CN113447939A - 测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测距装置。根据本发明，一种测距装置包括用于沿着发射路径发射激光的光学发射通道和用于沿着接收路径接收激光的光学接收通道。包括具有涂覆表面的玻璃部件的至少一个光学元件被定位在光学发射通道和/或光学接收通道中。玻璃部件包括：厚度小于0.3mm的玻璃板，该玻璃板具有外围边缘并且在两个表面中的至少一个表面上具有涂层；以及环形元件。玻璃板黏附地连接至环形元件的端面。该测距装置显示出减少的测量伪影和/或减少的光学像差效应和/或减轻的重量。

Description

测距装置
技术领域
本发明涉及一种光学测距装置，该光学测距装置具有用于引导至少一个激光束的激光的至少一个光学元件。
背景技术
测距装置是根据其应用领域制造和命名的。示例是大地勘测装置，诸如，电子视距仪、全站仪、多站仪或用于大地测量或工业勘测目的的(单波束或多波束)激光扫描器或激光跟踪仪。这些装置的共同之处在于，它们包括用于生成测距波束辐射的至少一个辐射源和光学元件(诸如，透镜或准直仪)，借助于至少一个辐射源和光学元件，可以将生成的测量辐射沿瞄准方向朝向待勘测对象发射到自由空间中，因此，这些装置也称为所谓的自由波束传感器。可以例如借助于用于角度测量的传感器来确定测量波束的瞄准方向以及相应的发射方向和/或接收方向，所述传感器被指派给系统的偏转反射镜或瞄准单元。
待测量目标例如是自然对象的表面或针对勘测目的而专门设计的目标(例如，回射器)。被照射的对象以散射或定向方式(具体是回射)反射测量辐射，使得至少一部分测量辐射被反射到测量装置上。测量仪器具有光电子传感器，该光电子传感器被设计用于测量辐射的时间分辨和/或位置分辨检测，所述光电子传感器例如是PIN二极管、CMOS芯片、固态光电倍增管(例如，SPAD)或位置敏感探测器(PSD)。基于检测到的测量辐射来确定所需的测量变量、距离值(或将距离值与测量方向组合在一起时的2D/3D坐标)。在这种情况下，可以使用各种测量原理，例如，测距原理是相差测量、频率调制连续波(FMCW)、运行时间测量(飞行时间TOF)或基于Fizeau原理的测量。
具体地，3D激光扫描是用于在数分钟或数秒内产生对象的数百万个空间测量点的一种非常有效的技术。典型的测量任务是记录诸如齿轮、机翼、轮船或飞机和/或其表面的对象或诸如工业厂房、房屋外墙或历史建筑物以及事故地点和犯罪现场的对象。为此，它们必须能够在表面上扫掠电子测距装置(EDM)的测量辐射，并同时获取关于测量点的方向和距离。因此，这样的装置具有波束偏转或扫掠单元，借助于该波束偏转或扫掠单元，测量辐射可以围绕至少一个轴线(通常是彼此垂直对准的两个轴线，例如，竖直轴线和水平轴线)枢转。波束偏转器可以以移动反射镜的形式实现，或者也可以另选地通过适合于光学辐射的受控角度偏转的其它元件(例如，可旋转棱镜、可移动光导、可变形光学部件等)来实现。最终，借助于数据处理，针对各个点，根据距离以及与之相关的方向信息生成所谓的3D点云。
通常，这些装置包括具有激光发射器单元的光学发射通道和具有激光检测器单元的光学接收通道(例如，作为测距模块的一部分)。由发射通道发射的激光至少部分地被对象反射，并通过接收通道行进返回到激光检测器单元。发射通道和接收通道可以至少部分相同。
具有玻璃部件的至少一个光学元件被定位在测距装置中，使得其引导光学发射通道和/或光学接收通道的激光的至少一部分。光学元件可以至少针对一部分激光和/或针对给定波长范围和/或针对给定激光偏振充当反射镜。如果一部分激光被反射并且另一部分激光穿过光学元件，则该光学元件是分束器。
已知的测距装置包括用于保持至少一个光学元件的玻璃部件的保持装置。玻璃部件必须具有至少1mm的厚度，以便防止玻璃破裂。因此，至少一个光学元件至少具有对应于1mm的最小厚度的重量。测距装置的光学元件的给定最小重量导致对保持装置的对应要求。光学元件和保持装置的惯性限制了加速移动，例如，该加速移动是调整相应通道的光学特性所必需的。
具有厚度为至少1mm的玻璃部件的光学元件也对激光接触玻璃部件的表面或穿过玻璃部件具有负面影响。例如由于从光学发射通道到光学接收通道的捷径，所以散射在玻璃部件的侧面或边缘或玻璃部件中的激光可以导致测量伪影。玻璃部件可以导致光衍射效应，必须通过添加附加光学元件来补偿该光衍射效应。由于基底变形，所以所有的单侧涂层或有时甚至是双侧涂层都会降低成像质量。
US 2006/0114448 A1公开了一种测距设备，该测距设备具有关于激光束的光轴以一定倾斜角度布置在光学通道中的光学元件，其中，需要光学元件来引导激光。由光学元件引起的可见通道中的光学像差效应(aberration effect)必须由附加补偿元件来补偿。该光学补偿元件增大了测距设备的尺寸和复杂性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有减少的测量伪影和/或减少的光学像差效应和/或降低的复杂度和/或减轻的重量的测距装置。
本发明的测距装置包括：用于沿着发射路径发射激光的光学发射通道以及用于沿着接收路径接收激光的光学接收通道；以及至少一个光学元件，所述至少一个光学元件包括具有涂覆表面的玻璃部件，从而，例如涂覆玻璃表面部分地反射激光束的激光。光学元件被定位在光学发射通道和/或光学接收通道中。玻璃部件包括：玻璃板，该玻璃板的厚度小于0.3mm，该玻璃板具有两个表面，并且在两个表面中的至少一个表面上具有涂层；以及环形元件。该玻璃板黏附地连接至环形元件的端面。
在特定实施方式中，玻璃板具有外围边缘。该环形元件可以沿着玻璃板的外围边缘或邻近玻璃板的外围边缘延伸。
具体地，环形元件固有地是稳定的，这意味着部件本身已经是坚固的(robust)或坚硬抗变形的，而玻璃板本身是易碎的，但是在与环形元件接合之后变得稳定。
测距装置的优选实施方式是视距仪、经纬仪、激光扫描器、轮廓仪或激光跟踪仪。
根据本发明的环形元件可以具有圆形轮廓、卵形轮廓(oval-shaped profile)、椭圆形轮廓或多边形轮廓。
在另外的优选实施方式中，玻璃板的厚度在0.03mm至0.3mm的范围内。
可以在测距装置中使用具有中心孔或最终分散孔的玻璃板，以使光学发射通道的所发射的激光穿过该孔，并且光学接收通道的返回激光在中心孔周围的玻璃板的涂覆反射表面反射。由于围绕中心孔的玻璃板的厚度非常小，因此在围绕中心孔延伸的玻璃板处散射的激光量将被最小化。由于从光学发射通道到光学接收通道的捷径，所以将不会存在测量伪影。
代替具有中心孔的玻璃板，可以使用中心区域未被涂覆或被不同涂覆(例如，具有偏光涂层)的玻璃板。由于玻璃板的厚度非常小，因此穿过玻璃板的未涂覆中心区域的光学发射通道的激光将不会导致相关的光衍射效应。由于从光学发射通道到光学接收通道的捷径，所以将不会存在测量伪影。
在另外的优选实施方式中，至少一组激光发射通道和激光学接收通道的部分(sections)被布置在光学观察通道的轴线上。黏附地连接至环形元件的玻璃板用于将至少一个发射通道耦合至光学观察通道的轴线上，并且用于将至少一个接收通道与光学观察通道解耦合(decouple)。优选地，环形元件上的至少一个另外的玻璃板用于将至少一个接收通道与对应发射通道分离开。
在另外的优选实施方式中，在旋转测距模块中使用环形元件上的至少一个玻璃板，以将至少一个接收通道与对应发射通道分离开。
在另外的优选实施方式中，环形元件上的至少一个玻璃板与可旋转光学元件(例如，在旋转测距模块中)一起用作用于对发射通道和接收通道的激光进行反射的反射镜。这样的反射镜可以由具有平整或弯曲表面的涂覆玻璃板提供。曲面除了具有反射效果外，还具有聚焦效果。
厚度在0.03mm至0.3mm范围内的玻璃板允许具有最小重量和最小光学像差的解决方案。
针对具有圆形截面的激光束，使用具有圆形形状的外围边缘的玻璃板是有利的，其中，圆形外围边缘的直径优选在20mm至40mm的范围内。
有利的环形元件具有围绕中心圆柱轴线延伸的圆柱套的形状。沿圆柱轴线方向和垂直于闭合端面的高度分别优选在3mm至10mm的范围内，并且沿关于圆柱轴线的径向方向的厚度优选在1mm至4mm的范围内。在优选实施方式中，环形元件由玻璃制成。环形元件可以具有与薄玻璃板相同的膨胀系数。
在薄玻璃板弯曲的情况下，可以通过环和薄玻璃板的不同膨胀系数而在温度上控制弯曲的薄玻璃板的半径。
具有玻璃板的环形元件优选地被安装在测距模块中，其中，环形元件的圆柱轴线相对于发射路径或接收路径在环形元件处的截面倾斜至少20°的角度。
玻璃板优选地通过毛细粘接剂(capillary adhesive)连接至环形元件。
本发明尤其提供了以下优点：反射测量光的改善的输出耦合，而不会干扰或影响所发射的测量光(例如，无阴影)。通过在环形元件上铺设(span)薄玻璃膜或玻璃箔(例如，玻璃环)，可以提供非常好的平整度或平坦度，从而提供了可用作反射镜的玻璃平面。由此，玻璃箔在发射通道中的发散波束路径中基本上不具有光学效果，这使得在这方面可以忽略其存在。例如，在具有带孔的玻璃平面的实施方式中(因此不需要掩蔽反射镜)，即使在高波束功率的情况下也仅具有最小的散射，并且发散衍射受限的发射光束保持不受影响。此外，甚至光学图像也可以与光路解耦合。
另外，与已知解决方案相比，本发明允许测距装置(或，光学通道)具有更好的形态。本发明的玻璃部件(或，玻璃平面)几乎可以按所需的每种形式制造，例如，很容易适应承载玻璃部件的支撑件的形式(例如，凹面镜)，并且如果需要的话，则可以在需要的地方自由插入孔(例如，通过激光作用)。
与根据现有技术的光学元件(诸如，具有孔的密封层、波束整形器和黑玻璃)相比，薄且轻的解决方案需要相对较小的安装空间，并且还提供了改善的坚固性(robustness)。具体地，减轻的重量对于具有诸如激光扫描器的旋转光学元件(或，快速旋转轴线)的测量装置是有利的。
附图说明
下面基于附图中示意性例示的示例性实施方式，仅以示例性方式更详细地描述根据本发明的测距装置。在附图中，相同和相似元件由相同附图标记表示。通常，所描述的实施方式未按比例真实地例示，并且也不应解释为限制性的。
详细地：
图1示出了测距装置的示意性截面图，其中光学接收通道的一部分与光学发射通道解耦合，
图2示出了玻璃部件的立体图，该玻璃部件包括玻璃板，该玻璃板的厚度小于0.3mm，并且环形元件黏附地连接至该玻璃板，该环形元件固有地是稳定的并且沿着玻璃板的外围边缘延伸，
图3示出了观察装置的示意性截面图，该观察装置具有激光测距仪(LRF)，该激光测距仪包括两个测距模块，
图4示出了具有平玻璃板的激光扫描器的示意性截面图，以及
图5示出了具有弯曲玻璃板的激光扫描器的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了具有壳体2的测距装置1。测距模块3被布置在壳体2中，并且包括用于沿着发射路径5发射激光的光学发射器4和用于沿着接收路径7接收激光的光学接收器6。具有玻璃部件和涂覆表面的光学元件8被定位在光学发射通道5中和光学接收通道7中。
光学元件8包括玻璃板9，该玻璃板9具有两个表面9a、9b并且具有外围边缘9c。在所示实施方式中，表面9a涂覆有涂层，该涂层至少部分地反射光学接收通道7的激光，从而使接收通道7的结束部分与发射路径5的开始部分解耦合。反射可以取决于激光的波长和/或偏振。光学发射路径5的激光穿过玻璃板9中的中心孔9d。玻璃板9的厚度小于0.3mm。因此，中心孔9d的边缘非常锋利并且不会将激光以可以导致显著测量误差的量朝向光学接收器6散射。针对非常苛刻的应用，建议使用光学止挡件(optical stops)、光阑(diaphragm)等。
环形元件10沿着玻璃板9的外围边缘9c延伸。玻璃板9黏附地连接至环形元件10的闭合端面10a。环形元件10为玻璃板9提供必要的稳定性，类似于固定至滚筒圆柱主体的滚筒蒙皮(skin of a drum)的稳定性。
环形元件10的中心圆柱轴线相对于发射路径5的截面以及光学接收通道7的平行截面倾斜至少20°的角度，优选地倾斜45°的角度。因此，玻璃板9在中心孔9d周围的区域中朝向光学接收器6反射光学接收通道7的激光。环形元件10通过固定至壳体2的保持装置2a保持在倾斜位置。
光学发射通道5的激光被反射镜11反射，并且在该反射之后，激光通过开口12离开壳体2。反射镜11具有弯曲形状。被对象反射的激光返回、通过开口12进入壳体2、被反射镜11反射、被玻璃板9的涂覆表面的一部分反射并被光学接收器6接收。
图2以立体图示出了与玻璃板9一起的环形元件10。玻璃板9与环形元件10之间的黏附连接位于环形元件10的端面，其中，该端面是环形的或者闭合的。黏附连接分别沿着环形元件10的端面和沿着玻璃板9的外围边缘9c闭合。这确保了薄玻璃板9保持在给定形状，其中，该形状可以是平的或弯曲的。
图3示出了观察装置13的示意截面图，该观察装置具有激光测距仪，该激光测距仪包括两个测距模块3a和3b，其中，两个不同模块3a和3b的激光的波长是不同的。观察装置13具有观察通道，该观察通道用于沿着与激光的发射路径5和接收路径7相对应的中心观察方向引导观察光。来自观察区域的光通过主物镜14进入观察装置13。该进入光穿过两个玻璃板9、聚焦透镜15、具有十字准线的板16和目镜17，以到达观察者的眼睛。
在所示实施方式中，两个测距模块3a和3b的玻璃板9涂覆有涂层，该涂层至少部分地反射测量模块3a和3b中的一者的激光，其中，观察光穿过玻璃板9。测距模块3a和3b两者具有另外的玻璃板9，由光学发射器4发射的激光穿过该另外的玻璃板，并且发射路径5的返回激光通过该另外的玻璃板9反射到对应光学接收器6。
图4和图5示出了两个激光扫描器的示意性截面图。测距模块3包括用于沿着发射路径5发射激光的光学发射器4和用于沿着接收路径7接收激光的光学接收器6。具有涂覆玻璃板9和环形元件10的光学元件8按照使得发射的激光穿过玻璃板9并且从对象返回的激光被涂覆玻璃板9反射至光学接收器6的方式布置。
光学发射通道5的激光和光学接收通道7的激光被反射镜11反射。反射镜11绕旋转轴线A旋转，旋转轴线A定位成与从光学发射器4延伸至反射镜11的发射路径5的截面同轴。反射镜11由厚度小于0.3mm的涂覆玻璃板9形成。固有地稳定的环形元件10沿着玻璃板9的外围边缘9c延伸。玻璃板9黏附地连接至环形元件10的闭合端面10a。环形元件10为玻璃板9提供必要的稳定性。
图4的实施方式包括透镜18和平的反射镜11或更确切地说涂覆平玻璃板9。图5的实施方式具有弯曲的反射镜11或更确切地说弯曲的涂覆玻璃板9。形成玻璃板9的形状并在非常薄的玻璃板9与环形元件10的闭合端面10a之间建立黏附连接允许产生稳定且非常轻的不同形状的至少部分反射的表面。轻重量允许生产具有低惯性的光学元件。在高速应用中，当在反射镜或分束器以不同角度方向定位的测距装置中使用时，具有低惯性的光学元件是有利的。

Claims (15)

1.一种执行关于对象的距离测量的测距装置(1)，所述测距装置特别是视距仪、经纬仪、激光扫描器、轮廓仪或激光跟踪仪，所述测距装置具有：沿着发射路径(5)发射特别是激光的测量光的光学发射通道以及沿着接收路径(7)接收测量光的光学接收通道；以及至少一个光学元件(8)，所述至少一个光学元件被定位在所述光学发射通道和/或所述光学接收通道中并具有玻璃部件，
其特征在于，
所述玻璃部件(8)包括：
-玻璃板(9)，所述玻璃板具有两个表面(9a、9b)，并且在所述两个表面(9a、9b)中的至少一个表面上具有涂层，所述玻璃板(9)的厚度小于0.3mm，以及
-环形元件(10)，所述环形元件的端面(10a)黏附地连接至所述玻璃板(9)。
2.根据权利要求1所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)的最小厚度为0.03mm。
3.根据权利要求1或2所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)具有中心孔或分散孔(9d)。
4.根据权利要求1或2所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述两个表面(9a、9b)中的具有涂层的所述至少一个表面包括不具有涂层或具有不同涂层的中心区域或分散区域。
5.根据权利要求3或4所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)按照使得所述发射路径(5)穿过所述孔(9d)或所述区域的方式定位。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)具有外围边缘(9c)，所述外围边缘(9c)具有圆形形状，优选地，其中，圆形的外围边缘(9c)的直径在20mm至40mm的范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述环形元件(10)具有围绕中心圆柱轴线延伸的圆柱套的形状。
8.根据权利要求7所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述环形元件(10)沿所述圆柱轴线的方向的高度在3mm至10mm的范围内，并且沿关于所述圆柱轴线的径向的厚度优选地在1mm至4mm的范围内。
9.根据权利要求7或8所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述环形元件(10)的所述圆柱轴线相对于所述发射路径或所述接收路径(7)在所述环形元件(10)处的截面倾斜至少20°的角度，优选地倾斜45°的角度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
毛细粘接剂将所述玻璃板(9)连接至所述环形元件(10)的所述端面(10a)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)的所述两个表面是平面。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)的所述两个表面是弯曲表面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述涂层对于所述测量光是至少部分反射的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述光学发射通道和所述光学接收通道的至少部分被布置在光学观察通道的轴线上，其中，所述玻璃板(9)用于将所述发射通道耦合至所述光学观察通道的轴线上并且用于将所述接收通道与所述光学观察通道解耦合。
15.根据前述权利要求中任一项所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述玻璃板(9)用于将所述光学接收通道与所述光学发射通道分离开。
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