有預定關系。
文檔編號G01S17/36GK102803988SQ201080035503
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權日2009年6月10日
發(fā)明者B.斯普魯克, F.霍勒, C.阿爾瓦雷茲迪茲 申請人:卡爾蔡司股份公司