CN1894593A - 测量至远处和近处目标的距离的装置 - Google Patents

Abstract

在测量至远处和近处目标(8)的距离(d)时，发出由本发明装置调制的激光束(1)，该激光束(1)在该目标上被反射。该装置具有物镜(2)、用于选择光线的机构(12，36，38，39，40)和接收器(7)。通过物镜会聚光线，该光线除了在目标上反射的激光束(3)以外还包括背景光(28)。从由会聚光线构成的光束中，通过该机构(12，36，38，39，40)挑选出属于该光束的一个相关的横截面区(34，37)的光线。此时，该横截面区具有一个第一部分(5)和至少一个第二部分(6)，其中由远处目标(8)反射的激光束(3)被分配给第一部分(5)，由近处目标(8)反射的激光束(3)被分配给至少第二部分(6)。

Description

测量至远处和近处目标的距离的装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1和4的前序部分所述的、测量至远处和近处目标的距离的装置，由该装置调制并发出的激光束在该目标上被反射。

背景技术

这种以在数毫米内的精度测量至目标的距离的装置是早已公知的，而且目前被大量用于各种不同的用途，尤其是测量业和建筑业。为了测量距离，这种装置对待测目标照射一束发射光线。发射光线中的至少一部分光线被目标反射。通过该装置的光学镜组会聚光线，该光线包括目标所反射的光线和干扰背景光，并且由该装置的接收器转换为唯一一个电信号，该电信号包括可分配给各自光线的有效信号或者背景噪声。基于光线传播速度，可以通过评价该电信号来确定至目标的距离。

根据各自用途和此时所需的距离范围，对不同类型的目标进行测量。一方面，针对将发射光线不定向地漫反射回该装置的目标，可以进行从几厘米到几百米范围内的距离测量。这样的目标一般具有天然粗糙表面。此时，所述距离通过该表面的、由发射光束照射的区域来确定。因而，被照射区域的大小确定了在漫反射目标的表面上的局部测量分辨率。在有许多目标的情况下，高的局部分辨率是获得精确测量的前提条件。发射光束的发散量越小，被照射区域就越小，而且根据DE19840049A1，原则上可达到的、至漫反射目标的距离的测量精度一般就越高。

另一方面，针对将发射光线定向反射回该装置的目标，可以进行从几厘米到几千米的较大范围的距离测量。定向反射目标实际上大多呈由打磨玻璃构成的三角立方棱镜的形式。由于这样的目标的后反射率比漫反射目标的后反射率大很多个数量级，所以该装置只能有选择地测量定向反射目标。目前，很多测量仪的自动目标搜索装置也基于这种特性。发射光束的发散量越大，按照本身已知的方式，测距装置必然就越不精确地对准这样的目标。在测距装置没有精确对准的情况下，根据DE19840049A1，在测量至定向反射目标的距离时，尤其在测量近距离和中距离时，舒适性可能明显提高。

在这种装置中，已经知道了两种不同的相对接收光束布置发射光束的基本形式。在单轴的基本形式中，设置一个共用于接收光束和发射光束的物镜。目前，发射光束原则上借助一个中心反射元件设置在接收光束内。为此，中心反射元件原则上安置在共用物镜的光轴上。而在双轴的基本形式中，接收光束和发射光束相互隔开一段距离来设置。此时，分别为发射光束和接收光束设置单独的物镜。

这两种基本形式相互比较是各有利弊，根据用途有着不同的重要性。

但是，与所述基本形式无关，在这种装置中，如果不采取特殊措施，当测量近处目标时，在检测在目标上反射的发射光束时就会出现问题，这是因为，与基本形式无关，如果目标离装置越近，则从某个距离起，由接收器转换的反射的发射光束就越少。此时，如果分配给反射的发射光束的有效信号小于临界值，则测量的精度或速度降低，甚至无法进行测量。

在呈单轴形式的装置中，由于中心反射元件造成遮蔽，所以在测量近处目标时，检测会出现问题。反射元件挡住了由物镜会聚的、反射的发射光束的至少一部分光线通向接收器。待测目标离装置越近，会聚的发射光束在物镜的焦平面中就越从中心偏移向周边，而且根据接收器的结构，可能对转换为电信号是无用的。不仅在测量近的定向反射的三角立方棱镜，且发射光束中心对准棱镜角时，而且在测量近的漫反射目标时，有效信号都可能小于临界值。为了避免这样的小于临界值情况，已经知道了不同措施。

DE10128484A1公开了一种测距仪，它具有一个共用的物镜、一个呈准直激光束形式的发射光束以及一个与发射光束同轴布置的接收光束。一种用于抑制遮蔽问题的措施规定了三个并排设置的光导体，该光导体的不同大小的入射面并排布置在物镜的焦平面内。此时，远处目标的测量被分配给最大的入射面。由光导体传导的接收光束将通过会聚透镜成像于检波器上。接收光束通过这三个入射面如此伸展形成，即也能测量近距离目标和远距离目标。一种替换措施规定了唯一一个光导体，它的入射面具有一样的伸展量。由于干扰背景光的范围一般也与光导体的入射面成比例，所以为此布置一个光掩模，以便改善反射的发射光束和干扰背景光之比。该掩模具有一个中心孔和至少一个侧孔，侧孔的直径小于中心孔的直径。

DE69608066T2公开了一种测距仪，它包括一个共用的物镜、呈准直激光束形式的发射光束和与之同轴设置的接收光束。为了测量至漫反射目标的短距离，提出一种偏光装置，它将漫反射的、从物镜光轴移动的测量光又偏转向光轴。设置这种偏光装置在制造这种测距仪时产生相应的成本。

在呈双轴形式的装置中，在测量近处目标时，由于相互隔开的发射光束和接收光束的视差，所以检测出现问题。待测目标离装置越近，接收光束在焦平面内越远离隔开的发射光束的光轴移动。不仅在测量近的定向反射的三角立方棱镜、且发射光束中心对准棱镜角时，而且在测量近的漫反射目标时，有效信号都可能小于临界值。在现有技术中公开了许多种完全不同的针对这种小于临界值问题的措施。

WO03/002939A1公开了一种双轴形式的光学测距仪，它具有呈准直激光束形式的发射光束和光检波器，其光接收面呈水滴形或呈楔形伸展，从而即使在目标距离缩短时，也能满足在目标所反射的发射光束的光位移。在这里，所述面在目标距离缩短时的光位移方向上缩小。

DE4316348A1公开了一种双轴形式的测距仪，它具有可以在焦平面中移动的光导纤维，光导纤维根据离待测目标的距离跟踪该装置的接收光束。该措施一方面降低了测量速度，另一方面需要复杂的构造。

DE69225811T2公开了一种车辆用光雷达装置，其发射器也借助半导体激光二极管和多焦点光学镜组来提供非准直发射激光束，同时照亮一段车道，以便通过光学方式确定距障碍物的距离。利用这样的装置，可以精确确定达分米级的中近距离。

发明内容

本发明的任务是消除现有技术的不足，提供一种简单的测距装置，借助该测距装置，可以以舒适的方式精确测量至定向反射目标或者漫反射目标的距离，这些目标本身相对该装置由近及远地位于较大范围内。

该任务通过具有权利要求1和4的特征的装置来完成。

在测量至远处和近处目标的距离时，发出由本发明装置调制的激光束，该激光束在目标上被反射。该装置具有物镜、用于选择光线的机构和接收器。通过所述物镜会聚光线，所述光线除了在目标所反射的激光束以外还包括背景光。通过所述机构，从一束会聚光线中选择出属于该光束的相关横截面区的光线。此时，该横截面区具有一个第一部分和至少一个第二部分，其中由远处目标反射的激光束被分配给第一部分，而由近处目标反射的激光束被分配给所述至少一个第二部分，而且通过所述第二部分，只挑选出由近处目标反射的会聚激光束的一小部分。通过接收器把所选出的光线转换为唯一一个电信号，通过该电信号并借助光线传播速度可确定距离。根据本发明，所述机构这样构成，即所述至少一个第二部分具有第一部分的伸展量。这样，所选出的光线束可以在该装置的外面形成，结果，一方面，可以为了舒适测量至近处目标的距离而转换充分反射的发射光束，另一方面，尤其在测量远处目标时，减小了背景噪声，由此一来，可以扩展该装置的测量范围。

本发明的另一个任务是提供一种上述装置，它在测距区范围内具有稳定的有效信号曲线，而且有效信号强度差异很小。该任务可以如此完成，即在从第二部分到第一部分形成缩小时，考虑在变得越来越近的目标反射的、会聚激光束的增大强度。

另外，应该如此改进测距装置，即该装置可以被整合到经纬仪的望远镜中。

在从属权利要求的特征中，描述了本发明的其它替换的或有利的实施方案或改进方案。

附图说明

以下，仅结合附图来举例详细描述本发明。以下，在不同的实施例中发挥相同功能的相同部件具有相同的名称和附图标记，其中：

图1以示意侧视图表示一种测量布局，它包括定向反射目标和按照本发明的单轴式装置，该装置被同轴整合到望远镜中；

图2以局部侧视放大图表示图1所示装置的用于选择光线的第一机构和照射光束；

图3以局部放大俯视图表示图2所示的第一机构；

图4表示照射光束的横截面；

图5是对应于图3的四幅俯视图的对照图，它们基于至定向反射目标的不同距离；

图6依据距离以曲线对照图表示三个不同装置的电信号的有效信号—背景噪声比；

图7是对应于图3的四幅俯视图的对照图，其中至漫反射目标的距离各自不同；

图8表示用于选择光线的第二机构，它在光导纤维的入射面之前设有圆柱形透镜；

图9表示用于选择光线的第三机构，它在光导纤维的入射面之前设有捕光漏斗；

图10表示用于选择光线的第四机构，它具有光导纤维的压缩端头；

图11以示意侧视图表示一种测量布局，它包括定向反射目标和按照本发明的双轴式装置；

图12以局部放大俯视图表示图11所示装置的用于选择光线的第五机构；

图13是在图11所示装置的接收物镜的焦平面中的检波器的四幅俯视图的对照图，其中至定向反射目标的距离各自不同；以及

图14是在图11所示装置的接收物镜的焦平面中的检波器的四幅俯视图的对照图，其中至漫反射目标的距离各自不同。

具体实施方式

图1表示一种测量布局，它包括定向反射目标和按照本发明的单轴式测距装置，该测距装置被同轴整合到例如经纬仪的示意示出的望远镜中。

在这里，定向反射目标呈三角立方棱镜8的形式，并且离装置的距离d是可变的。该目标至该装置的距离可以在从近到如1米到远到如1千米的距离范围内。在图1、图2和图3中仅举例示出的光线基于约1米的近距离d。该测距装置在这里被如此整合到望远镜中，即由该装置调制并向三角立方棱镜8发射出的激光束1与该装置的瞄准线是同轴线的。

在所述测量布局中，三角立方棱镜8是重合测量的。此时，该装置的瞄准线对准三角立方棱镜8的由角构成的反射中心。在这里，发射出的激光束1按照本身已知的方式以相对光束轴线呈点对称的形式在三角立方棱镜8上被反射。此时，反射激光束3的光束的发散量对应于发出的激光束1的光束的发散量。

在这里，整合有所述测距装置的望远镜具有激光二极管25、有矩形横截面的中心反射元件21、物镜2、波长选择镜24、光阑12、定心座26、圆柱形多模光导纤维10、接收器7和目镜23。

用于产生调制激光束的激光二极管25的发射面在这里显然安置在物镜2的发射侧焦平面之前，这样一来，发出的激光束1以具有高发散量的非准直光束的形式射到三角立方棱镜8上。非准直光束的各个分光束此时具有不同的发散角，所述发散角基本上与各分光束的传播方向相对非准直光束的轴线的相对角度成比例。在这里，分光束的发散率从非准直光束的轴线起在该轴线的横向上逐渐增大，在所述轴线上，光传播路线基本平行于该轴线。在这里，分光束在发出的激光束1的光束边缘具有约为5毫弧的发散率。发出的激光束1的至少一部分在三角立方棱镜8上被反射。

由物镜2会聚光线，该光线包括由三角立方棱镜8反射的激光束3的至少一部分和背景光28。在图1、图2和图3所规定的1米距离d的情况下，由发出的激光束1构成的整个非准直光束在三角立方棱镜8上被反射回来，由反射激光束3构成的整个非准直光束被会聚。在这里，由于布置形式的关系，不是所有会聚光线都能经过中心反射元件21。

由目标反射的发射光束中的、会经过一个中心反射元件的光线量主要由目标反射的类型和方式、发出光束的发散量，尤其是由目标至该装置的距离来决定。

已经经过反射元件21的反射激光束3被波长选择镜24反射回去，从中心反射元件21的背面偏转并被投射向光阑12。投射光线的至少一部分通过光导纤维10被传导给接收器7，在那里被转换成电信号，随后基于所述电信号，按照本身已知的方式来确定想要知道的距离。在对应于图1的利用由发出的激光束1构成的非准直光束的装置中，如果反射激光束3无法以足以允许进行快速可靠测量的光量到达接收器7，也可能在测量距离d很近的目标时出现问题。

图2以局部放大侧视图示出了图1所示装置的用于选择光线的第一机构和示意表示的照射于其上的光线束。在这里，用于选择光线的第一机构包括光导纤维10的端头和光阑12。光阑12通过定心座26就在光导纤维10的入射面之上被保持在接收侧的焦平面20中。射到光阑12上的光束包括在图1所示的三角立方棱镜8上反射的激光束3和背景光28，它们将被会聚、反射和偏转。此时，反射激光束3以非准直光束形式存在，其共同的会聚点位于接收侧的焦平面20之后，在这里是光导纤维的端头中。光阑12具有狭长的光阑孔13，可以在图3中看到孔的横截面。

图3示出了图2所示第一机构的局部放大俯视图，它包括光阑12、光导纤维10和定心座26，同时示出了照射光束的图像。图2所示的照射光束包括反射光束3和背景光28，如图1所示，它们由物镜2会聚并从中心反射元件21的背面偏转。光阑12的光阑孔13在这里与光导纤维10的入射面同心配置并且具有一个相关的细长横截面，其两个端部分别在两侧扩宽。在这里，可以透过光阑孔13看到定心座26的一部分和圆柱形的光导纤维10的入射面的一部分。在此看不到的入射面的边缘由点划虚线表示。

照射光束的一部分在光阑12处被遮挡住。光束的另一部分可以透过光阑12的有关的细长的光阑孔13。其中的大部分光线射到光导纤维10的入射面上。通过这种方式，从照射光束中挑选出来自光束的某个横截面区的光线。

如图1所示，由于会聚的、在近的三角立方棱镜8上反射的激光束3的绝大部分无法经过在这个实施例中呈矩形的中心反射元件21，所以经过的反射激光束3形成一个狭窄的矩形框30，该框在这里用许多点示意表示。框30的形状在这里尤其是由中心反射元件21的形状、至三角立方棱镜8的距离以及光束的非准直程度来确定。由于发出的激光束1通过三角立方棱镜8被定向反射回来，所以框30的边界比较清晰。

如图1、2所示的会聚的背景光28位于一个区域内，该区域的边界在图3中用圆形虚线31表示。在这里，该区域的形状和伸展量还由物镜2来决定。如图2所示，通过光阑12和光导纤维10的入射面，可以除了在三角立方棱镜8上反射的激光束3外，还挑选出背景光28并然后传导。

图4示出了射到光阑12上的光线束的、位于图2所示焦平面20中的横截面。圆形虚线31限定光束横截面的边界。如图3所示，光阑12和光导纤维10通过光阑孔13或者入射面从照射光束中挑选出相关的第一横截面区34的光线。此时，包含所选出的光线的第一横截面区34在这里对应于光阑孔13的横截面和光导纤维10的入射面的共同截面。

在这里，所述相关的第一横截面区34在中心具有第一部分5并在两端各有一个第二部分6。这两个第二部分6对应于图3所示光阑孔13的扩宽程度，具有大于第一部分5的伸展量。因此，通过所述第二部分，只挑选出会聚的、由近处目标反射的激光束的一小部分。

如图1和图3所示，所选出的、由近的三角立方棱镜8反射的光束3位于这两个第二部分6的各自一个中。所选出的光线除了反射激光束3外还包括背景光28，并且所选出的光线通过光导纤维10被传导至接收器7。所选出的光线在这里被接收器7转换为电信号，该电信号除了包括真正需要的、可分配给在三角立方棱镜8上反射的光束3的有效信号外，还包括可分配给背景光28的干扰背景噪声。有效信号与背景噪声之比即所谓的信噪比SNR越小，可由该装置测量的最大距离d通常就越小。

图5是对应于图3的四幅不同俯视图的对照图，在这里，根据俯视图，如图1所示的三角立方棱镜8的距离d具有大约1米、5米、20米或者更大的100米的值。

所有四幅俯视图示出了只能看到一部分的光导纤维10的入射面以及位于图2所示的接收侧焦平面20中的光阑孔13。每一俯视图示出了射到图3所示光阑12上的会聚光线，所述光线包含呈非准直光束形式的反射激光束3。由于在图1中的发出的激光束1在三角立方棱镜8上被定向反射，所以在这里，反射激光束3的照射图像的边界比较清晰。

与在图3中一样，第一俯视图基于图1所示的约1米的近距离d。反射激光束3此时形成图3所示的狭窄的矩形框30。在此，两个垂直框部和两个水平框部只有数百分之几毫米范围内的宽度。在这里，直径通常从四分之一毫米到1毫米整的圆柱形光导纤维10的入射面的较大延伸尺寸能够和光阑孔13的细长延伸尺寸一起允许本身远离中心的反射激光束3，对于测量近的三角立方棱镜来说，可到达接收器。此外，由于反射激光束3的两个水平框部在这里位于光阑孔13的扩宽区内，所以能够经过中心反射元件的反射激光束3还射入该入射面并由此被选出来。这样，也可以快速可靠地测量近距离d。

第二俯视图基于约5米的中距离d。反射激光束3形成半圆形框32，其框部宽了许多，这是因为在中心的矩形伸展区只占框面积的一小部分。垂直框部在其外侧面上具有倒圆部，因为由发出的激光束构成的整个非准直光束不再被三角立方棱镜从大约5米的距离d定向反射回来。虽然宽的水平框部在这里位于一个没有扩宽区的部分内，但所述水平框部包含足够多的反射激光束3，足以进行快速可靠的测量。

至图1所示三角立方棱镜8的距离d选得越大，带有由反射激光束3构成的非准直光束3的矩形空白区的照射图像就越小。

第四俯视图基于更大的100米的远距离d。由会聚反射激光束3构成的非准直光束的横截面在这里在图1所示的接收侧焦平面20中形成圆形面33，该圆形面和以前一样在中心具有一个矩形的、在图5中看不到的空白区。包含由远的三角立方棱镜8反射的激光束3的圆形面33完全位于图4所示横截面区34的第一部分5内。圆形面33的直径大约为二十分之一毫米。为此，反射激光束3的整个非准直光束可以穿过光阑孔13的中心部，在这里该中心部对应于图4所示的第一部分5。中心部的伸展量应该至少包括圆形面33的伸展量。

实际上，光阑孔13的中心部的伸展量有利地选择为由远的三角立方棱镜8反射的激光束3构成的非准直光束的有关横截面的伸展量的约2倍。

同时，图2所示的、射向入射面方向的背景光28的大部分被光阑12遮挡住并且无法再经过光阑孔13射入光导纤维10的入射面中。这样一来，背景光28与在三角立方棱镜8上反射的激光束3之比可得到改善，这是因为与背景光28相反，反射激光束3能完全射入入射面。这尤其对测量远处目标是有利的。

图6是三条曲线SNR-1、SNR-2和SNR-3的仅示意表示的对照图，这些曲线各自依照距离d来表示三个电信号的有效信号—背景噪声比SNR的变化过程，这三个电信号可分配给三个不同的装置。各有效信号—背景噪声比SNR的计算确定是以图1的测量布局为基础。在曲线对照图的横坐标上，以对数方式标出了三角立方棱镜8至该装置的以米为单位的距离d。在纵坐标上，标出了有效信号—背景噪声比SNR的分配值。

由图1所示接收器7产生的电信号的有效信号—背景噪声比SNR的曲线在很大程度上取决于测距装置的各部件的各自结构和尺寸。此时，尤其是接收器的结构以及所述选择机构的设置可以明显影响曲线。

以连续线形式表示的第一曲线SNR-1被分配给图1至图5所示的本发明测距装置，在该测距装置中，设有用于选择光线的第一机构，即光阑12与大面积的粗光导纤维10的组合。由于狭长的光阑孔13横向延伸于粗光导纤维10的入射面上，所以在近的三角立方棱镜8上反射的激光束3也可以充分地射入光导纤维中。由于在光阑孔13的端部上有扩宽区，所以充分反射的激光束3可以射入光导纤维10中。一个高于100的足够高的有效信号—背景噪声比SNR允许对处于明显不足1米的距离d的目标进行可靠测量。此外，因为图4所示的第一横截面区34小于光导纤维10的入射面，所以大部分背景光28被遮挡住。尤其在测量远处目标时，大部分的背景光28被光阑12挡住，结果，有效信号—背景噪声比SNR在测量从某个距离起的目标时，与没有用于选择光线的机构的测距装置相比明显增大。由于设有该机构，所以在这里，不仅可以快速可靠地测量近处目标，而且还能扩大远处目标的测距范围。

以点划虚线形式示出的第二曲线SNR-2被分配给一个本身已知的改进型装置。在该装置中，与如图1至图5所示的本发明装置不同，没有设置位于入射面之前的光阑12，而是只有一根与图1所示的粗光导纤维10相似的光导纤维。利用该改进型装置，也能以相似的有效信号—背景噪声比SNR来可靠舒适地测量至定向反射目标的显然不足1米的距离。可是，当测量大于某个距离d的目标时，由于没有光阑12，有效信号—背景噪声比SNR明显降低，结果，最大可测的至目标的距离d明显缩短。

虚线所示的第三曲线SNR-3被分配给另一个改进型测距装置，该改进型装置与上述改进型装置不同，具有较细的圆柱形光导纤维。在这里，细光导纤维的直径针对图6的对比图如下选择，即细光导纤维的入射面大致对应于图3所示的粗光导纤维的入射面的、未被光阑12遮住的部分的面。

由于与以上两个实施例相比缩小的直径，可使由近处目标反射的光线更少地射入细光导纤维中。在这里，第三曲线SNR-3的在近距离d的方向上陡下降的走势甚至使得对明显不到1米距离的目标无法进行可靠测量。由于由中心反射元件挡住的在近处目标上反射的光，使得延伸长度短的较细的光导纤维在测量近处目标时具有明显的缺点。相反，在测量远处目标时，从某个距离开始，第三曲线SNR-3对应于本发明装置的第一曲线SNR-1。因此，至少能够可靠测量远一些的目标。

例如包括光阑12和粗光导纤维10的本发明装置的另一个优点是，与上述两个改进装置相比，在测量处于由近到远的不同距离的目标时，信号变化比较小。这尤其适用于远处目标和近处目标之间的过渡区。这种较小的差异允许采用比较简单的光电装置用来将所选择的光线转换为电信号。

图7示出对应于图5的四个不同俯视图的对照图，在这里，与图5不同，利用本发明装置不是测量图1所示的三角立方棱镜8，而是测量具有自然粗糙表面的漫反射目标，该目标总是对应于图5与装置隔开。

在各俯视图中，会聚的、在粗糙表面上漫反射的激光束聚焦到图3所示焦平面20内的光阑12上。由于以非准直光束形式发出的如图1所示的激光束1被粗糙表面漫反射，所以会聚的漫反射激光束的照射图像在外边界和内边界处界定得杂乱不清。

对应于图5，第一俯视图基于图1所示的大约1米的近距离d。漫反射的激光束充满由图3、4所示的圆形虚线31限定的、用于会聚光线的区域，但不包括中心的矩形空白区。在粗糙表面上反射的、能经过中心反射元件的激光束中的许多光线射入入射面并且被选出来，从而也能可靠快速地测量近距离。

至具有天然粗糙表面的目标的距离选得越大，具有与图5相比也缩小的矩形空白区的反射激光束的图像就越小。

第四俯视图基于更大的100米的远距离d。在这里，会聚的反射激光束的横截面在接收侧焦平面中只构成一个点状面35，它的直径在几微米范围内并且它的中心实际上不再有空白区。

即使在测量漫反射目标时，在这里对测量定向反射目标来说是最佳的光阑孔13的形状也能使得一方面缩小在远处、近处目标之间的电信号变化，另一方面快速可靠地测量近处目标。如图7的第一俯视图所示，通过光阑孔13的两个扩宽区，可以部分抵消随着距离缩小而增大的遮蔽效果。

在这里，会聚的、射向入射面方向的背景光28将被环绕光阑孔13的如图3所示的光阑12遮挡住大部分，并且可能无法再射入光导纤维10的入射面。为此，即使在测量漫反射目标时，漫反射激光束和背景光之比也能通过光阑12被提高。这尤其对测量远处目标有利。

图8以示意图表示图2所示照射光束的一部分以及以斜视图示出了本发明装置的用于选择光线的第二机构。图2所示的粗光导纤维10和代替图2所示光阑12布置在入射面上方的圆柱形透镜36在这里构成用于选择照射光束的横截面的一个相关的第二横截面区37的光线的第二机构。第二横截面区37包括图1所示的由装置发出的、在目标上反射的激光束3和背景光28，所述光线将由物镜2会聚。光导纤维10的入射面有利地安置在圆柱形透镜36及其焦点之间。

在此未示出的照射光束的一部分或是绕过圆柱形透镜36，或是射到圆柱形透镜36上，但未射入光导纤维10的入射面。在此示意表示的照射光束的另一部分射中圆柱形透镜36，在朝向入射面方向上被圆柱形透镜36折射，可以射入光导纤维10并传导至接收器。通过这样的圆柱形透镜36和光导纤维10的组合形式，可以从会聚的照射光束中选择出来自光束的某个横截面区的光线。

由第二机构选出的有关的第二横截面区37具有细长形状，在其纵向延伸范围内的唯一伸展量基本保持不变。两端由圆柱形光导纤维10决定，各自设有倒圆部。除了照射光线的入射角外，长度和在横截面区37的宽度上的伸展量基本上由圆柱形透镜36的折射力或者光导纤维10的直径来决定。

在这里，第二横截面区37与图4所示的第一横截面区34相似，在中心具有一个第一部分5并在两端各有一个第二部分6。与图4不同，这两个第二部分6在这里具有与第一部分5一样的伸展量。

根据本发明装置的设计结构的不同，所选出的横截面区也可以有利地具有多于两个的第二部分。所述第二部分可例如围绕第一部分呈星形布置，或者呈四叶草形式布置。

图9以斜视图示出了本发明测距装置的用于选择光线的第三机构。

在这里，光导纤维10和一个起到捕光作用的漏斗形构件38构成用于选择由会聚光线构成的光束的一个相关的横截面区的光线的第三机构，该构件38由玻璃或透光塑料构成并且代替圆柱形透镜36布置在入口面上方。漏斗形构件38的入口侧在本发明装置中对应于图2的光阑12而布置在接收侧的焦平面20中。漏斗形构件38或许还可以是至少局部反光的。由于由漏斗形构件38选出的横截面区基本上对应于图4所示的第一横截面区，所以它具有与图3所示光阑12相似的作用。

图10以斜视图表示本发明装置的用于选择光线的第四机构，该机构由一个光导纤维的、压缩成漏斗形的端头39构成。这种压缩的端头39的变形的入射面在本发明装置中对应于图2所示光阑12而安置在接收侧的焦平面20中。变形的入射面的形状和光阑孔13的形状或者图9所示漏斗形构件38的入口侧的形状具有相似的作用。

图11表示对应于图1的测量布局，它包括定向反射目标和按照本发明的双轴式测距装置。

如图1所示，在这里，测量一个呈三角立方棱镜8形式的定向反射目标，它至该装置的距离d是可变的。在这里，该目标如图1所示是重合测量的。此时，该装置如此对准三角立方棱镜8，即三角立方棱镜8的反射中心位于由该装置调制并发出的激光束1的光轴上。

在这里，该双轴式装置具有一个用于会聚光线的物镜2、一个被设计成用于选择光线的第五机构形式的接收器7、带有矩形孔的另一个物镜41以及一个激光二极管25。

在这里，用于产生调制激光束的激光二极管25的发射面也明显安置在物镜41的焦平面之前，由此一来，发出的激光束1以非准直的明显发散的光束的形式射到三角立方棱镜8上，该发散光束对应于图1的非准直光束。

由物镜2会聚光线，该光线包括在三角立方棱镜8上反射的激光束3的至少一部分和背景光28。在三角立方棱镜8上反射的激光束3此时呈非准直光束的形式存在。会聚光线被投射向接收器7的方向，该接收器7在这里布置在物镜2的焦平面20的附近。

如在图1所示装置中那样，在测量距离d很近的目标时，在这里却由于双轴式装置的视差原因而出现问题。

图12以局部放大俯视图示意表示图11所示的、用于选择光线的第五机构以及由近处目标定向反射的会聚光线的图像。接收器7具有包括有效检波面42的检波器40。相关的检波面42在这里具有在纵向上逐渐发散开的喇叭形形状。

由于在近的三角立方棱镜8上反射的激光束3的大部分如图11所示无法被物镜2会聚，所以在这里，反射激光束3形成一个狭窄的、边界清晰的弓形部分43，它也是由多个点来示意表示。由于另一物镜41具有矩形孔，所以发出的激光束1的光束具有矩形横截面，该横截面造成弓形部分43的笔直边界线。圆形的边界线源出于物镜2的圆形孔。

不过，根据图11，背景光28也通过物镜2也被会聚并且被投射向接收器7的方向。该背景光28射中接收器7的在这里示出的整个部分。因此，除了在三角立方棱镜8上反射的激光束外，也探测聚焦于有效检波面42上的背景光28。

通过检波面42，图11所示的本发明装置从会聚光线束中有针对性地挑选出来自光束的一个横截面区的光线，该横截面区与有效检波面42重合。只有会聚光束的这个部分被接收器7转换为电信号。在这个实施例中，包含选出的光线的横截面区对应于检波面42。

在这里，该横截面区在一端具有一个第一部分5并在另一端具有一个第二部分6。所选出的、由远的三角立方棱镜8反射的激光束3位于第一部分5中，而所选出的、由近的三角立方棱镜8反射的激光束3位于第二部分6中。第二部分6在这里具有大于第一部分5的伸展量，结果，或多或少可以探测到如图11所示的、在很近的三角立方棱镜8上会聚的反射激光束3。

图13、14分别表示对照图，它们各自对应于图5或图7的对照图。代替如图1所示的单轴式装置的用于选择光线的机构的俯视图，图13和图14示出了如图11所示的双轴式装置的用于选择光线的机构的俯视图。

图13的俯视图示出了在图11所示三角立方棱镜8上定向反射的激光束3的边界清晰的图像。相反，图14的俯视图示出了在天然粗糙表面上漫反射的激光束3的漫射图像。

图13的第一俯视图示出一个矩形框44，它对应于图11所示的由发射激光束1构成的非准直光束的矩形横截面。由于在接收侧和发射侧的物镜2或者物镜41之间有距离，所以会聚的定向反射激光束3由圆形物镜2的边缘来界定，结果，在距离近时，只有弓形部分43被投射到图12的接收器7上。

在第一俯视图所基于的距离d约为1米的情况下，弓形部分43在这里很窄。不过，由于根据本发明检波面42在该区域中伸展很大，所以探测到在三角立方棱镜8上反射的激光束3，这足以能实现可靠快速的测量。

在第二俯视图所基于的距离d约为5米的情况下，弓形部分43明显比较宽并且偏移向图11所示的发射激光束1的光轴方向。由此增加的会聚反射激光束3的量可以部分通过检波面42的在同一方向上减少的伸展量来抵消掉。

在第三俯视图所基于的距离d约为20米的情况下，反射激光束3的图像已经形成整个圆形面。

在第四俯视图所基于的距离d约为100米的情况下，反射激光束3的图像的位置即使在距离d进一步增大时也不再移动。现在，所有的会聚反射激光束3射到检波面42的具有最小伸展量的那部分上。在距离仍然增大的情况下，所转换的电信号随着距离增大而以二次幂方式减小。

Claims (15)

1、一种测量至远处和近处目标(8)的距离(d)的装置，由该装置调制并发出的激光束(1)在该目标上被反射，该装置具有：

—一个共用的物镜(2)，用于发射该激光束(1)并会聚光线，所述光线包括在该目标上反射的激光束(3)和背景光(28)；

—用于选择由会聚光线构成的光束的一个相关的横截面区(34、37)的光线的机构(12，36，38，39，40)，所述横截面区具有一个第一部分(5)和至少一个第二部分(6)，其中由一个远处目标反射的激光束(3)被分配给所述第一部分(5)，而由一个近处目标反射的激光束(3)被分配给所述至少一个第二部分(6)，并且通过所述第二部分(6)只挑选出由该近处目标反射的会聚激光束(1)的一小部分；以及

—接收器(7)，用于将所挑选出的光线转换成唯一一个电信号，通过所述电信号并借助光线的传播速度可确定所述距离(d)；

其特征在于，所述机构(12，36，38，39，40)这样构成，即所述至少一个第二部分(6)至少具有所述第一部分(5)的伸展量。

2、根据权利要求1所述的装置，用于测量至一个定向反射目标(8)的距离(d)，其特征在于，发出的激光束(1)呈非准直光束的形式。

3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述机构(12，36，38，39，40)这样构成，即所选择的横截面区(34)具有至少两个第二部分(6)，在所述至少两个第二部分之间设置有唯一一个第一部分(5)，并且或许所选择的横截面区(34)是对称构成的。

4、一种测量至远处和近处定向反射目标(8)的距离(d)的装置，由该装置调制并发出的激光束(1)在该目标上被反射，所述激光束呈非准直光束的形式，该装置具有：

—一个物镜(2)，用于会聚光线，所述光线包括在该目标上反射的激光束(3)和背景光(28)；

—另一个物镜(41)，用于发出所述激光束(1)；

—用于选择由会聚光线构成的光束的一个相关的横截面区的光线的机构(40)，所述横截面区具有一个第一部分(5)和一个第二部分(6)，其中由一个远处目标反射的激光束(3)被分配给所述第一部分(5)，而由一个近处目标反射的激光束(3)被分配给所述第二部分(6)，并且通过所述至少一个第二部分(6)只挑选出由该近处目标反射的会聚激光束(1)的一小部分；

—接收器(7)，用于将所挑选出的光线转换成唯一一个电信号，通过所述电信号并借助光线的传播速度可确定所述距离(d)；

其特征在于，所述机构(40)这样构成，即所述第二部分(6)至少具有所述第一部分(5)的伸展量。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述机构(12，38，39，40)这样构成，即所述第二部分(6)的伸展量大于所述第一部分(5)。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述机构(12，38，39，40)这样构成，即所选择的横截面区(34)从所述第二部分(6)起一直缩小到所述第一部分(5)，从而当测量由近及远地处于不同距离(d)的定向反射目标(8)时，所选光线的强度之间的各自差异被减小。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的装置，用于测量定向反射目标(8)和漫反射目标，其特征在于，为了测量漫反射目标，发出的激光束呈准直光束的形式。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述机构(12，36，38，39，40)这样构成，即所选择的横截面区(34)从所述第二部分(6)起一直缩小到所述第一部分(5)，从而当测量由近及远地处于不同距离(d)的定向反射目标(8)和漫反射目标时，所选光线的强度之间的各自差异被减小。

9、根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，设有至少一根多模光导纤维(10)，用于传导所选光线。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，用于选择的所述机构(39)呈多模光导纤维(10)的纵向压缩端头的形式。

11、根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，用于选择的所述机构(12)呈光阑，例如狭缝光阑或十字缝光阑的形状，该光阑或许与多模光导纤维(10)的入射面相结合。

12、根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，用于选择的所述机构呈反射光学元件、折射光学元件或衍射光学元件的形式，例如是圆柱形透镜(36)，自由形状透镜，或者或许是反光的捕光漏斗，它或许安置在多模光导纤维(10)的入射面之前。

13、根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，用于选择的所述机构呈检波器(40)的形式，它具有细长的有效检波面(42)。

14、根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，用于选择的所述机构(12，36，38，39，40)设置在用于会聚光线的所述物镜(2)的焦平面(20)附近。

15、根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，设有一个目镜(23)，该目镜(23)和该物镜(41)构成一个瞄准目标(8)的望远镜。

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