CN104011560A - 测距装置对准 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光电测距装置的对准方法和相关的构造构思。后者包括：具有相对于彼此以刚性局部关系布置的用于发射光发送射线的照射源、用于接收光学接收射线的检测器以及印刷电路板的组件，和具有发送光学单元和接收光学单元的光学单元载体。在这种情况下，发送方向由照射源和发送光学单元限定，并且接收方向由检测器和接收光学单元限定。此外，发送光学单元和接收光学单元具有不同的焦距。对准方法相对于接收方向的探寻定向产生发送方向的探寻定向。根据本发明，通过整个组件相对于光学单元载体的位移来实现对准，其中该位移是不同的焦距的杠杆效应的结果，在每种情况下在传输方向和接收方向的方向角上产生受该位移支配的改变，所述改变具有不同的大小，作为其结果发送方向相对于接收方向的定向发生变化。

Description

测距装置对准
发明涉及根据权利要求1的前序条款的调整方法，并且涉及根据权利要求14的前序条款的测距仪。
光电测距仪(还被称为EDM(电子测距仪、LRF(激光测距仪)、LIDAR等)根据在目标对象的方向上发射通常形式为可见光或不可见光的脉冲的电磁射线的原理操作。这个目标对象在测量仪器的方向上往回发送已发射光的至少一部分，其中这个接收到的光被转换成电信号。借助于所需要的光的飞行时间和光的已知传播速度，由电子评估单元确定测量仪器与目标对象之间的距离。
这样的仪器的示例性实施方式将例如在文献EP2 051 102、EP1 311 873或EP1913 415中找到，其中还可以找到测量原理的另外的细节。
光的发射在这种情况下应该作为具有最小可能的发散的光束来执行，例如以获得目标对象上清楚地限定的测量点，以及即便在大的测量距离的情况下也使在测量点处的光信号强度保持高，并且尤其还在使用可见光时获得目标对象上清楚地可见的测量点。
为了获得这样的具有小发散的光束，提供了对应的准直光学器件或发射光学器件，其需要相对于光源被相应地调整以实现所期望的束发散。诸如激光二极管或LED这样的的半导体光源优选地用作光源，激光发射器由于它们总体上小的束发散而最经常使用。准直光学器件可以被构造成简单的光学透镜，或者替换地构造成较复杂的光学器件。由于制造公差，特别是在大的测量距离的情况下，在EDM的制造过程范围内可能有必要针对每个仪器分别调整准直光学器件。
并且在接收到光时，经常使用接收光学器件，例如会聚透镜，其将来自目标对象方向的光聚焦到光敏部件上，该光敏部件例如光电二极管，尤其是PIN光电二极管或APD。这样，相对于光敏部件的相对小的光敏区，仪器(通过其获得发送回的光)的光接收截面面积会增大。接收器元件上光信号的强度能够通过接收光学器件的大孔径来增加。由于其它原因，例如以避免环境光饱和，而且因为接收器的反应时间或带宽随着有效面积的增加而减少，因此光敏部件的有效面积通常需要被保持小。
接收光学器件还需要就焦点而言相对于电光接收元件来定向，在此情况下容许比校准发射器时大的尺寸公差。接收透镜的主要目的是收集接收到的光，目标在接收器上的精确清晰的图像不是绝对地必要的。
发射光学器件和接收光学器件两者都还可以包括除前述透镜之外的另外的光学部件：例如波长滤波器、偏振滤波器、偏向镜等。
除调整发射和接收光学器件的聚焦的之外，发射束路径的光轴和接收束路径的光轴还将以这样的方式相对于彼此被定向，即从目标对象发送回的已发射光的一部分实际上照到接收器。必须在EDM的整个指定测量范围上确保这一点，并且要求两个束路径的相应的两个角方向相对于彼此适当地定向。同轴发射束路径和接收束路径的解决方案满足这个标准；然而，为此所需要的光学部件是非常精细的。EDM特别是简单的手持式测距仪因此通常不构造有同轴束路径，而是发射光学器件和接收光学器件彼此相邻设置。为了满足定向条件，发射束路径和接收束路径的光轴必须至少近似地在位于特定距离而不是在无穷远的点处相交。
由于上面所提到的原因，在EDM制造范围内，发射元件、发射光学器件、接收光学器件以及接收元件相对于彼此的调整是必要的。为此目的，在装配相关技术的仪器时，发射元件和接收元件分别地就它们相对于所关联的光学器件的位置而言被分别调整。然而，这意味着至少在调整期间，不能够相对于接收器以固定方式定位发射器。例如，发射器和接收器不能够因此已经被固定或者明确地事先定位于常见的预制印刷电路板上。
例如，文献EP1 351 070是已知的，其中通过借助于其电触点暂时地使光电二极管在位置上可调整来执行测距仪的束路径的调整，并且在调整执行之后被导电地固定在它在印刷电路板上的调整后的位置处。换句话说，例如，光电二极管的焊点被熔化并且因此使光电二极管暂时地可移动以进行调整。在EP1 752 788中，接收器在至少两个方向上被刚性地连接到印刷电路板。
WO2007/012531或WO2007/033860还公开了测距仪结构并且描述了通过移动发射器和/或接收器对其调整，所述发射器和/或接收器被装配在不同的印刷电路板上或(至少在调整期间)可相对于印刷电路板移动。DE101 57 378公开了一种具有光轴的温度补偿结构的测距仪。在EP1 980 878中，发射光学器件和接收光学器件被连接以形成双透镜。
对于发射路径和接收路径的光轴的定向，作为另选方案相对于具有固定发射元件和固定接收元件的印刷电路板被可位移地或可倾斜地构造的光学器件也是已知的。然而，这样的机械结构证明在设计上是精细的。例如，用于发射光学器件和接收光学器件的、可相对于彼此移动的两个光学器件载体将削弱EDM系统的机械鲁棒性。在EDM制造范围内，处于准确调整后的位置处的可自由移动的可调整的光学器件的粘接相应地也是困难的且易出错。
本发明的目的是改进光电测距仪，并且特别是简化其生产。
在这种情况下目的是改进并且简化光发射路径和光接收路径的调整，特别是光发射轴和接收轴相对于彼此的角方向的调整。
目的还在于改进并且简化EDM的光路的调整，该EDM的发射元件和接收元件已经被作为公共模块相对于彼此安装固定，并且相对于彼此不再是可移动的。
目的还在于许可使用完全装备有作为成品模块的发射元件和接收元件的印刷电路板，该印刷电路板上针对束路径调整不再需要移位部件，但仅仅整体上仍然需要相对于具有发射光学器件和接收光学器件的光学器件载体调整模块。
另一目的在于简化承载固定在公共模块上的发射元件和接收元件的EDM的光路的调整处理。这旨在尤其从经济观点来完成，诸如在装置生产期间的简化组装、小型化、部件数目和部件成本的减少、调整的时间节约或简单处理。
本发明涉及一种用于光电测距仪的调整方法。该测距仪包括模块，该模块具有彼此以刚性空间关系设置的用于发射光发射射线的照射源、用于接收光接收射线的检测器、以及印刷电路板。
该测距仪此外包括具有发射光学器件和接收光学器件的光学器件载体，发射方向由照射源和发射光学器件限定，并且接收方向由检测器和接收光学器件限定。发射光学器件和接收光学器件具有不同的焦距。
所述调整方法建立发射方向相对于接收方向的期望定向。
根据本发明，通过相对于光学器件载体移位整个模块来执行调整，该移位通过分别不同的大小的不同焦距的杠杆动作来引起发射方向和接收方向的由位移引发的方向角改变。发射方向相对于接收方向的定向通过这些不同大小的方向角改变而变化。
模块是固有地固定的单元，其中特别地，照射源和检测器在它们的位置上相对于彼此是不可移动的，也就是说即便出于调整目的它们也不能够暂时性地相对于彼此在位置或定向上变化。例如，可以以印刷电路板以固定方式配备有检测器和照射源的方式形成模块。
调整方法可以通过在第一横向方向上的移位来调整发射方向相对于接收方向的第一角定向。
调整方法可以通过在第二横向方向上的移位来调整发射方向相对于接收方向的第二角定向。在一个实施方式中，第一横向方向和第二横向方向在这种情况下可以是彼此无关的，并且特别地它们可以是彼此正交的。
由分别关联的移位所引起的分别关联的第一角定向和第二角定向还可以是彼此无关的，并且特别地它们可以是彼此正交的。
在调整方法期间，还有可能通过在第二横向方向上的移位仅变化接收方向，并且有可能让发射方向不变。例如，相对于光学器件载体的发射方向可以在调整范围内在第二角定向上保持不变。
模块承载在光学器件载体的公共支承表面上并且在这种情况下可以限定横向位移的方向。承载表面因此能够被用来建立与横向移位的平面正交的自由度。换句话说，承载表面可以限定在其中能够使模块相对于光学器件载体横向地移位的平面。
在调整期间，发射光学器件相对于接收光学器件的位置可以保持不变，特别是在与光学器件的光轴正交的方向上或相对于光轴的倾斜保持不变。在这种情况下可以至多仅在焦点方向上即在光学器件的光轴的方向上移位发射光学器件和/或接收光学器件，尤其以得到光学器件的聚焦的校正。
发射光学器件在光学器件载体中的位置可能已经在调整之前被明确地固定，包括在它们的轴向焦点方向上在内。
在调整之前，发射光学器件在光学器件载体中的位置可以被预校准成预聚焦设定，其中，由测距仪所发射的发射射线的发散大于最佳准直的发散。在这种情况下，特别地，通过将发射光学器件移位特别地压入光学器件载体的管状凹部能够从预聚焦设定实现聚焦设定。
该调整方法尤其通过发射光学器件与模块在发射光学器件的焦点方向上的联合移位，可以在调整期间相对于照射源维持发射光学器件的经预校准的预聚焦设定。
在调整之后和在模块相对于光学器件载体的固定之后，调整方法可以包括在焦点设定方向上校准发射光学器件，以调整由测距仪所发射的发射束路径的期望发散，特别地通过将发射光学器件压入成光学器件载体的管状凹部中。
在调整方法期间，在将发射光学器件预校准成预聚焦设定之前，在使模块仅能够在发射光学器件的失准的方向上或与该方向正交地移位的位置处，可以执行模块相对于光学器件载体的定位。以这种方式，即便在调整相关的位移之后，特别地通过在准直的方向上将发射光学器件压入光学器件载体，也可以确保就发射光学器件在焦点设定而言的明确准直的可实现性。
发射光学器件和/或接收光学器件在这种情况下可以包括偏向镜，例如以建立第一角定向和第二角定向的独立性。
可以限定发射方向相对于接收方向的期望定向，因为发射方向和接收方向在预定距离处至少近似地具有公共交叉点。
本发明还涉及一种光电测距仪，特别是手持式激光测距仪，该光电测距仪具有：
■印刷电路板、光照射源以及光检测器，其被作为公共模块相对于彼此固定不可移动地定位和定向，
■具有带有分别不同的焦距的发射光学器件和接收光学器件的光学器件载体，特别地其中发射光学器件和接收光学器件仅在它们相应的光轴的方向上相对于彼此能够移位，以及
■电子评估单元，通过该电子评估单元借助于检测器的数字化接收信号基于信号飞行时间上能够确定从测距仪到目标对象的距离，
通过根据本发明的调整方法来调整该距离。特别地，根据本发明测距仪的设计构思、或测距仪中的部件布置被构造成使得上面所描述的方法能够用测距仪来执行。
在该测距仪中，特别地，照射源可以在发射光学器件的方向上与印刷电路板的平面平行发射。检测器可以具有与印刷电路板平行设置的光敏区。接收射线可以通过接收光学器件经由偏向镜导向到检测器上。模块在第一方向上和第二方向上相对于光学器件载体可以能够移位，并且可以在第三方向上承载在机械挡块上。
在该测距仪中，发射光学器件可以被装配在光学器件载体的管状凹部中，以用于发射束路径的准直，并且发射光学器件可以轴向地可压入该管中。
将借助于附图中示意性地表示的特定示例性实施方式纯粹地通过示例的方式在下面更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的装置，其中本发明的另外的优点被讨论。具体地：
图1示出根据本发明的测距仪的第一实施方式作为框图；
图2示出了EDM束路径的已知调整原理的示例性表示图；
图3a示出了根据本发明的通过可调整EDM发射单元的第一示例性实施方式的第一截面的示意表示图；
图3b示出了根据本发明的通过可调整EDM发射单元的第一示例性实施方式的第二截面的示意表示图；
图3c示出了根据本发明的可调整EDM的第一示例性实施方式的第三截面图的示意表示图，其与图3a和图3b的那些正交；
图4示出了在一个方向上根据本发明的可调整EDM的示例性第二实施方式；
图5示出了EDM的根据本发明的束路径调整的示例性第三实施方式；
图6以3D视图示出了根据本发明的可调整EDM的示例性第四实施方式；
图7示出了EDM的根据本发明的束路径调整的示例性第五实施方式；
图8示出了EDM的根据本发明的束路径调整的示例性第六实施方式；
图9示出了根据本发明的具有束路径调整的EDM组件的示例性第二处理表示图。
图中的表示仅仅用于说明，并且将不被认为是比例准确的。
图1示出根据本发明的光电测距仪99的实施方式作为框图。它例如可以是手持式、电池供电的测距仪或其它测量装置，诸如被广泛地例如用在建筑业中。发射单元9和接收单元19的两个单独的块被表示在图的下半部分中。所表示的分离主要将被认为是功能性的，并且不需要以两个物理上独立的单元的形式来构建。所示出的发射单元和接收单元两者都被作为公共的模块100预安装例如在公共印刷电路板上，并且形成相对于彼此不可移动的固定单元。模块100可以被构建为上面焊接或者导电粘接了发射单元9和接收单元19的公共印刷电路板。可以按照分立电子部件的形式或作为预制子模块来分别构建发射单元9和接收单元19，该预制子模块在相对于彼此处于固定位置被组装在模块100上。发射单元9和接收单元19的一个实施方式的示例性内部结构的框图分别被表示在图的上半部分中。
目标对象22(其距离26将被确定)将由发射单元9所发射的电磁射线20的至少一部分作为接收信号23发送回到接收单元19。已发射射线的一部分还可以作为基准束25沿着已知长度的基准路径被导向接收单元19。在这种情况下可以设置两个单独的接收单元或一个公共接收单元19以得到基准束25和测量束23。在单独的基准接收器的情况下，接收单元19或其部分(例如10、11、12)相应地将被复制。在基准束25与测量束23之间切换也是已知的。例如，EP0 738 899公开了一种可切换的基准路径25，EP0 932 835公开了使用两个接收单元19的使用，以及DE40 02 356公开了使用两个可切换的发射单元9。
发射单元9具有控制处理器3和用于发射部件1的驱动级2，发射部件1将驱动级2的电信号转换成电磁射线20(例如，具有受激发射的激光二极管、LED或另一电驱动光源)。在控制处理器3中，表示了PLL4，另选地还可以和驱动级2共同或从其外部被设置。控制处理器3、驱动级2以及PLL4还可以被集成在公共芯片(例如ASIC或FPGA)中。发射单元9被以这样的方式形成，即它能够根据由控制单元支配的模式(例如以短高强度光脉冲、光脉冲的突发式分组或其它强度分布的形式，诸如正弦、辛格(sinc)、升余弦、三角形、矩形、梯形等)在可见或不可见光谱范围发射调制光射线，特别是射频的强度调制的光射线。
接收单元19将由接收元件10接收到的电磁射线23转换成电信号，所述电信号(可选地经放大)在作为调节单元的块11中被调节(例如被滤波、被以外差或零差方式混合、被放大等)以供进一步处理。调节单元11可以因此例如包括输入滤波器、放大器、混合级、采样与保持部件等或其组合。例如，在WO2011/076907或欧洲专利申请No.11187964.9中公开了调节11中的许多可能的信号滤波的一个示例。光射线23的接收器10可以将光电二极管用作接收元件，例如具有相应的偏置电压的雪崩光电二极管，或PIN光电二极管。光敏元件10的射频电输出信号(与已发射光信号20的(并且因此接收到的光信号的)调制相对应)可以在进一步处理之前或在调节11的范围内准备，特别地被阻抗转换、放大和/或频带限制(例如采用有源或无源模拟滤波器、跨阻放大器(TIA)...)。例如，这样的放大器级还可以尤其包括根据EP2183 865的电路。
经调节的接收信号通过模拟/数字转换器12而被数字化(即在时间和值上被量化)并且传递到数字计算单元13(微处理器、DSP、FPGA、ASIC等)以得到进一步处理和确定距离。此外示出了时钟发生器14(例如作为振荡器的石英晶体)和PLL。
对于测距，发射器9和接收器19的协调也是必要的，例如控制测量所必需的过程的通信链路和或同步。如所提到的那样，所表示的分离将被认为是功能性的，这可能意味着发射单元9和接收单元19或其部分还可以被构造成公共芯片，例如计算单元10和3或其它单元。如所描述的，发射器和接收器物理上被容纳在公共模块100(例如印刷电路板)上，在这种情况下印刷电路板还可以意指厚膜或薄膜技术中的电路的载体衬底。以多个单独的印刷电路板作为子模块的模块100的结构还地将在本发明的上下文中被认为是模块100，在它们被牢固地连接到彼此时并且在这里所描述的调整期间，发射元件1在它相对于接收元件10的位置和/或定向上未被移动，即便是暂时地。
为了能够执行测距，已发射射线20或更准确地说在测距仪的方向上从目标对象发送回的射线23的部分必须照到接收器元件10。为了确保这一点，EDM99具有发射光学器件21和接收光学器件24，其两者都在这里分别由光学器件载体28中的会聚透镜(作为最简单的实施方式中的一种)来表示。发射光学器件21和接收光学器件24分别形成发射束路径和接收束路径，其中的每一个都分别可由穿过发射元件9和接收元件19的光轴来描述。光学器件可以由玻璃或适合于其的塑料构成，例如尤其适合于光学部件的Zeonex或其它塑料，并且它们还可以具有各式各样的光学镀层，例如敷霜、波长滤波器等。
为了延伸接收光学器件24能够获得的横向角范围，特别地朝较短距离，具有横向变形的光学器件也是已知的，所谓的近场光学器件，例如以分段透镜的形式。特别地对于宽式近场，这样的变形光学器件可以被用来加宽接收器能够看到的测量范围。借助于适当地装配的反射镜，加宽的近场还可以被反射到接收器上。
发射光学器件21的目的是形成尽可能地准直的束，以即便在长的测量距离26的情况下也获得清楚地限定的测量点以及关于目标对象22的足够的光信号能量密度。发射束路径的预定发散因此是所希望的，通常尽可能小。通过示例，可以在手持式测距仪99中使用例如具有从5mm到15mm特别是约6.5mm的直径、以及具有从5mm到30mm特别是9mm的焦距、如塑料或玻璃透镜的发散光学器件21。
在以半导体激光器作为光源9(其本身例如可以具有约30°的发散)的一个实施方式中，这例如可以由具有相对短的第一焦距的会聚透镜的形式的准直透镜来实现。因为发射束20一般地具有小的直径，例如几毫米的数量级，因此具有足够小的直径(例如大约为束直径的1.5到5倍)的透镜在这种情况下通常是足够的。纯粹就技术而言，尽管由于成本原因并且着眼于紧凑装置设计在EDM中采用上面所提到的尺寸范围，但是较大的透镜或较复杂的发射光学器件21也能够实现这种功能。
接收光学器件24的目的是收集从目标对象22发送回的尽可能多的光23并且将它引导到接收元件19的敏感区上。简而言之，这还可以被描述为接收光学器件24将测距的目标点成像到接收元件19上，精确清晰的图像对于测距来说不是绝对地必要的，而是相反地由接收光学器件24所获得的光到具有较小截面的光电接收元件19的有效面积上的主要聚集。接收束路径因此被以这样一种方式配置，即能够由接收元件19在EDM的整个指定的测量范围内来获得目标对象22上的目标点，在这种情况下，利用相应的高的接收信号强度，(例如在近场中)对目标点的仅仅部分获得可以是足够的。作为示例，可以在手持式测距仪中使用例如具有从15mm到50mm特别是约18mm的直径、具有从15mm到100mm特别是约30mm的焦距、如塑料透镜的接收光学器件24。
因为同轴发射束路径和接收束路径仅能够用非常精细的光学器件来实现，所以通常选择彼此相邻的发射光学器件21和接收光学器件24结构，其还被称为旁轴结构。调整的目的可以被描述为以这样一种方式对发射束路径和接收束路径的光轴进行定向，即它们在限定距离的点处至少近似地相交。措辞“至少近似地”在这种情况下旨在表达如下情形：两个轴的交叉未必需要被准确地建立直到例如毫米范围为止，但是较大的公差为此是可以容许的。从目标点发送回的光在整个测距范围的上述可获得性可以被认为是主要条件。对于大的距离，两个光轴可以被认为是几乎彼此平行的，以存在两个光轴的掠过交叉，这可以使在预定距离处的交叉点的精确确定变得更困难。还可以用借助于发射光学器件21投射到目标对象22上的测量光点被接收光学器件24引导到接收元件10上的条件来表达光轴的至少近似交叉。
在这种情况下所需要的绝对准确性具体地依赖于相应实施方式，特别是发射光学器件21、接收光学器件24、发射束直径以及发射束发散、指定的测距范围、部件设置等的。换句话说，接收器10的视场必须(特别地尽可能在中心)获得照到在限定距离处设立的目标对象22的发射束20，使得即使在大于或小于预定距离的距离26处也保持可获得目标对象22上的发射光点，在与中心的对应偏向(由于发射和接收方向的角偏向而导致)情况下，可获得的范围与EDM的测距范围相对应。在这种情况下，特殊的接收角依赖性失真接收光学器件24也是已知的，其特别地加宽接收器的可获得的近场。
由于空间的原因，由光轴限定的发射方向和接收方向被相对于彼此非常倾斜地表示。在实际实施方式中，特别对于较大距离26的测量，束路径通常彼此是在比在这里所表示的浅得多的角度。
在EDM99的安装(或设立、校准或再校准)期间，必须相对于彼此适当地定向发射束路径和接收束路径的光轴、或发射和接收方向。本发明涉及其调整方法，并且涉及可执行根据本发明的方法的相应测距仪99，这将以示例性实施方式的形式来解释并且与其的设计差异也是可能的。本发明因此还包括能够通过其执行根据本发明的调整的装置。
图2例示了从针对旁轴测距仪的前述相关技术获知的根据本发明的调整方法中的一些方法，其中发射器相对于接收器被移动，或者另选地，发射光学器件相对于接收光学器件被移动，以实现发射方向相对于接收方向的调整。用于调整的元件的可移动性分别由十字箭头29来图示。
图3a、图3b和图3c以不同的截面表示来示出EDM99的示例性实施方式，并非EDM99的所有部分都被表示。
图3a示出了通过发射元件9的截面图，其形成具有印刷电路板101的刚性模块100，以及装配在光学器件载体28上的关联的发射光学器件21。作为光发射器的电光发射元件1发射光发射束路径20，其由发射光学器件21来成形。如上所述，应该在这种情况下实现发射束路径20的期望的小发散，即应该将发射元件的固有发散减少到至少近似零。在所示出的实施方式中，这由准直透镜的形式的发射光学器件21来实现，该准直透镜能够由焦距来表征。光源9至少近似地位于在作为发射光学器件21的准直透镜的焦点处。
与已知的相关技术相比，根据本发明的具有刚性模块100测距仪结构使得仪器中的移动部件的数量减少，以它变得更鲁棒且更稳定，例如包括涉及在建筑工地上使用期间受到冲击、振动等的可能的失调整影响。通过根据本发明的调整方法第一次使这样的结构变得可能，因为一直不能够在这种类型的刚性结构情况下执行已知的调整方法。
根据本发明，已经完全预制的刚性模块100在组装期间可以被安装在EDM99中。已经完成的模块100因此已经能够在其安装之前经受完整的功能测试，通过该功能测试，能够使得全部电子部件(尤其是光发射器和光敏检测器)按照它们随后存在于成品仪器中的方式来包括它们。仪器的组装因此还能够在没有焊接处理的情况下进行。
图3b示出了通过光电接收单元19的截面图，其形成具有印刷电路板101的刚性模块100，以及使接收束路径23成形并且位于光学器件载体28中(发射光学器件21也位于所述光学器件载体28中)的关联的接收光学器件24，或者所述光学器件载体28被刚性地连接到发射光学器件21。在这个实施方式中，接收束路径23不仅由接收光学器件24来成形，而且还由偏向镜27来成形。接收束路径23例如还可以(像在这里所示出的那样)具有波长滤波器34，其使在发射射线20的波长范围外的光衰减。接收光学器件24进而可以由焦点来表征，并且使接收元件10至少近似地设置在它们的焦点处，所述焦点在这个特定实施方式中由反射镜元件27偏向。
图3c示出了通过与先前的截面图正交并且表示具有光电接收元件10、电光发射元件1以及印刷电路板101的模块100的EDM99的截面图。还表示了具有发射光学器件21和关联的发射束路径20以及接收光学器件24和关联的接收束路径23的光学器件载体28。
根据本发明的用于调整的方法通过将模块100与装配有发射元件1和接收元件10并且相对于彼此保持处于预制的固定位置和定向的印刷电路板101一起移动来执行。在所示出的实施方式中，印刷电路板100从下面承载在光学器件载体28上，以在这个Z方向上形成机械挡块，该机械挡块支配模块100在这个Z方向上相对于光学器件载体28的位置。
因此仍然能够在第一横向X自由度30上和在第二横向Y自由度32上使模块100移动或者移位。在X方向30上的移位对发射束路径20的发射方向没有直接影响，如可以从图3a看到的那样。然而，在X方向30上的位移对接收束路径23的垂直接收方向31有影响，这由图3b中的弯曲箭头31来表示，其表示在垂直方向上的对应倾斜。在这个实施方式中，因此，借助于模块100在X方向30上相对于光学器件载体28的移动，能够调整接收方向相对于发射方向的垂直定向。在X方向30上的移位引起接收方向相对于发射方向的由移位引发的方向角改变，特别是在发射方向或接收方向的垂直第一角方向上，使得能够在第一角方向上调整EDM的束路径。
在第二横向Y自由度32上的移动既针对发射方向且针对接收方向引起水平方向角改变。根据本发明的调整方法在这种情况下使用因为发射光学器件21相对于接收光学器件24的不同焦距而发生的杠杆动作，该杠杆动作引起由不同移位引发的发射方向和接收方向的方向角改变。通过在Y方向32上的移位因此能够实现发射方向相对于接收方向的水平调整。
相结合地，因此能够相对于彼此调整发射和接收方向，使得能够至少近似地在预定距离处建立发射束路径的光轴相对于接收束路径的光轴的公共交叉点。由于在调整范围内通常不得不执行对制造公差导致的发射方向和接收方向的仅相对小的调整，所以根据本发明可实现的角改变是足够的，特别由于发射元件和接收元件能够在模块的制造期间被以亚毫米范围中的高尺寸准确装配。针对位移长度的实际实现的值和从而能够在示例性实施方式中被纠正的角设定误差，可以提到的示例是通过大约±0.5mm的移位对水平激光设定误差在大约±1.5°的角度范围的调整和通过大约±1mm的位移对垂直激光设定误差在大约±1.2°的角度范围的调整。通过在其它实施方式中几何情形的适应，还可以实现不同于以上示例的数值的根据本发明的调整。
在已经执行了调整之后，例如通过拧紧模块100、夹紧模块100或者粘接模块100，模块100可以被固定在它相对于光学器件载体的位置处。
要在调整范围内被设置的发射方向和接收方向可以由两个相互正交的角方向来描述。在本文中，发射方向或接收方向的第一分量也将被称为水平方向，并且发射方向或接收方向的第二分量也将被称为发射束路径或接收束路径的垂直方向，水平和垂直不指示绝对的空间位置；相反，措辞仅仅被用来使它们更易于区分，并且绝对地说，它们自然地取决于EDM99的当前空间位置。此外，通过设置聚焦还可以延伸该调整方法，特别是通过发射束路径20的准直的精确调整，这个在比接收束路径23的情况下对聚焦的准确性要求通常更高。
在调整期间根据本发明所用的方法利用两组光学器件的不同焦距以实现发射束路径20的光轴相对于接收束路径23的相对移动，借助于该相对移动，按照以下方式执行调整，即EDM的测量束路径遵循所期望的曲线并且补偿了可能的制造公差等。根据本发明，这通过模块100的移位来实现，在所述模块100上发射器1和接收器10相对于彼此具有不变的位置。发射器1和接收器10总是被一起移位。在束路径的方向的调整期间，发射光学器件21和接收光学器件24(模块100相对于发射光学器件21和接收光学器件24移位以调整)也不被以改变发射方向和/或接收方向的方式相对于彼此或者相对于承载它们的光学器件载体28移动。
在相应地构造的实施方式中，可以通过模块的两个正交移动独立于彼此来调整两个可能的束角方向。例如，在X方向上的移动可以导致水平角的调整，并且在Y方向上的移动可以导致EDM束路径的垂直角的调整。
图4以一维表示图进而示意性地图示了解释用于根据本发明的用于调整EDM束路径的方法的示例性实施方式。示出了模块100相对于发射光学器件21和接收光学器件24的直线移位32即电子发射元件1和接收元件10的共同移位。这种移位对发射和接收方向的影响由发射方向的和接收方向的相应的角改变33A和33B来示出。这些角改变既依赖于移位长度而且依赖于发射光学器件21的发射焦距fs与接收光学器件24的接收焦距fe的比。在实际实施方式中，例如，可以使用约1:1.1到1:10，特别是从1:2到1:5，尤其是约1:3的接收光学器件与发射光学器件的焦距比。
实线20和23表示在移位之前的初始状态，并且虚线20B和23B表示移位后状态，其中模块100相对于光学器件载体28中的光学器件21和24移位到位置100B。对于观察者而言清楚的是，虚线20B和23B在它们的延伸中在比在方向32上移位了值d之前的实线20和23的交叉点较靠近测距仪99所位于的点处相交，这允许根据本发明的对测距仪99的束路径的调整。所示出的原理(其这种情况下是一维的)还可以被延伸到二维；可以改变焦距比等。
针对接收束，束路径23在距离x处的Y位置ye由ye＝ke·x+0给出，并且针对具有两个光学器件21、24的视差P(即，发射光学器件21的光轴相对于接收光学器件24的偏移)的发射束，束路径20在这个距离x处的Y位置ys由ys＝ks·x+P给出。
对于发射光学器件21的发射焦距fs和接收光学器件24的接收焦距fe，针对所表示的模块的移位d，ks和ke的值由和来给出，其中St是发射元件1相对于接收元件10的装配公差。
当ys(x0)＝ye(x0)时，即当ke·x0＝ks·x0+P时实现了在预定距离x0处的公共交叉点，据此，能够通过来确定预定距离x0。
发射束路径和接收束路径的交叉距离x0的设定因此在该实施方式中由下式来给出表示：
x 0 = P d · ( f e · f s f s - f e ± S t / d ) .
参考所示出的实施方式的示例，这解释了如何能够通过发射和接收元件的公共位移设置期望的预定距离x0，并且以因此能够补偿可能存在的装配公差St而无需改变发射元件1相对于接收元件10的位置和/或发射光学器件21相对于接收光学器件24的y位置。
图5表示了用于根据本发明的调整的根据本发明的EDM99的结构的另一个示例性实施方式。通过在方向32上移位印刷电路板，从具有接收光学器件24和发射光学器件21的光学器件载体28的光轴的出射角在第一方向上分别不同地变化，如由弯曲箭头33A和33B所表示的那样。印刷电路板101在方向30上的移位改变接收束路径23在第二方向上的光轴，这由弯曲箭头31表示。
图6示出了具有光学器件载体28和模块100、能够根据本发明而调整的EDM99的3D表示图，模块100至少包括相对于彼此处于空间上确定的固定位置处的发射元件1和接收元件10。
图7例示了其中发射束路径20和接收束路径23的偏向被执行的实施方式。如果在这里所示出的设计实施方式具有至少一个偏向镜，则能够以与图3a、图3b、图3c或图5的实施方式类似的方式配置该结构，在这种情况下发射角方向31B不受调整影响。根据本发明，具有偏向镜的其它设置的其它实施方式例如仅在发射束路径20中或在束路径20和23两者中是可能的，这改变了移动对束路径的方向改变的影响。然而，根据本发明，总是使用发射光学器件21和接收光学器件24的不同焦距，以调整发射方向33B和/或31B以及接收方向33A和/或31A相对于彼此的至少一个分量，以建立或者移位交叉点36。
图8例示了不具有偏向镜的另选实施方式。在这里，光传感器元件1例如被构造成具有与印刷电路板101平行的光敏表面的平SMD光电二极管。例如形式为垂直地发射的激光二极管、SMD LED或相应地安装的半导体激光器的光源1还至少近似地与印刷电路板101正交地发射。两个光电部件1和10以及印刷电路板101被再次作为模块100相对于彼此位置上固定地预安装，并且能够出于调整目的整体上相对于具有发射光学器件20和接收光学器件24的光学器件载体28来移动模块100。在这种情况下，在方向32上的移动在方向33A和33B上引起束路径20和23的不同的角改变。在方向30上的移动分别在方向31A和31B上引起束路径20和23的不同的角改变。在方向39上的移动引起焦点改变；还可以像以其它方式所描述的那样执行根据本发明的焦点的调整。不同的焦距fe和fe一方面可以由从印刷电路板101之上不同地延伸的发射元件1和接收元件10和/或由所表示的发射光学器件21和接收光学器件24的轴向偏移来考虑。
图9表示EDM中的调整处理的可能的实施方式，其还执行根据本发明的发射束路径的光轴和接收束路径的光轴的定向的调整。实施方式在处理步骤的图例范围内示出了根据本发明的EDM99的调整，处理步骤例示了EDM调整的示例性过程。除根据本发明的方向调整之外，还表示了EDM调整的另外的可选步骤。
在第一图块301中，具有发射器和接收器的预制模块和具有发射光学器件和接收光学器件的光学器件载体被预安装，也就是说光学器件载体和模块仍然被相对于彼此可移动地安装。部件组相对于附图的平面(Z方向)正交地承载于光学器件载体上，并且因此在这个方向上具有机械挡块。在预安装期间，模块还在Y方向上被定位向前，即尽可能地靠近光学器件。然而，模块和光学器件载体仍然相对于彼此未被固定而是在X-Y平面中相对于彼此可移位的，尽管具有受限制的移位范围。这例如可以使用仅从下面穿过模块进入光学器件载体的松散地拧着的螺丝来完成，在模块中为此所提供的孔具有大于螺丝的外径的直径，使得在X-Y方向上的相对移位仍然是可能的。在这种情况下，螺丝可以被仅松散地拧紧，或者可以由装置来确保这个位置并且螺丝可以仅用在固定调整后位置的范围中。接收光学器件可能通常已经被以固定方式安装在光学器件载体中，并且例如，还被粘接，因为借助于其功能，在维持确切聚焦的要求较少，尤其因为较长的焦距。
如图块302所示，例如通过从正面将透镜压入可能已经安装了准直透镜的光学器件载体的管状凹部，在这个预安装位置处仅发射光学器件(在这里被表示为光学器件载体中的准直透镜)能够被置于预聚焦位置。因为，由于调整，可能的校正然而仍然是必要的，可以像提到的那样在到达焦点位置之前不久(例如在焦点位置之前约50μm)中断这个过程。由发射元件所发射的束因此具有用于后续调整的足够小的发散。
图块303示出了根据本发明的调整方法的核心，其中能够通过在X和Y方向上相对于光学器件载体移动模块而相对于彼此定向发射束路径和接收束路径。这通过使用发射光学器件和接收光学器件的不同焦距的杠杆动作根据本发明来完成。由于在Y方向上的预安装在透镜的方向上的正面挡块处被执行，所以能够仅在负Y方向上执行调整，这引起发射光学器件的离焦。考虑到最大公差，设计布局允许在仅一个方向上的调整而不引起由于预安装位置代表极端设定而不得不执行在另一个方向上的调整的困难。为了避免离焦，在这种情况下可以在调整期间共同地在Y方向上移位移动发射光学器件，以使得预聚焦位置被维持。由于如所描述的，接收光学器件对焦点准确性具有不太严格的要求，所以通常能够排除与其的联合位移。在所表示的实施方式中，在Y方向上的调整由于偏向镜34而引起在发射束方向上的垂直调整，即发射束绕X轴的旋转移动，或换句话说，在与附图平面垂直的平面中的旋转。
在X方向上的调整引起发射和接收方向在附图平面中即绕Z轴的的倾斜。在这里，特别地，由于不同焦距而导致的杠杆动作的影响是特别显著的，以发射器和接收器的相同的X移动在发射和接收束路径中引起不同的角偏向。以这种方式，例如，一个束路径甚至可以超越另一个。
执行在X和Y方向上的调整，直至发射方向和接收方向相对于彼此具有所期望的定向为止，即例如直到至少近似地或者足够准确地到达了发射束路径的光轴和接收束路径的光轴在特定期望距离处的点处的交叉点为止。这可以例如通过设置电动机和对应的控制逻辑自动地、通过操作员半人工地或完全人工地完成。可以提供对应装置，以用于根据本发明的调整。
在调整已被执行之后，例如通过拧紧前述螺丝、粘接、夹紧等，在图块304中模块和光学器件载体相对于彼此被固定。
在图块305中，在模块和光学器件载体相对于彼此已被固定之后，准直透镜可以被从其预聚焦位置更进一步地压入。因为通常必须非常准确地设置准直透镜的焦点位置，例如具有在2-5μm范围内的公差，所以在这个第一示例性实施方式中，其未完成直到在调整已完成之后为止，并且部件的其余部分被固定在它们相对于彼此的位置处。借助于先前选择的预聚焦位置，应该在每种情况下确保通过向前压入透镜到达确切的焦点位置。
如果透镜的挤压底座的保持不是足够鲁棒的，则发射光学器件可以像在图块306中那样被附加地固定，例如粘接。这使测距仪的束路径的调整结束。
以对于本领域的技术人员来说明显的方式，还可以依照根据本发明的方法来调整就工程而言根据特定测距仪的要求被适应或者优化的EDM的其它实施方式。

Claims (15)

1.一种用于光电测距仪(99)的调整方法，该光电测距仪(99)包括：
■模块(100)，其该模块(100)具有彼此以刚性空间关系设置的：
■用于发射光发射射线(20)的照射源(1)，
■用于接收光接收射线(23)的检测器(10)，以及
■印刷电路板，
■光学器件载体(28)，该光学器件载体(28)具有：
■发射光学器件(21)以及
■接收光学器件(24)，
发射方向由所述照射源(1)和所述发射光学器件(21)限定，并且接收方向由所述检测器(10)和所述接收光学器件(24)限定，并且所述发射光学器件(21)和所述接收光学器件(24)具有不同的焦距，
并且
所述调整方法建立所述发射方向相对于所述接收方向的期望定向，
其特征在于
通过相对于所述光学器件载体(28)移位整个模块(100)来执行调整，所述移位通过分别不同大小的不同焦距的杠杆动作来引起所述发射方向和所述接收方向的、由移位引发的方向角改变，使得所述发射方向相对于所述接收方向的定向改变。
2.如权利要求1所述的调整方法，其特征在于，通过在第一横向方向上的移位来调整所述发射方向相对于所述接收方向的第一角定向。
3.如权利要求1或2中所述的调整方法，其特征在于，通过在第二横向方向上的移位来调整所述发射方向相对于所述接收方向的第二角定向，特别地其中所述第一横向方向和第二横向方向以及所述第一角定向和第二角定向分别彼此无关，特别是彼此正交的。
4.如权利要求3中所述的调整方法，其特征在于，通过在所述第二横向方向上的移位，改变所述接收方向，并且所述发射方向保持不变。
5.如权利要求1至4中任一项所述的调整方法，其特征在于，所述模块(100)承载在所述光学器件载体(28)的公共支承表面上并且限定所述横向位移的方向。
6.如权利要求1至5中任一项所述的调整方法，其特征在于，相对于所述接收光学器件(24)的所述发射光学器件(21)与它们的光轴正交的位置在调整期间保持不变，特别地其中所述发射光学器件(21)和/或所述接收光学器件(24)至多仅针对聚焦的校正在轴向上移位。
7.如权利要求1至6中任一项所述的调整方法，其特征在于，所述接收光学器件(21)在所述光学器件载体(28)中的位置在所述调整之前已经被明确地固定。
8.如权利要求1至7中任一项所述的调整方法，其特征在于
在所述调整之前，所述发射光学器件(21)在所述光学器件载体(28)中的位置被预校准成预聚焦设定，其中，由所述测距仪(99)发射的发射射线(20)的发散大于最佳准直的发散，特别地通过将所述发射光学器件(21)在所述光学器件载体(28)的管状凹部中移位，能够从所述预聚焦设定实现所述聚焦设定。
9.如权利要求8中所述的调整方法，其特征在于，通过所述发射光学器件(21)与所述模块(100)在所述发射光学器件(21)的焦点方向上的联合移位，在所述调整期间维持所述发射光学器件(21)的经预校准的预聚焦设定。
10.如权利要求1至9中任一项所述的调整方法，其特征在于
在所述模块(100)相对于所述光学器件载体(28)的调整和固定之后，执行所述发射光学器件(21)在所述焦点设定方向上的校准，以调整所述发射束路径(20)的期望发散，特别地通过将所述发射光学器件(21)压入所述光学器件载体(28)的管状凹部中。
11.如权利要求8至10中任一项所述的调整方法，其特征在于
在预校准之前，在使所述模块(100)仅能够在所述发射光学器件(21)的失准的方向上移位或者与该方向正交地移位的位置处，执行所述模块(100)相对于所述光学器件载体(28)的定位。
12.如权利要求1至11中任一项所述的调整方法，其特征在于
所述发射光学器件(21)和/或所述接收光学器件(24)包括偏向镜(27)。
13.如权利要求1至12中任一项所述的调整方法，其特征在于
所述发射方向相对于所述接收方向的期望定向被限定成使所述发射方向和所述接收方向在预定距离处至少近似地具有公共交叉点。
14.一种光电测距仪(99)，特别是手持式激光测距仪，该光电测距仪(99)具有：
■印刷电路板、光照射源(1)以及光检测器(10)，其被作为公共模块(100)相对于彼此固定不可移动地定位和定向，
■具有带有分别不同的焦距的发射光学器件(21)和接收光学器件(24)的光学器件载体(28)，特别地其中所述发射光学器件(21)和所述接收光学器件(24)仅能够在它们相应的光轴方向上相对于彼此移位，以及
■电子评估单元(13)，通过该电子评估单元(13)借助于所述检测器(10)的数字化接收信号基于信号飞行时间能够确定从所述测距仪(99)至目标对象(22)的距离(26)，
其特征在于
通过如权利要求1至13中任一项所述的调整方法来调整所述光电测距仪(99)。
15.如权利要求14中所述的测距仪(99)，其特征在于
所述照射源(1)在所述发射光学器件(21)的方向上与所述印刷电路板的表面平行地发射，
所述检测器(10)具有与所述印刷电路板平行设置的光敏区，
以及来自所述接收光学器件(24)的光借助于偏向镜(27)被引导到所述检测器(10)上，并且所述模块(100)能够在第一方向和第二方向上相对于所述光学器件载体(28)移位，并且在第三方向上承载在机械挡块上，特别地其中所述发射光学器件(21)能够轴向地相对于发射光学器件21的光轴被压入所述光学器件载体(28)的管状凹部中，以校准由所述光照射源(1)发射的射线。
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