专利名称：用于确定物体的位置的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定物体在空间区域中的位置的装置和方法。本发明具体涉及用于使用光学测量技术确定物体的位置的装置和方法。
背景技术：
分别确定物体相对于另一个物体的位置或者物体在指定空间中的绝对位置在多个领域中具有应用，例如在工业、医药以及娱乐行业中的各种机器和设备的控制或反馈控制。例如，对于工业坐标测量机器和机器人臂，频繁地需要耗时的校准来将机械行为(诸如偏转和扭转)分别集成到测量和控制软件中，从而当分别执行测量时以及在控制操作中考虑校准。可以通过高精度地确定机器人臂的位置来分别支持机器人臂的这种校准技术或者反馈控制或控制。实现在具有几米长度的空间中以微米范围的精度确定位置的装置和方法是技术挑战。当旨在以高速和短信号处理时间确定位置以允许实时确定位置时，以及当以尽可能简单的方式执行测量装置的构件的调整时，尤其如此。允许确定物体的三个空间坐标的激光跟踪器与具有高精度偏转镜的激光距离测量装置组合，高精度偏转镜具有双万向悬挂。可以根据所测量的距离和偏转镜的两个偏转角度确定物体位置。然而，这种激光跟踪器需要精确地控制偏转镜，并需要准确地知道偏转镜的各个偏转角度。所关联的致动器代表很大的成本因素。在几何光学方法中，例如，通过至少两个照相机监视附加到物体上的光源，并通过三边测量法由此确定物体的位置。然而，当照相机与物体的距离强烈变化时，这些方法经常变得不准确。从DE 101 18 392A1已知一种用于确定两个物体相对于彼此的位置的系统和方法。该方法使用激光辐射的相干性来测量距离，多个光束以相干的方式迭加。激光路径长度测量装置允许确定物体的距离。在K. Minoshima和H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnelby use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 20,pp.5512-5517(2000)中， 描述了使用频率梳的距离测量。虽然可以高精度地进行测量，但其限定于一维。
发明内容
本发明具有提供用于确定物体的位置的改进的装置和改进的方法的目的。具体地，本发明具有提供允许高精度的快速位置确定并适用于确定物体的多个坐标的装置和方法的目的。根据本发明，通过独立权利要求中叙述的装置和方法获得此目的。从属权利要求限定优选或有优势的实施例。所提供的装置和方法能够确定物体在空间区域中的位置。这里“确定物体在空间区域中的位置”被一般理解为指确定物体位置的至少两个坐标，其可以是长度和/或角度值。因此，在此方式中使用的位置确定的术语包括表征物体在空间中的位置(即物体的预定点在空间中的位置)的量的确定，以及替代地或附加地，表征物体相对于空间轴的取向 (即多个预定物体点相对于彼此的位置)的量的确定。根据一个方面的、用于确定物体在空间区域中的位置的装置包括光源、光引导装置、至少一个参考信号检测器和检测布置、以及耦接到该至少一个参考信号检测器和该检测布置的分析电路。在操作中，光源产生具有重复率的光脉冲序列，其中该光脉冲具有比重复率的倒数短的脉宽。光引导装置接收该脉冲序列，并将该序列的每个光脉冲的一部分光强度引导到所述空间区域中，并将每个光脉冲的另一部分光强度引导到该至少一个参考信号检测器，作为参考信号。检测器布置被如此配置，使得其可以检测被反射和/或被散射到所述空间区域中的多个不同方向上的多个光信号。当在该装置的操作中，物体位于所述空间区域中时，该多个光信号包括通过反射和/或散射引导到该空间区域中的光脉冲的序列而被所述空间区域中的物体反射和/或散射到多个方向上的光。在此上下文中，具有不同方向的光信号被理解为具有不平行的波矢量的光信号以及/或者从互相间隔的点开始的反射和/或散射的光信号。分析电路分别确定参考信号和被检测器布置检测的光信号之间的相移或相差。为了确定相差，分析电路使用具有对应于重复率的倍数的频率的光信号的信号分量。这里，光信号(即光强度)作为时间的函数的频谱分量被称为信号分量。参考信号可以基本上具有对应于重复率的倍数的频率，或者参考信号可以具有带有该频率的参考信号分量，即频谱分量，相差被确定为信号分量和参考信号分量之间的相差。因为基于具有对应于重复率的谐波的频率的信号分量确定相差，所以可以获得高空间分辨率，这是因为，对于光信号路径和参考信号路径之间的路径长度的给定差，更高的频率导致更大的相差。对于给定的相位分辨率，可以更高精度地确定光信号路径和参考信号路径之间的路径长的差，可以更高精度地确定已在其上反射和/或散射光信号的物体的位置。因为检测器布置被配置为检测已在空间区域中以不同的波矢量或从不同的原点反射和/或散射的光信号，所以可以确定物体与多个参考点的距离。可以基于如此确定的多个距离确定物体在空间区域中的位置，例如通过三边测量法。分析电路可以对多个光信号中的每个光信号确定关联的相差，分别基于各个光信号中具有对应于重复率的倍数的频率的信号分量确定相差。可以基于与多个信号关联的相差确定物体的位置。在分别基于重复率的谐波处的信号分量确定多个相差的情况下，可以更高精度地确定与多个参考点的距离。可以通过多个光学检测器(诸如光电探测器)同时或者通过一个光学检测器顺序地检测多个光信号。还可以提供多个光学检测器，其中至少一个光学检测器以顺序的方式接收该多个光信号中的光信号。检测器布置可以包括多个光学检测器，它们如此布置使得它们可以分别检测该多个光信号中的一个光信号。如果光脉冲序列从多个参考点辐射到空间区域中，则可以如此布置光学检测器使得其接收从给定参考点辐射到空间区域中并被物体回射的光。从而，可以基于被光学检测器检测的光信号确定物体相对于关联的参考点的距离，并且可以根据多个距离确定物体的位置。光引导装置可以包括多个分束器，以将光从多个参考点引导到空间区域中。多个光学检测器可以与多个分束器关联，每个光学检测器接收已经经由所关联的分束器而被引导到空间区域中并例如被其中的物体回射的光脉冲序列。在此情况下，光源产生的光束通过分束器的通过位置用作确定位置的参考点。该多个分束器可以包括至少三个分束器，它们不被排列在一条直线上，从而可以根据从三个分束器的三个确定的距离确定物体的三个坐标，以便在空间区域中定位该物体。还可以提供顺序地检测来自空间区域的多个光信号的光学检测器。具体地，如果物体彼此间隔的不同部分顺序地反射光，则例如可以以此方式确定各个部分距光脉冲序列辐射到空间区域中的位置的距离。对于物体部分相对于彼此的已知相对位置，可以由此确定物体在空间中的取向，即角向位置，并且/或者可以确定物体的点在空间区域中的位置。为了实现光在物体的不同部分上的顺序反射，所述装置可以包括安装在物体上的光束断续器，其顺序地隐藏物体的不同部分。例如，彼此间隔且已知相对位置的多个回复反射器可以被安装到该物体，光束断续器顺序地仅使多个回复反射器中的一个不被阻挡。可以将多个光学检测器的使用与通过一个或多个光学检测器顺序地检测光信号组合。在要确定大量坐标的情况下这尤其有利，例如，三个坐标确定除了确定物体的点的坐标之外，还确定物体的角向取向。还可以提供具有波长选择反射特性的多个反射器。所述装置于是可以包括多个光源，用于产生多个光脉冲序列，分别具有不同波长的光。所述装置还可以包括多个检测器， 以便检测反射到不同方向上的光信号。可以提供二色分束器，其选择性地将由反射器之一反射的光信号引导到与该反射器关联的检测器。光引导装置可以具有至少一个光扩展器，用于扩展要被引导到空间区域中的光脉冲的序列。通过扩展，放大了光脉冲被引导到其中的空间区域，从而可以在更大的空间区域中进行位置确定。为了确定光信号的信号分量的相差，分析电路可以将信号分量降频混合(mix down)或降频转换(down-convert)。有利地，可以如此实现降频转换当信号分量的频率被降低时，要被确定的相差基本保持不被降频转换改变。这可以通过在分析电路中提供混合器以将光信号的信号分量与参考信号的参考信号分量混合来实现这一点。在此情况下，参考信号分量有利地还具有重复率的倍数的频率。例如，信号分量的频率和参考信号分量的频率可以相差对应于重复率的基频，以便将信号分量降频混合到基频。还可以提供两个参考信号检测器用于检测参考信号，其中，混合器在输入侧耦接到这两个参考信号检测器之一上，以接收参考信号分量。分析电路还可以具有另一混合器， 其在输入侧耦接到上述混合器的输出端以及另一参考信号检测器上。对于这种两级混合器布置，相对于一级混合器布置，对用于选择信号分量和参考信号分量的带通滤波器的通带的要求降低。因为提供多个参考信号检测器用于检测参考信号，所以分析电路的各个信号处理通路中的分量可以就所述信号处理通路中各自需要的参考信号分量而言被具体地选择。可以例如通过放大器分别执行由两个参考信号检测器提供的信号的输入放大，就在参考信号分量的频率位于各个信号处理通道中的频率范围中具有良好性能特性而言来具体选择放大器。可以迭代(iteratively)实施分析电路对相差的确定，从而，对一个光信号中具有不同频率的多个信号分量，分别确定关联的相差。在此情况下，可以随着迭代计数的提高，选择具有不断提高的频率的信号分量，即，将重复率的更大倍数作为频率的信号分量。 因此，可以迭代提高确定物体的位置的精度。在以给定精度确定物体的位置需要已知物体的位置的情况下，这尤其有利。所述装置可以具有阻挡装置，以在空间区域内无反射和/或散射光入射到检测器布置上的时段期间防止信号光的检测和/或处理。阻挡装置例如可以包括设置在分析电路中的开关，诸如晶体管，其在没有光脉冲入射在各个检测器上时，中断信号处理通路中用于检测器布置和/或参考信号检测器的电流。可以根据重复率以及所预期的光脉冲的最小和最大信号传播时间，选择所述时段。可以通过该阻挡装置提高性噪比。光源可以包括例如电或光泵浦的短脉冲激光器。也可以使用任何其它合适的信号源，其能够高精度地输出具有基频和显著谐波(即基频的高次谐波)的光学信号。所述装置可以被用于要确定物体在空间中的位置的所有应用领域。所述装置可以例如被配置为工业坐标测量机器或用于确定机器人的位置的装置。根据另一方面，提供了一种用于确定物体的距离的检测和分析装置。此检测和分析装置可以用于例如在用于确定物体位置的装置中确定物体与多个参考点之一的距离，但也可以用于确定距离的任何其它应用中，特别地也用于一维空间的距离确定。检测和分析装置包括第一参考信号检测器和第二参考信号检测器，以及检测器布置和与其耦接的分析电路。第一和第二参考信号检测器被分别配置为接收包括具有重复率的光脉冲的序列的参考信号。检测器布置被配置为检测由物体反射和/或散射的光信号，该光信号包括带有时移的光脉冲的序列。分析电路被配置为确定参考信号与该光信号中具有对应于重复率的倍数的频率的信号分量之间的相差。如上所述，对于预定的相位分辨率，可以提高距离确定的精度，这是因为信号分量 (对应于光脉冲的频率的基频的倍数的信号分量的频率)的相差被确定。在不仅提供一个而是两个参考信号检测器的情况下，可以关于在各个信号处理通路中需要哪个频率分量来具体选择分析电路中所关联的信号处理通路。例如，分析电路可以在耦接到第一参考信号检测器的第一信号通路中具有第一滤波器，在耦接到第二参考信号检测器的第二信号通路中具有第二滤波器，第一滤波器的通带与第二滤波器的通带不同。在此情况下，可以关于第一和第二滤波器的通道分别具体地选择第一和第二信号处理通路中的其它分量。例如，不需要第一和第二信号通路中的输入侧的放大器在覆盖第一和第二通带两者的整个频谱范围上具有好的性能特性。分析电路可以包括第一混合器，其在输入侧耦接到探测器布置和第一参考信号检测器上；以及第二混合器，其在输入侧耦接到第一混合器的输出端和第二参考信号检测器上。由此，可以将检测器布置检测到的光信号以两级的方式降频混合到低频，诸如光脉冲序列的基频。这允许在分析电路中使用带通滤波器，其中，在高频处，与一级降频转换相比，对通带宽度的要求更松。根据另一方面，提供了一种用于确定物体在空间区域中的位置的方法。在该方面中，具有重复率的光脉冲的序列被辐射到空间区域中。检测多个光信号，其由于所辐射的光脉冲序列被空间区域内的物体的反射和/或散射而被反射和/或散射到多个不同方向上。 所辐射的光脉冲序列与至少一个检测到的光信号的信号分量之间的相差被确定。在此情况下如此选择该信号分量，使得其频率对应于重复率的倍数。
如已经联系用于确定位置的装置所说明的，可以利用此方法确定物体距多个参考点的距离从而确定其位置。因为具有对应于重复率的倍数的频率的信号分量被用于确定相差，所以增强了位置确定的精度。为了确定物体的位置，可以对多个光信号中的每个光信号，基于各个光信号中具有对应于重复率的倍数的频率的信号分量，确定关联的相差。在此情况下，可以将被用于确定相差的信号分量的频率选择为从一个探测器到另一个探测器不同。例如，对于由第一检测器检测的光信号，可以分析具有重复率的第一倍数的频率的信号分量，同时对于由第二检测器检测的光信号，可以分析具有重复率的第二倍数的频率的信号分量，例如，如果沿着不同的坐标轴对位置确定精度的要求不同的话。则可以基于与多个光信号关联的相差确定物体的位置。还可以确定比用于计算物体的位置(例如通过三边测量法)所实际需要要多的相差。这使得可以建立用于物体位置的方程的超确定(over-determined)系统，以便提高位置确定的精度。在此情况下，可以使用例如从全球定位系统(GPQ中的位置确定所知的方法，基于与多个参考点的多个距离值确定物体的位置。可以从不排列在一条直线上的多个辐射位置将光脉冲的序列辐射到空间区域中。在此情况中，不需要在辐射位置产生光脉冲。 光脉冲可以例如在辐射位置被接收，并可以被引导到空间区域中。这样的几何结构允许在空间区域中确定物体的点的位置。可以分别提供光学检测器，以接收已经从辐射位置之一辐射到空间区域中并已经被其中的物体反射和/或散射的光。如已经联系用于确定位置的装置所描述的，还可以顺序地检测多个光信号。检测多个光信号还可以被如此实施，使得当多个检测器被提供用于检测光信号时，在一个或几个检测器处以顺序方式检测来自空间区域的信号，独立地分析所述信号，以获得例如关于物体的取向的附加信息。为了顺序地接收来自物体上彼此分隔的不同点的信号，可以在物体上提供可控的光束断续器。光束断续器可以例如选择性地仅使布置在物体上的多个回复反射器之一不被阻挡。还可以使用波长选择性的反射器。为了确定信号分量与参考信号的相差，信号分量可以被降频混合到更低的频率， 以允许在低频信号上确定相差。对于降频转换，信号分量可以例如与参考信号的参考信号分量混合，该参考信号分量的频率也是光脉冲序列的基频的倍数。信号分量可以经受多级混合处理，以便将其降频混合到低频。为了确定位置，对于所检测的光信号，可以对具有增加的频率的多个频率分量迭代确定所关联的相差。因此，随着逐次迭代，可以增加位置确定的精度。该多个信号分量的至少之一具有对应于重复率的倍数的频率。为了提高信噪比，可以在检测不到光脉冲的时段中抑制光信号的检测和/或所检测的光信号的其它信号处理。基于重复率以及最小和最大的预期信号传播时间确定该时段。 可以利用根据本发明的实施例的装置执行该方法。 根据本发明的各个实施例的装置和方法可以一般地用于确定空间区域中的物体位置。工厂中(诸如自动生产工厂或输送安装等中)的测量应用是示例应用领域。但本发明的实施例并不限定于这些应用。
下面借助于参照附图的实施例更详细地说明本发明。图1是根据实施例的装置的示意图。图2A示例性地示出了作为时间的函数的光脉冲序列，图2B示例性地示出了图2A 的光脉冲序列的傅立叶谱。图3示出了根据实施例的检测和分析装置。图4A和4B示意性地示出了在图3的检测和分析装置中发生的信号。图5示出了根据另一实施例的检测和分析装置。图6示出了利用图1的装置确定位置。图7是根据另一实施例的装置的示意图。图8示出了利用图7的装置确定位置。图9A示出了具有可控光束断续器的反射器布置的示意分解图，图9B示出了其平面图。图10是根据另一实施例的装置的示意图。图11示出了图7的装置中的阻挡装置的时间相关的致动。图12是根据实施例的方法的流程图。图13是根据另一实施例的方法的流程图。
具体实施例方式下面，更详细地说明本发明的实施例。各个实施例的特征可以彼此组合，除非在以下描述中明确排除。虽然在具体应用的背景中描述某些实施例，诸如在工业安装中确定位置，但本发明并不限制于这些应用。图1是根据实施例的、用于确定物体的位置的装置1的示意图。在确定配备反射器25的机器人臂2的构件的位置的示例性应用的背景中示出了装置1，但装置1也可以用于其它环境和其它应用中。装置1包括光源3，其产生具有重复率的短光脉冲序列；光引导装置，其由多个光学元件4-9构成；一对参考信号检测器11、12，其具有第一参考信号检测器11和第二参考信号检测器12 ；检测器布置，其具有多个光学检测器13、14 ；以及分析电路15。光引导装置接收光脉冲序列并将该光脉冲序列引导到该对参考信号检测器11、12以及空间区域(一般由观表示)中，在该空间区域中，要确定附接到机器人臂2的反射器25的位置。为了简单，被光引导装置引导到参考信号检测器11、12以及空间区域观中的光将还被称为光脉冲序列，很明显，由光源2产生的光脉冲强度的仅一部分被分别引导到参考信号检测器11、12 以及空间区域观中。光脉冲序列在空间区域中被位于机器人臂2上的反射器25反射。所反射的光脉冲序列由检测器13、14检测。分析电路15基于来自参考信号检测器11、12的、 在参考信号输入端16处接收的信号以及基于来自检测器13、14的信号，确定在检测器13、 14处检测的光信号的信号分量的相位关系，该相位关系与空间区域观中的光脉冲的传播时间相关，并因此与反射器25到光引导装置的不同元件的距离相关。因此，可以确定反射器25的位置。如将更详细地描述的，通过分析电路15确定相位关系基于在检测器13、14 处检测的光信号中具有重复率的倍数的频率的信号分量。
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检测器13、14和参考信号检测器11、12例如被配置为光电探测器并检测入射光强度。虽然为了清楚的原因图1中仅示出两个分束器5、7，从该两个分束器5、7将光引导到空间区域观以及与其关联的两个检测器13、14中，但也可以将光引导到该空间区域中， 在空间区域中根据多于两个不同位置确定物体的位置。如果要确定回复反射器25的所有三个空间坐标，则可以从不位于由分束器5和7上的光束通过点定义的直线上的至少一个其它辐射位置将光脉冲序列引导到空间区域观中。下面，将更详细地说明装置1的各个构件的操作。光源3产生利用周期函数调制的光学信号，该光学信号具有基频fO以及基频f0 的显著谐波分量，即具有f0的倍数的频率的显著频率分量。例如通过产生光脉冲序列的短脉冲激光器产生这样的信号，所述光脉冲序列具有良好界定的时间间隔TO = Ι/fO，即具有重复速率fo，每个脉冲的宽度与连续脉冲之间的时间间隔TO比较而言是短的。图2A示例性地示出了这种短光脉冲序列31，其中，光源3的输出功率P被显示为时间t的函数。连续脉冲之间的时间间隔TO用附图标记32表示，同时，每个光脉冲的宽度用附图标记33表示。与连续光脉冲之间的时间间隔TO相比，每个光脉冲的宽度可以非常短，例如在1 ·10_5的量级上。在装置3中，可以根据确定位置所期望的测量精度、物体的位置的初始不确定性以及在检测器13、14处检测到的光信号的信号分量(要对其确定相位关系)，或者基于附加因素，合适地选择重复率f0以及每个脉冲的宽度。如果f0的η级谐波要被用于确定相差，则每个光脉冲的宽度以及连续光脉冲之间的时间间隔TO被选择，使得光源3输出的光信号序列在η · f0频率处仍然具有足够的频谱权重。虽然图2A中示例性地示出了方形脉冲序列，但也可以选择其它合适的脉冲形状，例如双曲正割的平方或高斯函数。图2B示例性地示出了以重复率f0产生的光脉冲序列的频谱35，每个光脉冲的宽度与T0 = Ι/fO相比是短的。频谱35具有固定频率间隔f0的多个峰，频率间隔f0用附图标记36示意地表示。各个单独峰的频谱权重朝着更高的频率减�。闪饴龀逯涞氖奔浼涓粲牍饴龀蹇矶鹊谋热范跣∷俣�。对于装置1的光源3，如此选择这些量，使得具有 η -f0频率的频率分量37 (其被用于确定相位关系)的频谱权重在光脉冲序列中足够大，以执行相位测量。可以通过被配置用于产生短光脉冲的各种激光器产生图2中示意性地示出的光脉冲序列。特别地，可以使用光学频率合成器。例如，电泵浦的二极管激光器，诸如q开关激光器，增益开关激光器、主动或被动锁模激光器或混合锁模激光器、或者具有垂直腔的锁模表面发射激光器(“垂直腔表面发射激光器”，VCSEL)可以被用作光源3。光泵浦的激光器也可以被用作光源3，例如具有外部垂直腔的被动锁模表面发射激光器(“垂直外腔表面发射激光器”，VECSEL)或者基于光子晶体光纤的激光器(光子晶体光纤激光器)。光源3 的示例脉冲宽度位于IOOfs至IOOps的范围中。示例性的重复率位于50MHz至50GHz的范围中。示例性平均功率位于从ImW至10W的范围中。脉冲跳动的示例值的有效值(方均) 位于IOfs和Ips之间。如图1中所示，由光源3输出的光脉冲序列被光引导装置引导到参考信号检测器 11、12以及空间区域观中。在装置1中，光引导装置包括多个分束器4、5和7，反射镜6以及光束扩展器8、9，它们分别与分束器5和7关联。分束器4从光源3接收光脉冲序列。光脉冲序列的部分光束20被分束器4引导到参考信号检测器11、12，作为参考信号。如果需要，用于分束的光学元件，尤其是分束器，可以布置在分束器4的下游，以确保部分光束30 既入射到参考信号检测器11上又入射到参考信号检测器12上。光脉冲序列的另一部分光束被分束器4透射，并入射到分束器5上。分束器5将光脉冲序列的部分光束21引导经由光束扩展器8进入部分区域观中，光束扩展器8将部分光束21扩展为光锥22。另一部分光束被分束器5透射，并且经由反射镜6而被引导到分束器7。分束器7将光脉冲序列的部分光束26引导经过光束扩展器9进入空间观中，光束扩展器9将部分光束沈扩展为光锥 27。从反射镜6接收的光束中被分束器7透射的一部分可以被图1中未示出的另一分束器引导向空间区域观。其中可以确定物体的位置的空间区域观对应于各个光锥22、27的重叠区域。如果从超过三个位置将光脉冲序列引导向其中可以确定物体的位置的空间区域， 则其中可以确定物体的位置的空间区域是至少三个不同光锥的重叠区域的合并，其被从始于不位于一条直线上的至少三个不同原点辐射。经由分束器5和光束扩展器8以光锥22引导到空间区域28中的光脉冲序列入射到回复反射器25上，并被该回射反射器朝着光扩展器8反射回。被回复反射器25朝着光扩展器8反射回的光构成第一光信号23，第一光信号23经由光扩展器8和分束器5引导到检测器13上。光锥沈中的光脉冲序列经由分束器7和光束扩展器9引导到空间区域观中，且入射到回复反射器25上，并被该回复反射器朝着光扩展器9反射回。被回复反射器 25朝着光扩展器9反射回的光构成第二光信号M，其经由光扩展器9和分束器7引导到检测器14上。如果回复反射器25位于分束器、光扩展器和检测器的其它组合的光锥中，则相应的其它光信号被回复反射器25反射，并经由光扩展器和分束器以相应的方式引导到各自的检测器上。将光脉冲序列引导到空间区域28和检测器布置的检测器13、14中的光引导装置被如此布置，使得反射向检测器13的光信号23与反射向检测器14的光信号对被反射到不同的方向上。设置在机器人臂2上的回复反射器25可以例如分别被设置为角隅棱镜反射器 ("Corner Cube Reflector", CCI )、三棱镜或猫眼反射器或球透镜。对于角隅棱镜反射器和三棱镜，平行于入射光束方向将光反射回。发散光束保持发散。对于猫眼反射器和球透镜，可以分别针对给定距离优化这些回复反射器，从而反射的光束基本反射回到其本身，从而在检测器处可获得更高的信号水平。也可以使用关于其散射行为与其环境明显区别的小散射元件代替回复反射器，以从物体的相关点向检测器散射光。该小元件应该强烈地散射光，以便在检测器处具有可与散射环境的噪声区别的有用信号。分别由检测器13和14检测光信号23和24。检测器13、14和参考信号检测器11、 12被配置为光子接收器。检测器13和14检测其上入射的光脉冲序列的光功率，其经由分别与检测器13和14关联的分束器5和7分别传播到回复反射器25，并从其返回到检测器 13和14。传播到参考信号检测器11、12之一的光脉冲与在回复反射器25上的反射之后分别传播到检测器13和14之一的光脉的光路长度不同，这在同一脉冲分别到达检测器13和 14之一与到达参考信号检测器11、12之间分别产生延时^和τ2。该延时等于光路的光
13路长度的差除以光束C。因为典型地仅一小部分引导到空间区域观中的光被回复反射器反射，所以与参考信号检测器11、12处的参考信号相比，在检测器13、14的信号被衰减。路径长度的差一方面包括取决于装置的几何形状的部分，该部分尤其取决于分束器5、7与分束器4之间的距离以及分束器4、5、7分别与检测器13、14和参考信号检测器11、 12之间的距离，分别沿着光学路径获取这些距离；路径长度的差另一方面包括对于在检测器13处检测的光信号来说取决于分束器5或者光锥22的虚拟原点与回复反射器25之间的光学路径长度的部分、以及对于在检测器14处检测到的信号来说取决于分束器7或光锥 27的虚拟原点与回复反射器25之间的光束路径长度的部分。因为对于装置1的已知几何形状而言，取决于装置的几何形状的路径长度的差的该部分是已知的，所以可以通过测量检测器13处的光信号23与参考信号检测器11、12处的参考信号20之间的时移τ工，分别确定分束器5和回复反射器25之间的光脉冲行进的光学路径长度，由此确定回复反射器25 与分束器5的光束通过点之间的距离或者与光锥22的虚拟原点之间的距离。类似地，可以通过测量检测器14处的光信号M与参考信号检测器11、12处的参考信号20之间的时移 τ工，分别确定分束器7和回复反射器25之间的光脉冲行进的光学路径长度，由此确定回复反射器25与分束器7的光束通过点的距离或者与光锥27的虚拟原点之间的距离。检测器13和14以及参考信号检测器11、12被耦合到分析电路15，其确定光信号 23,24与参考信号20之间的相差。如下面将更详细地说明的，装置1的分析电路15针对具有大致是重复率的倍数的频率的信号分量确定光信号23J4与参考信号20之间的相差。如参照图2针对光源产生的光脉冲序列所描述的，检测器13、14处接收到的光脉冲序列具有多个谐波，其频率是重复率fO的倍数fi = i · fO,(1)其中，i是大于1的自然数，fO是光源3的重复率。通过连续光脉冲之间的时间间隔TO与光脉冲的特征宽度之间的商给出频率的特征值，作为时间的函数的、在检测器13、 14接收的光功率的傅立叶表达中仍然具有显著频谱权重。下面，针对检测器13检测到的光信号23更详细地示例性说明信号处理。该说明相应地适用于从回复反射器传播到检测器布置的检测器的每个其它光信号。光信号23与在参考信号检测器11、12处接收的参考信号20之间的时移τ导致， 在检测器13处接收的信号中具有频率&的信号分量相对于参考信号检测器11、12处接收的参考信号20中具有频率&的参考信号分量具有相移，其中相移为Δ Φ = 2 · Ji · fj · τ = 2· Ji · i · fO · τ(2a)= 2 · π · i · fO · (d/c)(2b)这里，d表示从分束器4经由回复反射器25到检测器13的光路与从分束器4到参考信号检测器11、12的光路之间的路径长度差。如果已知路径差d的估计值dS，估计值dS以精度c/ (i · fO)接近d，从而I d-dS I < c/fj = c/ (i · fO)，(3)基于dS，可以确定等式Qa)的右手侧上的相移的部分是2 · π的整数倍的部分。 基于dS，确定整数m，从而d = d，+m · c/A，其中 |d，I < c/f”(4)因此，
Δ Φ ' = Δ Φ -2 · Ji · m= 2 · π · f0 · (d，/c)(5)是位于O至2 · π区间内的值，其可以通过测量检测器13的输出信号与参考信号检测器11、12之一的输出信号之间的相位关系来确定该值。量d’则可以根据下式确定d，= c · Δ Φ ' /(2 · π · i · f0)(6)量d’依据等式(4)产生路径长度差d的改进值。两个量Δ ΦΓ和Δ Φ 仅相差 2· π的倍数，其对于确定相差无关，所以下文将这两个量都称为相差，并且将不对它们进行确分。对于相差的给定测量精度(下文将称为相位分辨率)，可以增强路径长度差的测量精度，因而增强轴向分辨率，这是因为在根据本发明的实施例的装置和方法中，选择值i > 1，典型地i >> 1，用于确定相差。为了示例性说明，将假定相位分辨率是2 · π /1000以及f0 = IOOMHz0则轴向分辨率是3mm/i，并且随着信号分量i的频率的提高而变小。例如，对于i = 700，轴向分辨率近似达到4. 1 μ m。因此，通过基于光信号23中具有重复率的倍数的频率(通常为重复率的高倍数，即具有重复率乘以系数i > 1的频率，其中典型地选择值i >> 1)的信号分量确定相差，可以增强轴向分辨率。基于其确定相差的信号分量被如此选择，使得其具有尽可能高的频率，并且在该频率处光脉冲序列仍然具有足够的频谱权重，并且其允许通过被配置为高频电路的分析电路15的构件进行信号处理。分析电路15可以通过将几个谐波互相混合来确定相差。通过合适地选择谐波以及通过将在检测器13处接收到光信号的信号分量与参考信号检测器11、12接收到的参考信号的参考信号分量混合，可以产生具有相对低的频率但包括谐波的相差的混合结果。因此，可以在低频处执行相位测量，而不是测量短传播时间的原始要求。图3示出了根据实施例的检测器和分析电路的示意电路框图。图1的装置1的分析电路15可以如图3所示配置。然而，参照图3说明的检测器和分析装置不仅可以用于确定三维空间中的位置，还可以用于距离测量，即，一维距离确定。此外，图3中所示的分析电路15的配置仅表示多个可能配置之即使仅参照图3说明了对来自检测器13的光信号的处理，但在相应地提供更多数量的信号处理通路的情况下，可以相应地处理多个检测器的信号。图3中还示出了检测器 13和参考信号检测器11、12用于示例性说明。分析电路15包括用于检测器13输出的电信号的信号处理通路，该电信号代表检测器13检测到的光信号，处理通路具有输入侧放大器41和带通滤波器42。分析电路15还包括用于第一参考信号检测器11输出的电信号的信号处理通路，该电信号表示第一参考信号检测器11检测到的参考信号，该处理通路具有输入侧放大器43和带通滤波器44 ；以及用于第二参考信号检测器12输出的电信号的信号处理通路，该电信号表示第二参考信号检测器12检测到的参考信号，该处理通路具有输入侧放大器46和带通滤波器47。检测器11-14可以分别被构造为光电探测器。因为由所述检测器和参考信号检测器分别输出的信号表示入射在它们上的光学信号，并指示作为时间的函数的光强度，所以由所述检测器和参考信号检测器分别输出的信号同样地被称为所检测的光学信号，即分别称为所检测的 “光信号”和“参考信号”，而被分析电路处理的信号是电信号。
带通滤波器42被如此配置，使得检测器13检测到光信号中具有频率η · f0的信号分量被允许通过，其中η是大于1的自然数。如上所述，有利地将η选择为尽可能得大， 以增强轴向分辨率。优选地带通滤波器42具有如下选择的通带，使得具有频率(η+1) - f0 和(n-1) -fO的信号分量穿过该滤波器的透过率相比于具有频率η · 的信号分量的透过率被大大降低。因此，带通滤波器42可以具有宽度小于f0的通带。带通率滤波器44被如此配置，使得允许第一参考信号检测器11检测的参考信号中具有频率k*f0的参考信号分量通过，其中k是自然数。例如，可以选择k = n-l，从而带通滤波器44允许具有频率(η-1) · fO的参考信号分量通过。有利地，带通滤波器44具有如此选择的通带，使得具有频率(k+1) · fO和(k-1) · f0的参考信号分量的透过率相比于具有频率k*f0的参考信号分量的透过率被显著降低。因此，带通滤波器44可以具有宽度小于fO的通带。混合器45在输入侧耦接到带通滤波器42和44，以接收光信号的信号分量51和参考信号的参考信号分量52。混合的结果，cos (η · fO · t+Δ Φ η) · cos ((η-1) · fO · t)= [cos(f0 · t+Δ Φη)+οο8((2η-1) · fO · t+Δ Φη) ]/2，(7)具有高频分量以及对应于光源 3 所产生的信号的基频的频率fO的低频分量。虽然光信号的信号分量被降频混合到基频f0，但等式(7)中的低频分量的自变数中的相位Δ Φη由等式⑵给出，即，其对应于光信号中具有频率η -fO的信号分量的相差。 将低频分量作为信号53提供给相位分析器48，相位分析器48的第二输入端耦接到带通滤波器47。带通滤波器47被如此配置使得允许由第二参考信号检测器12检测的参考信号中具有频率fO的参考信号分量通过。有利地，带通滤波器47具有如此选择的通带，具有频率 0 · 和2 · 的参考信号分量的透过率与具有频率fO的参考信号分量的透过率相比被显著降低。因此，带通滤波器47可以具有宽度小于fO的通带。将具有频率fO的结果参考信号分量提供给相位分析器48作为信号M。相位分析器48确定信号53和信号M之间的相差ΔΦη。因为光信号中具有频率 η · fO的信号分量被降频转换到频率f0，所以可以在低频处进行相位测量。可以针对参考信号检测器11、12具体地选择信号处理通路中的放大器43和46，这是因为借助于第二参考信号检测器11直接光学地捕获信号M，而不是从由第一参考信号检测器12捕获的信号中产生信号M。例如，可以如此选择放大器46使得其在频率fO处具有好的性能特征，同时如此选择放大器43使得其在频率(η-1) · fO处具有好的性能特征。图4示出了出现在图3的检测和分析装置中的各个信号。图4A示出了示例性参考信号61和示例性光信号62，分别由检测器11、12和13接收到的光功率表示为时间的函数。检测器13处的光信号62相对于参考信号61具有以63 表示的时移τ。图4Β示例性地示出了可以典型地出现在相位分析器48的输入端处的信号。在65 中，将与参考信号偏离的具有频率fO的基频振荡表示为时间的函数，同时将通过降频转换检测器13检测到的光信号的信号分量而产生的信号显示在66中，降频转换获得的信号也具有频率f0，但相对于从参考信号获得的基频振荡相移了相位ΔΦη。由相位分析器48以合适的方式确定相差△ Φη，例如通过信号的模数转换以及后续的相差拟合。
图5示出了根据另一实施例的检测器和分析装置的示意性电路框图。图1的装置 1的分析电路15可以如图5所示配置。然而，参考图5说明的检测器和分析装置不仅可以用于确定三维空间中的位置，也可以用于距离确定，即用于确定一维距离。此外，图5中所示的分析电路15的配置仅是多个可能配置之一。即使仅参照图5说明对来自检测器13的光信号的处理，但在相应地提供更多数量的信号处理通路的情况下，可以相应地处理多个检测器的信号。图5中还示出了检测器13 和参考信号检测器11、12用于示例性说明。分析电路15在与检测器13和参考信号检测器11和12关联的信号处理通路中包括输入放大器71、73、76。信号处理通路中的每一个还分别包括带通滤波器72、74和77。带通滤波器72被如此配置使得允许检测器13检测的光信号中具有频率η -fO的信号分量通过，其中η是大于1的自然数。如上所述，有利地，将η选择得尽可能大，以增强轴向分辨率。带通滤波器74被如此配置使得允许第一参考信号检测器11检测的参考信号中具有频率k*f0的参考信号分量通过，k是使得|n-k| >1而选择的自然数。带通滤波器 77被配置为使得允许第二参考信号检测器12检测的参考信号中具有频率(In-khl) - f0 或(|n-k|+l) · f0的参考信号分量通过。分别传输穿过带通滤波器72和74的信号分量81和参考信号分量82分别由混合器75混合。如果带通滤波器72、74和77中的每一个都具有足够窄的、宽度小于fO的通带，则所得信号包括具有频率|n_k| · f0的分量以及具有频率(n+k) · f0的另一更高频分量，该更高频分量被布置在混合器75下游的带通滤波器78去除。通过混合器75，检测器 13检测的光信号的相移Δ (^因此被转移到具有频率|n-k| · 的中频范围中的频率的信号上。中频范围中的信号83被提供给另一混合器79，该混合器79的第二输入端从带通滤波器77接收信号84，例如，信号84是具有频率(In-W-I) · 的参考信号分量。通过将信号83和84混合，产生信号85，其具有以基频f0振荡并具有相移Δ Φη的分量，这与上文已经参照等式(7)所说明的类似。如果必要，可以通过另一滤波器将也由混合器85产生的高频分量去除。然而，如果如图5所示，检测器13检测的光信号的信号分量首先被降频转换到中频，则带通滤波器72、74不需要具有其中仅有基频f0的一个倍数的通带。即使带通滤波器 72和/或带通滤波器74分别允许基频fO的多个倍数(即频率梳的一部分而不是一个单谐波)通过，混合器75也产生频率为|n-k| · f0并基本具有约Δ Φη的相移的分量的中间信号。因为检测器13检测的光信号中具有频率i · f0的信号分量的相位关系根据等式(5) 随着i线性增加，优选将带通滤波器72配置为使得带通滤波器72的通带中的谐波的数量相比于η是小的，从而谐波之间的相位变化保持可忽略。有利地，带通滤波器72和74被配置为使得它们的通带不重叠。在此情况下，即使未知带通滤波器72和74的频率特征，并因此未知信号81和82中的各个单独谐波的频谱权重，也可以根据混合器75输出的中间信号中具有频率|n-k| · 的分量确定相移ΔΦη。例如，如果f0 = 100MHz, η = 700以及k = 600，并且如果带通滤波器72的通带覆盖从69. 9GHz至70. IGHz的频率段，从而检测器13检测的光信号中具有频率69. 9GHz、 70. OGHz和70. IGHz的信号分量被允许通过，并且如果带通滤波器74的通带覆盖从 59. 9GHz至60. IGHz的频率段，从而第一参考信号检测器11检测的光信号中具有频率59. 9GHz,60. OGHz和60. IGHz的信号分量被允许通过，则混合器75输出的中间信号具有频率为|n-k| · f0和相移为大致Δ Φη的分量。对于将检测器13检测到的具有频率η · f0的光信号的相差经由中频范围转换到低频信号的多级转换，与一级混合处理相比，对带通滤波器72、74的通带宽度的要求更松， 这是因为所述带通滤波器的通带被允许传输多个谐波。带通滤波器72、74的通带位于比带通滤波器77和78的通带更高的频率处。在带通滤波器77和78的通带位于低频，例如在上面f0 = 100MHz, η = 700以及k = 600的示例中带通滤波器78位于10. 0GHz，带通滤波器77位于9. 9GHz的情况下，则更容易将这些带通滤波器77、78配置为使它们具有窄通带， 而不是配置例如具有例如60或70GHz的更高频处的通带的带通滤波器72、74。另一混合器79在输出侧耦接到相位分析器80，相位分析器80的第二输入端接收以基频f0振荡的信号86。例如，可以通过图1的装置1的光源3的同步输出提供信号86。 替代地，还可以使用滤波器产生信号86，如图3中所示，滤波器接收第二或第一参考信号检测器检测到的参考信号并允许具有频率f0的参考信号分量通过。如参照图1-5所说明的，在图1的装置1中，可以经由光信号的谐波的相移确定物体与多个参考点的距离。在图1的装置中，由光锥22和27的虚拟原点给出参考点。图6示出了基于与多个参考点的距离确定物体的位置。物体90位于多个光锥94、96、98的重叠区域中，从始于已知参考点91、92和93， 该多个光锥辐射到其中布置了物体90的空间区域中。物体90与每个已知参考点91、92和 93的距离95、97和99以上面参照图1_5所描述的方式确定。接着可以通过三边测量法 (trilarteration)，例如使用在全球定位系统GPS中使用的算法，确定物体90相对于参考点91、92和93的位置，从而，通过合适的坐标变化，确定其在任意坐标系统中的位置。虽然图6中仅示意性地示出了三个参考点，但可以分别通过使用附加的检测器和参考点来增强位置确定的精度。对于例如具有小散射锥的非合作表面，以及/或者在空间区域中预期有遮挡的情况下，使用超过三个检测器也是有利的。对于图1的装置1，可以通过分析电路15或者通过分离计算单元进行物体位置的计算。虽然光脉冲序列的相同谐波可以分别用于测量物体90与每一个已知参考点91、 92和93的距离95、97和99，但也可以基于不同的谐波进行与不同参考点91、92和93的距离测量，并因此具有不同的精度。例如，可以在如下应用中如此进行其中物体在三个空间方向之一上仅可以占据多个离散位置之一，并且仅需要知道物体在所述离散位置的哪一个中。参照图1-6，虽然已经描述了使用装置和方法如下确定物体位置一个回复反射器将从多个参考点引导到空间区域中的光脉冲序列反射到多个不同的方向上，但也可以如下进行位置确定在物体上设置的多个回复反射器反射光脉冲序列，如下文将更详细说明的。因此，将光从多个参考点引导到空间区域中不是必须的，虽然仍然可能。图7示出了根据另一实施例的用于确定物体的位置的装置101。与参考图1描述的构件相同的构件以及具有相同功能的构件在图7中被分配相同的附图标记。下面，仅详细说明装置101和装置1之间的区别。在装置101中，光引导装置具有分束器4、分束器5以及光扩展器8。经由分束器
185和光扩展器8，将信号源3产生的光脉冲序列以光锥22辐射到要在其中确定物体的位置的空间区域观中。在机器人臂2上设置定位部件102，定位部件102具有多个彼此间隔且相对于彼此位置已知的回复反射器。多个回复反射器分别将光锥22中辐射的光脉冲序列反射回分束器4，作为光信号103和104。光信号103和104分别由检测器13检测。如上文参照图1_5 所描述的，可以确定定位部件102的各个回复反射器与分束器5的光束通过点的距离或者与光锥22的虚拟原点的距离，分析电路15确定光信号103和104的信号分量分别与引导到参考信号检测器11、12的参考信号20之间的相差。再次使用具有对应于所辐射的光脉冲序列的谐波的频率η · f0的信号分量，进行相差的确定。因为多个回复反射器彼此间隔，所以被定位部件102的各个回复反射器反射向检测器13的光信号103和104分别被反射到不同的方向上，即具有不同的波矢量，并且一般覆盖不同光学路径长度，这是多个回复反射器与分束器5的光束通过点的不同距离的结果。 可以根据由分析电路15确定的相差确定多个回复反射器与参考点的这些距离。可以从回复反射器与参考点的距离以及回复反射器彼此之间的已知相对位置确定物体的位置。 如果要确定物体的所有三个坐标，则图7中所示的装置101中的定位部件具有不位于一条直线上的至少三个回复反射器，并且可以通过三边测量法确定物体的位置。如果物体仅可以在平面内移动，则也可以在定位部件102上仅设置两个回复反射器，以确定物体的两个位置坐标。图8示出了可以用作图7的装置101中的定位部件102的定位部件110的可能配置。定位部件Iio配备三个回复反射器111、112和113。将光脉冲序列从参考点114以光锥115辐射到定位部件110上。如上文参考图1-5所述，可以通过分析回复反射器113反射的光的相位关系来确定回复反射器113与参考点114的距离116。为了能够以此方式确定所有回复反射器111、112和113与参考点114的距离，可以如此配置定位部件Iio使得源自回复反射器111、112和113的光信号能够被检测器13 和/或分析电路15区别。在一种可能的实施方式中，定位部件110具有以可控方式改变的可变配置，例如使用控制信号或根据给定的时间流程图。图9A示出了具有可变配置的定位部件110的实施方式，其可被用作图7的装置 101中的定位部件102。图9A示出了定位部件110的示意分解图，图9b示出了定位部件 110的平面图。定位部件110配备光束断续器，其在所示的实施方式中被配置为具有开口 118的挡光盘117。盘117任何时候都覆盖至少两个回复反射器111和112。如果要确定回复反射器的位置，则通过旋转119定位盘117，使得开口 118被布置为与要确定其位置的回复反射器相邻。通过盘117的受控旋转，可以顺序地确定回复反射器111、112和113与参考点的距离。可以依据物体的预期移动速度合适地选择定位部件110的配置被改变的频率，以便允许接近于实时地追踪物体位置。具有可变配置的定位部件110的其它实施方式也是可以的。例如，可以分别在回复反射器111、112和113中每一个的前方分别布置阻挡器或快门，取代可旋转的盘117，其中可以以可控的方式打开和关闭快门，以分别不遮挡和遮挡所关联的回复反射器111、112 和 113。
图7的装置101的分析电路15被配置为顺序地处理已被不同回复反射器反射回检测器13的光信号。在此情况下，光信号中的每一个包括一串光脉冲，即，仅在与TO相比较长的时间尺度上改变定位部件110的配置。虽然已经针对参照图7-9说明的装置描述了在单个光锥中使用多个回复反射器进行位置确定，但也可以使用多个光锥与多个回复反射器的组合。因此可以组合分别参考图1-6和图7-9描述的位置确定的方法。例如，可以在以下情况中期望使用多个回复反射器不仅要确定给定物体点的坐标，而且还要确定物体的取向。这样的示例是机械探头，对于该机械探头，除了检测该探头的点的坐标之外，还要光学地检测其轴的取向。为此，可以安装至少两个回复反射器，以及可以使用三个光束锥。如果要在具有三个光束锥的配置中确定多个倾斜角度，也可以在探头上设置三个回复反射器。图10是根据另一实施例的用于确定物体的位置的装置120的示意图。这里，装置 120中具有与参考图1-9描述的构件的操作相同或相似的操作的构件被分配相同或相似的附图标记，且这里不再详细说明。装置120具有三个光源3、3a、3b，其中每一个产生短光脉冲的序列。可以如参考图 1-5针对光源3所描述的一样配置光源中的每一个。三个光源所产生的光束的光波长λρ 入2和λ 3两两不同。三个光源3、3a、!3b所产生的光脉冲序列的重复率可以是相同的，但可以是被选择为不同。三个光源3、3a、!3b的输出信号被合并到光束126，并以光锥127辐射到要在其中确定物体的位置的空间区域中。装置120还具有三个回复反射器121、122、123，其具有波长选择性的反射特性。例如，反射器121对于具有波长λ工的光比具有波长入2和λ 3的光具有更高的反射率，而反射器122对于具有波长λ 2的光比具有波长λ工和λ 3的光具有更高的反射率，以及反射器 123对于具有波长λ 3的光比具有波长λ工和λ 2的光具有更高的反射率。装置120还分别具有两个二色分束器或分色镜IM和125，以及三个检测器13、 13a、13b。由反射器121、122和123反射的、具有光波长λ工、入2和λ 3的光脉冲序列被引导到分色镜125上，分色镜125将被反射器121反射并具有光波长λ :的光脉冲序列引导到检测器13b。被分色镜125透射的光束入射到分色镜IM上，分色镜IM将被反射器122 反射并具有光波长λ 2的光脉冲序列引导到探测器13a。由检测器13检测被分色镜IM透射的光束。可以如上面针对图1-8中的检测器13和14的输出信号所描述的一样处理检测器 13U3aU3b中的每一个的输出信号，以确定三个反射器121、122、123与光锥127的虚拟原点的距离。可以基于如此确定的距离确定物体的位置，如参照图8所述。在装置120中，基于多个反射器121、122、123与一个参考点的距离进行物体位置的确定。基于反射特性的波长选择性，可以同时确定三个反射器的距离。对于上面参照图1-10所说明的装置和方法，有用信号入射到光电探测器11、12、 13和14上，有用信号是短脉冲。脉冲宽度可以例如是lOOfs。连续脉冲之间的时间间隔TO 由重复率的倒数给出。例如，对于f0 = IOOMHz，TO是10ns。对于所提的示例值，有用信号仅在IOOfs的时间段中到达检测器11、12、13和14，该时间段的长度是连续光脉冲之间的时段TO的lOOfs/lOns = l/105o在非常长的时段中没有有用信号到达光接收器。
因此可以将装置1、101和120配置为使得在没有由光源3产生的光脉冲可以分别到达光接收器11、12、13和14以及13、13a、i;3b的时段中，利用阻挡装置阻挡光入射到光接收器上，以及/或者阻止分别由光接收器11、12、13和14以及13、13a、13b输出到分析电路的信号的信号处理。对于图7的装置101，示例性示出了布置在分束器5和检测器13之间的光路中的光断续器105。这样的光断续器还可以被分别设置在装置1、101和120的所有其它检测器11、12和14以及13、13a、i;3b的前方。替代地或附加地，可以在分析电路15 的信号处理通路中设置可以快速开关的元件，其在没有光脉冲可以入射在关联的检测器上的时段中开启信号处理通路。在不处理有用光的时段期间可能导致信噪比恶化的操作可以被信号处理的这种选择性的禁用抑制。根据重复率以及测量部分的近点和远点之间的传播时间的预期最大差别，选择检测和处理信号的相当短的时间段(即允许有用脉冲通过的开启时间)，以确保每一个光脉冲都被检测和处理。图11示例性的示出了光脉冲之间具有长时间间隔的光脉冲序列的有用信号130。 图11还示出了仅在光脉冲可以到达的时段131和132中允许信号检测和/或信号处理的阻挡装置的开关状态133。在此情况中，时段131的限制由光脉冲最早可能的到达时间tf以及光脉冲最后可能的到达时间ts给出。在时段131和132中，阻挡装置分别具有开关状态 134和136，其允许信号检测和信号处理，同时阻挡装置在任何其它时间具有开关状态135， 在开关状态135中抑制信号检测和/或信号处理。图12是用于确定物体在空间区域中的位置的方法140的流程图。可以使用参照图1-5说明的装置1、参照图7-9说明的装置101、参照图10说明的装置120或者根据另一实施例的装置执行该方法。在141中，具有重复率的光脉冲序列被辐射到空间区域中。可以从多个参考点将光脉冲序列引导到空间区域中，如图1中所示，或者可以从一个参考点将其引导到空间区域中，如图7和图10所示。在142中，检测到来自空间区域的多个光信号。所述光信号来自于所辐射的光脉冲序列在物体上的反射和/或散射。所述光信号在空间区域内被反射和/或散射到不同方向上。所述光信号可以被一个回复反射器朝着多个检测器反射和/或散射，如图1所示，或者被多个回复反射器朝着一个检测器反射和/或散射，如图7中所示，或者被多个回复反射器朝着多个检测器反射和/或散射，如图10所示。在143中，针对每一个光信号确定光信号的信号分量的相移，选择信号分量使得其具有对应于重复率f0的倍数η · f0的频率。使用带通滤波器从所检测到的光信号中选择信号分量。可以确定相对于具有也对应于重复率f0的倍数η · f0的频率的参考信号分量的相移。在144中，基于所确定的相差确定物体的位置。在此情况下，可以确定指定物体点的坐标和/或定义物体的取向的角坐标。如已经联系等式(2)-(6)所说明的，在144中确定物体位置可能需要对于已经存在对物体和参考点之间的距离的足够好的估计，从而等式C3)被满足。例如，可以获得首先使用较不精确的方法估计物体的位置，例如使用多个照相机与三角测量法组合。在另一实施例中，可以迭代地重复方法140的方法步骤，其中，随着迭代计数的增加，分析具有更高频率的信号分量。可以使用图1和图7中的分析电路15的合适配置来实施这一点。图13是用于确定物体在空间区域中的位置的方法150的流程图，其基于图12的方法140，并且在方法150中，迭代地提高位置确定的精度。在151和152中，辐射光脉冲序列，并检测由物体反射和/或散射的光脉冲序列， 如方法140的步骤141和142。在153中，选择自然数n，接着针对具有频率η · f0的信号分量确定相差。这里将数η分别选择为物体位置的当前不确定性和已经可用的物体位置的估计值的精度的函数， 从而满足等式(3)。在第一个迭代中，还可以选择η = 1。以与方法140的步骤143和144相同的方式实施后续步骤巧4和155，其中，基于多个光信号中具有频率η · f0的信号分量的相差确定改进的物体位置。在156中，验证是否已经以足够的精度确定了物体位置。如果在156中确定已经以足够精度确定了物体位置，则在157中，输出以及/或者进一步处理最近确定的物体位置。 否则，方法返回到步骤153，在步骤153中，现在可以选择更大的值η用于下一迭代。根据本发明的各个实施例的装置和方法允许具有高空间分辨率的快速位置确定， 其适用于确定物体的多于一个的坐标。所述装置和方法一般可以用于确定空间中的物体位置，示例性的应用邻域有工厂中的测量应用，诸如自动生产或传输工厂等。
权利要求
1.一种用于确定物体(25 ； 102)在空间区域(28)中的位置的装置，包括光源(3;3、3a、3b)，用于产生具有重复率的光脉冲序列(31)，光引导装置(4-9 ；4、5、8)，其被布置为将所述光脉冲序列(31)的光脉冲的一部分引导到所述空间区域(28)中，检测器布置(13,14 ；13 ;13、13￡1、1315)，其被布置为检测多个光信号(23,24 ；103,104), 所述多个光信号(23、24;103、104)在所述空间区域(28)中被反射和/或散射到多个不同方向上，以及分析电路(15)，其耦接到所述检测器布置(13、14;13;13、13a、13b)，并具有用于接收参考信号(20 ；86)的参考信号输入端(16)，所述分析电路(15)被配置为确定所述参考信号(20 ；86)与由所述检测器布置(13、14 ；13 ； 13、13a、13b)检测的所述多个光信号(23,24 ； 103,104)中的至少一个光信号(23、24;103、104)的信号分量(51 ；81)之间的相差(67)，所述信号分量(51 ；81)具有对应于所述重复率的倍数的频率。
2.如权利要求1所述的装置，所述光引导装置(4-9 ；4、5、8)被布置为将所述光脉冲序列(31)的所述光脉冲的另一部分引导到至少一个参考信号检测器(11、12)，作为参考信号(20)，所述分析电路(15)的所述参考信号输入端(16)耦接到所述至少一个参考信号检测器 (12)，以接收由所述至少一个参考信号检测器(12)检测的所述参考信号(20)。
3.如权利要求1或2所述的装置，所述分析电路(15)被配置为针对所述多个光信号(23、24;103、104)中的每个光信号 (23、24;103、104)，基于各个光信号(23、24 ； 103、104)中具有对应于所述重复率的倍数的频率的信号分量(51 ；81)确定所关联的相差(67)，并基于与所述多个光信号(23、24 ；103、 104)关联的所述相差(67)确定所述物体(25 ；102)的所述位置。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的装置，所述检测器布置包括多个光学检测器(13、14;13、13a、13b)，所述多个光学检测器 (13、14;13、13a、13b)被布置为分别检测所述多个光信号(23,24)的一个光信号(23、24)。
5.如权利要求4所述的装置，所述光引导装置(4-9)包括多个分束器(5、7)，以接收所述光脉冲序列(31)并将其引导到所述空间区域(28)中，所述多个光学检测器(13、14)被布置为使得所述多个光学检测器(13、14 ；13、13a、13b)中的一光检测器(13)经由所述多个分束器(5、7)中的一关联分束器(5)从所述空间区域(28)接收光信号。
6.如权利要求5所述的装置，所述多个光学检测器(13、14)中的所述光学检测器(13)被布置为接收所述光脉冲序列(31)中被与所述光学检测器(13)关联的所述分束器(5)引导到所述空间区域(28)中的部分(23)，所述部分在所述空间区域(28)内被反射和/或散射。
7.如权利要求5或6所述的装置，所述多个分束器(13、14)包括不排列在一条直线上的至少三个分束器。
8.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述检测器布置包括光学检测器(13)，所述光学检测器(13)被配置为以顺序的方式接收所述多个光信号(103、104)。
9.如权利要求8所述的装置，包括要被安装在所述物体上的定位部件(102 ；110)，其中所述定位部件的光反射和/或光散射特性是可变的。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述定位部件(102 ；110)具有多个反射器(111-113)并且其中所述多个反射器 (111-113)中的至少一个可以被隐藏。
11.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述光引导装置(4-9 ；4、5、8)包括至少一个光扩展器(8、9 ；8)，用于扩展所述光脉冲序列(31)中要被引导到所述空间区域(28)中的所述部分。
12.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述分析电路(15)被配置为降频混合所述信号分量(51 ；81)，以确定所述相差(67)。
13.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述分析电路(15)具有混合器(45 ；75)，用于将所述至少一个光信号的所述信号分量 (51 ；81)与所述参考信号(20)的参考信号分量(52 ；82)进行混合，所述参考信号分量(52 ； 82)的频率是所述重复率的倍数。
14.如权利要求13所述的装置，其中提供至少两个参考信号检测器(11、12)，用于检测所述参考信号(20)，所述混合器在输入侧耦接到参考信号检测器(11)，以接收所述参考信号分量(54 ；86)。
15.如权利要求14所述的装置，所述分析电路(15)具有另一混合器(79)，所述另一混合器(79)在输入侧耦接到所述混合器(75)的输出端且耦接到另一参考信号检测器(12)。
16.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述分析电路(15)被配置为针对所述至少一个光信号(23、24;103、104)中具有不同频率的多个信号分量(51 ；81)以迭代的方式分别确定所关联的相差(67)，所述多个信号分量(51 ；81)中的至少一个具有对应于所述重复率的倍数的频率。
17.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述装置具有阻挡装置(105)，用以在至少基于所述光脉冲序列的所述重复率确定的时段期间，抑制光入射到所述检测器布置(13、14;13)上以及/或者抑制所述分析电路 (15)处理信号。
18.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述光源(3)包括短脉冲激光器。
19.如前述权利要求中的任一项所述的装置，所述装置是工业坐标测量机器或者用于确定机器人(2)的位置的装置。
20.一种用于确定物体的距离的检测和分析装置，包括第一参考信号检测器(11)和第二参考信号检测器(12)，分别用于接收包括具有重复率的光脉冲序列的参考信号(20)，检测器布置(13)，用于检测被所述物体(25 ； 102)散射和/或反射的光信号(23 ；103、 104)，所述光信号包括具有时移(63)的所述光脉冲序列(31)，以及分析电路(15)，耦接到所述检测器布置(13、14 ； 13)、所述第一参考信号检测器(11)和所述第二参考信号检测器(12)，用于确定所述参考信号(20)与所述光信号(23 ；103,104) 的信号分量(51 ；81)之间的相差(67)，所述信号分量(51 ；81)具有对应于所述重复率的倍数的频率。
21.如权利要求20所述的检测和分析装置，所述分析电路(15)在耦接到所述第一参考信号检测器(11)的第一信号通道中具有第一滤波器(43 ；73)，在耦接到所述第二参考信号检测器(12)的第二信号通道中具有第二滤波器(46 ；76)，所述第一滤波器(43 ；73)的通带与所述第二滤波器(46 ；76)的通带不同。
22.如权利要求20或21所述的检测和分析装置，所述分析电路(15)包括第一混合器(75)和第二混合器(79)，所述第一混合器(75)在输入侧耦接到所述检测器布置(13)且耦接到所述第一参考信号检测器(11)，以及所述第二混合器(79)在输入侧耦接到所述第一混合器(75)的输出端并耦接到所述第二参考信号检测器(12)。
23.如权利要求20-22中的任一项所述的检测和分析装置，其被配置为用于根据权利要求1-19中的任一项所述的装置(1 ；101)中。
24.用于确定物体(25； 102)在空间区域(28)中的位置的方法，包括将具有重复率的光脉冲序列(31)辐射到所述空间区域(28)中，检测多个光信号(23、24;103、104)，所述多个光信号(23、24 ； 103、104)由于所述物体 (25 ； 102)对所述辐射的光脉冲序列(31)的反射和/或散射而在所述空间区域(28)内被反射和/或散射到多个不同方向上，确定所述辐射的光脉冲序列(31)与至少一个检测到的光信号(23、24;103、104)的信号分量(51 ；81)之间的相差(67)，所述信号分量(51 ；81)具有对应于所述重复率的倍数的频率。
25.如权利要求24所述的方法，其中，对于所述多个光信号(23,24 ；103,104)的每个光信号(23,24 ； 103、104)，基于各个光信号(23、24 ；103,104)的信号分量(51 ；81)确定所关联的相差(67)，所述信号分量的频率对应于所述重复率的倍数。
26.如权利要求25所述的方法，包括基于与所述多个光信号(23、24;103、104)关联的所述相差确定所述物体(25 ； 102)的所述位置。
27.如权利要求26所述的方法，其中，确定所述物体(25;102)的至少三个空间坐标。
28.如权利要求24-27中的任一项所述的方法，将所述光脉冲序列(31)从不位于一条直线上的多个辐射点(5、7 ；91-93)辐射到所述空间区域(28)中。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述多个光信号(23、24)的指定光信号(23)包括在所述物体(25)上反射和/ 或散射的光脉冲序列(31)，其被从所关联的指定辐射位置(5)辐射。
30.如权利要求24-29中的任一项所述的方法，其中，以顺序的方式检测所述多个光信号(103、104)，以及其中，顺序检测的光信号(103 ； 104)分别包括已经在所述物体的多个可能部分(111-113)中的一个部分(113)上反射的光脉冲序列(31)，改变所述部分用于所述光信号(103;104)的顺序检测。
31.如权利要求30所述的方法，其中光束断续器(117)被致动用于改变所述部分。
32.如权利要求24-31中的任一项所述的方法，其中所述光脉冲序列(31)被扩展为辐射到所述空间区域(28)中的光锥(22、27 ；94、 96,98 ；115)。
33.如权利要求24-32中的任一项所述的方法，其中所述信号分量(51 ；81)被降频混合，以确定所述信号分量(51 ；81)的所述相差 (67)。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述信号分量(81)被多级降频混合。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述信号分量(81)分别与基于所述光脉冲序列(31)产生的参考信号(20)的参考信号分量(82、84)混合，用于降频转换。
36.如权利要求24-35中的任一项所述的方法，其中，针对所述至少一个光信号(23、24;103、104)中具有不同频率的多个信号分量， 以迭代的方式分别确定所关联的相差(67)，所述多个信号分量中的至少一个具有对应于所述重复率的倍数的频率。
37.如权利要求24-36中的任一项所述的方法， 其中，在检测不到所述光脉冲序列(31)在所述空间区域(28)内反射的光脉冲的时段期间，抑制所述检测所述多个光信号(23、24;103、104)和/或所述确定所述相差(67)。
38.如权利要求24-37中的任一项所述的方法，其中，所述光脉冲序列具有光波长，并且其中具有至少一个其它光波长的至少一个其它光脉冲序列被辐射到所述空间区域中，所述光脉冲序列和所述至少一个其它光脉冲序列在所述空间区域内被以波长选择性的方式反射。
39.如权利要求24-38中的任一项所述的方法，其中，使用所述方法确定在工业安装中的物体(2)的所述位置。
40.如权利要求24-39中的任一项所述的方法，其中，使用权利要求1-19中的任一项所述的装置(1 ；101 ；120)执行所述方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定物体(25)在空间区域(28)中的位置的装置，该装置包括光源(3)、光引导装置(4-9)、至少一个参考信号检测器(11、12)以及检测器系统(13、14)。光源(3)产生具有重复率的光脉冲序列。光引导装置(4-9)将所述光脉冲序列引导到所述空间区域(28)中，并且将其引导向至少一个参考信号检测器(11、12)，作为参考信号(20)。检测器系统(13、14)检测多个光信号(23、24)，所述多个光信号(23、24)由于光脉冲序列的反射和/或散射而在所述空间区域(28)中被反射和/或散射到多个不同方向上。分析电路(15)耦接到检测器系统(13、14)以及至少一个参考信号检测器(11、12)，并确定所述参考信号(20)与至少一个光信号(23、24)中的信号分量之间的相差(67)。基于具有对应于所述重复率的倍数的频率的信号分量确定所述相差。
文档编号G01S17/10GK102203635SQ200980143264
公开日2011年9月28日 申请日期2009年8月22日 优先权日2008年9月2日
发明者伯恩德.斯普鲁克, 克里斯蒂娜.阿尔瓦雷斯迪兹, 弗兰克.霍勒, 马克.特雷蒙特 申请人:卡尔蔡司股份公司
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