估值装置、测量设备和测量路径长度的方法

专利名称：估值装置、测量设备和测量路径长度的方法
技术领域：
本发明涉及估值装置、测量设备和测量路径长度的方法。本发明具体涉及采用光学测量技术的估值装置、测量设备和测量路径长度的方法。
背景技术：
距离的测量可具有多个应用领域，例如用于控制或反馈控制工业、医药、和娱乐业的各种机器和设备。通过测量物体相对于多个参考位置的距离或物体的多个点相对于参考位置的距离，可允许在二维或三维空间内确定物体的位置，这已经广泛应用于例如制造技术或质量控制。通过测量诸如光的电磁辐射覆盖的路径长度可确定距离。为此，电磁辐射一次或多次行进通过参考位置与物体之间的路径，从而使得可由辐射覆盖的路径长度推导出距 离。实施装置和方法的技术挑战是在几米长的空间内以几微米或几十微米范围内的精确度来确定距离或物体位置。这尤其适用于以高的测量频率和短的信号处理时间来确定位置，以接近实时地确定位置。激光路径长度测量装置可允许确定物体的距离。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，描述了采用频率梳测量距离。在此测量技术中，在激光束覆盖光源、物体和检测器之间的路径之后，估算激光束频率梳的强度的信号分量的相位角以确定被激光束覆盖的路径长度。为此目的，该信号分量被选择使得其以一频率振荡，该频率对应于激光束的重复频率的典型的大倍数。因此，估值电子设备必须满足高要求，这是因为其必须能够处理特别是混频典型地在数IOGHz频率范围内的信号。所使用的光检测器必须满足类似的高要求，这是因为它们必须能够记录频率在数IOGHz的范围内的接收强度的变化。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进的估值装置、一种改进的测量设备、以及一种用于路径长度测量的改进方法。具体地，本发明的目的是提供一种估值装置、一种测量设备和一种以良好的空间分辨率快速确定位置的方法。根据本发明，通过根据独立权利要求的估值装置，测量设备和方法来实现此目的。从属权利要求限定有利或优选的实施例。根据一方面，提供一种用于路径长度测量的估值装置。此估值装置配置为用于路径长度测量，其中电磁辐射脉冲序列(特别是光脉冲序列)覆盖要测量的路径长度，脉冲序列具有重复频率。在脉冲序列覆盖要测量的路径长度之后，估值装置配置为对测量信号估值，该测量信号作为时间的函数的脉冲序列的强度。估值装置被配置为确定以一频率振荡的测量信号的分量与以该频率振荡的参考信号之间的相位差，该频率对应于重复频率或该重复频率的倍数。为了确定相位差，估值装置配置为产生具有另一相位差的第一信号和第二信号，使得第一信号和第二信号各自以不同于所述频率的另一频率振荡，并且该另一相位差与该相位差具有预定关系。测量信号的光谱分量(即，作为时间的函数的记录的光强度)在本文被称为以一频率振荡的测量信号的分量。例如，以一频率振荡的分量可以是与各个频率相关的测量信号的傅里叶表示的分量。术语“重复频率的倍数”是指重复频率的整数倍。另一相位差可通过对以另一频率振荡的第一信号与第二信号估值而确定，这是因为估值装置产生第一信号和第二信号使得另一频率不同于测量信号的频率。这允许根据对于测量准确性的各种要求以及可用的相位测量仪而适当地选择另一频率。估值装置可配置为产生第一信号和第二信号使得另一相位差等于所述测量信号的分量与参考信号之间的相位差。具体地，术语“另一相位差”不是指另一相位差必须具有不同于该相位差的值。由于该相位差提供对被脉冲序列覆盖的路径长度的测量，如果另一相位差等于该相位差，则通过确定另一相位差可立即确定该相位差。估值装置可配置为产生第一信号和第二信号使得另一频率小于所述频率，所产生的第一信号和所产生的第二信号在该另一频率上振荡。具体地，估值装置可配置为产生第一信号和第二信号使得另一频率小于重复频率，所产生的第一信号和所产生的第二信号在该另一频率上振荡。由于第一和第二信号的频率相对于测量信号的所述分量的频率较小，所以可基于振荡得更缓慢的信号确定另一相位差，例如通过测量第一信号与第二信号之间 的时间偏移。估值装置可配置为通过降频变换测量信号的所述分量而产生第一信号。估值装置也可配置为通过降频变换参考信号而产生第二信号。具体地，给定信号的“降频变换”涉及一种处理，其中给定信号经历混频以产生以较小频率振荡的另一信号。混频的输出信号可经历通带滤波或低通滤波，以从混频结果获得以较小的差频振荡的信号。估值装置可配置为使测量信号的所述分量与参考信号分别与相同的第三振荡信号混频，从而分别产生第一信号和第二信号。估值装置可具有用于测量信号的信号处理路径以及用于参考信号的另一信号处理路径，以产生第一信号和第二信号。用于测量信号的信号处理路径可具有混频器，以使测量信号的所述分量与第三振荡信号混频从而产生第一信号。信号处理路径可具有滤波器以对混频器的输出信号滤波。具体地，滤波器可以是带通滤波器或低通滤波器。滤波器可具有通带，该通带包括小于重复频率的频率。信号处理路径可具有至少一个第二混频器以使该混频器的输出信号与第四振荡信号混频从而产生第一信号。由此，可以通过在多级降频变换测量信号的所述分量而产生第一信号。例如，可首先产生中间频率范围的信号，该信号随后被提供到至少一个第二混频器。用于参考信号的另一信号处理路径可具有另一混频器，以使参考信号与第三振荡信号混频从而产生第二信号。另一信号处理路径可具有另一滤波器以对该另一混频器的输出信号滤波。另一信号处理路径可具有至少一个另外的第二混频器，以使该另一混频器的输出信号与第四振荡信号混频从而产生第二信号。由此，可通过多级降频变换参考信号(即，经由中间频率范围)而产生第二信号。第三振荡信号的频率可被选择，使得第三振荡信号的频率与重复频率的商值不是整数。由此，第一和第二振荡信号可以产生，使得另一频率可被选择为小于重复频率。估值装置可配置为从参考信号产生第三振动信号。为此，可设置分频器，其在输入侧连接到信号处理路径或另一信号处理路径以产生第三振动信号，第三振动信号的频率不是重复频率的倍数。分频器可配置为数字分频器。估值装置可以包括具有第一信号和第二信号输入的相位测量仪装置以确定另一相位差。相位测量仪装置可配置以测量第一信号的过零和第二信号的过零之间的时间从而确定另一相位差。为此目的，例如可提供第一比较器或限幅放大器以及第二比较器或限幅放大器，从而分别探测第一信号和第二信号的过零，并且可提供计数器以确定探测的第一 信号的过零与第二信号的过零之间的时钟信号的脉冲数。根据所确定的第一信号和第二信号的过零之间的时钟脉冲数与第一信号和第二信号的另一频率，可确定另一相位差。相位测量仪装置也可包括时间对数字转换器。根据另一方面，提供一种用于路径长度测量的测量设备。测量设备包括检测器，该检测器被配置为，在脉冲序列覆盖了要测量的路径长度之后，记录作为时间的函数的电磁辐射脉冲序列(尤其是光脉冲序列)的强度，脉冲序列具有重复频率。检测器被配置为提供测量信号，该测量信号表示记录的强度。测量设备还包括连接到检测器的估值装置，以处理由检测器提供的测量信号，其中估值装置被配置为根据本发明的一方面或实施例的估值
>J-U装直。测量设备可包括用于产生脉冲序列的光源。光源可包括激光器，尤其是短脉冲激光器。光源可包括频率梳产生器。频率梳可具有高的频率和相位稳定性,并因此是用于距离测量的适合光源。在测量设备中可以各种方式提供参考信号。光源例如可配置为输出作为时间的函数的输出信号，该输出信号表示光源产生的脉冲序列的强度，估值装置连接到光源且配置为从光源的输出信号产生参考信号。测量设备也可包括在参考位置的另一检测器，其配置为记录作为时间的函数的产生的脉冲序列的强度。估值装置随后可被连接到另一检测器并且可配置为从另一检测器的输出信号产生参考信号。可提供分束器，其被布置在由光源产生的脉冲序列的光束路径中，以在测量光束行进穿过要测量的路径长度时将参考光束引导到另一检测器。根据另一方面，提供一种用于路径长度测量的方法。在方法中，在脉冲序列覆盖了要测量的路径长度之后，测量信号被记录和估值，该测量信号表示作为时间的函数的电磁辐射脉冲序列(尤其是光脉冲序该列)的强度。该方法包括确定测量以一频率振荡的信号的分量与以该频率振荡的参考信号之间的相位差，该频率对应于重复频率或重复频率的倍数。为了确定相位差，产生第一信号和第二信号，使得第一信号和第二信号各自以不同于所述频率的另一频率振荡，并且第一信号和第二信号具有另一相位差，该另一相位差与所述相位差具有预定关系。另一相位差可通过对以另一频率振荡的第一信号与第二信号估值而确定，这是因为第一信号和第二信号产生使得另一频率不同于该频率。从另一相位差可确定相位差，这是因为另一相位差与测量信号的所述分量和参考信号之间的相位差具有预定关系。第一信号和第二信号可产生为使得另一相位差等于测量信号的所述分量与参考信号之间的相位差。第一信号和第二信号可产生为使得另一频率小于所述频率，所产生的第一信号和所产生的第二信号在该另一频率上振荡。具体地，另一频率可小于电磁辐射的脉冲序列的重复频率。测量信号的分量可被降频变换以产生第一信号。测量信号的分量可被多级降频变换。例如，测量信号的分量可被降频变换以产生中间频率范围的信号，且该中间频率范围的信号可被进一步降频变换以产生第一信号。参考信号可被降频变换以产生第二信号。参考信号可被多级降频变换。
测量信号的所述分量和参考信号可分别与第三振荡信号混频以通过降频变换产生第一信号和第二信号。第三振荡信号的频率可选择为使得第三振荡信号的频率不是重复频率的倍数。具体地，第三振荡信号的频率可被选择为使得第三振荡信号的频率与重复频率的商值不是整数。通过确定第一信号的过零与第二信号的过零之间的时间差可确定另一相位。可采用短脉冲激光器产生电磁辐射的脉冲信号序列。具体地，短脉冲激光器可被配置为频率梳产生器。在该方法中，可采用根据本发明的方面或实施例的估值装置评价测量信号。可采用根据方面或实施例的测量设备来执行该方法。根据各种方面和实施例的估值装置、测量设备和方法可配置为确定物体离参考位置的距离。为此，可选择其中电磁辐射的脉冲序列两次行进通过参考位置与物体之间的路径的布置。例如，可在物体上提供反射器以反射电磁辐射的脉冲序列。也可以选择其中在物体上提供检测器或从物体发射光脉冲序列的布置。根据各种方面和实施例的估值装置、测量设备和方法也可用以确定一物体离多个参考位置的距离，或者确定物体的彼此间隔开的多个区域相对于一个参考位置的距离。例如采用三边测量，根据确定的距离可确定物体的空间位置和/或取向。根据各种方面和实施例的估值装置、测量设备和方法可用于在DE 10 2008 045 387 and DE 102008 045 386描述的应用中确定位置。根据各种方面和实施例的估值装置、测量设备和方法也可用于确定坐标测量机器的探针头的位置，如本申请人于同一天提交的德国专利申请“Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglangenmessung
sowi e Messanordnung und Verfahren f iir e in Koordinatenmessgerat
und Koordinatenmessgerat” (用于路径长度测量的估值装置、测量设备和方法、和坐标测
量装置的测量系统和方法，以及坐标测量装置)。根据各种方面和实施例的估值装置、测量设备和方法一般可用于测量路径长度，尤其用于路径长度测量或位置确定。诸如自动生产或传输设备的工业设备的测量应用是示范性的应用领域。然而，本发明的实施例不限于这些应用。


以下，将参照附图借助实施例更详细地描述本发明。图I是根据实施例的测量设备的示意图。图2是根据另一实施例的测量设备的示意图。图3A示意性地示出作为时间的函数的光脉冲序列，以及图3B示意性地示出图3A的光脉冲序列的傅里叶光谱。图4A和4B示意性地示出可能发生在根据实施例的估值装置中的信号。图5示出根据实施例的估值装置。图6示出根据实施例的估值装置。 图7示出另一估值装置。图8示出根据实施例的估值装置中的相位测量仪装置的实施方式。图9示出发生在图8的相位测量仪装置中的信号。
具体实施例方式在下面，将更加详细地描述本发明的实施例。各种实施例的特征可彼此结合，除非在下面的描述中明确排除此结合。虽然一些实施例在诸如确定工业设备中的位置的具体应用的背景下描述，但是本发明不限于这些应用。各种实施例配置用于路径长度测量，在所述测量中电磁辐射脉冲序列行进通过要测量的路径长度。脉冲序列具有以重复频率调制的振幅。为了执行路径长度测量，通过适合的装置(诸如短脉冲激光器)以重复频率产生序列的脉冲，使得在光束路径的给定位置，电磁辐射的振幅以及因此功率密度或光束强度在重复频率处具有最大的重复。图I是根据实施例的测量设备I的示意图。测量设备I包括光源2、安装到物体的反射器3、检测器4、另一检测器5和估值装置6。此外，设置分束器7和偏转镜8以将参考光束引导到所述另一检测器5和将测量光束引导到检测器4。光源2可配置为激光器，该激光器作为频率梳产生器工作。具体地，光源2可配置为产生具有高频率和相位稳定性的信号。如将参考图3更详细地解释的，光源2产生具有重复频率的光脉冲序列。分束器7布置在光源2产生的光脉冲序列的光束路径11中，以朝向另一检测器5率禹合出部分光束。由分束器7传输的部分光束12从分束器7行进到反射器3,其中部分光束12反射为朝向偏转镜8的光束13，偏转镜8将光束13引导到检测器4。由分束器7耦合出的部分光束14，其被弓丨导到另一检测器5上，行进通过由测量设备I的几何布局确定的路径长度。由分束器7传输的部分光束12，其行进到设置在物体上的反射器3上，行进通过自分束器7经由反射器3和偏转反射镜8到检测器4的路径，该路径的路径长度取决于其上安装有反射器3的物体的位置。由检测器4记录的光束以及另一检测器5记录的光束覆盖的不同路径，引起记录信号之间的时移，其对应于运行时间延迟。运行时间延迟导致检测器4和另一检测器5所记录的信号的傅里叶表示中的分量的相移。这些相移中的至少一个被确定，从而确定检测器4和另一检测器5所记录的两个光束之间的路径长度差。由于仅由装置几何布局确定的路径长度差的一部分，诸如从分束器7到检测器5的部分光束14覆盖的距离，要么是已知的要么被认为是通过校准测量设备的偏移，因此通过确定该路径长度差可确定其上安装有反射器3的物体离参考位置的距离，所述参考位置诸如分束器7或偏转反射镜8。箭头9示意性的表示物体的可变位置。从分束器7经由反射器3和偏转镜8到检测器4的光束12、13 (其将在下面被称为测量光束)可能覆盖的距离显著长于分束器7耦合出的参考光束14到另一检测器所覆盖的距离。因此，分束器7可配置为使得其将入射到其上的光脉冲序列的强度的相当大的部分(诸如约99% )作为测量光束传输，且将仅约1%引导为到达另一检测器5的参考光束。这使得更容易获得足够大的有用信号，即使在分别对于物体与分束器7之间的距离大以及当物体表面不是反射性的情形。检测器4可配置为光检测器，其记录入射到其上的作为时间的函数的测量光束的强度并输出测量信号15，测量信号15表示作为时间的函数的记录强度。另一检测器5可配置为光检测器，其记录入射到其上的作为时间的函数的参考光束的强度并输出另一信号16，该另一信号16表示作为时间的函数的记录强度。估值装置6连接到检测器4和另一检测器5以对测量信号15和表示参考光束的强度的另一信号16估值。如将更详细描述的，估值装置6配置为确定信号15、16的光谱分量之间的相位差。 图2是根据另一实施例的测量设备21的示意图。测量装置21包括光源2、安装到物体上的反射器3’、检测器4、另一检测器5和估值装置6，就它们的结构、布置和操作而言，其对应于以相同参考标号表示的测量设备I的元件或装置。此外，提供分束器27。在测量设备21中，反射器3’配置为回射器，其将从分束器27朝向反射器3’行进的测量光束22反射回到其本身。分束器27配置为使得其将从物体反射回来的测量光束22引导到检测器4。为此目的，分束器27可配置为使得从反射器3’入射到分束器27上的大部分的(例如本质上全部的)测量光束22的强度被引导到检测器4。就其他的结构特征而言，测量设备21对应于测量设备I。具体地，估值装置6配置为从检测器4接收测量信号15并确定用于路径长度测量的测量信号15的分量的相位差。测量设备I和21是将参考图3至9更详细地解释的估值装置和距离测量方法的示范性应用领域。在根据其他的实施例的测量设备中，可做出各种变型。虽然在参考图I和2解释的测量设备I和21中光脉冲序列自由传播，但是在根据其他的实施例的测量设备中，光例如也可以在光导中(特别是在玻璃或塑料制成的光纤中)被部分地引导。测量设备可包括光纤、其一端例如安装到物体，确定该物体自参考位置的距离。在实施例中，光纤的另一端可设置为靠近检测器4。光脉冲序列从光源2向安装到物体的光纤的一端辐射。光脉冲序列在物体处耦入到光纤中且被引导到检测器4。在另一实施例中，光纤的另一端可连接到光源2，使得光脉冲序列从安装到物体的光纤的一端发出并行进到检测器4。虽然在参考图I和2解释的测量设备I和21中，另一检测器5设置为在参考位置记录作为时间的函数的光强度，但也可以以另外的方式提供对应的参考信号。在实施例中，作为频率梳产生器工作的激光器2可例如具有输出，以输出表不激光器2发出的作为时间的函数的光强度的电信号。激光器2的此输出可连接到估值装置6，估值装置6采用激光器2提供的信号作为参考信号或用于产生相位测量的参考信号。虽然在测量设备I和21中示意性地示出在一个维度上的距离测量，但是也可采用多个检测器4和/或多个安装到物体的反射器3来测量一个反射器距多个参考位置的距离，或者不同的反射器距一个参考位置的距离，例如，如DE 10 2008 045 387中所述。然后，例如采用三边测量，可在两个或三个维度确定反射器的坐标。不同于安装到物体的反射器，物体的表面本身可反射或散射光也是可能的，使得在另外的实施例中不需要设置物体上的分立的反射器。参考图3至6，将更详细地描述采用光源2、检测器4和估值装置6的路径长度测量。光源2产生光学信号，该光学信号以周期性函数被调制、且具有基频f0以及基频f0的谐波的显著分量，即，频率为f0倍数的显著频率分量。这样的信号例如由短脉冲激光器产生，所述短脉冲激光器产生具有明确定义的间隔TO = 1/fO的光脉冲序列，即，具有重复频率f0，相比于连续脉冲之间的间隔T0，每个脉冲的持续时间是短的。图3A示范性示出这样的短光脉冲31的序列的强度，光源2的输出功率P显示为时间t的函数。连续脉冲之间的间隔TO以参考标号32示意性地表示，而每个光脉冲的持 续时间以参考标号33示意性表示。相比于连续的光脉冲之间的间隔T0，每个光脉冲的持续时间可以非常短，例如在I *10_5的数量级。根据路径长度或距离测量的希望的测量准确性、物体位置的初始不确定性、以及估值装置6的信号处理特性，或基于附加因素，可适当地选择重复频率f0和每个脉冲的持续时间。如果f0的k次谐波用于确定相位差，则每个光脉冲的持续时间和连续的光脉冲之间的间隔TO被选择为,光源2输出的光信号序列在频率k *f0仍具有足够的光谱权重。虽然图3A示范性示出方波脉冲序列，但也可选择其它的合适的脉冲形状，例如双曲正割(hyperbolic secans)的平方或高斯函数。图3B示范性示出产生为具有重复频率f0的光脉冲序列的强度的频谱35，每个光脉冲的持续时间相比于TO = 1/fO是短的。频谱35具有多个峰，多个峰有不变的频率间隔fo,间隔f0示意性由参考标号36指示。单独的峰的光谱权重朝向高频减小,减小速率由连续的光脉冲之间的时间间隔与光脉冲持续时间之间的比值确定。对于装置I的光源2，这些量被选择为，用于确定相位差的具有频率k -fO的分量37的光谱权重足够大以执行相位测量。如图3示意性示出的光脉冲序列可由配置为产生短光脉冲的各种激光器产生。具体地，可采用光学频率合成器。例如，电学泵浦二极管激光器，诸如q开关激光器、增益开关激光器、有源或无源模式锁定激光器或混合模式的锁定激光器、或具有垂直空腔的模式锁定表面发射激光器(“垂直空腔表面发射激光器”，VCSEL)，可用作光源2。光学泵浦激光器也可用作光源2，例如具有外部垂直空腔的无源模式锁定表面发射激光器(“垂直外部空腔表面发射激光器”，VECSEL)或基于光子-晶体-纤维的激光器(光子-晶体-纤维激光器)。光源2的示范性脉冲持续时间在IOOfs至IOOps的范围内。示范性重复频率在50MHz至50GHz的范围内。示范性平均功率在ImW至10W的范围。脉冲抖动的示范值在IOfs至Ips的有效值之间(均方)。分别在测量设备I和21中，检测器4记录作为时间的函数的测量光束的强度，另一检测器5在参考位置记录光源2产生的光脉冲序列的强度。在傅里叶表示中，另一检测器5记录的参考光束的强度具有光谱表示
Pe (t) =Ei Bi cos (2 n i f0 t+ 小 K, ) , (I)例如，其中求和指数i在具有0的自然数上运算，f0是重复频率，Bi是具有频率
i f0的光谱分量的光谱权重，t为时间，且为具有频率i f0的光谱分量的相位，其考虑在从测量光束的耦出点与另一检测器5之间的、由参考光束覆盖的路径长度。类似地，在傅里叶表示中，检测器4记录的测量光束的强度具有表示Pm (t) = E i bj cos (2 n i fO t+Mj j (2)其中求和指数i在具有0的自然数上运算，fO是重复频率，匕是具有频率i fO的光谱分量的光谱权重，t为时间，且为具有频率i fO的光谱分量的相位，其考虑测量光束与参考光束分离的点与检测器4之间的、由测量光束覆盖的路径长度。测量信号42与表示参考位置上的光脉冲序列的强度的信号41之间的时移T引起以频率fi = i fO振荡的信号PM(t)与Pk(t)的分量之间的相移或相位差A (^=(^,「(^4 (3)
相位差的模数与检测器4和另一检测器5记录的强度之间的时移T成比例，IA^iI = 2 f0 T = 2 i f0 d/c. (4)这里，d表示测量光束与参考光束之间的路径长度差，且c为光速。图4A表示当光源2以明确定义的重复频率产生短光脉冲序列时，估值装置6的输入上可能发生的信号。图4A显示可能由另一检测器5记录的示范信号41，另一检测器5记录的参考光束的功率显示为时间的函数。相对于表示参考光束的强度的信号41，测量信号42，如可被检测器4记录的，具有43指示的时移T。图4B示范性示出测量信号4的分量46 (以频率i f0振荡)以及以频率i f0振荡的参考信号45，，参考信号45可以是另一检测器5记录的以频率i f0振荡的信号分量。测量信号的振荡分量46具有相对于参考信号45的相位差△ (^。通过对其中一个傅里叶分量确定相位差A (K，路径长度差可根据等式(4)被确定。由于相位差AcK仅可被确定为达到2* 的整数倍，将假设估计量dS对于测量光束与参考光束之间的路径长度差d为已知，估计量以c/(k ))的准确度接近路径长度差，使得I d-dS I < c/ (k f0). (5)这里，k为自然数，其表示测量信号的分量，将对于该分量确定相位差。路径长度差的估计量dS可以是预先已知的，例如，当其位置要确定的物体仅可在限定的空间区域内移动，而空间区域的尺度如此小以至于d仅可在一个唯一性范围内变化时。估计量dS也可采用另外的粗分辨率测量技术来确定。如果例如采用具有f0 = IOOMHz的重复频率的激光器，且对于k = I的基波确定相位差从而确定路径长度，则需要以约3m的准确度接近路径长度差的估计量。基于dS，相位差A (K部分可被确定，其为2 的整数倍。基于dS，整数m被确定为d = d，+m c/ (k f0)，其中，0 < d，< c/ (k f0). (6)因此，对于正的A(j5k，A (J)k，= A (J)k-2 m= 2 n k fO (d’ /c) (7)为位于从0到2 的间隔内的值，且其可通过测量在测量信号的以频率k f0振荡的分量与参考信号之间的相位角而确定。以后可根据d，= c A ￠/ /(2 JI k f0)⑶
确定的量d’，所述量d’根据式(6)导致路径长度差d的值改善。当两个量A (J) k’和A 4)k仅相差2 n的整数倍时,其对于确定相位差不相关，因此在下面两个量均称为相位差，且在它们之间将没有进一步的区别。在根据各种实施例的测量设备中，诸如在图I的测量设备I中或在图2的测量设备21中，估值装置6配置为确定检测器4记录的测量信号的以重复频率或整数倍重复频率振荡的分量与参考信号之间的相位差。图5为根据实施例的估值装置51的线路图，估值装置51连接到光检测器4、5。估值装置51可用作图I的测量设备I中或图2的测量设备21中的估值装置6。估值装置51具有输入以接收测量信号。用于接受测量信号的输入可连接到检测器4，如图5所示，以接收表示检测器4记录的测量光束的强度的测量信号15。估值装置51具有另一输入以接受参考信号或例如通过滤波可从其导出参考信号的信号。如图5所示， 另外的输入可连接到另一检测器5以从其接收信号16，信号16表示另一检测器5记录的参考光束的强度。如果没有其他检测器5设置为在参考位置记录光脉冲序列的强度，则估值装置51的其他输入可连接到光源2的输出以从其接收信号，该信号表示作为时间的函数的产生的光脉冲序列。估值装置51配置为确定测量信号的以频率k f0振荡的分量与以频率k f0振荡的参考信号之间的相位差。这里，k表示大于或等于I的自然数，且f0表示光脉冲序列的重复频率。为了确定相位差，估值装置51配置为，进行降频变换以产生第一振荡信号和第二振荡信号，第一振荡信号和第二振荡信号各自以不同于频率1^ f0的另一频率振荡。估值装置51具有用于测量信号的信号处理路径以及用于参考信号的另一信号处理路径。在用于测量信号的信号处理路径中，通过降频变换测量信号的分量执行混频和滤波以产生第一振荡信号。在用于参考信号的另一信号处理路径中，通过降频变换参考信号执行混频和滤波以产生第二振荡信号。用于测量信号的信号处理路径包括输入放大器52、带通滤波器53、混频器54和滤波器55。测量滤波器15通过输入放大器52被放大。放大的测量信号62被提供到带通滤波器53。带通滤波器53具有频率k*f0位于其中的通带。在实施例中，带通滤波器可配置为，除了频率k f0之外没有其他的频率p f0位于通带中，p为不同于k的整数。在此情况下，带通滤波器53的输出信号63本质上对应于测量信号的以k f0振荡的分量。带通滤波器53的输出信号63以及第三振荡信号72提供到混频器54。估值装置51例如可具有输入以从外部振荡器71接收第三振荡信号72。混频器54的输出信号64具有以k -fO以及第三振荡信号72的频率的和来振荡的分量，以及以这些频率的差的模数振荡的具有较低频率的分量。混频器54的输出信号64提供到滤波器55。滤波器55可配置为带通滤波器或低通滤波器。滤波器55具有通带，该通带被选择为，混频器54的输出信号64的具有较低频率的该分量被传输，相比之下，而混频器54的输出信号64的以频率的和振荡的该分量被减弱。用于参考信号的另一信号处理路径包括输入放大器56、带通滤波器57、混频器58和滤波器59。另一检测器5提供的信号16通过输入放大器56被放大。放大的信号66提供到带通滤波器57。带通滤波器57具有频率k*f0位于其中的通带。在实施例中，带通滤波器可配置为，除了频率k f0之外没有其他频率p f0位于通带中，p为不同于k的整数。在此情况下，带通滤波器57的输出信号67为本质上以频率k )振荡的参考信号，其对应于另一检测器5记录的信号16的以频率k fO振荡的分量。带通滤波器57的输出信号67以及第三振荡信号72提供到混频器58。混频器58的输出信号68具有以k f0与第三振荡信号72的频率的和振荡的分量，以及以这些频率的差的模数振荡的具有较低频率的分量。混频器58的输出信号68提供到滤波器59。滤波器59可配置为带通滤波器或低通滤波器。滤波器59具有通带， 该通带被选择为，混频器58的输出信号68的具有较低频率的该分量被传输,相比之下,混频器58的输出信号68的以频率的和振荡的该分量被减弱。测量信号的信号处理路径中的滤波器55的输出信号表不第一振荡信号65,且参考信号的信号处理路径中的滤波器59中的输出信号的表示第二振荡信号69，其由估值装置51产生。由于采用混频器54、58混频以及后续的滤波，第一信号和第二信号以另一频率振荡，该频率小于测量信号的分量的频率k* f0，对于测量信号的该分量确定相位差。在混频器54和混频器58两者处执行与第三振荡信号72的混频，相位差在信号处理路径之间保持不变。即，第一信号65和第二信号69的相位差与测量信号的以频率k f0振荡的分量63与以频率k *f0振荡的参考信号67的相位差相同。因此，第一信号65和第二信号69的另一相位差等于测量信号的以频率k f0振荡的分量63与以频率k f0振荡的参考信号67的相位差。第一信号65和第二信号69提供到相位测量仪装置60,其测量第一振荡信号65与第二振荡信号69之间的另一相位差73。相位测量仪装置60可确定另一相位差73，例如通过确定同一方向上第一信号65的过零与第二信号69的接续过零之间的时间间隔。将参考图8和9更详细地解释相位测量仪装置60的可能构造。相位测量仪装置60也可包括时间对数字转换器，其可用于以高分辨率确定同一方向上第一信号65的过零与第二信号69的接续过零之间的时间。相位测量仪装置60也可包括一个或多个传统的相位估值器。估值装置51处理的信号可以是适当的电信号，诸如电流或电压信号。测量信号的以频率k f0振荡的分量63则例如可写成Um (t) = Um cos (2 n k f0 t+4>M,k). (9)以频率k f0振汤的参考彳目号可与成Ue (t) = Ue cos (2 k f0 t+R,k) (10)这里，Um和Ur分别表示信号的振幅，f0表示光脉冲序列的重复频率，t表示时间，且Au和分别表示由测量光束和参考光束覆盖的路径长度引起的信号的相位。第三振荡信号72可写成Ux (t) = Ux cos (2 fx t+ x), (11)其中Ux是振幅，fx是频率且CK是通常为未知的第三振荡信号72的相位角。通过将测量信号的以频率k f0振荡的分量63与第三振荡信号72混频，产生信号Um (t) Ux (t) = Um Ux cos (2 n k fO t+ 小 M, k) cos (2 n fx t+ x)
(12)其具有以频率和k*fO+fx振荡的分量以及以频率差k*fO_fx振荡的分量。采用滤波器55通过滤波得到的以频率差振荡的分量给出为
U1 (t) = (1/2) Um Ux cos [2 ji (k f0-fx) t+( M, k_ x) ] (13)并且表不产生的第一信号65。通过将测量信号的以频率k f0振荡的分量63与第三振荡信号72混频，产生信号Ue (t) Ux (t) = Ur Ux cos (2 k fO t+ R, k) cos (2 n fx t+ x)
(14)其具有以频率和k*fO+fx振荡的分量以及以频率差k*fO_fx振荡的分量。采用滤波器59通过滤波得到的以频率差振荡的分量给出为U2 (t) = (1/2) Uk Ux cos [2 Ji (k fO-fx) t+( Ej k-x) ] (15) 并且表不产生的第二信号69。第一信号U1U)通过降频变换测量信号Um(t)的以频率k*fO振荡的分量而产生，第二信号％(0通过降频变换以频率k*fo振荡的参考信号％(0而产生，第一信号U1U)和第二信号U2 (t)各自以频率差k fO-fx振荡并且具有相位差A = ((]5Mjk-(j5x)-((j5Ejk-(j5x) = A (j5k (16)其等于Um (t)与队(0的相位差。估值装置51因此配置为降频变换测量信号的以频率k fO振荡的分量和参考信号，同时保持相对相位角。利用以不同于频率k fO的频率振荡的第一信号和第二信号，适当地选择第三振荡信号的频率fx使得第一信号和第二信号被产生为，它们具有便于后续确定相位差的频率。如果，例如通过测量同一方向上的第一信号的过零与第二信号的过零之间的时间间隔来确定相位差，则第三振荡信号的频率fx可选择为第一信号和第二信号以小于频率k fO的频率振荡。这使得对于相位测量仪装置60的给定时间分辨率，可提高相位分辨率。第三振荡信号的频率fX具体可选择为第一信号和第二信号以小于重复频率fO的另外的频率振荡。在实施例中，例如可选择k= I。即，为了进行路径长度测量，对于以频率fO振荡的光强的基波，可确定相位差。在此情况下，第三信号也可以小于频率fO的频率fx振荡，例如 fx = 0. 9 fOo如果第三振荡信号72通过外部振荡器71提供，则振荡器71可具体选择为具有高的相位和频率稳定性。可替换地，估值装置51也可配置为，其例如从参考信号或测量信号的分量产生第三振荡信号。为此，估值装置可具有从信号处理路径或从另一信号处理路径的分出的对应分支，从而通过分频和/或倍频产生第三振荡信号。估值装置例如可包括分频器以从参考信号或测量信号分量产生第三振荡信号，其具有不对应于重复频率的倍数的频率。第三振荡信号的频率可具体对应于重复频率fO与有理数u/v的乘积，u和V为整数。这样的第三振荡信号例如可通过分频或混频合成。估值装置51的变型可实施为根据另外的实施例的估值装置。例如，也可省略带通滤波器53、57,如果滤波器55和59配置的通带使得他们传输混频器的输出信号的第一信号和第二信号的话。因此，在另外的实施例中，在滤波器59传输混频器58的输出信号的第二信号之前，参考信号与另一检测器5提供的信号16的其它光谱分量一起被降频变换。在另一实施例中，在测量信号的信号处理路径中以及参考信号的另一信号处理路径中，执行多级降频变换。图6为根据实施例的估值装置80的线路图，估值装置80连接到光检测器4、5。估值装置80可用作图I的测量设备I中或图2的测量设备21中的估值装置6。就它们的结构或操作而言，对应于估值装置51的元件和装置的估值装置80的元件和装置以相同的参考标号表示，并附加引用了估值装置51的描述。估值装置80包括测量信号的信号处理路径，该信号处理路径具有放大器52、带通滤波器53、混频器54和滤波器55，其就它们的操作而言对应于估值装置51的相应元件。测量信号的信号处理路径具有第二混频器81和滤波器82以对混频器81的输出信号91滤波。滤波器55的输出信号65以及第四振荡信号86提供到第二混频器81。第四振荡信号86例如可通过振荡器85产生。第二混频器81的输出信号91包括以滤波器55的输出信号65的频率与第四振荡信号86的频率的和振荡的分量以及以较低的频率差振荡的分量。混频器81的输出信号91提供到滤波器82。滤波器82可配置为，第二滤波器81的输出信号91的以较低的频率差振荡的分量位于滤波器82的通带中，而与之相比，强烈地减弱以频率和振荡的分量。滤波器82的输出信号用作第一信号92。第一信号92以对应于滤波器55 的输出信号65的频率与第四振荡信号86的频率的差的频率振荡。估值装置80包括参考信号的另一信号处理路径，该另一信号处理路径具有放大器56、带通滤波器57、混频器58和滤波器59，就它们的操作而言，其对应于估值装置51的相应元件。测量信号的信号处理路径具有第二混频器83和对混频器83的输出信号93滤波的滤波器84。滤波器59的输出信号69以及第四振荡信号86提供到第二混频器83。第二混频器83的输出信号93包括以滤波器59的输出信号69的频率与第四振荡信号86的频率的和振荡的分量，以及以较低的频率差振荡的分量。混频器83的输出信号93提供到滤波器84。滤波器84可配置为，第二滤波器83的输出信号93的以较低频率差振荡的分量位于滤波器84的通带中，而与之相比，强烈地减弱以频率和振荡的分量。滤波器84的输出信号用作第二信号94。第二信号94以对应于滤波器59的输出信号69的频率与第四振荡信号86的频率的差的频率而振荡。由于对测量信号的信号处理路径中的另一混频器81以及参考信号的信号处理路径中的另一混频器83提供相同的第四振荡信号86，以频率差振荡的信号91、93在估值装置80中两级混频。第一信号92和第二信号94之间的另一相位差等于测量信号的以重复频率或重复频率的倍数振荡的分量63与以此频率振荡的参考信号67之间的相位差。在估值装置80中，第四振荡信号86可通过外部振荡器85提供。可替换地，估值装置51也可配置为其例如从参考信号或测量信号的分量合成第四振荡信号。为此，估值装置可具有从信号处理路径或另一信号处理路径的分出的对应分支，从而通过分频和/或倍频产生第四振荡信号。在估值装置80中，测量信号的以该频率振荡的分量和参考信号可经由中间频率被多级降频变换。如果采用具有f0 = IOOMHz的光源，则振荡器71可调到96MHz。信号65和69因此具有4MHz的频率。振荡器85例如可调到3. 990MHz的频率。估值装置80产生的第一信号91和第二信号94因此具有IOkHz的频率，相位差通过降频变换而保持不变。如果例如通过相位测量仪装置60测量同一方向上的第一信号92的过零与第二信号94的接续过零之间的时间间隔来确定相位差，则当第一信号92和第二信号94由于降频变换而以较小的频率振荡时，在过零之间的时间间隔被测量时，对于给定时间分辨率，可达到较高的相位分辨率。图7为根据另一实施例的估值装置101的线路图，估值装置101连接到光检测器4、5。估值装置101可用作图I的测量设备I中或可用于图2的测量设备21中的估值装置6。估值装置101具体地可用于路径长度测量，即使对于以重复频率f0振荡的信号，也可采用足以获得路径长度测量的目标准确度的准确度来确定相位差。估值装置101包括测量信号的信号处理路径以及参考信号的信号处理路径，检测器4记录的测量信号15作为输入信号提供到测量信号的信号处理路径，另一检测器5的输出信号16作为输入信号提供到参考信号的信号处理路径。
测量信号的信号处理路径具有输入放大器52和带通滤波器53。放大器52的输出信号62提供到带通滤波器53。带通滤波器53具有通带，例如对应于重复频率f0或重复频率的小倍数k*f0的频率位于该通带中。例如，带通滤波器53的通带可包括重复频率f0并且可具有小于f0的带宽。带通滤波器53的输出信号102则为测量信号15的以频率f0振荡的分量。参考信号的另一信号处理路径具有输入放大器56和带通滤波器57。放大器56的输出信号66提供到带通滤波器57。带通滤波器57具有通带，其中，例如对应于重复频率f0或重复频率的小倍数k -fO的频率位于该通带中。例如，带通滤波器57的通带可包括重复频率fo并且可具有小于f0的带宽。带通滤波器57的输出信号103则为另一检测器提供的信号16的以频率f0振荡的分量。带通滤波器53的输出信号102以及带通滤波器57的输出信号103提供到相位测量仪装置60，相位测量仪装置60确定信号之间的相位差73。在估值装置101中，因此对以频率f0或f0的小倍数振荡的参考光束和测量光束的记录强度的分量确定相位差。参考图8和9将描述相位测量仪装置的可能构造。图8是相位测量仪装置11的示意线路图。相位测量仪装置111可用作图5的估值装置51中、图6的估值装置80中或图7的估值装置101中的相位测量仪装置60。相位测量仪装置111可配置以确定同一方向上第一振荡信号121的过零与第二振荡信号122的接续过零之间的时间间隔。对于第一振荡信号121和第二振荡信号122的已知振荡频率，相位差可确定为第一振荡信号121和第二振荡信号122的过零之间的时间间隔与振荡频率的乘积。时间间隔示意性表示为参考标号123。当相位测量仪装置111用于根据实施例的估值装置中时，第一振荡信号121可以是通过降频变换测量信号分量而由估值装置产生的第一振荡信号，且第二振动信号122可以是通过降频变换参考信号而由估值装置产生的第二振荡信号。相位测量仪装置111包括诸如比较器或限制放大器的第一线路元件112，其配置以将第一振荡信号121转换为方形信号124。第一线路元件112例如可配置为，如果第一振荡信号121为正或等于0时，第一线路元件112的输出信号124具有逻辑值“1”，当第一振荡信号121为负时，第一线路元件112的输出信号124具有逻辑值“O”。相位测量仪装置111包括诸如比较器或限制放大器的第二线路元件113，其配置以将第二振荡信号122转换为方形信号125。第一线路元件113例如可配置为，如果第二振荡信号122为正或等于0时，第二线路元件113的输出信号125具有逻辑值“1”，当第二振荡信号122为负时，第二线路元件112的输出信号124具有逻辑值“O”。两个方形信号124、125可提供到数字估值，其中例如以信号124的正边缘使计数器114开始。以信号125的正边缘使计数器114停止。计数器提供有来自时钟信号源115的时钟信号127，且计数在方形信号124、125的正边缘之间的时间间隔126内的时钟信号127的脉冲。方形信号124、125的正边缘之间的时间间隔126等于同一方向上第一振荡信号121的过零与第二振荡信号122的接续过零之间的时间间隔123。图9示出计数器114处的各种信号。使计数器开始计数的方形信号124以及使计数器停止计数的方形信号125定义出标号132表示的时间窗口。在该时间窗口中，允许脉冲信号产生器115产生的脉冲127传送到计数单元，使得计数值在方形信号124、125的正边缘之间的时间窗口内根据脉冲数而增加。为此目的，时钟信号127例如可仅在标号132表不的时间窗口中传送到计数单兀的输入，如标号133所不。在此时间窗口中，时钟信号产 生器115提供的脉冲数与相位差成比例。表示相位差的计数值可采用传统技术读出，例如 通过计算机界面，并且可提供到计算机。在相位测量仪装置的另一操作模式中，上述测量例如可执行多次。为此目的，计数单元对于在方形信号124和125的上升边缘之间的时钟信号产生器115提供的脉冲数进行多次(例如10次)计数。计数值可随后除以重复测量的计数。由此，可在多个计数时间段上执行平均化。可在另外的实施例中实施相位测量仪111的各种变型。例如，计数器也可附加地由方形信号124、125的下降边缘触发，使得在每个周期循环中执行两个相位测量。时钟信号产生器115可实施为，其从测量信号或从测量信号的分量导出时钟信号127。通过相位测量仪111获得的相位分辨率或准确度由另外的频率与时钟信号产生器115提供的时钟信号127的比值来确定,第一振荡信号121和第二振荡信号122在该另外的频率振荡。如果第一振荡信号121和第二振荡信号122的频率例如为10kHz，且时钟信号产生器115输出频率为IOOkHz的脉冲，2 ji或360°的相位分别可采用10000步的分辨率测量。因此，对于输出IGHz的频率的脉冲的时钟信号产生器115，其对于个人计算机例如为普通的，2* 或360°的相位可采用IO5步的分辨率来测量。如果具有这样的相位测量仪装置的估值装置例如用于在图I的测量设备I中或在图2的测量设备2中测量相位差，则可实现几微米或几十微米范围内的长度测量。如果例如光源配置为频率梳产生器并且产生具有f0 = IOOMHz的重复频率的光脉冲，并且如果为了路径长度测量，通过将测量信号以频率f0振荡的分量(S卩，具有频率f0的基波)降频变换为IOkHz的频率，从而确定此分量相位差，在时钟信号产生器115输出IGHz频率的脉冲的情况下，则可在3m/105 = 30 的分辨率上执行路径长度测量。在反射模式中，其中测量光束两次行进通过光源与检测器布置与物体之间的距离，距离分辨率为15 Pm。如果谐波而不是基波被用于确定相位差，分辨率可进一步提高。如果对于前述段落中提到的参数，测量信号的具有IGHz = 10 * f0的频率的分量降频变换到用于路径长度测量的IOkHz并被估值，例如由于较大的相位差而获得I. 5 iim的距离分辨率。根据另外的实施例的估值装置中可使用另外的相位测量仪装置。第一和第二振荡信号例如被取样，以后对取样值作出拟合，以确定相位差。也可以采用传统的相位测量仪。
已经详细描述了根据本发明的各种实施例的估值装置、测量布置和方法。在另外的实施中可实施另外的变型。可采用具有可见、紫外以及红外光谱范围内的波长的光的光脉冲序列，执行路径长度测量。在另外的实施例中，可采用具有光谱范围之外的波长的电磁脉冲序列取代光脉冲序列。根据本发明的各种实施例的估值装置、测量设备和方法可实现以高的空间分辨率尤其采用光学技术执行路径长度测量。路径长度测量例如可用于测量物体离参考位置的距离。通过结合至少两个这样的路径长度测量，通过三边测量可在平面内确定物体的位置。通过结合至少三个这样的路径长度测量，例如通过三边测量可在三维空间内确定物体的位 置。各种实施例通常可用于距离或位置确定，示范性的应用领域为工业设备中的(例如自动生产或传送设备中)测量应用。
权利要求
1.路径长度测量的估值装置，配置为在电磁辐射的脉冲序列已覆盖要测量的路径长度之后对作为时间的函数的測量信号(15 ；42)估值，该测量信号表示该电磁辐射的脉冲序列的強度，尤其光脉冲序列的強度，该脉冲序列具有重复频率， 该估值装置出;51 ；80)配置来确定测量信号(15 ；42)的分量(46 ；63)与參考信号(45 ；67)之间的相位差(47)，所述测量信号(15 ；42)的分量(46 ；63)以ー频率振荡，所述參考信号(45;67)以所述频率振荡，所述频率对应于该重复频率或该重复频率的倍数，并且 其中，为了确定相位差(47)，该估值装置出；51 ；80)配置为产生具有另ー相位差(73)的第一信号(65 ；92)和第二信号(69 ;94),使得该第一信号(65 ；92)和该第二信号(69 ；94)各自以不同于所述频率的另ー频率振荡，并且该另ー相位差(73)与所述相位差(47)具有预定关系。
2.根据权利要求I所述的估值装置， 其中该估值装置出;51 ；80)配置为产生第一信号￠5 ；92)和第二信号￠9 ;94)，使得该另ー相位差(73)等于该测量信号(15 ；42)的分量(46 ；63)与该參考信号(45 ；67)之间的该相位差(47)。
3.根据权利要求I或2所述的估值装置， 其中该估值装置出;51 ；80)配置为产生第一信号￠5 ；92)和第二信号￠9 ;94)，使所述另ー频率小于所述频率，所产生的第一信号￠5 ；92)和所产生的第二信号￠9 ；94)以所述另ー频率振荡。
4.根据前述任一项权利要求所述的估值装置， 其中该估值装置出;51 ；80)配置为产生第一信号￠5 ；92)和第二信号￠9 ;94)，使所述另ー频率小于该重复频率，所产生的第一信号￠5 ；92)和所产生的第二信号￠9 ；94)以所述另ー频率振荡。
5.根据前述任一项权利要求所述的估值装置，包括 用于该测量信号(15)的信号处理路径(52-55;52-55，81，82)，其具有混频器(54)以将该测量信号(15 ；42)的所述分量(46 ；63)与第三振荡信号(72)混频，从而产生该第一信号(65 ；92)。
6.根据权利要求5所述的估值装置， 其中该信号处理路径(52-55 ;52-55，81，82)具有滤波器(55)以对该混频器(54)的输出信号滤波。
7.根据权利要求5或6所述的估值装置， 其中，该信号处理路径(52-55 ;81，82)具有至少ー个第二混频器(80)，以使该混频器的输出信号与第四振荡信号(86)混频，从而产生该第一信号(92)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的估值装置，包括 用于该參考信号(45 ；67)的另一信号处理路径(56-59 ;56_59，83，84)，其具有另ー混频器(58)以将该參考信号(45 ；67)与该第三振荡信号(72)混频，从而产生该第二信号(69 ；94)。
9.根据权利要求8所述的估值装置， 其中该另一信号处理路径(56-59 ;56-59，83，84)具有另ー滤波器(59)以对该另ー混频器(58)的输出信号滤波。
10.根据权利要求8或9以及根据权利要求6所述的估值装置， 其中，该另一信号处理路径(56-59 ;83，84)具有至少ー个另ー第二混频器(83)，以使该另ー混频器(58)的输出信号与该第四振荡信号(86)混频，从而产生该第二信号(94)。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的估值装置， 其中，该第三振荡信号(72)具有ー频率，该频率被选择使得该第三振荡信号(72)的频率与该重复频率的商值不是整数。
12.根据权利要求11所述的估值装置， 配置为从该測量信号(15)或从该參考信号(45 ；67)产生该第三振荡信号(72)。
13.根据前述任一项权利要求所述的估值装置，包括 相位測量装置￠0 ;111)，其具有该第一信号￠5 ；92)和该第二信号￠9 ；94)的输入以确定该另ー相位差(73)。
14.根据前述任一项权利要求所述的估值装置， 其中该估值装置出;51 ；80)配置为测量该第一信号￠5 ；92)的过零和该第二信号(69,94)的过零之间的时间，从而确定该另ー相位差(73)。
15.用于路径长度测量的測量设备，包括 检测器(4)，配置为在电磁辐射脉冲序列覆盖了要测量的路径长度之后，记录作为时间的函数的该电磁辐射脉冲序列的強度，尤其是光脉冲序列的強度，该脉冲序列具有重复频率，该检测器⑷配置为提供表示记录的強度的測量信号(15;42)，以及 根据前述权利要求的任一项所述的估值装置出;51 ;80)，其连接到该检测器(4)以处理该检测器(4)提供的该测量信号(15 ；42)。
16.根据权利要求15所述的测量设备，包括 光源(2)，用于产生该脉冲序列。
17.根据权利要求16所述的测量设备， < 其中该光源(2)包括激光器，具体地短脉冲激光器。
18.根据权利要求16或17所述的测量设备， 其中该光源(2)包括频率梳产生器。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的測量设备， 其中，该光源(2)配置为输出输出信号，该输出信号表示作为时间的函数的所产生的脉冲序列的強度，其中该估值装置出;51 ；80)连接到该光源(2)且配置为从该光源(2)的该输出信号产生參考信号(45 ；67)。
20.根据权利要求16至18中任一项所述的測量设备，包括 另ー检测器(5)，配置为在參考位置记录作为时间的函数的所产生的脉冲序列的強度，其中该估值装置出;51 ；80)连接到该另ー检测器(5)且配置为从该另ー检测器(5)的输出信号(16)产生參考信号(45 ；67)。
21.用于路径长度测量的方法，其中在电磁辐射的脉冲序列覆盖了要测量的路径长度之后，測量信号(15;42)被记录和估值，该测量信号表示作为时间的函数的电磁辐射的脉冲序列，尤其是光脉冲序列，其中该脉冲序列具有重复频率，其中该方法包括确定该測量信号(15 ；42)的分量(46 ；63)与參考信号(45 ；67)之间的相位差(47),所述测量信号(15 ；42)的分量(46 ；63)以ー频率振荡，所述參考信号(45 ；67)以所述频率振荡，其中所述频率对应于该重复频率或该重复频率的倍数。
其中，为了确定该相位差(47),产生第一信号(65 ；92)和第二信号(69 ;94),使得该第一信号(65 ；92)和该第二信号(69 ；94)各自以不同于所述频率的另ー频率振荡，并且该第一信号(65 ；92)和该第二信号(69 ；94)具有另ー相位差(73),该另ー相位差(73)与所述相位差(47)具有预定关系。
22.根据权利要求21所述的方法， 其中该第一信号(65 ；92)和该第二信号(69 ；94)产生使得该另ー相位差(73)等于该測量信号(15 ；42)的所述分量(46 ；63)与该參考信号(45 ；67)之间的所述相位差(47)。
23.根据权利要求21或22所述的方法， 其中该第一信号￠9 ；94)和该第二信号￠9 ；94)产生使得所述另ー频率小于所述频率，所产生的第一信号(65 ；92)和所产生的第二信号(69 ；94)以所述另ー频率振荡。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法， 其中该第一信号￠9 ；94)和该第二信号￠9 ；94)产生使得所述另ー频率小于该重复频率，所产生的第一信号￠5 ；92)和所产生的第二信号￠9 ；94)以所述另ー频率振荡。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法， 其中，该测量信号(15 ；42)的所述分量(46 ；63)被降频变换以产生该第一信号。
26.根据权利要求25所述的方法， 其中，该测量信号(15 ；42)的所述分量(46 ；63)被多级降频变换。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法， 其中该參考信号(45 ；67)被降频变换以产生该第二信号(69 ;94)。
28.根据权利要求26或27所述的方法， 其中，该參考信号(45 ；67)被多级降频变换。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的方法， 其中，该测量信号(15 ；42)的所述分量(46 ；63)和该參考信号(45 ；67)分别与第三振荡信号(72)混频。
30.根据权利要求29所述的方法， 其中，选择该第三振荡信号(72)的频率使得该第三振荡信号(72)的频率与该重复频率的商值不是整数。
31.根据权利要求21至30中任一项所述的方法， 其中通过确定该第一信号(65;92)的过零与该第二信号(69 ；94)的过零之间的间隔而确定所述另ー相位差(73)。
32.根据权利要求21至31中任一项所述的方法， 其中该光脉冲序列由短脉冲激光器(2)产生。
33.根据权利要求21至32中任一项所述的方法， 其中，该测量信号(15 ；42)由根据权利要求I至14中的任一项所述的估值装置出；51 ；80)估值。
34.根据权利要求21至33中任一项所述的方法， 用于在ニ维空间区域或三维空间区域内确定物体的多个坐标。
全文摘要
一种用于路径长度测量的估值装置(51)配置为对测量信号(15)估值，测量信号(15)表示作为时间的函数的电磁辐射的脉冲序列的强度。脉冲序列具有重复频率。估值装置(51)配置为确定测量信号(15)的分量(63)与参考信号(67)之间的相位差，该分量(63)以第一频率振荡，参考信号(67)以该频率振荡。该估值装置(51)例如通过混频产生具有第二相位差(73)的第一信号(65)和第二信号(69)，使得该第一信号(65)和该第二信号(69)各自以不同于所述频率的另一频率振荡，并且该第二相位差(73)与所述相位差(47)具有预定关系。
文档编号G01S17/36GK102803988SQ201080035503
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者B.斯普鲁克, F.霍勒, C.阿尔瓦雷兹迪兹 申请人:卡尔蔡司股份公司