DE102015223024A1 - Laser distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Laserentfernungsmessgerät (10, 10‘, 10‘‘), insbesondere ein handgehaltenes Laserentfernungsmessgerät (10‘, 10‘‘), vorgeschlagen, das von einer Vorrichtung zur Laserentfernungsmessung mit zumindest einer Sendevorrichtung (28) zum Aussenden von Laserstrahlung (30), einer Empfangsoptik (56) zum Empfangen von von einem entfernten Objekt (34) rücklaufender Laserstrahlung (30‘) sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung (22) zum Detektieren von empfangener Laserstrahlung (30‘) ausgeht, wobei die Laserstrahlung (30) mittels einer Projektionsvorrichtung (20) der Sendevorrichtung (28) einen Winkelbereich α (46) periodisch überstreichend ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie (52) auf dem entfernten Objekt (34) darstellbar ist. Erfindungsgemäß weist die Empfangsoptik (56) des Laserentfernungsmessgeräts (10, 10‘, 10‘‘) eine Laserstrahlung (30‘) aus einem Winkelbereich γ (60) zur Detektion auf die Detektorvorrichtung (22) projizierende Facettenoptik (62) auf. Ferner wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Distanz auf einer Oberfläche eines entfernten Objekts (34) mittels des Laserentfernungsmessgeräts (10, 10‘, 10‘‘) vorgeschlagen.The invention relates to a laser range finding device (10, 10 ', 10 "), in particular a hand-held laser range finder (10', 10"), which is provided by a device for measuring laser distance with at least one transmitting device (28) for emitting laser radiation (30). a receiving optical system (56) for receiving laser radiation (30 ') returning from a remote object (34) and at least one detector device (22) for detecting received laser radiation (30'), the laser radiation (30) being generated by means of a projection device (20) the transmitting device (28) an angle range α (46) is transmitted periodically sweeping, so that a projected laser line (52) on the remote object (34) can be displayed. According to the invention, the receiving optics (56) of the laser distance measuring device (10, 10 ', 10' ') comprise laser radiation (30') from an angular range γ (60) for detecting facet optics (62) projecting onto the detector device (22). Further, a method for determining a distance on a surface of a remote object (34) by means of the laser range finder (10, 10 ', 10 ") is proposed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserentfernungsmessgerät, insbesondere ein handgehaltenes Laserentfernungsmessgerät, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The present invention relates to a laser rangefinder, in particular a hand-held laser rangefinder, according to the preamble of
Es sind bereits gattungsgemäße Laserentfernungsmessgeräte vorgeschlagen worden, bei denen Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung einer Sendevorrichtung einen Winkelbereich periodisch überstreichend ausgesendet wird. Derartige Laserentfernungsmessgeräte sind beispielsweise in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das vorgeschlagene Laserentfernungsmessgerät, insbesondere ein handgehaltenes Laserentfernungsmessgerät, geht aus von einem Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden von Laserstrahlung, einer Empfangsoptik zum Empfangen von von einem entfernten Objekt rücklaufender Laserstrahlung sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung zum Detektieren von empfangener Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen Winkelbereich α periodisch überstreichend ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist. Erfindungsgemäß weist die Empfangsoptik eine Laserstrahlung aus einem Winkelbereich γ zur Detektion auf die Detektorvorrichtung projizierende Facettenoptik auf.The proposed laser range finder, in particular a handheld laser range finder, is based on a laser rangefinder with at least one transmitting device for emitting laser radiation, receiving optics for receiving from a remote object returning laser radiation and at least one detector device for detecting received laser radiation, wherein the laser radiation by means of a Projection device of the transmitting device is an angle range α periodically scanned out, so that a projected laser line on the remote object can be displayed. According to the invention, the receiving optics has a laser radiation from an angular range γ for detecting facet optics projecting onto the detector device.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Laserentfernungsmessgerät ein handgehaltenes Messgerät, das ohne Zuhilfenahme einer Transportvorrichtung und/oder einer Haltevorrichtung lediglich mit den Händen, bevorzugt mit einer Hand, geführt werden kann. Insbesondere ist das handgehaltene Laserentfernungsmessgerät dazu vorgesehen, bei einem Messvorgang von einem Bediener mit der Hand zumindest geführt, vorzugsweise getragen, besonders bevorzugt gehalten zu werden. Dazu beträgt die Gesamtmasse des Laserentfernungsmessgeräts insbesondere weniger als 2 kg, bevorzugt weniger als 1 kg, besonders bevorzugt weniger als 500 g. Ferner sind in einer bevorzugten Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts alle Komponenten des Messgeräts in einem die Komponenten im Wesentlichen umschließenden Gehäuse untergebracht. Insbesondere beträgt die Länge der längsten Seite dieses Gehäuses weniger als 30 cm, vorteilhaft weniger als 20 cm, besonders vorteilhaft weniger als 15 cm. In einem Anwendungsbeispiel kann das handgehaltene Laserentfernungsmessgerät beispielsweise zur Vermessung von Gegenständen oder Innenräumen bei handwerklichen Tätigkeiten verwendet werden.In one exemplary embodiment, the laser rangefinder is a hand-held measuring device that can be guided only with the hands, preferably with one hand, without the aid of a transport device and / or a holding device. In particular, the hand-held laser rangefinder is provided to be at least guided by a user by hand in a measuring operation, preferably carried, particularly preferably held. For this purpose, the total mass of the laser rangefinder is in particular less than 2 kg, preferably less than 1 kg, more preferably less than 500 g. Furthermore, in a preferred embodiment of the laser rangefinder, all the components of the measuring device are accommodated in a housing substantially enclosing the components. In particular, the length of the longest side of this housing is less than 30 cm, advantageously less than 20 cm, particularly advantageously less than 15 cm. For example, in one example of an application, the hand-held laser range finder can be used to measure objects or interiors in crafting activities.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Laserentfernungsmessgerät auch als stationäre Vorrichtung realisiert sein und/oder als stationäre Vorrichtung verwendet werden. In an alternative or additional embodiment, the laser range finding device according to the invention can also be realized as a stationary device and / or used as a stationary device.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts wird das erfindungsgemäße Laserentfernungsmessgerät in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendet. In einer derart gestalteten Ausführungsform kann das integrierte Laserentfernungsmessgerät vorzugsweise zur Vermessung von Abständen während einer Navigation des Fahrzeugs und/oder im Zusammenhang mit einer Sicherheitseinrichtung des Fahrzeugs, insbesondere im Zusammenhang mit einer Bremsvorrichtung, verwendet werden.In one embodiment of the laser range finding device, the laser range finding device according to the invention is used in a vehicle, in particular in a motor vehicle. In such a designed embodiment, the integrated laser rangefinder can be used preferably for measuring distances during navigation of the vehicle and / or in connection with a safety device of the vehicle, in particular in connection with a brake device.
Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell „programmiert“, „ausgelegt“ und/oder „ausgestattet“ verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion „vorgesehen“ ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt oder dazu ausgelegt ist, die Funktion zu erfüllen.The term "intended" should be understood to mean in particular "programmed", "designed" and / or "equipped". By "providing" an object for a particular function, it should be understood, in particular, that the object fulfills and / or executes this particular function in at least one application and / or operating state or is designed to perform the function.
Die Sendevorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts zum Aussenden von Laserstrahlung weist zumindest eine Lichtquelle auf, vorzugsweise in Form eines Lasers, eines Halbleiterlasers oder einer Laserdiode, die insbesondere zeitlich moduliertes Licht, bevorzugt Laserstrahlung, in Richtung eines entfernten Objekts – im Folgenden auch synonym dazu: in Richtung eines Zielobjekts – aussendet. Eine zeitliche Modulation kann hierbei kontinuierlich und/oder periodisch, beispielsweise sinusartig, erfolgen. Ebenfalls können Lichtpulse in Richtung auf ein Zielobjekt ausgesendet werden. Ferner können auch Pulszüge, beispielsweise nicht periodisch wie z.B. in Form von sogenannten Pseudo-Noise-Pulsabfolgen, ausgesendet werden. Insbesondere kann die Sendevorrichtung auch eine Mehrzahl an Strahlung aussendenden Vorrichtungen einheitlicher oder uneinheitlicher Art, insbesondere eine Mehrzahl an Laserlichtquellen, umfassen. The transmitting device of the laser distance measuring device for emitting laser radiation has at least one light source, preferably in the form of a laser, a semiconductor laser or a laser diode, in particular temporally modulated light, preferably laser radiation, in the direction of a distant object - synonymous hereinafter: in the direction of a Target object - sends out. A temporal modulation can take place here continuously and / or periodically, for example sinusoidally. Likewise, light pulses can be emitted in the direction of a target object. Furthermore, pulse trains, such as non-periodic such as e.g. in the form of so-called pseudo-noise pulse sequences, are sent out. In particular, the transmitting device can also comprise a plurality of radiation-emitting devices of uniform or nonuniform nature, in particular a plurality of laser light sources.
In einer Ausführungsform kann die Laserstrahlung in einem für das menschliche Auge sichtbaren spektralen Wellenlängenbereich, d.h. insbesondere zwischen 380 nm bis 780 nm, liegen. Vorteilhaft kann ein Bediener des Laserentfernungsmessgeräts die von dem Laserentfernungsmessgerät emittierte Laserstrahlung ohne Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel erkennen und insbesondere deren Projektion auf ein entferntes Objekt als projizierte Lasermarkierung wahrnehmen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Laserstrahlung auch in einem für das menschliche Auge unsichtbaren spektralen Wellenlängenbereich, d.h. insbesondere unterhalb von 380 nm oder oberhalb von 780 nm, liegen. In diesem Fall ist die von dem Laserentfernungsmessgerät emittierte Laserstrahlung für den Bediener des Laserentfernungsmessgeräts lediglich unter Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel (beispielsweise einer Infrarotkamera bei Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von Infrarot) erkennbar.In one embodiment, the laser radiation may be in a spectral wavelength range visible to the human eye, ie in particular between 380 nm and 780 nm. Advantageously, an operator of the laser rangefinder can detect the laser radiation emitted by the laser range finder without the aid of optical aids and in particular their projection onto a distant object as projected Perceive laser marking. In an alternative embodiment, the laser radiation may also lie in a spectral wavelength range which is invisible to the human eye, ie in particular below 380 nm or above 780 nm. In this case, the laser radiation emitted by the laser rangefinder is recognizable to the operator of the laser rangefinder only with the aid of optical aids (for example an infrared camera with laser radiation in the wavelength range of infrared).
Die Sendevorrichtung ist dazu vorgesehen, Laserstrahlung in unterschiedliche Richtungen, insbesondere unterschiedliche Relativrichtungen bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät und/oder eine Referenzrichtung, auszusenden. Bevorzugt ist die Sendevorrichtung dazu vorgesehen, Laserstrahllung derart auszusenden, dass ein die Laserstrahlung repräsentierender Laserstrahl einen Winkelbereich α periodisch überstreicht. Zur Einstellung und Änderung der Ausstrahlrichtung der Laserstrahlung weist die Sendevorrichtung eine Projektionsvorrichtung auf. Die Projektionsvorrichtung ist dazu vorgesehen, die Laserstrahlung – im Folgenden synonym dazu: den Laserstrahl – in unterschiedliche Richtungen, insbesondere unterschiedliche Relativrichtungen, bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät, beispielsweise bezogen auf ein Gehäuse des Laserentfernungsmessgeräts, umzulenken und/oder abzulenken. Dazu weist die Projektionsvorrichtung zumindest ein Laserstrahllenkmittel auf. Unter einem Laserstrahllenkmittel ist ein einem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Mittel, vorzugsweise jedoch ein räumlicher Lichtmodulator (SLM), eine refraktive Optik, eine Mechanik zum Schwenken eines Lasers und/oder einer Optik der Sendevorrichtung, ein Mikrospiegelarray mit mehreren Mikrospiegeln, besonders bevorzugt jedoch ein einzelner Mikrospiegel, zu verstehen. The transmitting device is intended to emit laser radiation in different directions, in particular different relative directions with respect to the laser distance measuring device and / or a reference direction. The transmitting device is preferably provided to emit laser radiation in such a way that a laser beam representing the laser radiation periodically sweeps over an angular range α. For setting and changing the emission direction of the laser radiation, the transmitting device has a projection device. The projection device is provided for deflecting and / or diverting the laser radiation - in the following synonymously: the laser beam - in different directions, in particular different relative directions, relative to the laser range finder, for example relative to a housing of the laser range finder. For this purpose, the projection device has at least one laser beam steering means. A laser beam steering means is a device that appears appropriate to a person skilled in the art, but preferably a spatial light modulator (SLM), a refractive optical system, a mechanism for pivoting a laser and / or an optical system of the transmitting device, a micromirror array with a plurality of micromirrors, but particularly preferably a single optical system Micromirror, to understand.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts weist die Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung zumindest einen zumindest eindimensional auslenkbar gelagerten Spiegel auf, unter dessen Verwendung Laserstrahlung unter periodisch veränderbaren Relativrichtungen in dem Winkelbereich α ausgesendet werden kann oder ausgesendet wird.In one embodiment of the laser range finding device, the projection device of the transmitting device has at least one at least one dimensionally deflectable mirror mounted, under the use of which laser radiation can be emitted under periodically variable relative directions in the angular range α or is emitted.
Der zumindest eine Spiegel kann als ein Mikrospiegel realisiert sein. Ein Mikrospiegel weist insbesondere eine Spiegelfläche größer als 0.5 mm2, vorteilhaft größer als 1 mm2, besonders vorteilhaft größer als 2 mm2, auf. Vorzugsweise ist die Spiegelfläche mittels eines elektrischen Signals, insbesondere über zumindest einen elektrostatischen Aktor, zumindest in eine Richtung schwenkbar. Alternativ oder zusätzlich kann die Spiegelfläche mittels eines elektrischen Signals, insbesondere über zumindest einen elektrostatischen Aktor, in zwei Richtungen, insbesondere in zwei orthogonale Richtungen, schwenkbar sein.The at least one mirror can be realized as a micromirror. In particular, a micro mirror has a mirror surface is greater than 0.5 mm 2, advantageously greater than 1 mm 2, particularly advantageously greater than 2 mm 2 on. Preferably, the mirror surface is pivotable by means of an electrical signal, in particular via at least one electrostatic actuator, at least in one direction. Alternatively or additionally, the mirror surface can be pivotable in two directions, in particular in two orthogonal directions, by means of an electrical signal, in particular via at least one electrostatic actuator.
Das Laserstrahllenkmittel schwenkt den emittierten Laserstrahl kontinuierlich über einen insbesondere konstanten, bevorzugt vorgebbaren, Winkelbereich α. Die Projektionsvorrichtung und/oder eine Steuervorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts ist dazu vorgesehen, einen Winkel der emittierten Laserstrahlung, d.h. insbesondere einen Winkel zwischen Relativrichtungen der emittierten Laserstrahlung, zu erfassen, zu steuern und/oder vorzugsweise zu regeln. In einer Ausführungsform erlaubt die Projektionsvorrichtung, den Laserstrahl den Winkelbereich α periodisch überstreichend auszusenden, indem der Laserstrahl zwischen zwei Relativrichtungen, die den Winkelbereich α definieren und begrenzen, insbesondere kontinuierlich, hin- und hergeschwenkt wird. Unter einer „Relativrichtung“ soll eine Richtung relativ zu dem Laserentfernungsmessgerät, beispielsweise relativ zu einem Gehäuse des Laserentfernungsmessgeräts, oder relativ zu einer Referenzrichtung verstanden werden. Folglich überstreicht der Laserstrahl den Winkelbereich α periodisch, d.h. er wird periodisch ausgelenkt. Die periodische Überstreichung des Winkelbereichs α erfolgt insbesondere mit einer Frequenz größer als 20 Hz, vorzugsweise größer als 40 Hz, besonders bevorzugt größer als 60 Hz. Bei einer hohen periodischen Wiederholrate der Auslenkung des Laserstrahls wird der mittels Laserstrahl auf das Zielobjekt projizierte Laserpunkt derart zügig über das Zielobjekt bewegt, dass ein Betrachter, insbesondere der Bediener des Laserentfernungsmessgeräts, auf dem entfernten Objekt eine projizierte, insbesondere durchgezogene, bevorzugt kontinuierlich leuchtende Projektionslinie oder Laserlinie wahrnimmt, die insbesondere der zu vermessenden Strecke entspricht.The laser beam steering means continuously pivots the emitted laser beam over a particularly constant, preferably predefinable, angular range α. The projection device and / or a control device of the laser rangefinder is designed to adjust an angle of the emitted laser radiation, i. in particular an angle between relative directions of the emitted laser radiation, to detect, to control and / or preferably to regulate. In one embodiment, the projection device allows the laser beam to emit the angular range α periodically by swiveling the laser beam back and forth between two relative directions which define and limit the angular range α, in particular continuously. A "relative direction" is to be understood as meaning a direction relative to the laser range finder, for example relative to a housing of the laser range finder, or relative to a reference direction. Consequently, the laser beam periodically sweeps over the angular range α, i. he is deflected periodically. The periodic sweep of the angle range α is carried out in particular with a frequency greater than 20 Hz, preferably greater than 40 Hz, more preferably greater than 60 Hz. At a high periodic repetition rate of the deflection of the laser beam, the laser point projected onto the target object by means of a laser beam is transferred so rapidly the target object moves that a viewer, in particular the operator of the laser rangefinder, on the remote object perceives a projected, in particular solid, preferably continuously lit projection line or laser line, which corresponds in particular to the distance to be measured.
Neben der Lichtquelle und der Projektionsvorrichtung kann die Sendevorrichtung auch anderweitige, insbesondere strahlformende und/oder strahllenkende und/oder die Eigenschaften der Laserstrahlung beeinflussende optische Elemente, beispielsweise Linsen, Filter, diffraktive Elemente, Spiegel, Reflektoren, optisch transparente Scheiben oder dergleichen, aufweisen. Insbesondere können optische Elemente vorgesehen sein, die den Laserstrahl vorteilhaft fokussieren und/oder kollimieren.In addition to the light source and the projection device, the transmitting device can also have other optical elements, in particular beam-shaping and / or beam-directing and / or influencing the properties of the laser radiation, for example lenses, filters, diffractive elements, mirrors, reflectors, optically transparent panes or the like. In particular, optical elements may be provided which favorably focus and / or collimate the laser beam.
Ein von dem mittels ausgesendetem Laserstrahl beleuchteten Zielobjekt reflektierter und/oder gestreuter, d.h. rücklaufender Laserstrahl wird von dem Laserentfernungsmessgerät zumindest teilweise detektiert und zur Ermittlung einer zu messenden Entfernung verwendet. Der rücklaufende Laserstrahl wird dabei mittels einer Detektorvorrichtung zum Detektieren von empfangenem Licht, insbesondere empfangener rücklaufender Laserstrahlung, zumindest teilweise detektiert. Dabei soll unter der Detektorvorrichtung zumindest ein Detektorelement verstanden werden, das abhängig von einer auftreffenden Lichtintensität ein Detektionssignal liefert. Unter „Detektorelement“ werden strahlungsempflindliche, insbesondere lichtempfindliche Elemente wie Photodioden, beispielsweise PIN-Dioden oder Avalanche Photo Dioden (APD), aber auch (modulierte) CCD-Chips und CMOS-Pixel verstanden. In einer Ausführungsform wird das zumindest eine Detektorelement durch eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) gebildet, in einer weiteren Ausführungsform durch eine Mehrzahl ungekoppelter oder gekoppelter SPADs, insbesondere aus einem SPAD-Array. A laser beam reflected and / or scattered by the target object illuminated by the emitted laser beam, ie returning laser beam, is at least partially detected by the laser range finder and used to determine a distance to be measured. The returning laser beam is thereby by means of a detector device for detecting received light, in particular received returning laser radiation, at least partially detected. In this case, the detector device should be understood to mean at least one detector element which supplies a detection signal as a function of an incident light intensity. The term "detector element" is understood to mean radiation-sensitive, in particular photosensitive, elements such as photodiodes, for example PIN diodes or avalanche photo diodes (APD), but also (modulated) CCD chips and CMOS pixels. In one embodiment, the at least one detector element is formed by a single-photon avalanche diode (SPAD), in a further embodiment by a plurality of uncoupled or coupled SPADs, in particular from a SPAD array.
Aus einem zwischen der ausgesendeten Laserstrahlung und der von der Oberfläche des Zielobjekts rücklaufenden Laserstrahlung durchgeführten Phasenvergleich kann unter Verwendung einer Steuervorrichtung und/oder einer Auswertevorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts eine Lichtlaufzeit ermittelt und über die Lichtgeschwindigkeit der gesuchte Abstand zwischen dem Laserentfernungsmessgerät und dem Zielobjekt in Richtung des emittierten Laserstrahls bestimmt werden. Ein typischer Messbereich des Laserentfernungsmessgeräts liegt in einem Entfernungsbereich von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern. Der ermittelte Entfernungsmesswert in Richtung des emittierten Laserstrahls wird anschließend von der Steuervorrichtung und/oder einer Auswertevorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts weiterverarbeitet und/oder mittels einer Ausgabevorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts, beispielsweise unter Verwendung eines Displays oder einer akustischen Ausgabevorrichtung, an einen Bediener des Laserentfernungsmessgeräts ausgegeben. Alternativ oder zusätzlich kann der Entfernungsmesswert auch zur weiteren Verarbeitung an ein weiteres Gerät, beispielsweise eine Fahrzeugsteuerung, ein externes Datenverarbeitungsgerät oder dergleichen, übermittelt werden.Using a control device and / or an evaluation device of the laser rangefinder, a light transit time can be determined from a phase comparison carried out between the emitted laser radiation and the laser radiation returning from the surface of the target object, and the sought distance between the laser range finder and the target object in the direction of the emitted laser beam via the speed of light be determined. A typical measuring range of the laser rangefinder is in a distance range of a few centimeters to several hundred meters. The determined distance measurement value in the direction of the emitted laser beam is then further processed by the control device and / or an evaluation device of the laser rangefinder and / or output by an output device of the laser rangefinder, for example using a display or an acoustic output device to an operator of the laser rangefinder. Alternatively or additionally, the distance measurement value can also be transmitted to a further device, for example a vehicle control system, an external data processing device or the like, for further processing.
Der von dem Zielobjekt insbesondere durch Reflektion und/oder Streuung rücklaufende Laserstrahl wird unter Verwendung einer Empfangsoptik empfangen. Die Empfangsoptik ist dabei dazu vorgesehen, Licht und insbesondere Laserstrahlung aus einem Winkelbereich γ zu empfangen und auf die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, zu projizieren, bevorzugt abzubilden. Bevorzugt ist die Empfangsoptik dazu vorgesehen, Licht und insbesondere Laserstrahlung aus mehreren, unterschiedlichen Winkelteilbereichen σ zu empfangen und auf die Detektorvorrichtung zu projizieren. Erfindungsgemäß weist die Empfangsoptik dazu eine Laserstrahlung aus einem Winkelbereich γ auf die Detektorvorrichtung projizierende Facettenoptik auf.The laser beam returning from the target object, in particular by reflection and / or scattering, is received using a receiving optical system. The receiving optical system is intended to receive light and in particular laser radiation from an angular range γ and to project it onto the detector device, in particular the detector element, preferably to image it. Preferably, the receiving optical system is provided to receive light and in particular laser radiation from a plurality of different angular sub-ranges σ and to project it onto the detector device. According to the invention, the receiving optics has laser radiation from an angular range γ on the detector device projecting facet optics.
Mittels der erfindungsgemäßen Empfangsoptik in Form der Facettenoptik lässt sich Licht und insbesondere Laserstrahlung aus einem bevorzugt weiten Winkelbereich γ auf die Detektorvorrichtung projizieren. Insbesondere Laserstrahlung, die mittels der Projektionsvorrichtung unter einem großen Aussendewinkel von dem Laserentfernungsmessgerät emittiert wird, kann durch die Facettenoptik auf die Detektorvorrichtung projiziert werden, sodass eine Entfernungsbestimmung auch in Richtungen unter großer Auslenkung der emittierten Laserstrahlung möglich ist.By means of the receiving optics according to the invention in the form of the facet optics, light and in particular laser radiation can be projected onto the detector device from a preferably wide angular range γ. In particular, laser radiation which is emitted by the laser distance measuring device at a large transmission angle by means of the projection device can be projected onto the detector device by the facet optics, so that a distance determination is also possible in directions under great deflection of the emitted laser radiation.
Ferner ist das Laserentfernungsmessgerät, insbesondere dessen Steuervorrichtung und/oder dessen Projektionsvorrichtung und/oder dessen Auswertevorrichtung und/oder dessen Detektorvorrichtung, dazu vorgesehen, Distanzen zu zumindest zwei, bevorzugt zu einer Vielzahl von verschiedenen Messpunkten, d.h. in verschiedenen Emissionsrichtungen des Laserstrahls, zeitnah zu bestimmen. Besonders bevorzugt ist das Laserentfernungsmessgerät dazu vorgesehen, auf einer Ebene – im Folgenden auch Projektionsebene genannt – in dem Winkelbereich α eine bestimmte Anzahl von Distanzen mit unterschiedlichen Relativrichtungen, insbesondere zeitnah, zu bestimmen. Vorzugsweise erfasst das Laserentfernungsmessgerät, insbesondere dessen Projektionsvorrichtung und/oder dessen Steuervorrichtung, eine Ausrichtung der Relativrichtungen, insbesondere relativ zueinander und/oder vorteilhaft relativ zu dem Laserentfernungsmessgerät oder relativ zu einer Komponente des Laserentfernungsmessgeräts. Unter „zeitnah“ soll in einem Ausführungsbeispiel insbesondere verstanden werden, dass das Laserentfernungsmessgerät, insbesondere dessen Steuervorrichtung und/oder dessen Projektionsvorrichtung und/oder dessen Auswertevorrichtung und/oder dessen Detektorvorrichtung, dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Distanzen innerhalb von 500 ms, vorteilhaft innerhalb von 100 ms, besonders vorteilhaft innerhalb von 50 ms, zu bestimmen.Furthermore, the laser range finding device, in particular its control device and / or its projection device and / or its evaluation device and / or its detector device, is provided for distances to at least two, preferably to a plurality of different measuring points, i. in different directions of emission of the laser beam to determine promptly. Particularly preferably, the laser range finding device is provided to determine a certain number of distances with different relative directions, in particular in a timely manner, on a plane (also referred to below as the projection plane) in the angular range α. Preferably, the laser range finding device, in particular its projection device and / or its control device, detects an orientation of the relative directions, in particular relative to one another and / or advantageously relative to the laser rangefinder or relative to a component of the laser rangefinder. By "timely" is to be understood in an embodiment in particular that the laser rangefinder, in particular its control device and / or its projection device and / or its evaluation and / or its detector device, is provided to at least two distances within 500 ms, advantageously within 100 ms, particularly advantageous within 50 ms to determine.
In einer Ausführungsform kann die Anzahl von Distanzen mit unterschiedlichen Relativrichtungen, in die das Laserentfernungsmessgerät Distanzen bestimmt, durch einen Benutzer vorgegeben oder wählbar sein. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann diese Anzahl auch geräteintern, beispielsweise durch die Steuervorrichtung und/oder die Auswertevorrichtung, vorgegeben werden. So kann die Anzahl von Distanzmessungen in unterschiedliche Relativrichtungen abhängig von dem Winkelbereich α bzw. der Länge der indirekt zu vermessenden Strecke auf dem Zielobjekt abgeschätzt und/oder berechnet und vorgegeben werden.In one embodiment, the number of distances with different relative directions into which the laser range finder determines distances may be predetermined or selectable by a user. In an alternative or additional embodiment, this number can also be specified inside the device, for example by the control device and / or the evaluation device. Thus, the number of distance measurements in different relative directions depending on the angular range α or the length of the indirectly to be measured distance on the target object can be estimated and / or calculated and specified.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Laserentfernungsmessgeräts ist mit besonders geringem konstruktiven Aufwand eine komfortable, indirekte Vermessung einer Strecke zwischen zwei nur mit dem Laserstrahl erreichbaren Punkten auf dem Zielobjekt möglich, ohne dass das Laserentfernungsmessgerät an einem der Punkte angelegt werden muss. Bevorzugt wird die indirekt zu bestimmende Strecke unter Anwendung trigonometrischer Funktionen aus mehreren Entfernungsmessungen in verschiedenen Relativrichtungen zwischen dem Laserentfernungsmessgerät und dem Zielobjekt sowie den zwischen den Relativrichtungen eingeschlossenen Winkeln ermittelt. Eine solche Strecke kann dabei besonders vorteilhaft auf Knopfdruck innerhalb von einem kurzen Zeitraum, insbesondere weniger als einer Sekunde, gemessen werden. Der Bediener kann sich zum Messen der Strecke vorteilhaft an einer von der Strecke beabstandeten Position aufhalten. Gleichzeitig ist eine Markierung der zu messenden Strecke in Form der projizierten Laserlinie möglich.Due to the inventive design of the laser rangefinder is particularly convenient design a comfortable, indirect measurement of a distance between two achievable only with the laser beam points on the target object possible without the laser rangefinder must be created at one of the points. Preferably, the distance to be determined indirectly is determined using trigonometric functions from a plurality of distance measurements in different relative directions between the laser distance measuring device and the target object and the angles enclosed between the relative directions. Such a route can be measured particularly advantageously at the push of a button within a short period of time, in particular less than one second. The operator may advantageously be at a distance from the track to measure the distance. At the same time a marking of the route to be measured in the form of the projected laser line is possible.
Zusätzlich zu einer Ermittlung der Länge einer von dem Laserentfernungsmessgerät beabstandeten Strecke ist das Laserentfernungsmessgerät ferner dazu vorgesehen, mit dem Laserstrahl eine direkte Distanz zwischen dem Laserentfernungsmessgerät und dem Zielobjekt zu bestimmen und auszugeben.In addition to determining the length of a distance spaced from the laser range finder, the laser range finder is further provided to determine and output a direct distance between the laser range finder and the target object with the laser beam.
Unter einer „Facettenoptik“ ist insbesondere eine Empfangsoptik zu verstehen, die den Winkelbereich γ – das sogenannte Gesichtsfeld der Empfangsoptik – in Winkelteilbereiche σ – und somit in Teil-Gesichtsfelder – aufteilt. Dabei wird jeder Winkelteilbereich σ auf die Detektorvorrichtung, insbesondere deren Detektorelement, projiziert, bevorzugt abgebildet. Vorzugsweise werden die Winkelteilbereiche σ mit je einer Facette der Facettenoptik auf die Detektorvorrichtung projiziert, bevorzugt abgebildet. Vorteilhaft kann auf diese Weise mittels der Facettenoptik als Empfangsoptik von einem entfernten Objekt rücklaufende, d.h. insbesondere reflektierte und/oder gestreute, Laserstrahlung aus einem bevorzugt großen Winkelbereich γ auf die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, projiziert, bevorzugt abgebildet werden.A "facet optics" is to be understood in particular as a receiving optics which divides the angular range γ - the so-called visual field of the receiving optics - into angular subareas σ - and thus into partial fields of view. In this case, each angular section σ is projected onto the detector device, in particular its detector element, preferably imaged. Preferably, the angle subareas σ are each projected onto the detector device with one facet of the facet optic, preferably imaged. Advantageously, in this way by means of the faceted optics as receiving optics from a remote object returning, i. In particular, reflected and / or scattered laser radiation from a preferably large angular range γ onto the detector device, in particular the detector element, can be projected, preferably imaged.
Vorteilhaft lassen sich mithilfe der Facettenoptik klassische, lichtstarke und entsprechend aufwendige Weitwinkeloptiken ersetzen. Derartige Weitwinkeloptiken müssen – ausgehend von der Anforderung, dass das Detektorelement aus Kosten- und Konstruktionsgründen möglichst klein sein soll (beispielsweise 10 mm Länge) – eine kleine Brennweite von beispielsweise f = 10 mm besitzen. Darüber hinaus erfordert die Anforderung, möglichst viel Strahlungsleistung von jedem Laserpunkt auf dem Zielobjekt auf die Detektorvorrichtung zu projizieren, eine kleine Blendenzahl f/#, die in genanntem Beispiel bei ca. f/# = 0.9 liegt. Die Facettenoptik ermöglicht es, diese Nachteile klassischer, lichtstarker Weitwinkeloptiken, die auf Grund ihrer Blendenzahlen nahe 1 besonders komplex und aufwendig sowohl in der Herstellung als auch in der Justage sind, zu umgehen. Insbesondere lässt sich unter Verwendung der Facettenoptik die Anzahl an Linsen und an stark gekrümmten Oberflächen in der Empfangsoptik des Laserentfernungsmessgeräts stark reduzieren. Durch Aufteilung des Winkelbereichs γ in Winkelteilbereiche σ, die mittels der Facettenoptik jeweils insbesondere gleichzeitig auf die Detektorvorrichtung, insbesondere deren Detektorelement, projiziert werden können, können die konstruktionsbedingten Anforderungen an die Empfangsoptik bei vorgegebenem Winkelbereich γ sowie vorgegebener Detektorgröße signifikant entschärft werden. Bevorzugt wird bei der Facettenoptik jeder der Winkelteilbereiche σ durch eine der der Anzahl der Winkelteilbereiche σ entsprechenden Facetten auf die Detektorvorrichtung projiziert, bevorzugt abgebildet. Einer besonders kurzen Brennweite – wie sie bei Weitwinkeloptiken nötig wäre – kann somit entgegengewirkt werden, bei gleichzeitiger Entspannung der kritischen Blendenzahl f/#.Advantageously, faceted optics can be used to replace classic, high-intensity and correspondingly expensive wide-angle optics. Such Weitwinkeloptiken must - starting from the requirement that the detector element for cost and design reasons should be as small as possible (for example, 10 mm in length) - have a small focal length of, for example f = 10 mm. Moreover, the requirement to project as much radiant power from each laser spot on the target object onto the detector device requires a small f-number f / #, which in the example given is approximately f / # = 0.9. The facet optics make it possible to circumvent these disadvantages of classical, high-intensity wide-angle optics, which are particularly complex and expensive both in terms of production and adjustment due to their f-number close to 1. In particular, using the facet optics, the number of lenses and strongly curved surfaces in the receiving optics of the laser range finder can be greatly reduced. By dividing the angular range γ into angular sub-ranges σ, which can be projected in particular simultaneously on the detector device, in particular its detector element, by means of the facet optics, the design-related requirements for the receiving optics can be significantly mitigated for a given angular range γ and predetermined detector size. In the case of the facet optics, each of the angle subareas σ is preferably projected onto the detector device by one of the facets corresponding to the number of angular subareas σ, preferably imaged. A particularly short focal length - as would be necessary with wide-angle optics - can thus be counteracted while simultaneously relaxing the critical f-number f / #.
Da das Laserentfernungsmessgerät über den Winkelbereich α scannend arbeitet, d.h. die Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung den Winkelbereich α periodisch überstreichend ausgesendet wird, wird zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Laserpunkt des Gesichtsfeldes der Empfangsoptik, d.h. in dem Winkelbereich γ, beleuchtet. Dadurch kann vorteilhaft eine eindeutige Zuordnung zwischen Bildpunkt auf der Detektorvorrichtung und Laserpunkt auf dem Zielobjekt – beispielsweise bestimmt durch einen Auslenkwinkel der Projektionsvorrichtung – ermöglicht werden. Since the laser range finder operates to scan over the angular range α, i. the laser radiation by means of the projection device of the transmitting device, the angular range α is emitted periodically sweeping, only one laser point of the field of view of the receiving optics, i. in the angular range γ, illuminated. As a result, an unambiguous association between the pixel on the detector device and the laser spot on the target object-for example, determined by a deflection angle of the projection device-can advantageously be made possible.
Insbesondere erlaubt die Facettenoptik, rücklaufende Laserstrahlung des zeitlich über den Winkelbereich α scannend auf das Zielobjekt ausgesendeten Laserstrahls aus dem gesamten Winkelbereich γ zu empfangen.In particular, the facet optics permit returning laser radiation from the entire angular range γ to be received in a timely manner over the angular range α in a scanning manner on the target object.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts besteht die Facettenoptik aus einer Mehrzahl von n Facetten in Form von fokussierenden optischen Linsen, wobei die n Facetten den Winkelbereich γ in der Anzahl n der Facetten entsprechende Winkelteilbereiche σ aufteilt und jede der n Facetten den zugehörigen Winkelteilbereich σ auf die Detektorvorrichtung projiziert.In one embodiment of the laser range finding device, the facet optics consists of a plurality of n facets in the form of focusing optical lenses, the n facets dividing the angular range γ into the number n of angular facets corresponding to the facets, and each of the n facets dividing the associated angular portion σ onto the detector device projected.
Somit wird das gesamte Gesichtsfeld der Empfangsoptik, d.h. der Winkelbereich γ, in n Winkelteilbereiche σ aufgeteilt, wobei jeder Winkelteilbereich σ auf die Detektorvorrichtung, insbesondere deren Detektorelement, projiziert, bevorzugt abgebildet wird. Die Projektion bzw. die Abbildung der entsprechenden Winkelteilbereiche σ erfolgt dabei über fokussierende optische Linsen, sodass rücklaufende Laserstrahlung bevorzugt bei großen Entfernungen fokussiert auf das zumindest eine Detektorelement der Detektorvorrichtung abgebildet wird.Thus, the entire field of view of the receiving optics, ie the angular range γ, is divided into n angular sub-ranges σ, each angular sub-range σ being preferably projected onto the detector device, in particular its detector element. The projection or the image of the corresponding angular subareas σ takes place via focusing optical lenses, so that returning laser radiation is preferred at long distances focused on the at least one detector element of the detector device is imaged.
Durch Aufteilung des Gesichtsfelds bzw. des Winkelbereichs γ in n Teil-Gesichtsfelder bzw. Winkelteilbereiche σ lässt sich die Brennweite der Empfangsoptik um den Faktor n vergrößern, bei gleichzeitiger Entspannung der kritischen Blendenzahl f/# um den Faktor n.By dividing the field of view or the angle range γ into n partial fields of view or angular sections σ, the focal length of the receiving optics can be increased by the factor n while the critical f-number f / # is relaxed by the factor n.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts besteht die Facettenoptik aus einer Mehrzahl sphärischer oder asphärischer optischer Linsen.In one embodiment of the laser range finder, the facet optic consists of a plurality of spherical or aspherical optical lenses.
Sphärische Linsen stellen bauartbedingt besonders einfache Linsen dar, bei denen optisch aktive Flächen sphärisch, d.h. als Oberflächenausschnitte einer Kugel, geformt sind. Vorteilhaft kann die Verwendung sphärischer Linsen zur Reduzierung der Herstellungskosten beitragen. Ferner können insbesondere fokussierende Sammellinsen als sphärische Linsen mit zwei konvexen Flächen oder mit einer konvexen und einer ebenen Fläche wirtschaftlich besonders einfach und somit kostengünstig hergestellt werden.Spherical lenses, by design, are particularly simple lenses in which optically active surfaces are spherical, i. are shaped as surface cutouts of a sphere. Advantageously, the use of spherical lenses can help reduce manufacturing costs. Furthermore, in particular focusing converging lenses can be produced as spherical lenses with two convex surfaces or with a convex and a flat surface economically particularly simple and thus cost.
Ähnlich wie sphärische Linsen sind asphärische Linsen rotationssymmetrisch, allerdings im Schnitt nicht kreisförmig. Aus diesem Grund können asphärische Linsen gegenüber sphärischen Linsen vorteilhafte Abbildungseigenschaften aufweisen, da insbesondere prinzipbedingte Abbildungsfehler wie Aberration, Astigmatismus oder dergleichen, nur stark reduziert auftreten. Similar to spherical lenses, aspherical lenses are rotationally symmetric, but not circular in section. For this reason, aspherical lenses can have advantageous imaging properties compared to spherical lenses, since in particular principle-related aberrations such as aberration, astigmatism or the like occur only greatly reduced.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Facettenoptik auch aus einer Mehrzahl von Gradientenlinsen bestehen, in denen sich der Brechungsindex räumlich ändert.In an alternative embodiment, the facet optics may also consist of a plurality of gradient lenses, in which the refractive index changes spatially.
Insbesondere können die Facetten der Facettenoptik jeweils identisch ausgeführt sein oder alternativ zur Verbesserung der Projektionseigenschaften der Facettenoptik jeweils unterschiedlich ausgeführt sein.In particular, the facets of the facet optics can each be embodied identically or alternatively be designed differently in each case to improve the projection properties of the facet optics.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts weist die Facettenoptik zwischen benachbarten Facetten erste Mittel auf, die einem optischen Übersprechen von Licht zwischen den Facetten entgegenwirken.In one embodiment of the laser range finder, the facet optics between adjacent facets have first means that counteract optical crosstalk of light between the facets.
Derartige erste Mittel können beispielsweise zwischen den optischen Linsen der Facettenoptik vorgesehene Filter, Reflektoren, Absorber oder dergleichen darstellen. Die ersten Mittel erlauben, ein optisches Übersprechen von Licht zwischen benachbarten Facetten zu reduzieren, insbesondere gänzlich zu vermeiden. Such first means may, for example, be filters provided between the optical lenses of the facet optics, reflectors, absorbers or the like. The first means make it possible to reduce, in particular completely avoid, optical crosstalk of light between neighboring facets.
Unter einem „Absorber“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, das zumindest teilweise zu einer Aufnahme und/oder Transformation von Energie vorgesehen ist. Vorzugsweise soll darunter insbesondere ein Element verstanden werden, das zu einer Absorption von Strahlung, vorzugsweise von elektromagnetischer Strahlung und besonders bevorzugt von sichtbarem Licht vorgesehen ist. Bevorzugt soll darunter insbesondere ein Element mit einem Absorptionsgrad von zumindest 0,6, vorzugsweise von zumindest 0,8 und besonders bevorzugt von zumindest 0,9 bei sichtbarem Licht verstanden werden. In this context, an "absorber" should be understood to mean, in particular, an element which is at least partially provided for receiving and / or transforming energy. This is preferably understood to mean, in particular, an element which is provided for absorption of radiation, preferably of electromagnetic radiation and particularly preferably of visible light. Preferably, this is to be understood as meaning, in particular, an element having an absorptivity of at least 0.6, preferably of at least 0.8 and particularly preferably of at least 0.9 in the case of visible light.
In einer Ausführungsform sind die ersten Mittel, insbesondere die Filter, die Reflektoren und/oder die Absorber, jeweils in Form einer Trennschicht gebildet. Die Trennschicht erstreckt sich vorzugsweise vollständig zwischen je benachbarten Facetten der Facettenoptik. In one embodiment, the first means, in particular the filters, the reflectors and / or the absorbers, are each formed in the form of a separating layer. The separating layer preferably extends completely between each adjacent facets of the facet optical system.
Auf diese Weise kann eine optische Trennung zwischen den Linsen einzelner Facetten der Facettenoptik erfolgen. Derart lassen sich Überschneidungen und/oder Überlagerungen von Empfangssignalen, insbesondere Überschneidungen und/oder Überlagerungen von Laserstrahlung und Hintergrundlicht, aus mittels unterschiedlicher Facetten projizierten unterschiedlichen Winkelteilbereichen σ vermeiden.In this way, an optical separation between the lenses of individual facets of the facet optics can take place. In this way, overlaps and / or superimpositions of received signals, in particular overlaps and / or superimpositions of laser radiation and background light, can be avoided by means of different facets of different angular sub-ranges σ projected.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts weist die Empfangsoptik zweite Mittel auf, die erlauben, Winkelteilbereiche Ω, insbesondere die Winkelteilbereiche σ, über die n Facetten sequentiell auf die Detektorvorrichtung zu projizieren.In one embodiment of the laser range finding device, the receiving optical system has second means which allow angular subareas Ω, in particular the angular subareas σ, to be sequentially projected onto the detector device via the n facets.
Dabei können die zweiten Mittel als ein mechanischer Verschluss oder Shutter ausgeführt sein, der ein zumindest teilweise lichtdichtes, mechanisch bewegliches Element bildet und sich im Empfangspfad des Laserentfernungsmessgeräts vor der Detektorvorrichtung, insbesondere vor dem Detektorelement, befindet. In this case, the second means may be designed as a mechanical shutter or shutter which forms an at least partially light-tight, mechanically movable element and is in the receiving path of the laser rangefinder in front of the detector device, in particular in front of the detector element.
Die zweiten Mittel können prinzipiell an unterschiedlicher Stelle im Empfangspfad vorgesehen sein, beispielsweise in Richtung des Empfangspfads gesehen entweder vor oder hinter der Empfangsoptik, insbesondere vor oder hinter der Facettenoptik. In einem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Mittel, insbesondere der Verschluss, in Richtung des Empfangspfads gesehen unmittelbar hinter der Empfangsoptik, d.h. zwischen Empfangsoptik und Detektorelement, vorgesehen.The second means may in principle be provided at different locations in the reception path, for example in the direction of the reception path, either in front of or behind the reception optics, in particular in front of or behind the facet optics. In one embodiment, the second means, in particular the shutter, seen in the direction of the reception path immediately behind the receiving optics, i. between receiving optics and detector element provided.
In einer beispielhaften Ausführungsform können die zweiten Mittel in Form eines Schlitzverschlusses, insbesondere eines Lamellen-Schlitzverschlusses, eines Kugelschalen-Verschlusses, eines Rollen-Verschlusses, eines Jalousie-Verschlusses, eines Guillotine-Verschlusses oder in Form eines anderen, einem Fachmann sinnvoll erscheinenden Verschlusses und/oder Lichtmodulators ausgeführt sein, der dafür vorgesehen ist, wählbare Bereiche der Empfangsoptik zumindest im Wesentlichen lichtdicht abzudecken. Durch lichtdichtes Abdecken wählbarer Bereiche der Empfangsoptik können vorzugsweise definierte, wählbare und für Licht durchlässige Bereiche der Empfangsoptik erzeugt werden. Die für Licht durchlässigen Bereiche der Empfangsoptik sind derart „aktivierbar“. Diese definierten, wählbaren und für Licht durchlässigen Bereiche der Empfangsoptik erlauben ferner, wählbare Winkelteilbereiche Ω, bevorzugt die Winkelteilbereiche σ einzelner Facetten, auf die Detektorvorrichtung zu projizieren.In an exemplary embodiment, the second means in the form of a slit closure, in particular a slat-type slit closure, a spherical shell closure, a Roller shutter, a shutter shutter, a guillotine closure or in the form of another, a professional appear appropriate closure and / or light modulator designed to cover at least substantially light-tight selectable areas of the receiving optics. By means of light-tight coverage of selectable regions of the receiving optics, it is possible to generate defined, selectable and light-transmissive regions of the receiving optics. The light-permeable areas of the receiving optics are "activatable" in this way. These defined, selectable and light-transmissive regions of the receiving optics also allow selectable angular sub-ranges Ω, preferably the angular sub-ranges σ of individual facets, to be projected onto the detector device.
Der Verschluss kann derart stellbar sein, bevorzugt elektronisch stellbar sein, dass zumindest während eines Betriebszustands des Laserentfernungsmessgeräts die in ihrer Winkel-Ausdehnung definierten, wählbaren und für Licht durchlässigen Bereiche der Empfangsoptik – d.h. die Winkelteilbereiche Ω, bevorzugt die Winkelteilbereiche σ der Empfangsoptik – hinsichtlich ihrer Position verändert, insbesondere relativ zur Empfangsoptik verschoben werden können. Die Verschiebung kann dabei entweder in diskreten Schritten oder in einer kontinuierlichen Bewegung erfolgen. Auf diese Weise lässt sich in einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts ein lichtdurchlässiger Bereich, insbesondere der Winkelteilbereich Ω, bevorzugt der Winkelteilbereich σ, über bzw. relativ zu der Empfangsoptik bewegen bzw. scannen. Ferner lassen sich einzelne und/oder mehrere benachbarte Facetten mit Winkelteilbereichen σ aktivieren, während alle anderen Winkelteilbereiche lichtdicht abgedeckt werden. The closure may be adjustable, preferably electronically adjustable, such that, at least during an operating state of the laser range finding device, the regions of the receiving optics which are defined in terms of their angular extent and which are selectable and permeable to light - i.e. the angular sub-regions Ω, preferably the angular sub-regions σ of the receiving optics-changed with regard to their position, in particular can be displaced relative to the receiving optical system. The displacement can take place either in discrete steps or in a continuous movement. In this way, in one embodiment of the laser range finding device, a light-transmissive region, in particular the angular sub-region Ω, preferably the angular sub-region σ, can be moved or scanned above or relative to the receiving optical system. Furthermore, individual and / or several adjacent facets can be activated with angular sections σ, while all other angular sections are covered in a light-tight manner.
Die Winkelteilbereiche Ω bezeichnen an dieser Stelle im Allgemeinen Winkelteilbereiche beliebiger Ausdehnung mit Ω < α, sodass beispielsweise eine einzelne, mehrere oder auch nur Teilbereiche einer oder mehrerer Facetten – die wiederum jeweils einen Winkelteilbereiche σ definieren – lichtdicht abgedeckt werden können. Bevorzugt stellt der Winkelteilbereiche Ω genau den Winkelteilbereiche σ einer Facette dar, sodass der Verschluss oder Shutter erlaubt, Lichteinfall durch einzelne Facetten oder auch mehrere Facetten selektiv zu ermöglichen („aktivieren“), während andere Facetten lichtdicht abgedeckt werden und somit Lichteinfall durch diese abgedeckten Facetten blockiert wird. Auf diese Weise erlaubt der stellbare Verschluss in Folge eines sequentiellen Abdeckens einzelner Bereiche bzw. einzelner Facetten, Winkelteilbereiche Ω bzw. insbesondere die durch die n Facetten definierten Winkelteilbereiche σ, mittels der n Facetten sequentiell auf die Detektorvorrichtung zu projizieren.The angle subareas Ω at this point generally designate angle subareas of arbitrary extent with Ω <α, so that, for example, a single, several or even subareas of one or more facets - which in turn each define an angular subareas σ - can be covered in a light-tight manner. Preferably, the angle portions Ω exactly the angular portions of a facet σ represents, so that the shutter or shutter allows light entry through individual facets or more facets selectively enable ("activate"), while other facets are covered in a light-tight manner and thus light through these covered facets is blocked. In this way, as a result of a sequential covering of individual areas or individual facets, the adjustable shutter allows angular subareas Ω or in particular the angular subareas σ defined by the n facets to be sequentially projected onto the detector device by means of the n facets.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts sind die zweiten Mittel als ein zumindest teilweise lichtdichtes, mechanisch bewegliches Element gebildet, das einen doppelten Vorhang oder einen Schlitz aufweist. Die Öffnung des Vorhangs bzw. der Schlitz kann im Wesentlichen senkrecht zum Empfangspfad durch den Empfangspfad bewegt werden, sodass vom Detektorelement aus betrachtet ein Winkelteilbereich Ω, insbesondere ein Winkelteilbereich σ, für den Durchtritt von Licht frei bleibt. Der übrige, durch den Verschluss bedeckte Teil des Winkelbereichs γ der Empfangsoptik wird vorteilhaft lichtdicht abgedeckt. Wird die Öffnung des Vorhangs bzw. der Schlitz bewegt, so lassen sich die Winkelteilbereiche Ω, insbesondere die Winkelteilbereiche σ, mittels der n Facetten sequentiell auf die Detektorvorrichtung projizieren.In one embodiment of the laser range finder, the second means are formed as an at least partially light-tight, mechanically movable element having a double curtain or a slit. The opening of the curtain or the slot can be moved substantially perpendicular to the receiving path through the receiving path, so that viewed from the detector element, an angular range Ω, in particular an angular range σ, remains free for the passage of light. The remaining, covered by the shutter part of the angular range γ of the receiving optics is advantageously covered light-tight. If the opening of the curtain or the slot is moved, the angular subareas Ω, in particular the angular subareas σ, can be sequentially projected onto the detector device by means of the n facets.
Vorteilhaft lässt sich durch lichtdichtes Verdecken zumindest von Teilbereichen der Facettenoptik eine Verbesserung der radiometrischen Leistung der Empfangsoptik erzielen, indem die Transmission der für die Abbildung eines Winkelteilbereichs Ω nicht relevanten Facetten bzw. Facettenbereiche bzw. Facettenteilbereiche reduziert wird. It is advantageously possible to achieve an improvement in the radiometric performance of the receiving optics by at least partial areas of the facetted optics being light-tightly concealed by reducing the transmission of the facets or facet areas or facet subareas that are not relevant for the imaging of an angular subarea Ω.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform können die zweiten Mittel auch als ein LC-Display realisiert sein, welches in oder nahe an der Aperturblendenebene der Empfangsoptik vorgesehen ist.In an alternative or additional embodiment, the second means may also be realized as an LC display which is provided in or close to the aperture stop plane of the receiving optics.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts ist die Relativrichtung, unter der Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung aussendbar ist, mit dem Winkelteilbereich Ω, insbesondere dem Winkelteilbereich σ, aus dem einfallende elektromagnetische Strahlung auf die Detektorvorrichtung projiziert wird, gekoppelt.In one embodiment of the laser range finding device, the relative direction under which laser radiation can be emitted by means of the projection device is coupled to the angle subarea Ω, in particular the angle subarea σ, from which incident electromagnetic radiation is projected onto the detector device.
Unter „aussendbar“ ist insbesondere zu verstehen, dass Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung während des Betriebs des Laserentfernungsmessgeräts, insbesondere während einer Entfernungsmessung, tatsächlich ausgesendet wird.By "ausendbar" is meant in particular that laser radiation by means of the projection device during the operation of the laser rangefinder, in particular during a distance measurement, actually emitted.
Vorteilhaft kann durch Kopplung der Richtung, unter der Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung ausgesendet wird, mit dem Winkelteilbereiche Ω, bevorzugt mit dem Winkelteilbereich σ, aus dem einfallende elektromagnetische Strahlung auf die Detektorvorrichtung projiziert wird, eine Transmission während einer Messung nicht verwendeter und/oder nicht benötigter Winkelteilbereiche Ω, bevorzugt nicht benötigter Facetten, der Facettenoptik reduziert werden. Insbesondere durch ein aktiv gesteuertes, vorzugsweise scannendes zweites Mittel wie ein Verschluss, Shutter, LC-Display oder dergleichen, kann der unmittelbar mit der Größe der Eintrittspupille, insbesondere mit der Anzahl an Facetten, linear zunehmenden Detektion von Hintergrundstrahlung, insbesondere Hintergrundlicht, entgegengewirkt werden.Advantageously, by coupling the direction under which laser radiation is emitted by means of the projection device with the angular sub-ranges Ω, preferably with the angular sub-range σ, from which incident electromagnetic radiation is projected onto the detector device, a transmission during a measurement of unused and / or unneeded Angle portions Ω, preferably unnecessary facets, the facet optics are reduced. In particular, by an actively controlled, preferably scanning second means such as a shutter, shutter, LC display or the like, which directly with the size of the entrance pupil, in particular with the number of Facets, linearly increasing detection of background radiation, in particular background light, to be counteracted.
Der Anteil der Hintergrundstrahlung, insbesondere der Anteil von Hintergrundlicht, der bei einem Messvorgang zusammen mit rücklaufender Laserstrahlung auf die Detektorvorrichtung projiziert wird, kann somit signifikant reduziert werden. Somit lässt sich dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Entfernungsmessung deutlich verbessern, insbesondere deutlich erhöhen. Ferner kann derart eine Dauer einer durchgeführten Messung reduziert und eine Qualität der Messung erhöht werden.The proportion of the background radiation, in particular the proportion of background light, which is projected onto the detector device together with returning laser radiation during a measuring operation, can thus be reduced significantly. Thus, the signal-to-noise ratio in the distance measurement can be significantly improved, in particular significantly increase. Furthermore, such a duration of a measurement performed can be reduced and a quality of the measurement can be increased.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts weist die Empfangsoptik dritte Mittel auf, insbesondere einen Spektralfilter, die erlauben, aus dem Winkelbereich γ einfallende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu filtern.In one embodiment of the laser range finding device, the receiving optical system has third means, in particular a spectral filter, which allow at least partially to filter electromagnetic radiation incident from the angular range γ.
In einer Ausführungsform sind die dritten Mittel als ein Spektralfilter ausgeführt, der einfallende elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, nach definierten Kriterien selektiert oder filtert. Vorteilhaft kann auf diese Weise einfallende Strahlung, die zunächst aus zurückgestreuter oder reflektierter Laserstrahlung und anderen Strahlungsbeiträgen, insbesondere Hintergrundlicht oder dergleichen, besteht, zumindest teilweise auf die interessierende Laserstrahlung reduziert werden. Bevorzugt lassen sich beispielsweise Filter zur selektiven Filterung nach Wellenlänge, Polarisationszustand oder der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung verwenden. In one embodiment, the third means are designed as a spectral filter which selects or filters incident electromagnetic radiation, in particular light, according to defined criteria. Advantageously, radiation incident in this way, which initially consists of backscattered or reflected laser radiation and other radiation contributions, in particular background light or the like, can be at least partially reduced to the laser radiation of interest. For example, filters for selective filtering by wavelength, polarization state or the direction of incidence of the electromagnetic radiation can preferably be used.
Beispielsweise eigenen sich spektrale Bandpassfilter oder Farbfilter, um die durch die Empfangsoptik einfallende elektromagnetische Strahlung hinsichtlich ihrer Wellenlänge zu filtern und somit lediglich die gewünschte Laserstrahlung ungehindert auf die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, passieren zu lassen. Spectral bandpass filters or color filters, for example, are suitable for filtering the wavelength of the electromagnetic radiation incident through the receiving optics and thus for allowing only the desired laser radiation to pass unhindered onto the detector device, in particular the detector element.
In einer Ausführungsform sind die dritten Mittel unmittelbar auf zumindest einer Oberfläche der Empfangsoptik, insbesondere auf zumindest einer Oberfläche jeder der Facetten, aufgebracht.In one embodiment, the third means are applied directly on at least one surface of the receiving optics, in particular on at least one surface of each of the facets.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts beträgt ein maximaler Winkelbereich αmax, in dem die Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung den Winkelbereich α periodisch überstreichend ausgesendet wird, zumindest 30 Grad, bevorzugt zumindest 60 Grad, besonders bevorzugt zumindest 90 Grad.In one embodiment of the laser range finding device, a maximum angle range α max , in which the laser radiation is transmitted by means of the projection device of the transmitting device periodically sweeping the angular range α, at least 30 degrees, preferably at least 60 degrees, more preferably at least 90 degrees.
Die Projektionsvorrichtung ist dementsprechend dazu ausgelegt, den Laserstrahl in einem maximalen Winkelbereich αmax von zumindest 30 Grad, bevorzugt von zumindest 60 Grad, besonders bevorzugt von zumindest 90 Grad auszulenken. Die Auslenkung des Laserstrahls kann innerhalb dieses Winkelbereichs zumindest in diskreten Schritten von insbesondere weniger als 1 Grad, bevorzugt von weniger als 0.1 Grad, erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt die Auslenkung des Laserstrahls in dem entsprechenden Winkelbereich kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich, d.h. insbesondere mit Schritten von weniger als 0.01 Grad.The projection device is adapted accordingly to deflect the laser beam in a maximum angular range α max of at least 30 degrees, preferably of at least 60 degrees, more preferably of at least 90 degrees. The deflection of the laser beam can take place within this angular range, at least in discrete steps of, in particular, less than 1 degree, preferably less than 0.1 degrees. Particularly preferably, the deflection of the laser beam in the corresponding angular range takes place continuously or quasi-continuously, ie in particular with steps of less than 0.01 degrees.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der maximale Winkelbereich αmax den technisch möglichen Winkelbereich zur Auslenkung der Laserstrahlung vorgibt, d.h. den Winkelbereich, in dem die Laserstrahlung den Winkelbereich α periodisch überstreichend ausgesendet werden kann. Der maximale Winkelbereich αmax ist daher nicht zu verwechseln mit dem prinzipiell beliebigen Winkelbereich α, in dem die tatsächliche, periodische Auslenkung (Scannen) des Laserstrahls erfolgt. Insbesondere kann somit der Laserstrahl beliebige Winkelbereiche α (α ≤ αmax) innerhalb des maximalen Winkelbereichs αmax periodisch überstreichend ausgesendet werden, beispielsweise einen Winkelbereich von 5 Grad, von 13 Grad, von 26 Grad oder dergleichen bis hin zu αmax.It should be noted at this point that the maximum angular range α max predetermines the technically possible angular range for deflecting the laser radiation, ie the angular range in which the laser radiation can be emitted periodically by sweeping the angular range α. The maximum angle range α max is therefore not to be confused with the basically arbitrary angular range α, in which the actual, periodic deflection (scanning) of the laser beam takes place. In particular, the laser beam can thus be emitted periodically sweeping over any angle ranges α (α ≦ α max ) within the maximum angular range α max , for example an angular range of 5 degrees, 13 degrees, 26 degrees or the like up to α max .
Somit kann auf diese Weise der emittierte Laserstrahl über einen großen Winkelbereich α ausgelenkt, insbesondere gescannt werden.Thus, in this way, the emitted laser beam can be deflected over a large angular range α, in particular scanned.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts ist der Winkelbereich γ größer oder gleich dem maximalen Winkelbereich αmax. Derart lässt sich der gesamte, von der Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung periodisch überstrichene Winkelbereich α mit α ≤ αmax mittels der Empfangsvorrichtung, insbesondere mittels der Facettenoptik, auf die Detektorvorrichtung projizieren. Der Winkelbereich γ der Empfangsoptik überlappt bevorzugt mit dem gesamten Winkelbereich αmax der Projektionsvorrichtung, sodass rücklaufende Laserstrahlung eines jeden, in eine beliebige Richtung des Winkelbereichs α innerhalb des maximalen Winkelbereichs αmax emittierten Laserstrahls, von der Empfangsoptik erfasst und zur Detektion auf die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, projizierbar ist.In one embodiment of the laser range finding device, the angular range γ is greater than or equal to the maximum angular range α max . In this way, the entire angular range α periodically swept by the laser radiation by means of the projection device can be projected onto the detector device with α ≦ α max by means of the receiving device, in particular by means of the facet optical system. The angular range γ of the receiving optics preferably overlaps with the entire angular range α max of the projection device, so that returning laser radiation of each laser beam emitted in any direction of the angular range α within the maximum angular range α max is detected by the receiving optics and for detection on the detector device, in particular the detector element is projectable.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts besteht die Facettenoptik aus fünf Facetten in Form von fokussierenden optischen Linsen, insbesondere in Form von Laserstrahlung fokussierenden optischen Linsen, wobei die fünf Facetten einen Winkelbereich γ von zumindest 60° in fünf Winkelteilbereiche σ zu 12° aufteilen und jede der fünf Facetten den zugehörigen Winkelteilbereich σ von 12° auf die Detektorvorrichtung projiziert und/oder abbildet.In an exemplary embodiment of the laser range finding device, the facet optics consists of five facets in the form of focusing optical lenses, in particular in the form of laser lenses focusing optical lenses, the five facets an angular range γ of at least 60 ° in five angular portions σ divided into 12 ° and each of five facets projected and / or imaged the associated angle portion σ of 12 ° on the detector device.
Ein Winkelbereich γ von zumindest 60° stellt einen für die Realisierung des Laserentfernungsmessgeräts bevorzugten, anwendungsnahen Winkelbereich dar. Die Unterteilung des Winkelbereichs γ von zumindest 60° in fünf Winkelteilbereiche σ zu je 12° stellt ferner eine bevorzugte Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts dar, bei der die an die Empfangsoptik gestellten technischen Anforderungen – große Eintrittspupille pro Facette, Brennweite der Facettenoptik und dergleichen – sowie die hinsichtlich deren Fertigung zu berücksichtigen wirtschaftlichen Randbedingungen – Anzahl stark gekrümmter Oberflächen, Ausgestaltung der einzelnen Facettenlinsen und dergleichen – gegeneinander abgewogen sind. An angular range γ of at least 60 ° represents an application-oriented angular range which is preferred for the realization of the laser rangefinder. The subdivision of the angular range γ of at least 60 ° into five angular sub-ranges σ of 12 ° each further represents a preferred embodiment of the laser rangefinder in which the the receiving optics asked technical requirements - large entrance pupil per facet, focal length of the facet optics and the like - and with regard to their production to consider economic boundary conditions - number of strongly curved surfaces, design of the individual facet lenses and the like - are weighed against each other.
Es sei aber angemerkt, dass die Facettenoptik alternativ auch aus einer davon abweichenden Anzahl an Facetten mit unterschiedlichen Winkelteilbereichen σ und einem unterschiedlichen Winkelbereich γ ausgeführt sein kann.It should be noted, however, that the facet optics can alternatively also be embodied from a different number of facets with different angular subareas σ and a different angular range γ.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts ist die Facettenoptik einstückig realisiert, insbesondere als ein einstückiges Spritzgussbauteil oder ein Spritzprägebauteil realisiert.In one embodiment of the laser range finding device, the facet optics are realized in one piece, in particular realized as a one-piece injection-molded component or an injection-molded component.
Unter „einstückig“ ist insbesondere zu verstehen, dass die Facettenoptik als ein einzelnes, bevorzugt stoffschlüssiges Bauteil gefertigt ist, sodass es bevorzugt nicht aus mehreren einzelnen aneinander gefügten Facetten besteht und die einzelnen Facetten der Facettenoptik nicht voneinander gelöst werden können, ohne dabei zerstört zu werden.By "in one piece" is to be understood in particular that the faceted optics is made as a single, preferably cohesive component, so that it preferably does not consist of several individual facets joined together and the individual facets of the facet optics can not be detached from one another without being destroyed ,
In einer Ausführungsform ist die Facettenoptik als ein Spritzgussbauteil in einem Spritzgießverfahren hergestellt. Als ein Spritzgussbauteil wird die Facettenoptik unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs, insbesondere einer Spritzgießform, gefertigt, in die ein geeignetes Material eingespritzt und anschließend ausgehärtet wird. Insbesondere eignen sich zur Herstellung der Facettenoptik mittels eines Spritzgießverfahrens transparente Gläser oder Kunststoffmaterialien wie beispielsweise Polykarbonate, Polymethylmethacrylate oder Cyclo-Olefin-(Co)Polymere. Derart kann die Facettenoptik besonders einfach und wirtschaftlich kostengünstig gefertigt werden. Vorteilhafterweise kann ein nachträgliches Schleifen der Facettenoptik zur Einhaltung von Qualitätsanforderungen weitgehend vermieden werden.In one embodiment, the facet optic is manufactured as an injection molding component in an injection molding process. As an injection-molded component, the faceted optics is produced using an injection mold, in particular an injection mold, into which a suitable material is injected and then cured. In particular, transparent glasses or plastic materials such as, for example, polycarbonates, polymethyl methacrylates or cyclo-olefin (co) polymers are suitable for producing the faceted optics by means of an injection molding process. In this way, the faceted optics can be manufactured in a particularly simple and cost-effective manner. Advantageously, a subsequent grinding of the facet optics to comply with quality requirements can be largely avoided.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts weist die Detektorvorrichtung zumindest eine SPAD auf, bevorzugt ein SPAD-Array auf.In one embodiment of the laser range finding device, the detector device has at least one SPAD, preferably a SPAD array.
Eine Single-Photon-Avalanche-Diode, kurz SPAD, kann, sofern sie im sog. Geiger-Mode betrieben wird, die Eigenschaft aufweisen, dass sie nicht wie herkömmliche analog arbeitende lichtempfindliche Elemente ein von der auftreffenden Strahlung linear abhängiges Detektionssignal liefert, sondern mit jedem auftreffenden Photon ein einzelnes Signal erzeugt wird. Die SPAD weist ein paralysierbares Ansprechverhalten auf, sodass sie nach dem Auftreffen eines Photons für eine gewisse Totzeit, die im Bereich von beispielsweise 1 bis 100 ns liegen kann, nicht erneut aktivierbar ist. Die Zählrate, mit der eine SPAD auftreffende Photonen zählen kann, ist somit durch die Totzeit begrenzt. Bevorzugt weist die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, daher vorteilhaft anstatt einer einzigen großflächigen SPAD eine Vielzahl kleinerer SPADs in Form eines SPAD-Arrays auf. Vorzugsweise kann jeweils eine Mehrzahl von SPADs des SPAD-Arrays zu einem Pixel des Detektorelements zusammengefasst sein, wobei Detektionssignale von in einem einzelnen Pixel enthaltenen SPADs mit Hilfe eines Kombinierers, insbesondere eines ODER-Gatters oder in Form eines Busses, kombiniert werden. Auf diese Weise kann die von einem Pixel maximal erreichbare Photonenzählrate erhöht werden bzw. die Totzeit des Pixels zwischen einzelnen Detektionsereignissen verkürzt werden. Ferner kann zwischen einer SPAD und einem Kombinierer oder Bus ein Pulsverkürzer angeordnet sein, um ein von der SPAD generiertes digitales Signal zeitlich zu verkürzen und dadurch eine verkürzte Gesamttotzeit und eine erhöhte Photonenzählrate des Systems zu ermöglichen.A single-photon avalanche diode, SPAD for short, can, insofar as it is operated in the so-called Geiger mode, have the property that it does not deliver a detection signal linearly dependent on the incident radiation, as with conventional analog light-sensitive elements, but with a single signal is generated for each incident photon. The SPAD has a paralyzable response, so that it can not be reactivated after a photon has hit it for a certain dead time, which can range from, for example, 1 to 100 ns. The count rate with which a SPAD can count incident photons is thus limited by the dead time. The detector device, in particular the detector element, therefore advantageously has a multiplicity of smaller SPADs in the form of a SPAD array instead of a single large-area SPAD. Preferably, in each case a plurality of SPADs of the SPAD array can be combined to form a pixel of the detector element, wherein detection signals of SPADs contained in a single pixel are combined by means of a combiner, in particular an OR gate or in the form of a bus. In this way, the maximum achievable by a pixel photon counting rate can be increased or the dead time of the pixel between individual detection events are shortened. Further, a pulse shortener may be disposed between a SPAD and a combiner or bus to temporally shorten a digital signal generated by the SPAD, thereby enabling a shortened overall dead time and an increased photon counting rate of the system.
Auf Grund des digitalen Ausgangs der Detektorschaltung, insbesondere umfassend Kombinierer, ODER-Gatter oder dergleichen, kann vorteilhaft eine besonders schnelle und einfache Bereitstellung des Detektionssignals realisiert werden. Im Vergleich zu analogen lichtempfindlichen Elementen, beispielsweise Avalanche Photodioden (APDs), kann eine Detektions- und Signalbereitstellungsgeschwindigkeit erhöht werden.Due to the digital output of the detector circuit, in particular comprising combiners, OR gates or the like, advantageously a particularly fast and simple provision of the detection signal can be realized. Compared to analog photosensitive elements, such as avalanche photodiodes (APDs), a detection and signal delivery speed can be increased.
Da jede Facette der Empfangsoptik den auf das Zielobjekt projizierten Laserpunkt über einen Winkelteilbereich σ auf das Detektorelement abbildet, wandert der auf das Detektorelement projizierte Lichtpunkt des rücklaufenden Laserstrahls in Abhängigkeit von der Richtung, in die die Laserstrahlung emittiert wird, über das Detektorelement. Die Verwendung eines SPAD-Arrays erlaubt dabei vorteilhaft sicherzustellen, dass mittels der Facetten empfangene Laserstrahlung stets auf die Detektorvorrichtung, insbesondere auf das Detektorelement, projiziert wird. Insbesondere kann das SPAD-Array dafür eine in zumindest eine Richtung längliche (elongierte) Ausdehnung mit einer Vielzahl von SPADs aufweisen. Bevorzugt ist das SPAD-Array dabei derart ausgerichtet, dass diese längliche Ausdehnung des SPAD-Arrays in der Projektionsebene liegt.Since each facet of the receiving optics images the laser point projected onto the target object over an angular segment σ onto the detector element, the point of light of the returning laser beam projected onto the detector element migrates over the detector element as a function of the direction in which the laser radiation is emitted. The use of a SPAD array advantageously makes it possible to ensure that laser radiation received by means of the facets is always projected onto the detector device, in particular onto the detector element. In particular, the SPAD array may have an elongated (elongated) extent with a multiplicity of SPADs in at least one direction. In this case, the SPAD array is preferably oriented in such a way that this elongated extent of the SPAD array lies in the projection plane.
Es sei angemerkt, dass jedem optischen Aussendewinkel der Laserstrahlung eine entsprechend der Anzahl der Facetten mehrdeutige Position des abgebildeten Lichtpunkts auf dem Detektorelement zuordenbar ist. Bevorzugt kann die Mehrdeutigkeit durch eine eindeutige Zuordnung zwischen Abbild auf der Detektorvorrichtung und Laserpunkt auf dem Zielobjekt – d.h. zwischen Lichtpunkt auf der Detektorvorrichtung und dem optischen Aussendewinkel der emittierten Laserstrahlung – aufgelöst werden. It should be noted that an optical position corresponding to the number of facets ambiguous position of the imaged light spot on the detector element can be assigned to each optical transmission angle of the laser radiation. Preferably, the ambiguity can be resolved by an unambiguous association between the image on the detector device and the laser spot on the target object, ie between the light spot on the detector device and the optical transmission angle of the emitted laser radiation.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts projizieren die fokussierenden optischen Linsen der Facettenoptik Laserstrahlung derart auf das SPAD-Array der Detektorvorrichtung, dass zumindest 2 × 2 SPADs des SPAD-Arrays beleuchtet werden. Insbesondere werden zumindest 2 × 2 SPADs des SPAD-Arrays unter optimalen Abbildungsbedingungen beleuchtet.In one embodiment of the laser range finder, the facet optic focusing optical lenses project laser radiation onto the SPAD array of the detector device such that at least 2 × 2 SPADs of the SPAD array are illuminated. In particular, at least 2 × 2 SPADs of the SPAD array are illuminated under optimal imaging conditions.
Somit wird konstruktionsbedingt sichergestellt, dass ein projizierter oder abgebildeter Lichtpunkt des rücklaufenden Laserstrahls zumindest nicht kleiner ist als eine SPAD des SPAD-Arrays. Derart kann ausgeschlossen werden, dass sich Detektionslücken oder blinde Flecken im erfassbaren Gesichtsfeld bzw. Winkelbereich γ ergeben, die auftreten würden, wenn der Laserpunkt zwischen benachbarte aktive Flächen, insbesondere lichtempfindliche Flächen, der SPADs fällt. Insbesondere ist die Beleuchtung einer Mehrzahl von SPADs, insbesondere von zumindest 2 × 2 SPADs des SPAD-Arrays, wichtig, wenn die verwendeten SPADs des SPAD-Arrays einen niedrigen Füllfaktor, d.h. ein geringes Verhältnis aus lichtempfindlichen zu lichtunempfindlichen Flächen, aufweisen.Thus, it is ensured by design that a projected or imaged light spot of the returning laser beam is at least not smaller than a SPAD of the SPAD array. In this way, it can be ruled out that detection gaps or blind spots in the detectable field of view or angle range γ that would occur when the laser spot falls between adjacent active areas, in particular photosensitive areas, of the SPADs, are eliminated. In particular, illumination of a plurality of SPADs, particularly at least 2 × 2 SPADs of the SPAD array, is important if the SPADs of the SPAD array used have a low fill factor, i. a low ratio of light-sensitive to light-insensitive surfaces, have.
Das Erfordernis einer Beleuchtung von zumindest 2 × 2 SPADs des SPAD-Arrays kann in einer Ausführungsform über die Justage der fokussierenden optischen Linsen der Facettenoptik oder über das optische Design der Facettenoptik erreicht werden.The requirement for illumination of at least 2 × 2 SPADs of the SPAD array can be achieved in one embodiment by adjusting the focusing optical lenses of the facet optics or by the optical design of the facet optics.
Abschließend sei erwähnt, dass die vorhergehenden Ausführungen in analoger, dem Fachmann naheliegender Weise auch auf einen zweidimensionalen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessgeräts übertragbar sind. In einem derartigen Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl mittels einer alternativ ausgestalteten Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen Raumwinkelbereich A periodisch überstreichend ausgesendet. Die Empfangsoptik weist ferner eine zweidimensional ausgestaltete Facettenoptik auf, mittels der aus dem Raumwinkelbereich Г rücklaufendes Laserlicht zur Detektion auf die Detektorvorrichtung projiziert, bevorzugt abgebildet wird. Die einzelnen Facetten unterteilen den Raumwinkelbereich Г dabei in Raumwinkelteilbereiche Σ.Finally, it should be mentioned that the preceding remarks in an analogous manner obvious to the person skilled in the art can also be applied to a two-dimensional application of the laser range finding device according to the invention. In such an embodiment, the laser beam is transmitted by means of an alternatively configured projection device of the transmitting device a solid angle range A periodically sweeping. The receiving optical system furthermore has a two-dimensionally configured facet optical system, by means of which laser light returning from the solid angle range γ is projected onto the detector device for detection, preferably being imaged. The individual facets divide the solid angle range Г into solid angle partial ranges Σ.
Ferner wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung einer Distanz auf einer Oberfläche eines entfernten Objekts mittels des erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessgeräts vorgeschlagen, bei dem
- • Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen Winkelbereich α periodisch überstreichend auf ein entferntes Objekt hin ausgesendet wird,
- • von dem entfernten Objekt rücklaufende Laserstrahlung mittels einer Facettenoptik auf zumindest eine Detektorvorrichtung projiziert wird,
- • wobei Entfernungen in verschiedene Relativrichtungen zwischen dem Laserentfernungsmessgerät und dem entfernten Objekt sowie Winkel zwischen den Relativrichtungen ermittelt werden und unter Verwendung trigonometrischer Funktionen aus zumindest zwei in unterschiedliche Relativrichtungen ermittelten Entfernungen sowie dem zwischen diesen zumindest zwei Relativrichtungen eingeschlossenen Winkel die Distanz auf der Oberfläche des entfernten Objekts berechnet wird.
- Laser radiation is transmitted by means of a projection device of the transmitting device an angle range α periodically sweeping towards a distant object,
- • laser radiation returning from the remote object is projected onto at least one detector device by means of facet optics,
- Wherein distances in different relative directions between the laser range finder and the remote object and angles between the relative directions are determined and using trigonometric functions from at least two distances determined in different relative directions and the included between these at least two relative directions the distance on the surface of the remote object is calculated.
In einer Ausführungsform kann die Laserstrahlung in einem für das menschliche Auge sichtbaren spektralen Wellenlängenbereich, d.h. insbesondere zwischen 380 nm bis 780 nm, liegen. Vorteilhaft kann ein Bediener des Laserentfernungsmessgeräts die von dem Laserentfernungsmessgerät emittierte Laserstrahlung ohne Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel erkennen und insbesondere deren Projektion auf ein entferntes Objekt als projizierte Lasermarkierung wahrnehmen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Laserstrahlung auch in einem für das menschliche Auge unsichtbaren spektralen Wellenlängenbereich, d.h. insbesondere unterhalb von 380 nm oder oberhalb von 780 nm, liegen. In diesem Fall ist die von dem Laserentfernungsmessgerät emittierte Laserstrahlung für den Bediener des Laserentfernungsmessgeräts lediglich unter Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel (beispielsweise einer Infrarotkamera bei Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von Infrarot) erkennbar.In one embodiment, the laser radiation may be in a spectral wavelength range visible to the human eye, i. in particular between 380 nm to 780 nm. Advantageously, an operator of the laser distance measuring device can recognize the laser radiation emitted by the laser distance measuring device without the aid of optical aids and, in particular, perceive its projection onto a distant object as projected laser marking. In an alternative embodiment, the laser radiation may also be present in a spectral wavelength range invisible to the human eye, i. especially below 380 nm or above 780 nm. In this case, the laser radiation emitted by the laser rangefinder is recognizable to the operator of the laser rangefinder only with the aid of optical aids (for example an infrared camera with laser radiation in the wavelength range of infrared).
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung einer Distanz wird die Laserstrahlung den Winkelbereich α derart periodisch überstreichend ausgesendet, dass auf dem entfernten Objekt eine projizierte Laserlinie dargestellt wird.In one embodiment of the method for determining a distance, the laser radiation is emitted periodically sweeping the angle range α such that a projected laser line is displayed on the remote object.
Vorzugsweise wird die Laserstrahlung mittels eines Laserstrahllenkmittels kontinuierlich über einen insbesondere konstanten, bevorzugt vorgebbaren, Winkelbereich α, ausgesendet. Die periodische Überstreichung des Winkelbereichs α erfolgt insbesondere mit einer Frequenz größer als 20 Hz, vorzugsweise größer als 40 Hz, besonders bevorzugt größer als 60 Hz. Bei einer hohen periodischen Wiederholrate der Auslenkung des Laserstrahls wird der mittels Laserstrahl auf das Zielobjekt projizierte Laserpunkt derart zügig über das Zielobjekt bewegt, dass ein Betrachter, insbesondere der Bediener des Laserentfernungsmessgeräts, auf dem entfernten Objekt eine projizierte, insbesondere durchgezogene, bevorzugt kontinuierlich leuchtende Projektionslinie oder Laserlinie wahrnimmt, die insbesondere der zu vermessenden Strecke entspricht.Preferably, the laser radiation is transmitted by means of a laser beam steering means continuously over a particular constant, preferably predeterminable, angular range α. The periodic sweep of the angular range α is carried out in particular with a frequency greater than 20 Hz, preferably greater than 40 Hz, more preferably greater than 60 Hz. At a high periodic repetition rate of the deflection of the laser beam of the means Laser beam projected onto the target object laser point so quickly moved over the target object that a viewer, in particular the operator of the laser rangefinder on the remote object a projected, especially solid, preferably continuously lit projection line or laser line perceives that corresponds in particular to the track to be measured.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung einer Distanz wird eine Länge einer Strecke auf dem entfernten Objekt, die periodisch von der Laserstrahlung überstrichen wird, insbesondere die Länge der projizierten Laserlinie ermittelt. Insbesondere wird die Länge der Strecke unter Verwendung trigonometrischer Funktionen aus zumindest zwei in unterschiedliche Relativrichtungen ermittelten Entfernungen sowie dem zwischen diesen zumindest zwei Relativrichtungen eingeschlossenen Winkel berechnet.In one embodiment of the method for determining a distance, a length of a distance on the remote object which is swept periodically by the laser radiation, in particular the length of the projected laser line, is determined. In particular, the length of the route is calculated using trigonometric functions from at least two distances determined in different relative directions as well as the angle enclosed between these at least two relative directions.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung einer Distanz wird die Projektionsvorrichtung in einem Betriebszustand des Laserentfernungsmessgeräts derart gesteuert und/oder geregelt, dass die Strecke auf dem entfernten Objekt, die periodisch von der Laserstrahlung überstrichen wird, insbesondere die projizierte Laserlinie, eine vorgebbare Länge einnimmt.In one embodiment of the method for determining a distance, the projection device is controlled and / or regulated in an operating state of the laser rangefinder such that the distance on the remote object, which is swept periodically by the laser radiation, in particular the projected laser line, assumes a predeterminable length.
Auf diese Weise kann ein Bediener des Laserentfernungsmessgeräts besonders komfortabel Strecken auf einem entfernten Gegenstand darstellen und insbesondere hinsichtlich einer Länge überprüfen. Beispielsweise kann der Bediener sehr schnell überprüfen, ob ein Schrank mit einer gegebenen Breite in eine vorhandene Nische passt. Unter einem „Betriebszustand“ soll hier ein von einem Bediener beeinflussbarer Zustand, zumindest der Steuervorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts, verstanden werden, in dem die Steuervorrichtung von einem Bediener wählbare Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen ausführt. In this way, an operator of the laser rangefinder can be particularly comfortable represent distances on a remote object and check in particular with regard to a length. For example, the operator can quickly check if a cabinet of a given width fits into an existing niche. An "operating state" is to be understood here as an operator-influenceable state, at least of the control device of the laser range finding device, in which the control device executes operator-selectable control routines, control routines and / or calculation routines.
Die Steuervorrichtung regelt die Länge der projizierten Linie, indem die Entfernung der Endpunkte, zwischen denen der ausgesendete Laserstrahl periodisch hin- und herbewegt wird, zunächst ermittelt und mit dem, insbesondere von dem Bediener, vorgegebenen Längenwert verglichen wird. Anschließend verändert die Steuervorrichtung den Winkel zwischen den zwei Relativrichtungen, die die Länge der projizierten Linie definieren bzw. begrenzen, derart, dass die Endpunkte in der vorgegebenen Entfernung voneinander beabstandet angeordnet sind. The control device regulates the length of the projected line by first determining the distance of the end points between which the emitted laser beam is reciprocated and comparing it with the length value predetermined by the operator in particular. Subsequently, the control device alters the angle between the two relative directions which define the length of the projected line, such that the end points are spaced apart from each other by the predetermined distance.
Zur benutzerfreundlichen Eingabe eines Längenwerts und/oder eines Winkels zwischen den zwei Relativrichtungen, die den Winkelbereich α definieren und begrenzen, kann das Laserentfernungsmessgerät eine Eingabeeinheit aufweisen, mittels der ein Winkel und/oder ein Längenwert einstellbar und/oder eingebbar ist.For user-friendly input of a length value and / or an angle between the two relative directions which define and limit the angle range α, the laser rangefinder can have an input unit by means of which an angle and / or a length value can be set and / or entered.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente. The invention is explained in more detail in the following description with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations. Like reference numerals in the figures indicate like elements.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die im Folgenden anhand der Figuren beschriebenen Grundsätze des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts
Das Laserentfernungsmessgerät
Das Laserentfernungsmessgerät
Das handgehaltene Laserentfernungsmessgerät
Das Laserentfernungsmessgerät
Die Sendevorrichtung
Der Mikrospiegel
Die Steuereinheit
Mittels der in
Wird die Laserstrahlung
Ferner ist die Steuereinheit
Unter einem Betriebsmodus soll ein von einem Bediener beeinflussbarer Betriebszustand, zumindest ein Betriebszustand der Steuervorrichtung
Unter Regeln soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Steuervorrichtung
Die von einer Oberfläche des Zielobjekts
Aus einem zwischen der ausgesendeten Laserstrahlung
Wie in den
Es sei angemerkt, dass die genannten Zahlenwerte betreffend die Facettenoptik
Die Facettenoptik
In
Wie in
In dem Betriebsmodus, in dem das Laserentfernungsmessgerät
Die grafische Darstellung der
Vorteilhaft kann eine eindeutige Zuordnung zwischen Abbild auf der Detektorvorrichtung
Die Facettenoptik
Unter Verwendung des Laserentfernungsmessgeräts
Wie in
Die Wahl einer lichtdurchlässigen Facette
Die Wahl der abbildenden Facette
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts
In
Von dem Zielobjekt
In einem dritten Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
Ferner kann in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt
Der Ablauf des Verfahrens wiederholt sich, wie in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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