CN108474655A - 具有补偿温度变化的光学平台的测量仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量仪器(300)，其包括底座(320)、具有光轴(315)的光学系统(310)、附接到底座(320)的平台(350)以及光学部件(330)。光学系统(310)可以适合于接收和/或发送光。光学部件(330)位于光轴(315)处或接近光轴(315)。接收的和/或发送的光穿过光学部件(330)。平台(350)包括致动构件(370)，该致动构件(370)布置成作用在光学部件(330)上以用于使其移动。致动构件(370)可以是响应于温度的，以便响应于温度变化而引起光学部件(330)相对于底座(320)沿光轴(315)的位移。

Description

具有补偿温度变化的光学平台的测量仪器
技术领域
本公开总体上涉及测量领域。特别地，本公开涉及构造成确定到目标的距离的测量仪器。
背景
在测量技术中，物体的位置通过测量角度和距离来确定。为此，测量仪器或大地测量仪器包括电子距离测量装置(EDM)，其可以使用不同的技术来估计EDM自身与目标物体之间的距离。一种这样的技术是所谓的“飞行时间(time-of-flight)”方法，其中通过测量光的光学脉冲的往返来估计到目标物体的距离。使用光学源，例如激光器，朝向目标发射光学脉冲，希望脉冲的至少一些部分将在目标处反射并返回到从其发射脉冲的测量装置，然后在该测量装置中由光电检测器检测脉冲。如果精确地测量光学脉冲行进到目标物体和从目标物体返回所花费的时间，则可以计算出到目标物体的距离的良好估计。
如果光学脉冲在数个方向上被发射，则可以确定到物体上数个点的距离。如果每个脉冲的发射角受到良好的控制(或者通过旋转EDM或大地测量仪器本身，或者通过例如使用镜子在已知方向上偏转所发射的光学脉冲)，则可以创建并使用距离和发射角之间的映射，以便建立物体表面的三维测绘。这样，大地测量仪器可以用作三维(3D)扫描仪。
由于目标物体上不同点(或区域)之间的光学特性(例如反射率)的差异可能很大，因此各个返回(反射)的光学脉冲可能在例如幅度方面不同，并且要求EDM的接收端具有相对高的动态范围，以便其能够检测具有变化特性的输入光学脉冲。
当前技术领域的挑战是提供一种具有更稳定的动态范围的大地测量仪器。
概述
因此，本公开的目的是至少部分地满足上面所说明的要求。为了达到这个目的，提供了如独立权利要求中限定的测量仪器。进一步的实施方案在从属权利要求中被限定。
根据一些实施方案，提供了测量仪器。该测量仪器包括底座(chassis)、具有光轴的光学系统、附接到底座的平台(stage)和光学部件。光学系统可适合于接收和/或发送光(比如，例如，光的光学脉冲或光束)。光学部件位于光轴处，或接近光轴。接收的和/或发送的光可以穿过光学部件。平台包括致动构件，该致动构件布置成作用在光学部件上，以用于使光学部件移动。致动构件可以是响应于温度的，以便响应于温度变化而引起光学部件相对于底座沿光轴的位移。
已经认识到，由于温度变化，测量仪器的动态范围可能改变，特别是减小。温度变化可以例如改变接收器的电子器件(例如，诸如放大器或衰减器)，从而影响测量仪器的动态范围。此外，温度变化可能导致光学元件附接至其的仪器的底座膨胀，并因此改变这些不同光学元件的结构和/或光学布置，从而也影响在仪器的接收器处接收到的光的量。特别地，将目标处反射的光(诸如，例如光学脉冲)中继到接收器的光学部件的(沿仪器的光轴)的位置(即，所接收到的光所穿过的光学部件的位置)可能由于温度升高或降低而改变，从而影响在接收器处从光学部件接收到的光量。类似地，将所发送的光(诸如，例如光学脉冲)中继到目标的光学部件(沿仪器的光轴)的位置(即，所发送的光穿过其的光学部件的位置)可能由于温度升高或降低而改变，从而影响从仪器发送的光的量，这进而影响在接收器处接收到的光的量。
应当理解，在本公开中，有时可以描述光学部件可以将接收到的光或接收到的光学脉冲(即，在目标处被反射的光)传输到接收器。在这种情况下，术语“传输”可以指在大地测量仪器内光从光学部件到接收器的内部传输。可以互换地描述的是，当接收到的光穿过光学部件时，光学部件将接收到的光中继到接收器。
类似地，还可以描述光学部件可以接收所发送的光(或发送的光学脉冲或发送的光束)，因为光学部件可以从例如光学光源接收发送的光，然后将其传输到测量仪器的另一光学元件，使得其从测量仪器被传输。可以互换地描述的是，当发射的光穿过光学部件时，光学部件中继从光源发射的光。
通常，由测量仪器接收的光，例如已经在目标处反射的光，被称为接收到的光。此外，从测量仪器发送的光(即，从仪器离开的光)被称为发送的光。
在一个实施方案中，测量仪器还可以包括接收器，该接收器构造成经由光学部件接收所接收到的光。另外或可选地，测量仪器还可以包括光学光源，光学光源构造成发射光，该光经由光学部件发送。换言之，具有用于响应于温度变化而使光学部件位移的致动构件的平台可以布置在测量仪器的发送部分处，即与光源连接，以调节从测量仪器发送的光的量和/或布置在测量仪器的接收部分处，即与接收器连接，以调节在测量仪器的接收器处接收到的光的量。应当理解，在一些实施方案中，测量仪器可以配备有两个单独的平台，一个在接收部分处，并且一个在发送部分处。
在传统的测量仪器中，温度变化可能影响测量仪器内的电子部件和光学布置(或这些中的任一个)，从而引起变化，并且特别是测量仪器的动态范围的减小。因此，由测量仪器进行的一些测量可能导致，例如接收器处的饱和或微弱光量(因为该量在量值上太低)，这降低了测量仪器的精度。
在本实施方案中，提供了对温度变化的光学补偿。光学部件安装在附接到仪器底座的平台上，并且响应于温度变化的平台的致动构件用于相对于底座引起布置在光轴处或接近光轴布置的光学部件的位移(或运动)。在本实施方案中，因为温度变化而导致的底座的热膨胀(其导致光学系统沿光轴运动)通过光学部件沿光轴的运动而得到补偿，这归因于光学部件布置在其处的光学平台，并且特别是平台的致动构件，因为致动构件是响应于温度变化的。
对于本实施方案，由于引入了光学平台，其引起光学部件运动，接收到的光经由光学部件被传输到接收器和/或经由光学部件从仪器发送光，可以由测量仪器在更大的温度范围上测量更宽范围的目标反射率。换句话说，实现了更稳定的动态范围，并且获得了更可靠的测量仪器。
在本公开中，测量仪器的光学系统可以包括布置在测量仪器前端部处的物镜、前透镜或前透镜组件。然而，光学系统可以包括许多更多的透镜以及光学元件，例如棱镜。通常，在发送路径(即，从大地测量仪器的光源朝向目标的光学路径)中，前透镜组件是光学组(或组件)，该光学组(或组件)包括具有特定折射特性或效应的最后的光学元件(例如，发散/会聚透镜)，在该最后的光学元件处或在该最后的光学元件之后，测量束(或光学脉冲)退出(或离开)测量仪器。类似地，前透镜组件是光学组(或组件)，该光学组(或组件)包括具有特定折射特性的第一光学元件(例如，发散/会聚透镜)，当进入测量仪器时或进入测量仪器之后，在目标处反射的光(或测量束或反射束或反射的光脉冲)与第一光学元件相遇。如上面所提到的，仪器的前透镜组件可以是例如光学系统的透镜。如上面所提到的，应当理解，光学系统可以包括其它光学部件。
在温度变化之后，测量仪器的光学系统可能位移，从而改变光学系统接收的光学脉冲聚焦的焦点的位置。光学系统可以附接到底座，并因此引起底座热膨胀的温度变化将导致光学系统焦点的位置沿仪器光轴变化。类似地，如果光学部件附接到底座，光学部件的位置也可能由于温度变化(即由于底座的膨胀)而位移。
在本实施方案中，光学平台被引入测量仪器中，以补偿由于底座的膨胀引起的焦点位置的这种变化。如上面所描述，利用平台的致动构件(在该致动构件处，接收光的光学部件可以直接布置或者经由可移动部分布置，如下面根据一些实施方案将进一步解释的那样)，响应于温度变化，引起光学部件的运动，从而导致光学部件相对于光学系统位于沿光轴的所需要位置(在一些实施方案中，该所需要位置可以是大致相同的位置，但不是必须的)。
可以校准位移的量，以便补偿电子器件的任何变化(例如，由接收到的光引起的电信号的放大/衰减方面的变化)和/或光学布置的任何变化(即，从光学部件传输到接收器的光的量的变化)。在本实施方案中，已经实现了光学补偿以抵消因温度变化引起的底座的热膨胀和/或与测量仪器的电子部分相关联并影响其动态范围的任何变化。
在本公开中，底座是指测量仪器的支撑件、结构或主体，光学系统和平台附接在测量仪器的支撑件、结构或主体处。
在一些实施方案中，光学系统的光轴可以对应于由光学系统的前透镜界定的光轴。光学系统的光轴然后可以界定测量仪器的视线，即测量仪器在执行测量时所指向的方向。然而，应当理解，光学系统可以包括其它光学元件，例如相对于接收到的光或接收到的光学脉冲光学地位于前透镜之后(即，在测量仪器内且相对于发送的光或发送的光学脉冲光学地位于前透镜之前)的倾斜镜，其中心轴不必平行于前透镜的中心轴。
在本公开中，光学部件布置在其处并且在光学系统处接收到的光经由其被重新传输到接收器的平台或光学平台可以是光学部件布置(或附接)在其处的支撑件、主体或托架。
光学部件可以布置在光学系统的光轴处或接近光学系统的光轴布置。在一些实施方案中，光学部件布置在光学系统的(前)透镜的焦点处(或附近)。光学部件可以例如在光学系统和使在光学系统处接收的光传输到接收器的传输线或光波导(其可以是光纤)之间建立光学连接。在一些实施方案中，光学部件可以是光纤套管(optical fiber)，光纤连接到光纤套管以接收和/或发送光。光纤套管可以布置成将光学光源发射的光中继(或引导)到前透镜组件以从测量仪器进行发送，或者可以布置成将在测量仪器的前透镜组件处接收的光中继(或引导)到测量仪器的接收器。
接收器(或接收单元或接收装置)可以包括光电检测器，比如，例如光电二极管(特别是雪崩光电二极管)，以用于检测在光学系统处接收并经由光学部件传输的光(例如光学脉冲)。接收器可以构造成将接收到的光转换成电信号。然后，该电信号可以由接收器或连接到接收器的处理器使用，以用于确定到目标(光已经在目标处被反射)的距离。特别地，处理器可以构造成确定光的光学脉冲的接收时间。应当理解，接收器可以包括比光电检测器本身更多的部件，诸如，例如放大器或衰减器。
类似地，光学部件可以例如在光学系统和引导在光学系统处从光源接收的光(例如，光学脉冲)的传输线或光波导(其可以是光纤)之间建立光学连接。在一些实施方案中，光学部件可以是光纤套管，光纤连接到该光纤套管以用于发送在光学光源处发射的光。
术语温度变化是指温度的变化，诸如，例如温度升高或温度降低。在本公开的上下文中，温度变化可以是若干度到几十度。测量仪器可能经受从零下30摄氏度(-30℃)到正70摄氏度(70℃)的温度变化，即总共100摄氏度的温度变化。应当理解，虽然温度升高导致光学部件沿光轴在一个方向上移动，但是温度降低导致光学部件在相反方向上移动。由于测量过程(比如，例如扫描)期间的温度变化，温度可能仅变化若干度，并且光学元件根据温度是稍微升高还是降低而可能来回移动。
仅出于说明的目的，光学部件可以是光纤套管，并且可以构造成每摄氏度移动约五微米(5μm/℃)。因此，一百度的完整移动(或平移)可以等于沿光轴(其可以被认为是纵向方向)约五百微米(500μm，即0.5mm)。如果光学部件布置成将光输入(或传输)到具有约一百(100)微米的直径的光纤中，则光学部件在横向方向(垂直于光轴的方向)上的移动可以优选不超过约五(5)度，使得合理的光量到达光学部件。应当理解，根据光学部件的类型，可以使用不同的精度和容差。
应当理解，在本实施方案中，平台可以设计成使得由平台提供的光学部件的位移不完全补偿由于底座的热膨胀而导致的光学部件沿光轴的错位，因为在测量仪器中可能存在其它元件，比如电子部件(例如放大器或衰减器)，其也可能受到温度变化的影响。平台的致动构件不仅可以补偿由于底座的热膨胀引起的光学部件沿光轴的位移，而且可以补偿接收器(或接收器的电子部件)中的任何其它变化。本实施方案提供了经由通过致动构件使光学部件位移而控制将被传输到接收器的光的量的优点。
在一些实施方案中，光学部件可以直接附接到致动构件。
在一些其它实施方案中，平台还可以包括可移动部分，并且光学部件可以附接到该可移动部分。然后，致动构件可布置成作用在可移动部分上以用于使其移动。换句话说，光学部件可以附接到可移动部分，致动构件布置成作用在该可移动部分上，以便引起光学部件沿光轴的运动(或移动)。在这样的实施方案中，平台包括至少两个元件，致动构件和可移动部分。光学部件附接到可移动部分，并且致动构件对温度变化敏感，使得其引起可移动部分的运动，并从而引起光学元件的运动。
如将在以下一些实施方案中进一步描述的，可设想可移动部分和致动构件的不同机械布置。
在一些实施方案中，致动构件的致动可由致动构件响应于温度变化的机械变形引起，从而引起光学部件的位移。换句话说，致动构件可以布置或构造成通过其自身主体的机械变形来引起光学部件的位移。
在一些实施方案中，机械变形可以是致动构件的弯曲或膨胀中的至少一种。在第一可选方案中，致动构件可布置成在温度变化时改变其弯曲。如果光学部件直接附接到致动构件，则致动构件的弯曲的变化可导致光学部件移动。如果光学部件附接到可移动部分，则致动构件的弯曲的变化可导致可移动部分通过致动构件被推动(或位移)，其从而导致光学部件的运动。
在第二可选方案中，致动构件可以在至少一个方向上膨胀，并且可以与光学部件或附接光学部件的可移动部分接触，以便推动光学部件(或使其位移)。根据致动构件和可移动部分之间的机械布置，并且特别是致动构件和可移动部分之间的接触点的位置，致动构件的弯曲(或膨胀)的变化可引起可移动部分的平移或更复杂的运动(例如，包括摆动)。
根据一个实施方案，平台可以包括基座(base)，该基座具有牢固地附接到基座的柔性区段(或铰链)，可移动部分是布置成在由致动构件致动时，在柔性区段上摆动的臂。在该实施方案中，由于光学部件附接到(或安装在)可移动部分上，因此光学部件将经历摆动。对于该实施方案，光学部件的运动在至少一个方向上来提供。
在一些实施方案中，光学部件可以附接在可移动部分的与附接到铰链的末端相对的末端处，使得其运动可以是几乎线性的(直的)。应当理解，如果光学部件关于由摆动引起的位移(圆弧)布置在距摆动的旋转中心大的距离处，则该位移可以被认为是平移(沿光学系统的光轴)。
根据一个实施方案，致动构件可以是沿臂延伸的板。例如，平台可以包括臂和板，光学部件安装在臂处，板可以响应于温度变化可机械变形，尤其是具有可变弯曲。当板沿臂延伸时，板布置成根据板的弯曲在臂上施加可变的力(或压力)。
在一个示例中，板可以包括开口，开口用于将光纤连接到光学部件。光学部件可以位于该开口内，这可能是有利的，因为它提供了更紧凑的设计，并且还可能产生更稳定的结构。特别地，将光学部件放置得更靠近柔性区段(或铰链)(与致动构件在可移动部分上的接触点相比)也提供杠杆作用，这可能是有益的，因为接触点对光学部件的运动具有很小的影响。
根据一个实施方案，平台可以包括沿光轴延伸或接近光轴延伸的轨道，其中可移动部分布置成在由致动构件致动时，在轨道上滑动。在该实施方案中，平台可以配备有轨道。在一个示例中，可移动部分可以布置成在由致动构件致动时，在轨道上滑动，并且特别是平移。本实施方案是前述实施方案中的一些实施方案中描述的机械布置的可选方案，其中平台包括铰链和布置成在铰链上摆动的臂。
根据一个实施方案，光学部件可以安装在可移动部分上，接近致动构件与可移动部分接合的至少一个接触点。在平台包括柔性区段(或铰链)和布置成在柔性区段上摆动的臂的情况下，本实施方案特别有利，使得光学部件关于由摆动引起的位移(圆弧)布置在距摆动的旋转中心大的距离处。结果，光学部件的运动可以主要是沿光学系统的光轴的平移。应当理解，尽管在本说明书中有时被称为铰链，但是铰链可以不必是具有装配在一起并且具有抵靠彼此滑动的表面的数个部分(圆柱形和销形)的传统铰链，而是相反可以是设计为铰链的单个部分，由于待加工部分的数量的减少，这致使平台更加机械地稳定和精确。
根据一个实施方案，致动构件可以包括双金属材料(bimetal)、三金属材料、四金属材料、包括不同材料的至少两个可热膨胀层的材料、或包括不同材料的至少两个可热膨胀元件的布置中的至少一种。不同材料可以是具有两种不同膨胀系数的材料。在该实施方案中，致动构件可包括连结(或结合)在一起的至少两个单独的可热膨胀层。致动构件例如可以是双金属材料，其包括连结在一起的两个单独的金属层。致动构件也可以是三金属材料或四金属材料，其可以分别包括三个或四个单独的金属层。
仅作为示例并出于说明的目的，双金属材料可由一层铁和另一单独的黄铜层或任何其它组合制成，例如钢和铜或钢和黄铜，或者甚至两层两种不同的钢合金。可以设想其它材料组合(特别是金属层的组合)。此外，连结在一起以形成致动构件的可膨胀层的数量也可以变化。致动构件例如可以是板或条，即，致动构件可以是长形的(主要在一个方向上延伸并且相当窄)。此外，致动构件可以是薄的，因为致动构件越薄，则弯曲半径越小(tighter)。
使用这些材料，由于连结在一起的两个(或更多个)层之间的热膨胀差异，致动构件的弯曲可以在温度变化时变化。特别地，如果加热，不同的膨胀力迫使致动构件在一个方向上弯曲，并且如果冷却到低于其初始温度，则在相反方向上弯曲。具有较高热膨胀系数的材料(金属)在致动构件经受相对于其初始温度的温度升高时，位于曲线的外侧，而在致动构件经受相比于其初始温度的温度降低时，位于曲线的内侧。因此，致动构件可构造成当周围温度变化时来回地弯曲。这样的材料(即，像双金属材料一样)表现非常小的滞后，这导致测量仪器更加可靠。
在一些实施方案中，致动构件可以是包括不同材料的至少两个可热膨胀元件的布置，其中不同材料可以具有两种不同的膨胀系数。
根据一个实施方案，致动构件可以布置成在可移动部分上永久地施加力(或者反之亦然)。特别地，可移动部分可以被弹簧加载，使得可移动部分被推动成抵靠致动构件。这可以通过设计致动构件和可移动部分的几何形状来实现，使得其在整个平移范围内抵靠彼此处于恒定张力下。
致动构件可以例如与可移动部分具有永久接触点(或接触区域)。这可以通过在致动构件或可移动部分处提供突出部(或凹口或凹进部)来获得。因此，可以减小游隙(backlash)的影响。此外，致动构件响应于温度变化的变形将提供已经施加在可移动部分上的力的增大或释放(减小)，从而改善对可移动部分的运动以及由此对光学部件的运动的控制。
根据更具体的示例，致动构件可以布置成在至少一个接触点处与可移动部分接合。致动构件可以在牢固地附接到平台的第一末端和至少该至少一个接触点之间延伸。在本示例中，致动构件可以从牢固地附接到平台的末端延伸到与可移动部分的接触点。由于致动构件是响应于温度的，因此响应于温度变化，致动构件将经由接触点引起可移动部分的运动，这进而将引起(附接到可移动部分的)光学部件相对于底座沿光轴的位移。然而，也可以设想其它示例，其中可移动部分可以附接到致动构件上，或者其中光学部件直接附接到致动构件(致动构件由此充当可移动部分)。
根据一个实施方案，可以校准致动构件的参数，以确定响应于温度变化使光学部件沿光轴的位移的量。具体地，参数可以包括致动构件的材料和尺寸中的至少一个。特别地，在致动构件形成为板的情况下，运动的量可以取决于板的宽度。位移量可以根据致动构件的总体设计来选择(或被校准)，诸如，例如致动构件的宽度和/或在致动构件中形成的用于光纤插入和连接到光学部件的开口(如果有的话)的大小。所需要的位移量(以微米每度温度变化为单位)可以通过改变原始可得到(或商业可得到)的致动构件的尺寸来获得。例如，原始提供10μm/℃位移的双金属板可以被设计(改变形状和尺寸)成最终提供5μm/℃。
根据一个实施方案，该仪器还可以包括中心单元，该中心单元布置成相对于仪器的基座旋转。在该构造中，光学系统、平台和光学部件可以布置在中心单元内。测量仪器可以是全站仪或者是大地扫描仪。测量仪器瞄准(即视线)的目标的位置可以通过旋转中心单元来选择，但也可以通过布置在中心单元内的偏转元件，例如旋转镜来获得。
在一些其它实施方案中，平台和光学部件可以布置在大地测量仪器的照准仪中，中心单元安装在照准仪上以绕第一(耳轴)轴线旋转，并且照准仪安装在基座上以绕第二(方位角)轴线旋转。第一轴线和第二轴线可以相互交叉，并且特别是可以相互正交。
一般来说，该仪器可以包括光学光源，其构造成发射光，该光然后朝向目标被引导，光在目标处被反射。光学光源可以构造成发射光学脉冲和/或(连续的)光束。光学光源例如可以是激光器。
根据一个实施方案，该仪器还可以包括处理器，该处理器构造成基于至少接收到的光来确定距离。特别地，处理器可以构造成测量(来自光源的)光(例如光学光脉冲)发射和(在接收器处的)光(例如反射的光学光脉冲)的接收之间的时间段。处理器还可以构造成基于测量的时间段来确定距离。除了基于发送和接收之间的时间测量的方法之外，可以采用其它方法，比如，例如基于相移测量的方法。
本公开涉及权利要求中所叙述的特征的所有可能的组合。此外，本文中描述的任何实施方案可以与本文中也描述的其它实施方案组合，并且本公开涉及特征的所有组合，即使所述特征在相互不同的权利要求中被叙述。
本公开的各种实施方案的进一步的目的和优点将借助于示例性实施方案在以下进行描述。
附图
现在，将参考附图更详细地描述示例性实施方案，在附图中：
图1a和图1b示意性地图示了温度变化对测量仪器的影响；
图2示意性地图示了根据一些实施方案的由测量仪器的光学平台提供的温度变化的补偿；
图3a示意性地示出了根据一些实施方案的测量仪器的俯视图；
图3b示意性地图示了平台的致动构件和可移动部分的可选布置；
图4a和图4b提供了根据一些实施方案的测量仪器的光学平台的三维视图；
图5示意性地图示了根据一些实施方案的由致动元件提供的运动；
图6示意性地图示了根据的一些实施方案的测量仪器；以及
图7是根据一些实施方案的大地测量扫描器的一般示意图。
除非明确陈述为相反，否则附图仅示出了为说明示例性实施方案所必需的这些元件，而为了清楚起见，可以省略或仅建议其它元件。
详细描述
现在将在下文中参照其中示出示例性实施方案的附图更充分地对本公开进行描述。然而，本发明可以以许多不同形式来体现，并且不应解释为限于本文中所陈述的实施方案，而是这些实施方案通过示例来提供。
参考图1a和图1b，图示了温度变化对测量仪器100的影响。
测量仪器100包括光学透镜110和底座120，光学透镜110具有光轴115。测量仪器还包括光学部件130，光学部件130附接到测量仪器100的底座120。光学透镜110接收光，并且构造成将接收的光聚焦在焦点处。在图1a中，光学部件沿光学透镜110的光轴115并且在光学透镜110的焦点处或者至少接近光学透镜110的焦点布置。因此，光学透镜110将大部分光重定向(或会聚)到光学部件130。
然而，在温度变化时，底座120可能膨胀，并且附接到其的光学部件130可能位移，如图1b中所图示。图1b示出了与图1a相同的测量仪器，除了光学部件由于其所附接到的底座120的热膨胀而沿光轴115位移之外。结果，光学部件130不再布置在光学透镜110的焦点处，并且在光学透镜110处接收的一些光可能不到达光学部件130。
参照图2，图示了根据本公开的一些实施方案的由测量仪器200的光学平台提供的温度变化的补偿。
测量仪器200可以等同于测量仪器100，除了由于光学部件230安装在光学平台(图2中未示出)上，因此光学部件230响应于温度变化而朝向光学透镜210移动，从而补偿了底座220在温度变化时的膨胀。结果，光学部件230仍然在光学透镜210的焦点处或接近光学透镜210的焦点布置，并且可以控制由光学透镜210聚焦在光学元件230处的光的量。
图2中所图示的补偿效果可以通过引入光学部件230布置在其上的光学平台来提供，比如下面参考例如图3a、3b、4a和图4b所描述的。
参照图3a，描述了根据一些实施方案的测量仪器。
图3a是测量仪器300的俯视图，测量仪器300包括具有光轴315的光学系统310、底座320、附接到底座320的平台350、光学部件330和接收器380。
光学系统310可以包括透镜或透镜组件，该透镜或透镜组件构造成接收光并将接收的光聚焦在沿光轴315的焦点处。图3a图示了可以在光学系统310处接收的光的光学脉冲。光的光学脉冲可以是最初从测量仪器300发射并且然后在目标(或物体)处反射回来的脉冲，测量仪器瞄准目标以用于测量到目标的距离。将参照图6更详细地描述该方面。
接收到的光脉冲可以由光学系统310引导到安装在平台350上的光学部件330。平台350可以包括致动构件370和任选的可移动部分360。如果光学部件330直接附接到致动构件，则致动构件370可以布置成直接作用在光学部件330上。然而，在图3a中所示的具体示例中，致动构件370布置成作用在可移动部分360上以用于使其移动。光学部件330可以被附接到可移动部分360，并且位于光轴315处或接近光轴315。应理解，光学部件330可以不必布置在光学系统310的焦点处。如上面所提到的，平台350可用于补偿由一个或更多个电子部件的变动和接收光脉冲的光学部件的光学布置的变化中的两者或任一者引起的变化。因此，光学部件330可以沿光轴315(或至少接近光轴315)布置，但不必布置在焦点处，以便控制从光学系统310传输的光的量。
接收器380可构造成经由光学部件330接收所接收到的光的光学脉冲。光学部件330例如可以是光纤套管，光纤335连接在光纤套管处，以用于将接收到的光学脉冲从光纤套管330传输到接收器380的光电检测器(未示出)。光电检测器可以是例如，光电二极管。接收器可以然后将接收到的光学脉冲转换成电信号。然后，电信号可以由接收器380本身或由连接到接收器380的处理器使用，以确定脉冲的特性。特别地，可以确定接收到的光学脉冲的接收时间，然后与脉冲的发射时间进行比较，从而确定光学脉冲的行进时间，即脉冲从测量仪器行进到目标并然后从目标返回测量仪器所花费的时间。根据行进时间，可以计算从测量仪器到目标的距离。这种计算方法也可以称为飞行时间法。
然而，应当理解，通过测量仪器300确定距离可以不必然使用飞行时间方法来执行。也可以使用其它技术，例如基于检测多个频率相移(frequency phase-shifts)的方法。在这种情况下，从测量仪器(经由光学系统)发送并然后在目标处反射之后在测量仪器处接收的光可以不是光学脉冲，而是光束。因此，尽管在本文中描述的实施方案中有时提到光学脉冲和飞行时间方法用于确定到目标的距离，但是也可以采用其它测量技术。
致动构件370可以是响应于温度(且特别是温度变化)的，以便响应于温度变化而引起光学部件330相对于底座320沿光轴315的位移。如参照图1a和图1b所描述的，温度变化可影响光学部件330沿光轴315的位置。这进而可能影响由光学部件330捕获的光的量，并从而影响在接收器380处检测到的光的量，这影响测量仪器300的动态范围。另外，由于温度变化而导致的电子部件的变化，因此可能影响测量仪器的动态范围。
在本实施方案中，温度驱动平移平台用于重新聚焦光学器件，并且特别是使光学部件330沿光轴315位移。
在图3a中所示的实施方案中，光学平台350包括可移动部分360和致动构件370，可移动部分360可以是可移动臂，可移动臂布置成围绕铰链355摆动，铰链355靠近光学平台固定到底座320的固定点358，致动构件370可以是双金属片(或者至少是板，其弯曲取决于温度)。双金属片370可以被布置成沿可移动臂360延伸。在本示例中，致动构件370从光学平台350(或其基座)附接到底座320的末端延伸到可移动臂360的布置有光学部件330的末端。
致动构件(或双金属片)370可以布置成使得其与可移动臂360接触。在图3a中所示的实施方案中，致动构件被预张紧。致动构件的弯曲可以响应于温度变化而改变，从而改变施加到可移动臂360的力，并使光学部件330的位置沿光轴315位移。致动构件的运动方向可以例如在机加工之前通过测试或者通过用于致动构件的材料的可用特性来验证。更一般地，致动由响应于温度变化的致动构件370的机械变形来提供，从而引起光学部件330沿光轴315的位移。尽管本实施方案显示，改变的是致动构件的弯曲，但是可以设想基于致动构件的其它机械变形的其它可选方案。然而，如图3a中所示的本示例的确提供了光学部件330沿光轴315的更稳定和更精确的位移。
在本示例中，致动构件可以包括双金属材料，如上面所提到的，但是更一般地可以是包括不同材料的至少两个可热膨胀层的任何材料。
尽管图3a已经用于图示测量仪器300的接收部分(或接收侧)，但是应当理解，相同的图可以用于图示测量仪器300的发送部分(或发送侧)，其中接收器380是构造成发射光学光脉冲的光学光源，该光学光脉冲经由光纤335被导引到安装在包括可移动部分360和致动构件370的平台350上的光纤套管330。光纤套管安装在光轴315处，由光学光源发射的光学脉冲沿该光轴315从测量仪器300发送。
参照图3b，示出了具有平台的可选实施方案的测量仪器301，该平台包括提供诸如光纤套管的光学部件330的位移的致动构件371和可移动部分361。这样的平台可以安装在测量仪器301的底座320处。
图3b示出了测量仪器301，其可以相当于参照图3a描述的测量仪器300，除了其包括另一类型的平台之外。在该实施方案中，可移动部分安装在轨道上，可移动部分布置成在轨道上滑动(如通过元件361的轮子所图示的)。轨道可以沿光轴315延伸，使得可移动部分361沿光轴315的位移引起光纤套管330沿光轴315的运动。在该实施方案中，致动构件不是弹簧，而是螺旋形状的(或具有螺旋形式)。致动构件361可以例如由双金属材料或至少一种材料制成，该至少一种材料在温度变化时导致附接到可移动部分361的螺旋形成的致动构件371的压缩或延伸，使得可移动部分361被拉向致动构件371或从致动构件361被推动。
参照图4a和图4b，描述了根据一些实施方案的光学平台400。
图4a和图4b提供了同一光学平台400的两个不同视角的三维视图。光学平台400可以等同于参考图3a描述的光学平台350。图4a和图4b中所示出的光学平台400可以代替图3a示意性图示的测量仪器300中的光学平台350。
光学平台400包括可移动部分460和致动构件470。光学平台400还包括L形的基座405，即包括沿第一方向延伸的第一块状物(图4a和图4b中的直立块状物)和沿与第一方向相交(并且特别是大体上垂直于第一方向)的第二方向(例如，如图4a和图4b中的水平地)延伸的第二块状物。两个块状物连结在一起或者也可以是单件以形成L形基座405。
基座405(例如，直立块状物)可以固定在测量仪器的底座(图4a和图4b中未示出)的壁处。因此，基座405是光学平台400的固定部分。
光学平台还可以包括牢固地附接(或至少连接)到基座405、特别是图4a和图4b中的直立(或竖直)块状物的铰链455。光学平台还包括可移动臂460，可移动臂460布置成在通过致动构件470致动时在铰链455上摆动。可移动臂460可以是从铰链455沿基座405的第二块状物延伸的块状物(该块状物水平延伸，并且在图4a和图4b中大体上垂直于基座的第一直立块状物)。然而，可移动臂460可以不与第二块状物接触，使得其可以在铰链455上摆动(即，在该方向上自由悬挂)。
致动构件470可以是沿臂460延伸的板，并且可以等同于参照图3a描述的可移动部分370。致动构件或板470可包括开口472，其用于将光纤连接到附接到可移动臂460的光学部件430。
如上面所提到的，可以校准致动构件的参数，以确定光学部件响应于温度变化沿光轴的位移的量。特别地，可以选定材料的选择(其应该是双金属材料、三金属材料、四金属材料以及用于形成这些的材料的选择)、致动构件的设计和/或尺寸，以实现每摄氏度一定数量微米的位移。特别地，可以调节用于引入光纤的开口的大小。
致动构件470可布置成在至少一个接触点465处与可移动部分460接合。致动构件470可在牢固地附接到平台400的基座405(基座405的第一块状物)的第一末端406和接触点465之间延伸。
在一些实施方案中，致动构件470可布置成在可移动臂460上永久地施加力。为此，可移动臂可包括凹进部或突出部465，使得其永久地与致动构件470接触。
参照图5，描述了根据一些实施方案的由光学平台(诸如参照图4a和图4b描述的光学平台400)中的致动元件提供的运动。
图5示出了旋转中心506，该旋转中心506可以对应于参考图4a和图4b描述的光学平台400中的铰链455，以及示出了由可移动臂围绕旋转中心506的摆动引起的运动590。可移动臂的末端已经移动了角度α。由于末端远离旋转中心定位，因此产生的位移可以被认为(至少几乎)是线性的。再次参考图4a和图4b，光学部件430可以接近接触点安装在平台400的可移动臂460上，在该接触点处致动构件施加力以引起可移动臂460的位移。
参照图6，图示了根据一些实施方案的测量仪器。
图6示出了包括光学光源640的测量仪器600的示意图。光学光源640可以构造成发射光学光脉冲，光学光脉冲通过经由第一光纤642传输而引导到第一光学套管644。然后，光学脉冲可以经由第一前透镜组件648离开测量仪器600。光学脉冲646可以朝向目标(未示出)被引导，在该目标处，接收到的光的光学脉冲被反射。
在从测量仪器600朝向目标发射光学脉冲646的同时，光学参考脉冲被发送到测量仪器的接收器680，以用于确定发送到目标的光学脉冲的发射时间。
然后，反射的光学脉冲616可返回到测量仪器并在第二前透镜组件610处进入，该第二前透镜组件610可以构造成将接收到的光学脉冲616引导在第二光纤套管630处。第二光纤套管630经由第二光纤682连接到接收器680，使得其在接收器680的光电检测器处被检测。然后，接收器(或接收器的处理器)680可以构造成测量从光源640发射光学光脉冲646和在接收器680处接收光学光脉冲616之间的时间段。处理器然后可以构造成基于测量到的时间段确定距离。应当理解，尽管在图6中，接收器被描绘为还包括处理器或用作处理器以确定距离(例如，基于如本文中所描述的飞行时间计算)，但是在其它实施方案中，处理器可以是接收对应于与发射的光学脉冲646相关联的光学参考脉冲的电信号和对应于接收的光学脉冲616的另一电信号的单独实体。
至少第一光学套管644、第二光学套管630以及光学透镜648和光学透镜610可以布置在测量仪器600的底座620内。如图6中所描绘的，光源640、接收器680以及光纤642和光纤682也可以布置在底座620内。
虽然第一光纤套管644的位置可以相对于测量仪器600的底座620固定，但是经由光学透镜610接收反射的光学脉冲616的第二光纤套管630的位置可以安装在平台660上，以用于在温度变化时沿光学透镜610的光轴615位移。光学平台可以对应于并用作上面参考图2、3a、3b、4a、4b和图5描述的任何光学平台。
然而，应当理解，第一光纤套管644也可以安装在平台上，以用于沿第一前透镜组件648的光轴位移。这样的平台可以等同于上面参考图2、3a、3b、4a、4b和图5描述的光学平台中的任一个。
参照图7中所示的示意图描述了根据一些实施方案的大地测量仪器700。
在图7中，大地测量仪器700，其可以是例如全站仪或用于测量的其它仪器，包括基座725、照准仪715和中心单元705。中心单元705具有用于指向目标的仪器光轴或视线710。中心单元705可以安装在照准仪715上，以用于围绕第一(耳轴)轴线720旋转。照准仪715可以安装在基座725上，以用于围绕与第一(耳轴)轴线720正交并交叉的第二(方位角)轴线730旋转，使得仪器光轴710可围绕旋转点(图7中未示出)旋转。
大地测量仪器700还可以包括前面参考图2、3a、3b、4a和图4b描述的功能部件中的所有或一些，且特别是用于安装光学部件的光学平台350、400。在示例性实施方案中，光学平台和光学部件(图7中未示出)可以布置在中心单元705中。大地测量仪器700最初可以旋转其仪器光轴710，使得其指向目标(或者更具体地，指向目标上的点或区域)。然后，大地测量仪器700可以执行根据本公开的用于确定到目标的距离的方法。在确定距离之后，大地测量仪器700可以旋转其仪器光轴710以指向下一目标(或者目标上的下一点或区域)，并且可以确定下一距离。光轴或视线710的方向(或角度)可以通过旋转照准仪715或中心单元705中的任一个或通过调节中心单元705的光学部件(例如扫描镜或其它偏转元件，未示出)和/或通过其任意组合来调节。大地测量仪器700可以例如继续重复这样的过程，直到例如，已经执行了一个或许多目标的映射。
通过集成光学平台，诸如参考图2、3a、3b、4a和图4b描述的光学平台，大地测量仪器的动态范围更加稳定，从而在精度和可靠性方面提高了大地测量仪器的性能。参照图3a、3b和图7，光学系统310、平台350和光学部件330可以布置在具有底座320的中心单元705内。光学系统310可以例如包括中心单元705的前透镜708。
然而，应当理解，在一些其它实施方案中，平台350可以布置在照准仪715中，这取决于待被提供补偿(经由平台)的光学部件的位置。
尽管参考详细的示例描述了本发明，但是详细的示例仅仅用于为技术人员提供更好的理解，并不旨在限制本发明的范围。本发明的范围更确切地由所附的权利要求限定。
另外，本领域技术人员通过研究附图、本公开及所附权利要求书在实践所要求保护的发明时，可以理解并实现所公开实施方案的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它要素，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除复数。事实上，在相互不同的从属权利要求中所引用的某些特征并不指示这些特征的组合不可以有利地被使用。

Claims (17)

1.一种测量仪器，包括：
底座；
具有光轴的光学系统，所述光学系统适合于接收和/或发送光；
光学部件，其位于所述光轴处或接近所述光轴，接收的和/或发送的光穿过所述光学部件；和
附接到所述底座的平台，所述平台包括致动构件，所述致动构件布置成作用在所述光学部件上以用于使所述光学部件移动；
所述致动构件是响应于温度的，以便响应于温度变化而引起所述光学部件相对于所述底座沿所述光轴的位移。
2.根据权利要求1所述的仪器，还包括接收器，所述接收器构造成经由所述光学部件接收所接收的光，和/或所述仪器还包括光学光源，所述光学光源构造成发射待经由所述光学部件发送的光。
3.根据权利要求1或2所述的仪器，其中，所述致动构件的致动由所述致动构件响应于所述温度变化的机械变形引起，从而导致所述光学部件的位移。
4.根据权利要求3所述的仪器，其中，所述机械变形是所述致动构件的弯曲或膨胀中的至少一种。
5.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述光学部件直接附接到所述致动构件。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的仪器，其中，所述平台还包括可移动部分，所述光学部件附接到所述可移动部分，并且所述致动构件布置成作用在所述可移动部分上以用于使所述可移动部分移动。
7.根据权利要求6所述的仪器，其中，所述平台包括基座，所述基座具有牢固地附接到所述基座的柔性区段，所述可移动部分是布置成在由所述致动构件致动时在所述柔性区段上摆动的臂。
8.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述致动构件是沿所述臂延伸的板。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的仪器，其中，所述光学部件安装在所述可移动部分上，接近所述致动构件与所述可移动部分接合的至少一个接触点。
10.根据权利要求6所述的仪器，其中，所述平台包括沿所述光轴延伸或接近所述光轴延伸的轨道，其中所述可移动部分布置成在由所述致动构件致动时，在所述轨道上滑动。
11.根据权利要求6-10中任一项所述的仪器，其中，所述致动构件布置成在所述可移动部分上永久地施加力，或者反之亦然。
12.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述致动构件包括双金属材料、三金属材料、四金属材料、包括不同材料的至少两个可热膨胀层的材料、或包括不同材料的至少两个可热膨胀元件的布置中的至少一种。
13.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述光学部件是光纤套管，光纤连接到所述光纤套管以用于接收和/或发送光。
14.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述致动构件的参数被校准以确定所述光学部件响应于温度变化而沿所述光轴的位移的量。
15.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述参数包括所述致动构件的材料和尺寸中的至少一个。
16.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，还包括布置成相对于所述仪器的基座旋转的中心单元，其中所述光学系统、所述平台和所述光学部件布置在所述中心单元内。
17.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，还包括处理器，所述处理器构造成基于至少所接收的光来确定距离。
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