CN100365433C - 扫描测距仪 - Google Patents

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Abstract

一种具有简单、紧凑结构的扫描测距仪。该测距仪设有：外盖(1)，其中形成有透明窗(2)；圆筒形旋转单元(3)，其在外盖(1)内部；扫描/接收窗(4)，其设在旋转单元(3)中；双重扫描/接收镜(5)，其成角度地沿着圆筒形旋转单元(3)的旋转轴线布置；电动机(6)，用于旋转地驱动旋转单元(3)；盘部分(13)，其布置在圆筒形旋转单元(3)中并固定在其内部区域中；光束投射器(14)，其固定在这样的位置，在该位置处其布置成与旋转单元(3)的旋转轴线稍微间隔开；和光接收器(16)，其固定到旋转单元(3)的内部区域中的盘部分(13)上并布置成与其旋转轴线重合，并与距离计算电路(19)相连。

Description

扫描测距仪
技术领域
本发明涉及所谓的扫描测距仪，其设计成通过与距离计算电路相连的电磁波接收器而以信息方式接收(informationally receive)来自电磁波投射器的电磁波反射，并在通过计算来测量到扫描目标的距离，其中该电磁波投射器已经指向扫描目标并进行了扫描。
背景技术
迄今，已知两种结构的扫描测距仪，如图9和图10所示，其使用(一个或多个)旋转镜子并使其光轴摆动整个360度一周。在任一结构中，使得(一个或多个)镜子的光轴和使该(一个或多个)镜子转动的电动机的轴重合。
图9中的测距仪构造成采用双轴电动机42，公共旋转轴41a和41b从该电动机42竖直伸出，并一方面使轴41a上的扫描镜43，另一方面使轴41b上的接收镜44彼此同相地安装。(在图9中45表示光束投射器；46表示光线接收器；47表示投射透镜；而48表示接收透镜。)该结构使得测距仪灵敏度得以提高，这是由于因为扫描光学系统和接收光学系统完全分开，所以几乎没有光线从投射光学系统偏离到接收光学系统中，并且由于几乎不用担心来自扫描/接收透明窗53的内部的表面反射或者由附着在透明窗53上的碎屑反射的光线将进入光线接收器46中。
图10中的测距仪构造成采用电动机42，旋转轴41c从该电动机向上伸出，并且将双重扫描/接收镜49安装在旋转轴41c上。从光束投射器45输出的光线经过投射透镜50，由半透明镜51向下反射，并照射在双重扫描/接收镜49上；在那里反射的光线通过镜子49向左偏转并投射到待照明的物体上。来自所扫描物体的反射光线通过扫描/接收镜49向上偏转，通过半透明镜51传输，经过接收透镜52，并进入光线接收器46。通过这种结构，即使在近距离内也没有盲点，这是由于扫描镜(半透明镜51)和接收镜(双重扫描/接收镜49)同轴地布置在电动机42上；并且安装该测距仪具有高度的灵活性，这是因为扫描镜和接收镜相对于电动机42单侧布置。
然而，图9的扫描测距仪的结构具有如下缺陷。
1)电动机42布置在扫描镜43和接收镜44之间，这使得在扫描光束和接收光线的光轴之间的距离必然较大。因此，近距离的反射光线不会进入到光线接收器46中，这产生了盲点。
2)因为光学系统的中心是测距仪的中心，并且测距仪竖直延伸，所以将对如何安装测距仪产生限制。
接着，图10的扫描测距仪的结构具有如下缺点。
1)半透明镜51用于使得扫描光束和接收光线的光轴重合，但是分开光线时，半透明镜51将辐射量降低了接近一半。这种光能的降低意味着与图9的分离光学类型的测距仪相比，必须使来自光束投射器45的激光辐射功率以及光线接收器46的放大特性整体增加四倍。
2)因为采用了双重扫描/接收镜49，从扫描/接收透明窗53的内部的投射光束表面反射以及由附着在透明窗53上的碎屑反射的光线，通过扫描/接收镜49和半透明镜51进入光线接收器46，会形成噪声，因此限制了测距仪的辐射接收灵敏度的提高。
发明内容
本发明的一个目的是，在扫描测距仪中缩短在指向物体的扫描光束的光轴与吸收进测距仪传感器中的所接收的物体反射光线的光轴之间的光轴间距离。因此，缩短光轴间距离使得将测距仪制成即使相对于近距离内的物体也不产生盲点。
此外，另一目的是使扫描光学系统与接收光学系统隔离。使扫描和接收光学系统隔离，这防止了由于扫描/接收窗的表面反射以及由附着在扫描/接收窗上的碎屑反射的光线产生的噪声，从而使得辐射接收灵敏度得以提高。
另外，本发明的又一目的是实现小型、低成本、更容易制造的具有简单结构的测距仪。该目的之后的动机是，由于不断地追求自动且省力的转换，因此要满足对于自动机械形式的可视测距仪的不断增长的需求。
为了实现这些目的，根据本发明的扫描测距仪设有光线接收部分，其放置在具有固定轴的电动机上，该光线接收部分位于该电动机的旋转轴线上，并且该测距仪构造成包括与该光线接收部分对置的旋转部分，该旋转部分具有至少一个顶板部分，并且还包括驱动该旋转部分的电动机驱动机构。其中该扫描和接收光学系统布置在光线接收部分和顶板部分之间。该测距仪还设有镜，其中在旋转部分的顶板部分中预定倾斜表面或者预定弯曲表面的下面设有反射面；并且该镜既用作扫描镜又用作接收镜，其中作为扫描镜用于产生指向检测物体的扫描光束，而作为接收镜用于将来自物体的反射光线引导到光线接收部分。下面将该镜称为双重扫描/接收镜。此外，该测距仪结构包括位于旋转部分的圆筒形部分的圆周表面中的扫描/接收窗，用于使扫描光束和反射光线通过。应理解，上述顶板部分可以由该双重扫描/接收镜单独构成。
除了上述结构外，关于本发明另一方面的扫描测距仪还具有以下结构。即，由光线接收部分获得的图像信号经过在测距仪的电动机部分的固定轴中的空间，并被引向外部计算电路。然后，为了从该图像信号计算关于该物体的位置等数据，同时通过电动机部分的固定轴内部将指示电动机旋转位置的信号引向外部。为了进行旋转位置检测，该测距仪包括位于电动机上具有该功能的单元，例如旋转编码器或分解器。
在传统的扫描测距仪结构中，将扫描镜和接收镜构造成直接连接到电动机旋转轴上。这意味着扫描光学系统和接收光学系统分别位于电动机的上方和下方，或者意味着使用半透明镜将二者结合为一体。构造本发明结构中的这些改变使得在不采用半透明镜的情况下，可相对于电动机单方面地布置光线接收器和光束投射器。另外，在没有采用半透明镜的传统结构中，单独提供扫描镜和接收镜，而在本发明中通过单一的扫描/接收镜来公共地提供这些镜的功能，这使得测距仪的内部结构呈流线型并使得该结构更有效。通过本发明的结构，实现了一种测距仪，其中通过使扫描光学系统和接收光学系统成一体，缩短了在光束投射轴线和光线接收轴线之间的光轴间距离。
应注意，光线接收部分可以是位于光线接收部分位置的光电转换器，或者可以在该位置暂时收集所接收的辐射光线，而后例如通过光学纤维发送到另一区域以进行包括光电转换的过程。
本发明另一方面中的扫描测距仪用作用于普通机器人等装置的可视传感器。在本发明测距仪的该结构中，光束投射轴线和光线接收轴线将接近水平重合。同时，电动机的旋转轴线将接近与竖直方向重合。其中，将由至少扫描/接收镜反射的反射光线引向光线接收部分。同时，将由单独设置的光束投射器(辐射源)产生的扫描光束沿着电动机旋转轴线或者与该轴线平行的线暂时引导，并通过设在旋转部分的顶板部分中的扫描/接收镜转换成接近水平的扫描光束。
应理解，本发明中的扫描光束可以是任何电磁辐射线。因此，这里的电磁辐射线是每一种电磁波(当然包括可见光和红外线、X射线等)的总称。该光束投射器可以是任何电磁辐射波传播器；其可以是投射刚才定义的电磁波的任何装置。同样，光线接收器可以是任何电磁辐射波接收器；其可以是可接收刚才定义的信号电磁波的任何装置。最后，双重扫描/接收镜可以是任何电磁辐射波扫描/接收双重反射器；其可以是反射刚才定义的电磁波的任何装置。
通过上述结构，本发明具有以下效果。
(1)采用诸如X射线的穿透固体的电磁辐射线，这使得能够例如探测诸如地道和建筑物的混凝土结构，以获知内部钢筋存在位置以及存在钢筋的数量。
(2)因为可以使光束投射轴线和光线接收轴线重合或者邻近，所以在实际中近距离内的盲点并不是问题，或者可以使得盲点并不是问题的距离更近。
(3)因为光束投射器和光线接收器沿着旋转部件的旋转轴线位于旋转单元内部的相同测距仪侧上，所以对于可如何安装该测距仪具有高度的灵活性。尤其在本发明的测距仪用于低高度的机器人或者无人驾驶运输车辆中的示例中，只将测距仪的引导端稍微伸出就可以检测到物体的位置。用于机器人真空吸尘器的本发明的测距仪作为该示例的一个例子是有效的，这是由于该装置因此具有这样的形式，其中它可以在椅子和桌子下方自动地操作。
(4)假设将光束投射器和光线接收器固定在旋转单元内部的测距仪固定侧，则可以将光束投射器和光线接收器结合在旋转单元内部之前，来轴向调节光束投射轴线和光线接收轴线，这使得该轴向调节操作极其容易，并在将投射器和接收器已经结合在旋转单元内部之后不必进行复杂的轴向调节工作。
(5)由于双功能扫描镜和接收镜，使得可以减少所采用的反射器(镜)的数量。
(6)使得外盖和旋转单元具有截头圆锥形(平截头体)形式，这防止了由于弄脏透明窗的内表面和扫描/接收窗而产生的散射光线和不希望的反射，这可将辐射接收灵敏度升高到最大程度。尤其在由激光进行扫描的应用中，由于在这样的情况中，其中为了确保人眼的安全，不能使光束投射器的辐射源功率大于规定值，所以对于相同的辐射源功率，可以扩大检测范围，这具有重要的意义。
(7)在光束投射器布置成固定到固定端的示例中，仅包括扫描镜和接收镜的光学元件以及旋转位置检测器的一部分必须布置成安装在为运动部分的旋转单元上；至少电气部分并不必安装在那里。基于此，可实现高可靠设计并便于维护。
(8)通过将扫描测距仪所需的光学系统和光线接收器有效地布置在旋转单元内部，可实现极其小型且紧凑的测距仪。
(9)因为来自光线接收器和旋转位置检测器的信号输出所经过的线穿过设在电动机的固定轴内的中空通孔并导向外部距离计算电路，所以与传统的测距仪相比，实现了极其小型且紧凑的测距仪形式。
从下面结合附图的详细描述，本领域的技术人员将容易明白本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点。
附图说明
图1是关于本发明第一实施例的扫描测距仪的竖直剖视图；
图2是在关于本发明第一实施例的扫描测距仪中的圆筒形旋转单元的横剖视图；
图3是用于本发明扫描测距仪的、用作零校准器的棱镜的放大视图；
图4是本发明扫描测距仪的一个实施例的激光脉冲的脉冲振动波形和噪声波形的视图；
图5关于本发明第一实施例的扫描测距仪的竖直剖视图；
图6是关于本发明第二实施例的扫描测距仪的竖直剖视图；
图7是关于本发明第三实施例的扫描测距仪的竖直剖视图；
图8是关于本发明第二实施例的扫描测距仪的竖直剖视图；
图9是传统扫描测距仪的一个示例的概念图；和
图10是传统扫描测距仪的另一个示例的概念图。
具体实施方式
下面，将参考附图解释本发明的实现模式以及修改实施例。
实施例1
图1和图2示出了实现本发明的模式的单个示例，在示例中施加作为电磁辐射线的可见光，其中图1中的附图标记1表示倒圆的竖直截头体形式的外盖1。扫描测距仪主要单元容置在外盖1中。在其中本发明的扫描测距仪用于安全机器人或者机器人真空吸尘器的示例中，外盖1将支撑在该机器人的顶部。外盖1包括第一构件1a和第二构件1b，其中第一构件1a由合适的材料(例如，合成聚合树脂)制成，而第二构件1b由不透明材料(例如，金属或者适当的合成聚合树脂)制成。如图1和图2所示，在第一构件1a的包围壁中穿过并形成例如270度的透明窗2。透明窗2可以是与外盖1的主要材料分离的透明构件，形成为270度无缝的部分环形并插入用于透明窗的位置中；或者，第一构件1a自身可以整体由透明材料形成。应注意，如果将第一构件1a制成完全透明，以使其形成为使得透明窗区域在第一构件1a的整体上延伸，则作为预防措施，应采取防止不需要的外部光进入光线接收器中的措施。第二构件1b形成为布置在预定角度(例如，90度)范围内的部分环形。
圆筒形旋转单元3沿着外盖1的内部安装，并布置成与外盖1间隔开。圆筒形旋转单元3由合适的材料(例如，合成聚合树脂)制成，并且在其高度与外盖1中的透明窗2的高度相对应的位置处，布置有扫描/接收窗4，来自双重扫描/接收镜(将在后面介绍)和扫描目标的反射光经过该扫描/接收窗4。另一双重扫描/接收镜5以向右45度角度固定在旋转单元3上的顶板中。旋转单元3的下部径向收缩以形成旋转单元下端部3b。
在该测距仪主要单元的这一端，电动机6安装在外盖1的底板部上，并布置成使其轴线与垂直于盖底部的线重合。电动机6包括：定子6a，其由线圈绕组和铁心构成；保持构件6b，定子6a固定在其内圆周表面上；圆筒形部分7，保持构件6b位于其内圆周上；底板部分8，其与外盖1的底板部平行并与圆筒形部分7连续；和电动机固定轴9，其形成在底板部分8的中心。中空通孔10设在电动机固定轴9的内部，并竖直穿过电动机固定轴9。
电动机6的结构还包括轴承11，该轴承的内圆周表面固定装配在电动机固定轴9的外圆周表面上，其中圆筒形旋转单元3的旋转单元下端部3b的内径向表面转动地装配在轴承11的外圆周表面上。轴承11例如由球轴承、滑动轴承或者流体动压轴承构成。此外，磁体12安装在旋转单元下端部3b的外圆周表面上，以微小的间隙与定子6a相对。电动机6通过布置在旋转单元3的下端外周上的磁体12而生成旋转驱动力，磁体12被由定子6a产生的旋转磁场吸引。因此，该电动机可以是无电刷直流电动机，或者可以是同步电动机或其它类似的电动机。
水平盘部分13固定在电动机固定轴9的上端上。光束投射器14固定在圆筒形旋转单元3的内部，其中沿着盘部分13的旋转轴线在主要单元的固定侧上的位置处，该光束投射器14布置成与旋转单元3间隔开。对于光束投射器14，选择诸如激光器或者LED的光源。调节光束直径的扫描透镜15位于光束投射器14的上端。
光接收器16位于盘部分13的中心，并固定在盘部分13的上表面上。光接收器16由诸如光电二极管的光学传感器构成，并且接收透镜17的焦点调节到光接收器16。通过信号线(导线)18，光接收器16与位于外盖1外部的距离计算电路19(在用于安全机器人或者机器人真空吸尘器的控制电路中)相连。沿着圆筒形旋转构件3的外围布置用于精确检测旋转角度的旋转位置检测器20。所示示例的旋转位置检测器20由多个屏蔽狭条21和光斩波器(光学断续器开关)22构成，其中作为电动机驱动时钟的屏蔽狭条21固定并均匀地布置在圆筒形旋转单元3的外圆周表面上，而光斩波器22沿着电动机驱动时钟21的运行路线布置。应理解，可以通过在环形板中形成一致的孔而制成屏蔽狭条21。通过例如对于旋转单元3每转一圈获得18个脉冲，并使用锁相环路以将它们频分(frequency-divide)成例如1024个脉冲，旋转位置检测器20能够检测到旋转单元3的旋转位置。本领域的技术人员将明白对于前述结构的另一方案，另一可能的方案例如是在旋转单元3周围设置磁体，并在与该磁体所经过路线邻近的位置设置霍尔传感器。同样，例如通过在旋转单元3的周围设置磁性元件并在与该磁性元件所经过路线邻近的位置设置磁性传感器，也可以实现旋转位置检测器。
本发明扫描测距仪的另一特征是，两种类型的校准器结合在外盖1的第二构件1b的内表面壁中，即，用于使测距仪的距离测量稳定的零校准器23，和基于光吸收器的噪声校准器24。
前者即零校准器23通过测距仪在反向检测模式中时将其自身校准为标准长度而实现零校准。零校准器23设置有沿竖直方向固定的梯形棱镜25，如图3所示。当测距仪进行校准时，从光束投射器14投射的竖直向上指向的光束通过双重扫描/接收镜5水平向左反射，通过棱镜25的第一反射面25a竖直向上反射，并通过棱镜25的第二反射面25b水平向右反射。因此，当从投射器14反射光束时，通过在第一(入射)反射面25a和第二(出射)反射面25b之间的间隔，出射光束从入射光束偏移在光束投射器14和光接收器16的光轴之间的校正位移(L)，并投射到扫描/接收镜5上。因此，出射光束通过扫描/接收镜5而垂直向下反射，并引导到光接收器16上，其中实现了零校准。在圆筒形旋转单元3每旋转一周都进行零校准。
对于后者即基于光吸收器的噪声校准器24，在测距仪示例中(如稍后将描述的)，其中例如通过激光腔对扫描光束进行脉冲调制，校准器24用于消除噪声。
这里，对于光束投射器，通常将激光器用作光源，但是也可采用LED作为光源。对于激光器，光的发散很小并且光束可容易地经过狭窄的路径，因此可使测距仪的形式缩减为最小的尺寸。在采用LED的示例中，期望采用对其可进行高频调制的LED。因为不同于激光器，LED的光点较大，所以LED优于激光器，这是因为出于安全原因对功率进行了限制。将光束从光束投射器导向旋转单元的上部的光学系统并不限于直接辐射器和镜；也可采用选择诸如光学纤维的光学系统。
另外，光束投射器可以安装在旋转侧，或者可安装在固定侧。其中光束投射器安装在旋转侧的示例的优点是，由于通过安装在旋转侧的光束投射器和扫描/接收镜维持了在光束投射器和双重扫描/接收镜之间的固定的位置关系，所以当光束离开测距仪时其高度决不会改变。另一方面，其中光束投射器安装在固定侧的示例的优点是，不仅便于向投射器供电，而且可以在光束投射器、扫描/接收镜和光接收器结合在旋转单元中之前，来对准这些部件的光轴，这使得可更容易且更精确地对准光轴。
下面将描述如上构造的扫描测距仪的操作。来自光束投射器14的光束通过扫描透镜15而竖直向上投射，并通过双重扫描/接收镜5水平反射。该扫描/接收镜5与圆筒形旋转单元3一起高速旋转，因此从镜5反射的光束经过旋转单元3中的扫描/接收窗4和外盖1中的透明窗2，并且在包围测距仪的空间中继续扫过270度范围，并扫描周围的扫描目标。同时，由扫描目标反射的光通过透明窗2进入外盖1的内部，并通过扫描/接收窗4沿接近水平的方向入射到扫描/接收镜5上。然后，通过扫描/接收镜5竖直向下反射的入射光，通过接收透镜17聚焦在光接收器16上。
应理解，由于在外盖1中存在由不透明材料制成的第二构件1b，因此不能扫描在约90度范围内的扫描目标。然而，通过测距仪自身旋转或枢转预定角度，也可以扫描在第二构件1b的后部最初位置中的扫描目标。
一旦扫描目标光进入光接收器16中，通过旋转位置检测器20来检测在通过光接收器16接收光期间与圆筒形旋转单元3的旋转角度相关的信息，并且通过信号线18将该信息与关于通过光接收器16的光的相位信息发送到距离计算电路19。该距离计算电路19基于该相位信息来计算到扫描目标的距离，并结合所计算的距离和来自旋转位置检测器20的旋转位置信息，以制备平面二维图。从该图可以知道以圆筒形旋转单元3的旋转轴线为中心、通过周围270度的扫描目标的二维分布以及二维轮廓，并且可获得用于确定安全机器人或者机器人真空吸尘器可行进方向的基本数据。应理解，该计算所需的输出，即，来自光接收器16的输出信号和从旋转位置检测器20输出的旋转位置信息，沿着信号线18行进，该信号线18通过固定轴9中的中空通孔10内部并与距离计算电路19相连。电动机和光学系统的这种有效、紧凑的结构使得可实现这样的扫描测距仪，其与现有装置相比具有显著小且流线型的形式。
尽管并不具体限制用于计算到扫描目标距离的系统，但是通常采用基于调幅(AM)的处理。在基于AM的处理中，以给定的不变频率来调制测距仪激光或LED光，并且从在调制信号的相位和从目标反射光的相位之间的差异可得知在测距仪和扫描目标之间的距离。更具体地，一旦以频率f调制的光束击打扫描目标被反射回来，返回的光将具有相位差Φ，由其速度以及在目标和测距仪之间的距离来确定该相位差。因此，相位差Φ的数值取决于光速c和到目标的距离L0。这意味着可通过检测相位差Φ来得知距离L0。因此，通过使用双重扫描/接收镜使扫描光束水平摆动，可测量二维区域中的距离。本发明可基本用作二维测距仪，但是也可以通过将扫描光束扫描经过预定角度，同时连续地增加/降低扫描/接收镜的竖直角度来测量三维区域中的距离。在进行三维距离测量的示例中，例如通过螺旋式扫描而在周围空间定目标。
另一考虑是，在其中用于光束投射器14的光源为激光器的示例中，所照射光束的光点直径较小，在安全管理方面对投射光束的能量进行了限制。在这种情况下，优选地使由激光器产生的信号光束进行脉冲调制(如图4所示)，而不是连续的。在所示示例中，脉冲的输出具有18μs周期、3μs的脉冲持续时间和15μs的间歇持续时间。在这些示例中，可将激光输出能减小到连续光束输出的1/6。然而，在这样脉冲调制光束的情况下，由于当脉冲开始以及当它们停止时产生了噪声，所以有必要采取针对噪声以消除其影响的措施。
在本发明中噪声校准器24用于消除这种噪声。该噪声校准器由光吸收器指向镜26和光吸收单元27构成。光吸收器指向镜26以相对于竖直方向的45度角度固定到第二构件1b的壁上并位于其内部。光吸收单元27固定在光吸收器指向镜26的竖直上方的位置，并由光吸收器安装插口28和光吸收器29构成，其中该光吸收器29例如是粘附到光吸收器安装插口28的内表面上的黑色天鹅绒、或者是嵌入其中的许多薄脊骨状元件。在其中脉冲调制激光束的示例中，如图4所示，在激光脉冲开始和停止时，尤其当激光脉冲停止时，产生大量的噪声。基于此，双重扫描/接收镜5将当激光束停止时的光线水平向左(在图1中)反射，接着光吸收器指向镜26将该光线竖直向上反射，从而使该光线被吸收在光吸收单元27中。因此，从激光脉冲偏转并吸收光学噪声防止了噪声被输入光接收器16中。通过使激光束(已经从中如此吸收了噪声)入射到光吸收器16上，并且通过当停止和/或开始激光器而不是在脉冲调制光束时进行的这种噪声吸收操作而实现噪声校准。
第一修改方案
下面，将根据图5来描述修改本发明的第一模式。在该修改方案中，光束投射器14设在圆筒形旋转单元3的壁上并位于其内部，测距仪形成为使得来自光束投射器14的水平光束通过扫描透镜15得以集中，通过扫描镜30转换到竖直定向，并照射到双重扫描/接收镜5上，其中扫描镜30位于旋转单元3的旋转轴线上并位于接收透镜17的上方。该修改方案的另一方面在于，在使得来自光束投射器14的扫描光束与旋转轴线共线的同时，光吸收器指向镜26安装在外盖1的第二构件1b上的较高位置，从而可通过噪声校准器24的光吸收器指向镜26来接收由扫描/接收镜5反射的光束。应知道，为便于理解，将扫描镜30的尺寸绘制得较大，但在其中用于光束投射器14的光源为激光器的示例中，可使光点直径较小，因此使得扫描镜30的外径较小(由于扫描镜30的存在而导致光接收灵敏度降低的尺寸)实际上并不是问题。
在该修改示例中，来自光束投射器14的光束沿着由扫描透镜15、扫描镜30、扫描/接收镜5、扫描/接收窗4和透明窗2限定的路线而水平投射到周围空间中；并且通过由透明窗2、扫描/接收窗4、扫描/接收镜5、接收透镜17和光接收器16限定的路线来接收从扫描目标反射的光。然后以与图1的实施例所述相同的方式来形成二维图。
对于这种修改方案，光束投射器和光接收器布置在圆筒形旋转单元的内部，并且来自光束投射器的投射光束沿着旋转轴线击打扫描/接收镜。结果，扫描光学系统和接收光学系统完全分离；具体地，因为投射光束仅在旋转中心处击打扫描/接收镜，所以进入接收光学系统的、从扫描光学系统回反射的光并不是问题。因此增加了光接收灵敏度。此外，通过使光束投射器和光接收器形成整体并将它们固定到圆筒形旋转单元的内部，可以在将光束投射器和光接收器结合进旋转单元内部之前来对它们进行光轴调节，因此可以使光束投射器和光接收器的光轴之间差异最小而稳定地对它们进行光轴调节。另外，通过采用双重扫描/接收镜，即使假设由于光束投射器和光接收器的光轴之间的位移而发生光轴的不一致，但与采用扫描镜和接收镜的装置相比，也只是稍微地改变扫描目标上的扫描点(光束所击打的区域)，这并不影响位置的检测也不影响检测精度。另外，在该修改方案中，将光束投射器和光接收器设置在圆筒形旋转单元的内部，这有助于形成紧凑的测距仪。并且由于这些镜不需要安装在外盖的内部，因此可以使测距仪的整体高度较低。应理解，通过圆周扫描二维或三维区域来测量距离时，必须准确地检测光束的扫描角度；本发明在圆筒形旋转单元上设有旋转位置检测器，并因此可准确地检测旋转单元的旋转位置。
第二修改方案
下面，将根据图6来描述本发明的第二修改方案。以与图5的修改方案相似的方式，在该修改方案中，光束投射器14布置在圆筒形旋转单元3的内侧壁上，使得光束从光束投射器14水平指向，通过扫描透镜15集中，并照射到扫描镜30上。然而，在这种情况下，扫描镜布置在接收透镜17的下方，并且在接收透镜17的中心位置设置间隙孔17a，用于使由扫描镜30反射的光线经过，以防止由扫描镜30反射的光线被接收透镜17吸收。该结构与图5中所示的第一修改方案相似。应理解，在用于光束投射器14的光源为激光器的示例中，可使光点直径较小，因此使在接收透镜17中的间隙孔17a的内径较小，且光点直径的尺寸使得由于扫描镜30的存在导致光接收灵敏度降低实际上并不是问题。
在该修改示例中，来自光束投射器14的光束沿着由扫描透镜15、扫描镜30、在接收透镜17中的间隙孔17a、扫描/接收镜5、扫描/接收窗4和透明窗2限定的路线而水平投射到周围空间中；并且通过由透明窗2、扫描/接收窗4、扫描/接收镜5、接收透镜17和光接收器16限定的路线来接收从扫描目标反射的光。然后以与图1的实施例所述相同的方式来形成二维图。
对于第一和第二修改方案的结构，因为扫描镜布置在旋转单元的旋转轴线上，所以光接收灵敏度与扫描镜的反射面面积成比例地降低，但是由于投射光束的光轴与来自所扫描物体的反射光的光轴重合，因此消除了盲点。另一优点在于，由于扫描和接收光学系统完全分离，因此扫描光束的回反射(back-reflected)分量不可能进入光接收器中。另外在该修改方案中，将光束投射器设在圆筒形旋转单元内部，这使得测距仪更加紧凑。另外，由于这些镜不必安装在外盖的内部，因此可使测距仪的整体高度降低。
第三修改方案
下面，将根据图7来描述本发明的第三修改方案。在该修改方案中，光束投射器14和扫描透镜15固定在盘部分13上、邻近光接收器16的位置，并且双重扫描/接收镜31设有环形扫描镜部分31a和接收镜-透镜部分31b，其中截面为棱形的环形扫描镜部分31a反射由扫描透镜15集中的光线，而接收镜-透镜部分31b反射并集中来自所扫描物体的反射光线，并且双重扫描/接收镜31以从竖直方向向右45度的角度布置。除了这些结构方面(即，光束投射器/扫描透镜的位置以及扫描/接收镜的形式)以及特别细节外，该修改方案基本上与图1所示的实施例相似。
在该修改示例中，来自光束投射器14的光束沿着由扫描透镜15、扫描/接收镜31的扫描镜部分31a、扫描/接收窗4和透明窗2限定的路线而水平投射到周围空间中；并且通过由透明窗2、扫描/接收窗4、扫描/接收镜31的接收镜-透镜部分31b和光接收器16限定的路线来接收从扫描目标反射的光。然后如前面参考图1已经详细描述一样来形成二维图。
实施例2
下面，将根据图8来描述本发明的第二实施例。在该实施例中，代替如图1中所示第一实施例的旋转位置检测器20(其包括电动机驱动时钟21和光学断续器开关22)，采用具有旋转角传感器的分解器32用作旋转位置检测器。该装配有旋转角检测器的分解器32包括：用作转子的波状表面的磁性构件32a，其具有例如四个沿着圆筒形旋转单元3的内圆周表面的整周形成的平滑外形；和与波状表面32a相对的分解器定子32b，其具有位于盘部分13的底部的外圆周表面的绕组。除了作为旋转位置检测器的分解器的结构外，该实施例与图1中所示的实施例相似。
与图1中所示的旋转位置检测器20相比，在该实施例中，测距仪的旋转位置检测功能根据波状表面的磁性构件32a和分解器定子32b之间的导磁性变化而以更高的精度工作。此外，因为仅诸如镜的光学元件和分解器32的波状表面的磁性构件32a位于旋转单元3上，所以不必向圆筒形旋转单元3供电，从而可大大地提高测距仪的耐用性和可靠性。
尽管上面已经描述了本发明的实施例以及这些实施例的修改形式，但是本发明的扫描测距仪并不限于上述实施例，当然在不脱离本发明的本质的范围内，可以增加各种修改。例如，在图5至图7的实施例修改形式中可采用图8中所示的、用作旋转位置检测器20的装配有旋转角传感器的分解器32。例如，通过使光束投射器14与位于盘部分13上的散热片(由诸如铝或者铜的高导热率金属制成)接触而容易地实现其中冷却图1中的光束投射器14的结构。另一示例为，尽管在前述实施例中，已经假设电动机6以不变的速度单向旋转，但是电动机6可以控制为在预定角度(例如，外盖1的第一构件1b的角度范围)内往复运动。在该实施例中的测距仪只通过预定范围(外圆周范围)扫描所照射的目标。另外，可通过使包括外盖1的整个测距仪相对于电动机6的旋转轴线倾斜，并使测距仪以预定的周期绕着轴线摆动，而实现上下竖直地广角扫描大范围(换言之，三维扫描)。
除了上述功能性外，在本发明的示例中可增加诸如以下的功能。例如，为了实现降低功率消耗，可以在该测距仪中增加这样的机构，当对于测距仪安装其中的机器人不需要测距操作时期间，其可以将测距仪转换成节能模式。在节能模式期间，电动机6和光束投射器14的操作停止，并且将距离计算电路19置为“睡眠”状态。该示例意味着需要单独的外部启动信号。另一方面，在这种情况下的测距仪可以构造成使得距离计算电路19不连续地操作，使得外部通信信号经常有效。在其中在通常操作期间功率消耗为2.5W的测距仪中，例如在前一示例中功率消耗将实际为零，而在后一示例中功率消耗将为大约0.5W。

Claims (26)

1.一种扫描测距仪，其具有用于发射光束的光束投射器、距离计算电路和与该距离计算电路相连的光接收器，该测距仪构造成将来自光束投射器的扫描光束引导到扫描目标上并在光接收器中接收从扫描目标反射的光，并且计算测距仪到扫描目标的距离，其特征在于：
该光束投射器具有激光器或LED作为其光发射源；
该扫描测距仪还包括
旋转单元，其被驱动以绕着旋转轴线旋转，
转子磁体，其固定到该旋转单元的下部，
定子，其布置在沿其圆周与该转子磁体相对的位置，用于向该旋转单元施加旋转驱动力，
固定轴件，其沿着所述旋转轴线布置，该光接收器布置在该固定轴件的上端部上，
旋转位置检测器，其用于检测该旋转单元的旋转位置，和
在该旋转单元的上部中，双功能镜用作扫描镜和接收镜，其中作为扫描镜用于将来自该光束投射器的光束反射到旋转单元的周向外侧，而作为接收镜用于将从扫描目标反射的光引导到光接收器上，该双功能镜与该旋转单元一起旋转；并且
使从该光束投射器输出的扫描光束入射到该双功能镜上，由该双功能镜反射的扫描光束投射到旋转单元的径向向外空间内，在该径向向外空间内由扫描目标反射的扫描光束通过双功能镜反射并作为所接收的光信号被引入该光接收器中，并且根据该所接收的光信号通过距离计算电路来计算到扫描目标的距离。
2.根据权利要求1所述的扫描测距仪，其特征在于，还包括：
扫描光学系统，用于将从所述光束投射器发射的光束引导到所述双功能镜上；和
接收光学系统，用于将由所述双功能镜反射的所接收光集中到所述光接收器上；
该扫描光学系统和接收光学系统中的至少一个容置在形成于双功能镜下方和固定轴件上方的空间中。
3.根据权利要求1所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转单元包括旋转单元包围壁部分和旋转单元顶板部分，并且该顶板部分的至少一部分由所述双功能镜形成；
还包括扫描光学系统和接收光学系统，其中该扫描光学系统用于将从所述光束投射器发射的光束引导到所述双功能镜上，而该接收光学系统用于将由所述双功能镜反射的所接收光沿旋转轴线集中到所述光接收器上；和
该扫描光学系统和接收光学系统都容置在由该旋转单元顶板部分、旋转单元包围壁部分以及所述固定轴件的上端部形成的空间中。
4.根据权利要求2所述的扫描测距仪，其特征在于：
通过所述固定轴件的内部将从光接收器获得的信息和由旋转位置检测器输出的信息传输给距离计算电路。
5.根据权利要求4所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述扫描光学系统将由光束投射器发射的光束入射到双功能镜上，并沿着旋转轴线引导该光束；和
所述接收光学系统将由双功能镜反射的光集中到光接收器上，并沿着旋转轴线引导该光束。
6.根据权利要求5所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转单元单向、连续地旋转。
7.根据权利要求5所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转单元前后摆动通过预定的角度范围。
8.根据权利要求5所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述距离计算电路构造成用于基于调幅的处理。
9.根据权利要求5所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转位置检测器为旋转角检测分解器。
10.根据权利要求5所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转位置检测器包括电动机驱动时钟和光学断续器开关，其中该电动机驱动时钟沿周向固定在所述旋转单元上，而该光学断续器开关固定在该电动机驱动时钟行进的路线中。
11.一种扫描测距仪，其具有用于投射电磁波的电磁辐射投射器、距离计算电路和与该距离计算电路相连的电磁波接收器，该测距仪构造成将来自电磁辐射投射器的扫描电磁波引导到扫描目标上并在电磁波接收器中接收从扫描目标反射的电磁波，并且计算测距仪到扫描目标的距离，其特征在于：
该扫描测距仪还包括
旋转单元，其被驱动以绕着旋转轴线旋转，
转子磁体，其固定到该旋转单元的下部，
定子，其布置在沿其圆周与该转子磁体相对的位置，用于向该旋转单元施加旋转驱动力，
固定轴件，其沿着所述旋转轴线布置，该电磁波接收器布置在该固定轴件的上端部，
旋转位置检测器，其用于检测该旋转单元的旋转位置，
电磁辐射波引导系统，其用于将来自电磁辐射投射器的电磁波引导到旋转单元的上部，和
双重扫描/接收反射器，其沿着旋转单元的旋转轴线、以预定角度倾斜地固定到旋转单元上；并且通过该电磁辐射波引导系统将从电磁辐射投射器输出的扫描电磁波引导到旋转单元的上部中，并入射到双重扫描/接收反射器上，由该双重扫描/接收反射器反射的扫描波投射进旋转单元的径向向外空间内，在该径向向外空间内由扫描目标反射的扫描波通过双重扫描/接收反射器反射并作为所接收的电磁辐射信号引入该电磁波接收器中，并且根据该所接收的电磁辐射信号通过距离计算电路来计算到扫描目标的距离。
12.一种扫描测距仪，其具有用于发射光束的光束投射器、距离计算电路和与该距离计算电路相连的光接收器，该测距仪构造成将来自光投射器的扫描光束引导到扫描目标上并在光接收器中接收从扫描目标反射的光，并且计算测距仪到扫描目标的距离，其特征在于：
该扫描测距仪还包括
固定型外盖，在其圆周壁部分中形成有透明窗，
圆筒形旋转单元，其布置在该外盖的内部并被绕着旋转轴线旋转驱动，
扫描/接收窗，其形成在圆筒形旋转单元的圆周壁部分中与该透明窗相同的高度处，用于将从扫描目标反射的光通过该透明窗在内部引导到该圆筒形旋转单元中，
转子磁体，其固定到该圆筒形旋转单元的下部，
定子，其布置在沿其圆周与该转子磁体相对的位置，用于向该圆筒形旋转单元施加旋转驱动力，
固定轴件，其沿着旋转轴线布置，该光接收器布置在该固定轴件的上端部，
旋转位置检测器，用于检测该圆筒形旋转单元的旋转位置，和
在该旋转单元的上部中，双功能镜用作扫描镜和接收镜，其中作为扫描镜用于将来自该光束投射器的光束反射到旋转单元的周向外侧，而作为接收镜用于将从扫描目标反射的光引导到光接收器上，该双功能镜与该旋转单元一起旋转；
该光束投射器具有激光器或LED作为其光发射源，并布置在圆筒形旋转单元内部；并且
使从该光束投射器输出的扫描光束入射到该双功能镜上，由该双功能镜反射的扫描光束投射到旋转单元的径向向外空间内，在该径向向外空间内由扫描目标反射的扫描光束通过双功能镜反射并作为所接收的光信号被引入该光接收器中，并且根据该所接收的光信号通过距离计算电路来计算到扫描目标的距离。
13.根据权利要求12所述的扫描测距仪，其特征在于：
通过所述固定轴件的内部将从光接收器获得的信息和由旋转位置检测器输出的信息传输给距离计算电路。
14.根据权利要求13所述的扫描测距仪，其特征在于，还包括：
扫描光学系统，用于将所述光束投射器发射的光束沿着所述旋转轴线引导到所述双功能镜上；和
接收光学系统，用于将由所述双功能镜反射的所接收光沿着所述旋转轴线集中到所述光接收器上；
该扫描光学系统和接收光学系统中的至少一个容置在形成于双功能镜下方和固定轴件上方的空间中。
15.根据权利要求12所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转位置检测器为旋转角检测分解器。
16.根据权利要求12所述的扫描测距仪，其特征在于：
还具有在所述外盖内部的零校准器，用于在反向检测模式中在该测距仪内部校准到标准长度。
17.根据权利要求12所述的扫描测距仪，其特征在于：
还具有在所述外盖内部的基于光吸收的噪声校准器。
18.一种扫描测距仪，其具有用于发射光束的光束投射器、距离计算电路和与该距离计算电路相连的光接收器，该测距仪构造成将来自光投射器的扫描光束引导到扫描目标上并在光接收器中接收从扫描目标反射的光，并且计算测距仪到扫描目标的距离，其特征在于：
该扫描测距仪还包括
旋转单元，其被驱动以绕着旋转轴线旋转，
转子磁体，其固定到该旋转单元的下部，
定子，其布置在沿其圆周与该转子磁体相对的位置，用于向该旋转单元施加旋转驱动力，
固定轴件，其沿着旋转轴线布置，该光接收器布置在该固定轴件的上端部，
旋转位置检测器，用于检测该旋转单元的旋转位置，
包括扫描镜的光学系统，该光学系统布置在该旋转单元中，用于通过该扫描镜反射来自光束投射器的光束并沿着旋转单元的旋转轴线引导该光束，
在该旋转单元的上部中，双功能镜用作扫描镜和接收镜，其中作为扫描镜用于将来自该光束投射器的光束反射到旋转单元的周向外侧，而作为接收镜用于将从扫描目标反射的光引导到光接收器上，该双功能镜与该旋转单元一起旋转，和
接收透镜，其布置在该双功能镜和光接收器之间；
该光束投射器布置在旋转单元内壁上，并具有激光器或LED作为其光发射源；并且
使从该光束投射器输出的扫描光束入射到该双功能镜上，由该双功能镜反射的扫描光束投射到旋转单元的径向向外空间内，在该径向向外空间内由扫描目标反射的扫描光束通过双功能镜反射并作为所接收的光信号被引入该光接收器中，并且根据该所接收的光信号通过距离计算电路来计算到扫描目标的距离。
19.根据权利要求18所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述光学系统扫描镜位于所述接收透镜的上方。
20.根据权利要求18所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述光学系统扫描镜位于所述接收透镜的下方。
21.根据权利要求18所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述接收透镜具有间隙孔，用于使由所述双功能镜反射的扫描光束经过。
22.根据权利要求18所述的扫描测距仪，其特征在于：
通过所述固定轴件的内部将从光接收器获得的信息和由旋转位置检测器输出的信息传输给距离计算电路。
23.根据权利要求18所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转位置检测器为旋转角检测分解器。
24.一种扫描测距仪，其具有用于发射光束的光束投射器、距离计算电路和与该距离计算电路相连的光接收器，该测距仪构造成将来自光投射器的扫描光束引导到扫描目标上并在光接收器中接收从扫描目标反射的光，并且计算测距仪到扫描目标的距离，其特征在于：
该扫描测距仪还包括
圆筒形旋转单元，其被驱动以绕着旋转轴线旋转，
转子磁体，其固定到该旋转单元的下部，
定子，其布置在沿其圆周与该转子磁体相对的位置，用于向该旋转单元施加旋转驱动力，
固定轴件，其沿着所述旋转轴线布置，该光接收器布置在该固定轴件的上端部，
旋转位置检测器，用于检测该旋转单元的旋转位置，和
在该旋转单元的上部中，双重扫描/接收镜以预定的角度固定到该旋转单元上，该双重扫描/接收镜具有扫描镜部分和接收镜一透镜部分，该双重扫描/接收镜与该旋转单元一起旋转；
该光束投射器布置在固定轴件上，并具有激光器或LED作为其光发射源；并且
使从该光束投射器输出的扫描光束入射到该扫描/接收镜上，由该扫描/接收镜反射的扫描光束投射到旋转单元的径向向外空间内，在该径向向外空间内由扫描目标反射的扫描光束通过该扫描/接收镜的接收镜一透镜部分反射并聚焦，并作为所接收的光信号被引入该光接收器中，并且根据该所接收的光信号通过距离计算电路来计算到扫描目标的距离。
25.根据权利要求24所述的扫描测距仪，其特征在于：
通过所述固定轴件的内部将从光接收器获得的信息和由旋转位置检测器输出的信息传输给距离计算电路。
26.根据权利要求24所述的扫描测距仪，其特征在于：
所述旋转位置检测器为旋转角检测分解器。
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