CN102575932A - 用于光学距离测量的设备以及用于校准这种设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于用于光学距离测量的设备，尤其是可手持的电光距离测量仪，具有用于沿着发射路径（70）朝着目标对象（14）发射经过调制的光辐射（78）的发射单元（60），并且具有与该发射单元（60）的光轴（72）有间距的、用于接收被目标对象（14）反射的光辐射（80）的接收单元（62）。根据本发明建议，所述设备的发射路径（70）具有带有至少一个棱镜（22,26,30,32）的校准单元（18）。此外本发明描述了一种用于校准手持式电光距离测量仪的方法，其中为了将距离测量仪的发射路径（70）校准到接收单元（62）的检测器（64）的视场上而旋转所述设备的校准单元（18）的至少一个棱镜（22,26,30,32）。

Description

用于光学距离测量的设备以及用于校准这种设备的方法

技术领域

本发明基于一种根据权利要求1的前序部分的用于光学距离测量的设备。

背景技术

用于光学距离测量的设备，尤其是手持式电光距离测量仪（例如激光距离测量仪）从多年以前就已知了。

从而例如DE 101 24 433 A1示出了一种用于光学距离测量的设备，具有用于朝着目标对象的方向发射光辐射的发射单元，所述光辐射尤其是激光辐射，具有用于接收被目标对象反射的辐射的接收单元，以及具有用于确定所述设备至目标对象的距离的控制和分析单元，其中所述设备具有至少一个用于引导辐射的光学装置。DE 101 24 433 A1的设备在发射装置的光路中或者在接收装置的光路中使用物镜来作为用于引导辐射的光学装置，所述物镜可通过传感器和控制电子装置在所有三个空间方向上调节。

发明内容

本发明基于一种用于光学距离测量的设备，尤其是基于手持式电光距离测量仪，具有用于沿着发射路径朝着目标对象发射经过调制的光辐射的发射单元，并且具有与该发射单元的光轴有间距的、用于接收被目标对象反射的光辐射的接收单元。

建议所述设备的发射路径具有带有至少一个棱镜的校准单元。

可手持的电光距离测量仪（例如激光距离测量仪）目前按照标准被用于测量在内和外区域中多达几百米的距离。在此，这样的激光距离测量仪典型地由发射路径和接收路径构成。在发射路径中发射经过调制的激光射线，所述激光射线在目标对象处被反射。被反射的激光射线又进入该设备中并且必须通过接收光学装置聚焦在所述距离测量仪的检测器上。为此必须将所述检测器或接收路径的光学装置校准到被反射的激光射线。

在所建议的发明中，借助位于所述设备的发射路径中的校准单元将测量射线校准到接收光学装置或接收路径的检测器的视场中心，所述校准单元具有至少一个棱镜。通过这种方式可以实现用于对用于光学距离测量的设备进行校准的鲁棒的、时间开销少的、精确的和节约空间的校准方法。

此外建议，所述至少一个棱镜为了校准发射路径而可以围绕发射单元的光轴旋转。通过本发明的校准单元的该设计，可以实现节约空间的、使得可以通过移动棱镜、尤其是通过围绕接收路径的光轴旋转棱镜来实现具有高校准精度的简单校准的布置。通过这种方式使得可以至少减少校准误差或者至少部分地避免校准误差。

特别有利的是这可以通过以下方式实现：校准单元具有至少一个另外的第二棱镜，所述棱镜同样可以为了校准而移动并且尤其是可旋转地支承。

建议第一棱镜和第二棱镜在校准期间可相对于彼此移动地布置。在这种情况下可以实现发射路径对准本发明测量设备的接收检测器的视场的特别精确和尤其是成本有利的校准。这使得可以通过简单的方式实现在两个方向上对激光射线的机械校准。

但是原则上也可以考虑：为了校准可以将两个棱镜共同地关于旋转轴旋转相同的角度，使得两个棱镜的相对位置相互保持相同并且仅进行关于内轴（例如发射单元的光轴）的移动。

在本发明的有利设计中建议，第一棱镜和/或第二棱镜分别由楔形棱镜构成。在本文中，“楔形棱镜”尤其是应当理解为具有类似楔子形状的棱镜，尤其是具有两个成锐角地汇合的侧面。优选的，两个楔形棱镜中的至少一个构成为圆盘状并且尤其是具有圆形的横截面，其中所述棱镜盘的厚度和/或高度构成为楔形的。由此光射线可有利地圆形地偏转到成角度δ的方向上，其中角度δ如下确定：

在此，n是棱镜材料的折射率，α是楔形棱镜的楔角，也就是楔形棱镜的由两个楔形面或侧面相互形成的角。

优选的，第一棱镜和/或第二棱镜具有在0到15度范围内的楔角，特别有利地是至少在0到5度的范围内，特别优选的是至少在0到2度的范围内。

此外建议，第一棱镜具有基本上与第二棱镜的楔角相等的楔角，由此在构造上可简单地实现向至少两个方向的偏转，如果将这两个棱镜相对彼此旋转的话。在此，位于正常的、对于各自的材料来说典型的制造容差范围内的角度被看作是基本上相等的。由于测量射线可以在每个楔形棱镜处偏转，因此由两个楔形棱镜构成的校准单元的最大偏转角δ被确定为

在本文中，“基本上”相等尤其是应当理解为第一棱镜的楔角和第二棱镜的楔角相差最大10%，典型地相差最大5%。

按照有利的方式，可以借助塑料注塑方法来制造一个或多个棱镜。由此还可以简单地和成本有利地将用于校准和支承棱镜的粘合面和机械作用点直接集成到校准单元的棱镜中。从而例如可以将使得可以将用于校准的棱镜围绕发射路径的光轴旋转的装置直接地以及尤其是与棱镜一体地构成。这种装置例如可以是围绕在棱镜的外围面上的齿圈结构或齿轮结构。于是校准装置的有利实施例如由两个分别啮合楔形棱镜之一或啮合到楔形棱镜的齿轮结构中的齿条构成，由此使得两个齿条可以一直相对旋转，直到达到目标标准为止。

在本发明的校准单元的有利实施方式中，第一棱镜的光学折射率(n₁)基本上等于第二棱镜的光学折射率(n₂)。

但是在替换的实施方式中，棱镜也可以由不同的棱镜材料构成并且尤其是可以使用具有不同折射率的棱镜。

本发明的设备的一种有利实施方式规定，所述设备具有壳体，在该壳体中至少布置所述设备的发射单元和接收单元。所述设备的壳体具有用于发射光测量辐射的射出窗口，其中所述射出窗口通过校准单元的至少一个棱镜构成。

此外，建议一种用于校准距离测量仪、尤其是手持式电光距离测量仪的方法，其中为了将距离测量仪的发射路径校准到距离测量仪的接收单元的检测器的视场上而旋转所述设备的校准单元的至少一个棱镜。

可以通过移动棱镜、尤其是旋转来实现具有高校准精度的简单校准，使得至少减小校准误差或者至少部分地避免校准误差。特别有利的是，这可以通过以下方式达到，即校准单元具有至少一个第二棱镜，第二棱镜为了将发射路径校准到接收检测器的视场上而相对第一棱镜旋转。为此优选地，第一棱镜和/或第二棱镜具有使得可以将用于校准的一个或多个棱镜围绕发射路径的光轴旋转的装置。这些装置例如可以是有利地构成为圆盘的棱镜（尤其是楔形棱镜）的外周面上的齿圈结构（齿轮）。

一个优点是通过使两个楔形棱镜相对于彼此以及相对于光轴旋转而实现简单的校准。楔形棱镜的倾斜角在此起着相当不重要的作用。

所要求的校准范围、即测量信号相对于发射路径的光轴偏转的角范围在此可以通过棱镜的楔角来预先给定，使得对于楔形棱镜利用360度的整个旋转范围。由此可以实现非常精确和成本有利的校准。在此特别有利的是，可以根据最大所需的校准范围来设置楔角。由此获得通过楔角的射线偏转的“减速”，由此即使在相对大的旋转角的情况下也可以实现从发射轴到接收轴的异常精确的校准。

在所建议的校准方法的实施中，通过两个楔形棱镜调制所发射的激光射线，使得所反射的激光射线恰好被成像在接收光学装置的中心并由此成像在检测器的视场中。为了使经过操纵的激光射线与检测器的视场中心重合，两个楔形棱镜一直相对于彼此以及相对于发射路径的光轴旋转，直到除了系统的视差之外被偏转的激光射线和检测器中心重合为止。

有利地，第一棱镜和/或第二棱镜在校准之后被固定，由此第一棱镜和/或第二棱镜固定在经过校准的和/或经过匹配的位置上，以防止离开经过校准的位置的不期望的移动。有利地，校准单元的校准以及由此本发明的用于距离测量的设备的校准在生产距离测量仪期间进行，使得防止棱镜在测量运行、尤其是在使用者的测量运行时的移动并且将棱镜保持在一次性校准的位置上。

附图说明

其它优点由以下附图描述产生。在附图中示出本发明的实施例。附图、描述和权利要求组合起来包含很多的特征。专业人员合适地还单独观察这些特征并且将这些特征组合成其它有意义的组合。

图1以示意图示出激光距离测量设备，

图2以强烈简化的示意图示出激光距离测量设备的发射和接收路径，

图3以示意性的详细图示示出本发明的校准单元，

图4以替换的视图示出校准单元的棱镜，

图5示出本发明激光距离测量设备的替换实施方式。

具体实施方式

在图1中以激光距离测量设备12的形式示出用于光学距离测量的设备，所述激光距离测量设备具有发射单元和接收单元，它们一起形成被激光距离测量设备12的壳体40包围的测量模块10。激光距离测量设备12还具有为了输出用于运行激光距离测量设备12的测量结果而设置的显示单元42，以及具有多个输入键的输入单元44，该输入单元是为了通过操作者操作激光距离测量设备12而设置的。

激光距离测量设备12的发射单元60包括至少一个激光发生单元（参见图2），优选按照激光二极管66的形式，所述至少一个激光发生单元是为了生成激光射线78、尤其是经过调制的激光射线而设置的。

在本发明的设备的测量运行中，激光射线78对准所瞄准的测量对象14（“目标”），并且借助被测量对象14反射的并且由激光距离测量设备12接收的射线80确定激光距离测量设备12与测量对象14之间的距离。

为此本发明的设备（参见图2）具有接收单元62，该接收单元62具有至少一个用于将光信号转换为电信号的电光检测器64。

图2在同样示意性的图示中示出本发明的设备的光学结构以及在其对于本发明来说主要的构件中示出用于测量至测量对象14的距离的光学光路。此外本发明的激光距离测量仪还包含其它的、专业人员已知的组件，在此不对这些组件的功能更详细讲述，因为它们不影响本发明。

本发明的用于光学距离测量的设备具有壳体40，在该壳体40中布置了发射单元60以及接收单元62及其它。此外所述设备还具有分析单元以及至少一个输出单元，但是为清楚起见它们未在图2中示出。发射单元60具有至少一个在图2的实施例中按照激光二极管66的形式构成的光学信号源。在激光二极管66之后连接用于产生尽可能平行的、圆形的测量射束的射线成型光学装置68。激光二极管66和光学装置68定义发射单元60的发射路径70，并且典型地布置在共同的光轴72上。按照类似的方式，检测器64以及准直透镜76定义了本发明的设备的接收单元62的接收路径74。

此外，在本发明的设备的发射路径70中布置校准单元18，其用于必要时校正所发射的测量射线78的方向。所述校准典型地在生产本发明的设备期间进行，也就是例如在制造本发明的激光距离测量设备12时进行，使得在使用运行中有已经经过校准的测量设备可供使用。

校准单元18为了校准而具有至少一个第一棱镜22、第二棱镜26和至少一个支承装置20（参见图3）。借助支承装置20，用于校准的第一棱镜22和第二棱镜26可移动地被支承。第一棱镜22和第二棱镜26分别由楔形棱镜30和32形成，它们主要包括基本圆形的盘（也参见图4），其中该盘沿着盘直径的厚度54构成为楔形。第一楔形棱镜30和第二楔形棱镜32分别具有楔角34和36，楔角典型地位于0到15度的范围内。有利地，可以使用在0到5度范围内的楔角并且特别优选的是在0到2度范围内的楔角。有利地，这两个棱镜具有相同的楔角，但是这不是强制必须的，从而在本发明设备的特殊实施方式中也可以使用具有不同楔角的棱镜。

所示出的实施例的楔角34和36分别与楔形棱镜30和32的由盘状的、圆形面包围的角相应。在此，第一楔形棱镜30具有楔角34，该楔角34基本上等于第二楔形棱镜32的楔角36。

两个楔形棱镜30和32至少部分地沿着发射路径的光轴72依次布置，使得沿着光轴72进行两个楔形棱镜30和32的重叠82，其中该重叠82形成用于校准的调节区域（为此尤其是参见图4）。图3和图4在此以详细图示示出校准装置10。有利地，重叠区域82被选择得尽可能的大。为此棱镜30和32可以重合地一个接一个地布置，正像例如在图3的图示中所看见的那样。

由于本发明的设备的发射和接收路径的光轴相互有间距（在这种情况下称为双轴光学系统），因此不会总是并且自动地保证：足够量的在测量对象14处被反射的测量信号能落在测量设备的准直透镜76上并且相应地到达检测器64。因此，必要时需要将发射的激光射线78校准到检测器64的视场81中。在所建议的实施中，所发射的激光射线78借助两个楔形棱镜30和32被操纵为，使得被反射的激光射线尽可能精确地成像在接收光学装置76的中心。为了使经过操纵的激光射线78尽可能精确地与检测器64的视场中心重合，两个楔形棱镜30和32一直相对于彼此以及相对于发射单元60的光轴72旋转，直到除视差之外被偏转的激光射线78与检测器中心重合为止。

在使用具有楔角α的楔形棱镜时，光射线可以基本上圆形地偏转角度

。在此，n是楔形棱镜的折射率。典型地，在本发明的距离测量仪中使用具有折射率约为n=1.5的棱镜。在使用两个楔形棱镜时，可以在两个方向上校准光射线。最大偏转角在楔角和折射率相同的情况下在此是

。为此两个楔形棱镜至少部分地依次布置，使得两个棱镜对于光射线来说产生重叠（参见图3）。于是重叠区域82还形成用于校准的调节区域。

在将测量射线校准到检测器的视场中期间，可借助支承装置20或支承装置20和38可旋转地支撑两个楔形棱镜30和32。此外，第一楔形棱镜30和第二楔形棱镜32在校准期间可相对于彼此移动，尤其是可借助支承装置20和38可旋转地支承，使得用于校准的两个楔形棱镜30,32可以相互独立地旋转。作为支承装置20和38也可以使用用于旋转棱镜的调节装置21，例如齿条。为此按照有利的方式，楔形棱镜30和32具有使得棱镜可以围绕发射路径70的光轴旋转的装置。

楔形棱镜的一种有利实施规定，借助注塑方法、尤其是光学注塑方法来制造。由此例如还可以将用于校准的粘合面和机械作用点简单和成本有利地直接集成到校准单元的棱镜中。例如，齿圈结构或齿轮结构可以在外围侧完全或部分地设置在设计为基本上圆形的楔形棱镜上。齿轮结构在注塑方法中可以直接地并且与楔形棱镜一体地构成。于是，校准装置的有利的实施例如由两个齿条21构成，这两个齿条分别接合到一个楔形棱镜上，支承该楔形棱镜并且使得棱镜可以一直相对于彼此地旋转，直到达到偏转射线的目标标准为止。接着使调节装置21固定并由此使棱镜固定。

但是，其它支承装置、校准装置以及固定装置同样可行。从而这些棱镜或者仅一个棱镜也可以例如由玻璃制成，并且布置在光学装置载体中，然后该光学装置载体相应地可旋转地支承在距离测量仪的外壳中。有利的还可以有：棱镜的材料不具有相同的折射率。

所要求的校准或偏转区域可以通过棱镜的楔角来预先给定，使得尤其是可以利用棱镜的360度的整个旋转范围。通过这种方式可以进行非常精确和成本有利的校准，因为为了达到偏转角δ可以使用棱镜的360°的整个旋转范围。由此通过有利的方式尤其是通过楔角获得减速，由此在旋转角相对较大的情况下也能实现从发射轴到接收轴的异常精确的校准。在这种情况下，棱镜的楔角α典型地在到1°的范围内。

一旦校准进行了并且两个楔形棱镜30和32位于经过校准的位置上，该位置保证所发射的测量射线78在期望的距离下最佳地处于检测器的视场中，就使两个楔形棱镜30和32固定，使得在测量运行中防止两个楔形棱镜30和32从其定义的、经过校准的位置移动开。为此，校准单元18具有固定元件。该固定元件可以由粘合装置和/或由阻挡装置和/或其它专业人员看起来有意义的装置形成。固定装置优选是为了持久地固定两个楔形棱镜30和32而设置的。于是，在校准了发射路径并且接着固定了两个楔形棱镜30和32之后，例如可以进行激光距离测量设备的最终安装。

图5示出本发明的用于光学距离测量的设备的替换实施方式。就根据图5的实施方式的激光距离测量仪的构造来说，基本上适用针对图2所讲述的。但是在图5的激光距离测量仪的情况下，光学校准装置18布置在距离测量仪的外壳40中，使得校准单元10的至少一个棱镜构成光学测量辐射离开所述设备的壳体40的射出窗口。通过该有利的方式，可以放弃在所述设备的发射路径中设置另一元件来作为光学窗口。

本发明的设备或在此作为基础的校准方法使得可以通过简单的方式在两个方向上对激光距离测量仪的发射射线进行机械校准。这尤其是能以高精度以及没有大的时间开销地进行。通过旋转校准单元的两个楔形棱镜，可以同时在两个轴上以相同的精度对激光射线进行校准、保持和固定。在所建议的实施的情况下，所发射的激光射线通过两个楔形棱镜操纵，使得在测量对象处被反射的激光射线尽可能精确地成像在接收光学装置的中心。

原则上同样可以将校准单元集成在接收单元中并且将接收路径对准发射路径地取向。出于该原因，针对发射路径中的校准单元所述的按照类似的方式也适用于在接收路径中布置的、具有对应构造的校准单元。

Claims (15)

1. 一种用于光学距离测量的设备，尤其是可手持的电光距离测量仪，具有用于沿着发射路径朝着目标对象（15）发射经过调制的光辐射（13,20,22）的发射单元（12），并且具有与该发射单元（12）的光轴（38）有间距的、用于接收被目标对象（15）反射的光辐射（16,49,50）的接收单元（14），其特征在于，所述设备的发射路径具有带有至少一个棱镜的校准单元。

2. 根据权利要求1的设备，其特征在于，所述至少一个棱镜为了校准发射路径而能够围绕发射单元的光轴旋转。

3. 根据权利要求1或2的设备，其特征在于，所述校准单元具有至少一个第二棱镜。

4. 根据权利要求3的设备，其特征在于，第一棱镜和第二棱镜在校准期间能相对于彼此移动地、尤其是能旋转地布置。

5. 根据权利要求3或4的设备，其特征在于，第一棱镜和/或第二棱镜由楔形棱镜构成。

6. 根据权利要求3至5之一的设备，其特征在于，第一棱镜和/或第二棱镜具有在0°到15°范围内的楔角，有利地是在0°到5°范围内的楔角，并且特别优选的是在0°到2°范围内的楔角。

7. 根据权利要求3至6之一的设备，其特征在于，第一棱镜具有基本上与第二棱镜的楔角相等的楔角。

8. 根据前述权利要求之一的设备，其特征在于，至少一个棱镜在塑料注塑方法中被制造。

9. 根据权利要求3至8之一的设备，其特征在于，第一棱镜的光学折射率基本上等于第二棱镜的光学折射率。

10. 根据权利要求3至9之一的设备，其特征在于，至少一个棱镜具有使得能将用于校准的棱镜围绕发射路径的光轴旋转的装置。

11. 根据权利要求10的设备，其特征在于，所述装置与棱镜一体地构成。

12. 根据前述权利要求之一的设备，其特征在于，所述设备具有壳体，在该壳体中布置该发射单元（12）和该接收单元（14），其中所述壳体具有用于发射光辐射的射出窗口，所述射出窗口（13,20,22）通过校准单元的至少一个棱镜构成。

13. 一种用于校准根据权利要求1至12至少之一的可手持的电光距离测量仪的方法，其特征在于，为了将距离测量仪的发射路径校准到接收单元的检测器的视场上而旋转所述设备的校准单元的至少一个棱镜。

14. 根据权利要求13的方法，其特征在于，所述校准单元具有第二棱镜，其中第一棱镜和第二棱镜在校准期间相对于彼此移动，尤其是旋转。

15. 根据权利要求14的方法，其特征在于，所述校准单元的第一棱镜和/或第二棱镜在校准之后固定。

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