WO2018210491A1 - Laserentfernungsmessgerät - Google Patents

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WO2018210491A1
WO2018210491A1 PCT/EP2018/059228 EP2018059228W WO2018210491A1 WO 2018210491 A1 WO2018210491 A1 WO 2018210491A1 EP 2018059228 W EP2018059228 W EP 2018059228W WO 2018210491 A1 WO2018210491 A1 WO 2018210491A1
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laser radiation
angular
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Bernd Schmidtke
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a laser distance measuring apparatus, in particular for controlling the power of a emitted laser radiation of a Laserentfernungsmessgerats, according to the preamble of claim 1.
  • the present invention further relates to a Laserentfernungsmessgerat according to the preamble of claim. 7
  • Laser distance measuring devices have already been proposed in which laser radiation by means of a projection device of a transmitting device is emitted periodically by sweeping over an angular range, for example in DE 10 2015 223 024 A1. Furthermore, methods have already been proposed for controlling the power of a laser radiation emitted by laser devices, in particular rotary lasers, for example in DE 10 2010 031 634 A1.
  • the invention is based on a laser rangefinder, in particular a hand-held laser rangefinder, with at least one Transmitting device for emitting a laser radiation, a receiving optical system for receiving from a remote object returning laser radiation and at least one detector device for detecting received laser radiation, the laser radiation by means of a projection device of the transmitting device according to a time-dependent angular function ß (t) an angle range a repeatedly scanned becomes, so that in particular a projected laser line on the remote object can be displayed.
  • a laser distance measuring device serves, in particular, for measuring distances in different relative directions as well as the subsequent calculation of a distance to be measured indirectly on the remote object, as described in detail in DE 10 2015 223 024 A1.
  • the projected laser line can also be interrupted, for example as a dotted line, and thus represent line patterns or deviations from a continuous line.
  • the laser range finder 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.
  • the total mass of the laser rangefinder is in particular less than 500 g, preferably less than 250 g.
  • all the components of the measuring device are accommodated in a housing substantially enclosing the components.
  • 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.
  • the hand-held laser range finder can be used to measure objects or interiors in crafting activities.
  • the laser range finding device according to the invention can also be realized as a stationary device and / or used as a stationary device.
  • the laser range finding device according to the invention in a vehicle, in particular in a motor vehicle used.
  • the integrated or in the vehicle stationary provided laser rangefinder 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 braking device used.
  • the transmitting device of the laser distance measuring device for emitting laser radiation has at least one laser radiation source, for example in the form of a semiconductor laser or a laser diode.
  • the laser radiation source is intended to emit temporally continuously modulated laser radiation in the direction of a distant object-also synonymously in the following: in the direction of a target object.
  • continuous modulated in this context is meant that the high frequency RF modulation period (typically used in the
  • Nanosecond range is very small compared to the period of the angular trajectory (typically several hundred microseconds to tens of milliseconds), so that the variation of the instantaneous radiation emission on the time scale caused by the RF modulation does not limit the variation of the angular trajectory with respect to the eye safety relevant radiation emission.
  • the RF modulation can be a continuous-wave modulation (cw modulation) or a quasi-continuous-wave modulation (qcw modulation).
  • the laser power within a time interval that is small compared to the period of the angular trajectory but at the same time large compared to the RF modulation period can be averaged and therefore considered to be constant.
  • the laser radiation may be in a spectral wavelength range visible to the human eye, ie in particular between 380 nm and 780 nm.
  • an operator of the laser range finding device can read the laser radiation emitted from the laser range finder without assistance Recognize optical aids and in particular perceive their projection on a distant object as a projected laser marking.
  • the transmitting device is intended to emit laser radiation in different directions, in particular in different relative directions with respect to the laser distance measuring device and / or with respect to a reference direction.
  • the transmitting device is intended to emit laser radiation in accordance with a time-dependent angular function ⁇ (t) in such a way that a laser beam representing the laser radiation repeats, in particular periodically repeats, the angular range.
  • 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.
  • 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.
  • SLM spatial light modulator
  • 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.
  • the laser beam steering means continuously pivots the emitted laser beam over a particularly constant, in particular predefinable, angular range.
  • the projection device and / or a control device of the Laser distance measuring device is provided to detect, control and / or regulate an angle of the emitted laser radiation, ie in particular an angle between relative directions of the emitted laser radiation.
  • the projection device allows the laser beam to emit the angular range it repeats, in particular periodically, by swiping the laser beam back and forth between two relative directions which define and limit the angular range, 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 sweeps over the angular range repeatedly, in particular periodically, ie it is deflected repeatedly, in particular periodically
  • the repeated, in particular periodic, sweeping of the angular range takes place in particular with a frequency greater than 20 Hz, preferably greater than 40 Hz, particularly preferably greater than 60 Hz.
  • the laser beam projects onto the target object Moving laser point so quickly 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 réellenim mt, which corresponds in particular to a distance to be measured (see. DE 10 2015 223 024 A1).
  • the projected laser line can also be interrupted, for example realized as a dotted line, and thus may include line patterns or deviations from a continuous line.
  • the angle function ß (t) denotes the function of that angle over the
  • the angle function ⁇ (t) can also be referred to as an angle trajectory.
  • the derivation of the angular function ⁇ (t) according to the time gives the time-dependent angular velocity ⁇ (t) and characterizes the function of that angular velocity over time, the laser beam Adopts time-dependent, if he in the angular range he scanning, ie the angle range he repeatedly repeating, sent out.
  • the projection device of the transmitting device has at least one at least one dimensionally deflectable mirror, under the use of which laser radiation under changeable, in particular periodically changeable, relative directions in the angular range it can be emitted and emitted during operation.
  • the mirror in accordance with a time-dependent angular function ⁇ (t), the laser radiation is repeatedly transmitted over the angular range.
  • the at least one mirror can be realized as a micromirror.
  • a micromirror has a mirror surface greater than 0.5 mm 2 , advantageously greater than 1 mm 2 , particularly advantageously greater than 2 mm 2 .
  • the mirror surface is pivotable by means of an electrical signal, in particular via at least one electrostatic or electromagnetic actuator, at least in one direction.
  • 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.
  • a maximum angle range cr max in which the laser radiation by means of the projection device of the transmitting device, the angular range it is repeatedly scrapped, at least 30 degrees, preferably at least 60 degrees, more preferably at least 90 degrees.
  • the projection device is accordingly designed to deflect the laser beam in a maximum angular range cr max of at least 30 degrees, preferably of at least 60 degrees, particularly 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.
  • the deflection of the laser beam takes place in the corresponding angular range continuously or quasi-continuously, ie in particular with steps of less than 0.01 degrees.
  • 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.
  • optical elements may be provided which favorably focus and / or collimate the laser beam.
  • An object reflected and / or scattered by the target illuminated by the emitted laser beam, i. returning laser beam is at least partially detected by the laser rangefinder and used to determine a distance to be measured.
  • the returning laser beam is at least partially detected by means of a detector device for detecting received light, in particular received returning laser radiation.
  • 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.
  • detector element is understood to mean radiation-sensitive, in particular light-sensitive elements such as photodiodes, for example PIN diodes or avalanche photo diodes (APD), but also (modulated) CCD chips and CMOS pixels.
  • the detector device has at least one SPAD, preferably a SPAD array.
  • SPAD single-photon avalanche diode
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the laser beam returning from the target object, in particular by reflection and / or scattering is received using a receiving optical system.
  • the receiving optics is intended to receive light and in particular laser radiation from an angular range ⁇ and to project or image onto the detector device, in particular the detector element.
  • the receiving optics are provided to receive light and, in particular, laser radiation from a plurality of different angle subareas ⁇ and to project it onto the detector device.
  • the receiving optics for this purpose a laser radiation from an angular range ⁇ on the detector device projecting facet optics.
  • the angular range ⁇ includes at least the angular range a or encloses it.
  • the receiving optics in the form of the facet optics, light and in particular laser radiation can be projected onto the detector device from a wide angular range ⁇ .
  • "Facet optics” is to be understood in particular as receiving optics which divide the angular range ⁇ -the so-called field of view of the receiving optics-into angular sub-ranges ⁇ -and thus into partial-visual fields-where each angular sub-range ⁇ is projected onto the detector device, in particular its detector element
  • the angular subareas ⁇ are each projected, preferably imaged, onto one facet of the facet optical system
  • laser radiation which is emitted by the projection device at a large transmission angle from the laser rangefinder, can be detected by the facet be projected onto the detector device so that a determination of the distance is also possible in directions under great deflection of the emitted laser radiation.
  • the facet optics consists of a plurality of n facets in the form of focusing optical lenses, the n facets dividing the angular range ⁇ into the number n of angle facets ⁇ corresponding to the facets and each of the n facets assigning the corresponding angular range ⁇ to the detector device projected.
  • 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.
  • the laser range finding device is provided to determine a specific number of distances with different relative directions, in particular in a timely manner, in the angular range a on a plane (also referred to below as the projection plane).
  • 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 relative to the laser rangefinder or relative to a component of the laser rangefinder.
  • 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.
  • the maximum permitted power of the laser radiation emitted by the laser device is limited by the laser protection class on which the laser device is based.
  • the maximum allowable power and thus the laser protection class of such laser devices is chosen so that the human eye is protected at random view in the laser beam.
  • the maximum permissible power of the emitted laser radiation depends on the operating mode in which the laser device, in particular the laser range finder, is operated.
  • the laser beam sweeps over an angular range ⁇ defined by a pupil of a human eye in a defined time interval ⁇ t.
  • the time interval ⁇ t depends in particular on the time dependence of the angular function ⁇ (t) (and also on the distance of the observer, on the diameter of the pupil, on the accommodation thereof, etc.).
  • the time-dependent angle function ⁇ (t) is given or described by a trigonometric function, in particular a sine function or a cosine function or a superposition of these functions, or by any periodic function that can be represented in particular by a Fourier series development.
  • a trigonometric function in particular a sine function or a cosine function or a superposition of these functions, or by any periodic function that can be represented in particular by a Fourier series development.
  • time-dependent angular function ⁇ (t) on the basis of the properties of the electronically controlled projection device used for the scanner - ie for example an electromagnetic actuator of a micromirror - is necessary and / or advantageous.
  • a sine function as a time-dependent angular function ⁇ (t) due to its vibration behavior is suitable for an electromagnetically driven micromirror.
  • the laser safety standard IEC 60825-1 Ed.3.0 specifies conditions for a
  • the laser protection specification prescribes a threshold value for optical power of laser radiation incident on the retina of an observer depending on a wavelength and duration of exposure used.
  • the method according to the invention makes it possible to control the power of the laser radiation emitted by the laser rangefinder in a particularly advantageous manner and thus to make particularly good use of it without the risk of endangering persons in the vicinity of the laser
  • Laser rangefinder are to increase.
  • the inventive method for controlling a laser rangefinder starts from the described
  • Laser distance measuring device with at least one transmitting device for emitting a laser radiation, receiving optics for receiving laser radiation returning from a remote object, and at least one detecting device for detecting received laser radiation, in which laser radiation by means of a projection device of the transmitting device in accordance with a time-dependent angular function ⁇ (t) An angular range is repeatedly transmitted to a distant object, so that in particular a projected laser line can be displayed on the remote object.
  • Receiving optics is projected onto at least one detector device.
  • the power of the emitted laser radiation using the control device of the Laserentfernungsmessgerats according to a power control function p (t) depending on the time-dependent
  • Angular function ß (t) controlled wherein the power control function p (t) a continuous, non-linear function of the amount of derivative of the time-dependent
  • Angular function ß (t) is.
  • the continuous, nonlinear function differs from the magnitude function.
  • the power control function can be described by a formula:
  • the invention relates to an optimized choice of the power control function p (t) by the
  • Power control function p (t) is selected in a continuous, non-linear manner depending on the amount of the time-dependent angular function ß (t).
  • the power control function p (t) is a power function
  • a profile with which the power of the emitted laser radiation is changed from a minimum value to a maximum value (or vice versa is reduced from a maximum value to a minimum value) can advantageously be influenced.
  • trigonometric Angular trajectories ie trigonometric time-dependent angular functions ⁇ (t), for example a sinusoidal time-dependent angular functions ⁇ (t), can in this way the integral radiation power of the emitted laser radiation over the trajectory, ie averaged over the angular range swept by the emitted laser beam, with the same laser protection class increase.
  • y> 1 is selected.
  • y ⁇ 1 is selected.
  • a maximum allowable optical energy can be particularly well utilized, which is allowed to reach the retina of an observer in a time interval At, which is defined by the angular velocity ⁇ (t) of the laser radiation repeatedly repeating the angular range , This advantageous utilization of the optical energy applies to visible laser radiation and to time intervals ⁇ t in a range from 5 microseconds to 10 seconds.
  • the derivative (ie, the angular velocity .beta. (T)) of the time-dependent angular function .beta. (T) is determined from a measured angular velocity of the at least one-dimensionally deflectable mirror of the projection device of the transmitting device, under whose use the laser radiation repeatedly sweeps the angular region is sent out to the distant object.
  • the time-dependent angular function ⁇ (t) is returned by determining an impact position
  • the derivative i.e.
  • the laser range finder operates scanning over the angular range a, i. the laser radiation by means of the projection device of
  • the transmitting device repeatedly transmits the angular range a, only one laser point of the field of view of the receiving optics will be emitted at any one time. in the angular range ⁇ , illuminated.
  • an unambiguous assignment between the pixel on the detector device and the laser spot on the target object can advantageously be determined, for example by the
  • Deflection angle of the projection device be enabled.
  • Each facet of the receiving optics images the laser point projected onto the target object over an angular segment ⁇ onto the detector element, the point of light of the returning laser beam being projected onto the detector element being deflected by the laser beam in dependence on the direction in which the laser radiation is emitted
  • the impact position of the returning laser beam on the detector element can be determined particularly accurately, in particular by specifying pixel coordinates of the impact position. From this determined position - especially from the time-dependent change of this position
  • the power of the emitted laser radiation using the control device of the laser range finding device according to the power control function p (t) depending on the time-dependent
  • Laser rangefinder can be determined. Consequently, an instantaneously adapted activation and / or control and / or regulation of the actual deflection angle of the emitted laser radiation Power of the laser radiation for each repetitive operation during which the angular range a repeated sweeping emitted emission of laser radiation can be realized. It should be noted that in connection with the
  • the method can be characterized by a time-dependent angle function ⁇ (t), which is given by a trigonometric function, in particular a sine function or a cosine function, or by any periodic function, which can be represented in particular by a Fourier series development.
  • Figure 1 is a perspective view of an embodiment of the laser range finding device according to the invention in the form of a hand-held 1 D-line laser rangefinder;
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the hand-held 1 D-line laser rangefinder of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of the hand-held 1 D line
  • a laser rangefinder of Figure 1 located in an exemplary environment to be measured is an illustration of coordinates (a) of the projected light spot on the detector element and (b) the laser spot on the surface of the target object plotted against the emission angle of the emitted laser beam; (c) is a schematic representation of a section of a laser beam irradiated SPAD array having a plurality of SPADs;
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for controlling a laser distance measuring device
  • Figure 6 is a schematic representation of the physical-mathematical
  • Figure 7a shows a schematic course of an inventive
  • FIG. 7b shows a schematic progression to that shown in FIG. 7a
  • FIG. 1 shows a perspective view of an exemplary embodiment of a laser range finding device 10 in the form of a hand-held 1 D-line laser rangefinder 10 ', which can be used, for example, for activities in the field of craftsmanship, for example in the measurement of objects or interior spaces.
  • a laser range finding device 10 in the form of a hand-held 1 D-line laser rangefinder 10 ', which can be used, for example, for activities in the field of craftsmanship, for example in the measurement of objects or interior spaces.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of FIG. 3, in which the laser range finding device 10 is used in an environment to be measured.
  • the essential components of the laser range finding device 10 are shown schematically in a sectional view of the laser rangefinder 10 in FIG.
  • the laser range finding device 10 has a housing 12, a display 14 and actuating elements 16 for switching on and off the housing Laser distance measuring device 10 and to start or configure a measuring operation on. Furthermore, the laser range finding device 10 has a power supply device (not shown) in the form of a lithium-ion battery for its power supply.
  • the housing 12 accommodates the relevant and / or useful components of the laser range finding device 10 for the operation of the laser range finding device 10.
  • the housing 12 preferably encloses these components and thus protects them against the ingress of contaminants, moisture and against mechanical action as a result of impacts or the like.
  • the laser range finder 10 is operated using a control device 18 for driving the functional components of the laser range finder 10.
  • the control device 18 is connected to these components by signal technology.
  • the control device 18 should in particular be understood to mean a device having at least one control electronics, the means for communication with the other components of the laser range finding device 10, for example means for controlling and / or regulating a projection device 20 and / or data processing means and / or further Professional has deemed appropriate means.
  • the control device 18 sets operating function parameters of the laser distance measuring device 10 as a function of at least one operator input and / or an evaluation result of a measurement.
  • the control electronics of the control device 18 is meant, for example, a processor unit in connection with a memory unit and with an operating program stored in the memory unit, which is executed during the control process.
  • the controller 18 allows the laser range finder 10 to be controlled and enabled to operate.
  • the control device 18 communicates with the other functional components of the laser rangefinder 10, in particular at least one projection device 20, a detector device 22, a data communication interface 24, the display 14 and actuators 16, as well as other components that appear appropriate to those skilled in the art.
  • the hand-held laser range finder 10 is designed to be guided by an operator with one hand.
  • the total mass of the laser rangefinder is less than 250 g and the dimension of the longest side is less than 15 cm.
  • the laser distance measuring device 10 has a transmitting device 28 shown in more detail in FIG. 2 for generating and emitting time-modulated laser radiation 30.
  • the transmitting device 28 comprises a laser diode 32 for generating time-modulated laser radiation, in particular continuouswave-modulated (cw-modulated) laser radiation.
  • cw-modulated continuouswave-modulated
  • Laser distance measuring device 10 to a target object 34 is sent in the operation of the laser range finding device 10 substantially collimated laser radiation 30 via a transmitting optics 36 of the transmitting device 28 in the direction of the target object 34.
  • the transmitting optics 36 consists in the embodiment of the hand-held illustrated in FIG.
  • Laser distance measuring device 10 from lenses 36b, 36c, a beam collimator 36d and an integrated into the housing 12 of the laser rangefinder 10 exit window 36a.
  • the transmitting device 28 of the laser rangefinder 10 has a
  • Projection device 20 by means of the laser radiation 30 using a laser beam steering means 38 in different directions - synonymous with the following: in different relative directions 84a, 84b, 84c (see Figure 3) - with different outside angles 40 (see Figure 3) with respect to the Laser rangefinder 10 or a reference direction 42, of which
  • Laser distance measuring device 10 can be emitted (see Figure 3).
  • the laser beam steering means 38 is realized in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 as a micromirror 38 '.
  • the micromirror 38 ' has a mirror surface of approximately 1 mm 2 and is deflectably mounted in a one-dimensional direction, as indicated in FIG. 2 by a small bidirectional arrow next to the micromirror 38'.
  • micromirror 38 ' is connected to an actuator 44, here an electrostatic actuator, which, using a control unit 20' of the Projection device 20 is driven, so that the micromirror 38 'defined in one-dimensional direction and in particular can be continuously pivoted or deflected over an angular range of at least 30 °.
  • panning is to be understood as panning with steps of less than 0.005 degrees. Such can be done by means of the control unit
  • the transmission angle 40 (see Figure 3), under which the laser radiation 30 is emitted from the housing 12 of the Laserentfernungsmessgerats 10, predetermined and adjusted in one-dimensional direction, in particular controlled and / or regulated. Since the micromirror 38 'can be pivoted in one-dimensional direction, the laser radiation 30 emitted in various relative directions 84a, 84b, 84c biases a projection plane ("laser fan") (see FIG.
  • the control unit 20 'of the projection device 20 allows the angle at which the laser radiation 30 is emitted relative to the laser range finder 10 or a reference direction 42 to be adjusted.
  • the term “adjust” should be understood to mean that the control unit 20 'outputs at least one parameter which is intended to control and / or regulate the actuator 44 of the laser beam steering means 38 for adjusting the relative direction 84a, 84b, 84c becomes the angle under which the
  • Laser radiation 30 relative to the laser distance measuring device 10 or a reference direction 42 is emitted, according to a time-dependent angular function ß (t) (reference numeral 92, see Figure 6) controlled and / or regulated.
  • ß (t) reference numeral 92, see Figure 6
  • the angular function ⁇ (t) (92) characterizes the function of that angle over time which the laser radiation 30 sweeps over in a time-dependent manner if it is in one
  • Angular range he scanning, i. an angular range it is repeatedly scanned, sent out.
  • the laser radiation 30 is emitted under changeable, in particular periodically changeable, relative directions in the angular range.
  • the laser radiation 30 using the micromirror 38 ' according to the time-dependent angular function ß (t) (92) the angular range he
  • the emitted laser radiation 30 can also be continuous over an angular range (reference 46) of up to 60 degrees be pivoted, in particular be pivoted periodically.
  • the emitted laser radiation 30 lies in the so-called projection plane.
  • the projection plane is defined by those two laser beams (in relative directions 84a, 84b in FIG. 3) of the laser radiation 30, which are emitted with positive and negative full excursion of the micromirror 38 '.
  • a laser spot 48 projected onto the target object 34 by means of the laser radiation 30 moves continuously over the surface of the target object 34 3 represents a bidirectional arrow 50, which symbolizes the periodic swinging back and forth of the laser point 48.
  • the emitted laser radiation 30 sweeps the angular range er (46) repeatedly, in particular periodically, in particular in a periodic and / or cyclical reciprocating movement between two end points 54a, 54b of the movement.
  • the repeated sweeping of the angular range er (46) takes place with a frequency greater than 20 Hz.
  • the laser spot 48 projected onto the target object 34 by means of laser radiation 30 is moved so quickly over the target object 34 that a viewer on the target object 34 has a projected, solid line and continuously lit projection line or laser line 52 perceives.
  • the laser radiation 30 '(see FIG. 4c) reflected and / or backscattered by a surface of the target object 34 is transmitted via a receiving optics 56 of FIG Laserentfernungsmessgerats 10 on a detector element 22 'of a detector device 22 and detected there detected.
  • the detector device 22 together with the detector element 22 ' is shown in FIG.
  • the detector device 22 comprises a SPAD array 58 as detector element 22 '(cf., in particular, FIG. 4c).
  • the SPAD array 58 has an elongated shape in the direction of the projection plane (not shown here in detail).
  • the dimensions of the SPAD array 58 are 10 mm in the projection plane and 1 mm perpendicular to it.
  • the SPAD array 58 delivers a spatially resolved detection signal.
  • the SPAD array 58 consists of a multiplicity of uncoupled or coupled, in particular couplable, SPADs 58 '.
  • the SPAD array 58 comprises 500x50 photosensitive SPADs 58 '.
  • the detector device 22 is signal-wise connected to the control device 18 of the laser range finding device 10 for the transmission of detection signals.
  • phase comparison can by means of the control device 18 of the laser range finding device 10, in particular an evaluation unit of the control device 18, determines a light transit time and the speed of light, the distance between the laser rangefinder 10 and the point of impact on the target object 34 are determined.
  • the specific distance corresponds to the distance of the laser distance measuring device 10 from the target object 34 in the direction of the laser radiation 30 emitted at this time to the target object 34.
  • Distance measuring values in the direction of the emitted laser radiation 30 determined by the control device 18 from the control device 18 are subsequently output by the control device 18 of the laser range finding device 10 further processed and / or output by means of a data communication interface 24 of the laser range finding device 10 to an operator of the laser rangefinder 10.
  • a data communication interface 24 of the laser range finding device 10 to an operator of the laser rangefinder 10.
  • an output can be made using the display 14.
  • the distance measurement value can also be used for further processing Using the data communication interface 24 to another device, such as a mobile data processing device such as a smartphone, a tablet, a PC, a computer or the like, are transmitted.
  • the laser range finding device 10 has a receiving optical system 56, which comprises at least one laser radiation 30 'from an angular range ⁇ (60) for detecting facet optics 62 projecting onto the detector device 22.
  • the angle range ⁇ (60) of the receiving optics 56 completely encloses the angular range a (46), which can be emitted or emitted into the laser radiation 30 by means of the projection device 20.
  • the angular range ⁇ (60) encompasses the angular range cr max (itself not shown in greater detail), which represents the maximum angular range a (46) of 60 degrees which can be swept by laser radiation 30 here.
  • the faceted optics 62 consists in the illustrated embodiment of five facets 64a, 64b, 64c, 64d, 64e (see also Figure 2, hereinafter also: 64a-e) in the form of focusing lenses.
  • Each facet 64a-e images an angle subarea ⁇ (reference numerals 66a-e) of 12 ° onto the detector device 22.
  • ⁇ reference numerals 66a-e
  • the laser range finder 10 In the operating mode in which the laser range finder 10 is scanning, i. E. the laser radiation 30 by means of the projection device 20 of the transmitting device 28, the angular range he (reference numeral 46) repeatedly scanned is transmitted (see Figure 3), at any time only one laser point 48 of the field of view of the receiving optics 56 from the angular range ⁇ (60) illuminated , In this case, the laser point 48 is typically located in the angular range ⁇ (66a-e) of one, in particular a single, facet 64a-e.
  • the graph of FIG. 4b illustrates the dependence of the position 76 of the laser spot 48 of the emitted laser radiation 30 projected on the target object 34 from the emission angle 40 of the emitted laser radiation 30 (optical transmission angle) in the projection plane-and thus indirectly from the pivot angle of the micromirror 38 '(mechanical deflection angle) - dar.
  • the mechanical tilt angle is given by half the value of the optical transmission angle 40.
  • the ordinate of the graph in FIG. 4b is given in arbitrary units.
  • Figure 4a shows in an analogous manner the position 78a-e of each of the five facets 64a-e on the detector element 22 'imaged light spots 80 depending on the transmission angle 40 of the emitted laser radiation 30 (optical transmission angle) in the projection plane - and thus again indirectly from Swivel angle of the micromirror 38 '(mechanical deflection angle).
  • each facet 64a-e images the laser point 48 projected onto the target object 34 by at least 12 degrees onto the detector element 22 'via an angular sub-region ⁇ (66a-e, see FIG.
  • the entire angular range ⁇ (60) imaged on the detector element 22 ' is given as the sum of the angular sub-ranges ⁇ (66a-e) of 60 degrees.
  • Each optical transmission angle 40 of the laser radiation 30 can be unambiguously assigned a position 78a-e of the imaged light point 80 on the detector element 22 '.
  • a clear association between image on the detector device 22 and laser point 48 on the target object 34 - ie between light spot 80 on the detector device 22 and the optical transmission angle 40 of the emitted laser radiation 30 - are possible.
  • FIG. 4c a section of the SPAD array 58 with a plurality of SPADs 58 'schematically illustrates how 2x2 SPADs 58' of the SPAD array 58 are illuminated by the light spot 80 of incident laser radiation 30 '.
  • the arrangement of the four illuminated SPADs 58 'in 2 * 2 arrangement is indicated in Figure 4c by reference numeral 88.
  • the laser range finding device 10 it is possible for the operator to perform a multiplicity of distance measurements in the repeatedly swept angle range a (46) in various relative directions 84a, 84b, 84c of the laser radiation 30 in a timely manner, ie in particular within one second. Due to the design of the laser range finding device 10 is a comfortable, indirect measurement of a distance between two reachable only with laser beams, inaccessible points on the target object 34 possible without the laser rangefinder 10 at one of the points must be created.
  • the distance to be determined indirectly is determined by using trigonometric functions from a plurality of distance measurements in different relative directions 84a, 84b, 84c between the laser rangefinder 10 and the target 34 and the angles included between the relative directions 84a, 84b, 84c by the control device 18 of the laser rangefinder 10.
  • the measurement and / or projection of such a distance is measured with a push of a button within a short period of time, in particular less than one second.
  • the operator may advantageously stay in a spaced-apart position during the measuring process.
  • a marking of the route to be measured in the form of the projected laser line 52 is possible.
  • FIG. 5 shows a method diagram which illustrates an embodiment of the method according to the invention for controlling the laser range finding device.
  • a first method step 100 cw-modulated laser radiation 30 by means of the projection device 20 of the transmitting device 28 according to a time-dependent angular function ß (t) (92) an angular range he
  • the laser range finder 10 emits the laser beam 30 periodically sweeping the angular range (46) so that a visually perceptible projected laser line 52 is displayed on the remote target 34.
  • Laser radiation 30 'returning from the target object 34 is projected onto the detector device 22 in a second method step 102 by means of the facet optical system 62.
  • the time-dependent angular function ⁇ (t) (92) is determined, for example from the deflection angle of the micromirror 38 '.
  • the angular velocity ⁇ (t) i. the derivation of the time-dependent angular function ß (t) (92), from an instantaneously measured angular velocity of the
  • Micromirror 38 'of the projection device 20 can be determined. Subsequently, in method step 106, the time-dependent power control function p (t)
  • the power control function 90 is called a power function
  • Laser radiation 30 thus advantageously avoids a hazard situation in which glaring of persons by the emitted laser radiation 30 can cause damage to the eye - while simultaneously increasing the transmission power, in particular the transmission power averaged over a mirror period.
  • the sequence of the method is repeated, as shown in Figure 5 by an arrow.
  • FIG. 6 shows graphically a physical-mathematical description of the method according to the invention by means of a graph.
  • the graph shows a laser beam itrajection ß (t) of the during scanning
  • ß (t) ß - sin (2n F - t - ⁇ p) + ß 0 .
  • Angular velocity ⁇ (t) in the end points 54a, 54b in the end points 54a, 54b.
  • the angular function ß (t) (92) changes at a different rate, ie the derivative of the angular function ß (t) varies with time.
  • the laser beam 30 emitted by scanning passes over an angular range ⁇ defined by a pupil of a human eye in a defined manner
  • time interval j At time interval j.
  • the time interval ⁇ t j depends decisively on the time dependence of the angular function ⁇ (t) (92).
  • An admissible time interval of a glare of the human eye varies as a function of the angular velocity ⁇ (t)
  • the radiated power of the laser radiation 30 as a function of the angular function ⁇ (t) is selected accordingly:
  • the power can be used to determine the course of the power emitted by the power function
  • Laser radiation 30 is changed from a minimum value to a maximum value (or vice versa is reduced from a maximum value to a minimum value), are favorably influenced.
  • the area under a respective curve can advantageously be increased with decreasing ⁇ and thus the radiated energy (corresponding to the area under a respective curve) can be increased.
  • FIG. 7b shows an exemplary, angle-dependent limit value 94 (circles), which results according to the selected angle function ⁇ (t) as a sine function.
  • the angular velocity of the sinusoidal trajectory is maximal at a small projection angle (the angular zero crossing of the trajectory is simultaneously achieved at the highest angular velocity).
  • ⁇ ⁇ 1 the accessible radiation emission, in particular even at high projection angles, can be increased in a simple manner until the limit value 94 is reached or exhausted.
  • the utilization of the radiation emission in this example becomes particularly advantageous, without an increase in the risk of glare caused by the emitted laser radiation 30.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Laserentfernungsmessgeräts (10, 10') vorgeschlagen, bei dem Laserstrahlung (30) mittels einer Projektionsvorrichtung (20) einer Sendevorrichtung (28) gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) einen Winkelbereich a (46) wiederholt überstreichend auf ein entferntes Objekt (34) hin ausgesendet wird. Erfindungsgemäß wird die Leistung der Laserstrahlung (30) unter Verwendung einer Steuervorrichtung (18) des Laserentfernungsmessgeräts (10, 10') gemäß einer Leistungsregelungsfunktion p(t) (90) in Abhängigkeit der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) gesteuert, wobei die Leistungsregelungsfunktion p(t) (90) eine stetige, nichtlineare Funktion des Betrags der Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) ist. Ferner wird ein Laserentfernungsmessgerät (10, 10') zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Beschreibung Titel
Laserentfernungsmessgerat
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Laserentfernungsmessgerats, insbesondere zur Steuerung der Leistung einer ausgesendeten Laserstrahlung eines Laserentfernungsmessgerats, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Laserentfernungsmessgerat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Es sind bereits Laserentfernungsmessgeräte vorgeschlagen worden, bei denen Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung einer Sendevorrichtung einen Winkelbereich periodisch überstreichend ausgesendet wird, beispielsweise in DE 10 2015 223 024 A1 . Ferner sind bereits Verfahren zur Steuerung der Leistung einer ausgesendeten Laserstrahlung von Lasergeräten, insbesondere von Rotationslasern, vorgeschlagen worden, beispielsweise in DE 10 2010 031 634 A1.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Laserentfernungsmessgerät, insbesondere einem handgehaltenen Laserentfernungsmessgerät, mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden einer 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 gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) einen Winkelbereich a wiederholt überstreichend ausgesendet wird, sodass insbesondere eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist. Ein derartiges Laserentfernungsmessgerät dient insbesondere der Vermessung von Distanzen in unterschiedliche Relativrichtungen sowie der anschließenden Berechnung einer indirekt zu vermessenden Strecke auf dem entfernten Objekt, wie dies ausführlich in DE 10 2015 223 024 A1 beschrieben ist. Die projizierte Laserlinie kann dabei natürlich auch unterbrochen sein, beispielsweise als eine gepunktete Linie, und somit Linien-Muster oder Abweichungen von einer ununterbrochenen Linie darstellen.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts 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. Dazu beträgt die Gesamtmasse des Laserentfernungsmessgeräts insbesondere weniger als 500 g, bevorzugt weniger als 250 g. Ferner sind in einer 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 einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Laserentfernungsmessgerät auch als stationäre Vorrichtung realisiert sein und/oder als stationäre Vorrichtung verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Laserentfernungsmessgerät in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendet. In einer derart gestalteten Ausführungsform kann das integrierte bzw. im Fahrzeug stationär vorgesehene Laserentfernungsmessgerät 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.
Die Sendevorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts zum Aussenden von Laserstrahlung weist zumindest eine Laserstrahlungsquelle auf, beispielsweise in Form eines Halbleiterlasers oder einer Laserdiode. Die Laserstrahlungsquelle ist dazu vorgesehen, zeitlich kontinuierlich modulierte Laserstrahlung in Richtung eines entfernten Objekts - im Folgenden auch synonym dazu: in Richtung eines Zielobjekts - auszusenden. Unter „kontinuierlich moduliert" ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die für die Entfernungsmessung verwendete hochfrequente HF-Modulationsperiode (typischerweise im
Nanosekundenbereich) sehr klein ist gegenüber der Periode der Winkeltrajektorie (typisch erweise einige hundert Mikro- bis einige zehn Millisekunden), sodass die durch die HF-Modulation bedingte Variation der instantanen Strahlungsemmission auf der Zeitskala der Variation der Winkeltrajektorie bezüglich der augensicherheitsrelevanten Strahlungsemission nicht limitierend wirkt. Unter diese Definition kontinuierlich modulierter Strahlung fallen insbesondere auch nicht rein periodische HF-Modulationen, die zur Entfernungsmessung verwendet werden können, z.B. Pulszugmuster. Insbesondere kann es sich bei der HF-Modulation um eine continuous-wave- Modulation (cw-Modulation) oder um eine quasi-continuous-wave-Modulation (qcw-Modulation) handeln. Mit anderen Worten, für augensicherheitsrelevante Abschätzungen kann die Laserleistung innerhalb eines Zeitintervalls, das klein gegenüber der Periode der Winkeltrajektorie aber gleichzeitig groß gegenüber der HF-Modulationsperiode ist, gemittelt und damit als konstant angesehen werden. 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. In dieser Ausführungsform 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.
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 Anwendungsund/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt oder dazu ausgelegt ist, die Funktion zu erfüllen.
Die Sendevorrichtung ist dazu vorgesehen, Laserstrahlung in unterschiedliche Richtungen, insbesondere in unterschiedliche Relativrichtungen bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät und/oder bezogen auf eine Referenzrichtung, auszusenden. Die Sendevorrichtung ist dazu vorgesehen, Laserstrahlung gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) derart auszusenden, dass ein die Laserstrahlung repräsentierender Laserstrahl den Winkelbereich er wiederholt, insbesondere periodisch wiederholt, 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.
Das Laserstrahllenkmittel schwenkt den emittierten Laserstrahl kontinuierlich über einen insbesondere konstanten, insbesondere vorgebbaren, Winkelbereich er . 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 zu regeln. In einer Ausführungsform erlaubt die Projektionsvorrichtung, den Laserstrahl den Winkelbereich er wiederholt, insbesondere periodisch, überstreichend auszusenden, indem der Laserstrahl zwischen zwei Relativrichtungen, die den Winkelbereich er 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 er wiederholt, insbesondere periodisch, d.h. er wird wiederholt, insbesondere periodisch, ausgelenkt. Die wiederholte, insbesondere periodische, Überstreichung des Winkelbereichs er erfolgt insbesondere mit einer Frequenz größer als 20 Hz, vorzugsweise größer als 40 Hz, besonders bevorzugt größer als 60 Hz. Bei einer hohen 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 einer zu vermessenden Strecke entspricht (vgl. DE 10 2015 223 024 A1 ). Es sei nochmals erwähnt, dass die projizierte Laserlinie auch unterbrochen sein kann, beispielsweise als eine gepunktete Linie realisiert, und somit Linien-Muster oder Abweichungen von einer ununterbrochenen Linie umfassen kann.
Die Winkelfunktion ß(t) kennzeichnet die Funktion desjenigen Winkels über der
Zeit, den der Laserstrahl zeitabhängig überstreicht, wenn er in dem Winkelbereich er scannend, d.h. den Winkelbereich er wiederholt überstreichend, ausgesendet wird. Die Winkelfunktion ß(t) kann auch als Winkeltrajektorie bezeichnet werden. Die Ableitung der Winkelfunktion ß(t) nach der Zeit ergibt die zeitabhängige Winkelgeschwindigkeit ß(t) und kennzeichnet die Funktion derjenigen Winkelgeschwindigkeit über der Zeit, die der Laserstrahl zeitabhängig einnimmt, wenn er in dem Winkelbereich er scannend, d.h. den Winkelbereich er wiederholt überstreichend, ausgesendet wird.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts weist die Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung zumindest einen zumindest eindimensional auslenkbar gelagerten Spiegel auf, unter dessen Verwendung Laserstrahlung unter veränderbaren, insbesondere periodisch veränderbaren, Relativrichtungen in dem Winkelbereich er ausgesendet werden kann und im Betrieb ausgesendet wird. Insbesondere wird Laserstrahlung unter Verwendung des Spiegels gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) den Winkelbereich er wiederholt überstreichend ausgesendet.
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 oder elektromagnetischen 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.
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts beträgt ein maximaler Winkelbereich crmax , in dem die Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung den Winkelbereich er wiederholt überstreichend ausgesendet wird, zumindest 30 Grad, bevorzugt zumindest 60 Grad, besonders bevorzugt zumindest 90 Grad. Die Projektionsvorrichtung ist dementsprechend dazu ausgelegt, den Laserstrahl in einem maximalen Winkelbereich crmax 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.
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.
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 des Laserentfernungsmessgeräts weist die Detektorvorrichtung zumindest eine SPAD auf, bevorzugt ein SPAD-Array auf. 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.
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. 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 ε zu empfangen und auf die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, zu projizieren oder abzubilden. In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts ist die Empfangsoptik dazu vorgesehen, Licht und insbesondere Laserstrahlung aus mehreren, unterschiedlichen Winkelteilbereichen σ zu empfangen und auf die Detektorvorrichtung zu projizieren. In einer Ausführungsform weist die Empfangsoptik dazu eine Laserstrahlung aus einem Winkelbereich ε auf die Detektorvorrichtung projizierende Facettenoptik auf. In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts umfasst der Winkelbereich ε zumindest den Winkelbereich a bzw. schließt diesen ein.
Mittels der Empfangsoptik in Form der Facettenoptik lässt sich Licht und insbesondere Laserstrahlung aus einem weiten Winkelbereich ε auf die Detektorvorrichtung projizieren. Unter einer„Facettenoptik" ist insbesondere eine Empfangsoptik zu verstehen, die den Winkelbereich ε - 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. Insbesondere werden die Winkelteilbereiche σ mit je einer Facette der Facettenoptik auf die Detektorvorrichtung projiziert, bevorzugt abgebildet. Auf diese Weise kann mittels der Facettenoptik als Empfangsoptik von einem entfernten Objekt rücklaufende, d.h. insbesondere reflektierte und/oder gestreute, Laserstrahlung aus einem großen Winkelbereich ε auf die Detektorvorrichtung, insbesondere das Detektorelement, projiziert, bevorzugt abgebildet werden. 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. 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 ε in der Anzahl n der Facetten entsprechende Winkelteilbereiche σ aufteilt und jede der n Facetten den zugehörigen Winkelteilbereich σ auf die Detektorvorrichtung projiziert.
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. In einer Ausführungsform ist das Laserentfernungsmessgerät dazu vorgesehen, auf einer Ebene - im Folgenden auch Projektionsebene genannt - in dem Winkelbereich a eine bestimmte Anzahl von Distanzen mit unterschiedlichen Relativrichtungen, insbesondere zeitnah, zu bestimmen. Dazu erfasst das Laserentfernungsmessgerät, insbesondere dessen Projektionsvorrichtung und/oder dessen Steuervorrichtung, eine Ausrichtung der Relativrichtungen, insbesondere relativ zueinander und/oder 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.
Bei Lasergeräten, insbesondere Laserentfernungsmessgeräten der beschriebenen Art, die ohne Schutzmaßnahmen wie Schutzbrillen eingesetzt werden dürfen, ist die maximal erlaubte Leistung der von dem Lasergerät ausgesendeten Laserstrahlung durch die dem Lasergerät zu Grunde gelegte Laserschutzklasse begrenzt. Typischerweise ist die maximal erlaubte Leistung und somit die Laserschutzklasse derartiger Lasergeräte so gewählt, dass das menschliche Auge bei zufälligem Blick in den Laserstrahl geschützt ist. Unter anderem hängt die maximal erlaubte Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung vom Betriebsmodus, in dem das Lasergerät, insbesondere das Laserentfernungsmessgerät, betrieben wird, ab.
Auf Grund des scannenden Betriebs, bei dem der ausgesendete Laserstrahl den Winkelbereich a überstreichend ausgesendet wird, überstreicht der Laserstrahl einen von einer Pupille eines menschlichen Auges definierten Winkelbereich Δβ in einem definierten Zeitintervall At . Das Zeitintervall At hängt dabei insbesondere von der Zeitabhängigkeit der Winkelfunktion ß(t) ab (ferner auch von der Entfernung des Beobachters, von dessen Pupillendurchmesser, von dessen Akkommodation etc).
In einer Ausführungsform des Laserentfernungsmessgeräts ist die zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) durch eine trigonometrische Funktion, insbesondere eine Sinusfunktion oder eine Cosinusfunktion oder eine Überlagerung dieser Funktionen, oder durch eine beliebige periodische, insbesondere durch eine Fourierreihenentwicklung darstellbare, Funktion gegeben oder beschreibbar. Diese zeitabhängigen Winkelfunktionen oder Winkeltrajektorien bewirken jeweils eine erhöhte Verweildauer des emittierten Laserstrahls in den Bereichen der Umkehrpunkte des wiederholt überstrichenen Winkelbereichs er , da in diesen
Bereichen die Winkelgeschwindigkeit ß(t) zunächst reduziert und anschließend umgekehrt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Wahl einer bestimmten zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) auf Grund der Eigenschaften der für den Scanner verwendeten elektronisch angesteuerten Projektionsvorrichtung - d.h. beispielsweise eines elektromagnetischen Aktors eines Mikrospiegels - notwendig und/oder vorteilhaft sein. So ist beispielsweise für einen elektromagnetisch angetriebenen Mikrospiegel eine Sinusfunktion als zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) auf Grund dessen Schwingverhaltens geeignet. Diese zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) kann beispielsweise wie folgt definiert sein: ß(t) = ß - sin(2n F - t - <p) + ß0 ,
mit der Wiederholrate F , der Auslenkamplitude ß , dem Auslenkoffset ß0 und der Phasenlage φ. In der Laserschutzvorschrift IEC 60825-1 Ed.3.0 werden Bedingungen für eine
Klassifizierung eines Lasergerätes festgelegt - d.h. einzuhaltende Bedingungen, damit ein Lasergerät ohne gesonderte Schutzmaßnahmen wie eine Schutzbrille verwendet werden darf. Insbesondere schreibt die Laserschutzvorschrift abhängig von einer verwendeten Wellenlänge und Einwirkungsdauer einen Grenzwert für auf die Netzhaut eines Beobachters einfallende optische Leistung von Laserstrahlung vor. Vor dem Hintergrund derartiger Rahmenbedingungen bzw. Grenzwerte erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, die Leistung der von dem Laserentfernungsmessgerät ausgesendeten Laserstrahlung besonders vorteilhaft zu steuern und somit besonders gut auszunutzen, ohne das Risiko einer Gefährdung von Personen, die sich in der Umgebung des
Laserentfernungsmessgeräts befinden, zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Laserentfernungsmessgeräts, insbesondere des handgehaltenen Laserentfernungsmessgeräts, geht aus von dem beschriebenen
Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden einer Laserstrahlung, einer Empfangsoptik zum Empfangen von von einem entfernten Objekt rücklaufender Laserstrahlung, sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung zum Detektieren von empfangener Laserstrahlung, bei dem · Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) einen Winkelbereich er wiederholt überstreichend auf ein entferntes Objekt hin ausgesendet wird, sodass insbesondere eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist,
· von dem entfernten Objekt rücklaufende Laserstrahlung mittels einer
Empfangsoptik auf zumindest eine Detektorvorrichtung projiziert wird. Erfindungsgemäß wird die Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung unter Verwendung der Steuervorrichtung des Laserentfernungsmessgerats gemäß einer Leistungsregelungsfunktion p(t) in Abhängigkeit der zeitabhängigen
Winkelfunktion ß(t) gesteuert, wobei die Leistungsregelungsfunktion p(t) eine stetige, nichtlineare Funktion des Betrags der Ableitung der zeitabhängigen
Winkelfunktion ß(t) ist. Insbesondere unterscheidet sich die stetige, nichtlineare Funktion von der Betragsfunktion. Die Leistungsregelungsfunktion kann durch eine Formel beschrieben sein:
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mit p als Leistungsskalierungsparameter, der inklusive Toleranzen so gewählt wird, dass die zugängliche Leistung der Laserstrahlung unter der für die Laserschutzklasse geforderten Grenze liegt. Folglich betrifft die Erfindung eine optimierte Wahl der Leistungsregelungsfunktion p(t) , indem die
Leistungsregelungsfunktion p(t) in stetiger, nichtlinearer Weise vom Betrag der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) abhängig gewählt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Ansatz für beliebige Winkeltrajektorien anwendbar ist. Ferner sei darauf hingewiesen, dass unter der stetigen, nichtlinearen Funktion nicht bereits die Betragsfunktion zu verstehen ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Leistungsregelungsfunktion p(t) eine Potenzfunktion
Figure imgf000014_0002
des Betrags der Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) , wobei für den Exponenten gilt: γ ^ 1 . Die Wahl der Potenzfunktion eröffnet die Möglichkeit, ein
Verhältnis der maximal abgestrahlten Leistung und der minimal abgestrahlten Leistung zu beeinflussen, und auf diese Weise die abgestrahlte Laserleistung zu optimieren. Ferner kann insbesondere ein Verlauf, mit dem die Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung von einem Minimalwert auf einen Maximalwert verändert wird (oder umgekehrt von einem Maximalwert auf einen Minimalwert verringert wird), vorteilhaft beeinflusst werden. Insbesondere für trigonometrische Winkeltrajektorien, d.h. trigonometrische zeitabhängige Winkelfunktionen ß(t) , beispielsweise eine sinusförmige zeitabhängige Winkelfunktionen ß(t) , kann auf diese Weise die integrale Abstrahlungsleistung der emittierten Laserstrahlung über der Trajektorie, d.h. gemittelt über den von dem emittierten Laserstrahl überstrichenen Winkelbereich er , bei gleichbleibender Laserschutzklasse erhöht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird y > 1 gewählt. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird y < 1 gewählt. Insbesondere wird in einer Ausführungsform des Verfahrens γ = 0,25 gewählt. Insbesondere unter Verwendung von γ = 0,25 kann eine maximal zulässige optische Energie besonders gut ausgenutzt werden, welche die Netzhaut eines Beobachters in einem Zeitintervall At erreichen darf, das von der Winkelgeschwindigkeit ß(t) der den Winkelbereich er wiederholt überstreichend ausgesendeten Laserstrahlung definiert ist. Diese vorteilhafte Ausnutzung der optischen Energie gilt für sichtbare Laserstrahlung und für Zeitintervalle At in einem Bereich von 5 Mikrosekunden bis zu 10 Sekunden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Ableitung (d.h. die Winkelgeschwindigkeit ß(t) ) der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) aus einer gemessenen Winkelgeschwindigkeit des zumindest eindimensional auslenkbar gelagerten Spiegels der Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung ermittelt, unter dessen Verwendung die Laserstrahlung den Winkelbereich er wiederholt überstreichend auf das entfernte Objekt hin ausgesendet wird. Alternativ oder zusätzlich wird in einer Ausführungsform des Verfahrens die zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) durch Ermittlung einer Auftreffposition rücklaufender
Laserstrahlung auf dem Detektorelement der Detektorvorrichtung, insbesondere auf dem SPAD-Array der Detektorvorrichtung, ermittelt. Alternativ oder wiederum zusätzlich wird in einer Ausführungsform des Verfahrens die Ableitung (d.h. die
Winkelgeschwindigkeit ß(t) ) der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) durch
Ermittlung einer zeitabhängigen Änderung der Auftreffposition rücklaufender Laserstrahlung auf dem Detektorelement der Detektorvorrichtung, insbesondere auf dem SPAD-Array der Detektorvorrichtung, ermittelt.
Da das Laserentfernungsmessgerät über den Winkelbereich a scannend arbeitet, d.h. die Laserstrahlung mittels der Projektionsvorrichtung der
Sendevorrichtung den Winkelbereich a wiederholt überstreichend ausgesendet wird, wird zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Laserpunkt des Gesichtsfeldes der Empfangsoptik, d.h. in dem Winkelbereich ε, beleuchtet. Dadurch kann vorteilhaft eine eindeutige Zuordnung zwischen Bildpunkt auf der Detektorvorrichtung und Laserpunkt auf dem Zielobjekt - beispielsweise bestimmt durch den
Auslenkwinkel der Projektionsvorrichtung - ermöglicht werden. Jede Facette der Empfangsoptik bildet den auf das Zielobjekt projizierten Laserpunkt über einen Winkelteilbereich σ auf das Detektorelement ab, wobei der auf das Detektorelement projizierte Lichtpunkt des rücklaufenden Laserstrahls in Abhängigkeit von der Richtung, in die die Laserstrahlung emittiert wird, über das
Detektorelement wandert. Unter Verwendung eines SPAD-Arrays kann in einer Ausführungsform die Auftreffposition des rücklaufenden Laserstrahls auf dem Detektorelement besonders genau, insbesondere durch Angabe von Pixelkoordinaten der Auftreff position, bestimmt werden. Aus dieser ermittelten Position - insbesondere auch aus der zeitabhängigen Änderung dieser Position
- kann anschließend die zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) - insbesondere die
Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) - bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wird somit die Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung unter Verwendung der Steuervorrichtung des Laserentfernungsmessgeräts gemäß der Leistungsregelungsfunktion p(t) in Abhängigkeit der zeitabhängigen
Winkelfunktion ß(t) oder in Abhängigkeit der Ableitung der zeitabhängigen
Winkelfunktion ß(t) gesteuert, wobei die zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) und/oder die Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) auf besonders einfache Weise direkt aus den Messergebnissen des
Laserentfernungsmessgeräts ermittelt werden. Folglich kann eine an den tatsächlich vorliegenden Auslenkwinkel der ausgesendeten Laserstrahlung instantan angepasste Ansteuerung und/oder Steuerung und/oder Regelung der Leistung der Laserstrahlung für jeden Wiederholvorgang während der den Winkelbereich a wiederholt überstreichend ausgesendeten Emission von Laserstrahlung realisiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die im Zusammenhang mit dem
Laserentfernungsmessgerat beschriebenen Merkmale gleichwohl auch auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragbar sind. Beispielsweise kann das Verfahren in einer Ausführungsform durch eine zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) gekennzeichnet sein, die durch eine trigonometrische Funktion, insbesondere eine Sinusfunktion oder eine Cosinusfunktion, oder durch eine beliebige periodische, insbesondere durch eine Fourierreihenentwicklung darstellbare, Funktion gegeben ist.
Zeichnungen
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. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessgeräts in Form eines handgehaltenen 1 D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts;
Figur 2 eine schematische Schnittansicht des handgehaltenen 1 D- Linien-Laserentfernungsmessgeräts aus Figur 1 ;
Figur 3 eine schematische Aufsicht auf das handgehaltene 1 D-Linien-
Laserentfernungsmessgerät aus Figur 1 , das sich in einem exemplarischen, zu vermessenden Umfeld befindet; Figur 4 eine Darstellung von Koordinaten (a) des projizierten Lichtpunkts auf dem Detektorelement und (b) des Laserpunkts auf der Oberfläche des Zielobjekts aufgetragen über dem Aussendewinkel des emittierten Laserstrahls; (c) eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines von rücklaufender Laserstrahlung beleuchteten SPAD-Arrays mit einer Mehrzahl von SPADs;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Laserentfernungsmessgeräts; Figur 6 eine schematische Darstellung des physikalisch-mathematischen
Zusammenhangs des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 7a einen schematischen Verlauf einer erfindungsgemäßen
Leistungsregelungsfunktion für verschieden gewählte Werte von ;
Figur 7b einen schematischen Verlauf der zu den in Figur 7a dargestellten
Leistungsregelungsfunktionen gehörenden Strahlungsemission zu verschiedenen Werten von y .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Laserentfernungsmessgeräts 10 in Form eines handgehaltenen 1 D-Linien- Laserentfernungsmessgeräts 10', wie es beispielsweise bei Tätigkeiten im handwerklichen Bereich, beispielsweise bei der Vermessung von Gegenständen oder Innenräumen, einsetzbar ist. Ein derartiger Einsatz im Rahmen einer exemplarischen Messkonstellation ist in schematischer Aufsicht in Figur 3 dargestellt, in der das Laserentfernungsmessgerät 10 in einem zu vermessenden Umfeld eingesetzt wird. Die zum Betrieb wesentlichen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10 sind in einer Schnittdarstellung des Laserentfernungsmessgeräts 10 in Figur 2 schematisch dargestellt.
Das Laserentfernungsmessgerät 10 weist wie in Figur 1 dargestellt ein Gehäuse 12, ein Display 14 sowie Betätigungselemente 16 zum Ein- und Ausschalten des Laserentfernungsmessgeräts 10 und zum Starten bzw. Konfigurieren eines Messvorgangs auf. Ferner weist das Laserentfernungsmessgerät 10 zu dessen Energieversorgung eine nicht näher dargestellte Energieversorgungsvorrichtung in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators auf. Das Gehäuse 12 nimmt die für den Betrieb des Laserentfernungsmessgeräts 10 relevanten und/oder sinnvollen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10 auf. Bevorzugt umschließt das Gehäuse 12 diese Komponenten und schützt sie somit gegen Eindringen von Verunreinigungen, Feuchtigkeit sowie vor mechanischer Einwirkung in Folge von Stößen oder dergleichen.
Das Laserentfernungsmessgerät 10 wird unter Verwendung einer Steuervorrichtung 18 zur Ansteuerung der funktionalen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10 betrieben. Die Steuervorrichtung 18 ist dazu mit diesen Komponenten signaltechnisch verbunden. Unter der Steuervorrichtung 18 soll insbesondere eine Vorrichtung mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden, die Mittel zur Kommunikation mit den anderen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10, beispielsweise Mittel zur Steuerung und/oder Regelung einer Projektionsvorrichtung 20 und/oder Mittel zur Datenverarbeitung und/oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Mittel aufweist. Die Steuervorrichtung 18 stellt Betriebsfunktionsparameter des Laserentfernungsmessgeräts 10 in Abhängigkeit von zumindest einer Bedienerereingabe und/oder einem Auswerteergebnis einer Messung ein. Unter der Steuerelektronik der Steuervorrichtung 18 ist beispielsweise eine Prozessoreinheit in Verbindung mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm zu verstehen, das während des Steuervorgangs ausgeführt wird. Die Steuervorrichtung 18 erlaubt, das Laserentfernungsmessgerät 10 zu steuern und dessen Betrieb zu ermöglichen. Die Steuervorrichtung 18 kommuniziert dazu mit den anderen funktionalen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10, insbesondere zumindest einer Projektionsvorrichtung 20, einer Detektorvorrichtung 22, einer Datenkommunikationsschnittstelle 24, dem Display 14 und Betätigungselementen 16, sowie weiteren, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Komponenten. Das handgehaltene Laserentfernungsmessgerät 10 ist dazu vorgesehen mit einer Hand von einem Bediener geführt zu werden. Die Gesamtmasse des Laserentfernungsmessgeräts beträgt weniger als 250 g und die Abmessung der längsten Seite beträgt weniger als 15 cm.
Das Laserentfernungsmessgerät 10 weist eine in Figur 2 näher dargestellte Sendevorrichtung 28 zur Erzeugung und Aussendung zeitlich modulierter Laserstrahlung 30 auf. Die Sendevorrichtung 28 umfasst dabei eine Laserdiode 32 zur Erzeugung zeitlich modulierter Laserstrahlung, insbesondere continuous- wave-modulierter (cw-moduliert) Laserstrahlung. Zur Messung des Abstands des
Laserentfernungsmessgeräts 10 zu einem Zielobjekt 34 (vgl. Figur 3) wird im Betrieb des Laserentfernungsmessgeräts 10 im Wesentlichen kollimierte Laserstrahlung 30 über eine Sendeoptik 36 der Sendevorrichtung 28 in Richtung des Zielobjekts 34 gesendet. Die Sendeoptik 36 besteht in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform des handgehaltenen
Laserentfernungsmessgeräts 10 aus Linsen 36b, 36c, einem Strahlkollimator 36d sowie einem in das Gehäuse 12 des Laserentfernungsmessgeräts 10 integrierten Austrittsfenster 36a. Die Sendevorrichtung 28 des Laserentfernungsmessgeräts 10 weist eine
Projektionsvorrichtung 20 auf, mittels der Laserstrahlung 30 unter Verwendung eines Laserstrahllenkmittels 38 in unterschiedliche Richtungen - synonym dazu im Folgenden: in unterschiedliche Relativrichtungen 84a, 84b, 84c (vgl. Figur 3) - mit verschiedenen Aussendewinkeln 40 (vgl. Figur 3) bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät 10 oder eine Referenzrichtung 42, von dem
Laserentfernungsmessgerät 10 emittiert werden kann (vgl. Figur 3). Das Laserstrahllenkmittel 38 ist in dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Mikrospiegel 38' realisiert. Der Mikrospiegel 38' weist eine Spiegelfläche von ca. 1 mm2 auf und ist in eindimensionaler Richtung auslenkbar gelagert, wie in der Figur 2 durch einen kleinen bidirektionalen Pfeil neben dem Mikrospiegel 38' angedeutet ist.
Der Mikrospiegel 38' ist mit einem Aktor 44 verbunden, hier einem elektrostatischen Aktor, der unter Verwendung einer Steuereinheit 20' der Projektionsvorrichtung 20 angesteuert wird, sodass der Mikrospiegel 38' in eindimensionaler Richtung definiert und insbesondere kontinuierlich über einen Winkelbereich von zumindest 30° geschwenkt bzw. ausgelenkt werden kann. Unter kontinuierlich schwenken ist insbesondere ein Schwenken mit Schritten von weniger als 0.005 Grad zu verstehen. Derart kann mittels der Steuereinheit
20' der Projektionsvorrichtung 20 der Aussendewinkel 40 (vgl. Figur 3), unter dem die Laserstrahlung 30 aus dem Gehäuse 12 des Laserentfernungsmessgerats 10 emittiert wird, in eindimensionaler Richtung vorgegeben und eingestellt, insbesondere gesteuert und/oder geregelt werden. Da der Mikrospiegel 38' in eindimensionaler Richtung verschwenkbar ist, spannt die in verschiedenen Relativrichtungen 84a, 84b, 84c emittierte Laserstrahlung 30 eine Projektionsebene („Laser-Fächer") auf (vgl. Figur 3).
Die Steuereinheit 20' der Projektionsvorrichtung 20 erlaubt, den Winkel, unter dem die Laserstrahlung 30 bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät 10 oder eine Referenzrichtung 42 emittiert wird, einzustellen. Insbesondere soll unter dem Begriff„einstellen" verstanden werden, dass die Steuereinheit 20' zumindest eine Kenngröße ausgibt, die dazu vorgesehen ist, den Aktor 44 des Laserstrahllenkmittels 38 zur Verstellung der Relativrichtung 84a, 84b, 84c zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere wird der Winkel, unter dem die
Laserstrahlung 30 bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät 10 oder eine Referenzrichtung 42 emittiert wird, gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (Bezugszeichen 92, vgl. Figur 6) gesteuert und/oder geregelt. Dabei kennzeichnet die Winkelfunktion ß(t) (92) die Funktion desjenigen Winkels über der Zeit, die die Laserstrahlung 30 zeitabhängig überstreicht, wenn sie in einem
Winkelbereich er scannend, d.h. einen Winkelbereich er wiederholt überstreichend, ausgesendet wird.
Mittels der in Figur 2 dargestellten Projektionsvorrichtung 20 wird in zumindest einem Betriebsmodus des Laserentfernungsmessgeräts 10 in Folge geeigneter
Ansteuerung des Aktors 44 durch die Steuereinheit 20' der Mikrospiegel 38' derart kontinuierlich, insbesondere periodisch, geschwenkt, dass die Laserstrahlung 30 zwischen zwei Relativrichtungen 84a, 84b, 84c, die einen Winkelbereich er (vgl. Figur 3 Bezugszeichen 46) definieren und begrenzen, kontinuierlich hin- und hergeschwenkt wird. Unter Verwendung des Mikrospiegels 38' wird die Laserstrahlung 30 unter veränderbaren, insbesondere periodisch veränderbaren, Relativrichtungen in dem Winkelbereich er ausgesendet. Insbesondere wird die Laserstrahlung 30 unter Verwendung des Mikrospiegels 38' gemäß der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) den Winkelbereich er
(Bezugszeichen 46) wiederholt überstreichend ausgesendet. Wie in der Figur 3 dargestellt ist, kann durch kontinuierliches, periodisches Schwenken des Mikrospiegels 38' in einem Auslenkungsbereich des Spiegels von bis zu ±15 Grad die emittierte Laserstrahlung 30 - ebenfalls kontinuierlich - über einen Winkelbereich er (Bezugszeichen 46) von bis zu 60 Grad geschwenkt werden, insbesondere periodisch geschwenkt werden. Die emittierte Laserstrahlung 30 liegt dabei in der sogenannten Projektionsebene. Insbesondere wird die Projektionsebene durch diejenigen beiden Laserstrahlen (in Relativrichtungen 84a, 84b in Figur 3) der Laserstrahlung 30 definiert, die unter positiver und negativer Vollauslenkung des Mikrospiegels 38' emittiert werden.
Wird die Laserstrahlung 30, wie in Figur 3 dargestellt, auf ein Zielobjekt 34 projiziert, wandert in Folge des kontinuierlichen Schwenkens des Mikrospiegels 38' ein mittels der Laserstrahlung 30 auf das Zielobjekt 34 projizierter Laserpunkt 48 kontinuierlich über die Oberfläche des Zielobjekts 34. Dies ist in der Figur 3 mit einem bidirektionalen Pfeil 50 repräsentiert, der das periodische Hin- und Herschwenken des Laserpunktes 48 symbolisiert. Somit überstreicht die emittierte Laserstrahlung 30 den Winkelbereich er (46) wiederholt, insbesondere periodisch, insbesondere in einer periodischen und/oder zyklischen Hin- und Herbewegung zwischen zwei Endpunkten 54a, 54b der Bewegung. Die wiederholte Überstreichung des Winkelbereichs er (46) erfolgt mit einer Frequenz größer als 20 Hz. Dabei wird der mittels Laserstrahlung 30 auf das Zielobjekt 34 projizierte Laserpunkt 48 derart zügig über das Zielobjekt 34 bewegt, dass ein Betrachter auf dem Zielobjekt 34 eine projizierte, durchgezogene und kontinuierlich leuchtende Projektionslinie oder Laserlinie 52 wahrnimmt.
Die von einer Oberfläche des Zielobjekts 34 reflektierte und/oder zurückgestreute Laserstrahlung 30' (vgl. Figur 4c) wird über eine Empfangsoptik 56 des Laserentfernungsmessgerats 10 auf ein Detektorelement 22' einer Detektorvorrichtung 22 abgebildet und dort detektiert. Die Detektorvorrichtung 22 samt Detektorelement 22' ist in Figur 2 dargestellt. Die Detektorvorrichtung 22 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein SPAD-Array 58 als Detektorelement 22' (vgl. insbesondere Figur 4c). Das SPAD-Array 58 weist eine in Richtung der Projektionsebene längliche (elongierte) Gestalt auf (hier nicht näher dargestellt). Beispielsweise betragen die Maße des SPAD-Arrays 58 in der Projektionsebene 10 mm und senkrecht zu dieser 1 mm. Das SPAD-Array 58 liefert abhängig von einer auftreffenden Lichtintensität, insbesondere Laserstrahlungsintensität, ein ortsaufgelöstes Detektionssignal. Dazu besteht das SPAD-Array 58 aus einer Vielzahl ungekoppelter oder gekoppelter, insbesondere koppelbarer, SPADs 58'. In einem Ausführungsbeispiel weist das SPAD-Array 58 500x50 lichtempfindliche SPADs 58' auf. Die Detektorvorrichtung 22 ist signaltechnisch mit der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10 zur Weiterleitung von Detektionssignalen verbunden.
Aus einem zwischen der ausgesendeten Laserstrahlung 30 und der von der Oberfläche des Zielobjekts 34 rücklaufenden, d.h. reflektierten und/oder zurückgestreuten Laserstrahlung 30' (vgl. Figur 4c) durchgeführten Phasenvergleich kann mittels der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10, insbesondere einer Auswerteeinheit der Steuervorrichtung 18, eine Lichtlaufzeit ermittelt und über die Lichtgeschwindigkeit der Abstand zwischen dem Laserentfernungsmessgerät 10 und dem Auftreffpunkt auf dem Zielobjekt 34 bestimmt werden. Der bestimmte Abstand entspricht dabei dem Abstand des Laserentfernungsmessgeräts 10 vom Zielobjekt 34 in Richtung der zu diesem Zeitpunkt auf das Zielobjekt 34 emittierten Laserstrahlung 30. Aus den Detektionssignalen von der Steuervorrichtung 18 ermittelte Entfernungsmesswerte in Richtung der emittierten Laserstrahlung 30 werden anschließend von der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10 weiterverarbeitet und/oder mittels einer Datenkommunikationsschnittstelle 24 des Laserentfernungsmessgeräts 10 an einen Bediener des Laserentfernungsmessgeräts 10 ausgegeben. Insbesondere kann eine Ausgabe unter Verwendung des Displays 14 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann der Entfernungsmesswert auch zur weiteren Verarbeitung unter Verwendung der Datenkommunikationsschnittstelle 24 an ein weiteres Gerät, beispielsweise ein mobiles Datenverarbeitungsgerät wie ein Smartphone, ein Tablet, ein PC, ein Computer oder dergleichen, übermittelt werden.
Wie in den Figuren 1-3 dargestellt, weist das Laserentfernungsmessgerät 10 eine Empfangsoptik 56 auf, die zumindest eine Laserstrahlung 30' aus einem Winkelbereich ε (60) zur Detektion auf die Detektorvorrichtung 22 projizierende Facettenoptik 62 umfasst. Dabei schließt der Winkelbereich ε (60) der Empfangsoptik 56 den Winkelbereich a (46), in den Laserstrahlung 30 mittels der Projektionsvorrichtung 20 emittiert wird oder emittiert werden kann, vollständig ein. Mit anderen Worten, der Winkelbereich ε (60) umfasst den Winkelbereich crmax (selbst nicht näher dargestellt), der den technisch maximal mit Laserstrahlung 30 überstreichbaren Winkelbereich a (46) von hier 60 Grad darstellt. Die Facettenoptik 62 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus fünf Facetten 64a,64b,64c,64d,64e (vgl. Figur 2; im Folgenden auch: 64a-e) in Form von fokussierenden Linsen. Jede Facette 64a-e bildet einen Winkelteilbereich σ (Bezugszeichen 66a-e) von 12° auf die Detektorvorrichtung 22 ab. Es sei angemerkt, dass die genannten Zahlenwerte wie 60 Grad, 12 Grad und dergleichen in diesem Ausführungsbeispiel lediglich exemplarisch gewählte Werte darstellen.
In dem Betriebsmodus, in dem das Laserentfernungsmessgerät 10 scannend arbeitet, d.h. die Laserstrahlung 30 mittels der Projektionsvorrichtung 20 der Sendevorrichtung 28 den Winkelbereich er (Bezugszeichen 46) wiederholt überstreichend ausgesendet wird (vgl. Figur 3), wird zu jedem Zeitpunkt stets nur ein Laserpunkt 48 des Gesichtsfeldes der Empfangsoptik 56 aus dem Winkelbereich ε (60) beleuchtet. Dabei befindet sich der Laserpunkt 48 typischerweise im Winkelteilbereich σ (66a-e) einer, insbesondere einer einzigen, Facette 64a-e.
Die grafische Darstellung der Figur 4b stellt die Abhängigkeit der Position 76 des auf das Zielobjekt 34 projizierten Laserpunkts 48 der emittierten Laserstrahlung 30 vom Aussendewinkel 40 der emittierten Laserstrahlung 30 (optischer Aussendewinkel) in Projektionsebene - und somit indirekt vom Schwenkwinkel des Mikrospiegels 38' (mechanischer Auslenkwinkel) - dar. Der mechanische Schwenkwinkel ist dabei durch den halben Wert des optischen Aussendewinkels 40 gegeben. Die Ordinate der Grafik in Figur 4b ist in beliebigen Einheiten gegeben. Figur 4a zeigt in analoger Weise die Position 78a-e der jeweils mittels der fünf Facetten 64a-e auf das Detektorelement 22' abgebildeten Lichtpunkte 80 in Abhängigkeit vom Aussendewinkel 40 der emittierten Laserstrahlung 30 (optischer Aussendewinkel) in Projektionsebene - und somit auch wieder indirekt vom Schwenkwinkel des Mikrospiegels 38' (mechanischer Auslenkwinkel). Dabei bildet jede Facette 64a-e den auf das Zielobjekt 34 projizierten Laserpunkt 48 über einen Winkelteilbereich σ (66a-e, vgl. Figur 3) von zumindest 12 Grad auf das Detektorelement 22' ab. Der gesamte, auf das Detektorelement 22' abgebildete Winkelbereich ε (60) ist als Summe der Winkelteilbereiche σ (66a-e) mit 60 Grad gegeben. Jedem optischen Aussendewinkel 40 der Laserstrahlung 30 kann eine Position 78a-e des abgebildeten Lichtpunkts 80 auf dem Detektorelement 22' eindeutig zugeordnet werden. Vorteilhaft kann eine eindeutige Zuordnung zwischen Abbild auf der Detektorvorrichtung 22 und Laserpunkt 48 auf dem Zielobjekt 34 - d.h. zwischen Lichtpunkt 80 auf der Detektorvorrichtung 22 und dem optischen Aussendewinkel 40 der emittierten Laserstrahlung 30 - ermöglicht werden.
In Figur 4c ist anhand eines Ausschnitts des SPAD-Arrays 58 mit einer Mehrzahl von SPADs 58' schematisch dargestellt, wie 2x2 SPADs 58' des SPAD-Arrays 58 von dem Lichtpunkt 80 einfallender Laserstrahlung 30' beleuchtet werden. Die Anordnung der vier beleuchteten SPADs 58' in 2*2-Anordnung ist in Figur 4c mit Bezugszeichen 88 gekennzeichnet.
Unter Verwendung des Laserentfernungsmessgeräts 10 ist es dem Bediener möglich, in verschiedenen Relativrichtungen 84a, 84b, 84c der Laserstrahlung 30 zeitnah, d.h. insbesondere innerhalb einer Sekunde, eine Vielzahl von Entfernungsmessungen in dem wiederholt überstrichenen Winkelbereich a (46) durchzuführen. Durch die Ausgestaltung des Laserentfernungsmessgeräts 10 ist eine komfortable, indirekte Vermessung einer Strecke zwischen zwei nur mit Laserstrahlen erreichbaren, unzugänglichen Punkten auf dem Zielobjekt 34 möglich, ohne dass das Laserentfernungsmessgerät 10 an einem der Punkte angelegt werden muss. Die indirekt zu bestimmende Strecke wird unter Anwendung trigonometrischer Funktionen aus mehreren Entfernungsmessungen in verschiedenen Relativrichtungen 84a, 84b, 84c zwischen dem Laserentfernungsmessgerät 10 und dem Zielobjekt 34 sowie den zwischen den Relativrichtungen 84a, 84b, 84c eingeschlossenen Winkeln von der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10 ermittelt. Die Vermessung und/oder Projektion einer solchen Strecke wird dabei mit einem Knopfdruck innerhalb von einem kurzen Zeitraum, insbesondere weniger als einer Sekunde, gemessen. Der Bediener kann sich während des Messvorgangs vorteilhaft an einer von der Strecke beabstandeten Position aufhalten. Gleichzeitig ist eine Markierung der zu messenden Strecke in Form der projizierten Laserlinie 52 möglich.
In Figur 5 ist ein Verfahrensdiagramm dargestellt, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des Laserentfernungsmessgeräts veranschaulicht. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt 100 cw-modulierte Laserstrahlung 30 mittels der Projektionsvorrichtung 20 der Sendevorrichtung 28 gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) einen Winkelbereich er
(46) wiederholt, insbesondere periodisch, überstreichend auf das Zielobjekt 34 hin ausgesendet. Insbesondere sendet das Laserentfernungsmessgerät 10 bei Ausführung des Verfahrensschritts 100 die Laserstrahlung 30 den Winkelbereich er (46) derart schnell periodisch überstreichend aus, dass auf dem entfernten Zielobjekt 34 eine visuell wahrnehmbare, projizierte Laserlinie 52 dargestellt wird. Von dem Zielobjekt 34 rücklaufende Laserstrahlung 30' wird in einem zweiten Verfahrensschritt 102 mittels der Facettenoptik 62 auf die Detektorvorrichtung 22 projiziert. In einem dritten Verfahrensschritt 104 wird die zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) (92) ermittelt, beispielsweise aus dem Auslenkwinkel des Mikrospiegels 38'. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Winkelgeschwindigkeit ß(t) , d.h. die Ableitung der zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) (92), aus einer instantan gemessenen Winkelgeschwindigkeit des
Mikrospiegels 38'der Projektionsvorrichtung 20 ermittelt werden. Anschließend wird in Verfahrensschritt 106 die zeitabhängige Leistungsregelungsfunktion p(t)
(Bezugszeichen 90, vgl. Figur 7a) als stetige, nichtlineare Funktion des Betrags der Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (Bezugszeichen 92, vgl.
Figur 6) berechnet, wobei sich die nichtlineare Funktion von der Betragsfunktion unterscheidet. Die Leistungsregelun sfunktion 90 wird als Potenzfunktion
Figure imgf000027_0001
des Betrags der Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) berechnet, wobei für den Exponenten gilt: γ = 0,25 . Die Berechnung wird von der Steuervorrichtung 18 durchgeführt. Abschließend wird die Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung 30 unter Verwendung der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10 gemäß der Leistungsregelungsfunktion p(t) (90) gesteuert, insbesondere geregelt. Durch Anpassung der ausgesendeten
Laserstrahlung 30 wird somit vorteilhaft eine Gefährdungssituation, in der eine Blendung von Personen durch die ausgesendete Laserstrahlung 30 eine Schädigung des Auges bewirken kann, vermieden - bei gleichzeitiger Erhöhung der Sendeleistung, insbesondere der über eine Spiegel-Periode gemittelten Sendeleistung. Der Ablauf des Verfahrens wiederholt sich, wie in Figur 5 durch einen Pfeil dargestellt ist.
In Figur 6 ist eine physikalisch-mathematische Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Grafik anschaulich dargestellt. Die Grafik zeigt eine Laserstrah Itrajektorie ß(t) des während des scannenden
Betriebs des Laserentfernungsmessgeräts 10 ausgesendeten Laserstrahls 30 über der Zeit, d.h. die zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) (92), am Beispiel einer Sinusfunktion
ß(t) = ß - sin(2n F - t - <p) + ß0 .
Der Grafik ist unmittelbar entnehmbar, dass in den Umkehrpunkten des Winkelbereichs er , d.h. in den Endpunkten 54a, 54b der Bewegung, in denen eine Richtungsumkehr des den Winkelbereich a (46) wiederholt überstreichend ausgesendeten Laserstrahls 30 erfolgt, die Winkelfunktion ß(t) (92) eine Steigung von Null annimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einer verschwindenden
Winkelgeschwindigkeit ß(t) in den Endpunkten 54a, 54b. Zwischen diesen Endpunkten 54a, 54b der Bewegung ändert sich die Winkelfunktion ß(t) (92) mit unterschiedlicher Rate, d.h. die Ableitung der Winkelfunktion ß(t) variiert zeitabhängig.
Der scannend ausgesendete Laserstrahl 30 überstreicht einen von einer Pupille eines menschlichen Auges definierten Winkelbereich Δβ in einem definierten
Zeitintervall Atj . Das Zeitintervall Atj hängt dabei maßgeblich von der Zeitabhängigkeit der Winkelfunktion ß(t) (92) ab. Ein zulässiges Zeitintervall einer Blendung des menschlichen Auges variiert in Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit ß(t) mit
Figure imgf000028_0001
Die abgestrahlte Leistung der Laserstrahlung 30 in Abhängigkeit der Winkelfunktion ß(t) wird entsprechend gewählt zu:
P * (ß(t))r ,
sodass mit der auf die Netzhaut fallenden Energie £ aus
E = P . At = ß . = ^_ = Δβ = ΔβΥ . Δ&Υ
ß β1-γ ( Δβ ^γ folgt: Für zwei Zeitintervalle At1 , At2 , die in Figur 6 exemplarisch hervorgehoben sind und in denen jeweils der gleiche Winkelbereich Δβ überstrichen wird, darf erfindungsgemäß im Zeitintervall At2 (Δ t2/A t1 )1'r -ma\ so viel Energie auf die Netzhaut eines Beobachters fallen wie im Zeitintervall At^ . In einer Ausführungsform des Verfahrens wird mit y = 0,25 dieses Verhältnis vorteilhaft zu (A t2/A t1 )3/4 gewählt.
Figur 7a zei t den Verlauf der Leistungsregelungsfunktion (90) gemäß Formel p(t) = p · für eine sinusförmige zeitabhängige Winkelfunktion
Figure imgf000028_0002
ß(t) = ß - sin(2n F - t - <p) + ß0 für verschieden gewählte Werte von γ mit y = 1 , Y = 0,5 und γ = 0,25 . Insbesondere für die Kurven mit γ < 1 können mittels der Potenzfunktion der Verlauf, mit dem die Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung 30 von einem Minimalwert auf einen Maximalwert verändert wird (oder umgekehrt von einem Maximalwert auf einen Minimalwert verringert wird), vorteilhaft beeinflusst werden. Insbesondere kann die Fläche unter einer jeweiligen Kurve mit abnehmendem γ vorteilhaft erhöht werden und damit die abgestrahlte Energie (entspricht dem Flächeninhalt unter einer jeweiligen Kurve) erhöht werden.
Figur 7b zeigt die jeweils zu den in Figur 7a dargestellten Leistungsregelungsfunktionen (90) gehörende Strahlungsemission in Abhängigkeit vom Projektionswinkel ß zu den verschiedenen Werten von y mit γ = 1 , γ = 0,5 und γ = 0,25 . Ferner ist in Figur 7b ein beispielhafter, winkelabhängiger Grenzwert 94 (Kreise) dargestellt, der sich entsprechend der gewählten Winkelfunktion ß(t) als Sinusfunktion ergibt. In diesem Beispiel ist die Winkelgeschwindigkeit der sinusförmigen Trajektorie bei kleinem Projektionswinkel maximal (der Winkel-Nulldurchgang der Trajektorie wird gleichzeitig bei höchster Winkelgeschwindigkeit erreicht). Durch Wahl von γ < 1 kann die zugängliche Strahlungsemission, insbesondere auch bei großen Projektionswinkeln, auf einfache Weise erhöht werden, bis der Grenzwert 94 erreicht bzw. ausgeschöpft wird. Insbesondere für einen Wert von γ = 0,25 wird die Ausnutzung der Strahlungsemission in diesem Beispiel besonders vorteilhaft, ohne eine Erhöhung der durch die ausgesendete Laserstrahlung 30 bedingten Blendgefahr.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Laserentfernungsmessgerats (10, 10'), insbesondere eines handgehaltenen Laserentfernungsmessgerats (10'), bei dem
• Laserstrahlung (30) mittels einer Projektionsvorrichtung (20) einer Sendevorrichtung (28) gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) einen Winkelbereich a (46) wiederholt überstreichend auf ein entferntes Objekt (34) hin ausgesendet wird,
• von dem entfernten Objekt (34) rücklaufende Laserstrahlung (30') mittels einer Empfangsoptik (56) auf zumindest eine Detektorvorrichtung (22) zum Detektieren von empfangener Laserstrahlung (30') projiziert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der ausgesendeten Laserstrahlung (30) unter Verwendung einer Steuervorrichtung (18) des Laserentfernungsmessgeräts (10) gemäß einer Leistungsregelungsfunktion p(t) (90) in Abhängigkeit der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) gesteuert wird, wobei die Leistungsregelungsfunktion p(t) (90) eine stetige, nichtlineare Funktion des Betrags der Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistungsregelungsfunktion (90) eine Potenzfunktion p(t) = p - ß(t) des
Betrags der Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) ist, wobei für den Exponenten gilt: γ ^ 1.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch γ > 1 .
4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch y < 1 , insbesondere γ = 0,25 .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) aus einer gemessenen Winkelgeschwindigkeit ß(t) eines zumindest eindimensional auslenkbar gelagerten Spiegels (38') der Projektionsvorrichtung (20) der Sendevorrichtung (28) ermittelt wird, unter dessen Verwendung die Laserstrahlung (30) den Winkelbereich er (46) wiederholt überstreichend auf das entfernte Objekt (34) hin ausgesendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängige Winkelfunktion ß(t) (92) durch eine trigonometrische Funktion, insbesondere eine Sinusfunktion oder eine Cosinusfunktion, oder durch eine periodische, insbesondere durch eine Fourierreihenentwicklung darstellbare, Funktion gegeben ist.
7. Laserentfernungsmessgerät (10, 10'), insbesondere handgehaltenes Laserentfernungsmessgerät (10'), mit zumindest einer Sendevorrichtung (28) zum Aussenden einer 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'), wobei die Laserstrahlung (30) mittels einer Projektionsvorrichtung (20) der Sendevorrichtung (28) gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) einen Winkelbereich a
(46) wiederholt überstreichend ausgesendet wird, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (18), die dazu vorgesehen ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 durchzuführen.
8. Laserentfernungsmessgerät (10, 10') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (56) eine Facettenoptik (62) aufweist, die dazu vorgesehen ist, Laserstrahlung (30') aus einem Winkelbereich ε (60), der zumindest den Winkelbereich a (46) umfasst, zur Detektion auf die Detektorvorrichtung (22) zu projizieren.
9. Laserentfernungsmessgerät (10, 10') nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorvorrichtung (22) zumindest eine SPAD (58') aufweist, insbesondere ein SPAD-Array (58) aufweist. 10. Laserentfernungsmessgerät (10, 10') nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsvorrichtung (20) der Sendevorrichtung (28) zumindest einen zumindest eindimensional auslenkbar gelagerten Spiegel (38') aufweist, unter dessen Verwendung Laserstrahlung (30) gemäß einer zeitabhängigen Winkelfunktion ß(t) (92) einen Winkelbereich a (46) wiederholt überstreichend ausgesendet wird.
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