CN107636487B - 用以测量至反射性目标物体的距离的光学测距设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光学测距的设备，用以测量至单一回复反射器和面状回复反射器的距离，该设备具有：射束源、探测器、包括发射光学器件和接收光学器件的射束成形系统以及能设置到激光射束的光路中的激光射束成形元件和另外的激光射束成形元件，用于测量至反射器的距离。激光射束的激光射束直径小于单一回复反射器的棱镜的尺寸，并且大于面状回复反射器的各棱镜的尺寸。激光射束成形元件构造为具有至少一个发射光阑的发射光阑装置，发射光阑产生一个分射束并将该分射束扩开到不小于1.0mrad之最小极限角的第一张角，该另外的激光射束成形元件构造为成形光阑，成形光阑将激光射束整形为具有第二张角的成形激光射束并且该第二张角小于0.3mrad之最大极限角。

Description

用以测量至反射性目标物体的距离的光学测距设备
技术领域
本发明涉及一种用于光学测距的设备，用以测量至反射性目标物体的距离。
背景技术
DE 197 27 988 A1公开了一种已知的用于光学测距的设备，用以测量至反射性目标物体的距离，该设备包括一个望远镜、一个测距装置和一个用于适配调整激光射束发散度的适配装置。测距装置包括一个发射激光射束的射束源、一个接收在目标物体上反射的接收射束的探测器和一个具有用于使激光射束成形的发射光学器件和用于使接收射束成形的接收光学器件的射束成形系统。可以通过射束源上的激光射束的出射角、通过射束源与发射光学器件之间的光学行程长度或者由在射束源后面的附加发射光学器件来改变激光射束发散度。缺点是：所有提出的用于适配调整激光射束发散度的措施均是在测距装置内部实现并且降低了测距装置的稳定性。
由DE 198 40 049 A1已知一种用于光学测距的设备，用以测量至反射性目标物体的距离。该设备包括一个测距装置和一个用于使激光射束适配于目标物体的适配装置。测距装置包括一个或两个射束源、一个探测器以及一个具有发射光学器件和接收光学器件的射束成形系统。所述一个或两个射束源产生射束发散度大的第一激光射束和射束发散度小的第二激光射束，其中，第一激光射束设置用于对散射(漫射)性(streuend)目标物体进行测距，而第二激光射束设置用于对反射性目标物体进行测距。
对于合适激光射束的选择可以在射束源上或在探测器上实现。在一种实施方式中同时发射第一和第二激光射束并使其往目标物体上投射。在接收射束的光路中在探测器上游设置有光学滤光器，这些滤光器只允许第一或第二激光射束通过。光学滤光器设置在一个可手动操作的或电动驱动的滤光器转盘或滑动滤光器(Filterschieber)中，它将各个光学滤光器引入接收射束的光路中。缺点是：为使测距适配于目标物体，需要有射束发散度不同的两个激光射束。为了产生不同的射束发散度，需要多个光路和射束成形光学器件，它们提高了空间位置需求。
DE 10 2013 205 589 A1公开了另一种已知的用于光学测距的设备，用以测量至反射性目标物体的距离，该设备由一个测距装置和一个设置在测距装置之外的适配装置组成。测距装置包括一个射束源、一个探测器和一个具有发射光学器件和接收光学器件的射束成形系统。适配装置包括至少一个激光射束成形元件，该激光射束成形元件可设置到激光射束的光路中并且该激光射束成形元件构造为散射(漫射)光学器件(Zerstreuungsoptik)。为了能够使激光射束适配于反射性目标物体的不同距离范围，设置有多个构造为散射(漫射)光学器件的激光射束成形元件，这些激光射束成形元件在散射(漫射)性能方面是彼此不同的。在一种发展设计中，适配装置包括至少一个接收射束成形元件，该接收射束成形元件可设置到接收射束的光路中并且该接收射束成形元件构造为散射(漫射)盘。可以借助散射(漫射)盘对接收射束予以衰减，以防止探测器的过度调整。为了能够使接收射束适配于反射性目标物体的不同距离范围，设置有多个构造为散射(漫射)盘的接收射束成形元件，这些接收射束成形元件在使光散射的性能方面是彼此不同的。
已知的用以测量至反射性目标物体的距离的光学测距设备具有如下缺点：杂光(例如形式上为直接或间接入射的日光)在测量时间固定的测距情况中增大了测量误差并且因此可能降低测量结果的精度或者增加测距所需的测量时间。与激光射束不同，杂光并不是定向的，而是可以从不同的方向入射。构造为散射(漫射)盘的接收射束成形元件对杂光的衰减要比对定向的接收射束弱很多。在使用面状回复反射器的情况中，这种已知的光学测距设备由于通过散射(漫射)光学器件的射束扩张还具有另外的缺点。如果面状回复反射器并非垂直于入射激光射束的光轴布置，那么就不是在激光射束的光轴上测量最小距离，由测距装置所测量的距离与实际距离有偏差。激光射束被散射(漫射)光学器件扩张的幅度越大，这个偏差就越大。
发明内容
本发明的目的是，开发一种用于光学测距的设备，用以测量至反射性目标物体的距离，该设备适合对单一回复反射器(Einzelretroreflektor)进行测距，并且在该设备中以微少的设备费用对杂光进行衰减。另外，该设备还应该适合对面状回复反射器(
Figure GDA0002987654580000031
)进行光学测距。
根据本发明，此目的按照本发明的用以测量至反射性目标物体的距离的光学测距设备中得以实现。
本发明涉及一种用于光学测距的设备，用以测量至单一回复反射器和面状回复反射器的距离，所述单一回复反射器由一个棱镜组成，所述面状回复反射器由并排地设置在一个平面内的多个棱镜组成，所述设备具有：
■射束源，该射束源构造为电子光学部件并发射激光射束，
■探测器，该探测器构造为另外的电子光学部件并接收在单一回复反射器或面状回复反射器上反射的接收射束，
■射束成形系统，该射束成形系统包括将激光射束成形的发射光学器件和将接收射束成形的接收光学器件，
■激光射束成形元件，该激光射束成形元件能设置到激光射束的光路中，并且该激光射束成形元件被构造用于测量至单一回复反射器的距离，
■另外的激光射束成形元件，该另外的激光射束成形元件能设置到激光射束的光路中，并且该另外的激光射束成形元件被构造用于测量至面状回复反射器的距离。
根据本发明，用以测量至反射性目标物体的距离的光学测距设备的特征在于：当激光射束入射到单一回复反射器上时，激光射束的激光射束直径小于单一回复反射器的棱镜的尺寸，并且当激光射束入射到面状回复反射器上时，激光射束的激光射束直径大于面状回复反射器的各所述多个棱镜的尺寸，其中，激光射束成形元件构造为具有至少一个发射光阑的发射光阑装置，其中，所述至少一个发射光阑产生一个分射束并将该分射束扩开到一个或多个不小于1.0mrad之最小极限角的第一张角，其中，该另外的激光射束成形元件构造为成形光阑，其中，所述成形光阑将激光射束整形为具有一个或多个第二张角的成形激光射束并且该第二张角小于0.3mrad之最大极限角。构造为具有至少一个发射光阑的发射光阑装置的、产生张角大于1.0mrad的分射束的激光射束成形元件适合对单一回复反射器进行光学测距。张角的1.0mrad之最小极限角确保了：在对单一回复反射器进行测距时对激光射束进行大幅扩张。在张角大于1.0mrad的情况下保证了对分射束的充分扩张，使得分射束包纳单一回复反射器的中心。如果分射束未投射于单一回复反射器的中心上，则存在反射的接收射束由于平行偏移而错过接收光学器件和测距装置的探测器的危险。
所述发射光阑的特征是其面积和其尺寸。发射光阑的光阑几何形状决定分射束是否具有一个张角或多个张角。具有圆形或正方形光阑几何形状的发射光阑由一个尺寸(圆半径，正方形的边长)界定并且在该发射光阑之后产生具有圆形的射束横截面的分射束，其具有沿着周边方向恒定不变的张角。具有椭圆或矩形光阑几何形状的发射光阑由两个尺寸界定并且在该发射光阑之后产生具有椭圆的射束横截面的分射束，其具有沿着周边方向变化的张角，其中，椭圆分射束的张角沿着周边方向在椭圆的射束横截面的长半轴上的最大张角与短半轴上的最小张角之间变化。具有任意光阑几何形状的发射光阑在该发射光阑之后产生具有多个张角的分射束，这些张角处于一个最小张角与一个最大张角之间。
可以通过发射光阑的尺寸来调节发射光阑产生的分射束的张角。1.0mrad之最小极限角能够换算成一个用于发射光阑的最大尺寸，如果分射束的张角不应低于1.0mrad之最小极限角，那就不得超过该尺寸。发射光阑的尺寸越小，分射束在发射光阑下游的光路中的张角就越大。为了在测距时获得良好的检测性能，应该有益地在不同距离范围内使用尺寸不同以及因而张角不同的发射光阑。对此适用的是：分射束的张角应该随着距离的增加而减小，就是说，在近距范围内大的张角是有益的，而在大的距离中1.0mrad之最小极限角的范围内的张角是有益的。
在一种优选的发展设计中，发射光阑装置具有多个发射光阑，其中所述发射光阑产生多个分射束并且将这些分射束分别扩开到一个或多个不小于1.0mrad之最小极限角的张角。通过使用多个发射光阑可以降低将激光射束定向在单一回复反射器上时必要的精度。分射束在发射光阑之后首先具有一个小的射束直径，该射束直径在发射光阑装置之后在数米的近距范围内使激光射束在单一回复反射器上的精确定向成为必要的。在多个发射光阑的情况中，分射束的直径相加并扩大射束直径。例如，一个在发射光阑装置之前与激光射束的光轴同轴设置的中心发射光阑和另外的发射光阑围绕该中心发射光阑的环形分布适合作为用于在单一回复反射器上测距的发射光阑装置。多个发射光阑产生的并在发射光阑装置之后重叠成一个激光射束的分射束应该具有相同的张角，优选为一个沿着周边方向恒定不变的张角。发射光阑优选具有相同的光阑几何形状和相同的尺寸。
特别优选，发射光阑构造为对于激光射束是半透明的。发射的激光射束的辐射功率设计用于对散射(漫射)性目标物体进行测距。对于散射(漫射)性目标物体，在大的角度范围上散射(漫射)激光射束，仅仅微小部分的辐射功率由接收光学器件检测到并传输到探测器上。在对单一回复反射器进行测距的情况中，激光射束在目标物体上被反射并作为定向的接收射束往探测器上投射。为了防止探测器的过度调整，投射到探测器上的接收射束的辐射功率必须比由射束源发射的激光射束的辐射功率小得多。在此，可以通过激光射束的光路中的措施和/或通过接收射束的光路中的措施降低辐射功率。可以通过发射光阑装置的发射面以及通过发射光阑的透光性来适配调整激光射束的辐射功率。发射光阑装置的发射面通常定义为发射光阑的各个面积的总和。如果发射光阑具有相同的尺寸，那么也可以作为发射光阑的数量与发射光阑的面积的乘积来算出发射面。发射光阑的透光性只影响辐射功率，而发射面中的变化则除了辐射功率之外还能够使分射束的张角变化。面积取决于发射光阑的同样决定分射束张角的尺寸，这适用于发射光阑的所有光阑几何形状。通过发射光阑的透光性产生在不改变分射束的张角的情况下适配调整辐射功率的可能性。
例如通过构造为中性灰度滤镜(也称为灰色滤光器)或构造为滤色镜的光学滤光器来调节发射光阑的透光性。滤色镜在一个窄的波长范围内具有微小的透射度，而更短的或更长的波长则几乎完全透过。均匀地染成中性灰色的并获得均匀衰减的、光学品质的玻璃板或塑料板称为中性灰度滤镜。在中性灰度滤镜的情况中对宽的波长范围进行衰减，而在滤色镜的情况中则对围绕射束源波长的窄的波长范围例如±15nm进行衰减。可以通过光学滤光器的透射度来调节一个分射束的或多个分射束的辐射功率。透过的辐射功率与入射的辐射功率的比率定义为透射度。
在本发明设备的一种优选的发展设计中设置有：第一激光射束成形元件，该激光射束成形元件可以设置在激光射束的光路中并构造为具有至少一个第一发射光阑的第一发射光阑装置；和第二激光射束成形元件，该激光射束成形元件可以设置在激光射束的光路中并构造为具有至少一个第二发射光阑的第二发射光阑装置，其中，第一和第二发射光阑装置是彼此不同的。采用不同的发射光阑装置，能使本发明的光学测距设备适配于单一回复反射器设置在其内的不同距离范围和单一回复反射器的不同的规格尺寸。在此，特别是发射光阑的数量、发射光阑的面积、发射光阑的尺寸和/或发射光阑的透光性适合使本发明设备适配于距离范围和/或单一回复反射器的规格尺寸。
特别优选，第一和第二发射光阑装置在第一和第二发射光阑的尺寸方面是彼此不同的。可以通过发射光阑的尺寸来适配调整分射束的张角。采用不同的尺寸，能使发射光阑装置适配于不同距离范围和单一回复反射器的不同的尺寸。距目标物体的距离越大，分射束的张角应该越小，其中分射束的张角无论如何大于1.0mrad之最小极限角。
特别优选，第一和第二发射光阑装置在发射光阑的数量方面、在发射光阑的面积方面和/或在发射光阑的透光性方面是彼此不同的。可以通过发射光阑装置的发射面以及通过发射光阑的透光性实现接收射束的辐射功率的在单一回复反射器情况下必要的降低。发射面与直接位于发射光阑装置前面的激光射束的横截面积的比率越小，激光射束的透射部分就越小。除了发射面，还可以通过发射光阑的透光性来适配调整激光射束的辐射功率。为此发射光阑可以设置有一光学滤光器，其中可以通过该光学滤光器的透射度来调节激光射束的辐射功率。
在本发明设备的一种优选的发展设计中，设置有另外的激光射束成形元件，该激光射束成形元件可以设置在激光射束的光路中并且该激光射束成形元件构造为成形光阑，其中，所述成形光阑将激光射束整形为具有一个或多个张角的成形激光射束并且该张角小于0.3mrad之最大极限角。构造为成形光阑的、产生张角小于0.3mrad的成形激光射束的激光射束成形元件适合对面状回复反射器进行光学测距。0.3mrad之最大极限角确保了：在对面状回复反射器进行测距时将激光射束予以均化，而在对单一回复反射器进行测距时将激光射束加以大幅扩张，该扩张通过1.0mrad之最小极限角的界定得以保障。可以通过成形光阑的尺寸来调节成形激光射束的张角。对此适用的是：成形光阑的尺寸越大，成形激光射束的张角就越小。
所述成形光阑的特征是其面积和其尺寸。成形光阑的光阑几何形状决定成形激光射束是否具有一个张角或多个张角。具有圆形或正方形光阑几何形状的成形光阑由一个尺寸(圆半径，正方形的边长)界定并且产生具有圆形的射束横截面的激光射束，其具有沿着周边方向恒定不变的张角。具有椭圆或矩形光阑几何形状的成形光阑由两个尺寸界定并且产生具有椭圆的射束横截面的激光射束，其具有沿着周边方向变化的张角，其中，椭圆激光分射束的张角沿着周边方向在椭圆的射束横截面的长半轴上的最大张角与短半轴上的最小张角之间变化。
在本发明的设备中，发射光阑与成形光阑的区别在于尺寸。在对单一回复反射器进行测距时使用发射光阑，而在对面状回复反射器进行测距时使用成形光阑。1.0mrad之最小极限角确定用于对单一回复反射器进行测距，而0.3mrad之最大极限角确定用于对面状回复反射器进行测距。1.0mrad之最小极限角能够换算成一个用于发射光阑的最大尺寸，发射光阑不得超过该尺寸，而0.3mrad之最大极限角能够换算成一个用于成形光阑的最小尺寸，成形光阑不得低于该尺寸。
特别优选，成形光阑构造为对于激光射束是半透明的。发射的激光射束的辐射功率设计用于对散射(漫射)性目标物体进行测距，对于这种目标物体，只有微小部分的辐射功率由接收光学器件检测到并传输到探测器上。在对面状回复反射器进行测距的情况中，激光射束在目标物体上被反射并作为定向的接收射束往探测器上投射。为了防止探测器的过度调整，投射到探测器上的接收射束的辐射功率必须比由射束源发射的激光射束的辐射功率小得多。可以通过成形光阑的面积以及通过成形光阑的透光性来适配调整激光射束的辐射功率。成形光阑的透光性只影响辐射功率，而成形光阑的取决于尺寸的面积则使辐射功率和张角变化。通过成形光阑的透光性产生在不改变激光射束张角的情况下适配调整辐射功率的可能性。例如通过构造为中性灰度滤镜或滤色镜的光学滤光器来调节成形光阑的透光性。可以通过光学滤光器的透射度来调节激光射束的辐射功率。
特别优选设置有可设置到激光射束的光路中的第一成形光阑和可设置到激光射束的光路中的第二成形光阑，其中，第一和第二成形光阑在成形光阑的尺寸方面、在成形光阑的面积方面和/或在成形光阑的透光性方面是彼此不同的。采用不同的成形光阑，能使本发明的设备适配于面状回复反射器设置在其内的不同距离范围和面状回复反射器的尺寸。可以通过成形光阑的尺寸来调节成形激光射束的张角。成形光阑的尺寸越大，成形激光射束的张角就越小，并且测距装置至目标物体的距离越大，激光射束的张角就应该越小。
在本发明设备的一种优选的发展设计中，设置有一接收射束成形元件，该接收射束成形元件可以设置在接收射束的光路中并且该接收射束成形元件构造为具有至少一个接收光阑的接收光阑装置。可以通过具有至少一个接收光阑的接收光阑装置实现入射的接收射束的辐射功率的在反射性目标物体(单一回复反射器或面状回复反射器)情况中必要的下降。可以通过接收光阑装置的接收面和接收光阑的透光性来调节接收射束的辐射功率。接收光阑装置的接收面通常定义为接收光阑的各个面积的总和。如果接收光阑具有相同的尺寸，那么也可以作为接收光阑的数量与接收光阑的面积的乘积来算出接收面。接收面与直接位于接收光阑装置前面的接收射束的横截面积的比率越小，接收射束的辐射功率就越小。通过限制接收面对接收射束实现的衰减与射束源的波长无关，因而还对杂光(例如形式上为具有宽的波长谱的日光)进行衰减。在无附加设备费用的情况下实现了对杂光的衰减。
特别优选，接收光阑装置具有多个接收光阑，这些接收光阑彼此间隔开。使用具有多个分布在接收射束的射束横截面上的接收光阑的接收光阑装置导致接收射束的均匀化。均匀化主要适合在射束横截面上具有非均匀分布的接收射束。可以通过接收光阑的数量和接收光阑的面积来适配调整接收面。
特别优选，接收光阑构造为对于接收射束是半透明的。作为接收面以外的备选或者作为对接收面的补充，可以通过接收光阑的透光性来适配调整接收射束的辐射功率。在这种情况下，特别优选接收光阑设置有一光学滤光器，其中，可以通过光学滤光器的透射度来调节接收射束的辐射功率。对宽的波长谱进行衰减的以及除了接收射束之外还对杂光进行衰减的中性灰度滤镜适合作为用于半透明的接收光阑的光学滤光器。在使用中性灰度滤镜的情况中，无需附加的设备费用便实现对杂光的衰减。
在一种优选的发展设计中设置有：第一接收射束成形元件，该接收射束成形元件可以设置在接收射束的光路中并构造为具有至少一个第一接收光阑的第一接收光阑装置；和第二接收射束成形元件，该接收射束成形元件可以设置在接收射束的光路中并构造为具有至少一个第二接收光阑的第二接收光阑装置，其中，第一和第二接收光阑装置是彼此不同的。使用不同的接收光阑装置，能使本发明设备适配于反射目标物体设置在其内的不同距离范围、不同型式的反射目标物体(单一回复反射器或面状回复反射器)和反射目标物体的不同的尺寸。在此，特别是接收光阑的数量、接收光阑的面积和/或接收光阑的透光性适合使本发明设备适配于反射目标物体的距离范围、型式和尺寸。
特别优选，第一和第二接收光阑装置在接收光阑的数量方面、在接收光阑的面积方面和/或在接收光阑的透光性方面是彼此不同的。可以通过接收光阑装置的接收面以及通过接收光阑的透光性来适配调整接收射束的辐射功率。在此，通过接收光阑的数量和/或接收光阑的面积来调节接收面。接收面与直接位于接收光阑装置前面的接收射束的横截面积的比率越小，接收射束的辐射功率就越小。随着反射目标物体与测距装置的距离的增加，接收面应该扩大。作为接收光阑装置的接收面以外的备选或补充，可以通过接收光阑的透光性来适配调整接收射束的辐射功率。在这种情况下，特别优选接收光阑设置有一中性灰度滤镜，其中，通过该中性灰度滤镜的透射度来调节接收光阑的透光性。使用中性灰度滤镜对接收射束进行衰减具有如下优点：除了接收射束之外还对杂光进行衰减。在使用中性灰度滤镜的情况中，无需附加的设备费用便实现对杂光的衰减。
在本发明设备的优选的第一发展设计中，有一个构造为发射光阑装置的激光射束成形元件和一个构造为接收光阑装置的接收射束成形元件设置在第一成形元件上，其中，该第一成形元件可以设置在激光射束的光路中和接收射束的光路中。发射光阑装置和接收光阑装置在第一成形元件上的设置适合对单一回复反射器进行测距，并且因为发射光阑装置和接收光阑装置共同设置在激光射束的和接收射束的光路中而降低了费用和空间需求。发射光阑装置和接收光阑装置可以彼此同轴地或并排地设置，其中，发射光阑装置和接收光阑装置的适当的设置是由激光射束和接收射束的设置所确定。
在本发明设备的优选的第二发展设计中，有一个构造为成形光阑的激光射束成形元件和一个构造为接收光阑装置的接收射束成形元件设置在第二成形元件上，其中，该第二成形元件可以设置在激光射束的光路中和接收射束的光路中。成形光阑和接收光阑装置在第二成形元件上的设置适合对面状回复反射器进行测距，并且因为成形光阑和接收光阑装置共同设置在激光射束的和接收射束的光路中而降低了费用和空间需求。成形光阑和接收光阑装置可以彼此同轴地或并排地设置，其中，成形光阑和接收光阑装置的适当的设置是由激光射束和接收射束的设置所确定。
特别优选设置有至少一个第一成形元件和至少一个第二成形元件。具有至少一个第一成形元件和至少一个第二成形元件的本发明设备适合对单一回复反射器和面状回复反射器进行光学测距。第一成形元件设计用于对单一回复反射器进行测距，而第二成形元件设计用于对面状回复反射器进行测距。
特别优选设置有多个第一成形元件和/或多个第二成形元件。在具有多个第一成形元件、多个第二成形元件或多个第一和第二成形元件的本发明设备中，激光射束成形元件和接收射束成形元件的射束成形性能便可适配于单一回复反射器或面状回复反射器设置在其内的不同距离范围。第一成形元件设置用于对单一回复反射器进行光学测距，而第二成形元件设置用于对面状回复反射器进行光学测距。
附图说明
下文借助附图来说明本发明的一些实施例。该附图并非必须按比例绘示各实施例，具体而言，附图为了有助于阐释，是以示意性的和/或略微变样的形式进行说明的。对于由附图能够直接看出的教导的补充，可参阅相关的现有技术。同时应该考虑到，针对某一实施形式的方式和细节可以进行各种各样的变型和改变，而并不脱离发明的总的思想。在说明书、附图以及权利要求书中所公开的发明特征，无论是它们本身单独存在还是任意组合，对于本发明的进一步发展设计都可能是重要的。此外，由在说明书、附图和/或权利要求书中所公开的特征的至少两个构成的全部组合均落入本发明的范围之内。本发明的总的思想并不局限于以下图示的和描述的优选实施形式的确切方式或细节，或者并不局限于一种与权利要求书中主张的方案主题相比是受到限制的方案主题。对于所给出的尺寸数值范围，应该认为也公开了处在所说极限内的值作为极值，并且可以任意使用以及可以提出权利要求。为了简单起见，以下对于相同的或类似的部件或者具有相同或类似功能的部件均采用同样的附图标记。
其示出：
图1A、B为本发明用以测量至反射目标物体的距离的光学测距设备，其包括一个测距装置和一个可电动调节的、具有激光射束成形元件和接收射束成形元件的适配装置；
图2A、B为借助在图1中示出的设备对单一回复反射器进行光学测距，所述设备包括一种具有一个发射光阑的发射光阑装置(图2A)或一种具有多个发射光阑的发射光阑装置(图2B)；
图3为借助在图1中示出的设备对面状回复反射器进行光学测距；
图4A、B为第一成形元件的第一和第二实施方式，该成形元件具有用于对不同距离范围内的单一回复反射器进行光学测距的激光射束成形元件和接收射束成形元件；
图5A、B为第二成形元件的第一和第二实施方式，该成形元件具有用于对不同距离范围内的面状回复反射器进行光学测距的激光射束成形元件和接收射束成形元件；
图6为适配装置的第一实施方式，该适配装置具有两个构造为用于单一回复反射器上的光学测距的第一成形元件和三个构造为用于面状回复反射器上的光学测距的第二成形元件；和
图7A、B为适配装置的第二实施方式，该适配装置具有多个设置在第一旋轮内的激光射束成形元件和接收射束成形元件以及多个设置在第二旋轮内的衰减元件。
具体实施方式
图1A示出了本发明的用于光学测距的设备10，用以测量至目标物体的距离，该设备由一个测距装置11和一个可电动调节的适配装置12组成，该适配装置设置在测距装置11之外。目标物体分为反射性目标物体(对于这些目标物体，入射的激光射束大部分被反射)和散射(漫射)性目标物体(对于这些目标物体，入射的激光射束大部分被散射(漫射))。
反射性目标物体附加地又分为单一回复反射器和面状回复反射器。由一个三棱镜组成的反射性目标物体定义为单一回复反射器，其中，该棱镜的尺寸大于典型的激光射束直径，并且入射的激光射束包纳三棱镜的一个面。单一回复反射器的实例是直径为25mm或50mm的三棱镜。由多个棱镜组成的反射性目标物体定义为面状回复反射器，这些棱镜并排地设置在一个平面内，其中，各棱镜的尺寸小于典型的激光射束直径，并且入射的激光射束包纳多个棱镜。面状回复反射器的实例是反射箔和猫眼(Katzenauge)。猫眼在本申请的范围内为棱镜的大小与激光射束直径的比率在0.1与1.0之间的面状回复反射器，而反射箔为棱镜的大小与激光射束的比率小于0.1的面状回复反射器。
测距装置11包括一个光学器件支架13和一个印刷电路板14，该印刷电路板经由连接装置15与光学器件支架13连接。在测距装置11内产生一个激光射束，该激光射束通过光学器件支架13内的一个耦合输出口(
Figure GDA0002987654580000131
)16从测距装置11中射出并往适配装置12上投射。借助适配装置12使激光射束适配于目标物体的特性和至目标物体的距离范围。适配装置12在实施例中包括六个不同的成形元件17.1至17.6，这些成形元件紧固在一个旋轮18内并且借助一个电动驱动装置19能够围绕旋转轴线20旋转。
适配装置12的成形元件17.1至17.6分别具有一个用于激光射束的射束成形的激光射束成形元件和一个用于接收射束的射束成形的接收射束成形元件；成形元件17.1至17.6在其衍射(折射)性能和/或衰减性能方面不同并且设置用于不同距离范围内的反射目标物体的测距。旋轮18除了六个成形元件17.1至17.6之外还具有一个另外的接纳部21，在该接纳部内未置入成形元件并且不对激光射束和/或接收射束进行衍射和/或衰减。
旋轮18与一个轴单元22抗扭(drehfest，即二者不能相对旋转)地连接，该轴单元通过一个驱动马达23能够围绕旋转轴线20旋转；借助一个角度传感装置检测驱动马达23的旋转角。作为备选，可以通过一个手动旋转装置围绕旋转轴线20驱动旋轮18。通过围绕旋转轴线20的旋转可以将旋轮18设置在七个角度位置中。在六个角度位置中成形元件17.1至17.6之一设置在激光射束内，而在第七角度位置中所有的成形元件17.1至17.6设置在激光射束之外和接收射束之外。第七角度位置设置用于散射(漫射)性目标物体的测距。
图1B详细地示出了图1A的本发明的光学测距设备10的测距装置11和可电动调节的适配装置12的构造。
测距装置11包括一个构造为射束源31的第一电子光学部件、一个构造为探测器32的第二电子光学部件、一个射束成形系统33、一个射束分裂光学器件34、光学器件支架13和印刷电路板14。射束成形系统33包括一个用于激光射束的射束成形的发射光学器件35和一个用于接收射束的射束成形的接收光学器件36，这些光学器件集成在一个共同的射束成形光学器件33内。射束源31、射束成形光学器件33和射束分裂光学器件34紧固在光学器件支架13上并且探测器32紧固在印刷电路板14上。光学器件支架13具有用于射束源31的第一接纳部37、用于射束成形光学器件33的第二接纳部38和用于射束分裂光学器件34的第三接纳部39。探测器32在印刷电路板14上紧固在一个另外的接纳部40中。
射束源31构造为激光二极管，该激光二极管产生一个可见的或者红外的激光射束41。探测器32构造为光电二极管，该光电二极管接收由目标物体反射的和/或散射(漫射)的接收射束42。射束分裂光学器件34将激光射束与同轴伸展的接收射束分开，它设置在射束源31与射束成形光学器件33之间的激光射束的光路中和射束成形光学器件33与探测器32之间的接收射束的光路中。射束分裂光学器件41例如可以构造为偏振分光器、孔镜或其他实施射束分裂的光学元件。控制及分析处理装置43与射束源31和探测器32连接，并且由基准射束与接收射束之间的时间差测定出至目标物体的距离。
探测器32设置在印刷电路板14的朝向光学器件支架13的正面44上并经由钎焊连接与印刷电路板14牢固连接，其中，例如可以在制作印刷电路板14时自动配备和钎焊探测器32。探测器32只由印刷电路板14以机械方式保持，而没有将探测器32直接与光学器件支架13连接的连接件。光学器件支架13在朝向探测器32的一侧构造为开放的并且利用一个接触面经由连接装置15与印刷电路板14连接。连接装置15构造为在测距装置11校准期间是可拆开的。
在激光射束41的光路中，在射束源31与射束分裂光学器件33之间设置有一个光阑45，该光阑集成在整体式的光学器件支架13内。光阑45用于限制射束源31的张角并且使激光射束41的几何形状适配于射束分裂光学器件34和射束成形光学器件33。在射束源31与光阑45之间设置有一个光阱46，该光阱如光阑45一样集成在整体式的光学器件支架13内。光阱46用于吸收入射的光并防止非预期的反射。为此光阱46在内侧面上设置有低反射的、吸收性的涂层。通过光阑45和光阱46减少了从射束源31到探测器32的光的和电的串扰以及激光射束内的干扰性伪影。
在图1B的实施例中，作为目标物体使用构造为单一回复反射器47的反射目标物体，该目标物体位于至测距装置11短的距离内。第一成形元件17.1位于激光射束41的和接收射束42的光路中。第一成形元件17.1具有一个用于激光射束41的激光射束成形元件49和一个用于接收射束42的接收射束成形元件49。
射束源31发射激光射束41，该激光射束指向射束分裂光学器件34。激光射束41的尽可能大的部分在射束分裂光学器件34上透射并往发射光学器件35上投射，在该发射光学器件上进行第一射束成形。第一发射光学器件35构造为准直透镜，该准直透镜对激光射束41进行准直并且作为经准直的激光射束51指向激光射束成形元件48。准直透镜35的光学特性适配于对散射(漫射)性目标物体进行测距。经准直的激光射束51往激光射束成形元件48上投射，在该激光射束成形元件上进行对经准直的激光射束51的射束成形和衰减。成形激光射束52往反射性目标物体47上投射。
在目标物体47上反射的接收射束42往接收射束成形元件49上投射，该接收射束成形元件将接收射束42折射(衍射)、衰减并作为成形接收射束53指向接收光学器件36。在接收光学器件36上对成形接收射束53进一步进行射束成形。经两次成形的接收射束54指向射束分裂光学器件34并在该射束分裂光学器件34上改变方向。改变方向的接收射束55往探测器32上投射。射束分裂光学器件34的作用在于，改变方向的接收射束55的光轴和发射的激光射束41的光轴彼此不同。
图2A、B示意性地示出借助在图1中示出的设备10对单一回复反射器61进行光学测距。借助一个激光射束成形元件使激光射束适配于单一回复反射器61，该激光射束成形元件构造为具有一个发射光阑的发射光阑装置(图2A)或者具有多个发射光阑的发射光阑装置(图2B)。
测距装置11借助发射光学器件35产生经准直的激光射束51。在经准直的激光射束51的光路中设置有第一激光射束成形元件62，该激光射束成形元件设计用于对单一回复反射器进行测距。在单一回复反射器的情况中激光射束应该射中目标物体的中心，以便反射的接收射束入射总是投射到接收光学器件36上并由探测器32检测到。如果激光射束未投射于单一回复反射器的中心上，那么反射的接收射束由于平行偏移可能错过接收光学器件36。激光射束必须以一定精度对准单一回复反射器61，为了降低该精度，将激光射束扩张。
第一激光射束成形元件构造为具有第一发射光阑63的第一发射光阑装置62。第一发射光阑63具有一种圆形的、带有圆半径的光阑几何形状。第一发射光阑63产生一个分射束64并且将该分射束64扩开到第一张角α1，该张角大于1.0mrad之最小极限角αmin。可以通过第一发射光阑63的圆半径来调节分射束64的第一张角α1；第一发射光阑63的圆半径越小，分射束的第一张角α1就越大。另外，第一发射光阑63致使激光射束的辐射功率大幅下降。
所述发射光阑的特征是其面积和其尺寸。1.0mrad之最小极限角αmin能够换算成一个用于发射光阑的最大尺寸，发射光阑不得低于该尺寸。发射光阑的光阑几何形状决定分射束是否具有一个张角或多个张角。具有圆形或正方形光阑几何形状的发射光阑由一个尺寸(圆半径，正方形的边长)界定并且在该发射光阑之后产生具有圆形的射束横截面的分射束，其具有沿着周边方向恒定不变的张角。具有椭圆或矩形光阑几何形状的发射光阑由两个尺寸界定并且在该发射光阑之后产生具有椭圆的射束横截面的分射束，其具有沿着周边方向变化的张角，其中，椭圆分射束的张角沿着周边方向在椭圆的射束横截面的长半轴上的最大张角与短半轴上的最小张角之间变化。具有任意光阑几何形状的发射光阑在该发射光阑之后产生具有多个张角的分射束，这些张角处于一个最小张角与一个最大张角之间。
在第一发射光阑63之后，分射束64首先具有一个小的射束直径，这在近距范围内使分射束64精确地对准在单一回复反射器61上成为必要。为了降低必要的精度—分射束64必须以该精度对准在单一回复反射器61上，可以使用在图2B中示出的第二激光射束成形元件65。第二激光射束成形元件构造为具有三个第二发射光阑66.1、66.2、66.3的第二发射光阑装置65。第二发射光阑66分别产生一个分射束67.1、67.2、67.3并将分射束67.1至67.3扩开到第二张角α2，该张角大于1.0mrad之最小极限角αmin。例如一个与经准直的激光射束51的光轴同轴设置的中心的第二发射光阑和另外的第二发射光阑围绕中心的第二发射光阑的环形分布适合作为第二发射光阑66.1至66.3的布局。可以通过第二发射光阑66.1至66.3的圆半径来调节分射束67.1至67.3的第二张角α2；第二发射光阑66.1至66.3的圆半径越小，分射束67.1至67.3的第二张角α2就越大。
可以通过发射光阑装置的发射面以及通过发射光阑的透光性来适配调整激光射束在发射光阑装置之后的辐射功率。发射光阑装置的发射面通常定义为发射光阑的各个面积的总和。如果发射光阑具有相同的尺寸，那么也可以作为发射光阑的数量与发射光阑的面积的乘积来算出发射面。发射面与直接位于发射光阑装置前面的激光射束的横截面积的比率越小，激光射束在发射光阑装置之后的透射部分的辐射功率就越小。
图3示意性地示出借助在图1中示出的设备10在面状回复反射器71上的光学测距。测距装置11借助发射光学器件35产生经准直的激光射束51。在经准直的激光射束51的光路中设置有一个激光射束成形元件72，该激光射束成形元件设计用于在面状回复反射器上的测距。
激光射束成形元件72构造为具有一种圆形光阑几何形状的成形光阑。成形光阑72将入射的激光射束51整形为一个具有张角β的成形激光射束74，其中，该成形激光射束74的张角β小于0.3mrad之最大极限角βmax。可以通过成形光阑72的圆半径来调节成形激光射束74的张角β。对此适用的是：成形光阑72的圆半径越大，成形激光射束74的张角β就越小。
所述成形光阑的特征是其面积和其尺寸。0.3mrad之最大极限角βmax能够换算成一个用于成形光阑的最小尺寸，成形光阑不得低于该尺寸。成形光阑的光阑几何形状决定成形激光射束是否具有一个张角或多个张角。具有圆形或正方形光阑几何形状的成形光阑由一个尺寸(圆半径，正方形的边长)界定并且产生具有圆形的射束横截面的激光射束，其具有沿着周边方向恒定不变的张角。具有椭圆或矩形光阑几何形状的成形光阑由两个尺寸界定并且产生具有椭圆的射束横截面的激光射束，其具有沿着周边方向变化的张角，其中，椭圆激光分射束的张角沿着周边方向在椭圆的射束横截面的长半轴上的最大张角与短半轴上的最小张角之间变化。具有任意光阑几何形状的成形光阑在该成形光阑之后产生具有多个张角的激光射束，这些张角处于一个最小张角与一个最大张角之间。
图4A、B示出了第一成形元件的具有设计用于对不同距离范围内的单一回复反射器进行光学测距的激光射束成形元件和接收射束成形元件的第一和第二实施方式。例如借助在图1中示出的设备10进行测距。
图4A示出了第一成形元件81的第一实施方式，该成形元件具有一个激光射束成形元件82和一个接收射束成形元件83。激光射束成形元件82构造为具有五个发射光阑84、85.1至85.4的发射光阑装置，这些发射光阑将入射的激光射束分为五个分射束。发射光阑84、85.1至85.4具有一种具有第一直径d1的圆形光阑几何形状并且将分射束通过折射扩开到1.0mrad的张角。接收射束成形元件83构造为具有四个围绕激光射束成形元件82环形分布的接收光阑86.1至86.4的接收光阑装置。接收光阑86.1至86.4具有直径相同的圆形光阑几何形状。
发射的激光射束41的辐射功率设计用于对散射(漫射)性目标物体进行测距。对于散射(漫射)性目标物体，激光射束散射(漫射)到一个大的角度范围上，只有一小部分辐射功率由接收光学器件36检测到并传输到探测器32上。在对反射性目标物体进行测距的情况中，激光射束在目标物体上反射并作为定向的接收射束往探测器32上投射。为了在对反射性目标物体进行测距的情况中防止对探测器32的过度调整，投射到探测器32上的接收射束42的辐射功率必须比由射束源31发射的激光射束41的辐射功率小得多。在此，可以通过激光射束41的光路内的措施和/或通过接收射束42的光路内的措施来降低辐射功率。
可以通过发射光阑装置82的发射面以及通过发射光阑84、85.1至85.4的透光性来调节激光射束41的辐射功率。发射光阑装置的发射面通常定义为发射光阑的各个面积的总和。如果发射光阑如在实施例中那样具有相同的尺寸，那么也可以作为发射光阑的数量与发射光阑的面积的乘积来算出发射面。发射面与直接位于发射光阑装置82前面的激光射束41的横截面积的比率越小，激光射束41在发射光阑装置82之后的辐射功率就越小。
作为发射面以外的备选或补充，可以通过发射光阑84、85.1至85.4的透光性来调节激光射束41的辐射功率。发射光阑84、85.1至85.4在实施例中设置有一个光学滤光器87，该滤光器例如构造为中性灰度滤镜或滤色镜。可以通过光学滤光器的透射度来调节激光射束的衰减，所述透射度定义为激光射束的透过的辐射功率与入射的辐射功率的比率。发射光阑84、85.1至85.4的透光性只影响激光射束41的辐射功率，而取决于发射光阑84、85.1至85.4的尺寸的发射面则使分射束的辐射功率和张角变化。通过发射光阑84、85.1至85.4的透光性产生在不改变分射束的张角的情况下降低激光射束41的辐射功率的可能性。
可以通过接收光阑装置83的接收面以及通过接收光阑86.1至86.4的透光性来调节接收射束42的辐射功率。接收光阑装置的接收面通常定义为接收光阑86.1至86.4的各个面积的总和。如果接收光阑如在实施例中那样具有相同的尺寸，那么也可以作为接收光阑的数量与接收光阑的面积的乘积来算出接收面。接收面与直接位于接收光阑装置83前面的接收射束42的横截面积的比率越小，接收射束42在接收光阑装置83之后的辐射功率就越小。通过限制接收面对接收射束42实现的衰减与射束源31的波长无关，因而在无附加费用的情况下还对杂光(例如具有宽的波长谱的日光)进行衰减。
作为接收面以外的备选或补充，可以通过接收光阑86.1至86.4的透光性来适配调整接收射束42的辐射功率。接收光阑86.1至86.4在实施例中设置有一个光学滤光器88，该滤光器例如构造为中性灰度滤镜或滤色镜。可以通过光学滤光器的透射度来调节接收射束的衰减，所述透射度定义为接收射束的透过的辐射功率与入射的辐射功率的比率。
光学滤光器87、88构造为中性灰度滤镜或滤色镜。在中性灰度滤镜的情况中对宽的波长范围进行衰减，而在滤色镜的情况中则对围绕射束源31的波长的窄的波长范围进行衰减。通过光阑(发射光阑或接收光阑)的透光性对辐射功率的衰减提供了在不改变经折射的射束的张角的情况下适配调整辐射功率的可能性。使用中性灰度滤镜具有如下优点：除了射束源31的波长之外，对宽的、还包括杂光的波长范围进行衰减。所以，当还应该对杂光进行衰减时，中性灰度滤镜特别适合。另外，中性灰度滤镜具有如下优点：它们作为塑料薄膜能够经济地获取。
图4B示出了第一成形元件91的第二实施方式，该成形元件具有一个激光射束成形元件92和一个接收射束成形元件93。激光射束成形元件92构造为具有五个圆形的发射光阑94、95.1至95.4的发射光阑装置，所述发射光阑与图4A的发射光阑84、85.1至85.4类似地围绕经准直的激光射束51的光轴设置。接收射束成形元件93构造为具有六个围绕激光射束成形元件92环形设置的圆形接收光阑96.1至96.6的接收光阑装置。
图4B的发射光阑94、95.1至95.4与图4A的发射光阑84、85.1至85.4在直径方面不同。在实施例中发射光阑94、95.1至95.4具有第二直径d2并且将五个分射束扩开到2.0mrad的张角。图4B的圆形接收光阑96.1至96.6具有比图4A的圆形接收光阑86.1至86.4更小的直径。发射光阑94、95.1至95.4和接收光阑96.1至96.6构造为半透明的。发射光阑94、95.1至95.4设置有一个光学滤光器97，并且接收光阑96.1至96.6设置有一个光学滤光器98。通过光学滤光器97、98的透射度可以适配调整投射于探测器32上的辐射功率。
发射光阑84、85.1至85.4、94、95.1至95.4和接收光阑86.1至86.4、96.1至96.6具有圆形的光阑几何形状。圆形的发射光阑和接收光阑是优选的光阑几何形状。图4A的发射光阑84、85.1至85.4具有直径d1并且产生具有一个沿着周边方向恒定不变的1.0mrad的张角的分射束。图4B的发射光阑94、95.1至95.4具有直径d2并且产生具有一个沿着周边方向恒定不变的2.0mrad的张角的分射束。原则上也可以使用具有非圆形光阑几何形状的发射光阑和接收光阑。在具有椭圆或矩形光阑几何形状的发射光阑和接收光阑的情况中，光阑装置之后的射束具有一种椭圆的射束横截面，其具有沿着周边方向变化的张角。
图5A、B示出了第二成形元件的具有设计用于对不同距离范围内的面状回复反射器进行光学测距的激光射束成形元件和接收射束成形元件的第一和第二实施方式。例如借助在图1中示出的设备10进行测距。
图5A示出了具有一个激光射束成形元件102和一个接收射束成形元件103的第二成形元件101的第一实施方式。激光射束成形元件102构造为第一成形光阑，该成形光阑使入射的激光射束均化并将其整形为一个具有第一张角β1的成形激光射束。激光射束的折射不能完全避免，其中，成形激光射束的第一张角β1小于0.3mrad之最大极限角βmax。接收射束成形元件103构造为具有六个围绕激光射束成形元件102环形设置的圆形接收光阑104.1至104.6的接收光阑装置。
可以通过成形光阑102和接收光阑104.1至104.6来降低入射的接收射束的辐射功率，该降低对于面状回复反射器的情形是必要的。可以通过成形光阑102的面积和透光性来调节激光射束41的辐射功率以及通过接收光阑装置103的接收面和接收光阑104.1至104.6的透光性来调节接收射束42的辐射功率。成形光阑102和接收光阑104.1至104.6在实施例中构造为半透明的。成形光阑102设置有一个光学滤光器105，并且接收光阑104.1至104.6设置有一个光学滤光器106。
图5B示出了具有一个激光射束成形元件112和一个接收射束成形元件113的第二成形元件111的第二实施方式。激光射束成形元件112构造为第二成形光阑，该成形光阑使入射的激光射束均化并将其整形为一个具有第二张角β2的成形激光射束。接收射束成形元件113构造为具有四个围绕激光射束成形元件112环形设置的圆形接收光阑114.1至114.4的接收光阑装置。图5B的接收光阑114.1至114.4具有比图5A的接收光阑104.1至104.6更大的直径。
第二成形光阑112构造为对于激光射束的波长是半透明的。为此成形光阑112设置有一个光学滤光器115，该滤光器在激光射束的波长的范围内具有小于100％的透射度，例如为20％。接收光阑114.1至114.4在实施例中构造为对于反射的接收射束是全透明的。作为备选，接收光阑114.1至114.4可以构造为对于反射的接收射束是半透明的。除了接收光阑装置113的接收面之外，可以通过接收光阑114.1至114.4的透光性来调节投射于探测器32上的接收射束的辐射功率。
成形光阑102、112和接收光阑104.1至104.6、114.1至114.4具有圆形的光阑几何形状。圆形的成形光阑和接收光阑是优选的光阑几何形状。成形光阑102、112具有一个圆直径并且产生具有一个沿着周边方向恒定不变的张角的分射束。原则上也可以使用具有非圆形光阑几何形状的成形光阑和接收光阑。在具有椭圆的或矩形光阑几何形状的成形光阑和接收光阑的情况中，射束在光阑之后具有一种张角沿着周边方向变化的射束横截面。
图6示出了适配装置121的第一实施方式，其具有两个构造为用于对单一回复反射器进行光学测距的第一成形元件122、123、三个构造为用于对面状回复反射器进行光学测距的第二成形元件124、125、126和一个构造为用于对散射(漫射)性目标物体进行测距的射束通道127。例如借助在图1中示出的设备10进行测距。
第一成形元件122包括一个构造为具有五个圆形发射光阑129的发射光阑装置的激光射束成形元件128和一个构造为具有四个圆形接收光阑131的接收光阑装置的接收射束成形元件130，其中，接收光阑131设置有一个光学滤光器132并且构造为对于反射的接收射束是半透明的。另外的第一成形元件123包括一个构造为具有五个圆形发射光阑134的发射光阑装置的激光射束成形元件133和一个构造为具有四个圆形接收光阑的接收光阑装置135的接收射束成形元件136，其中，接收光阑136设置有一个光学滤光器137并且构造为对于反射的接收射束是半透明的。
第一成形元件122、123在发射光阑129、134的直径方面、在接收光阑131、136的直径方面和在接收光阑131、136的透光性方面是彼此不同的。第一成形元件122例如设置用于30m至100m的距离范围内的测距，以及第一成形元件123设置用于30m以内的距离范围内的测距。
第二成形元件124包括一个构造为圆形成形光阑的激光射束成形元件138和一个构造为具有四个圆形接收光阑140的接收光阑装置的接收射束成形元件139。成形光阑138借助一个光学滤光器141构造为对于激光射束是半透明的，并且接收光阑140借助一个光学滤光器142构造为对于反射的接收射束是半透明的。另外的第二成形元件125包括一个构造为圆形成形光阑的激光射束成形元件143和一个构造为具有四个圆形接收光阑145的接收光阑装置的接收射束成形元件144，其中，成形光阑143借助一个光学滤光器146构造为对于激光射束是半透明的。另外的第二成形元件126包括一个构造为圆形成形光阑的激光射束成形元件147和一个构造为具有七个圆形接收光阑149的接收光阑装置的接收射束成形元件148，其中，成形光阑147和接收光阑149构造为对于激光射束和接收射束是全透明的。
第二成形元件124、125、126在成形光阑138、143、147的直径方面、在成形光阑138、143、147的透光性方面、在接收光阑140、145、149的直径方面、在接收光阑140、145、149的数量方面和/或在接收光阑140、145、149的的透光性方面是彼此不同的。第二成形元件124例如设置用于对10m以内的距离范围内的猫眼的测距，第二成形元件125设置用于对10m至100m的距离范围内的猫眼的测距，以及第二成形元件126设置用于对100m以上的距离范围内的猫眼的测距。所规定的距离范围例如规定了用于良好反射的猫眼并且取决于面状回复反射器的质量。对此适用的规则是：激光射束的和接收射束的衰减应该随着面状回复反射器的质量下降而变小。
图7A、B示出了适配装置的第二实施方式，包括第一适配装置150(图7A)和第二适配装置151(图7B)，其中，第一适配装置150具有用于对单一回复反射器进行测距的第一成形元件和用于对面状回复反射器进行测距的第二成形元件，而第二适配装置151具有用于对激光射束和/或接收射束的辐射功率进行衰减的衰减元件。例如借助在图1中示出的设备10进行测距。
第一适配装置150包括两个构造为用于对单一回复反射器进行光学测距的第一成形元件152、153、三个构造为用于对面状回复反射器进行光学测距的第二成形元件154、155、156和一个构造为用于对散射(漫射)性目标物体进行测距的射束通道157。第一成形元件152包括一个构造为具有五个圆形发射光阑159的发射光阑装置的激光射束成形元件158和一个构造为具有四个圆形接收光阑161的接收光阑装置的接收射束成形元件160。另外的第一成形元件153包括一个构造为具有五个圆形发射光阑164的发射光阑装置的激光射束成形元件163和一个构造为具有四个圆形接收光阑的接收光阑装置165的接收射束成形元件166。
第一成形元件152、153在发射光阑159、164的直径方面和在接收光阑161、166的直径方面是彼此不同的。第一成形元件152例如设置用于30m至100m的距离范围内的测距和第一成形元件153设置用于30m以内的距离范围内的测距。
第二成形元件154包括一个构造为圆形成形光阑的激光射束成形元件168和一个构造为具有四个圆形接收光阑170的接收光阑装置的接收射束成形元件169。另外的第二成形元件155包括一个构造为圆形成形光阑的激光射束成形元件173和一个构造为具有四个圆形接收光阑175的接收光阑装置的接收射束成形元件174。另外的第二成形元件156包括一个构造为圆形成形光阑的激光射束成形元件177和一个构造为具有七个圆形接收光阑179的接收光阑装置的接收射束成形元件178。
第二成形元件154、155、156在成形光阑168、173、177的直径方面、在接收光阑170、175、179的直径方面和/或在接收光阑170、175、179的数量方面是彼此不同的。第二成形元件154例如设置用于对5m以内的距离范围内的反射箔进行测距，第二成形元件155设置用于对5m到30m的距离范围内的反射箔进行测距，以及第二成形元件156设置用于对30m以上的距离范围内的反射箔进行测距。所规定的距离范围例如规定了用于良好反射的反射箔并且取决于面状回复反射器的质量。对此适用的规则是：激光射束的和接收射束的衰减应该随着面状回复反射器的质量下降而变小。
第二适配装置151包括五个构造为用于对反射性目标物体进行测距的衰减元件和一个构造为用于对散射(漫射)性目标物体进行测距的射束通道187。衰减元件182至186分别包括一个可以设置在激光射束41的光路中的激光射束衰减元件和一个可以设置在接收射束42的光路中的接收射束衰减元件。在对反射性目标物体进行测距的情况中，第一适配装置150的成形元件152至156与第二适配装置151的衰减元件182至186可以相互组合。
第一衰减元件182包括一个全透明的第一激光射束衰减元件191和一个半透明的具有第一透射度TE1的第一接收射束衰减元件192。第二衰减元件183包括一个全透明的第二激光射束衰减元件193和一个半透明的具有第二透射度TE2的第二接收射束衰减元件194。第一和第二接收射束衰减元件192、194在透射度TE1、TE2方面是彼此不同的，例如第一接收射束衰减元件192的第一透射度TE1是第二接收射束衰减元件194的第二透射度TE2的两倍大。
第三衰减元件184包括一个半透明的第三激光射束衰减元件195和一个半透明的第三接收射束衰减元件196。在实施例中，第三激光射束衰减元件195的透射度TS3与第三接收射束衰减元件196的透射度TE3相一致。作为备选，第三激光射束衰减元件195的和第三接收射束衰减元件196的透射度TS3、TE3可以彼此不同。
第四衰减元件185包括一个半透明的具有第四透射度TS4的第四激光射束衰减元件197和一个全透明的第四接收射束衰减元件198。第四激光射束衰减元件197的透射度TS4例如为5％。
第五衰减元件186包括一个半透明的具有第五透射度TS5的第五激光射束衰减元件199和一个半透明的具有第五透射度TE5的第五接收射束衰减元件200。在实施例中，第五激光射束衰减元件199的透射度TS5与第五接收射束衰减元件200的透射度TE5相一致。作为备选，第五激光射束衰减元件199的和第五接收射束衰减元件200的透射度TS5、TE5可以彼此不同。

Claims (18)

1.用于光学测距的设备(10)，用以测量至单一回复反射器和面状回复反射器的距离，所述单一回复反射器由一个棱镜组成，所述面状回复反射器由并排地设置在一个平面内的多个棱镜组成，所述设备具有：
■射束源(31)，该射束源构造为电子光学部件并发射激光射束(41)，
■探测器(32)，该探测器构造为另外的电子光学部件并接收在单一回复反射器或面状回复反射器上反射的接收射束(42)，
■射束成形系统(33)，该射束成形系统包括将激光射束(41)成形的发射光学器件(35)和将接收射束(42)成形的接收光学器件(36)，
■激光射束成形元件，该激光射束成形元件能设置到激光射束(41)的光路中，并且该激光射束成形元件被构造用于测量至单一回复反射器的距离，
■另外的激光射束成形元件(72；102，112；138，143，147；168，173，177)，该另外的激光射束成形元件能设置到激光射束(41)的光路中，并且该另外的激光射束成形元件被构造用于测量至面状回复反射器的距离，
其特征在于：当激光射束(41)入射到单一回复反射器上时，激光射束(41)的激光射束直径小于单一回复反射器的棱镜的尺寸，并且当激光射束(41)入射到面状回复反射器上时，激光射束(41)的激光射束直径大于面状回复反射器的各所述多个棱镜的尺寸，其中，所述激光射束成形元件构造为具有至少一个发射光阑(63，66.1至66.3；84，85.1至85.4，94，95.1至95.4；129，134；159，164)的发射光阑装置，其中，所述至少一个发射光阑产生分射束(64，67.1至67.3)并将该分射束(64，67.1至67.3)扩开到一个或多个不小于1.0mrad之最小极限角(αmin)的第一张角(α1，α2)，其中，所述另外的激光射束成形元件构造为成形光阑，其中，所述成形光阑将激光射束整形为具有一个或多个第二张角(β)的成形激光射束(74)并且所述第二张角(β)小于0.3mrad之最大极限角(βmax)。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述发射光阑装置具有多个发射光阑(66.1至66.3；84，85.1至85.4，94，95.1至95.4；129，134；159，164)，其中，所述发射光阑(66.1至66.3)产生多个分射束(67.1至67.3)并且将这些分射束(67.1至67.3)分别扩开到一个或多个不小于1.0mrad之最小极限角(αmin)的第一张角。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述发射光阑构造为对于激光射束(41)是半透明的。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述发射光阑构造为对于激光射束(41)是半透明的。
5.如权利要求1至4之任一项所述的设备，其特征在于：设有第一激光射束成形元件(62；82；128；158)，该第一激光射束成形元件能设置到激光射束(41)的光路中并构造为具有至少一个第一发射光阑(63；84，85.1至85.4；129；159)的第一发射光阑装置；以及设有第二激光射束成形元件(65；92；133；163)，该第二激光射束成形元件能设置到激光射束(41)的光路中并构造为具有至少一个第二发射光阑(66.1至66.3；94，95.1至95.4；134；164)的第二发射光阑装置，其中，第一和第二发射光阑装置是彼此不同的。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述第一和第二发射光阑装置在第一和第二发射光阑的尺寸方面是彼此不同的。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述第一和第二发射光阑装置在发射光阑的数量方面、在发射光阑的面积方面和/或在发射光阑的透光性方面是彼此不同的。
8.如权利要求1至4之任一项所述的设备，其特征在于：所述成形光阑构造为对于激光射束是半透明的。
9.如权利要求1至4之任一项所述的设备，其特征在于：设有能设置到激光射束(41)的光路中的第一成形光阑和能设置到激光射束(41)的光路中的第二成形光阑，其中，第一和第二成形光阑在成形光阑的尺寸方面、在成形光阑的面积方面和/或在成形光阑的透光性方面是彼此不同的。
10.如权利要求1至4之任一项所述的设备，其特征在于：设有接收射束成形元件(83，93；103，113；130，135，139，144，148；160，165，169，174，178)，该接收射束成形元件能设置到接收射束(42)的光路中并且该接收射束成形元件构造为具有至少一个接收光阑(86.1至86.4，96.1至96.6；104.1至104.6，114.1至114.4；131，136，140，145，149；161，166，170，175，179)的接收光阑装置。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：所述接收光阑装置具有多个接收光阑(86.1至86.4，96.1至96.6；104.1至104.6，114.1至114.4；131，136，140，145，149；161，166，170，175，179)，这些接收光阑彼此间隔开。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于：所述接收光阑构造为对于接收射束是半透明的。
13.如权利要求10所述的设备，其特征在于：设有第一接收射束成形元件，该第一接收射束成形元件能设置到接收射束(42)的光路中并构造为具有至少一个第一接收光阑的第一接收光阑装置；以及设有第二接收射束成形元件，该第二接收射束成形元件能设置到接收射束(42)的光路中并构造为具有至少一个第二接收光阑的第二接收光阑装置，其中，第一和第二接收光阑装置是彼此不同的。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于：所述第一和第二接收光阑装置在接收光阑的数量方面、在接收光阑的面积方面和/或在接收光阑的透光性方面是彼此不同的。
15.如权利要求10所述的设备，其特征在于：构造为发射光阑装置的激光射束成形元件和构造为接收光阑装置的接收射束成形元件设置在第一成形元件(81，91；122，123；152，153)上，其中，该第一成形元件(81，91；122，123；152，153)能设置到激光射束的光路中和接收射束的光路中。
16.如权利要求10所述的设备，其特征在于：构造为成形光阑的激光射束成形元件和构造为接收光阑装置的接收射束成形元件设置在第二成形元件(101，111；124，125，126；154，155，156)上，其中，该第二成形元件(101，111；124，125，126；154，155，156)能设置到激光射束的光路中和接收射束的光路中。
17.如权利要求15或16所述的设备，其特征在于：设置有至少一个第一成形元件(81，91；122，123；152，153)和至少一个第二成形元件(101，111；124，125，126；154，155，156)。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于：设置有多个第一成形元件(81，91；122，123；152，153)和/或多个第二成形元件(101，111；124，125，126；154，155，156)。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111491444B (zh) * 2020-05-19 2021-07-27 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种测距传感器发射模组以及测距传感器
CN117647815A (zh) * 2023-12-07 2024-03-05 杭州隆硕科技有限公司 一种半透明障碍物激光测距方法和系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5923468A (en) 1996-07-01 1999-07-13 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Surveying instrument having an automatic focusing device
DE19840049C5 (de) 1998-09-02 2007-11-08 Leica Geosystems Ag Vorrichtung zur optischen Distanzmessung
EP1154284A1 (de) * 2000-05-12 2001-11-14 Oerlikon Contraves Ag Multifunkionelle optische Zielvorrichtung
JP3892704B2 (ja) * 2001-10-30 2007-03-14 ペンタックス株式会社 光波測距儀
JP4644540B2 (ja) 2005-06-28 2011-03-02 富士通株式会社 撮像装置
JP2009063383A (ja) * 2007-09-05 2009-03-26 Ricoh Co Ltd 検査装置及び検査方法
EP2096459B1 (de) * 2008-02-29 2017-11-01 OSRAM Opto Semiconductors GmbH Sensorsystem mit einer Beleuchtungseinrichtung und einer Detektoreinrichtung
DE102011076493A1 (de) 2011-05-26 2012-11-29 Hilti Aktiengesellschaft Messeinrichtung zur Distanzmessung
DE102011076491A1 (de) * 2011-05-26 2012-11-29 Esw Gmbh Messeinrichtung zur Distanzmessung
DE102011089557A1 (de) * 2011-12-22 2013-06-27 Hilti Aktiengesellschaft Lasersystem zur Erzeugung einer linienförmigen Lasermarkierung
DE102013205589A1 (de) 2013-03-28 2014-10-02 Hilti Aktiengesellschaft Vorrichtung zur optischen Messung einer Distanz zu einem reflektierenden oder streuenden Zielobjekt

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