CN101263401B

CN101263401B - 光电的测量仪器

Info

Publication number: CN101263401B
Application number: CN2006800334858A
Authority: CN
Inventors: U·斯库尔特蒂-贝茨; B·哈塞; J·斯蒂尔勒; P·沃尔夫; G·弗林斯帕克; C·帕休德; K·伦茨; C·舒尔特
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: EP1927014B1; US7826040B2; EP1927014A1; CN101263401A; DE102005043418A1; JP2009508124A; WO2007031359A1; JP5237813B2; US20080266544A1

Abstract

本发明涉及一种光电的测量仪器，特别是用于非接触的距离测量的手持式仪器(10)，其带有具有至少一个用于发射测量信号的光学发射器(20)的具有第一光轴(72)的光学发射路径(28)，以及带有具有至少一个用于将测量信号朝接收器(26)的方向集束的接收光学件(32)的具有与第一光轴(72)间隔开的第二光轴(74)的接收路径(29)，以及带有用于视差补偿的光学的近区域元件(60)。在此建议，所述近区域元件(60)设计成关于第二光轴(74)旋转对称的。

Description

光电的测量仪器

技术领域

本发明涉及一种光电的测量仪器，特别是用于非接触的距离测量的手持式仪器，其带有具有至少一个用于发射测量信号的光学发射器的具有第一光轴的光学发射路径，以及带有具有至少一个用于将测量信号朝接收器的方向集束的接收光学件的具有与第一光轴间隔开的第二光轴的接收路径，以及带有用于视差补偿的光学的近区域元件。

背景技术

具有发射路径或者说接收路径的双轴系统的光电的测量仪器例如作为非接触的距离测量仪器应用并且作为这些仪器是很久时间以来商业上可买到的。该仪器通过发射路径发射出调制的测量信号，该测量信号在要求出到仪器的距离的目标物体的表面上反射或者说散射。反射或者说散射的测量射线的一部分重新到达测量仪器并且在那里由接收单元探测到。

由测量信号的运行时间或者说由与运行时间相关的在发射的测量信号和探测到的返回的测量信号之间的相位偏移可以推断出目标物体到测量仪器的距离。

发射路径与接收路径间隔开布置的双轴测量系统的优点是，它不需要昂贵的射线分离系统用于选择返回的测量信号，这样例如可以很大部分地抑制从发射路径直接进入接收路径的光学串扰。

另一方面双轴测量仪器要求用于补偿在发射路径和接收路径之间的视差的措施。对大的目标距离，目标物体在接收器的探测表面上的成像还清楚地处在接收器上，而随着测量距离的变短更加从接收路径的光轴游离并且此外得到射线横截面在接收器平面内的变化。

这造成，在仪器上没有附加的措施时，在近区域探测中，也就是说对在期望的目标物体和测量仪器之间的小的距离，测量信号可能接近零。

由现有技术已知不同的措施用于双轴测量系统的视差补偿，它一方面涉及接收器的结构，或者说另一方面涉及接收光学件的结构。

由DE 43 16 348 A1公开了一种利用由半导体激光器产生的可见的测量射线束进行距离测量的装置，它的接收装置包括具有连接在后面的光电转换器的光导体。到光导体的纤维中的光线进入表面布置在这个仪器的接收物镜的成像平面内用于大的物距并且由这个位置出发，可以横向于光轴移动。以这种方式可以，DE 43 16 348 A1的装置将在短的物距时更加倾斜地入射到接收物镜中的测量射线对空间上不可变化的探测器通过光学纤维的追踪引导到探测器的光线敏感的表面上。

作为替代方式，DE 43 16 348 A1为了解决双轴测量仪器的视差问题建议，光导体进入表面固定地布置并且通过光学换向元件在较短的物距时，将测量射线束的成像位置向接收物镜的光轴转向。

此外DE 43 16 348 A1建议应用棱镜或者衍射的光学元件，它们布置在接收物镜的附近。

由DE 198 60 464 A1公开了一种用于大的测量范围的、具有互相平行地布置的发射通道和接收通道的激光距离测量仪器，其中接收物镜是修改了的单透镜，它由带有平行于光学发射轴定向的初级光学接收轴的初级透镜区域以及带有相对于初级光学接收轴倾斜角度α的次级光学接收轴的次级透镜区域组成，这样产生了初级焦点和次级焦点。

由WO 92/05455公开了一种同轴的光学距离测量装置，它的接收光学件具有不同焦距的区域元件。借助这个特殊的接收光学件，来自不同的物距的光线通过成像光学件的相应所属的区域元件最优地聚焦在接收器上。

发明内容

根据本发明的光电的测量仪器具有带有至少一个用于发射测量信号的光学发射器的发射路径以及带有至少一个用于将测量信号朝接收器的方向集束的接收光学件的接收路径。发射路径和接收路径的光轴互相间隔开地布置，这样根据本发明的光电的测量仪器构成双轴系统。为了这种双轴光学系统的视差补偿，根据本发明的光电的测量仪器此外具有光学的近区域元件。

用于视差补偿的近区域元件以有利的方式关于接收路径的光轴旋转对称地构造。

光电的测量仪器例如设计成双轴系统的非接触的距离测量仪器典型地优化到确定的测量范围，也就是说距离范围上。从这个最优的距离范围中，例如在目标物体上反射或者散射的测量信号通过测量仪器的成像光学件最优地集束并且聚焦到测量仪器的接收器上。测量仪器的接收器离开接收光学件典型地处于接收光学件的焦距的距离内，这样看起来从无限远处来的测量信号可以有效地集束到接收器上。目标物体在集成在仪器中的测量接收器的接收器表面上的成像对大的目标距离还清楚地处在接收器上，而随着测量距离的变短，测量信号更加从接收路径的光轴游离，这样对测量仪器和目标物体之间的特殊的短的距离存在这种危险，即在近区域探测中，也就是说对在目标物体和测量仪器之间的小的距离，测量信号可能接近零。

现在根据本发明的近区域元件导致在小的测量距离的区域内也有足够的光线打在测量接收器上。根据本发明的近区域元件以有利的方式设计成关于接收路径的光轴旋转对称的。

这可以以有利的方式获得用于光电的测量仪器的视差补偿的近区域元件的简单并由此成本经济的实现。

相对由现有技术已知的近区域元件，根据本发明的装置的近区域元件具有此优点，即利用相对简单的透镜和标准接收器可以实现有效的视差补偿。

根据本发明的测量仪器的有利的实施方案和改进方案由在从属权利要求中举出的特征给出。

根据本发明的测量仪器的近区域元件以有利的方式设计成与接收光学件同心的。在这种情况下可以在特别有利的实施方式中将近区域元件与接收光学件也设计成一体的。

在这种情况下接收光学件和近区域元件在一种有利的实施方式中构成旋转对称的、特别是圆对称的多焦点透镜，它的设计成旋转对称的近区域部分对短的物距产生有效的视差补偿。

该多焦点透镜以有利的方式具有一个第一区域，它具有非球面的表面曲率。多焦点透镜的这个第一区域承担通常的接收光学件的任务，该第一区域通过它的非球面的表面曲率在大的物距的情况下可以实现测量信号在接收器上的非常好的集束和聚焦。

在根据本发明的测量仪器的第一实施方式中，该多焦点透镜具有一个第二区域，它具有连续变化的表面曲率并且用作近区域元件。由于多焦点透镜的第二区域的连续变化的表面曲率，该区域不具有确定的焦距，而是对应“可变焦点”透镜。该连续曲率的区域在接收器的平面内不产生清晰的物体图像，而是相反地产生垂直于接收路径的轴的相对大的横截面的扩散的区域。由此这个扩散的区域的测量信号可以以有利的方式使用，以在短的物距时也还保证在接收器的有效表面上有足够的测量信号强度。因此对在发射器和接收器之间具有视差的光学系统，这样的多焦点透镜很好地适合于使足够的信号在短的距离时也可以落到接收器上。

在根据本发明的测量仪器的一种作为替代方案的实施方式中，多焦点透镜的第二区域也可以具有恒定的例如球面的表面曲率。

对于根据本发明的测量仪器，多焦点透镜的第二区域以有利的方式环形地包围第一区域。

在作为替代方案的实施方式中，近区域元件可以具有衍射的结构，例如衍射光栅，特别是全息的衍射光栅，它对短的物距可以使返回的测量射线以相应的方式转向到测量仪器的接收器的探测表面上。在此近区域元件可以设计成纯衍射的元件、折射的元件或者也可以设计成带有附加的衍射结构的折射元件。

在一种有利的变型方案中，该透镜可以制成近似平-凸透镜，这样首先只有一个透镜表面具有强烈的曲率，而另一个设计成非常接近平的。衍射的结构有利地在此施加在近似平的透镜背面，其中在此考虑对数字全息常用的方法，如光学平版印刷的结构化技术(特别对玻璃透镜意义重大)以及压印技术(对由较软的材料如塑料制成的透镜)。

在根据本发明的近区域元件的一种有利的实施方式中，在此使用所谓的扩散全息结构或者所谓的射线分离器(射束分裂器)全息结构作为对近区域有效的结构。这导致，原来在焦平面内的一个焦点分成在不同位置的多个单个焦点，或者说导致，空间窄小的焦点在焦平面内转变成较宽的、通过全息结构预先给定的图像模式。

在一种有利的实施方案中，射线分离结构的衍射元件在此这样设计，即在透镜的焦平面内的多个焦点中的一个具有角度偏移，它正好补偿在双轴系统下对于给定的距离由于视差产生的角度移位。

在另外一种有利的实施方案中，近区域元件的衍射结构这样设计，即两个区域是不同的。在例如环形地包围中心透镜区域的第一区域内可以例如在平的透镜侧施加扩散全息图用于视差依赖性的优化。在例如布置在透镜的中心区域内的第二区域内可以与之相反加入衍射的结构，它用于在那里例如制成球面的透镜前侧的透镜误差的光学修正。由此通过合适的这样的结构可以对第二区域实现例如塑料的折射系数对透镜的工作波长的温度补偿，或者例如有利地抑制球面的光行差。

通过在近区域元件的两个区域内在透镜上实现两种不同类型的衍射结构，可以由此有利地同时达到两个目的：一方面可以获得中心的、对远区域有利的透镜区域的成像特性的改善。另一方面可以由此成功地达到透镜关于视差问题的特性的附加优化。

在此近区域元件以及接收光学件可以由塑料制成。接收光学件和近区域元件以有利的方式一体地由塑料例如以注塑技术成型。这对根据本发明的光电的测量仪器可以简单和成本经济地实现视差补偿的成像光学件。由此例如注塑模具组件能够通过纯旋转过程制造。塑料零件的喷塑也由于近区域元件和成像光学件的对称性、特别是旋转对称性可以精确地实现。近区域元件的衍射结构必要时可以直接在组合的光学件的喷塑过程中一起构成。

其它的优点由根据本发明的测量仪器的说明给出。

附图说明

在附图中示出了根据本发明的光电的测量仪器的实施例。说明书、附图以及权利要求书包含很多特征组合。本领域的技术人员也可以单个考虑这些特征并且总结出其它有意义的组合。

图中示出：

图1是作为根据本发明的测量仪器的实施例的非接触的距离测量器的透视总图，

图2是按照图1的距离测量器的光学结构的示意图，

图3是根据本发明的近区域元件连同所属的成像光学件的实施例的示意图，

图4是按照图3的光学元件沿着平面AA’的剖面图，

图5是在应用用于将测量信号集束到接收器上的标准透镜时在短的物距的情况下在接收器表面上的测量信号分布，

图6是在应用根据本发明的近区域元件的情况下在具有视差的光学系统的接收器平面内的相应的测量信号分布。

具体实施方式

图1示出了设计成距离测量仪器10的测量仪器。该测量仪器具有壳体12、用于打开或者关闭测量仪器以及用于起动或者说设置测量过程的操作元件14。此外在测量仪器10的壳体12中设有用于描述信息和特别是描述测量仪器的测量结果的显示器16。

在测量仪器10的壳体12内的支承元件18上布置有设计成激光二极管的用于产生调制的光学的发射信号的发射单元20、光线通道22、用于发射测量信号换向到参考通道上的换向单元24以及设计成光电二极管特别是设计成APD(雪崩光电二极管)的、用于接收接收测量信号的接收单元26。

图2再次在示意图中示出了距离测量仪器的光学部件。

为了测量距离测量仪器10到远离的物体11的距离，在距离测量仪器10的工作中由发射单元20沿着通过发射光学件30的路径28发射出发射测量信号。由远离的物体11的表面反射的或者说散射的发射测量信号通过接收光学件32作为接收单元26的接收测量信号接收。仪器的发射路径28的光轴72在这种情况下与接收路径29的光轴74间隔开，这样该测量仪器构成了双轴系统。

由在发射测量信号和接收测量信号之间进行的相位比较可以求出发射器和接收器之间的光线运行时间，这样通过已知的光速的值可以确定测量仪器10和远离的物体11之间的要求出的距离。

为了补偿与距离无关的并且例如在产生发射测量信号时和/或在处理接收测量信号时产生的运行时间，在距离测量之前要进行参考测量。在这种情况下发射测量信号由换向单元24换向并通过已知的参考通道沿着参考路径34直接对准接收单元26。

通过具有激光二极管40形式的光源的发射单元20，调制的测量信号沿着发射路径28发射出。该发射单元此外包括用于激光二极管40的触发以及特别是调制的控制器44。借助在图2中只作为简单的透镜示意示出的发射光学件30，产生了平行的射线束46并通过安装在装置的壳体12中的窗口48从测量仪器10输出。

调制的测量信号46’在要测量的物体11上反射，这样得到返回的射线束50，它通过窗口52部分地重新到达测量仪器中。

沿着接收路径29经过的测量信号通过接收光学件32集束到接收单元26例如光电二极管或者CCD装置的有效表面62上。接收单元26通过电连接元件54与计算和分析单元56连接，该计算和分析单元56例如由发射出的测量信号46和返回的测量信号50之间的相位关系求出物体11到测量仪器10的参考点的距离。

此外根据本发明的测量仪器附加地具有例如可以设计成显示器形式的输出装置58，并且该输出装置除了显示相应的测量结果外还可以为使用者求出其它的信息，例如关于仪器的状态的信息。

在要测量的物体11到距离测量仪器10的物距短的情况下，返回的射线束50’在与接收路径29的光轴74成角度α的情况下进入仪器，如它在图2中所标明的。

为了将这种来自近区域的测量信号50’也引到接收单元26的有效表面62上，由此也可以对测量仪器和要测量的物体之间的短的距离进行距离测量，根据本发明的测量仪器具有光学的近区域元件60，它设计成关于接收路径29的轴74旋转对称的，并且在图2的实施例中一体地并且与接收光学件32同心地布置。近区域元件60除了对为大的物距产生的返回的射线束50进行聚焦，还由于在与接收路径29的光轴74成角度的情况下进入仪器10的射线束50’对接收元件26的有效表面62造成散射的照射。

图3示出了根据本发明的用于双轴的距离测量器的视差补偿的近区域元件的实施例。在按照图3的实施例中，近区域元件60与接收光学件32设计成同心的。近区域元件60特别在该实施方式中与接收光学件一体地例如由塑料成型。

接收光学件32以有利的方式优化成非球面的透镜，这样对于从视觉无限远处来的射线束50在接收单元26的有效表面上产生尽可能小的斑点。这样的非球面的透镜可以按照下面的公式描述：

d = \frac{R^{2}}{R_{0} * (1 + \sqrt{1 - e * \frac{R^{2}}{R_{0}}})}

在此“d”称为所谓的“矢距”，也就是说在透镜的对称轴和透镜表面之间的线段的长度，如它在图4中、即通过图3的轴AA’的剖面图标示的那样。

R₀表示半径常数，e是透镜曲率的非球面校正，以及R指可变的半径。

对于根据本发明的测量仪器，优化到无限远的成像光学件32以及近区域元件组合成单个的元件76，这样在该实施例中产生了圆对称的多焦点透镜76。该多焦点透镜76特别是“可变焦点透镜”。

对所谓的“可变焦点透镜”，非球面的透镜的半径常数R₀从一个确定的过渡半径R₁起通过一个变量代替。对于根据本发明的多焦点透镜，由此得到：

R₀＝a_r*R²+b_r*R+c_r

其中

a_r：变量

b_r＝-2*a_r*R_L

c_{r} = R_{0} + a_{r} * R_{L}^{2}

所述多焦点透镜由此具有中心的第一区域78，它具有非球面的表面曲率并且特别包含非球面的透镜校正。此外这个多焦点透镜具有第二区域80，它具有连续变化的表面曲率并由此具有相应变化的焦距。

在图3和4的实施例中，多焦点透镜76的非球面地修正的第一区域78中心地布置并且用作近区域元件60的第二区域80环形地包围着非球面的第一区域。

这样的透镜76可以如在图4中所示在两个穿越侧具有相应的曲率，或者也可以只在一侧具有相应的曲率。这样根据本发明的透镜76也可以近似制成平-凸透镜，其中它特别对塑料透镜可能是有利的，近似平面的透镜侧以小的固定的曲率成型。这样的多焦点透镜76的效果特别是旋转对称的近区域元件60的效果接下来要借助图5和6的示意图说明。

图5以示意的方式示出了在使用标准透镜时对具有视差的光学系统在接收器平面82中的强度分布。对于短的物距只有非常少的光线达到有效探测面62上。因为测量信号随着物距的变短更加倾斜地入射到成像光学件上，所以导致在图5中示出的、集束的测量信号斑点从探测表面62沿箭头64的方向移动。此外由于短的物距产生了测量射线束在探测平面82中的不完全的聚焦。测量射线束在探测平面中的强度分布在图5中通过测量射线束66的不同密度的阴影线标明。只有在强度分布66与接收单元26的有效表面62的重叠区域86中，测量信号才被接收单元26探测到。

图6示出了在使用根据本发明的多焦点透镜78时在其余和在图5中相同的前提下的强度分布。

由于非球面修正的接收光学件，在接收元件26的接收平面中得到了较好地聚焦的测量信号束68。不过这个强烈集束的测量信号处于接收单元26的有效表面62的外部。同心地绕着非球面修正的接收光学件32构造的、并且具有连续变化的表面曲率的近区域元件60导致相对加宽的扩散的区域70，它也扫过了接收元件26的有效表面62，这样对于短的物距的区域也有足够的光线入射到接收元件26的有效表面62上。根据本发明的近区域元件60由此与接收光学件32一起产生了很好地聚焦的测量射线束68，它被扩散的区域70包围。

根据本发明的近区域元件60以有利的方式与接收光学件32一起一体地特别由塑料制成。这个多焦点透镜78可以例如通过注塑过程成型。在此喷塑由于元件的对称性、特别是由于它们的旋转对称性或者说圆对称性可以比至今为止的近区域元件更精密。这样的光学元件的注塑模具组件能够容易地通过纯旋转过程以高的精度制造。

在这里要说明，为了视差补偿，只需要一个扇形的近区域元件，如在图3中以附图标记84所示的。这个部分元件84关于双轴光学系统的两个光轴72或者说74的连接轴86对称地布置。不过近区域元件60的根据本发明的旋转对称的结构使得这个元件的加工可以得到简化，这样能容忍，不使用透镜表面的部分，特别是近区域元件的表面的部分。

如果需要，近区域元件的这些未使用的部分可以例如通过掩模隐去或者说遮盖，以抑制不希望的散射光线份额。

根据本发明的多焦点元件可以对于在接收器和发射器之间具有视差的光学系统例如对于光电的距离测量器，即使在测量仪器到要测量的物体的距离短的情况下也可以将足够的信号转向到接收单元的有效表面上。

根据本发明的测量仪器不限于在图中示出的实施例。它们只用于说明本发明的可行的实施方式。

根据本发明的测量仪器不限于折射的近区域元件的应用。该近区域元件也可以例如是衍射的元件，或者是折射和衍射的元件的组合。特别还可以，在折射的近区域元件上或内构造附加的衍射结构。

除了透镜76的折射结构，该透镜或者例如仅仅是根据本发明的近区域元件也可以具有衍射的结构88，如在图4中通过在近区域元件60或者说80的区域中的虚线88示意标明的。

在一种有利的实施方案中，近区域元件的这种衍射结构这样设计，即两个区域是不同的。在例如环形地包围中心透镜区域的第一区域内可以例如在平的透镜侧施加扩散全息图用于视差依赖性的优化。在例如布置在透镜的中心区域内的第二区域内可以与之相反加入衍射的结构，它用于在那里例如制成球面的透镜前侧的透镜误差的光学修正。通过合适的这样的结构可以这样对第二区域实现例如塑料的折射系数对透镜的工作波长的温度补偿，或者例如有利地抑制球面的光行差。

通过在近区域元件的两个区域中在透镜上实现两种不同类型的衍射结构，可以这样有利地同时达到两个目的：一方面可以获得中心的、对远区域有利的透镜区域的成像特性的改善。另一方面可以由此成功地达到透镜关于视差问题的特性的附加优化。

根据本发明的测量仪器特别不限于光电的距离测量仪器，例如激光距离测量器。由此根据本发明的近区域元件例如也可以在按照三角测量原理的光学系统中应用，或者也可以在潜入式探测器(Intrusionsdetektor)中应用。

Claims

1.光电的测量仪器，特别是用于非接触的距离测量的手持式仪器(10)，其带有具有至少一个用于发射测量信号的光学发射器(20)的具有第一光轴(72)的光学发射路径(28)，以及带有具有至少一个用于将测量信号朝接收器(26)的方向集束的接收光学件(32)的具有与第一光轴(72)间隔开的第二光轴(74)的接收路径(29)，以及带有用于视差补偿的光学的近区域元件(60)，其特征在于，所述近区域元件(60)设计成关于第二光轴(74)旋转对称的。

2.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述近区域元件(60)设计成与接收光学件(32)同心的。

3.根据权利要求1或2所述的测量仪器，其特征在于，所述近区域元件(60)设计成与接收光学件(32)一体的。

4.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述近区域元件(60)与接收光学件(32)构成圆对称的多焦点透镜(76)。

5.根据权利要求4所述的测量仪器，其特征在于，所述多焦点透镜(76)具有第一区域(78)，该第一区域具有非球面的表面曲率。

6.根据权利要求5所述的测量仪器，其特征在于，所述多焦点透镜(76)具有第二区域(80)，该第二区域具有连续变化的表面曲率。

7.根据权利要求5所述的测量仪器，其特征在于，所述多焦点透镜(76)具有第二区域(80)，该第二区域具有恒定的表面曲率。

8.根据权利要求6或者7所述的测量仪器，其特征在于，所述第二区域(80)环形地包围第一区域(78)。

9.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述近区域元件(60)具有衍射的结构(88)。

10.根据权利要求3所述的测量仪器，其特征在于，所述接收光学件(32)与近区域元件(60)由塑料制成。

11.根据权利要求3所述的测量仪器，其特征在于，所述接收光学件(32)与近区域元件(60)一起用注塑技术成型。

12.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述测量仪器是激光距离测量仪器(10)。

13.用于根据权利要求1至12中任意一项所述的双轴的光学测量仪器的多焦点透镜，特别是接收透镜(32)，其特征在于，所述透镜(76)具有附加的衍射结构(88)。

14.根据权利要求13所述的多焦点透镜，其特征在于，所述衍射结构(88)作为全息结构构造在透镜(76)内或上。

15.根据权利要求13或14所述的多焦点透镜，其特征在于，所述衍射结构(88)设计成扩散结构或者射线分离结构。

16.根据权利要求13或14所述的多焦点透镜，其特征在于，所述透镜(76)具有全息的结构用于透镜误差的修正。