CN103415784B - 用于多维地测量目标对象的测量装置和测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量装置（10），尤其是手持式测量装置，用于目标对象的多维测量，其中顺序地进行至该目标对象的单个对象点的距离测量，尤其是借助测量相位的系统进行所述测量，该测量装置至少具有：用于将光学测量射线（13）发送到目标对象（15）上的发送装置（12）；带有用于探测由目标对象（15）返回的光学测量射线（16）的探测面（110）的接收装置（14）；扫描系统，用于偏转所述光学测量射线，以及分析装置（36），用于确定距离测量值。根据本发明建议，所述接收装置的探测面（110）具有大量像素（111）,其中每个像素（111）具有至少一个SPAD（101），并且其中所述大量像素（111）中的每个与该分析装置（36）连接。此外，本发明还涉及带有这种测量装置的测量设备。

Description

用于多维地测量目标对象的测量装置和测量设备

技术领域

本发明涉及用于借助光学测量射线测量在测量装置和目标对象之间的距离的测量装置。本发明尤其是涉及用于多维地测量目标对象的测量装置。

背景技术

市面上常见的激光测距仪通常基于连续测量相位的并且同时混合到较小频率范围中的外差式方法。光源（激光）的强度以及探测器的灵敏度以高频方式带有相对彼此小的频率偏移被调制。由此，形成低频差拍，其相位与测量对象的距离成比例。

在所述方法中，重要的优点是对于在低频信号处理范围中的电子设备的低时间分辨率要求。另一方面，要求时间连续的测量，所述测量通常比在发送器和接收器之间的脉冲循环时间持续地更长。因此需要在发送路径和接收路径之间的良好的光学隔离。

例如由DE 10235562 A1公开了这种激光测距仪。

3D激光扫描仪组合了距离测量和机械扫描仪的功能，机械扫描仪提供了实现在定义的反射角下顺序测距的可能性。该用于距离确定的方法通常是测量脉冲循环时间的方法。短脉冲激光器产生光脉冲，所述光脉冲经由发送路径对准由扫描仪瞄准的测量点。由测量点反向散射的脉冲经由接收路径被成像到快速探测器上。针对所瞄准的测量点确定在脉冲生成和接收之间的光传播时间以及因此确定距离。

3D激光扫描仪的特征尤其是在于，在扫描仪组件内部接收路径的光轴与发送路径的光轴一致（没有视差）。机械偏转单元（扫描仪）仅仅被需要一次并且因此仅仅也必须被对准一次。在发送路径和接收路径之间仅仅存在小的光学隔离要求。因为涉及测量脉冲循环时间的方法，因此另一方面存在对信号处理电子装置的时间分辨力的高要求。

这种激光扫描仪例如在US 5988862或EP 01209441 B1中描述。

发明内容

针对上面描述的测距仪迄今不存在扫描元件。上面提到的两个路径的光学隔离的困难导致必需也在机械扫描单元内分离发送路径和接收路径。

针对发送路径和接收路径的单独的扫描仪单元又必须也针对所有扫描仪位置相互非常好地被对准，使得两个路径的光轴足够好地彼此平行。标定该要求的参数是探测器的大小。

探测器大小同时也确定接收路径的视场，针对良好的信噪比该视场又要尽可能保持得小。因此，在该意义上的理想探测器是大面积传感器阵列，在该大面积传感器阵列上分别仅仅对于信号分析重要的那个区域被激活。

本发明的核心是将大面积的时间分辨性光学传感器与针对发送路径和接收路径分离的光学系统组合，用于基本上按照现有技术构造的角度分辨性激光测距。

这通过用于多维测量对象的装置来实现，其中单个对象点的距离通过光传播时间测量来进行并且光射线顺序地沿着线或者二维地扫描对象的整个待测表面。特征在于：同时在针对发送路径和接收路径的分离的光学系统中使用大面积的时间分辨性光学传感器。

在此，光学传感器尤其是具有带有大量像素的探测面，其中每个像素具有至少一个SPAD（单光子雪崩光电二极管）并且其中大量像素中的每一个与分析装置连接；

这种构型的优点尤其是：

–对通过混合和测量相位的方法的电子信号处理的时间分辨力的要求比类似精度的脉冲传播时间测量的小。  

–在发送路径和接收路径之间（尤其是对于测量相位的方法所需的）光学分离非常好。  

–基于大面积探测器而对发送路径和接收路径的调整要求较小。

–能够改善信噪比并且由此能够改善作用范围，由此使用带有可选择像素的探测器阵列。  

–通过使用SPAD探测器阵列而节省了费用。

此外，本发明装置具有至少一个下面的优点：

–扩大了测距装置的接收光学系统关于探测器的调整容差；

–减少了对于接收光学系统的要求和复杂度；

–提高了尤其是在测量小距离时的动态范围；

–优化了尤其是在测量大距离时的信噪比；和/或

–减少了集成电路的为分析所需的芯片面积。

本发明的用于光学测距的测量装置具有用于将光学测量射线发送到目标对象上的发送装置、带有用于探测由目标对象返回的光学测量射线的探测面的接收装置、以及分析装置。接收装置的探测面在此具有大量像素，其中每个像素具有至少一个SPAD（单光子雪崩二极管）。所述大量像素中的每个直接或间接地经由其他中间连接的器件与该分析装置连接。在此，分离的发送装置和接收装置被设计为，使得在按照设计地使用该测距装置的情况下由目标对象返回的光学测量射线分别同时照明多个像素。在此，分析装置被设计为，基于多个像素、尤其是多个同时被照明的像素的探测信号的分析来求得在测量装置和目标对象之间的距离。

本发明的测量装置因此相应于带有附加的扫描仪系统的激光测距仪。该扫描仪系统例如由针对发送路径和接收路径各一个Galvano扫描仪组成。这些光学路径由于使用两个分离的反射镜而在串扰方面非常好地被相互隔离。

在此，使用大的探测器阵列作为探测器，在其中可以组合或者激活单个像素组。通过这种方式，可以明显减少对两个反射镜的平行性的容差要求。在此，每个像素由至少一个光敏感元件构成。

可以实现几个毫米的阵列大小。单个探测器像素例如实施为单光子雪崩二极管（APAD）。但是经调制的CCD或CMOS像素也是可以设想的。

在本发明的有利的实施中，将本发明的测量装置集成在壳体中。由此，实现了对应的测量设备。尤其是可以被实施为手持式测量设备的测量设备能够实现在不同方向的测距，尤其是无需移动、例如旋转该设备本身。该测量装置因此能够实现测量射束相对于测量设备的壳体的偏转。

SPAD可以具有如下特性：其不像传统的模拟地工作的光敏感元件一样提供与投射的射线线性相关的探测信号，而是以每个投射的光子产生单个信号。SPAD在光子投射之后在一定静止时间（Totzeit）（所述静止时间可以处于例如1ns至100ns的范围内）内不可重新被激活。也称为瘫痪的响应特性。SPAD可以对投射的光子计数的计数速率因此向上通过静止时间来限制。因此，可能有利的是，在一个像素内代替一个唯一的大面积SPAD设置多个较小的SPAD并且例如借助组合器将包含在单个像素中的SPAD的探测信号组合。这里，该组合器例如可以以或门或者以总线的形式被构造。通过这种方式，可以提高由该像素最大能够实现的光子计数速率，或者换句话说，缩短在单个探测事件之间的像素静止时间。此外，可以在SPAD和组合器或总线之间布置脉冲缩短器，以便在时间上缩短由SPAD生成的数字信号并且由此实现缩短的总静止时间和提高的系统光子计数速率。

包含在一个像素中的SPAD数量或者SPAD面积可以根据该像素在接收装置的探测面内的位置而被可变地选择。例如可以已知的是，由目标对象返回的测量射线可以根据该目标对象至另一位置的测量装置的距离和/或以另外的横截面投射到接收装置的探测面上。在一个像素内的SPAD的数量或面积相应地可以取决于位置地适配于要期望投射的光强度。通过在一个像素内SPAD的数量和/或面积的适配，可以优化测量装置的动态范围。通过将像素面积适配于激光斑点大小可以优化信噪比。

发送装置可以是例如LED形式、激光器或激光二极管形式的光源，所述光源将光在时间上调制地向目标对象发送。时间上的调制这里可以连续和/或周期地、例如正弦状地进行。也可以例如非周期性地例如以所谓的伪随机噪声脉冲序列的形式发送脉冲队列。

所述接收装置可以与传统使用在测距仪中的接收装置如下地进行区别：代替模拟方式工作的光敏感元件，其中这些光敏感的元件必要时可以被连接在一起以便提供模拟总信号，可以在探测面内设置大量像素，其中每个像素包含一个或多个SPAD。如还在下面更详细描述地，SPAD在此是光敏感的元件，所述光敏感的元件根据投射的光强度提供数字探测信号。每个像素在此可以直接或者例如在中间连接被设计来选择性转发多个像素的探测信号的多路复用器的情况下与分析装置连接。通过这种方式，例如可以实现单个像素或者像素组的探测信号可以与其他像素的探测信号无关地被分析装置分析。

发送装置和接收装置被设计并且相互协调为，使得由目标对象返回的光学测量射线在正常测量条件、也即例如在几个厘米至几百米的测量距离情况下同时照明多个像素。但是，多个像素同时被照明的事实这里不应当如在传统3D相机中那样被用于探测目标对象的成像或者在至目标对象表面上单个子区域的距离方面的空间分辨率，而应该如下面还要更详细描述的那样尤其能够实现在探测灵敏度和/或调整容差方面的优点。在此基于对多个像素、尤其是多个同时被照明的像素的探测信号的分析来求得在测量装置和目标对象之间的距离。

发送装置为此可以发送测量射束，其横截面足够大，使得由目标对象返回的测量射束分量始终照明多个像素。为了对由目标对象返回的测量射线聚束并且将其引导到探测面上，以便由此负责实现足够强的探测信号，可以在从发送装置到接收装置的光学路径中设置例如一个或多个透镜形式的简单光学系统。该简单光学系统可以节省成本并且减少耗费地被构造为非自动聚焦的光学系统（固定焦点 “Fix-Fokus”）。因为仅当目标对象处于对应于焦距和成像面的、至测量装置的对象距离中时，这种具有固定焦距的非自动聚焦的光学系统才可以优化地、也即以最小斑点直径将由目标对象返回的测量射束聚焦到接收装置的探测面上，因此被由目标对象返回的测量射线同时照明的像素的数量可以根据在目标对象和测量对象之间的距离而变化。例如对用于接收来自带有大对象距离的远离的目标对象的测量射线的光学接收系统的优化可以意味着：将焦距和成像距离选择为使得针对大的对象距离实现几何成像条件。因此，可以在大距离的情况下实现在成像面中的最小的斑点直径（“成像是清晰的”）。通过焦距和成像面的确定，在目标对象在附近的情况下被照明的像素的数量可以明显大于在目标对象远离的情况下被照明的像素的数量。在目标对象在附近的情况下，返回的测量射线可以不再被清晰地成像，使得探测面的被照明区域可以对应地变大。

因为单个像素的探测信号可以彼此无关地被分析，因此接收装置和分析装置可以被设计为，基于仅仅分析将由发送装置照明的目标对象面的光所反向辐射到其上的像素的探测信号来求得在测量装置和目标对象之间的距离。换句话说，分析装置例如可以在事先测量中首先求得，探测面的哪些像素实际上接收到发送装置的测量射线并且哪些像素仅探测到背景射线，并且可以接着仅仅将由测量射线所照明的像素的探测信号用于实际上的距离确定。由此，可以明显提高信噪比。

为了能够求得在测量装置和目标对象之间的距离，分析装置可以具有至少一个距离确定装置（部分地也作为“装箱方案”而已知）。距离确定装置可以被设计用于求得测量射线在发送装置的发送至在探测面上的由目标对象返回的测量射线的探测之间的飞行持续时间并且由此确定距离。距离确定装置为此可以将由发送装置提供的关于发送的测量射线的时间调制的信息与由接收装置提供的探测信号比较。在发送的测量射线被周期调制的情况下，例如可以由在发送信号和探测信号之间的相位差来求得对应的距离。

原则上一个唯一的距离确定装置对于求得在测量装置和目标对象之间的距离是足够的。为了将距离确定装置的数量保持得小，可能有利的是：将单个像素或像素组的探测信号例如借助多路复用器相继导向距离确定装置。基于探测信号的这种顺序的处理，可出现总测量持续时间的延长。代替地，可以给每个像素分配一个自己的距离确定装置。在该情况下，可以尽可能时间上彼此并行地由大量像素的探测信号的每个中确定一个距离，并且可以最终例如通过取平均从大量确定的距离中求得在该装置和目标对象之间的最后要确定的距离。然而，为此必要的是，在测量装置中设置非常大量的距离确定装置，这可能复杂地形成测量装置的结构和制造。

可以说作为在这两个极端代替方案之间的中间路径，可以将多个像素与一个距离确定装置连接并且将距离确定装置设计用于基于多个像素的探测信号来确定距离。分析装置可以具有多个距离确定装置并且被设计用于例如通过取平均值基于由距离确定装置确定的距离来确定测量装置和目标对象之间的距离。

SPAD可以具有如下特性：其不是如传统模拟工作的光敏感的元件那样提供与投射射线线性相关的探测信号，而是利用每个投射的光子来产生单个信号。SPAD在光子投射之后在一定的可处于例如1ns至100ns的静止时间中不能重新被激活。也称为瘫痪的响应特性。SPAD可以对投射的光子计数的计数速率因此向上通过静止时间来限制。因此，可能有利的是，在一个像素内代替一个唯一的大面积SPAD设置多个较小的SPAD并且例如借助组合器将包含在单个像素中的SPAD的探测信号组合。这里，该组合器例如可以以或门或者以总线的形式被构造。通过这种方式，可以提高由该像素最大能够实现的光子计数速率，或者换句话说，缩短在单个探测事件之间的像素静止时间。此外，可以在SPAD和组合器或总线之间布置脉冲缩短器，以便在时间上缩短由SPAD生成的数字信号并且由此实现缩短的总静止时间和提高的系统光子计数速率。

包含在一个像素中的SPAD数量或者SPAD面积可以根据该像素在接收装置的探测面内的位置而被可变地选择。例如可以已知的是，由目标对象返回的测量射线可以根据该目标对象至另一位置的测量装置的距离和/或以另外的横截面投射到接收装置的探测面上。在一个像素内的SPAD的数量或面积相应地可以取决于位置地适配于要期望投射的光强度。通过在一个像素内SPAD的数量和/或面积的适配，可以优化测量装置的动态范围。通过将像素面积适配于激光斑点大小可以优化信噪比。

当例如在发送装置和接收装置之间的光路中布置了被设计用于对远距离目标对象成像或者优化聚焦的非自动聚焦的光学系统时，针对远距离的目标对象可以以小的斑点或光斑直径来聚焦返回的测量射线。在探测面的这种区域内，可能有利的是，每个像素仅仅包含一个唯一的SPAD或仅仅少量的SPAD。当利用这种固定焦点测量装置瞄准近距离的目标对象时，返回的测量射线在探测面上不能被聚焦为小的斑点，而是可能散焦地投射到探测面的较大的子面上。总之，在这种情况中于是比在远距离的目标对象情况下照明更多的像素。因此，有利的是，在探测面的被照明的子区域的边缘区域中分别将多个SPAD组合成单个像素（或者SPAD “子阵列”或SPAD“簇”）。

发送装置和接收装置例如可以沿着视差轴并排布置。这种所谓的双轴测量系统可以具有优点：不需要用于选择返回的测量射束的费事的射线分离。由发送装置发射的并且由目标对象返回的测量射束在该情况下可以根据目标对象的距离在沿着视差轴的其它位置上投射到探测面上并且具有不同的横截面。在该情况下，可能有利的是，在一个像素中包含的SPAD的数量根据像素沿着视差轴的位置而变化。可能特别有利的是，在一个像素中包含的SPAD的数量在靠近发送装置的像素中选择得比在远离发送装置的像素中小。

代替地，发送装置和接收装置可以彼此同轴地被布置。在这种单轴测量装置中，例如可以借助半透明的反射镜来实现：探测面的由返回的射线照明的区域的中心与目标对象的距离无关地最大程度上保持位置恒定。但是，在探测面上被照明的区域的横截面此外可以与目标对象的距离相关。在目标对象距离远和存在带有远焦距的光学系统的情况下，可出现小的被照明的斑点，在近距离的目标对象的情况下，出现较大的被照明的斑点。可能有利的是，在一个像素中包含的SPAD的数量在靠近探测面中心的像素中选择得比在远离探测面中心的像素中小。

先前参照本发明的各个实施方式描述了本发明的可能的方面、优点和扩展方案。说明书、附图以及权利要求包括组合形式的大量特征。技术人员也将会单个地考虑这些特征、尤其是各种实施例的特征以及将其组合成有意义的其它组合。

附图说明

下面参照附图描述本发明的实施方式和其中包含的子方面。这些图仅仅是示意性的并且不是合乎比例尺的。在这些图中相同或类似的参考标号表示相同或类似的元件。

图1以示意图示出了按照本发明实施方式的用于光学测距的测量装置。

图2示出了用于按照本发明实施方式的测量装置的、两个与组合器连接的SPAD的示意性电路图。

图3示出了用于按照本发明实施方式的测量装置的接收装置的探测面的俯视图。

图4示出了用于按照本发明实施方式的测量装置的接收装置的可代替探测面的俯视图。

图5示出了与距离确定装置连接的单个SPAD。

图6示出了经由多路复用器与距离确定装置连接的两个SPAD。

图7示出了两个各带有9个SPAD的像素，这些像素经由组合器和多路复用器与距离确定装置连接。

图8示出了带有像素的接收装置的探测面，其中在像素中包含的SPAD的数量取决于位置地变化并且这些像素经由组合器和多路复用器与多个距离确定装置连接。

图9以示意图示出了本发明测量设备的两个不同视图。

具体实施方式

图1的描绘以用于说明测量原理的强示意图示出了在带有附加扫描仪系统的激光测距仪的实施方式中的本发明测量系统。光电测距仪、尤其是这种作为测量相位的系统而设计的测距仪的作用方式设定为已知的。该扫描仪系统由用于发送路径和接收路径的各一个Galvano扫描仪构成。这些光学路径由于使用两个分离的反射镜而在串扰方面被非常好地相互隔离。

图1a在此以强示意性俯视图示出了本发明测量系统。测量信号通过由激光二极管12实现的经调制的光源10和准直仪14引导到在至少两个轴线上可运动的反射镜16上。借助受控的反射镜扫描测量对象或目标对象18，也即测量对象18的整个待测表面顺序地沿着一条线或者二维地被扫描，其中所述测量对象通常是二维或三维物体。

由测量对象返回的测量信号经由接收系统的反射镜20和接收透镜22到达探测器24的探测表面110，该探测器以还要描述的方式将光学信号转化为电信号，然后从所述电信号中确定至目标对象的测量对象点的相应距离。

两个反射镜16或20同步地绕X轴线旋转，使得激光射线可以在目标对象的对象表面上经历（abfahren）一条线。

附加地，反射镜16或20可选地也可同步地绕Y轴转动，使得能够平面扫描。由于视差而形成的与角度相关的距离变化可以通过系统校准被校正。

图1的绘图1b在用于说明发送路径和接收路径的布置的第二透视图中示出了示意性结构。

本发明的测量装置以有利的方式集成在壳体200中并且构成测量设备。这示意性地在图9中以相应视图来说明。尤其是被构造为手持式测量设备的这种测量设备可以具有显示器形式的输出单元。此外，本发明的测量设备还具有在设备内部的可更换电池或可再充电蓄电池形式的能量供给装置。固定地集成在壳体中的对应能量源也是可能的，该能量源可以经由在壳体上的接口放电。

图1的绘图进一步说明了在发送反射镜和接收反射镜之间的容易的误差校准。（对此尤其是参见图1a）。这在探测器平面110上的图中导致成像的激光斑点与接收路径的光轴的偏差。探测器22的大小确定光学接收路径的视场。如果反射镜-去校准区（Dejustage）大于该视场，则激光斑点不再成像在探测器上并且测量不再可能。例如：利用30mm的焦距和30μm的探测器大小，作为对两个反射镜的平行性要求得到1mrad的角度精度。

因此使用大探测器阵列来作为探测器20，在该探测器20中可以组合或者激活单个像素组。（为此尤其是参见后面的图7或8）。通过这种方式可以明显减少对两个反射镜的平行性的容差要求。

可以实现多个毫米的阵列大小。单个探测器像素101例如被实施为单光子雪崩二极管（SPAD）。然而也可以设想经调制的CCD或CMOS像素。

SPAD可以具有如下特性：其不像传统的模拟地工作的光敏感元件一样提供与投射的射线线性相关的探测信号，而是利用每个投射的光子产生单个信号。SPAD在光子投射之后在一定静止时间（所述静止时间可以处于例如1ns至100ns的范围内）中不可重新被激活。也称为瘫痪的响应特性。SPAD可以对投射的光子计数的计数速率因此向上通过静止时间来限制。因此，可能有利的是，在一个像素内代替一个唯一的大面积SPAD设置多个较小的SPAD并且例如借助组合器将包含在单个像素中的SPAD的探测信号组合。这里，该组合器例如可以以或门或者以总线的形式被构造。通过这种方式，可以提高由该像素最大能够实现的光子计数速率，或者换句话说，缩短在单个探测事件之间的像素静止时间。此外，可以在SPAD和组合器或总线之间布置脉冲缩短器，以便在时间上缩短由SPAD生成的数字信号并且由此实现缩短的总静止时间和提高的系统光子计数速率。

包含在一个像素中的SPAD数量或者SPAD面积可以根据该像素在接收装置的探测面内的位置而被可变地选择。例如可以已知的是，由目标对象返回的测量射线可以根据该目标对象至另一位置上的测量装置的距离和/或以另外的横截面投射到接收装置的探测面上。在一个像素内的SPAD的数量或面积相应地可以取决于位置地适配于要期望投射的光强度。通过在一个像素内SPAD的数量和/或SPAD的面积的适配，可以优化测量装置的动态范围。通过将像素面积适配于激光斑点大小可以优化信噪比。

代替Galvano扫描仪也可以使用衍射工作的射线偏转单元。

此外，存在在接收路径中取消扫描系统的可能性，因为相对于现有技术大的传感器元件在使用合适的无源光学组件（透镜）的情况下产生足够大的光学视场。

该传感器附加地允许为了测量仅仅使用传感器的确定的子区域。由此，在非扫描性接收系统的情况下预期的干扰光信号明显被减少，其方式是仅仅读出相关的传感器区域。相关传感器区域的选择可以通过如下方式来进行，即已知射线输出方向最大程度地确定反向散射的射线的方向分量。

接着还应当更详细介绍大面积探测器的特点和其针对扫描性系统的优点。

由单个SPAD或多个SPAD的组合生成的探测信号可以被输送给包含在分析装置36中的一个或多个距离确定装置。距离确定装置可以将探测信号相加并且由此产生如下信号，该信号对应于投射到相应SPAD上的光信号的取决于时间的强度或者光强度。通过将该信号与说明由发送装置发射的光子速率的时间变化曲线的激励信号相关联，可以推断出从发送装置到目标对象并且又返回接收装置的光子飞行时间。如果发送装置例如以正弦的方式周期地调制发送的光，则可以从发送的和探测的测量射线之间的相位差来求得飞行时间。

在光电子装置中，概念“单光子雪崩二极管（SPAD）”（其有时也被称为盖格模型雪崩光电二极管或者G-APD）用于固体光电探测器类型，所述固体光电探测器基于在反向方向上加偏压的pn结，在该pn结中单个的由一个光子生成的载流子基于碰撞电离机制可能可以触发雪崩式电流。在SPAD和传统雪崩光电二极管（APD）之间的本质差别可在于，SPAD可以特定地被设计用于在偏压情况下在反向方向上工作，所述偏压处于二极管击穿电压（breakdown voltage）之上。这种工作模式也被称为盖格模式，与盖格计数器类似。在这种高偏压的情况下，pn结中的电场可能强到使得注入耗尽区中的单个载流子可以触发自获得的雪崩式电流。该电流可以在小于1ns的时间段内上升到例如mA范围中的宏观水平。该电流可以保持直至雪崩由于偏压下降到低于击穿电压的水平而被衰减（“quenched”）并且通过这种方式中断雪崩电流。这里，简单的衰减电路可以由简单的电阻构成，该电阻与SPAD串联连接。雪崩电流在此单纯地由于在高欧姆的串联电阻上形成的压降而被衰减。 在雪崩电流被衰减了之后，SPAD的偏压恢复并且SPAD又能够重新被触发。但是，在雪崩电流流过期间以及在衰减和接着的偏压恢复期间，SPAD不能在静止时间τ期间探测其它光子。

由此利用单个SPAD的大小得到可探测的最大强度（每单位面积的功率）或者可探测的最大光子流或光子速率的上限。每个探测器吸收的光子速率可以被降低，其方式是，将光功率分布到多个SPAD上。由此，可以在高光功率的情况下改善探测效率，如其尤其是在短的测量距离情况下可能出现的。在此，所述光功率可以理解为由目标对象返回的测量射线的由接收透镜检测的总光功率。

图2示出了两个SPAD101，101’，其探测信号分别被转发给或门103。该或门103作为组合器104，其方式是其既接收来自第一SPAD101的探测信号也接收来自第二SPAD101’的探测信号并且在输出端105上输出这些输入信号的组合信号。

在使用将在总线上的多个单个SPAD的探测信号组合的组合器情况下的状况可能是更复杂的。与全部SPAD的完全并行分析相比，被分配给该总线的静止时间可能导致附加的效率损失。

通过借助脉冲缩短器在时间上缩短由单个SPAD生成的数字信号，总系统的有效静止时间可以被缩短，其中总系统由多个与总线连接的SPAD组成。这里，该总系统的有效静止时间由单个SPAD的静止时间和由缩短器缩短的信号的持续时间的组合得到。

图3示意性示出了本发明激光距离测量装置的探测面110。这里，圆形的激光斑点109或者激光斑点（其直径根据在测量装置和目标对象之间的距离L而变化）绘制在探测面110上。这里，假定是具有焦距f＝30mm，直径d＝4mm和针对大距离的最优调整情况的5mm的视差的理想透镜。激光射线这里被假定具有1mrad的发散。在探测面110的该构型情况下有利的是，像素111的大小或者在相应像素111内的SPAD101的数量沿着视差轴线113增加。这里，视差轴线被假定为在探测面平面和由接收光学系统的光轴和距离测量装置的激光射束轴所撑开的平面之间的相交直线。可以看出，当激光射束由远距离的目标对象返回辐射时，在其中出现激光斑点109的第一区域114中设置有分别包含了仅仅一个唯一的SPAD的小像素。当目标对象大约距离0.5m至1m远时，在其中出现激光斑点109’的区域115中设置有分别具有四个SPAD的较大像素。针对非常近的目标对象的情况在其中出现激光斑点109’’的另一区域116中设置有带有8或者16个SPAD的非常大的像素。接收光学系统这里被优化为使得，在最大目标对象距离的情况下实现尽可能好的成像质量，也即在探测面上的尽可能小的激光斑点直径。

在大距离的情况下，激光斑点109由于清晰的成像而按比例地小。同时，由返回的测量射线和背景射线组合的投射光强度由于来自远距离的目标对象的测量射线的部分小而按比例地小。在近距离的目标对象的情况下，总体上更多的测量射线由目标对象反射或散射回到探测面110。同时，测量射线通过固定焦点接收光学系统不再被清晰地成像在探测面110上。

总之，由对于带有容易发散的激光束和针对接收的激光射线的部分的固定焦点接收光学系统的激光测距仪的几何考虑，在探测器平面中得到大距离情况下关于距离二次下降的光强度以及小距离情况下关于距离恒定的光强度。相反，背景射线的强度分量在第一近似中与距离无关。利用在探测器面110中包含的像素101的大小的如图3中所示的取决于位置的构型一方面能够实现：在目标对象大距离情况下以及在目标对象小距离的情况下，激光斑点109可以分别投射到多个像素111上并且由该多个像素来分析。有效探测面的大小在此可以优化地适配于激光斑点的大小并且由此优化信噪比。另一方面，也可以利用这种取决于位置的构型来优化地充分利用SPAD的动态范围，因为投射的光（激光分量和背景分量）的光强度在大距离的情况下小于在小距离的情况。因此在仅仅在小距离情况下被加载了接收测量射线的探测面中，可以减少单个SPAD的面积。在其中接收测量射线的强度近似保持不变的探测器区域中，在单个像素111中包含的SPAD101的数量在SPAD面积保持不变的情况下被增大。

图4示出了用于同轴激光测距仪的探测面110’的实施方式。由远距离的目标对象返回的激光束被良好地聚焦并且在探测面110’的中心122的附近产生相对小的激光斑点109，也即在接收光学系统的光轴穿过探测面平面的穿透点附近。由附近的目标对象返回的激光束产生带有较大直径的激光斑点109’’。像素111在中心122附近具有比在远离探测面110’ 的中心122（也即探测面的边缘处）情况下更小的面积和更小数量的包含其中的SPAD101。

在图5至7中，作为框图示出了为了使用来实现按照本发明实施方式的接收装置的各个元件。

图5示出了带有单个SPAD101的像素111。该像素与距离确定装置130连接。

图6示出了两个分别带有一个SPAD101、101’的像素111、111’。 像素111、111’与多路复用器140连接，该多路复用器140将由像素111、111’提供的探测信号选择性地转发给距离确定装置130。

在图7中示出了两个分别带有9个SPAD101、101’的像素111、111’。单个SPAD101、101’的探测信号必要时在通过附加的延迟元件150、150’引起的时间延迟之后分别转发给组合器160、160’。所述延迟可以用于补偿传播时间差并且由此用于一个像素或不同像素的SPAD时间同步。在这些组合器160、160’中将探测信号相互组合。附加地，可以将由SPAD产生的信号借助脉冲缩短155、155’在时间上缩短。组合的探测器信号由组合器160、160’转发给多路复用器140并且从那里继续转发给距离确定装置130。

图8示出了在将这种元件用于N＝92个像素111的情况下的距离测量装置的特定实施方式。这里，48个像素仅仅具有一个单个的SPAD，24个像素分别具有2X2布置的四个SPAD并且20个像素分别具有3X3布置的9个SPAD。带有多于一个SPAD101的每个像素111恰好与一个组合器160、160’连接。相应地有44个组合器160。带有仅仅一个SPAD或者组合器160的像素111的输出端与K个多路复用器140的输入端连接。多路复用器140的输出端又与M个距离确定装置130连接。这里不必要有M=K，也不必要有M=N。示例性地示出针对不同大小和SPAD数量的三个像素111的连接。在图11中阴影示出的面说明有效的探测器面170，它包含了实际上被激光斑点109的激光照明并且可以用于执行至目标对象的距离测量的那些像素111。

图9以强烈示意性方式在两个与图1对应的视图中示出了本发明的测量设备，该测量设备在其壳体200中具有至少一个测量装置。这种尤其是构造为手持式测量设备的测量设备可以具有显示器形式的输出单元。此外，本发明测量设备具有可更换电池或可再充电蓄电池形式的设备内能量供给装置。固定地集成在壳体中的对应能量源也是可能的，该能量源可以经由在壳体上的接口放电。

此外，光程—例如发送路径和接收路径—在壳体200中也可以再次光学地被折叠，以便避免“通过角”的测量。这尤其是在作为手持式测量设备的实施中对于使用者在操作中具有优点。

最后，本发明的实施方式的方面和优点再次地换句话被总结：

本发明的核心在于，将大面积的时间分辨性光学传感器与针对角度分辨的、基本上根据现有技术构造的激光距离测量装置的用于发送路径和接收路径的分离的光学系统结合。

光学传感器这里尤其是具有带有大量像素的探测面，其中每个像素具有至少一个SPAD（单光子雪崩光电二极管）以及其中所述大量像素中的每一个与分析装置连接。

这种测量装置以有利的方式被集成在紧凑的、尤其是可手持的壳体中，使得能够实现对应紧凑的测量设备。

相比类似精度的脉冲传播时间测量，本发明的测量系统由于使用了混合的并且测量相位的方法而具有对电子信号处理的时间分辨力的较低要求。

本发明的测量系统具有（尤其是针对测量相位的方法所需的）非常好的、在发送路径和接收路径之间的光学分离。

本发明的测量系统由于大面积的探测器而具有对发送路径和接收路径的较小的调整要求。

本发明的测量系统给出了改善信噪比以及由此改善作用范围的可能性，因为使用了带有可选择的像素的探测器阵列。

通过使用SPAD探测器阵列，本发明测量系统能够实现明显的成本节省。

本发明的实施方式基于如下考虑：使用用于扫描性距离测量的大面积探测器，其中在像素中的各个SPAD的布置类型被有利地构造，其中在各个SPAD的信号被输送给时间上的分析单元（也即距离确定装置/装箱方案）用于进一步的分析之前将这些信号组合。其信号借助组合器组合的SPAD的集合在此构成一个像素。

各个像素可以彼此无关地运行。尤其是，可以实施连续波的相位分析或者代替地针对每个单个像素进行脉冲的飞行时间分析。

由此，可以实现扫描性距离测量系统，其安装和调整精度可以被明显降低。尤其是由此也可以首次实现手持式扫描性距离测量系统。

将多个SPAD组合成像素可以在空间上构造为，使得信噪比在大距离和小距离情况下尤其在强背景照明下都可以利用少的距离确定装置被优化。这可以通过对像素的大小或要组合成像素的SPAD的数量关于探测面的取决于位置的适配来实现。

可选地带有仅仅一个SPAD的像素或者带有不同大小和SPAD数量的像素的布置的特定地朝着激光测距仪中提高信噪比优化的类型是对于传统激光测距仪以及对于3D相机的区别性特征。该布置可以降低对在测量装置内部调整光学系统的要求并且可以同时有助于优化信噪比，即使当接收装置不在光学系统的成像平面中，如例如在固定焦点系统中可能出现的。

尤其是可以利用所描述的测量系统来实现紧凑的、尤其是用于目标对象的多维测量的手持式测量设备。

探测面可以被如下地选择大小，使得可减少对调整接收光学系统的要求。此外，光学成像误差的影响、尤其是由于景深过小通过散焦引起的误差的影响被最小化。由此可以减少对接收光学系统的光学质量的要求。

另外的优点可以是尤其是在大测量距离情况下在高背景光分量条件下信噪比的优化。这可以通过如下方式来实现，即在所有距离情况下有效探测面最优地适配于在探测平面中实际上成像的激光测量斑点的大小，也即有效探测面可以被最小化。在结束测量之后，可以有目的地仅仅分析实际上接收激光射线的那些单个SPAD或带有SPAD的像素的信号。由此可以减少有效探测面并且最小化背景光的噪声贡献，这与改善信噪比可能是等效的。

另外的优点可在于，由于在一个像素内部的多个SPAD的组合而需要比SPAD少的距离确定装置。这可以减少集成电路的所需芯片面积。尤其是在通常以固定的焦距工作的激光测距仪中，该优点是重要的，因为激光斑点直径于是可以根据目标对象的距离而变化。图6针对视差误差没有被校正的系统示出了这个。为了如前所述地通过最小化有效探测面来优化信噪比，在较大的激光斑点直径的情况下，也即通常在目标对象距离较小的情况下也可以相应地仅仅需要探测器的低分辨率。

该情况可以通过将SPAD取决于位置地组合成像素来被充分利用。

因为有效探测面、也即在测量分析中要考虑的面通常小于整个探测面，因此所需要的距离确定装置的数量可以进一步被减少，其方式是除了SPAD的组合以外还应用多路复用。借助暂时的测量，可以在该情况下首先识别接收激光射线的像素并且接着针对实际上的测量将像素分配到距离确定装置上。如果N是带有一个或多个SPAD的像素总数，M是可用于进行分析的距离确定装置的数量，那么为了识别必须进行最多N/M（四舍五入）个暂时的测量。因此，测量任务可以用少量的、在理想情况下用一次唯一的测量来完成。

另外的优点在于，单个像素可以彼此无关地被校准，例如在相位偏移方面。

Claims (21)

1.用于目标对象的多维测量的测量装置（10），其中顺序地进行至该目标对象的各个对象点的距离测量，该测量装置至少具有：

用于将光学测量射线（13）沿着发送路径发送到目标对象（15）上的发送装置（12）；

带有用于探测由目标对象（15）沿着接收路径返回的光学测量射线（16）的探测面（110）的接收装置（14）；

扫描系统，用于偏转所述光学测量射线，

以及分析装置（36），用于确定距离测量值，

其特征在于，

所述扫描系统具有用于发送路径的扫描单元，

其中所述接收装置的探测面（110）具有大量像素（111）,其中每个像素（111）具有至少一个SPAD（101），并且其中所述大量像素（111）中的每个能够与该分析装置（36）连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述扫描系统具有至少一个Galvano扫描仪。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述扫描系统对于测量装置的发送路径和接收路径各具有一个Galvano扫描仪。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述发送装置（12）和所述接收装置（14）被设计为，使得由目标对象（15）返回的光学测量射线（16）同时照明多个像素（111）。

5.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述分析装置（36）被设计为，基于多个像素（111）的探测信号的分析来求得在测量装置（10）和目标对象（15）之间的距离（48）。

6.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述分析装置（36）具有至少一个距离确定装置（130），所述距离确定装置被设计用于求得测量射线（13,16）在发送装置（12）的发送至由目标对象（15）返回的测量射线（16）的探测之间的飞行持续时间并且从该飞行持续时间中确定距离。

7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，多个像素（111）与一个距离确定装置（130）连接并且该距离确定装置（130）被设计用于基于多个像素（111）的探测信号来确定距离。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述分析装置（36）具有多个距离确定装置（130），并且所述分析装置（36）被设计用于基于由这些距离确定装置（130）确定的距离来确定在测量装置（10）和目标对象（15）之间的距离（48）。

9.根据权利要求1至2之一所述的测量装置，其中至少几个像素（111）分别包含多个SPAD（101）。

10.根据权利要求9所述的测量装置，还具有至少一个组合器（160），所述至少一个组合器被设计用于将包含在单个像素（111）中的SPAD（101）的探测信号组合。

11.根据权利要求9所述的测量装置，还具有至少一个脉冲缩短器，以便在时间上缩短由SPAD生成的数字信号。

12.根据权利要求9所述的测量装置，其中在一个像素（111）中包含的SPAD（101）的数量根据该像素（111）在接收装置（14）的探测面（110）内的位置而变化。

13.根据权利要求9所述的测量装置，其中在一个像素（111）中包含的SPAD（101）的面积根据该像素（111）在接收装置（14）的探测面（110）内的位置而变化。

14.根据权利要求12或13所述的测量装置，其中在一个像素（111）中包含的SPAD（101）的数量在靠近发送装置（12）的像素（111）中比在远离发送装置（12）的像素（111）中小。

15.根据权利要求12至13之一所述的测量装置，其中在一个像素（111）中包含的SPAD（101）的数量在靠近探测面（110）中心（122）的像素（111）中比在远离探测面（110）中心（122）的像素（111）中小。

16.根据权利要求1至2之一所述的测量装置，其中发送装置（12）和接收装置（14）被设计为，使得被由目标对象（15）返回的光学测量射线（16）同时照明的像素（111）的数量根据在目标对象（15）和测量装置（10）之间的距离（48）而变化。

17.根据权利要求1至2之一所述的测量装置，其中接收装置（14）和分析装置（36）被设计为，使得单个像素（111）的探测信号能够与其他像素（111）的探测信号无关地由分析装置（36）分析。

18.根据权利要求1至2之一所述的测量装置，其中接收装置（14）和分析装置（36）被设计为，使得基于仅仅分析有效探测面（170）内部的、由发送装置照明的目标对象面的光被反向辐射到其上的像素（111）的探测信号来求得在测量装置（10）和目标对象（15）之间的距离（48）。

19.根据权利要求1至2之一所述的测量装置，还具有至少一个多路复用器（140），该多路复用器被设计用于将多个像素（111）的探测信号选择性地转发给所述分析装置（36）。

20.测量设备，带有壳体（200）和至少一个集成在壳体（200）中的根据权利要求1至19之一的测量装置。

21.根据权利要求20所述的测量设备，其特征在于，该测量设备是手持式测量设备。