CN111198363A - 具有高信号动态的测距设备及与其匹配的参考光路径 - Google Patents

Abstract

具有高信号动态的测距设备及与其匹配的参考光路径。用于执行到对象的距离测量的测量仪器(1)，其具有光发射器通道、光接收通道、参考光路径(6)以及评估装置，其中光发射器通道包括发射器单元(7)和光出口元件(20)，光接收通道包括光入口元件(18)和接收单元(17)。测量仪器(1)有助于通过测量光路径(5)到对象并再次返回和通过参考光路径(6)的距离测量。衰减装置(11)使得在参考光路径中获得期望的信号衰减。参考光路径(6)被布局成使得在通过光出口元件(20)之前接收激光测量辐射，将所述激光辐射引导至衰减装置(11)而不与环境接触，并且穿过光入口元件(18)将衰减部分发送至接收单元(17)。

Description

具有高信号动态的测距设备及与其匹配的参考光路径

技术领域

本发明涉及具有测距模块的测量仪器，更具体地是视距仪、经纬仪、激光扫描器、轮廓仪或激光跟踪仪，该测距模块包括具有发射器单元的光发射器通道以及具有接收单元的光接收通道。在发射器通道与接收通道之间形成用于激光测量辐射的测量光路径，其中，接收单元使得可以捕获具有不同信号强度的测量信号。通过捕获在参考光路径上引导的激光测量辐射来确定渡越时间(times-of-flight)中的系统误差，这些误差尤其取决于各信号强度。使用所确定的系统误差来改进测得的原始距离值。

背景技术

所接收的关于在测量光路径上引导引导的激光测量辐射的信号的强度首先通过要覆盖的距离范围并其次通过待测量的对象表面的不同反射率来设置。尤其是具有镜面或发光表面的对象在测距模块的接收单元处会根据光学测量射束的入射角产生非常不同的信号幅度。

存在覆盖待确定的较大距离范围的应用，从小于1m到大于几千米，其中，对具有明显较少反向散射的强烈漫散射光的目标对象以及具有后向反射和较高光学质量以及相应的高强度反向辐射的棱镜目标对象进行测量。这里，反向反射和随后接收的信号的信号强度是非常不同的。变化通常超过五个数量级。在该过程中，先前的接收电子设备仅覆盖10位的幅度范围。因为较低动态范围中的信噪比低，所以那里的信号通常保持非使用状态。然后，例如，所采用的信号动态仍然覆盖七个位。

测距单元具有多种系统误差，这会使测量结果失真。一些误差源取决于信号幅度，例如，可调衰减单元中的有效传输时间或者接收单元中的信号失真。通常，精确的测距单元包括参考信号路径或参考光路径，在必要时为了确定参考光渡越时间的目的而在参考信号路径或参考光路径上引导引导参考信号。由于该参考信号通过精确限定的路径，因此可以捕获和补偿或校正例如测距模块中取决于信号幅度的渡越时间中的误差。

对于补偿或校正，重要的是所接收的参考信号没有干扰。此外，测量光路径和参考光路径的信号动态应该尽可能相似。然而，在现有技术中已知的解决方案中，用于距离值的测量信号的动态通常大于可以沿参考光路径获得的信号动态，因此，不能足够好地补偿与参考光路径的信号动态之外的测量信号相关的测量值的与系统信号强度有关的测量误差。

DE 10 2010 032 724 A1描述了一种实现为具有旋转偏转镜的激光扫描器的测量仪器，其中，通过在测量仪器的横梁处的反射来产生参考光路径。这里，旋转镜在距测量仪器一定距离处的待测区域上方以及在带有偏转镜的测量仪器的支座的横梁上方都移动测量射束，使得在镜子的各个旋转期间，除了用于距离值的测量信号之外，还可以确定与从镜子到横梁的固定距离有关的测量信号。为了能够借助于参考测量来捕获取决于信号强度的测量误差，利用棱镜的不同已知亮度在横梁处进行反射。

使用通过在参考光路径上的测量而针对不同的信号强度确定的补偿值来根据各信号强度校正距测量仪器一定距离处的区域的距离值。然而，由于棱镜的高反射率，限制了可以通过在横梁处的棱镜处的反射获得的衰减，因此通常不可能获得足够大的信号动态。因此，在较小信号强度的情况下不可能补偿距离测量误差。

此外，在现有技术的布置中，尤其是在具有反射性外部参考目标的参考光路径的情况下，例如在具有旋转镜的激光扫描器的横梁处沿最低点方向布置，寄生(parasitic)杂散光可能耦合到参考路径中，其中，由于多次反射，杂散光可能具有不同的渡越时间。因此使参考信号的渡越时间失真。

被引导至外部参考目标上方的参考光路径的缺点在于，其反射或漫射元件被弄脏。由于杂散光通常沿着比设想的参考路径更长的轨迹通过，因此污垢颗粒继而不仅减少了参考信号，还通过杂散光使标称光的渡越时间失真。即使反射或漫射元件受到盖玻片的保护，也会出现偏离光渡越时间的轨迹。

现有技术中已知的参考光路径都具有受限制的信号幅度范围，并且例如不可能利用具有扩展的动态范围的现代光传感器对接收单元在原位进行校准。

最近，已经开发了改进的传感器和接收电路，其能够处理所接收的信号的扩展的幅度范围。然而，这种接收电子器件关于入射信号幅度通常是非线性的，并且因此使脉冲的形式或脉冲序列或其时间相位失真。这种影响导致系统的距离误差(范围游动(range-walk))。EP 3 098 626描述了一种覆盖已经扩展200倍的幅度范围的接收单元。此外，噪声水平非常低，这再次将可以采用的动态范围向小的信号强度扩展。

已知具有信号压缩光电二极管的接收单元。举例来说，具有在可见光和近红外光谱范围内的光敏性的所谓的半导体光电倍增管传感器(SPM传感器)、也称为SiPM(硅光电倍增管)正在逐渐取代以前使用的光电倍增管。由这种传感器产生的信号就幅度而言固有地是非线性的，这在没有进行范围游动校正的情况下导致了很大的与幅度有关的距离误差。

SPM传感器由数百、数千甚至多于数万个微单元组成，并且因此能够在皮秒内接收具有数千或数十万个光子的脉冲。通常，SPM传感器在突跳模式(盖革模式)下运行，其行为类似于模拟传感器。在对微单元寻址时，微单元会产生单个离散电压脉冲，其“模拟”行为是由多个微单元的公共输出引起的，各个微单元供应公共的离散“数字”电压脉冲。这种SPM传感器通常也称为SPAD阵列。

具有足够数量单元的SPM传感器在较大动态范围(通常高达1E8)捕获所接收的信号幅度，并且在某种意义上压缩非常小到非常大的信号的输入幅度。由于指数特性，SPM传感器永远不会过载；在信号非常大的情况下也不会发生过载，例如，甚至通过精确角度的后向反射镜将辐射投射回去，也不会发生过载。

在给定的光子数下，SPM传感器的输出信号渐近地接近最大极限电压，该极限电压适用于后续的放大器电路，并且该极限电压确保后续的电子设备不会过载至时间测量电路。因此，可以在高动态范围进行精确的距离测量。

由于这些SPM传感器覆盖了所接收的信号非常宽的幅度范围，因此这种接收单元需要具有足够幅度动态的参考光路径。

先前的参考光路径在这些接收传感器的所需动态范围或所需幅度范围已经不能提供无干扰的、更尤其是距离精确的参考接收信号。尤其是，由于这个原因，例如也无法预先使用这种SPM传感器来校准具有小幅度的信号或具有大幅度的信号，这导致这些信号范围中的测量距离误差。

发明内容

现在，根据本发明的目的在于提供改进的测量仪器，该测量仪器从预定动态范围上的接收信号出发，使得可以借助于根据参考光路径的测量确定的校正来确定准确的距离值，并且使得能够使用所述校正来补偿渡越时间和根据渡越时间确定的距离值中的系统误差。

通过具有权利要求1的特征的设备来实现根据本发明的总体目的。从属权利要求描述了实现其它目的的另选的实施方式的变型例。

根据本发明的概念涉及测量仪器的光学参考通道，该测量仪器被配置成产生强度随时间和/或空间变化的所谓的“自发光”参考目标，其中，该测量仪器还被配置成使得接收通道尤其以重复的方式扫过自发光参考目标。

这里，自发光涉及在参考目标与接收通道的光入口单元之间的参考通道的一部分(在测量仪器的测距模块的外部)中以所谓的“单向”方式传播的参考辐射，即，其中，参考辐射的传播方向没有反转，如在现有技术的具有旋转镜和布置在测量仪器的横梁上的反射参考目标的测量仪器中的情况。

使用所谓的自发光参考目标的优势在于，它允许使用衰减装置以衰减参考辐射，这促进辐射衰减超过五个或更多个数量级，例如，透射衰减装置提供从基本完全透射到基本完全消光的可变设置。举例来说，有可能采用在时间上可以快速转换的衰减器，例如基于电光或空间调制器的衰减器。此外，还可以通过用于产生空间相关辐射的光学元件来提供所需的信号动态，其中，可见辐射强度是强烈地角度相关的，使得借助于接收通道的扫掠运动来使遍历高信号动态范围。

根据本发明的测量仪器(更具体地是视距仪、经纬仪、激光扫描器、轮廓仪或激光跟踪仪)有助于测量到对象的距离，并且包括具有光发射器通道和光接收通道的测距模块。此外，测量仪器包括参考光路径和评估装置。光发射器通道包括用于发射激光测量辐射的发射器单元和光出口元件。光接收通道包括光入口元件和用于接收激光测量辐射的接收单元。该测量仪器使得能够测量光路径，该测量光路径在测距模块的外部延伸到对象，并在光出口元件与光入口元件之间再次返回。

参考光路径具有预定的参考距离，包括具有在空间和/或时间上可变的衰减的衰减装置，并且该参考光路径被配置成使得其将由发射器单元产生的激光测量辐射经由衰减装置引导至接收单元。这里，参考光路径被布局成使得在发射器单元的激光测量辐射到达光出口元件之前，先接收发射器单元的激光测量辐射的一部分，在不与测距模块的环境接触的情况下将该部分引导至衰减装置，然后，穿过光入口元件将衰减部分发送至接收单元，其中，接收单元接收参考信号以用于得出校正的距离值。

评估装置被配置成得出到对象的距离，并且在该过程中，使用由接收单元接收的、从对象返回的激光测量辐射以及由接收单元接收的、在参考光路径上引导的激光测量辐射。当得出到对象的距离时，至少部分地补偿强度相关的系统误差。

使用参考光路径的所描述的实施方式，可以获得参考光路径的基本上无干扰的接收信号，以用于距离测量值的可选衰减和对应的准确校正。在所述激光测量辐射穿过光出口元件到达测距模块的环境之前，在参考光路径中接收激光测量辐射确保了在到达衰减装置的路径上没有寄生辐射生成。

在参考光路径上，衰减设备的进入区域不面向测距模块的环境，而是布置在测量仪器或测距模块的内部区域中，或者直接连接到光导。因此，保护该进入侧不被弄脏，并且寄生杂散光不能耦合到参考光路径中，防止了干扰的生成。

为了确定参考光的渡越时间，从发射器单元经由参考光路径到达接收单元的参考信号的幅度仅在通过(passage through)光学衰减设备期间被衰减指配给衰减装置的衰减因子，而不会生成干扰。根据本发明的参考光路径提供了非常弱到强的光学信号，它们在皮秒内都具有精确相同的渡越时间。功率优选地包括至少五个或更多数量级的动态范围。

在衰减装置的下游，激光测量辐射的衰减部分沿着参考光路径穿过光入口元件到达接收单元，所述接收单元接收参考信号以用于得出校正的距离值。参考光路径穿过与测量光路径相同的光入口元件到达相同的接收单元。至少直接在光入口元件的上游，参考光路径的一部分位于测量仪器的测距模块的外部。在该部分中，激光测量辐射在测量光路径和参考光路径中都被实现为自由射束，并且穿过光入口元件的通道，并且由接收单元的接收对两个光路径产生相同的系统误差。

测量光路径和参考光路径都从同一发射器单元出发，但是光发射器通道的光出口元件仅位于测量光路径中，而不位于参考光路径中。已经发现，尽管在测量光路径与参考光路径之间存在这种差异，但是在这两个光路上根据对应幅度而生成的系统误差基本上是相同的。因此，基于参考光路径上的参考测量值对测量光路径上的测量距离的校正确保了在测量光路径上的距离测量的准确值。

根据本发明的解决方案确保了尽可能多的导致系统误差的所需光学元件在测量光路径和参考光路径上是相同的。

参考光路径的直接位于光入口元件的上游的一部分位于测距模块的外部。根据一个实施方式，至少在该部分中，参考光路径是单向的。沿参考光路径向相反方向移动的不期望生成的杂散光不会导向接收信号，因此，无论是在参考光路径的单向部分上还是在整体是单向的参考光路径上，都不会导致错误的距离值。激光测量辐射仅沿单向参考光路径在一个方向上移动，并穿过光接收通道的光入口元件到达接收单元。

由发射器单元产生并供应给参考光路径的激光测量辐射沿着在测距模块中固定地布置在测量仪器处的部分被引导，并到达在测距模块外部相对于光接收通道移动的部分。

在一个实施方式中，通过光偏转元件(例如旋转镜)实现在参考光路径上的参考距离的测量与在测量光路径上的测量之间的转变，其中，在各个情况下，偏转元件根据阶段，将参考光路径或测量光路径连接到光入口元件或中断所述连接。

在测量光路径的情况下，在测量阶段期间，激光测量辐射从发射器单元穿过光出口元件经由该偏转元件到达对象，并从对象经由该偏转元件穿过光入口元件到达接收单元。在参考光路径上，在参考阶段期间，激光测量辐射从发射器单元穿过衰减装置，并且随后经由所述偏转元件穿过光入口元件到达接收单元，而从未从发射器单元穿过光出口元件射出。在参考光路径上，激光测量辐射仅射入偏转元件一次。

在参考阶段期间，接收单元会在参考光路径末端扫掠过激光测量辐射。如果穿过接收通道可见的参考光路径的激光测量辐射的辐射强度强烈取决于光偏转元件或旋转镜的对准，则当参考阶段中的参考信号扫掠过衰减单元时，参考阶段中的参考信号会遍历范围游动校准所需的幅度范围。在此阶段期间，以MHz范围内的测量速率确定指配给信号幅度的距离。举例来说，在参考阶段结束时创建校正表，所述校正表提供与幅度相关的距离偏移。

在另一实施方式中，通过在具有参考光路径的一部分的第一装置部件与具有光出口元件和光入口元件的第二装置部件之间的相对运动来获得在参考光路径上的参考距离的测量与在测量光路径上的测量之间的变化。第一仪器部件的参考光路径的部分以如下方式指配给光入口元件：在两个仪器部件的给定相对位置的情况下，参考光路径以以下方式指向光入口元件：在参考光路径末端的激光测量辐射穿过光入口元件到达光接收单元。

在该给定的相对位置中，从光出口元件到光入口元件的测量光路径例如被至少部分地中断，使得来自参考光路径的激光测量辐射到达接收单元，而没有来自测量光路径的激光测量辐射到达接收单元。如果仪器部件不在给定的相对位置中，则从光出口元件到光入口元件的测量光路径是打开的，并且没有激光测量辐射通过参考光路径到达接收单元。

举例来说，具有发射器通道和光出口元件以及接收通道和光入口元件的第二仪器部件被布置成可以绕旋转轴旋转，并且具有参考光路径的仪器部件被形成成相对于位于可旋转仪器部件径向外部的元件是固定的。在旋转轴上，参考光路径包括一个光学旋转馈通装置(feedthrough)，使得从发射器单元发出的激光测量辐射可以被引入光出口元件上游的旋转馈通装置，并从所述旋转馈通装置引入到光学元件的供应位置，其中，分别在两个仪器部件的给定相对位置的情况下，将参考光路径以以下方式引导到光入口元件上：使得参考光路径末端的激光测量辐射穿过光入口元件到达光接收单元。在参考光路径上布置有至少一个衰减装置。

因为在所有实施方式中参考光路径都以以下方式布置：使得在发射器单元的激光测量辐射到达光出口元件之前，其接收发射器单元的激光测量辐射的一部分，并且因为它在不与测量仪器的环境接触的情况下将该部分引导至衰减装置上，所以这确保了衰减不会导致干扰。

光衰减装置被构造成使得被指配给其的衰减因子是可以调节的。在各实施方式中，借助于参考光路径至少部分地实现了可调节性，并且衰减装置的至少一部分相对于彼此是可调节的，使得参考光路径在具有不同的衰减因子的衰减装置的区域上方引导。在其它实施方式中，衰减因子是可以调节的。

衰减装置包括至少一个透射的和/或至少一个反射的衰减区域。因此，可以使用具有不同反射因子的反射元件和/或具有不同透射因子的透射元件。由这些元件确保的衰减可以通过漫射器元件、全息图元件、衍射光学元件、光栅元件、灰色滤光器、灰色光楔、漫射膜、分度板或漫射板来获得。这里，也可以使用辐射强度的方向相关的差异来提供期望的衰减。

举例来说，现有技术中已知的衰减装置包括具有灰色楔形分度的机械驱动的灰色滤光器。为了设置期望的衰减，对参考信号的测量信号幅度进行测量，并且移动灰色滤光器直到信号幅度处于期望的范围内为止。基于MEMS，基于反射镜或基于虹膜的电子移动信号衰减器(通常称为VOA，可变光衰减器)也是已知的。

其它已知的衰减器基于例如电光衰减器或空间调制器。除了基于液晶的设备之外，例如，磁光、基于半导体的“多量子阱”布置或可变形镜也可以用作衰减器。

迄今为止，基于液晶技术(制造商：Boulder Nonlinear Systems)和基于MEMS的微镜技术(来自电信行业的部件)的布置主要用于商业测量器械中。

与液晶相比，固态光学晶体在环境影响(尤其是温度影响)方面基本上更稳健，并且可以在例如-20℃与50℃之间的较大温度范围内使用(例如在不降低功能的情况下使用)，而它们的光学性能因此没有大的变化。此外，光学晶体的转换速度比液晶要快几个数量级。使用固态晶体，可以实现小于1000ns的设置速度；这是液晶无法实现的。

尤其是，在参考光路径上衰减装置的反射衰减区域，尤其是在其进入区域中的反射衰减区域不会被弄脏，因为参考光路径在激光测量辐射通过光出口元件之前就接收激光测量辐射，并且所述参考光路径在不与测量仪器的环境接触的情况下将所述激光测量辐射引导至衰减装置或反射衰减区域。因此，衰减元件的进入区域不与测量仪器的环境接触，并因此不会暴露于任何脏污。激光测量辐射仅在为此目的提供的表面上反射，并且不会出现渡越时间不同的寄生反射光。

在衰减装置的有利的透射衰减区域中，进入区域不会被弄脏，并且在衰减设备的出口侧上的脏污可能仅进一步衰减参考光路径上的激光测量辐射；然而，它不会产生渡越时间不同的寄生杂散光。由于脏污而能得到的动态范围的移位趋于较小，并且在布置参考光路径时可以将其考虑在内。没有由于可能的赃污而造成的干扰。

为了确定参考光的渡越时间，从发射器单元通过参考光路径到达接收单元的参考信号的幅度在通过所述透射和/或反射光衰减装置期间被衰减指配给衰减装置的透射因子或反射因子。光衰减装置被以以下方式构造：使得指配给其的透射因子或反射因子是可以调节的。举例来说，可以以下方式调节各因子：使得在接收单元处在参考光路径上可以得到的幅度范围与要确定距离值的测量信号的幅度范围匹配。

使用可以电子地调节的透射衰减装置，可以提供大的衰减范围或大的动态范围，并且尤其是可以利用很少的花费快速地调节衰减。衰减的扫掠(sweep)可以与旋转偏转镜的旋转运动同步地实现，例如在小于一毫秒内。

在参考光路径上进行的测量是按时间间隔进行的，并且衰减设备的衰减应以以下方式变化：在可能的情况下，在参考测量期间出现的参考信号的幅度分布在距离测量期间在测量光路径上出现的幅度的整个测量范围上。可选地，利用分布在预定最大幅度范围内的参考信号的幅度执行参考测量。还可以基于在距离测量期间在测量光路径上出现的幅度来设置所需的幅度范围。在补偿所测量的距离值时，在各个情况下使用幅度最接近相应距离测量的幅度的参考测量。此外，在各个情况下使用在时间上尽可能接近待校正的距离测量的参考测量。

为了参考测量不被用于在测量光路径上的测量的激光测量辐射损害，在另一实施方式中，在参考测量期间中断在测量光路径上的激光测量辐射的出现。为此，测量仪器包括例如可控的射束中断器(可选地是机械快门或LCD快门)，该射束中断器在关闭状态下防止激光测量辐射射出到测量光路径上。

测量仪器借助于光脉冲信号的发射与经过测量光路径或参考光路径之后的光脉冲信号的接收之间的时间差来测量距离。可以经由内部比较路径将与传输时间相关并与光脉冲信号的形式相关的信息供应给评估装置，并且所述信息与所接收到的光脉冲信号一起使得能够确定渡越时间。也可以经由触发光脉冲信号的发射的触发信号来提供与传输时间相关的信息。然后根据触发信号与经过测量光路径或参考光路径后的光脉冲的接收之间的时间差来确定距离。可以根据在参考光路径上的距离测量和测量光路径的已知长度来确定根据幅度校正系统误差的校正。

附图说明

下面基于附图中示意性地例示的示例实施方式，仅以示例的方式更详细地描述根据本发明的测量仪器。在附图中，由相同的附图标记表示相同和相似的元件。通常，所描述的实施方式未按比例真实示出，并且也不应解释成限制。

详细说明：

图1示出了当在内部使用时3D激光扫描器的立体图；

图2示出了具有在激光扫描器的内部以自由射束形式引导的单向参考光路径的激光扫描器的截面图；

图3示出了具有最初在光导(light guide)中引导的参考光路径的激光扫描器的截面图；

图4示出了轮廓仪的选定的元件的立体图；

图5示出了具有透射衰减元件的参考光路径的一部分的示意图；

图6和图7示出了呈漫射器形式的透射衰减元件的立体图；

图8示出了具有呈带有楔形分度的滤光器形式的透射衰减元件的参考光路径的一部分的示意图；以及

图9示出了具有带有反射和透射衰减元件的衰减装置的参考光路径的一部分的示意图。

具体实施方式

图1示出了在内部2中使用时的呈3D激光扫描器形式的测量仪器1。所例示的激光扫描器可以通过使激光扫描器的部件绕两个旋转轴旋转来在任何期望的测量方向上对准激光测量射束。通过箭头3将绕这些旋转轴的旋转可视化。由圆圈4标记的门框的点以高强度反射测量光路径5上的激光测量射束，并指示所接收的信号的强度可能具有非常大的变化。

通常，墙壁和天花板的表面是漫散射的，并在激光扫描器的接收单元中产生从相当弱到中度的接收信号幅度。诸如窗户和管道的镜面对象产生包括几个数量级的幅度范围的反向反射。为了产生对象表面的具有高质量的点云，需要具有测距模块的测量仪器，该测距模块在可能出现的信号幅度的情况下都以毫米精度来供应距离测量。

基于呈激光扫描器形式的测量仪器1，图2示意性地示出了在测量光路径5和参考光路径6上引导激光测量辐射的示例。激光扫描器包括具有用于发射激光测量辐射的发射器单元7的光发射器通道。在所例示的实施方式中，激光扫描器内部的激光测量辐射穿过准直物镜8到达分束器9。分束器9将在激光扫描器内部的激光测量辐射的一部分(<10％)沿着参考光路径6发送：经由镜子10，激光扫描器内部的参考光路径6上的激光测量辐射到达布置在激光扫描器内部的衰减装置11。

在所例示的实施方式中，衰减装置11包括呈负透镜12形式的空间扩束器以及呈漫射器13形式的光混合和射束形成单元。在激光测量辐射已经通过漫射器13之后，激光测量辐射从激光扫描器的内部射出，并且在绕第一轴14a旋转的镜子元件15进行适当的旋转对准的情况下，射入到所述镜子的相对于第一轴14a倾斜45°的镜面16上。激光测量辐射从镜面16被朝向具有用于接收激光测量辐射的接收单元17的光接收通道引导。在进入激光扫描器的内部时，来自镜面16的激光测量辐射到达呈分束器元件19(例如呈电介质分束器的形式)的呈反射表面形式的光入口元件18，并且从所述部分反射表面穿过准直物镜8到达接收单元17。

测量仪器1使得可以产生测量光路径5，该测量光路径5在光出口元件20与光入口元件18之间延伸至对象，并再次返回到测量仪器1或其测距模块的外部。在所例示的实施方式中，光出口元件20是分束器元件19的从发射器单元7的方向透射激光的表面。因此，分束器元件19把来自镜面16的方向的激光测量辐射定向成朝向接收单元17，并允许测量光路径5上朝向镜面16的激光测量辐射从测量仪器1的内部射出。分束器元件19可以被布局成区域结构的电介质分束器，其中，电介质分束器在圆形区域的中心具有T:R＝0.8:0.2的光透射与反射比，并且在该圆的外部直至边缘具有T:R＝1.0:0.0的比。

当将镜面16绕第一轴14a旋转时，使得可以在大角度范围的平面中捕获距离值。由于可以选择使激光扫描器绕垂直于第一轴14a的第二轴14b旋转，所以可以捕获绕第二轴14b相对于彼此旋转的平面中的距离值。

参考光路径6被配置成使得将由发射器单元7产生的激光测量辐射经由衰减装置11引导至接收单元17。这里，参考光路径6被布局成使得在发射器单元7的激光测量辐射到达光出口元件20之前，接收发射器单元7的激光测量辐射的一部分，在不与测量仪器1的环境接触的情况下将该部分引导至衰减装置11，并且然后将衰减的部分通过光入口元件18发送至接收单元17，其中，接收单元17接收参考信号，以用于得出校正的距离值。在这种情况下，与参考光路径6内的衰减程度无关，所有可能的射束路径都具有相同的路径长度。这确保了在各个情况下分别捕获的距离是相同的。

在激光测量辐射在参考光路径上从镜面16经由光入口元件18到达接收单元17的时间阶段期间，穿过光出口元件20并经由镜面16朝向衰减装置11引导的激光测量光将在漫射器13或在衰减装置11处的激光扫描器的终端(如适用)处被反射(至少小强度分量)，并且将经由镜面16和光入口元件18被供应到接收单元17。因此，参考测量可能会被不期望的光部分损害。

为了避免这种情况，特定的实施方式包括例如中断元件21，该中断元件21在参考测量期间以以下方式中断测量光路径：使得没有激光测量辐射穿过光出口元件20到达镜面16。举例来说，中断元件21可以被形成为覆盖板或截光轮(chopper wheel)，其绕第三轴22可旋转地布置，并且以以下方式以与镜子元件15同步的方式被驱动：使得当镜面16形成从衰减装置11到光入口元件18的参考光路径时，中断元件21覆盖或中断测量光路径5。不言而喻，也可以使用具有可调的透射系数的元件代替旋转的截光轮。在距离测量期间，中断元件21启用测量光路径5或中断被移开(lifted)。

代替中断元件21，漫射器13处的参考路径的出口开口可以具有相对于轴向外部透射射束5的偏心布置。这确保了外部透射射束5不会将任何干扰光部分反射进入到在旋转镜16的任何位置的参考路径中。

评估装置(未示出)被配置成得出到对象的距离，并且在该过程中，使用由接收单元17接收的、从对象返回的激光测量辐射，和由接收单元接收的、在参考光路径上引导的激光测量辐射，以及参考距离。在得出到对象的距离时，至少部分地实时补偿与强度有关的系统误差。

为了使参考光路径6有助于距离测量值的准确校正，衰减装置11被以以下方式实现：使得可以以不同的衰减执行参考测量。在图2所例示的实施方式中，在必要时，在光漫射器13的情况下，漫射的强度或漫射因子具有可调节的实施方式。漫射器13还可以包括垂直于图2中例示的平面的具有明显不同的散射效应的区域，使得在镜子元件15的预定旋转范围执行具有不同衰减的参考测量。优选地，所使用的漫射器仅在漫射屏的两个表面中的一个(表面漫射屏)处产生光散射，而不在玻璃基质(体积漫射屏)的内部产生光散射。此外，漫射屏应该被布局成使得入射辐射的色度特性保持不变。

在参考光路径6上，衰减装置11的进入区域不面向测量仪器1的环境；而是被布置在测量仪器1的内部。因此，可以保护该进入侧不被弄脏并且没有寄生杂散光能够耦合到参考光路径中，防止生成干扰。为了确定参考光的渡越时间，从发射器单元7通过参考光路径6到达接收单元17的参考信号的幅度仅在通过光衰减装置11期间被衰减指配给衰减装置11的衰减因子，而不会生成干扰。此外，对于参考光路径上的所有光束分量，参考光渡越时间保持不改变。

激光测量辐射的衰减分量穿过在参考光路径6上跟随衰减装置的光入口元件18到达接收单元17，所述接收单元接收参考信号以用于得出校正的距离值。参考光路径6穿过与测量光路径5相同的光入口元件18引导至相同的接收单元17。至少直接在光入口元件18的上游，参考光路径6的一部分位于测量仪器1的测距模块的外部。在该部分中，激光测量辐射在测量光路径5和参考光路径6中都被实现为自由射束，并且穿过光入口元件18以及由接收单元17接收对两个光路径5、6产生相同的系统误差。

测量光路径5和参考光路径6都从同一发射器单元7发出；然而，光发射器通道的光出口元件20仅位于测量光路径5中，而不位于参考光路径6中。已经发现，尽管测量光路径5与参考光路径6之间存在这种差异，但是在这两个光路径上生成的取决于各自的幅度的系统误差基本相同。因此，基于参考光路径6上的参考测量值对测量光路径5上的测量距离的校正确保了在测量光路径5上的距离测量的准确值。

所例示的解决方案确保了尽可能多的导致系统误差的所需光学元件(更尤其是电子元件)在测量光路径5和参考光路径6上相同。

在所例示的实施方式中，参考光路径6是单向的。在单向参考光路径6上，沿着参考光路径6在相反方向上传播的不期望生成的杂散光不会导向接收信号，并且因此也不会导致错误的距离值。单向参考光路径6被布局成使得仅能接收在向前方向上传播的激光辐射。这里，激光测量辐射以单向的方式从衰减装置穿过光接收通道的光入口元件18到达接收单元17。

在图2所例示的实施方式中，通过旋转镜面16实现在参考光路径6上的参考距离的测量与在测量光路径5上的测量之间的转变，其中，镜面16根据阶段，将参考光路径6或测量光路径5连接到光入口元件18。校准阶段的角度范围沿最低点方向取向，并且通常包括第一轴14a的旋转范围的30度。

图3示出了与图2类似的实施方式，其中，参考光路径6和测量光路径5的一部分不再实现为自由射束，而是使用光导。前面的描述适用于已经基于图2描述的元件。仅基于图3描述变化的部件。发射器单元7供应(feed)第一光导23和第二光导24。第一光导23形成参考光路径6的一部分，而第二光导24形成测量光路径5的一部分。在光导23、24的背离发射器单元7的末端处，在各个情况下准直物镜8布置在到自由射束的过渡处。为了使空间和时间的渡越时间误差保持较小，优选地在发射器侧使用光学单模光导。此外，从波动理论的角度来看，这些的优点在于在待测对象上产生尽可能较小的测量光斑。

在另一实施方式中，发射器单元7包括可以电子地控制的信号分离器或光纤分束器，在参考光路径6上进行测量的情况下，即在镜面16的将激光测量辐射引导至参考光路径6上的接收单元17的位置的情况下，该信号分离器或光纤分束器仅向第一光导23供应激光测量辐射。如果在参考测量期间未向第二光导24供应激光测量辐射，则可以避免诸如光串扰的干扰。

图4示出了呈多射束激光轮廓仪形式的测量仪器1，其包括：第一仪器部件25，其包括参考光路径6的一部分；以及第二仪器部件26，其包括光出口元件20和光入口元件18。第二仪器部件26可以绕旋转中心轴相对于第一仪器部件25旋转并且具有第二壳体29b，仅在第二仪器部件26的光出口元件20和光入口元件18处部分地例示了第二壳体29b。在各旋转期间，参考光路径6的从第一仪器部件25定向至第二仪器部件26的一部分射入光入口元件18，然后有助于参考光路径6上的测量。可以在所有其它旋转对准中在测量光路径5上执行对外表面的测量。

轮廓仪包括具有用于发射激光测量辐射的发射器单元7的光发射器通道。在所例示的实施方式中，发射器单元7被配置成产生多个发射器通道，用于发射调制的、更尤其是脉冲的距离测量束。发射器通道使得可以扫描不同的高度(elevation)，这些高度与旋转中心轴相关。为了能够通过适当的接收通道来接收由发射器通道发射的激光测量射束，接收单元17被实现为多通道接收器，例如被实现为光电二极管阵列、APD阵列或SPAD阵列的阵列。

至少一个发射器通道的激光测量辐射经由在第二仪器部件26的壳体内部的分束器9和透镜8到达连接光导27，作为参考光路径6的一部分的连接光导27通过光学旋转耦合器28将所接收的激光测量辐射从可旋转的第二仪器部件26引导至第一仪器部件25。举例来说，分束器9被实现和布置成使得分束器9将发射器通道的激光测量辐射偏转至连接光导27。然而，分束器9也可以具有电介质涂层或金属涂层，并且在各个情况下，将来自所有发射器通道的发射光的1％偏转至透镜8。另外，衍射光混合元件仍然可以放置在透镜8的上游，以使得各个发射器单元在统计平均值上对参考信号路径做出相同的贡献。在这种情况下，连接光导27是多模光导，优选地是梯度折射率光纤。在连接光导27的末端，激光测量辐射到达在第一仪器部件25的第一壳体29a内部的衰减装置11。

在所例示的实施方式中，衰减装置11包括例如以分段形式布置的、具有不同反射率的衰减镜30。这些区域可以被分布成提供反射、白色漫散射和黑色无光泽散射。衰减镜30将来自具有不同反射率的区域的激光测量辐射朝向第二仪器部件26引导。如果光入口元件18被指配给由衰减镜30所发送的来自具有不同反射率的区域的激光测量辐射，则可以利用激光测量辐射的对应不同强度执行参考测量。

图4的测量仪器1使得可以产生一个测量光路径5或者每发射器通道一个测量光路径，所述测量光路径从发射器单元7穿过分束器9延伸至出口元件20，并且在测量仪器1的测距模块的外部延伸至待扫描的对象，并在光出口元件20与光入口元件18之间再次返回。在所例示的实施方式中，光出口元件20在第二仪器部件26的圆周方向上相对于入口元件18具有双轴偏移。这是有利的，因为在多射束激光轮廓仪的情况下，同时激活的发射器通道之间的串扰最小。此外，在接收单元通过参考光路径接收光的时间阶段期间，可以使用出口元件20与入口元件18之间的双轴特性来中断外部光通道5。如果第二仪器部件26在该角度范围内，则衰减单元11中断由外部目标对象反射回入口元件18的辐射。结果，通过参考光路径6将激光测量辐射唯一地且无干扰地引导至接收单元17。

参考光路径6被配置成使得在发射器单元7的激光测量辐射到达光出口元件20之前接收发射器单元7的激光测量辐射的一部分，在不与测量仪器1的环境接触的情况下将所述分量引导至衰减装置11，然后穿过光入口元件18将衰减的部分发送至接收单元17，其中，接收单元17接收参考信号以用于得出校正后的距离值。

当第二仪器部件26以可以执行参考测量的方式对准时，第一仪器部件25的第一壳体29a或布置在其中的衰减装置11中断了至少一个发射器通道的测量光路径5，使得至少对于该发射器通道，在对应方向上不可能进行距离测量。借助于参考测量和由此得出的以幅度为参考的系统误差(距离偏移)来更新范围-游动表。使用该距离游动表的条目来校正根据到目标对象的渡越时间测量确定的原始距离值。

评估装置(未示出)被配置成得出到对象的距离，并且在该过程中，使用由接收单元17接收的、从对象返回的激光测量辐射以及由接收单元17接收的、在参考光路径6上引导的激光测量辐射以及参考距离。当得出到对象的距离时，至少部分地补偿与强度有关的系统误差。

在图4所例示的实施方式中，参考光路径6是单向的。在参考光路径6上，从发射器单元7到衰减装置11的通道不面向测量仪器1的环境，而是布置在第一壳体29a和第二壳体29b的内部。因此，可以保护该通道不被弄脏，并且寄生杂散光不能耦合到参考光路径中，防止生成干扰。

激光测量辐射的衰减分量穿过在参考光路径6上跟随衰减装置11的光入口元件18到达接收单元17，所述接收单元接收参考信号以用于得出校正的距离值。参考光路径6穿过与测量光路径5相同的光入口元件18引导至相同的接收单元17。至少直接在光入口元件18的上游，参考光路径6的一部分位于第二壳体29b的外部。在该部分中，激光测量辐射在测量光路径5和参考光路径6上都被实现为自由射束，并且穿过光入口元件18以及由接收单元17接收对于光路径5、6来说产生相同的系统误差。

测量光路径5和参考光路径6都从相同的发射器单元7发出；然而，光发射器通道的光出口元件20仅位于测量光路径5中，而不位于参考光路径6中。已经发现，尽管测量光路径5与参考光路径6之间存在这种差异，但在这两个光路径上生成的取决于各自的幅度的系统误差基本相同。因此，基于参考光路径6上的参考测量值对测量光路径5上的测量距离的校正确保了在测量光路径5上的距离测量的准确值。

图5示出了衰减装置11，其中，激光测量辐射穿过准直光学单元8以及漫射强度在漫射器的延伸方向上改变的漫射器。因此，漫射器下游的激光测量辐射的辐射率或强度沿箭头例示的方向增加。如果旋转的接收通道在参考阶段期间扫过衰减装置11，尤其是具有局部降低的辐射率的漫射器，则将在较大动态范围内通过改变信号强度捕获一系列距离测量。因为参考路径光没有寄生杂散辐射，所以在该过程中确定的距离仅存在与强度有关的距离误差。以与图2和图3中的设备相当的方式，通过接收通道的可见参考光束的辐射强度与角度有关；因此，在第二仪器部件26的旋转期间，测量具有从非常弱到过载的不同信号幅度的接收脉冲。

图6和图7示出了呈分段漫射器板形式的漫射器13，其可以用作透射衰减元件。如图6所例示的，在激光辐射通过漫射器板时，漫射器板的段的不同精细或粗糙结构致使不同的散射角或衍射角。这里，要注意的是，光散射仅发生在漫射器板的单个表面上。已知的漫射器板被称为衍射光学元件(DOE)或具有与空间有关的粗糙度的毛玻璃屏。与空间有关的散射可以实现成分段或实现成连续的分度。图7示出了具有不同的光栅结构的呈扩束器板形式的漫射器13，这些光栅通过衍射和/或光阻挡导致不同的与空间有关的透射因子。这里，光栅结构也仅布置在一个表面上。另外，具有指数吸收分度的吸收过滤层也是可能的。

图8和图9示出了没有漫射器板的衰减元件。根据图8，激光测量辐射穿过准直光学单元8和具有用作滤光器的通道开口的掩模31到达。通道开口的宽度沿箭头指示的方向增加，通过的激光测量辐射的强度也沿该方向增加。根据图9，激光测量辐射穿过准直光学单元8，通过具有不同反射率的反射镜32并穿过用作孔的掩模31到达。通道开口的反射率和宽度沿一个方向以以下方式改变：使得激光测量辐射的强度沿箭头指示的方向增加。

应当理解，这些例示的附图仅示意性地例示了可能的示例实施方式。各种方法同样可以彼此组合并且可以与现有技术的方法组合。

Claims (14)

1.一种用于执行到对象的距离测量的测量仪器(1)，更具体地是视距仪、经纬仪、激光扫描器、轮廓仪或激光跟踪仪，所述测量仪器(1)具有：测距模块，所述测距模块包括光发射器通道和光接收通道；参考光路径(6)；以及评估装置，其中，

所述光发射器通道包括用于发射激光测量辐射的发射器单元(7)和光出口元件(20)，

所述光接收通道包括光入口元件(18)和用于接收激光测量辐射的接收单元(17)，

所述测量仪器(1)使得能够在所述光出口元件(20)与所述光入口元件(18)之间在所述测距模块的外部产生至所述对象并从所述对象返回的测量光路径(5)，

所述参考光路径(6)具有预定的参考距离并且包括衰减装置(11)，所述衰减装置(11)具有在空间和/或时间上可变的衰减，并且所述参考光路径(6)被配置成使得由所述发射器单元(7)产生的激光测量辐射能够经由所述衰减装置(11)被引导至所述接收单元(17)，并且

所述评估装置被配置成使用由所述接收单元(17)接收的、从所述对象返回的激光测量辐射以及由所述接收单元(17)接收的、在所述参考光路径(6)上引导的激光测量辐射来得出到所述对象的距离，其中，在得出到所述对象的所述距离时的与强度有关的系统误差得以补偿，

其特征在于，

所述参考光路径(6)被布局成使得在所述发射器单元(7)的所述激光测量辐射通过所述光出口元件(20)之前，接收所述发射器单元(7)的所述激光测量辐射的一部分，在不与所述测距模块的环境接触的情况下将所述部分引导至所述衰减装置(11)，并且将所述衰减装置(11)下游的衰减后的所述部分穿过所述光入口元件(18)向前送至所述接收单元(17)。

2.根据权利要求1所述的测量仪器(1)，其特征在于，所述参考光路径的直接在所述光入口元件(18)上游的部分位于所述测距模块的外部，并且所述参考光路径(6)至少在该部分中被实现为是单向的。

3.根据权利要求1或2所述的测量仪器(1)，其特征在于，整个所述参考光路径(6)被实现为是单向的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，由所述发射器单元(7)产生的用于所述参考光路径(6)的激光测量辐射沿着在所述测距模块中固定地布置在所述测量仪器处的部分被引导，并到达在所述测距模块外部相对于所述光接收通道移动的部分。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，光偏转元件(15)、更具体地是可旋转镜面(16)使得能够实现所述参考光路径(6)上的所述参考距离的测量与所述测量光路径(5)上的测量之间的转变，其中，所述偏转元件(15)在各个情况下根据阶段将所述参考光路径(6)或所述测量光路径(5)穿过所述光入口元件(18)连接至所述接收单元(17)或中断所述连接。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，所述测量仪器(1)包括具有所述参考光路径(6)的一部分的第一仪器部件(25)以及具有所述光出口元件(20)和所述光入口元件(18)的第二仪器部件(26)，其中，能够通过所述第一仪器部件(25)与所述第二仪器部件(26)之间的相对运动来实现参考光路径(6)上的所述参考距离的测量与所述测量光路径(5)上的测量之间的转变，并且为此，所述参考光路径(6)被以以下方式指配给所述光入口元件(18)：在所述第一仪器部件(25)与所述第二仪器部件(26)之间的给定相对位置的情况下，所述参考光路径(6)被以以下方式定向至所述光入口元件(18)：所述激光测量辐射穿过所述光入口元件(18)在所述参考光路径(6)的末端到达所述光接收单元(17)，并且在所述第一仪器部件(25)与所述第二仪器部件(26)的其它相对位置处，所述测量光路径(5)穿过所述光入口元件(18)被引导至所述接收单元(17)。

7.根据权利要求6所述的测量仪器(1)，其特征在于，在所述激光测量辐射穿过所述光入口元件(18)在所述参考光路径(6)的末端到达所述光接收单元(17)的给定相对位置中，从所述光出口元件(20)到所述光入口元件(18)的所述测量光路径(5)被至少部分地中断，使得来自所述参考光路径(6)的激光测量辐射到达所述接收单元(17)，而没有来自所述测量光路径(5)的激光测量辐射到达所述接收单元(17)。

8.根据权利要求6或7所述的测量仪器(1)，其特征在于，能够通过所述第一仪器部件(25)与所述第二仪器部件(26)之间的相对旋转运动来改变所述衰减装置(11)的衰减，并且在该过程中，所述参考光路径上的信号幅度根据相对旋转位置而改变。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，在所述第一仪器部件(25)与所述第二仪器部件(26)之间的相对旋转运动的情况下，所述参考光路径(6)的所述参考距离保持不变。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，所述衰减装置(11)被构造成使得能够机械地或电子地调节被指配给所述衰减装置(11)的衰减因子。

11.根据权利要求10所述的测量仪器(1)，其特征在于，能够借助于所述参考光路径(6)至少部分地实现可调节性，并且所述衰减装置(11)的至少一部分能够相对于彼此被调节成使得所述参考光路径(6)能够被引导穿过所述衰减装置(11)的具有不同衰减因子的区域。

12.根据权利要求10或11所述的测量仪器(1)，其特征在于，所述衰减装置(11)包括至少一个透射衰减区域和/或至少一个反射衰减区域，并且在此过程中尤其包括具有不同反射因子的反射元件和/或具有不同透射因子的透射元件，其中，尤其是使用了漫射元件、全息图元件、衍射光学元件、光栅元件、灰色滤光器、灰色光楔、漫射膜、分度板或漫射板。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，所述衰减装置包括用于调节所述衰减装置的至少一部分的致动器。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的测量仪器(1)，其特征在于，所述衰减装置包括至少一个能够电子调节的衰减元件，更具体地包括液晶或光纤调制器。

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