CN108955655B - 用于确定位置和/或取向的光接收器、方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定位置和/或取向的光接收器、方法和存储介质。该光接收器被设计成确定相对于基准光的位置和/或取向，其中，该光接收器包括：伸长杆状光接受器，其具有两个端部、光耦合器、光导、以及两个端部处的光检测装置；以及信号处理器，其用于处理所述检测装置的电信号，并且通过对电信号的比较评估来确定相对位置和/或取向。该光导用作针对通过该光耦合器耦合到该光导中的光的、限定长度的光传播路径，并且该信号处理器基于在该光导中传播的该基准光的光传播速度来确定所述位置和/或取向。

Description

用于确定位置和/或取向的光接收器、方法和存储介质

技术领域

本发明涉及用于确定相对于基准光的位置和/或取向的光接收器、位置测量系统以及位置确定方法。

背景技术

在实践中经常出现的测量任务是确定点或物体在空间中的绝对位置或相对位置。这例如在建筑工程、测量任务、重型机械的建造和操作、或者监视建筑物、桥梁、隧道、水坝等的相对位移中是必需的。传统上，这种测量问题利用已知的仪器(诸如，水平测量板、测量员的标杆、测量杆或标尺)来解决。这些仪器依靠人类观察员来确定基准点或物体相对于测量杆的相对位置。

该测量处理可以借助光生成装置和主动测量杆而被自动化，该主动测量杆能够确定激光束或片光(也称作激光测平)的入射位置的绝对位置。在激光测平或定位的技术领域，通常来说，激光旋转器或线激光器被用于横跨可以水平、垂直或倾斜一期望角度的水准面(leveling plane)。该激光平面通过激光接收器来检测，其检测激光在检测窗内部的撞击位置，以确定接收器相对于激光平面的位置。位置确定的精度必须处于毫米范围内或以下，其中，位置读出的线性度也是重要的方面。该片光例如可以利用激光束和激光束路径中的柱面透镜来产生。如所述，激光旋转器或线激光器被用于横跨可以为水平、垂直或倾斜达一期望角度的水准面。该激光平面通过光接收器来检测，其检测激光在检测窗内部的撞击位置，以确定接收器相对于激光平面的位置。该检测窗或接收器窗是光接收器装置处的区域，其被具体实施成检测该光束，特别是该光束在检测窗内的撞击点的位置，以确定该激光束的轴线和接收器装置沿至少一个方向的相对位置。在许多实施方式中，处于所述长度一半的中心是激光束的期望水平面，并且接收器通过指示或量化装置来指示相对于理想位置的偏差。激光束的电子接收允许激光测平的距离范围、日光条件下的可用性等的扩展。已知与它们的竞争者相比具有许多不同的功能、性能以及成本优点的许多类型的激光接收器。旋转或扫描激光束发射器生成掠过接收器的射束，并且在检测窗中生成持续时间短但带宽高的激光脉冲。与此相对，连续激光发送器以调制频率生成窄调制带宽的连续激光信号。尽管接收器的传感器元件对两类激光水准仪来说可以相同，但接收器中的信号调节和估计是不同的。

这种激光测平实现的一些示例为：示出旋转单束激光发送器的US 6435283，或示出通过按锥面引导激光而生成的连续360°激光平面的US 4756617，其中，通常使用幅度调制激光源。投射激光线的这两种原理还被称为具有扫描线的线激光或具有连续激光线的线激光，其中，可以对该光进行调制。

存在已知的不同技术，来确定光在接收器窗中的撞击位置。确定光束的位置的一种方法是，通过使用光电二极管或光电二极管阵列。US 7372011描述了具有关联的加权电路的(并行)光电二极管线性阵列。该加权电路被用于确定该接收器是否已经被激光束或者被频闪光撞击。

DE 19540590 A1涉及一种用于使用激光旋转器的基准光来确定位置的光接收器。该光接收器由至少两个、优选地三个线状分离的接收元件(诸如，三行光电二极管)构成，这些接收元件不是位置敏感的，并且这些接收元件彼此以限定角位置被设置，例如，一起形成字母“N”的形状。该接收元件各生成响应于旋转基准激光束按顺序通过三个杆的行程时间的信号，由此因非位置灵敏度而造成的这些时间信号独立于撞击在相应元件上的点。无论检测行中的哪一个光电二极管被基准光碰撞，每个检测行都应示出相同的信号行为。这是使用全部三个光接收单元的三个信号作为开始和停止信号而测量的时间差(或持续时间比)指示激光束撞击“N”的高度的状况。换句话说，由彼此按限度角位置设置的三个线性接收器生成的电信号的相对定时，指示旋转激光束掠过N状接收器的高度。然而，根据DE19540590A1的光接收器相当复杂并且不能满足当今的精度要求。作为另一缺点，光接收器的尺寸受到约束，因为N状装置的高度越大，线状接收部件就越长，整个装置的电噪声和制造成本就越高。

美国专利No.7394527 B2教导了主动测量杆的不同测量原理。一种优选方法是使用填充有分散材料的管状光导，并且在管状光导的两个端部处放置光检测器。因为，分散材料将更多的光耦合到光导外，所以与特定光检测器的距离更长，两个光检测器的信号强度(即，检测到的光的幅度)之间的比较提供了对入射光碰撞管状光导的位置的测量。然而，这种方法有两个缺点。它仅利用例如脉冲光工作，并且该原理依赖于散射，这意味着沿着光导长度的渐进光损失起削弱了可检测的光的作用，并且因此，例如因恶化的信噪比(SNR)而加重了信号处理。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种用于确定相对于基准光的位置的改进光接收器和相应测量系统。

本发明涉及一种光接收器，该光接收器被设计成确定相对于以自由光束或光扇(light fan)形式的基准光的位置和/或取向。“光”不仅要被理解为可见范围的光，而且也具有更短或更长的波长。优选地，所述基准光由激光源或SLED生成。这种基准光例如由

等人在美国专利申请No.2011/0119937A1中进行了公开，其公开了一种利用绕垂直轴旋转的基准激光束生成的、覆盖360度的光片(light sheet)。优选地，本发明的位置是相对于由所述基准光限定的基准平面的垂直偏移。

所述光接收器包括伸长杆状光接受器，该伸长杆状光接受器具有两个端部、光耦合器以及光导。“伸长杆状”意味着光接受器不必与纵轴严格平直，而是也包括盘旋(convoluted)形式。另外，所述光接受器的横截面不必是圆形的。所述光接收器还包括(时间分辨的)光检测装置，例如，光电传感器或光电检测器，例如，光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)、PIN二极管或单光子雪崩二极管(SPAD)、或多像素光子计数器(MPPC)，所述光检测装置被设计用于在所述光接受器的两个端部中的每个端部处进行分离光检测操作，并且被设计为响应于在光接受器的每个端部处分离地检测到的基准光而输出电信号。所述光检测装置例如被设计为每个端部处的光检测器(因此存在至少两个光检测器)。另选地，所述光检测装置被设计为单个光检测器，其检测第一端部的光并且此外并且与第一端部的光检测分离地，也检测第二端部的光(例如，通过将在第二端处接收的光传递通过多模光纤直至检测器)。另选地，在第二端部处放置光学反射器装置(诸如，反射镜或回射器)，从而将入射光反射至所述杆的、放置所述检测器的第一端部。因此，在第二种选择中，一个光检测器用于两个端部，其例如在制造成本和热化方面具有一些优点。所述光接收器还包括信号处理器，该信号处理器用于处理所述检测装置的所述电信号，并且通过对两个端部的所述信号的比较评估来确定所述相对位置和/或取向。换句话说，所述信号处理器处理两侧的检测信号并对它们进行比较和使它们相关联。

所述光耦合器和所述光导被设计成，接收撞击到所述光接受器上的所述基准光的至少一部分并朝向两个端部传导撞击到所述光接收器上的所述基准光的至少一部分，使得撞击基准光可被两个端部处的所述检测装置检测到。换句话说，所述基准光撞击所述光耦合器，该光耦合器利用诸如衍射或散射的耦合机制将该光传递到所述光导中。然后，在所述光导中，所述光沿两个(相反)方向部分行进至所述光接受器的第一端部并且部分行进至所述接受器的第二端部，所述第一端部和所述第二端部被所述检测装置检测，该检测装置可操作以使得到达所述光接受器的两个端部中的每个端部处的基准光可分离地检测。因此，撞击到所述光接受器上的基准光的传导还包括撞击基准光被所述光耦合器转换成二次光，例如使用荧光原理(也意指磷光)。如此，撞击到所述光导体本身上的所述基准光未被引导至所述检测器并被检测，而是依赖于撞击基准光而产生的光；或者换句话说，检测到修改的基准光。

根据本发明，所述光导用作针对通过所述光耦合器耦合到所述光导中的光的、限定长度的光传播路径。优选地，所述光导被设计成使得光传播实质上无损。此外，所述信号处理器基于在所述光导中传播的所述基准光的光传播速度来确定所述位置。否则说，所述信号处理器比较由所述光导限定的一条光传播路径的两个端部处的所述检测器信号，并且评估这些信号之间的时间差，由此该差是测量从所述基准光撞击所述光接受器的位置到相应检测器的不同路径长度的结果。所述处理器根据所述光在所述光导中相应地沿由所述光导限定的光传播路径行进的光传播速度来评估这种时间差，并且在考虑所引导的基准光的光传播速度的情况下确定针对其搜索的相对位置和/或取向。包括所述光耦合器和所述光导的所述光接受器是位置敏感的，使得在相应检测器处接收到的信号(相应为其时间特性)取决于所述基准光的撞击的位置。

在第一优选实施方式中，所述信号处理器被设计成基于在两个端部处检测到的光的飞行时间差来确定所述位置和/或取向。在该实施方式中，本发明使用这样的事实：沿所述光接收器范围的方向的不同撞击位置导致针对每个端部的不同路径长度，并由此所述撞击光以其传播速度行进通过所述光导直至每个端部所需的时间取决于所述撞击位置。换句话说，撞击位置越靠近一个端部(分别地相应端部处的所述检测装置)，行进到该探测器所需的时间就越短，从而导致比较到达这两个端部处的时间的飞行时间差。因此，使用ToF允许相对于所述基准光的位置的确定。

另选地或者另外，所述信号处理器被设计成基于在两个端部处检测到的调制光或光脉冲的光的相位差来确定所述位置和/或取向。在该实施方式中，使用沿着所述光接受器范围的方向的不同撞击位置导致每个端部处的不同光相位，并由此在每个端部处检测到的光相位取决于撞击位置。否则说，从撞击位置到一个端部的不同路径长度导致相应端部处的不同相位。因此，使用相位比较并考虑光传播速度允许确定相对于所述基准光的位置。

优选地，所述光导对于由所述光耦合器耦合进来的所述光的波长区域中的光来说(即，对于如由基准光发射器发射的所述基准光或者由所述光耦合器修改的基准光来说)是透明的或者可对其进行引导。“透明”指的是所述光导对于所述基准光的波长或者从所述基准光获得的光示出非常小的衰减。另外或另选地，优选地，所述光导被设计为基于引导波的原理的多模或单模光波导或者被设计为依赖全内反射的光导管。例如，所述光导是像玻璃或石英光纤光导或聚合物波导/光导管的光纤光导。这种光导优选地通过拉制或挤压工艺或者铸造(相应为模制)来生产。

在某些实施方式中，所述光导被设计为两个波导，它们被定位为彼此平行且相邻，使得撞击基准光在第一波导中(至少主要)行进至所述光接受器的第一端部和在第二波导中(至少主要)行进至所述光接受器的第二端部。优选地，所述光接受器被设计成使得其示出针对每个波导的优选光耦合方向，由此所得的两个优选方向彼此反平行。优选地，所述光耦合器被设计成使用衍射、折射、散射、反射、分散和/或荧光的原理，将基准光耦合到所述光导中。在优选实施方式中，所述光耦合器被设计为嵌入所述光导的表面上的微结构，可选地被设计为光学散射中心或衍射光栅。另选地或者另外，所述光耦合器被设计为散射颗粒。作为另一选项，散射光耦合器被设计成具有多个反射表面的杆，由此，所述杆包括至少两组不同取向的反射表面，或者被设计为集成在柔性印刷片(flexible print)中的聚合物波导。另选地或者另外，所述光耦合器被设计为荧光(或磷光)颗粒，例如，以固体形式或分散于溶液中-例如，作为中空波导内的荧光掺杂液体，其中，所述荧光材料被设计成吸收所述基准光并因此以与入射光不同的立体角发射光或全方向发射光，由此优选地，所发射的光具有与所述基准光的波长不同的波长(波长偏移)。可选地，分散和/或荧光颗粒仅位于所述光导的表面上或者所述光导的外壁中。作为另一选项，所述荧光材料被分散在整个光导中或贯穿所述光导的较宽的核心区域。作为另一选项，所述光耦合器对近IR中的光或者具有处于可见范围内的波长的光敏感，例如，532nm、633nm，或650nm-690nm的波长，或者优选地用于使用具有较短波长的荧光(诸如，UV光)的实施方式。

可选地，所述光传播路径的限定长度为至少1cm、优选为至少0.5m，例如至少2m。

本发明的另一目的是用于确定相对于基准光的位置和/或取向的根据本发明的光接收器的使用。

本发明另一目的是，提供一种包括光发射器的位置和/或取向测量系统，该位置和/或取向测量系统具有光源，该光源用于定向发射用作位置基准的、以自由光束或光扇形式的光。所述光源优选为激光源(诸如，激光二极管，或SLED(超发光LED))。所述发射器例如被具体实施为在自由空间中发射光束的建筑激光器，由此所述光束以快速方式连续地旋转大约360°，从而例如限定水平基准平面。所述系统还包括光接收器，该光接收器被设计成确定相对于所述基准光的位置。所述光接收器包括伸长杆状光接受器，该伸长杆状光接受器具有光耦合器、光导以及光检测装置，该光检测装置被设计成响应于在两个端部处分离地检测到的基准光而输出电信号。

根据本发明，所述光导用作针对通过所述光耦合器耦合到所述光导中的光的、限定长度的优选实质上无损的光传播路径。所述限定长度优选为至少1cm。所述测量系统通过对两个端部的电信号的比较评估并且基于所述基准光的传播速度，来确定所述位置和/或取向。由此所述位置优选为针对由所述基准光限定的基准平面的垂直偏移，相应地沿所述光导的方向的偏移。

可选地，所述测量系统的光发射器被设计成发射脉冲光，并且通过所述测量系统基于飞行时间的原理来确定位置。脉冲光例如可以由所述光发射器的脉冲光源生成，或者更一般地通过对所发射光的强度调制(例如，在具有静态激光平面的发射器的情况下)生成。另一个选项是使用具有连续波的光发射器旋转，使得通过该光发射器相对于所述光接收器的旋转，光脉冲通过定期撞击在所述光接收器处而被接收。

另外或另选地，所述光发射器被设计成发射谐波调制光(harmonicallymodulated light)，并且通过测量系统基于相位差的原理来确定位置。

本发明另一目的是，提供一种用于确定相对于基准光的位置的位置和/或取向确定方法。所述方法涉及以自由光束或自由光扇形式的基准光的发射，并且利用包括光导的光接收器接收所述基准光的至少一部分。所接收到的光沿限定长度的传播路径按两个相反的方向在所述光导中行进，其中，所述限定长度优选为至少1cm。在所述传播路径的两个(相对)端部处检测所接收和引导的光，这导致至少两个检测信号。这两个检测信号被用于优选地使用飞行时间的测量原理和/或相位差的测量原理，基于所述基准光的传播速度来确定所述位置和/或取向。

本发明的另一目的是，提供一种具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码被存储在机器可读载体上或者被具体实施为电磁波，所述程序代码被配置成控制和执行根据本发明的用于位置和/或取向确定的方法。

本发明有利地提供了一种改进的光接收器，其用于确定相对于由通过基准光发射器发射的特定形状的光所提供的基准的位置和/或取向。改进的光接收器使得能够以高精度确定位置和/或取向，并因此具有比现有技术的装置更轻薄和更不复杂的结构。本发明适用于不同种类的基准光(诸如，脉冲光和/或调制光)。由于信号处理不是基于所检测光脉冲的幅度的比较，相应地不(直接)依赖于所检测到的光信号的强度，因此，与现有技术的装置相比，根据本发明的位置确定更精确和/或还以相对较弱的信号强度进行工作，导致灵敏度更高，且对SNR的要求更低。因此，可以扩展测量范围或测平距离，相应地所述基准光的发射功率可以在普通测量范围内降低，从而在功耗和安全的形式上具有优势。本光接收器使得进一步实现所接收的光到检测器的改进的传递并且允许更大的检测窗，由此允许在较宽的空间中的位置确定。

附图说明

下面，基于附图中示意性地例示的具体示例性实施方式，在这种情况下，完全通过示例的方式，对根据本发明的装置和根据本发明的方法还进行更详细描述，还讨论了本发明的进一步优点。具体地，在附图中：

图1a、图1b示出了根据本发明的示例性测量系统；

图2示出了根据本发明的光接收器的实施方式的3D视图；

图3示出了根据本发明的位置确定的示例的横截面图；

图4a、图4b是光接收器1的两个示例；

图5a至图5d示出了部分地示出光耦合器和光导的光接收部分的一部分的视图；以及

图6a、图6b是光接收器1的部分的另外的实施方式。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的示例性测量系统50。在该示例中，测量系统50被用于混凝土工作，在那里，必须建造平面混凝土表面101(诸如，建筑物的天花板)。该系统包括光发射器52(例如，建筑激光器)，其发射诸如激光源或SLED的光源的、具有明确限定发射方向的激光束51作为基准光，由此，用作位置基准。在该示例中，该发射方向是严格水平的。系统50还包括与建筑激光器52间隔开的、用于接收基准光51并确定其位置的光接收器1。光接收器1包括被设置在限定长度的支承部100上的光接受器2，以及用于处理光接受器2的信号的信号处理器(未示出)。光接受器2的信号随着基准光51的撞击位置4而变化，并因此随着光接收器1相对于基准光51的位置3变化。信号处理器被设计成根据接受器信号确定撞击位置4及其相对位置3，如下面将详细说明的。因此，人们可以检查表面101是否是平面，即，撞击位置4或相对位置3在整个表面101上是否相同。基于相同的原理，也可以对取向进行参照，例如，利用配备有另一光接受器(未示出)的光接收器1，该另一光接受器具有到光接受器2的已知相对位置(例如，平行于光接受器2，在它们之间具有已知距离)。通常，不仅基准光51的发射方向是公知的，而且光发射器52的(绝对)高度也是公知的。因此，光接收器1的(绝对)高度可以根据其相对位置确定。如果激光束51没有完全水平地发射，那么在位置确定处理中，还确定并考虑光发射器50与光接收器1之间的距离。如图所示，在许多使用情况下，光接受器2被附接至测平杆100或者必须被测平的机器上(还参见图1b)。接收器的接受窗5处的激光束或激光平面的交点通过测量该射束的光学轴在接受窗5内的撞击位置来确定。该位置4被指示给用户，特别是，作为相对于期望测平位置处的期望撞击位置的偏差。

根据本发明的光接收器1有利地具有简单的结构并且能够实现相对较大或较长的检测窗5，其在如图1b所示的长范围应用中特别有利。

图1b示出了利用根据本发明的系统50的第二示例性测平应用，其中，激光旋转器52正在发射横跨针对推土机102的测平或基准平面53的激光束51，该推土机配备有根据本发明的光接收器1。借助于测量系统50，推土机102能够连续地确定其相对于使用基准光51限定的位置基准的位置，例如其针对基准平面53的垂直偏移。在绝对基准激光旋转器52的情况下，推土机102可以最终确定其绝对位置。因为激光旋转器52与光接收器1之间的长距离，这放大了测平平面的不确定性(例如，其取向)，并且因为可能导致推土机102的水平位置的相当大的变化的表面隆起，所以如本发明提供的大(垂直)检测窗是有利的。根据本发明的检测窗为至少1cm，优选为至少为0.5，或者对于如上所述使用情况来说，大于2m或更大。针对这种应用特别有利的是宽水平角度接受视野，这可以通过光导来辅助-甚至达到360°。

图2以纯示意性3D视图详细示出了根据本发明的光接收器1的示例性实施方式。光接收器1包括伸长杆状光接收部或光接受器2，其具有两个端部e1和e2、光耦合器(为了更好的清晰度未示出)、光导7、以及在每个端部e1、e2处的两个光检测器6a和6b。光检测器6a和6b连接至光接收器1的信号处理器12，该信号处理器12处理检测器6a和6b响应于在每个端部e1、e2处检测到的基准光51的检测操作而分离地生成的电信号。除了如所示的光接受器2的直线形式之外，光接受器2例如以字母“U”的形式盘旋，使得两个端部e1和e2位于同一侧上，这允许例如通过印刷电路板到处理器12的简化的电连接。这种实施方式的进一步优点是由于短的电气互连、紧密热耦合(其通过降低温度漂移而帮助提高精度(对APD尤其有利))以及每次撞击在两个检测器上产生两个对称脉冲的事实而具有更好的信号完整性，从而导致更鲁棒的检测并且降低温度影响。另外，在这种实施方式中，与在利用直线形式的实施方式中单个检测器6a检测每个端部处的光的使用相比，耦接至两个端部的单个检测器6a的使用被简化。

光导7限定了具有限定长度L的光传播路径。撞击到于撞击位置4处的光接收部2上的基准光51通过光耦合器被耦合到光导7中，并且沿光传播路径L行进(为了简单起见，符号“L”既被用于路径又被用于其长度)直到每个端部e1和e2。因此，整个光传播路径L被撞击位置4分成两部分L1和L2，由此所接收的基准光的一部分51a沿着“上”路径L1行进至“上”端部e1，而所接收的基准光的另一部分51b沿着“下”部分L2行进至“下”端部e2。换句话说，撞击位置4将传播路径L分成两个路径部分L1和L2。由于整个路径长度L是公知的，因此在两个端部e1和e2处检测到的信号允许撞击位置4的确定。在示例中，光路L1比光路L2短，由此该差异取决于撞击位置4。由于不同路径长度L1和L2，所以“上”端部e1处的“上”光检测器6a的信号和“下”端部e2处的“下”光检测器6b的信号不相同，而是彼此稍微不同，由此信号的差异同样取决于撞击位置4。因此，通过处理器12比较评估分别在两个端部e1和e2的两个检测器6a和6b的电信号，可以确定撞击位置4以及其相对于由相应地通过光发射器发射的基准光51所限定的位置基准的位置。根据本发明，信号处理器12基于在光导7中传播的基准光51的光传播速度来确定所述位置。

图3以横截面图例示了根据本发明的位置确定的示例。基准光51在位置4处到达光接收部2。光耦合器8(其在本示例中被定位成使得其在内部环绕光导7形成光接受器2的外壁，相应地形成波导的包层或者与其狭窄地间隔)将至少一部分光耦合到光导7中。所接收的光在光导7中沿两个方向行进，所述光导在所接收的光的波长区域中引导，用作光传播路径L，由此所接收的光的一部分51a在光导7中被传播至第一端部e1，相应地被传播至第一检测器6a，而另一部分被传播至第二端部e2，相应地被传播至第二检测器6b。光导7例如是诸如玻璃或石英或聚合物光纤的光纤光导。

本示例中的基准光51被时间调制，由一列短脉冲(例如，具有小于10ns的脉冲持续时间)构成。另选地，该基准光可以以大约10MHz至100MHz的频率按正弦方式调制。第一检测器6a然后检测光脉冲的一部分光51a，并在时间t1发出第一检测信号S1，第二检测器然后检测同一光脉冲的另一部分光51b，并在时间t2发出第二检测信号S2。由于两个光部分51a和51b具有相同的光传播速度c/n，其中，n是光导7的有效折射率，并且由于第一接收光51a的传播路径较短，所以时间t1与t2不同(“上”光脉冲在“下”光脉冲之前到达检测器)，从而导致在相应端部处的光接收的时间差T，进而导致检测信号S1和S2的输出的时间差。时间差T根据入射基准光51的位置4而变化。信号检测例如使用公知采样技术或阈值技术来完成。光接收器1优选地包括具有对应于毫米范围甚或更好的定时分辨率的飞行时间电路。此外，光接收器1包括用于以所需定时精度读出两个光检测器6a、6b的时基、信号处理单元、校准单元、用于发出数据的接口和/或用于示出实际位置与基准位置(未示出)之间的差异的可视指示器或显示器。

因此，该时间差T通过例如由精确时钟、计数器以及在FPGA中实现的时间插值单元构成的时间测量单元来确定。该测距系统由信号处理器控制。位置4被确定为时间差T与光导7的光传播速度c/n的乘积除以2：cT/(2n)(在该示例中，位置4从光导7的中间M测量)。

另选地或除了如上所述使用飞行时间方法的位置确定之外，该位置确定以另一种方式基于所接收的光51a、51b的光传播速度，使用在每个端部e1和e2处检测到的信号S1和S2的相位差。这里使用的飞行时间方法与用于以亚毫米精度测量距离的相位差方法相当。为了使用相位差，基准光51是谐波调制光，即，作为时间t的函数的强度I(t)由I(t)＝IO+A×sin(2πft)给出，其中，f指示调制频率，A指示调制幅度，而I0指示背景和/或偏移光电平(由此，IO≥A)。通过利用信号处理器(例如，使用相移检测器)测量在光检测器6a和6b处生成的两个谐波信号之间的相位差ΔΦ，可以根据cΔΦ/(4πfn)计算入射光51相对于光导7的中间M的位置4。

利用信号处理器测量两个谐波信号之间的相移可以按几种方式来完成。如果电信号电平足够高，则可以采用直接锁定检测技术，其中，由光检测器6a或6b生成的信号中的一个被用于提取基准时钟信号，以用于对另一检测器6b或6a的信号进行解调。第二优选方法使用基准光发射器，使得其发射与用于调制所发射的基准光51相同频率的射频信号。信号处理器接收该RF信号并将其用于利用已知的锁定检测和解调技术，来对由光检测器6a和6b生成的两个信号进行解调。第三优选方法包括以固定采样频率对两个信号进行采样，该固定采样频率是经调制的基准光51的最大频率的至少两倍。两个数字化信号然后被傅里叶变换，并且在两个傅立叶变换中，通过插值确定最大幅度的频率。对于两个频率，确定对应相移。然后，如上所述使用这两个相移的差值ΔΦ，来使用上述等式计算入射光51相对于光接收器的中间M的位置4。

图4a和4b示出了光接收器1的两个示例，更详细地例示了信号处理。位置或长度3必须被确定。在支承部100的端尖是基准点并附接到端部e1的情况下，那么长度3对应于支承部100和长度L1的总和(参见图1a和图2)。长度L1可以根据长度L和所测量的差值(L1-L2)除以2推导出。最终撞击位置4是已知的。因为没有必要分开地测量长度L1和L2，而仅仅它们的差值就能使定时电路和校准更容易。差值(L1-L2)可以直接通过在端部e1和e2处接收的两个信号之间的时间差来测量，而与发射器的时钟和飞行时间或相位差测量单元的时钟的丢失同步无关。在端部e1和e2处的事件t1、t2起到启动和停止触发的作用。

图4a示出了基于包括两个信号通道13a、13b的距离测量单元的本发明的实施方式。在每个端部e1、e2处，由光耦合器(未示出)耦合入并通过光导7引导至相应端部e1、e2的辐射被高速光传感器6a、6b检测。它们的信号由信号处理器12处理，其中，它们被指配的电子电路14放大并且被馈送到例如在手持式测距仪中使用的时间测量ASIC(TOF或相位计)(参见图4b)。另选地，所放大的信号也可以被馈送到如图4a所示的公共FPGA 19中，该公共FPGA 19操作为两个组合的飞行时间单元。FPGA内的子模块是阈值鉴别器15和时间数字转换器(TDC)16，其通过对精确主时钟18的时间间隔进行插值来测量该事件的时间，该精确主时钟18充当两个时间测量单元共同的时基。这些时间测量电路为该领域的专家所熟知。两个TDC 16测量像触发脉冲起作用的两个事件的时间t1、t2，并且差值(L1-L2)是由时间差计算单元17计算的时间差20(t2-t1)乘以光在光导7内的有效速度。

图4b示出由单个飞行时间距离测量单元构成的本发明的另选实施方式。在这种情况下，每个端部e1、e2处的光学信号51a、51b通过光收集器和光纤耦合单元21a、21b馈送到光纤22a、22b并被引导至光学组合器23，使得两个光学信号51a、51b到达单个光电二极管24，在那里，以两个分离的检测操作对它们进行分离检测(即，彼此独立)。因此，在下游只有一个电子信号路径27。光电信号由放大器14放大并被送入时间测量单元16，该时间测量单元16输出时间差20。时间测量单元16例如是时间测量ASIC或波形数字化器，该波形数字化器包括用于使所接收的信号脉冲数字化的高速ADC，和用于信号处理并确定两个脉冲之间的时间间隔的FPGA。为了识别两个到达的光学脉冲51a、51b(并且为了确保分离的光检测操作)，两根光纤22a与22b之间的时间延迟必须长于有效杆长度L。当使用光纤22a、22b、22d时，延迟线22d的实现是简单的，并且光接受器2的长度L可以是几米。

潜在的温度漂移可以通过测试脉冲26a、26b来校准，所述测试脉冲26a、26b由诸如校准LED或激光源的校准光源25生成。这样的测试脉冲26a、b可以通过位于光接受器2内部的中心内或者长度L内的某处或者两个端部e1、e2处的内置LED来实现。例示了外部LED 25，其向上游辐射光纤。响应于光脉冲26a、b的两个循环信号像正常接收信号一样被检测和处理。这两个人工校准信号的所测量得时间差可以被用于光接收器的绝对校准。

图5a至图5d是部分示出根据本发明的不同实施方式的光耦合器8和光导7的光接收部的一部分的视图。

在图5a的截面图中，光导7被具体实施为透明杆，耦合入所述透明杆的光例如可以通过在光导7的边界上的全反射而实质上无损地行进，该光导7可以被具体实施为光纤，但也可以具体实施为具有反射壁的中空管。“实质上无损”意味着可能发生衰减，但是在诸如光纤中是相当低的，并且比基于分散原理(就散射而言)的现有技术的光导(例如，在数量级上)低得多。光导7被光耦合器8覆盖，该光耦合器8在该示例中包括多个分散颗粒9。分散颗粒9用作光散射中心，沿多个方向散射基准光51g，因此将入射基准光51的至少一部分耦合到光导7中。因此，光耦合器8和光导7相互作用以接收和传导基准光51的至少一部分直到两个端部处的检测器。除了涂覆颗粒9以外，该颗粒还被设置在光导7的外壁中或者整个光导7中并在那里产生散射光51g。在后者情况下，采用散射颗粒9的密度上限，使得耦合光51g在光导7中的传播基本上不受干扰。

图5b以3D视图示出了光导7和光耦合器8的另一实施方式。在该示例中，光导7在其表面上具有微结构10，其充当光学散射中心和/或充当衍射中心，由此形成光耦合器8，该光耦合器8通过散射和/或衍射入射基准光51，将撞击到光导表面上的基准光51耦合到光导7的内部。因此，在该实施方式中，不需要额外的材料或颗粒来构建光耦合器8，而是光导7自身的(表面)结构的修改结构提供了光耦合器8。

图5c以截面图示出了光导7和光耦合器8的另外实施方式。这里，荧光(和/或磷光)颗粒11在固体状态下或者可选地分散在液体中而被部署在光导7的外壁中，或者构建光导7的分离涂层。颗粒11可接受基准光51，相应地接收基准光51的波长。因此，荧光层吸收第一波长的基准光51(其至少一部分)。荧光层然后按多个方向(或者说全方位)发射，并且向与入射光51不同的立体角发射与第一波长不同的第二波长(例如，图5c中用符号表示的较短波长)的光51g。

这种荧光材料的示例包括例如在由Thermo Fisher Scientific Inc.于2012年发布的、题名为“Fluorescent labeling and detection”的Thermo Scientific PierceFluorescent Products Guide中指定的Alexa Fluor和DyLight荧光染料。考虑到利用HeNelaser或激光二极管产生的633nm的流行波长，荧光染料DyLight 633将是适合的，其中，最大吸收波长为638nm，并且发射最大波长为658nm。

如果荧光颗粒11不仅被设置在光导7周围或者在光导7的外部区域中，而且被设置在光导7的整个内部或者光导7的核心区域中，则使用它们是特别有利的。随着荧光颗粒11发射具有吸收比入射基准光51弱得多的波长的光51g，荧光颗粒11不会(或者至少仅在低程度上)妨碍或削弱通过光导7耦合入的光51g的传播。因此，不像图4a中提到的散射或衍射颗粒那样，不必(或至少在低得多的程度上)观察荧光颗粒11的密度上限。或者围绕荧光的使用的另一面看到，当耦合颗粒11被分派到整个光导7的内部时，也能够实现长的接收部分，并因此也能够实现大的检测窗。

不是仅在光导7上或外部中分派耦合材料具有与将撞击基准光51传递到光导7中的产量(yield)有关的一些优点，例如，如与涂层或外壁区域相比，可以实现更厚的耦合层。一般来说，与现有技术的解决方案相比，根据本发明的光接收部的使用可以导致光耦合的较低产量，但是由于实质上未发生耦合出所引导的光51g，所以在光导7中耦合的光51g、相应地在光导7中行进的光51g的损耗被有利地大大减小。

如在图5c的示例中看到，在本发明的意义上，术语“基准光”不仅包括基准光51本身(相应地用于检测的其直接使用)，而且也包括例如由荧光所示的从撞击基准光51产生的二次光51g。

图5d以截面图示出了光导7和光耦合器8的另一实施方式。在该实施方式中，外壁28形成中空圆柱31并且对于入射基准光51是透明的。在中空圆柱31的中间，存在具有不平坦表面的反射金属圆柱32，如在图5d右侧的放大视图中更详细地示出的。在该示例性实施方式中，金属圆柱32包括具有镜表面29的小截棱锥或锥体30。另选地或者另外，金属圆柱32具有沟槽表面。入射光51然后在使用全反射原理与外壁28相互作用的情况下沿“顶”方向朝向第一端部并且沿“底”方向朝向第二端部被散射，相应地被反射。

图6a以3D视图示出了根据本发明的光接收器(其一部分)的另外的实施方式。该光接收器包括具有集成在印刷片33中的聚合物波导22的柔性印刷片33。这种柔性印刷片33由vario-optics AG(瑞士)制造。这些印刷片33用作入射基准光51的光耦合器8和光导7，将所述入射基准光51朝向两个端部e1和e2引导直至检测器6a和6b(例如具体实施为APD)。

图6b以截面图示出了根据本发明的光接收器(其一部分)的另外的实施方式。撞击基准光51被耦合入并作为引导光51g被引导向两个端部e1、e2(图6b中引导光51g的光传播路径被大大简化了)。在每个端部e1、e2处，光接受器2包括组合(频谱)带通(如干涉滤波器)漫射器35。在每个端部e1、e2处，光51g从漫射器35的漫射表面行进至透镜34，在所述透镜34处所述光51g被准直在相应探测器6a、6b上。

Claims (26)

1.一种光接收器(1)，该光接收器(1)被设计成，确定相对于以自由光束或光扇形式的基准光(51)的位置和/或取向，其中，

所述光接收器(1)包括伸长杆状的光接受器(2)，该光接受器(2)具有两个端部(e1、e2)、光耦合器(8)、光导(7)、以及光检测装置(6、6a、6b)，

所述光耦合器(8)和所述光导(7)被设计成接收撞击到所述光接受器(2)上的所述基准光(51)的至少一部分并朝向两个端部(e1、e2)传导撞击到所述光接受器(2)上的所述基准光(51)的所述至少一部分，使得撞击基准光(51)能够被所述光检测装置(6、6a、6b)在两个端部(e1、e2)处检测到，

所述光检测装置(6、6a、6b)被设计为对到达所述光接受器(2)的两个端部(e1、e2)中的每个端部处的基准光进行分离的光检测操作，并且响应于在每个端部(e1、e2)分离地检测到的基准光(51)而生成电信号(S1、S2)，

所述光接收器(1)还包括信号处理器(12)，该信号处理器用于处理所述电信号(S1、S2)，并且通过对两个端部(e1、e2)的所述电信号(S1、S2)的比较评估来确定相对位置和/或取向，

其特征在于，

所述光导(7)用作针对通过所述光耦合器(8)耦合到所述光导(7)中的所述基准光(51)的、限定长度的实质上无损的光传播路径(L)，其中，所述光传播路径(L)的限定长度为至少1cm，并且

所述信号处理器(12)基于在所述光导(7)中传播的所述基准光(51)的光传播速度来确定所述位置和/或取向。

2.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述位置指定针对由所述基准光(51)限定的基准平面(53)的垂直偏移。

3.根据权利要求1或2所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述信号处理器(12)基于在两个端部(e1、e2)处检测到的基准光(51)的飞行时间差来确定所述位置和/或取向。

4.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述信号处理器(12)基于在两个端部(e1、e2)处检测到的基准光(51)的相位差来确定所述位置和/或取向。

5.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光导(7)：

对由所述光耦合器(8)耦合入的基准光的波长区域中的基准光(51)进行引导，并且

被设计为基于导波原理的多模光波导或单模光波导或者被设计为依赖全内反射的光导管。

6.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光耦合器(8)被设计成使用衍射、折射、散射、反射、分散和/或荧光的原理将基准光耦合到所述光导(7)中。

7.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光耦合器(8)被设计为以下中的一个：

嵌在所述光导的表面上的微结构(10)，

散射颗粒(9)，

具有多个反射表面的杆，由此，所述杆包括至少两组不同取向的反射表面，

集成在柔性印刷片中的聚合物波导，

荧光颗粒(11)，其中，所述荧光颗粒(11)被设计成吸收基准光并且发射与所述基准光的波长相同或不同的光，并且向与入射光不同的立体角发射与所述基准光的波长相同或不同的光。

8.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光检测装置(6、6a、6b)包括光电倍增管、雪崩光电二极管(24)、PIN二极管、多像素计数器或单光子雪崩二极管中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述基准光(51)为激光束或激光扇的形式。

10.根据权利要求5所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光导(7)是光纤光导。

11.根据权利要求10所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光纤光导是玻璃、聚合物或石英光纤光导。

12.根据权利要求7所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述微结构(10)被设计为光学散射中心或衍射光栅。

13.根据权利要求7所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述散射颗粒(9)在所述光导的表面上或者在所述光导的外壁中。

14.根据权利要求7所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述荧光颗粒(11)在所述光导的整个内部中。

15.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光传播路径(L)的限定长度为至少0.5m。

16.根据权利要求1所述的光接收器(1)，

其特征在于，

所述光传播路径(L)的限定长度为至少2m。

17.一种使用根据权利要求1所述的光接收器(1)确定相对于基准光(51)的位置和/或取向的方法。

18.一种包括光发射器(52)的测量系统(50)，该测量系统(50)具有：

光源，该光源用于用作位置基准的、以自由光束或光扇形式的基准光(51)的定向发射，以及

光接收器(1)，该光接收器(1)被设计成确定相对于所述基准光(51)的位置和/或取向，其中，所述光接收器(1)包括伸长杆状的光接受器(2)，该光接受器(2)具有两个端部(e1、e2)以及

光耦合器(8)，

光导(7)，

光检测装置(6、6a、6b)，该光检测装置(6、6a、6b)被设计成响应于在两个端部(e1、e2)处分离地检测到的基准光(51)而输出电信号(S1，S2)，其中，所述测量系统(50)通过对两个端部(e1、e2)的所述电信号(S1、S2)的比较评估来确定相对位置和/或取向，

其特征在于，

所述光导(7)用作针对通过所述光耦合器(8)耦合到所述光导(7)中的基准光(51)的、限定长度的实质上无损的光传播路径(L)，其中，所述光传播路径(L)的限定长度为至少1cm，并且

所述测量系统(50)基于在所述光导(7)中传播的所述基准光(51)的光传播速度来确定所述位置。

19.根据权利要求18所述的测量系统，

其特征在于，

所述光发射器(52)被设计成发射脉冲光，并且基于飞行时间的原理来确定所述位置和/或取向。

20.根据权利要求18或19所述的测量系统，

其特征在于，

所述光发射器(52)被设计成发射谐波调制光，并且基于相位差的原理来确定所述位置和/或取向。

21.根据权利要求18所述的测量系统，

其特征在于，

所述光源是激光源或SLED。

22.根据权利要求18所述的测量系统，

其特征在于，

所述光源是建筑激光器。

23.根据权利要求18所述的测量系统，

其特征在于，

所述测量系统(50)基于在所述光导(7)中传播的所述基准光(51)的光传播速度来确定针对由所述基准光(51)限定的基准平面(53)的垂直偏差。

24.一种用于确定相对于基准光(51)的位置和/或取向的方法，该方法具有以下步骤：

发射以自由光束或自由光扇形式的基准光(51)，

利用包括光导(7)和光耦合器(8)的光接收器(1)接收所述基准光(51)的至少一部分，所述基准光(51)是通过所述光耦合器(8)耦合到所述光导(7)中的，其中，所接收的基准光(51)沿限定长度的实质上无损的光传播路径(L)按两个相反的方向在所述光导(7)中行进，其中，所述光传播路径(L)的限定长度为至少1cm，

在所述传播路径(L)的两个端部(e1、e2)处检测所接收和引导的基准光(51)，导致两个端部(e1、e2)的检测信号(S1、S2)，

基于对两个端部(e1、e2)的所述检测信号(S1、S2)的比较评估和在所述光导(7)中传播的所述基准光(51)的光传播速度来确定所述位置和/或取向。

25.根据权利要求24所述的方法，

其特征在于，

所述位置和/或取向是使用飞行时间和/或相位差的测量原理来确定的。

26.一种存储有程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码被配置成控制和执行根据权利要求24所述的方法。

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