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Die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls oder dessen Modulation gegenüber dem ausgesandten Strahl ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Wird die Laserfrequenz selbst zur Überlagerung genutzt, arbeitet das Gerät wie ein Laserinterferometer.

Diese als klassisch geltende Messmethode macht sich die mathematischen Zusammenhänge zwischen den Seitenlängen und den Winkeln in einem Dreieck zunutze. In der Geodäsie wurde dieses Prinzip schon in früheren Jahrhunderten für Landvermessungen eingesetzt. Laserentfernungsmesser funktionieren nach dem gleichen Prinzip, nun aber berührungslos mittels optischer und elektronischer Komponenten.

An der zu messenden Fläche wird das Licht des Lasers reflektiert und schließlich von einem neben der Laserdiode befindlichen lichtempfindlichen Element registriert. Jetzt kommt die Mathematik, speziell die Trigonometrie (Winkelfunktion im Dreieck), zum Einsatz.

Zählt man die Durchgänge und multipliziert sie mit der Lichtwellenlänge, erhält man die gesuchte Wegstrecke. Mit einer genaueren Auswertung des Signals erreicht man Genauigkeiten von etwa 1/100{\displaystyle 1/100} Wellenlänge, das sind bei sichtbarem Licht wenige Nanometer. Die Lichtwellenlänge ist allerdings abhängig vom Brechungsindex der Luft und verändert sich mit Temperatur, Druck und Feuchtigkeit. Für genaue Messungen muss der Zählwert der Lichtwellenlängen mit diesen Eigenschaften der Luft korrigiert werden (Luftdichtekorrektion).