CN105051568A - 用于光学测量到反射的或散射的目标物体的距离的设备 - Google Patents

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Abstract

用于光学测量到进行反射的或进行散射的目标物体的距离的设备(10)，所述设备具有距离测量装置(11)以及设置在所述距离测量装置(11)外的调节装置(12)，所述调节装置具有在第一位置和第二位置之间可调节的用于对激光射束进行射束整形的第二发射光学单元(17.1-17.6)，其中，第二发射光学单元(17.1-17.6)在第一位置中设置在激光射束中且在第二位置中设置在激光射束外。

Description

用于光学测量到反射的或散射的目标物体的距离的设备
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的用于光学测量到进行反射的或进行散射的目标物体的距离的设备。
背景技术
DE19727988A1公开了一种已知的用于光学测量到目标物体的距离的设备，该设备包括伸缩件、距离测量装置和用于匹配激光射束发散度或激光射束直径的调节装置。所述距离测量装置包括发射激光射束的射束源、接收在目标物上反射和/或散射的接收射束的探测器、以及具有用于对激光射束进行射束整形的发射光学单元和对接收射束进行射束整形的接收光学单元的射束整形系统。所述激光射束发散度或激光射束直径能通过在射束源上的激光射束的射出角、通过射束源与发射光学单元之间的光学行程的改变、或通过在射束源后面的附加的发射光学单元被改变。缺点在于，用于匹配在所述距离测量装置内的激光射束发散度或激光射束直径的所有提出的措施以及所述距离测量装置的稳定性降低。
由DE19840049A1已知一种用于光学测量到进行反射的或进行散射的目标物体的距离的设备。该设备包括距离测量装置和用于将激光射束匹配于目标物体的调节装置。该距离测量装置包括一个或两个射束源、探测器和具有发射光学单元和接收光学单元的射束整形系统。射束源产生具有大的射束发散度的第一激光射束和具有小的射束发散度的第二激光射束，其中，第一激光射束设置用于散射的目标物体的距离测量并且第二激光射束设置用于进行反射的目标物体的距离测量。
合适的激光射束的选择能够在射束源上或在探测器上实现。在一种实施形式中，第一激光射束和第二激光射束被同时发射并且射到目标物体上。在接收射束的射束路径中，光学过滤器设置在探测器之前，该光学过滤器只让第一或第二激光射束通过。该光学过滤器设置在能手动操作的或电机驱动的过滤轮或过滤滑动件中，它们将各光学过滤器引入到接收射束的射束路径中。缺点在于，为了将距离测量匹配于目标物体需要具有不同的射束发散度的两个激光射束。为了产生不同的射束发散度，需要多个射束路径和射束整形光学单元，这提高了空间需求。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于对反射和散射的目标物体进行光学距离测量的设备，其中，光学部件的数量减少并且对于部件的制造公差的要求也降低。
上述目的在开头所述的用于光学测量距离的设备中按本发明通过权利要求1的特征实现。有利的进一步扩展方案在各从属权利要求中给出。
按本发明设有在距离测量装置外设置的调节装置，该调节装置具有可在第一位置和第二位置之间调节的用于对激光射束进行射束整形的第二发射光学单元，其中，第二发射光学单元在第一位置中设置在激光射束中且在第二位置中设置在激光射束外。该第二发射光学单元具有这样的优点，即激光射束的射束发散度、射束直径或射束发散度和射束直径能匹配于目标物体的特性和/或匹配于至目标物体的距离。通过在距离测量装置外的调节装置的布置，距离测量装置的稳定性不会受损。发射的激光射束首先被第一发射光学单元准直并且被准直的激光射束射到第二发射光学单元上。通过被准直的激光射束射到第二发射光学单元上，对于调节装置的公差要求相对于发散的激光射束射到调节装置上的实施方案降低。
优选地，距离测量装置具有光学单元载体，该光学单元载体具有用于固定电子光学部件中的第一电子光学部件的第一容纳部和用于固定第一射束整形系统的第二容纳部。该光学单元载体尤其优选地构成为整体式的并且实现距离测量装置的紧凑的结构。尤其优选地，距离测量装置具有印刷电路板，所述印刷电路板具有用于固定电子光学部件中的第二电子光学部件的容纳部以及将印刷电路板与所述光学单元载体连接的连接装置。
在优选的实施方案中，第一发射光学单元构成为准直光学单元并且第二发射光学单元构成为分散光学单元。距离测量装置的准直光学单元产生准直的激光射束，该准直的激光射束接着射到调节装置的分散光学单元上。在此，准直光学单元的光学特性匹配于散射的目标物体，并且分散光学单元设置为用于进行反射的目标物体的距离测量。第二发射光学单元的在激光射束中的第一位置设置用于进行反射的目标物体，并且第二发射光学单元的在激光射束外的第二位置设置用于散射的目标物体。准直光学单元在进行反射的目标物体的距离测量中的优点在于，当准直的激光射束代替发散的激光射束射到调节装置上时，对于调节装置的制造公差的要求和在调整时的准确性降低。
尤其优选地，所述调节装置具有多个用于对激光射束进行射束整形的第二发射光学单元，其中，第二发射光学单元构成为具有不同扩散性能的分散光学单元。在此，分散光学单元的扩散性能匹配于进行反射的目标物体的不同的距离范围。为了确保激光射束在目标物体上反射并且作为反射的接收射束被距离测量装置检测，在到目标物体短的距离中需要激光射束的强的射束扩散。在距离测量装置到目标物体的长的距离中，激光射束的强的扩散可能导致只有激光射束小的份额在目标物体上反射且作为反射的接收射束射到距离测量装置上。如果被探测器测量到的接收射束的强度太小，那么距离测量的不准确性增加。具有不同的分散光学单元的调节装置实现激光射束的射束扩散匹配于进行反射的目标物体的距离范围。
合适的分散光学单元的自动选择能够在迭代的过程中实现。在第一步骤中，经由第一分散光学单元实现距离测量。将测得的距离值的强度与预定的值域比较。如果该强度低于值域的下限，那么激光射束过强地扩散，如果该强度高于值域的上限，那么该激光射束不够强地扩散。如果测得的强度在值域内，那么合适的分散光学单元设置在激光射束中。如果该强度在值域外，那么将第二分散光学单元设置在激光射束中并且执行另一次距离测量。将该距离值再次与值域比较。有利地，分散光学单元以升高的方式(增加射束扩散)或以降低的方式(减少射束扩散)设置在激光射束中。原则上也能任意地选择分散光学单元，以便迭代地确定合适的分散光学单元。
在优选的实施方案中，调节装置包括能绕旋转轴调节的光学单元轮。能将多个分散光学单元集成在构成为能绕旋转轴旋转的光学单元轮中，使得激光射束的射束扩散能匹配于进行反射的目标物体的距离范围。光学单元轮具有小的空间需求。光学单元轮的驱动能电机地通过电机驱动装置实现或手动地由操作人员执行。
在备选的实施方案中，调节装置包括能沿着平动轴调节的光学单元滑动件。光学单元滑动件的驱动能电机地通过电机驱动装置实现或手动地由操作人员执行。
在优选的进一步扩展方案中，调节装置具有能在第一位置和第二位置之间调节的用于对接收射束进行射束整形的第二接收光学单元，其中，第二接收光学单元在第一位置中设置在接收射束内且在第二位置中设置在接收射束外。该第二接收光学单元的优点在于，调节装置的特性能匹配于进行反射的目标物体的特性和/或匹配于至进行反射的目标物体的距离。借助该第二接收光学单元，在目标物体上反射的接收射束能受到阻尼，以便防止探测器过调。
尤其优选地，第一接收光学单元构成为聚焦光学单元并且第二接收光学单元构成为散射盘。在目标物体上反射的激光射束首先入射到散射盘上。通过散射盘的特性，入射到聚焦光学单元上的反射的激光射束的份额能被匹配。
尤其优选地，调节装置具有多个用于对接收射束进行射束整形的第二接收光学单元，其中，第二接收光学单元构成为具有不同特性的散射盘。在此，第二接收光学单元的特性匹配于进行反射的目标物体的不同的距离范围。通过不同的散射盘的特性，射到聚焦光学单元上的反射的接收射束的份额能被匹配。
在优选的进一步扩展方案中，第二发射光学单元和第二接收光学单元集成到共同的第二射束整形光学单元中。在此，第二射束整形光学单元尤其优选地能在第一位置和第二位置之间调节，其中，第二发射光学单元在第一位置中设置在激光射束内且在第二位置中设置在激光射束外，并且第二接收光学单元在第一位置中设置在接收射束内且在第二位置中设置在接收射束外。第二发射光学单元和第二接收光学单元集成到一个共同的第二射束整形光学单元中简化了调节装置的结构并且减少需要的部件数量。需要的部件越少，那么距离测量装置和调节装置可设计为越紧凑。
在距离测量装置的共轴的结构中，发射光学单元和接收光学单元彼此共轴地设置，并且在距离测量装置的轴平行的结构中，发射光学单元和接收光学单元相邻地设置。
附图说明
下面根据附图说明本发明的实施例。这些附图应当不必须按尺寸比例地示出实施例，而是以示意性的和/或易变型的形式详细说明用于解释的附图。鉴于由附图直接可识别的教导的补充，参照有关的现有技术。在此要考虑的是，可能存在涉及实施例的形式和细节的多种多样的修正和改变，而不偏离于本发明的总体构思。在说明书中、附图中以及权利要求书中公开的本发明的特征能不仅单独而且以任意的组合对于本发明的进一步扩展方案是重要的。此外，至少两个在说明书中、附图中和/或权利要求书中公开的特征的所有组合也落入本发明的范围。本发明的总体构思不限于在下面示出的和说明的优选的实施例的精确的形式或细节，或不限于与在各权利要求中的要求保护主题相比被限制的主题。在给出的大小范围中，作为极值的在所述的边界内的值也应是公开的、可任意使用的和要求保护的。为了简单，下面对于同样的或类似的部件或为具有同样的或类似的功能的部件使用相同的附图标记。
图示：
图1示出按本发明的用于光学测量到进行反射的或进行散射的目标物体的距离的设备，该设备包括距离测量装置和设置在距离测量装置外的能电机调节的调节装置；
图2示出图1的距离测量装置和能电机调节的调节装置的结构的细节；
图3示出按本发明的用于光学测量距离的设备的备选的实施形式，该设备包括距离测量装置和调节装置；
图4示出图3的调节装置的备选的实施形式；以及
图5示出用于在具有摄像装置的测量仪器中光学测量距离的在图1中示出的按本发明的设备。
具体实施方式
图1示出按本发明的用于光学测量到进行反射的或进行散射的目标物体的距离的设备10的第一种实施形式，该设备包括距离测量装置11和设置在距离测量装置11外的调节装置12。在此，所述距离由发射的激光射束和在目标物体上反射和/或散射的接收射束之间的时间差确定。借助于调节装置12，激光射束和接收射束匹配于目标物体的特性和也许匹配于至目标物体的距离范围。在目标物体中，进行反射的目标物体(激光射束在其中主要被反射)与散射的目标物体(激光射束在其中主要被散射)不同。
距离测量装置11包括光学单元载体13和通过连接装置15与光学单元载体13连接的印刷电路板14。在距离测量装置11中产生激光射束，该激光射束通过在光学单元载体13中的输出耦合口16从测量装置11射出并入射到调整装置12上。调整装置12包括六个不同的光学元件17.1-17.6，这些光学元件固定在可旋转的光学单元轮18中并且借助于电机的驱动装置19能绕旋转轴20旋转。
调节装置12的光学元件17.1-17.6构成为具有用于激光射束的发射光学单元和用于接收射束的接收光学单元的射束整形光学单元。在此，发射光学单元和接收光学单元分别设置为彼此共轴的且集成到射束整形光学单元17.1-17.6中。射束整形光学单元17.1-17.6在它们的射束整形的特性方面不同，并且设置为用于在不同的距离范围中的进行反射的目标物体的距离测量。发射光学单元构成为具有激光射束的不同的射束扩散的分散光学单元。进行反射的目标物体到距离测量装置11的距离越小，那么激光射束必须越强地被扩散。接收光学单元构成为散射盘。通过散射盘的特性，反射的接收射束的射到距离测量装置11上的份额被匹配。光学单元轮18除了六个射束整形光学单元17.1-17.6具有另一容纳部21，在该容纳部中不嵌入射束整形光学单元并且不进行激光射束和接收射束的射束整形。
光学单元轮18与轴元件22不可相对转动地连接，该轴元件能由驱动电机23绕旋转轴20旋转；经由角度传感器装置检测驱动电机23的旋转角。光学单元轮18绕旋转轴20的驱动能备选地通过手动的旋转装置实现。光学单元轮18能通过绕旋转轴20的旋转设置在七个角度位置中。在六个角度位置中，射束整形光学单元17.1-17.6之一设置在激光射束中，并且在第七个角度位置中射束整形光学单元17.1-17.6设置在激光射束外和接收射束外。第七个角度位置设置用于散射的目标物体的距离测量，反之，其中射束整形光学单元17.1-17.6之一设置在激光射束和在接收射束中的角度位置设置为用于进行反射的目标物体的距离测量。
图2示出图1的按本发明的用于光学测量距离的设备10的距离测量装置11和能电机调节的调节装置12的结构的细节。
距离测量装置11包括构成为射束源31的第一电子光学部件、构成为探测器32的第二电子光学部件、射束整形系统33、射束分配光学单元34、光学单元载体13和印刷电路板14。射束整形系统33包括用于对激光射束进行射束整形的发射光学单元35和用于对接收射束进行射束整形的接收光学单元36，它们集成到共同的射束整形光学单元33中。射束源31、射束整形光学单元33和射束分配光学单元34固定在光学单元载体13上，并且探测器32固定在印刷电路板14上。光学单元载体13具有用于射束源31的第一容纳部37、用于射束整形光学单元33的第二容纳部38和用于射束分配光学单元34的第三容纳部39。探测器32在印刷电路板14上固定在另一容纳部40中。
射束源31构成为产生可见的或红外的激光射束41的激光二极管。探测器32构成为接收由目标物体反射和/或散射的接收射束42的光电二极管。射束分配光学单元34将激光射束与共轴延伸的接收射束分开，它设置在射束源31与射束整形光学单元33之间的激光射束的射束路径中，以及设置在射束整形光学单元33和探测器32之间的接收射束的射束路径中。控制和评价装置43与射束源31和探测器32连接，并且由参照射束和接收射束之间的时间差确定到目标物体的距离。
探测器32设置在印刷电路板14的朝向光学单元载体13的前侧44上，并且通过焊接连接与印刷电路板14固定连接，其中，探测器32例如能在制造印刷电路板14时自动地装配和焊接。探测器32仅由印刷电路板14机械地保持，不存在将探测器32与光学单元载体13直接连接的连接结构。光学单元载体13在朝向探测器32的侧面上敞开地构成，并且以一个接触面通过连接装置15与印刷电路板14连接。连接装置15在校准距离测量装置11期间可松开地构成。
在激光射束41的射束路径中，在射束源31和射束分配光学单元33之间设置有集成在整体式的光学单元载体13中的光阑45。光阑45用于限制射束源31的开口角度和将激光射束41的几何形状匹配于射束分配光学单元34和射束整形光学单元33。在射束源31和光阑45之间设置有如光阑45一样集成在整体式的光学单元载体13中的光阱46。光阱46用于吸收入射的光和阻止不期望的反射。为此，光阱46在内侧上设有低反射的吸收涂层。通过光阑45和光阱46减少了从射束源31到探测器32的光学的和电的串扰。
在图2中示出的设备10中测量到进行反射的目标物体47的距离，该目标物体相对于距离测量装置11以短的距离设置。射束整形光学单元17.2设置用于测量与在短距离中的进行反射的目标物体的距离，并且因此设置在激光射束和接收射束的射束路径中。射束整形光学单元17.1具有用于对激光射束41进行射束整形的发射区域48和对接收射束42的进行射束整形的接收区域49。发射区域称为第二发射光学单元48且接收区域称为第二接收光学单元49。第二发射光学单元48和第二接收光学单元49集成在共同的射束整形光学单元17.1中。类似于射束整形光学单元17.1，光学单元轮18的射束整形光学单元17.2-17.6分别具有称为第二发射光学单元48的发射区域48和称为第二接收光学单元49的接收区域49。
射束源31发射向射束分配光学单元34定向的激光射束41。激光射束41的尽可能多的部分在射束分配光学单元34上传送，并且射到实现第一射束整形的第一发射光学单元35上。第一发射光学单元35构成为准直光学单元，该准直光学单元使激光射束41准直并且作为被准直的激光射束51向第二发射光学单元48定向。准直光学单元35的光学特性匹配于散射的目标物体的距离测量。准直的激光射束51射到第二发射光学单元48上，该第二发射光学单元设置在准直的激光射束51的射束路径中并且在该第二发射光学单元上实现激光射束51的扩散。扩散的激光射束52射到目标物体47上并且在目标物体47上反射。
在目标物体47上被反射的接收射束42射到第二接收光学单元49上，该第二接收光学单元将接收射束42整形并且作为简单成形的接收射束53向第一接收光学单元36定向。在第一接收光学单元36上实现接收射束53的进一步射束整形。二次整形的接收射束54向射束分配光学单元34定向并且在射束分散光学单元34上转向。转向的接收射束55射到探测器32上。射束分配光学单元34确保实现，转向的接收射束55的光轴和发出的激光射束41的光轴相互不同。
图3示出按本发明的用于光学测量到反射或散射的目标物体的距离的设备60的备选的实施例，所述设备包括距离测量装置61和调节装置62。距离测量装置61与距离测量装置11的不同在于，将激光射束和接收射束的射束路径平行错开地设置。距离测量装置11具有射束源31与探测器32的所谓的共轴的布置，并且距离测量装置61具有轴平行的布置。
除了射束源31和探测器32，距离测量装置61包括具有用于对激光射束进行射束整形的第一发射光学单元64和对接收射束进行射束整形的第一接收光学单元65的射束整形系统63。射束源31、第一发射光学单元64和第一接收光学单元65固定在光学单元载体13上并且探测器32固定在印刷电路板14上。整体式的光学单元载体13具有用于射束源31的第一容纳部66、用于第一发射光学单元64的第二容纳部67和用于第一接收光学单元65的第三容纳部68。探测器32在印刷电路板44上固定在另一容纳部69中。
调节装置62包括用于激光射束的第一调节装置71和用于接收射束的调节装置72。第一调节装置71包括光学元件73，该光学元件固定在第一光学单元轮74中并且能绕第一旋转轴75旋转地构成。光学元件73构成为分散光学单元并且称为第二发射光学单元73。第一光学单元轮74除了第二发射光学单元73具有不嵌入射束整形光学单元的另一个容纳部76；此外具有不同的射束扩散的其他的第二发射光学单元73设置在第一光学单元轮74中。第二调节装置72包括固定在第二光学单元轮78中并构成为能绕第二旋转轴79旋转的光学元件77。光学元件77构成为散射盘并且称为第二接收光学单元77。第二光学单元轮78除了第二接收光学单元77具有不嵌入射束整形光学单元的另一容纳部80；此外具有不同的散射特性的其他的第二接收光学单元77能够设置在第二光学单元轮78中。
图4示出用于按本发明的用于光学测量距离的设备60的调节装置92的备选的实施形式。调节装置92与图3的调节装置62的不同在于，用于对激光射束进行射束整形的第二发射光学单元73和用于对接收射束进行射束整形的第二接收光学单元77设置在一个共同的光学单元轮93中。光学单元轮93构成为能绕旋转轴94旋转并且附加地具有另外的容纳部76、80，在该容纳部中不嵌入射束整形光学单元。
光学单元轮93在两个不同的角度位置之间可调节。在图4示出的光学单元轮93的第一角度位置中，第二发射光学单元73设置在激光射束中且第二接收光学单元77设置在接收射束中。第二发射光学单元73和第二接收光学单元77匹配于进行反射的目标物体的距离测量。如果光学单元轮93旋转到第二角度位置中，那么第二发射光学单元73设置在激光射束外并且第二接收光学单元77设置在接收射束外。
图5示出在图1中示出的按本发明的用于光学测量距离的设备10，该设备与摄像装置101一起设置在仪器外壳102中。在距离测量装置11中产生的激光射束射到将激光射束匹配于目标物体的调节装置12上。为了将摄像装置101的射束路径与激光射束的射束路径设置为彼此共轴的，在仪器外壳102中设置有第一和第二部分透明的镜子103、104。摄像装置101包括传感器装置105和摄像光学单元106。激光射束通过输出耦合口107从仪器外壳102射出并且在目标物体上反射和/或散射的接收射束通过输出耦合口107射入到仪器外壳102中。

Claims (12)

1.用于光学测量到进行反射的或进行散射的目标物体(47)的距离的设备(10；60)，所述设备包括距离测量装置(11；61)，其中，所述距离测量装置(11；16)包括：
■射束源(31)，所述射束源构成为电子光学部件并且发射激光光束(41)；
■探测器(32)，所述探测器构成为另一个电子光学部件并且接收在目标物体(47)上反射和/或散射的接收射束(42)；以及
■第一射束整形系统(33；63)，所述第一射束整形系统具有用于对激光射束(41)进行射束整形的第一发射光学单元(35；64)以及用于对接收射束(42)进行射束整形的第一接收光学单元(36；65)；
其特征在于，设有在所述距离测量装置(11；16)外设置的调节装置(12；62；92)，所述调节装置具有能在第一位置和第二位置之间调节的用于对激光射束(41)进行射束整形的第二发射光学单元(17.1-17.6；48；73)，其中，第二发射光学单元(17.1-17.6；48；73)在第一位置中设置在激光射束(41)中且在第二位置中设置在激光射束(41)外。
2.按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述距离测量装置(11；61)具有光学单元载体(13)，所述光学单元载体具有用于固定电子光学部件中的第一电子光学部件(31；32)的第一容纳部(37；66)以及用于固定第一射束整形系统(33；63)的第二容纳部(38；67，68)。
3.按权利要求2所述的设备，其特征在于，所述距离测量装置(11；61)具有印刷电路板(14)，所述印刷电路板具有用于固定电子光学部件中的第二电子光学部件(32；31)的容纳部(40；69)以及将印刷电路板(14)与光学单元载体(13)连接的连接装置(15)。
4.按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一发射光学单元构成为准直光学单元(35；64)并且所述第二发射光学单元构成为分散光学单元(17.1-17.6；48；73)。
5.按权利要求4所述的设备，其特征在于，所述调节装置(12；62)具有多个第二发射光学单元(17.1-17.6；73)，其中，第二发射光学单元构成为具有不同的扩散性能的分散光学单元(17.1-17.6；73)。
6.按权利要求4至5任一项所述的设备，其特征在于，所述调节装置(12；71；92)包括能绕旋转轴(20；75；94)调节的光学单元轮(18；74；93)。
7.按权利要求4至5任一项所述的设备，其特征在于，所述调节装置包括能沿着平动轴调节的光学单元滑动件。
8.按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述调节装置(12；62；92)具有在第一位置和第二位置之间可调节的用于对接收射束(42)进行射束整形的第二接收光学单元(17.1-17.6；77)，其中，第二接收光学单元(17.1-17.6；77)在第一位置中设置在接收射束(42)中且在第二位置中设置在接收射束(42)外。
9.按权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一接收光学单元构成为聚焦光学单元(36；65)并且第二接收光学单元构成为散射盘(49；77)。
10.按权利要求9所述的设备，其特征在于，所述调节装置(12；62)具有多个用于对接收射束(42)进行射束整形的第二接收光学单元(49；77)，其中，第二接收光学单元构成为具有不同特性的散射盘(49；77)。
11.按权利要求8所述的设备，其特征在于，第二发射光学单元(48)和第二接收光学单元(49)集成到一个共同的第二射束整形光学单元(17.1-17.6)中。
12.按权利要求11所述的设备，其特征在于，所述第二射束整形光学单元(17.1-17.6)能在第一位置和第二位置之间调节，其中，第二发射光学单元(48)在第一位置中设置在激光射束(41)中且在第二位置中设置在激光射束(41)外，并且第二接收光学单元(49)在第一位置中设置在接收射束(42)中且在第二位置中设置在接收射束(42)外。
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