CN104730673A - 用于跟踪目标的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种用于跟踪和可视化检查目标的光学系统，包括：图像传感器和透镜装置，该透镜装置相对于所述图像传感器沿所述光学系统的光路具有可变的位置以将所述目标的图像投射在所述图像传感器上；光源，用于在所述目标的方向上发出预定波长范围的光；以及滤波器开关，该滤波器开关用于将光学滤波器切入所述光路和切出所述光路以可选地执行跟踪的可视化检查和监控，该光学滤波器用于选择性地允许预定波长范围内的光通过所述图像传感器。提供跟踪装置，用以当所述第一光学滤波器切入所述光路时，使用所述预定波长范围内的反射光，在由所述图像传感器得到的所述目标的图像序列内执行目标的跟踪。

Description

用于跟踪目标的光学系统

技术领域

本发明涉及用于跟踪目标的光学系统和方法。

背景技术

光学仪器(例如视距仪或全站仪)通常包括透镜或光学装置(例如望远镜和图像传感器)，以及使光学仪器与目标对准的致动器。当光学仪器与目标对准时，可以进行角度测量和距离测量以确定目标的位置。

当光学仪器与目标对准时，通常使用具有十字准线的目镜或使用显示器(在显示器上面可以看到由图像传感器捕获的目标图像和十字准线)来执行该对准的可视化控制。

这种光学仪器不仅可以用来确定非移动对象的位置；而且他们可以适合于跟踪移动的目标。例如，当跟踪移动的目标时，光学仪器与目标对准。该光学仪器包括用以在图像传感器的一系列图像上识别目标的图像分析装置，并且还包括伺服电机，该伺服电机允许光学仪器始终与移动的目标重新对准以便跟踪它。

例如，应用的领域包括道路施工，其中例如必须确定推土机的位置并且在确定的位置的基础上可以将精确控制的控制命令发给推土机。这里，通常的情况是，合作目标被连接至对象(例如反射器)，使用用于距离测量的激光器使光学仪器与该对象对准。反射的激光被检测并用于跟踪目标。此外，还可以用可见光谱范围内的光执行该跟踪。

然而在实际应用中，问题通常是，近距离的目标图像以高角速度在图像传感器上移动，并且光学仪器的伺服电机或通过调节透镜在图像传感器上的成像区域不足以连续跟踪目标。进一步地，当目标移动接近位于光学仪器附近的对象(例如树木、车辆、墙壁等)时，会发生覆盖。由于以下事实，这个问题变得更加严重：对于精确的角度测量，当跟踪目标时，通常使用覆盖窄角度范围的透镜，因此通过可视化控制或目标的自动跟踪的方式找到目标是困难的。

为了解决这个问题，除了提供用于跟踪的光学装置之外，还可以提供广角透镜，通过该广角透镜更容易找到目标，然后可以用跟踪透镜定位。然而，由于对于不同的目的而不得不提供不同的透镜，因而这是繁琐的。平行偏移在测量方面是不利的。对于精确的测量，在这种情况中极其复杂的校准是必要的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供光学系统和方法，通过该光学系统和方法，可以进行近距离和远距离两种情况下的目标的合适跟踪，而同时还可以促进光学监控。

本发明的目的是通过独立权利要求的主题来实现的。在从属权利要求中可以找到有利的实施方式。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的实施例的用于跟踪目标的光学系统的布置；

图2示出根据本发明的实施例的图像传感器；

图3示出根据本发明的实施例的用于跟踪目标的方法；

图4示意性地示出根据本发明的实施例的光学系统的布置；

图5示出用于在目标的方向上发出光的光源的实施例；

图6示意性示出根据本发明的实施例的用于跟踪目标的光学系统；以及

图7示出根据本发明的实施例的用于跟踪目标的光学系统。

具体实施方式

根据一个实施例，用于可视化成像和/或跟踪目标的光学系统包括：图像传感器和透镜装置，该透镜装置相对于所述图像传感器沿所述光学系统的光路具有可变的位置以将目标图像投射至图像传感器上；光源，用于在目标的方向上发出预定波长范围的光；第一光学滤波器，用于选择性地允许该预定波长范围内的光在图像传感器的方向上通过；滤波器开关，用于将第一光学滤波器切入光路和切出光路；以及跟踪装置，用于当第一光学滤波器切入光路时，使用预定波长范围内的反射光，在由图像传感器得到的目标的图像序列上跟踪目标。

因此，光学仪器可以配备有透镜以自该光学滤波器切入光路之后可视化监控在可见光谱范围内的目标并使用在一定波长范围内的光跟踪它。此外，通过相对于带有不同设置的图像传感器具有可变位置(由此得到图像角度范围)的透镜装置，执行目标的跟踪，使得尤其在近距离处目标不会丢失，即目标图像移出由图像传感器检测的范围或者被其它对象遮盖之后不再在图像传感器上。

由于提供用于近距离和远距离两种情况下跟踪的一个镜头，而不是近距离和远距离跟踪采用不同的透镜，因此可以避免两个透镜之间的平行偏移以及与其相关的缺点。

该跟踪装置可以适于，通过确定目标在图像传感器上的图像的位置以及对准光学系统的光路，使得目标图像的位置变得停留在其中并被保持在预定跟踪位置，来执行目标跟踪，以及该跟踪装置还适于，如果由于目标运动，用于将目标图像保持在跟踪位置的光路的对准是不可能的，则通过跟踪图像传感器上目标图像的变化位置，来执行目标跟踪。

进一步地，可以提供激光装置用以在目标的方向上沿光路发出激光，该跟踪位置被指定作为由目标所反射的激光在图像传感器上的位置，发出的激光用于测量到光学系统的距离。使用光学带通滤波器，通过图像传感器可以检测激光。

电机单元可以移动透镜装置相对图像传感器进入以广角设置的透镜位置以及进入以窄角设置的透镜位置，并且例如当由于目标运动而用于保持目标图像在跟踪位置的光路对准是不可能的时，可以将透镜装置置于广角设置中，以及当由于目标运动而用于保持目标图像在跟踪位置的光路对准是可能的时，可以将透镜装置置于窄角设置中。

目标跟踪期间，电机单元可以移动透镜装置从广角设置的位置进入窄角设置的位置并且因这样做而执行透镜装置的运动从广角范围的透镜位置通过与中间角范围相应的透镜位置的预定数进入窄角范围的透镜位置。

中间角范围的预定数可以选择，使得在邻接的中间角度范围内透镜装置的视野范围深度重叠相应的透镜位置。

此外，在广角范围、中间角范围和窄角范围内的透镜装置的透镜位置可以选择，以便维持图像传感器上目标图像的大小。对于在广角范围、中间角范围和窄角范围内的透镜装置的透镜位置，当跟踪目标时，校准值可以用于竖向准直误差和横向准直误差以校正测量的角度值。通过测量在两个望远镜位置的对象(即透镜装置的两个对象位置)，可以在各自透镜位置确定校准值。

进一步地，电机单元可以从相同方向接近在广角范围、中间角范围和窄角范围内透镜装置的各自透镜位置，以便最小化定位误差。

根据进一步的实施方式，光源通过发射激光的电子测距仪EDM和/或围绕透镜装置布置的多个发光二极管提供。多个发光二极管可以包括具有窄光束发散特性的第一组发光二极管和具有宽光束发散特性的第二组发光二极管。多个发光二极管或电子测距仪可以与图像传感器的曝光时间同步脉冲。所发出的光被目标(该目标可以是有源目标或合作目标或无源目标)反射，并撞击图像传感器。

根据进一步的实施方式，该光学系统包括第二光学滤波器，用于选择性地阻止预定波长范围内的光，并且该滤波器开关适于将第二光学滤波器切入光路，以便用图像传感器拍摄目标的可视图像。该滤波器开关可以通过持有第一光学滤波器和第二光学滤波器的滤光轮提供，并且通过旋转该滤光轮来产生第一光学滤波器和第二光学滤波器进入光路和离开光路的切换。通过连续旋转滤光轮以随着滤波器的切换在跟踪目标与拍摄可视图像之间随时间交替，可以促进在目标跟踪期间的目标的可视化监控。

根据进一步的实施方式，该光学系统包括监控二极管，其沿着光路发送光作为在图像传感器的方向上的监控光。替代地，可以提供反射器和分束器，其引导用于距离测量的激光的一部分沿着光路作为在图像传感器的方向上的监控光。校正单元可以检测由于透镜装置的透镜的横向位移监控光在图像传感器上位置的位移，并使用该位移校准跟踪位置。

该光学系统可以是全站仪。

在下文中，参考图1，将描述根据本发明的实施例的用于跟踪目标的光学系统的原理布置图。

该光学系统包括：图像传感器110和相对于图像传感器沿着光学系统100的光路具有可变的位置以投射目标图像至图像传感器110上的透镜装置120。该目标可以是任何对象，包括固定到一个将被监控的对象的反射器。

提供光源130，用于在目标的方向上发出预定波长范围内的光。在预定波长范围内的光在光学系统的方向上被目标反射并进入透镜装置120。提供第一光学滤波器140，且其选择性地允许在该预定波长范围内的光在图像传感器110的方向上通过。提供滤波器开关150以将第一光学滤波器移入光路和移出光路(即切换)。

根据图1中的光学系统，通过预定波长范围内的光，使用单一的透镜或透镜装置和图像传感器通过将第一光学滤波器切入光路和切出光路可以跟踪目标，并且在跟踪目标时还执行目标的区域或周围的可视化监控。当将第一光学滤波器切入光路时，仅仅引导由光源在目标的方向上发出并由所述目标反射的预定波长范围内的光通过光学装置、滤波器到达图像传感器。因此，仅仅预定波长范围内的光在图像传感器上，这促进简化目标跟踪。当将第一光学滤波器切出光路时，特别是例如，目标和周围环境的可见光谱范围内的光也通过光学装置并撞击图像传感器，通过这样的方式目标区域的可视化监控是可能的。此外，可以在将滤波器切出的相位切断光源。

优选地，可以使用合作目标，例如用于预定波长范围的光的反射器，其还支持跟踪。进一步地，可以使用有源目标，其发出预定波长范围的光。预定波长范围的光可以是红外范围或近红外范围的光。例如，该目标可以包括光源，其发出红外范围或近红外范围的光。但是，其它波长范围的光也可以用于跟踪。

例如，该光学系统可以是视频视距仪或全站仪，通过由与目标对准的透镜装置(例如透镜装置120)限定的光路，通过视频视距仪或全站仪可以跟踪对象或目标。如果该光学系统已经与目标对准，可以进行相应的角度测量值来确定对象的位置，例如，通过确定竖向角度和水平角度。

在一个示例中，光学系统是安装于三脚架上的这种视距仪或全站仪的一部分，该三角架可以设置在地面上。在地面上设置好且已经确定设置位置之后，通过对准光路可以把地面上的目标作为目标并如所已知的可以执行位置确定。

图像传感器110优选例如为二维矩阵中的光敏元件的装置。图像传感器可以是CCD(电荷耦合元件)传感器或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器或任何其它可用的图像传感器。

透镜装置一般可以是用以将光学系统周围环境的图像投射到图像传感器上或将其显示在所述图像传感器上的任何光学装置。此外，透镜装置优选具有多个固定的和可移动的透镜，例如包括，用于设置视场或张角的可移动透镜，用于设置焦点的可移动透镜，以及一个或多个固定的透镜。这些透镜还可以由透镜组来提供。该透镜装置一般可以容纳在形成光学系统的一部分的望远镜内。因此，该透镜装置的透镜位置可以由一个或多个可移动的透镜相对于图像传感器或其它透镜的位置来限定。

为了促进光学系统周围环境的直接的光学检查或可视化检查，可以提供目镜。然而，还可以构思，由图像传感器拍摄的光学系统周围环境的图像被采集并仅仅在显示器上显示。

优选地，该透镜装置设有可变焦距，使得不仅例如用透镜装置的广角设置可以跟踪近距离的光学目标，而且用透镜装置配置的窄角设置可以定位更远的对象。广角设置促进在图像传感器上较大的周围区域的成像，而窄角设置促进提高例如在远距离处的精确度。因此采用具有单一的光学装置来可视化监控目标的附加选择，本发明有利地促进近距离以及远距离的目标的监控和跟踪。

用于发出预定波长范围内的光的光源130可以是用于发出预定波长范围内的光的任何光源。例如，预定波长范围内的光可以是红外范围或近红外范围内的光，即红外光。此外，预定波长范围内的光可以是任何其他波长范围内的光，包括在可见光谱范围内的光，例如促进依赖于环境条件的跟踪的波长范围内的光(例如太阳辐射)。该光源在目标的方向上沿光路优选发出预定波长范围内的光，使得由目标反射的预定波长范围内的光在光学系统的方向上通过透镜装置并撞击图像传感器，由此目标图像被显示在图像传感器上。

用于选择性地允许在预定波长范围内的光在图像传感器方向上通过的第一光学滤波器140，可以是阻止相应的其它光组分而不阻止在预定波长范围内的光的任何光学滤波器。第一光学滤波器原则上可以在任何点(即，图像传感器前或图像传感器后或者在透镜装置内)切入光路。在图1中，通过示例示出，第一光学滤波器可以在透镜装置与图像传感器之间切换。用于将第一光学滤波器切入光路和切出光路的滤波器开关150优选地机械地耦合到第一光学滤波器上，使得当该开关被激活时，第一光学滤波器被旋转进入光路或移动进入光路。该开关150还可以包括电机单元以将光学滤波器设置成横向运动或旋转运动，以便以这种方式将第一光学滤波器切入光路然后切出光路用以过滤由目标反射的预定波长范围内的光。开关150还可以是机械式可切换的，例如由用户激活机械开关(例如在光学系统的外壳上)，或者它可以是由软件程序控制的开关以通过电机控制相应地移动第一光学滤波器。

跟踪装置160可以是能够确定跟踪的目标的位置的任何装置。该跟踪可以是光学系统或光路与目标的对准，以及光路对准的适当调整以跟随移动的目标。进一步地，该跟踪可以是在图像传感器上目标图像的图像处理的检测和/或在图像传感器上目标图像的变化位置的跟踪。

因此，当跟踪时，光学系统或由透镜装置限定的光路可以尽可能地与目标对准并可以跟踪它。然而，如果目标具有太高的运动速度或角速度，使得用于机械式调整光学系统的可能性不足以将光路重新定位到移动的目标上，则可以另外地或替选地跟踪图像传感器上目标图像的位置(例如，对于跟踪的特定部分)，以当目标速度再次降低时使光路与目标充分地重新对准。

此外，跟踪装置160能够适合于通过确定图像传感器上目标图像的位置并反复地对准光学系统100的光路执行目标的跟踪，使得图像传感器110上的目标图像的位置变得停在跟踪位置上并保持在预定跟踪位置。这意味着，例如通过图像传感器某一像素的增大的检测值或目标的其它图像特征，在图像传感器上检测目标图像。然后例如使用电机调整该光学系统的光路，使得即使当目标移动时光路继续与目标对准，从而使得目标图像再次停在初始位置(即，跟踪位置)。图像传感器上的跟踪位置可以是任何位置，优选是在图像传感器中心区域的一个像素或一组像素的位置。

此外，为了执行跟踪，如果由于图像的运动，用于保持目标图像在跟踪位置的光路的对准是不可能的，则跟踪装置优选适合于另外地或可替选地通过跟踪图像传感器上目标图像的变化位置执行目标跟踪。换句话说，在目标相对于光学系统的太高速度的情况中，通过对准光路的跟踪潜在地不足以总是将目标保持在图像传感器的跟踪位置上，而因此还可以检测图像传感器上的目标图像替选地或另外对准的光路并由此可以跟踪变化的位置。如果目标的相对速度随后再次降低，光路可以与目标重新对准，使得目标图像来到停止在并被保持在图像传感器上的跟踪位置。这还可以在目标临时覆盖的情况中执行，如果目标临时在传感器上不可见，当目标图像可以在传感器上再次看到时，可以以描述的一种或两种方法跟踪该图像。

在一个实施例中，跟踪装置包括：机械部件，以移动光学系统相应地进入光路的期望对准，例如以对准光学系统与目标，以及软件或硬件或组合部件，以促进用于跟踪图像传感器上的目标图像的相应的图像处理与对准光学系统。光学系统优选包括存储器、处理单元和适合于执行相应处理和控制的传感器或致动器或电机。

在下文中，参照图2将描述本发明的另一实施例。

图2示出由图像传感器110拍摄的目标的图像的示例。

在图2中，在图像传感器位置XY处，在图像传感器的中心区域中示意性地示出目标的图像，例如在X方向和Y方向上的图像像素的矩阵中。在图2中，假定目标图像精确地停在图像传感器的跟踪位置XY处。通过相对于彼此布置透镜装置和图像传感器，找到该跟踪位置，优选地，该跟踪位置可以是图像传感器的中心位置。跟踪位置是由透镜装置并将它与图像传感器对准所确定的位置，其中位于光路中(例如在透镜装置的光轴上)的目标被精确地显示在图像传感器上。

然而在实际情况中，这个标准是难以遵守在永恒基础，即在具有误差和机械运动的实际系统中，跟踪位置将不会精确地停在图像传感器的预定的区域，或依赖于温度、用途等，对于光学系统的操作会存在略微改变。这意味着，在图像传感器上的跟踪位置对于所有情况示例不是相同的位置而是依赖某一区域内条件可以改变的位置。因此在每一种情况(以及操作期间)中精确地指定跟踪位置，为此在图1中光学系统可以配备有用于沿着光路发射激光的激光装置210是令人满意的。跟踪位置然后可以被定义为反射的激光在图像传感器110上的位置。

例如，对电子测距仪所提供的的光学系统的激光装置可以被用作激光装置210。由于这种测距仪在目标的方向上发出激光并基于通过目标的激光反射以及在其由目标反射之后通过透镜装置的激光还撞击图像传感器，计算到目标的距离，该激光还可以用来指定跟踪位置。优选地，激光装置210被布置成将发射的激光耦合进入透镜装置的光路(例如通过分束器)，使得激光沿光路被发出并且在图像传感器方向上由目标反射或散射。根据透镜装置与图像传感器相对于彼此的位置，用于距离测量所发出的激光将在限定点(即跟踪位置)处撞击图像传感器。以这种方式，在操作的开始或还在某一间隔操作期间可以指定跟踪位置以便最小化误差。在图2中，示意性示出激光装置210，其发出平行于透镜装置的光，但这仅仅是一个示例。如上面所提及的，还可以通过分束器将激光耦合进入透镜装置的光路，使得该激光被导向进入透镜装置中心区域的区域。

为了促进或改善由目标所反射的激光在图像传感器上的检测，出于该用途可以将带通滤波器切入光路，使得仅仅在激光范围内的光可以通过透镜装置并撞击图像传感器。由于在图像传感器上仅仅激光是可见的，因而促进跟踪位置的确定。

由于在光学系统(例如具有电子测距仪的视距仪或全站仪)的操作期间，用于距离测量所发出的激光指定透镜装置的光轴(也就是其中距离测量的方向并因此位置的确定也是可以的)，故激光可以优选以这种方式用于确定跟踪位置。跟踪位置可以被指示作为在显示装置上的十字准线，优选作为十字准线的交点。

图3示出用于使用光学系统(例如来自图1和图2的光学系统)跟踪目标的方法的实施例。

例如，光学系统已经被定位在施工区域之后，可以开始目标(例如高速公路施工中的推土机)的跟踪。首先，在步骤S301中，使用相对于沿光学系统的光路所布置的图像传感器具有可变位置的透镜装置，将目标(例如在推土机上)的图像投射到图像传感器上。

在步骤S302中，使用光源在目标方向上发出预定波长范围内的光(例如在红外或近红外范围内的光)。由目标所反射的预定波长范围内的光被导向返回光学系统的方向上。

在步骤S303中，通过滤波器开关将用于选择性地允许预定波长范围内的光在图像传感器的方向上通过的第一光学滤波器切入光路，仅仅预定波长范围内的光被选择性地导向到到图像传感器。

在步骤S304中，使用跟踪装置，在由图像传感器获得的目标图像序列中使用反射光来跟踪目标。

由于第一光学滤波器可以被切入光路和切出光路，因而可以促进目标周围区域的可视化检查和通过跟踪装置使用预定波长范围内的光的跟踪。采用用于跟踪目标的方法，使用预定波长范围内的光可以光学监控并跟踪单个目标，同样地可以是依次跟踪的一组不同对象。为了这个目的，在每一种情况中执行该组对象的跟踪，例如在预定时期内用于一个对象，并然后在另一时期用于不同的对象。一旦在一个时期内已经跟踪所有对象，在一个时期内就可以依次跟踪第一对象。

图4示出光学系统的一个实施例，其中特别示出相对于图像传感器具有可变的位置的透镜装置的特性。

根据图4的光学系统与图1已经示出的光学系统的基本元件一致。在图4中，另外示出电机单元310，用于相对于图像传感器移动透镜装置。该透镜装置可以被移入在广角设置的透镜位置以及移入在窄角设置的透镜位置。在广角设置中，例如在图像传感器上描绘的光学系统的周围区域被示出为广角范围，使得光学系统的周围的大区域被示出在图像传感器上。广角范围尤其适合于跟踪近距离处的目标。进一步地，光学系统周围的较小角度范围可以被示出在图像传感器上，例如用于跟踪更远的目标。换句话说，因此窄角范围对应于透镜装置的变焦设置或长焦透镜设置，而广角范围对应于广角设置。

电机单元可以由单驱动单元或多驱动单元组成，以调整透镜装置中的一个或多个透镜相对于图像传感器的位置，优选距离。通过相对于图像传感器移动透镜，例如，在窄角设置和广角设置内，可以设置透镜装置的焦距和焦点以锐聚焦示出在图像传感器上的对象。电机单元优选地设置有控制单元，以执行期望的透镜移动，例如在误差情况中改变焦距或焦点。

由于几何条件，因而目标的图像在广角范围和窄角范围内具有不同特征。在广角设置中，由于目标移动，目标在图像传感器上的图像位置的变化比在窄角设置中慢。因此，广角设置特别适合于跟踪近距离处的目标，例如当在公路施工中配备有目标的推土机非常接近光学系统时。为了避免在图像传感器上的目标的图像位置的明显变化或快速变化，其将使得通过更新或跟踪图像传感器上的目标图像难以跟踪目标，广角设置优选与这种近距离目标或较高速目标的监控一起使用。如果对象是离光学系统更远的，则在图像传感器上目标图像的位置的变化速度降低，或者，相应地，当目标运动的速度在绝对值降低时，透镜装置可以优选置于窄角设置内，以便在这种设置中使用更大的跟踪精确度。

为了这个目的，例如当由于目标运动或其它因素(例如目标到光学系统的距离)而用于保持目标图像在跟踪位置处的光路对准是不可能的时，电机单元优选适合于放置透镜装置在广角设置中。此外，当由于目标运动(例如目标运动的降低的速度或目标到图像传感器更大的距离或相应地图像大小)而用于保持目标图像在跟踪位置处的光路对准是可能的时，电机单元可以优选地被提供以放置透镜装置在窄角设置中。

因此，本发明有利地允许在使用广角设置或可选择地使用窄角设置跟踪目标之间做出选择。由于当目标图像不再保持在跟踪位置或当它处于移动出图像传感器覆盖范围的风险时，切换至广角设置是可能的，从而可以避免在现有技术中频繁地发生的目标的丢失(即目标图像移动离开图像传感器的范围)。在这种情况中，提供具有控制命令的电机单元310以便执行相对于图像传感器的透镜装置的透镜相应的位置改变。此外，通过选择性地将第一光学滤波器切入光路或切出光路可以促进一个目标或多个目标的可视化检查，使得可见光的波长可以撞击图像传感器。然后可以在目镜或显示装置上看到以这种方式得到的光学系统的周围区域的图像。

根据上文，透镜装置在跟踪开始时优选被置于广角设置中，以便可靠地检测目标。在跟踪的过程中，例如当确保通过对准光学系统目标图像可以保持在图像传感器上的跟踪位置时，广角设置可以改变至窄角设置。如果目标图像通过对准光学系统不能保持在跟踪位置，和/或如果图像传感器上的目标图像移入或移出图像传感器的边缘区域，则窄角设置可以改变至广角设置，以便能够继续跟踪目标。

如果电机单元310可以适合于通过预定的与中间角度范围对应的透镜位置的数量执行透镜装置从广角范围的透镜位置到窄角范围的透镜位置的运动，则也是优选的。当光学性能在窄角范围与广角范围非常不同时，中间角度范围是有利的，使得在中间角度范围的跟踪或可视化检查是有利的。

中间角度范围的数值优选被选择成使得透镜装置的视野范围的深度在相邻的中间角度范围中重叠。因此，当在两个单一角度范围之间改变透镜装置时，目标可以在任何情况中以锐聚焦显示在图像传感器上，以便不会不利地影响光学跟踪或检查。在实际系统中，包括窄角范围和广角范围的整个光学范围可以包括5个至10个角度范围。

如果透镜装置在广角范围、在中间角度范围和在窄角范围内的的透镜位置可以被选择成使得图像传感器上目标图像的大小被维持或者或多或少地被维持，则也是优选的。目标图像的实际大小依赖于目标大小并还依赖于目标到图像传感器的距离以及透镜装置相对于图像传感器的设置。目前，单一的角度范围可以被选择成使得在每一个角度范围内，目标到光学系统的距离为：作为在与对应的角度范围内的透镜装置的设置相关的图像传感器上的与距离相关的目标图像的大小的减少的结果，图像传感器上的目标图像的大小被维持。对于目标到光学系统的某一测量距离，因而可以有利地选择角度范围，其产生保持图像传感器上的目标大小不变的光学性能。

在进一步有利的实施方式中，考虑以下事实：采用用于确定目标位置的光学系统所测量的角度包含误差，例如由于光学系统的轴不在适当位置产生的误差。作为在目标上执行角度测量的常见的光学系统，测量的仰角或竖向角度受到所谓竖向的准直误差的影响，且测量的横向角度(即水平角度)受到相应的横向准直误差的影响。因此总是必须通过相应的竖向或横向的准直误差来校正所测量的角度以便促进精确的测量。在制造和实施期间可以提前确定竖向和横向的准直误差，包括视野校准，即在操作期间的校准。在本领域中众所周知，通过在两个望远镜位置测量已知的目标可以确定竖向和横向准直误差。

显然，竖向准直误差和横向准直误差尤其依赖于透镜装置相对于图像传感器的位置，因此不同的竖向和横向准直误差针对相应的角度范围。根据本发明，因此对于图像传感器上预定位置的校准值有利地用于透镜装置在广角范围、在中间角度范围和在窄角范围中的透镜位置的竖向准直误差和横向准直误差，以便当跟踪目标时校正所测量的角度值。适用于单一的角度范围(即，透镜装置的透镜位置)的误差校正可以被提前存储在光学系统的存储器中，使得当将透镜装置设置在某一角度范围时，用于预定的图像传感器位置x、y的相应的校正值可以从存储器中读取并且计算。对于在该角度范围内的一个或多个透镜位置，校正值可以被保留用于图像传感器上的一个或多个位置。

例如，角度误差依赖于光学系统的设置角度。对于每一个设置角度(水平和竖向)，因此必须在操作之前或操作期间得到相应的校正值。此外，角度误差还可以依赖于所设置的焦距和/或焦点。因此，基于在透镜装置的各自的角度位置中所测量的误差值，可以使用有效的校正值来确定在光学系统中用于角度设置的所需的角度校正值。

为了响应随着温度变化或老化或随其他影响的结果而变化的误差，可以在光学系统操作期间、光学系统操作之前和/或在光学系统的制造期间依赖于在光学系统的角度设置(水平的和竖向的)确定用于广角范围、中间角度范围和窄角范围的竖向准直误差和横向准直误差的相应的校准值，并且这些可以存储在存储器中。

如果在操作期间执行校准，则通过电机单元接近对应于角度范围的各自的透镜位置，并相应地确定测量误差，例如通过测量在两个望远镜位置已知的目标。

由于准直轴误差在很大程度上依赖于透镜位置和透镜装置，因此在用于测量的角度范围方面，对应于该角度范围的透镜位置可以被保持具有最高的精确度是值得的。由于当设置透镜位置离开具有在测量精确度有影响的各种初始位置或为这个位置保持的校准值的适应性时，即使电机的定位误差已经被建立，如果在每一种情况中从相对于图像传感器相同的方向接近在各自的角度范围(即在广角范围、在中间角度范围和在窄角范围)的透镜装置的透镜位置是优选的。这允许最小化定位误差，并且提高测量结果的可靠性和为各自的透镜位置和角度范围保持的校准值的适应性。

图4中示出的光学系统的布置允许执行具有相对于图像传感器的各种角度范围和透镜装置的透镜的透镜位置的一个目标或多个目标的跟踪。

当通过对准光学系统跟踪目标或移动图像传感器上的目标图像离开图像区域时，这有利地可以在远距离范围或速度范围内跟踪目标而不需要避免现有技术中的上述问题。

此外，通过相应地将第一光学滤波器切入光路和切出光路，选择性地跟踪或可视化检查光学系统的周围环境是可以的。

根据本发明的一个实施例，图5示出了光源，该光源用于发出在预定波长范围内的光，例如在红外范围或近红外范围内的光。

在图5中，在顶视图中示意性地示出透镜装置120。光源130以环形设置在透镜装置120的周围。由于光源130围绕透镜装置120的对称布置，因此尽管光源的单个元件的偏心布置不在光路或透镜装置的中心区域，然而可以实现目标照度的相应效果。光源130有利地包括多个发光二极管510，其优选以等间距隔开排列并以环形布置在透镜装置120的周围。发光二极管发出预定波长范围内的光，例如在红外范围或近红外范围或任何其它范围的光，其由目标反射并进入透镜装置120并通过它来撞击图像传感器。

在一个示例中，发光二极管510可以具有相应的光束发散特性，以便提供光学系统的周围环境的均匀照度。

进一步地，发光二极管510可以分成第一组发光二极管和第二组发光二极管，使得例如每一个第二发光二极管在圆周的方向上属于第一组且每一个第二发光二极管在圆周的方向上被定义为属于第二组。第一组的发光二极管可以具有窄光束发散特性和/或第一波长范围且第二组的发光二极管可以具有宽光束发散特性和/或第二波长范围。窄光束发散特性优选用于在窄角范围(即在到光学系统的较大距离)内目标的照度，并且具有宽光束发散特性的第一组发光二极管用于在广角范围内周围环境的照度。可以优选地选择第一和第二波长范围，使得依赖于各种环境条件(例如太阳辐射、人工灯光等)，和/或目标的反射特性或有源目标的辐射特性，促进跟踪在不同波长范围内的光。为了这个目的，二极管可以被一起或选择性地操作。

依照波长范围，可以提供不同的滤波器，其被枢转进入光路。

用于测量至电子测距仪或EDM的距离的激光，可以用作为了照亮目标的光源。

在进一步优选实施方式中，可以定义多组发光二极管，具有光束发散特性的每一组发光二极管以最佳方式照亮在对于角度范围各自距离的对象。

多个发光二极管可以与图像传感器110的曝光时间被同步脉冲，使得在预定波长范围内的光仅仅在图像传感器的曝光时间发出并因而延长电池寿命。

图6示出了根据本发明的另一实施例的光学系统。

特别地，图6说明了光学系统的使用，该光学系统用于跟踪和用于类似的光学系统的周围环境和目标的可视化监控或检查。

如上面所提及的，发光二极管或光源130发出在目标的方向上预定波长范围内的光，其在图像传感器的方向上被反射并导向通过透镜装置。为了在可见光谱范围内改善光学系统的可视化呈现，可以提供用于选择性地允许适合可视化成像的光谱范围通过的第二光学滤波器。使得这些波长的光不会撞击图像传感器110。进一步地，在一个实施方式中，滤波器开关适合于将第二光学滤波器切入光路以使得可以用图像传感器拍摄目标的可视图像。优选地，当切换第二光学滤波器610时，第一光学滤波器140将被切出光路。通过开关150，或通过机械开关或具有供应有相应命令控制的电机的开关可以执行第一光学滤波器140对于第二光学滤波器610的切换。

在优选实施方式中，通过支撑第一光学滤波器和第二光学滤波器的滤光轮可以提供滤波器开关150，并且通过旋转滤光轮实现第一光学滤波器和第二光学滤波器进入光路和离开光路的切换。

在另一优选实施方式中，随着滤波器(即第一光学滤波器和第二光学滤波器)的切换，滤光轮可以连续不断地旋转，使得可以在跟踪目标与拍摄可视图像之间交替，以便在跟踪对象期间促进目标的可视化监控。

图6通过与相应的滤波器连接的单光学装置的使用允许在一个或多个目标的可视化检查和跟踪之间改进的开关的准备，以在使用预定波长范围内的光跟踪目标与目标的可视化检查之间切换。

图7示出根据本发明的另一实施例的光学系统的布置。

图7示出具有总共4个的透镜装置710，其中两个透镜通过电机720可以相对于图像传感器110而移动。

如上面所解释的，当跟踪目标与确定目标的位置时，精确的角度测量结果是最重要的。但是，在具有移动的透镜和透镜的定位误差的装置中测量结果的精确度被削弱。特别地，随着移动的透镜公差会导致以下事实：虽然透镜具有相同的期望位置(例如连续不断的具有相同角度位置的目标测量)，但是由于在位置的实际控制中的定位误差，故测量值的精确度被大大地削弱。

特别地，由于定位误差会有随机性，因而在致动器、悬挂装置等情况中的公差会导致透镜的相同的位置设置产生不同的实际位置。

然而，为了执行对目标的角度的精确测量，需要透镜的精确定位或定位误差的知识。

如上面所提及的，目标的精确跟踪要求跟踪位置或跟踪位置的精确度作为在电子测距仪测量到对象的距离中的位置。如上面所描述的，可以执行用测距仪来跟踪位置的确定。然而，在操作期间，跟踪位置不能被确定或校正而不干扰操作。

因此，在另一实施例中提供了监控二极管730，其沿着光路发出光，该光作为在图像传感器110的方向上的监控光。在图像传感器的方向上，在图7的示例中的监控二极管通过分束器(例如半透明反射镜或具有不同光分布比率的反射镜)提供监控光。尽管如上面所描述的相同的位置设置(特别在横向方向上)，然而透镜位置的随机变化在图像传感器上引起来自监控二极管的光的碰撞点的转换。来自监控二极管的光的碰撞点从理想透镜位置的碰撞点的差异可以得到关于透镜的位置误差幅度的结论，并可以得到跟踪位置的相应的校正。换句话说，基于图像传感器上监控光实际位置到图像传感器上监控光的期望的位置的距离(例如用零误差透镜定位)，可以校正图像传感器上的跟踪点。例如，如果监控光的撞击点在每一种情况中在图像传感器的正面方向与图像传感器的竖向方向(例如，在图2中)移动1像素，则跟踪位置在图像传感器上X方向和Y方向上可以相应地移动1像素并可以作为用于目标跟踪的基础。

作为监控二极管的替代选择，可以提供反射器，其通过分束器(例如半镜或具有不同配光率(light distribution ratio)的镜)反射由电子测距仪740发出的激光的部分并将其导向到图像传感器的方向上。根据来自监控二极管730的光，激光在图像传感器上的撞击点的位置将随着透镜的随机的横向移动而改变，使得如在监控二极管的情况中，跟踪位置可以被校正。

因此，可以额外地提供校正单元，以检测在图像传感器110上的监控光或来自用于距离测量的激光的反射光的位置的位移(该位移是由于透镜装置120中的透镜的横向运动)，并可以相应地使用这个位移校正跟踪位置。使用图7中的布置，由于透镜的定位误差可以被考虑在内，因而尽管透镜装置具有变化的透镜位置，然而跟踪对象的精确度仍然可以提高。

Claims (23)

1.一种用于可视化成像和/或跟踪目标的光学系统，包括：

图像传感器(110)和透镜装置(120)，所述透镜装置(120)相对于所述图像传感器沿所述光学系统(100)的光路具有可变的位置以将所述目标的图像投射在所述图像传感器上；

光源(130)，用于在所述目标的方向上发出预定波长范围的光；

第一光学滤波器(140)，用于选择性地允许所述预定波长范围的光在所述图像传感器(110)的方向上通过；

滤波器开关(150)，用于将所述第一光学滤波器切入所述光路和切出所述光路；

跟踪装置(160)，用于当所述第一光学滤波器切入所述光路时，使用所述预定波长范围的反射光，在由所述图像传感器得到的所述目标的图像序列上跟踪所述目标。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述跟踪装置(160)适于通过确定所述目标在所述图像传感器上的图像的位置并对准所述光学系统(100)的光路，使得所述目标在所述图像传感器(110)上的图像的位置变得停在预定的跟踪位置并被保持在预定的跟踪位置，来执行所述目标的跟踪；以及

所述跟踪装置(160)还适于如果由于所述目标运动而用于保持所述目标的图像在所述跟踪位置的所述光路对准是不可能的，则通过所述目标在跟踪所述图像传感器(110)上的图像的变化的位置，来执行所述目标的跟踪。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，包括激光装置(210)，所述激光装置(210)用于在所述目标的方向上沿所述光路发出激光，且其中所述跟踪位置被指定作为在所述图像传感器(110)上由所述目标反射的激光的位置，发出的所述激光用于测量距所述光学系统(100)的距离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中使用光学带通滤波器通过所述图像传感器(110)检测所述激光。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，包括电机单元(310)，所述电机单元(310)用于相对于所述图像传感器将所述透镜装置移入以广角设置的透镜位置以及移入以窄角设置的透镜位置，并且如果用于保持所述目标的图像在所述跟踪位置的所述光路对准是不可能的，则将所述透镜装置置于所述广角设置，以及如果用于保持所述目标的图像在所述跟踪位置的所述光路对准是可能的，则将所述透镜装置置于所述窄角设置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述电机单元(310)适于在所述目标跟踪期间将所述透镜装置(120)从所述广角设置的位置移入所述窄角设置的位置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述电机单元(310)适于通过与中间角范围对应的透镜位置的预定数值，执行所述透镜装置(120)从所述广角范围的透镜位置进入所述窄角范围的透镜位置的运动。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述中间角范围的预定数值被选择成使得，所述透镜装置(120)的视野范围的深度重叠在相邻的中间角度范围内的对应的透镜位置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述透镜装置在所述广角范围、所述中间角范围和所述窄角范围中的透镜位置被选择成使得所述目标在所述图像传感器(110)上的图像的大小被维持。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中对于所述透镜装置(120)在所述广角范围、所述中间角范围和所述窄角范围内的的透镜位置，当跟踪所述目标时，用于预定的图像传感器位置的校准值用于竖向准直误差和横向准直误差以校正所测量的角度值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中通过测量在两个望远镜位置中的对象，在各自的透镜位置处确定所述校准值。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述电机单元适于从相同方向接近所述透镜装置(120)在所述广角范围、所述中间角范围和所述窄角范围内的各自的透镜位置以最小化定位误差。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述光源(130)通过发射激光的电子测距仪和/或由布置在所述透镜装置(120)周围的多个发光二极管(510)来提供。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述多个发光二极管(510)包括：具有窄光束发散特性和/或第一波长范围的第一组发光二极管，和具有宽光束发散特性和/或第二波长范围的第二组发光二极管。

15.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述光源(130)与所述图像传感器(110)的曝光时间同步脉冲。

16.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，包括第二光学滤波器(610)，所述第二光学滤波器(610)用于选择性地允许适合于可视化成像的光谱范围通过；并且其中所述滤波器开关适于将所述第二光学滤波器切入所述光路以采用所述图像传感器(110)拍摄所述目标的可视图像。

17.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中所述滤波器开关(150)通过支撑所述第一光学滤波器和第二光学滤波器的滤光轮来提供，并且其中通过旋转所述滤光轮来实现所述第一光学滤波器和所述第二光学滤波器进入所述光路和离开所述光路的切换。

18.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中随着所述滤波器的切换，所述滤光轮被连续旋转以在跟踪所述目标与拍摄所述可视图像之间交替，以在所述对象的所述跟踪期间促进所述目标的可视化监控。

19.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，包括监控二极管(730)，所述监控二极管(730)沿所述光路发出作为在所述图像传感器(110)的方向上的监控光的光。

20.根据权利要求1至18中任一项所述的光学系统，包括反射器和分束器，所述分束器沿着所述光路导向作为在所述图像传感器的方向上的监控光的用于距离测量的所述激光的一部分。

21.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，包括校正单元，所述校正单元用于检测由于所述透镜装置(120)的透镜的横向运动而使所述监控光在所述图像传感器(110)上的位置的位移，并用于使用所述位移来校正所述跟踪位置。

22.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的光学系统的全站仪。

23.一种用于可视化成像和/或跟踪目标的方法，包括：

使用相对于图像传感器沿所述光学系统的光路所布置的具有可变位置的透镜装置，将所述目标的图像投射到所述图像传感器上；

使用光源，在所述目标的方向上发出预定波长范围的光；

通过第一光学滤波器选择性地允许所述预定波长范围的光通过；

通过滤波器开关将所述第一光学滤波器切入所述光路和切出所述光路；

将所述第一光学滤波器切入所述光路；

使用在预定波长范围内的反射光，在由所述图像传感器获得的所述目标的图像序列中使用跟踪装置来跟踪所述目标。