CN102656423A - 具有校准装置的光学距离测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于光学测量至目标对象（15）距离的一种测量装置（10）。该测量装置具有一个发送装置（12），以把周期调制的光学测量射线（13）发送到一个目标对象（15），并具有一个接收装置（14），以探测从目标对象（15）返回的光学测量射线（16）；并具有一个分析装置（36），以接收并分析该接收装置（14）的探测信号。另外该测量装置还具有一个校准装置（80），以校准该测量装置，其中该校准装置设计用于根据不相关射线的探测来校准该测量装置，其中该不相关射线与该发送装置所发送的调制测量射线不相关。该不相关射线在此可以以背景射线的形式而存在。或者该不相关射线可以由该发送装置来发射，并由该接收装置来探测。根据用于校准的射线的优选缺少的调制，子周期的时长可以关于其长度而被校准，其中在所述子周期期间在真正的距离测量时把探测信号进行累加。这样就可以降低在距离测量时由系统所决定的系统误差。

Description

具有校准装置的光学距离测量设备

技术领域

本发明涉及用于借助光学射线测量在测量装置与目标对象之间距离的一种测量装置。这种测量装置也被称作光学距离测量设备，并可以作为单独的、比如手持的设备或者以另一装置、比如工具来设置。本发明尤其涉及一种光学距离测量设备，其装备有校准装置，以能够通过对真正的距离测量进行校准来提高距离测量仪的测量精确度。

背景技术

已知有如下的光学距离测量设备，其把时间调制的光束在向目标对象的方向上对准，其中应该确定该目标对象到该测量设备的距离。从所朝向的目标对象反射或反向散射的返回的光至少部分地由该测量设备来探测，并用于确定要测量的距离。典型的测量范围在此处于从几厘米至几百米的距离范围处。

由US 2007/0182949 A1公开了一种距离测量设备，其具有用于采用连续调制的光来照射目标对象的光源、具有雪崩光电二极管阵列的固体图像传感器、和用于处理由雪崩光电二极管所输出信号的许多电路，以提供与从该目标对象反射到光电二极管上的光相关的数据。所述电路具有多路复用器，该多路复用器设计用于把雪崩光电二极管所输出的信号在不同分周期在不同的存储装置中累加。

用作光子计数器的雪崩光电二极管在此接收从目标对象返回反射的光以及附加地存在的背景射线，并在其输出上生成相应的电脉冲，其中时间脉冲密度与投射的光功率相关。借助多路复用器装置来进行雪崩光电二极管脉冲的读出。其可以与用作光源的激光器的调制相同步地被运行，使得雪崩光电二极管的脉冲根据相应探测事件、也即比如在雪崩光电二极管中所吸收光子的时间点来递增不同的数字计数器。光源调制照射该目标对象所用的一个时间周期在此被划分为许多子周期。与子周期数量相对应数量的数字计数器被提供，其中在每个子周期期间对应于在子周期期间所接收的探测脉冲来相应地递增相应被分配的数字计数器。这样就可以在测量时间上来累加探测事件。一个单个的周期比如可以具有纳秒范围内的时长，而整个测量时间就可以包含有许多这种周期并且比如持续几个毫秒或几秒。通过测量事件在数字计数器中的累加，可以记录与子周期内探测事件的时间发生有关的一类探测事件直方图。一旦在数字计数器的计数状态中以足够的统计精度进行由光源所发射的经调制的光的加标记的调制，那么就可以通过相位分析来推断在发送和探测之间光的传播时间，并从而推断在该距离测量设备与目标对象的距离。这种激光距离测量原理通常作为比如利用激光束强度连续或脉冲调制的术语“Time of Flight Ranging，飞行时间测距”而已知。

以这种方式工作的分析装置也被称作所谓的“装仓构架（Binning -Architektur）”，其中通过该分析装置与一个参照相同步地记录探测信号，也即关于所采用的调制测量光的周期性而把其时间出现进行相应的累加，该分析装置在距离测量设备中对光敏探测器的探测信号进行接收和分析。这种装仓构架比如可以利用一种延迟锁定延迟链（DLL）来实现。

要注意的是，比如以上述方式基于光子计数器、多路复用器装置和装仓构架而工作的距离测量设备不能提供总是满意的测量精确度。

发明内容

因此可能需要一种距离测量设备，其中改善了测量精确度并尤其改善了测量精确度的可靠性。

这种需求可以利用根据权利要求1所述的一种测量装置来满足。该测量装置的其他扩展在从属权利要求中被说明。

所推荐的测量装置的观点可以认为是基于以下的知识和想法：

比如在上述的距离测量设备中会把以下识别为测量误差以及测量不精确的原因：即测量结果可能受子周期时间长度的强烈影响，其中所调制的测量光的整个周期被划分为所述的子周期，并在子周期期间通过递增所分配的计数器来累加其探测信号。尤其当长度差随机建立并且是未知的时，那么子周期的不同长度可能作用为系统所决定的误差源，并在确定要测量的距离时引起系统误差。这种系统误差原则上与噪声导致的误差不同，因为其不能通过较长的测量时间而缩小，而是通常仅借助该距离测量设备的更精确的校准而缩小。

从而本发明推荐了一种距离测量设备，其附加地具有一个校准装置，借助该校准装置能够以有利的方式来校准该测量设备。

所推荐的用于光学距离测量的测量装置在此具有发送装置以向目标对象发送周期调制的光学测量射线，具有接收装置用于探测从目标对象返回的光学测量射线，以及具有分析装置以接收并分析该接收装置的探测信号。另外该测量装置还具有校准装置以校准该测量装置，该校准装置设计用于根据对与该发送装置所发送的调制测量射线不相关的不相关射线的探测来校准该测量装置、并尤其校准该测量装置的分析装置。

在此的基本想法是，能够在真正距离测量之前、之中或之后紧接着实施该测量装置的校准、尤其该测量装置的分析装置的校准。与真正的距离测量相反，在真正的距离测量时借助周期调制的测量射线通过在所发送的与所探测的测量射线之间的相位偏移以及由此可计算的测量射线飞行时间可以确定距离，所述校准应该利用不相关的、优选未调制的射线来进行。所述概念“不相关”在此应该表述为，用于校准的射线关于由该接收装置所探测的特征、诸如射线强度优选在时间上没有进行调制，或者至少没有随着与周期运行的分析装置相关的调制而进行调制。也就是说，不相关的射线比如在该发送装置在正常距离测量期间周期调制测量射线所用的周期时长内应该可以认为在时间上基本是恒定的。代替地，在不相关射线与该分析装置的“装仓”不同步、并必要时在许多周期上被积分的条件下，那么所述不相关的射线可以作为高频调制的射线而生成。

作为未调制射线，比如可以采用比如以正常环境光形式的背景射线。这种背景射线按照定义是不相关的，并在距离测量时通常总归始终投射到该接收装置上，并在那里生成一个基本恒定的背景信号。在距离测量时该背景信号通常被忽略，并甚至可能妨碍距离测量，而现在该背景信号可以根据其时间恒定的特征而在校准过程的范畴内被采用。

代替地，该测量装置的发送装置本身可以设计用于发送不相关的、优选未调制的测量射线。也就是说，该发送装置可以设计用于一方面在真正的距离测量期间周期调制地发送测量射线，并另一方面在校准过程期间有目的地关闭调制，以发送未调制的测量射线。通过探测这种未调制的测量射线，然后就可以进行所期望的校准。通过除了可能存在的背景射线之外，还由该接收装置探测该发送装置的未调制射线，由此可以提高由该接收装置所探测的测量信号，并从而加速校准过程。

该校准过程所采用的测量射线在此不一定需要如在真正的距离测量时的情况一样向外离开该测量装置。而是该测量射线可以在该测量装置内被直接传导到该探测器上。由此可以在该探测器上生成比如与背景射线无关的测量信号。

该测量装置可以设计用于，把未调制的射线以与该接收装置的探测敏感性相匹配的强度投射到该接收装置上。比如该接收装置可以具有一种可活动抑制的（paralysierbaren）的射线探测器，比如SPAD（Single Photon Avalanche Diode；单光子雪崩二极管），其在确定的投射射线强度情况下具有作为探测器信号的探测事件速率最大值。在此有利地把未调制的射线如此偏转到该接收装置上，使得其强度与该探测器信号的最大值相匹配。一旦该发送装置的测量射线作为不相关射线而被采用，那么其强度就可以有目的地通过该发送装置的相应控制而被调节。代替地也可以在投射到该接收装置的射线的光路中集成相应的光学部件，比如以光阑或过滤器形式的吸收部件，以能够在其强度上有目的地匹配要探测的射线。

该测量装置另外还可以设计用于，根据预给定的校准精确度以及由该接收装置所探测的未调制射线的强度来确定由该校准装置所进行的校准过程的时长。该校准精确度在此比如可以设备特定地被预先调节，或者通过所属的输入装置由使用者在实施校准之前来预给定。所期望的校准精确度越高，以及所探测的未调制射线的强度越小，该校准过程的时长应选择得越长。

本发明的可能的观点、优点和扩展已在前文中参照本发明的各个实施方式进行了阐述。说明、所属附图以及权利要求包含有许多组合特征。专业人员把这些特征、尤其不同实施例的特征也单独地考虑，并组合成有意义的其他组合。

附图说明

下面参照附图来阐述本发明的实施方式以及其中所包含的分观点。附图仅仅是示意，并且不是真正按比例的。

图1示出了根据本发明一个实施方式的用于光学距离测量的测量装置。

图2示出了如在本发明的测量装置中可采用的装仓构架的数字门信号示意图。

图3示例地示出了在照射调制的测量射线时用作接收装置的光子计数器计数速率的时间相关性。

具体实施方式

在图1中以示意的方式示出了利用最重要的部件来进行光学距离测量的一种根据本发明的测量装置10，以阐述其功能。

该测量装置10具有壳体11，在该壳体中设置有用于发送光学测量射束13的发送装置12以及用于探测从目标对象15返回的测量射束16的接收装置14。

该发送装置12包含有光源，其在所示的实施例中通过半导体激光二极管18来实现。该激光二极管18以人眼可见光束22的形式发送激光束20。该激光二极管18为此通过控制设备24而被运行，该控制设备通过一个相应的电子装置来生成该激光二极管18的电输入信号19的时间调制。通过二极管电流的这种调制，能够实现对该光学测量射线13同样以所期望的形式在其强度上进行时间调制，其中该测量射线被用于距离测量。

该控制设备24和该发送装置12可以设计用于比如在校准过程期间发送未调制的测量射线13。在此该控制设备24可以利用恒定的二极管电流来运行该激光二极管18。代替地，该控制设备24可以在该校准过程期间有目的地关闭该发送装置12，使得仅仅还有基本未调制的背景射线投射到该接收装置14上。

尤其在距离测量过程期间该激光射束20接着穿过以物镜28形式的视准光学装置26，其在图1中以简化的方式以一个单个透镜的形式示出。该物镜28在该实施例中可选地位于一个调节模拟装置（Verstellmimik）32上，其中该调节模拟装置原则上能够在全部三个空间方向上来改变该物镜的位置，比如出于调整目的。但该视准光学装置26代替地也可以已经是该激光二极管18的组成部分或者与其相固定连接。

穿过该物镜28之后，获得了该测量射线13的、以近似平行光束37形式的比如幅度调制的信号，其中该光束沿着该发送单元12的光轴38而传播。

在该发送装置12中此外还可以存在一个优选可开关的射线偏转器40，其如此来构造，以把该测量射线13完全或部分地绕过该目标对象15直接地、也即在设备内部偏转到该接收装置14上。这样就可以生成设备内部的参照段42，该参照段构造用于该测量装置的校准以及平衡。在设备内部光偏转的可能性尤其可以在利用未调制测量射线进行校准过程期间被采用。

如果利用该测量装置10来实施距离测量，那么该测量射线13就穿过在该测量装置10前壁45中的光学窗口44而离开该测量装置的壳体11。比如可以通过快门46来保证该光学窗口44的打开。为了进行真正的测量，该距离测量装置10然后被对准目标对象15，其中应该确定该目标对象至该测量装置10的距离48。在所期望的目标对象15上所反射或散射的信号16以返回射束49或50的形式形成了返回的光学测量射线16，其某一部分再次返回到该测量装置10中。

通过该测量装置10前壁45上的入射窗口47，返回的测量射线16耦合输入到该测量装置10中，并然后如图1所示投射到接收光学装置52上。

在图1中为了说明示例地绘入针对两个不同目标对象距离48的两个返回的测量射束49及50。对于大的对象距离，其中大可以解释为相对于接收光学装置52的焦距而言是大的，从该目标对象15返回的光学测量射线16近似平行于该接收装置14的光轴51而入射。这种情况在图1的实施例中通过该测量射束49来表示。随着对象距离的变小，在该测量装置中入射的返回测量射线16由于视差而相对于该接收装置14的光轴51倾斜得越来越大。作为这种返回测量射束的例子，在图1中在该距离测量设备的邻近区域中绘入了该射束50。

在图1中同样仅示意地通过一个单个透镜来表示的该接收光学装置52把返回的测量射线16的射束聚焦到在该接收装置14中所设置的接收探测器54的探测面66上。该探测器54为了探测光学测量射线而具有许多像素。每个像素都具有至少一个光敏感SPAD。通过在探测面66中所设置的SPAD，其中这些SPAD单个地或成组组合在像素中成矩阵状布置并与分析装置36相连接，入射的返回测量射线16被转换为电信号55，并被传输至该分析装置36中的其它分析。该电信号55在此出于SPAD的固有特性而可以视为数字信号，该数字信号描述了投射到探测面66的相应像素上光子的计数速率。

由单个SPAD或SPAD组合所生成的探测信号可以被传输给一个或多个在分析装置36中所包含的距离确定装置。距离确定装置可以累加探测信号，并由此生成一个信号，该信号对应于投射到相应SPAD上的光信号或光强的与时间有关的强度。通过把该信号关于激励信号来设置，其中该激励信号表明了由该发送装置12所发射的光子率的时间变化曲线，就可以推断从该发送装置12至该目标对象15并再次返回到该接收装置13的光子飞行时间。如果该发送装置12对所发送的光比如进行正弦状周期调制，那么就可以由在所发送的和所探测的测量射线之间的相位差来确定飞行时间。

具体地该距离确定装置可以把由该接收装置14所接收的数字探测信号在不同的子周期期间传导给不同的数字计数器。该距离确定装置在此有时也被称为“装仓构架”，所述子周期有时被称作“装仓宽度”。所述子周期之和在此应该等于所调制的测量射线的周期。也就是说，在一个子周期期间，检测周期调制的探测信号的一个周期重复的相位范围，并把相应的数字探测信号在计数器中累加。为此可以把探测信号与对激光二极管18的控制信号的周期性时间相关地在不同的子周期期间通过多路复用器传导到相应的数字计数器。然后可以由在许多周期上累积的数字计数器的计数器结果来推断在所发送的和所探测的测量射线之间的相位差，并从而确定所期望的距离。

该分析装置36另外还具有一个校准装置80。如下文具体所述，该校准装置设计用于对该测量装置10以及尤其它的分析装置36在校准过程中进行校准，其中在该校准过程中利用未调制的光来照射该探测装置。

图2以四路多路复用器为例示出了装仓构架的数字门信号的示意性图示。实际所实现的装仓宽度的大小和稳定性可体现为一个尤其大的系统误差源。装仓宽度与其设定值之间的偏差尤其在强烈的背景光线情况下可能大大影响测量结果。

该装仓宽度的校准可以通过利用未调制的恒定光的测量来进行。在此，在精确度要求高的背景下，在微小信噪比下，这种校准测量可能持续非常长的时间，比如长于真正的距离测量。

此外，可以通过未调制地运行该测量设备10的用作发送装置12的激光二极管18来进行用于校准测量的未调制光的生成。激光二极管18的强度可以如此来选择或甚至调节，使得用作接收装置14的以SPAD形式的可活动抑制的探测器以非常高的计数速率而被运行。

借助未调制激光射线的这种校准的一个优点可能是，在同样精确度下可以缩短校准所需的测量时间。

另一优点可能是，该校准完全可以利用已有的系统部件来实施。仅仅需要关闭该激光二极管调制，这可以非常容易地实现。从而不需要额外的部件，这可能意味着成本的节省。

下面根据一个实施方式借助一个例子，其具有连续调制的激光射线、尤其具有正弦状的调制，来阐述本发明的优点。利用在图3中所给出的符号通过如下公式来定义在接收侧的调制M：

在此m_L1表示在设备侧所发送的激光射线的调制深度的系数，?_L表示与所探测的激光有关的时间平均计数速率（以次/秒为单位），?_BL表示与背景射线有关的时间平均计数速率，以及DCR表示探测器的暗计数速率。

在典型的测量条件下，该调制比如可以采用以百分比范围内的值。

另外还由相位差Δф的以下关系式而得到了装仓宽度误差δτ_w的误差传递的评估：

其中T表示所调制的测量射线的周期。

该相位误差与在测量条件下所接收的信号的调制成反比，并与装仓宽度关于调制周期的相对精确度成比例。从而对于装仓宽度与设定值之间的偏差，系统明确具有高敏感性：在背景照明强烈的情况下，保持相同的相位精确度需要在装仓宽度校准时具有更高的精确度。

如果按照推荐利用未调制的恒定光来进行校准测量，那么在确定的测量时间之后就得到了与有效装仓宽度直接成比例的计数器状态。从而可以实施装仓宽度的校准。假定计数器事件是泊松分布的，那么对于校准所需的测量时间就得到：

在此Δф是相位测不准性，其也是校准所容许的，M是在测量条件下可达到的调制，?_DC是在校准测量时所采用的计数速率。

如果把未调制的激光射线用于校准测量，那么相对于无激光的测量就得到了如下的相对时间节省：

背景照明分量越小，则时间节省越大。

Claims (10)

1.用于光学距离测量的测量装置（10），尤其手持的测量装置，具有：

发送装置（12），以把周期调制的光学测量射线（13）发送到目标对象（15）；

接收装置（14），以探测从目标对象（15）返回的光学测量射线（16）；以及

分析装置（36），以接收并分析该接收装置（14）的探测信号；

校准装置（80），以校准该测量装置（10）；

其中该校准装置（80）设计用于根据不相关射线的探测来校准该分析装置（36），其中该不相关射线与该发送装置所发送的调制测量射线不相关。

2.根据权利要求1所述的测量装置，

其中该周期调制的测量射线的一个周期被划分为多个子周期；

其中该分析装置（36）设计用于，对在预定子周期上由该接收装置（12）所接收的探测信号进行累加；

其中该校准装置（80）设计用于根据未调制射线的探测来校准子周期的长度。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，

其中该校准装置（80）设计用于根据未调制射线的探测来校准该分析装置（36）。

4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，

其中该校准装置（80）设计用于根据背景射线的探测来校准该分析装置（36）。

5.根据权利要求1至4之一所述的测量装置，

其中该发送装置（12）另外还设计用于发送不相关的测量射线；

其中该校准装置（80）设计用于根据不相关测量射线的探测来校准该分析装置（36）。

6.根据权利要求5所述的测量装置，

其中该测量装置（10）设计用于在该测量装置内把测量射线、尤其不相关的测量射线传导到该接收装置（14）上。

7.根据权利要求1至6之一所述的测量装置，

其中该测量装置（10）设计用于把具有与接收装置（14）的探测敏感性相匹配的强度的不相关射线投射到该接收装置（14）上。

8.根据权利要求7所述的测量装置，

其中该接收装置（14）具有可活动抑制的射线探测器，以及

其中未调制的射线以如下强度被传导到该接收装置（14）上：该强度与探测器信号的最大值、尤其该可活动抑制的射线探测器的最大探测事件速率相匹配。

9.根据权利要求1至8之一所述的测量装置，

其中该接收装置（14）具有至少一个SPAD。

10.根据权利要求1至9之一所述的测量装置，

其中该测量装置（10）设计用于，根据预给定的校准精确度以及由该接收装置所探测的未调制射线的强度来确定要由该校准装置（80）进行的校准过程的时长。

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