专利名称：具有瞄准装置的测距仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的具有瞄准装置的测距仪。本发明也涉及一种用于检测在应确定其距离的测量目标上的测量点的方法。
从现有技术中已充分地公开了如下类型的测距仪。它们具有从几十米的测距范围，并常常是构成为手持仪器的。主要在建筑测量或内部建筑中将它们用来譬如进行空间的三维测量。测距仪的其它应用领域是大地和工业测量。公知仪器的距离测量的基本原理建立在，分析处理由仪器发射的和由所瞄准目标再发射的电磁射束特性参数的时间变化。所述的测距仪为此备有用于发射强度调制射束的发射机。为了方便瞄准测量点，在手持仪器方面在此主要涉及可见波长谱段中的光束。所述的光束由所瞄准的测量点再发射或散射，并由装入该仪器中的接收机来记录。从所接收的调制射束的相对于由发射机所发射的射束的时间延迟中得出通向测量目标的距离。
在内部空间中，用于手持仪器中的可见射束通常是在测量目标上可由肉眼清楚识别的激光束。但是如果测量目标受到强烈的照射，肉眼则难以从背景将测量点区分开。这尤其在室外的用途中是以下的情况，在这些室外的用途中测量目标多重地承受着很强烈的阳光照射，用单纯的肉眼常常只能艰难地，或根本不再察觉受测量目标再发射的测量点。为了排除这种问题有时由测距仪的使用者采用备有滤光镜的眼镜，这些滤光镜只让由测量目标反射的测量射束通过。该辅助性的专门眼镜是很易破裂的，它也常常正好不在手边，并让使用者常常感到令人讨厌和累赘。作为解决该问题的替代方案，将可加装在该仪器上的瞄准望远镜用于公知的测距仪也是公知的。此时，这些瞄准望远镜应帮助测距仪的使用者识别要测量的测量目标上的测量点。也已经公开了附加备有专门滤光镜的瞄准望远镜，这些专门滤光镜是按测量点的光线调定的。瞄准望远镜是费事和昂贵的。尤其总是必须将瞄准望远镜或类似的光学瞄准辅助设施与激光束校准。这类仪器因而是对冲击很敏感的。为了应付该缺点和不将测距仪的重量不必要地加大，常常将瞄准望远镜构成为单独的部分，在需要时才须将该瞄准望远镜安装在测距仪上，并校准它。单独的瞄准望远镜是怕损伤的。使用者常常不随身带着它，或者它简直已丢失了。又必须在安装之后才将它与激光束校准。
所以本发明的任务在于排除现有技术的测距仪的这些缺点。应如下来修改测距仪，使得在不利的光线状况下，尤其是在被强烈照射的测量目标上，可以简单而唯一地识别在所瞄准测量目标上的测量点。应该可以简单而费用低地实现所述的解决方案。所述的仪器应是紧凑和可手持的，并允许灵活地使用。
按本发明通过一个具有瞄准装置的可手持的测距仪来解决这些任务，该瞄准装置具有在权利要求1的特征段中所述的特征。一种用于检测在应确定其距离的测量目标上的测量点的方法包括在独立的方法权利要求8中所述的方法步骤。所述仪器的和方法的优选的实施变型方案和/或有利的改进方案分别是从属的装置或方法权利要求的主题。
本发明的具有瞄准装置的测距仪具有一个用于发射光束的发射机、一个用于由测量目标再发射或散射的测量光束的接收光学系统、一个连接在所述接收光学系统之后的用于将光束转换成电测量信号的接收机、以及一个用于将测量信号与基准信号进行比较的信号处理设备，以便从中确定测量目标的距离，并使结果可供使用者使用。所述的瞄准装置包括一个与电子显示装置相连接的光电图像采集系统，以及一个用于对所采集的图像形成差值的分析处理单元。瞄准装置的光电图像采集系统和电子显示装置布置在一个共同的壳体中，该壳体备有光电图像采集系统用的单独的寻像物镜。
测距仪的备有光电图像采集系统的瞄准装置利用了这种系统的相对于肉眼高得多的光敏感性。因而创造了即使在不利的光线状况下检测在测量目标上生成测量点的前提。除此之外，瞄准装置也具有一个用于对由光电图像采集系统所提供信号或数据形成差值的分析处理单元、以及具有一个电子显示装置，该电子显示装置实现了，必要时在信号或数据处理之后给使用者显示由图像采集系统所摄取的测量目标的图像。使用者因而有一种可能性来直接检查，测距仪是否也真正照射了应测量其距离的测量目标。因而可以取消譬如象专门眼镜或专门瞄准望远镜那样的，易破裂的和易丢失或遗忘的光学辅助设备。瞄准望远镜的校准因而也变得没必要了。可以用软件选出显示给使用者的图像片段来代替校准。瞄准装置的光电图像采集系统和电子显示装置布置在一个共同的壳体中，该共同的壳体备有光电图像采集系统用的单独的寻像物镜。用于距离测量的部件和具有电子显示装置的瞄准装置的那些部件是彼此分开地布置的，并可以互相独立地运行。由此产生在测距仪总方案方面的更大的灵活性。
优选的光电图像采集系统是数字式摄像机，这些数字式摄像机是作为集成半导体器件、尤其是以C-MOS结构形式，以很紧凑的结构形式可获得的。备有具有3兆和更多像素的光电半导体的数字式摄像机在这期间是很便宜的。数字式摄像机的高分辨率允许很精确地瞄准测量目标。
合理地也将数字式摄像机的高分辨率利用来与分析处理单元相结合也可实现一种电子变焦功能。这具有使用者可以首先粗略定向的优点，在准确瞄准测量目标时可以用变焦将测量范围拉到跟前，以便然后在测量环境中确切地定位测量点。
为了改善信噪比在本发明的一个有利的变型方案中采用了光电的图像采集系统，尤其是采用了单色的数字式摄像机，该数字式摄像机具有一个有单色光敏感性的光电半导体器件。在数字式摄像机的光敏采集面之前插入了一个带通滤光镜，该带通滤光镜在测距仪的光束的波长范围中具有透光性。
在本发明的一个替代的实施变型方案中，采用了具有彩色摄像机芯片的彩色摄像机，该彩色摄像机芯片是构成用于采集三原色的。所述的彩色摄像机芯片已经具有红、绿和蓝光谱段用的滤光镜。如果譬如用红色波长范围中的激光束来照射测量目标，并仅将由彩色摄像机所提供图像的红色部分用于分析处理，图像中所采集的激光测量点相对于环境射束的信噪比则因此得到显著的改善。
瞄准装置也可以集成在单独的仪器中。譬如此时涉及一个具有集成的摄像机的掌上型或膝上型计算机。在计算机中实现由摄像机所提供的信号或数据的处理。通过计算机的显示器或屏幕来输出图像。计算机和测距仪在此是可以互相连接的，以便对射束源，譬如激光器，和图像采集进行同步。优选通过无线的通信连接，譬如按蓝牙标准来实现通信连接。采用这种装备可以将计算机采用为瞄准装置。该变型方案尤其适合作为已有测距仪可能的后加装备。
在本发明的另一个有利的实施变型方案中，将瞄准装置集成到测距仪中。所述的测距仪为此譬如在它的光束，例如激光束用的发射窗口附近具有一个带寻像物镜的数字式摄像机，该数字式摄像机是与存在于仪器中的、用于对所采集的图像形成差值的分析处理装置相连接的。在仪器壳体上布置了用于显示由数字式摄像机所摄取图像的显示器或类似物。该集成的实施变型方案是可以特别简单地操作的，并不要求附加的仪器。
在用于检测应确定其距离的测量目标上的测量点的本发明方法中，借助具有光束，优选具有可见光谱中的激光束的测距仪来照射测量目标。借助光电的图像采集系统摄取在测量目标上所生成的测量点、输送给一个形成所摄取图像的差值的分析处理单元、以及将结果在电子显示装置上示出。已经直接用测距仪的测量射束或测量激光器来实现瞄准。因而可靠地避免了误差，并可以舍弃附加的视差校正。光电图像采集系统的采用利用了这种系统的极其高的光敏感性。优选采用具有集成的半导体摄像芯片的，尤其是基于C-MOS结构形式的数字式摄像机。C-MOS器件具有较小的电耗。它们因此尤其适合于具有电池或蓄电池的便携式仪器。
在这期间数字式摄像机可以便宜地获得，并已经具有很高的分辨率。通常这是高于它用于在显示装置、屏幕、显示器、或类似物上识别测量点所必要的分辨率。由于数字式摄像机的高灵敏度，在良好的光线状况下，即在弱照明的环境和短距离的情况下常常也可以仅用一个单个的图像来工作。在本发明的一个简单的变型方案中在有利的光线状况下，在显示装置上也可以按望远镜中十字交叉线的种类来叠加一个标记。此时可以取消测量点的电子检测。仅仅偶尔必须按所叠加标记的大小来进行微调准。此时可以用粗略的距离测量来确定和尤其自动地纠正通过激光束对于摄像机光学系统的偏移而出现的视差。
为了可靠地定位测量点，使用光电的图像采集系统从测量目标摄取至少一个没有入射光束的图像和至少一个有入射光束的图像。在分析处理单元中从电子转换的图像中求取一个在其中电子地检测测量点的差值图像。在示出于电子显示装置上的测量目标图像上，通过叠加的标记或类似物来突出所检测测量点的位置。
如果光线状况很恶劣，譬如由于由测量目标过度照射了测量点，正如这在强烈阳光射入时可能的情况那样，则通过对许多图像求平均值来实现测量点的识别。为此摄取测量目标的多个时间上短促相继的、有和没有入射光束的图像。由于图像片断可能通过小的运动和振动而移动，则总是彼此直接挨着地摄取一个带激光测量点的图像和一个不带激光测量点的图像，并从中求出一个差值图像。对所述的差值图像求平均值。该项措施对信噪比起着很有利的作用，因为在求平均值时滤掉了不受欢迎的噪声。
为了改善信噪比，如果在摄取具有入射光束的测量目标期间同步地提高了射束功率，尤其提高到约2倍至约20倍，则证明是有利的。在脉冲的工作中也允许短时地发射出较高的功率，而对于这种备有激光器的仪器的连续工作则按照安全标准将平均的激光功率限制到某个功率上。
在一种替代的方法中，为了改善信噪比使用单色的图像采集系统，优选用具有光电半导体器件的，尤其基于C-MOS的单色摄像机来摄取测量目标。此时，将由测量目标再辐射或散射的射束至少暂时地事先引导通过一个在入射光束的波长范围中具有透光性的带通滤光镜。
用于改善信噪比的另一种可能性是将彩色摄像机用于摄取测量目标。此时，优选仅进一步处理相当于入射光束的波长谱段的图像部分。
为了在本发明的意义上也可以采用已有的测距仪，借助一种摄像机来采集源自测量目标的光束，该摄像机布置在单独的仪器中，优选布置在掌上型或膝上型计算机中。该计算机实现了所采集的信号或数据的进一步处理。计算机的屏幕或显示器用作为显示装置。为此将计算机和测距仪彼此相连接，以便对射束源，譬如激光器，和图像采集进行同步。优选通过无线的通信连接，譬如按蓝牙标准来实现通信连接。采用这种装备可以将计算机用作为瞄准装置。
也可以用专门构成的测距仪来执行本发明的方法。此时，借助光电的图像采集系统，优选借助集成到测距仪中的数字式摄像机来实现测量目标的图像采集。使用布置在仪器中的分析处理单元来进行所采集信号的分析处理。于是在电子显示装置上，譬如在安排在测距仪上的显示器或类似物上来示出所摄取的和处理的信号或数据。
以下根据附图中示意性示出的一个实施例来详述本发明。
图1展示了本发明的测距仪的一个视图；以及图2展示了一个用于阐述本发明方法的流程图。
附图1展示了总的用参考符号1表示的测距仪的实施例的示意视图。为了能够了解本发明主要的仪器部分，无覆盖壳体地示出了测距仪1，尤其是激光测距仪。在测距仪的端板2中安排了多个开口。所述开口之一是一个布置在承载板3上的激光器的测量射束用的射出窗口4，在示图中未详细表示该激光器。由测量目标再发射或散射的测量射束用的接收镜头5占据端板2的远为最大的部分。在承载板3上在接收镜头5之后安装了光电单元6。所述的光电单元6是常规构造的，并包括一个基准区段、诸如分束器，反光镜和类似物的不同光学元件、至少一个光电检测器、信号变换器、滤波器等等。将所采集和转换的测量信号传送到中央信号处理设备上，该信号处理设备包括存储单元和微处理机，并在附图1中是在7处表示的。在此程度上所述的测距仪1符合由申请人所提供的公知的仪器。
在端板2上附加布置了一个检像物镜8，在该检像物镜8之后布置了图像采集系统，尤其是具有光电摄取芯片的摄像机9。所述的摄取芯片譬如是基于C-MOS结构形式的半导体器件。可以按单色或彩色的摄像来设计所述的摄取芯片。这种部件已充分公知，并可以譬如从Intertec Comoponents公司，德国，或从OmniVision公司，美国，购置。摄像机9是与信号处理设备7相连接的。
附图2展示了用于检测在应确定其距离的测量目标上的测量点的本发明方法的流程。随着测距仪的接通，在信号采集单元中也起动瞄准程序。在流程图中这通过起始位置10来表示。
在第一次粗略瞄准测量目标之后在下一个步骤11中短时地断开激光器。在此之后用摄像机摄取和存储一个无激光照射的测量目标的图像12。在另一个步骤13中重新接通激光器，并摄取和存储从现在开始由激光器照射的、具有测量点的测量目标的另一个图像14。在查询程序15中查询，所摄取图像的数量i是否小于一个优选可规定的最大数量N。如果还未达到可规定的最大数量N，则摄取和存储测量目标的其它图像。此时，总是摄取一个带激光测量点的图像和一个不带激光测量点的图像，并从中形成差值。因而防止了错误测量，这些错误测量可以通过由于振动和移动而产生所瞄准图像片断的位移来出现。在达到最大数量N时，在另一个步骤16中对所摄取的差值图像求平均值，以便改善信噪比。在分析步骤17中分析所得出的平均的差值图像，是否在其上可以检测到测量点。这譬如可以通过差值信号亮度的阈值分析来实现。如果所述的分析得出，还不能检测到测量目标上的测量点，则提高应摄取图像的最大数量N。这在步骤18中是通过编程技术的分配N＝N+1来表示的。在此，分配N＝N+1不意味着必须准确提高1个图像。以此仅应像征着，应将最大数量N提高一个固定调定的值，或甚至提高一个可输入的值。如果在差值图像中检测到测量目标上的测量点，则在显示器、屏幕或类似物上实现测量目标图像的显示19。通过优选电子叠加的标记来突出测量点的位置。以此结束了瞄准过程，并可以进行测量目标距离的测量。
附图1中所示出的测距仪的实施例具有一个集成到仪器中的摄像机。但是本发明不局限于这种仪器。譬如所述的摄像机也可以集成到膝上型或掌上型计算机中。为此将计算机和测距仪彼此相连接，以便对激光器和图像采集进行同步。优选通过无线的通信连接，例如按蓝牙标准来实现通信连接。采用这种装备可将计算机用作为瞄准装置。于是由计算机执行用于检测测量点的方法。通过计算机的显示器或屏幕来实现测量目标图像的和所检测测量点的显示。计算机的容量实现了，通过摄取多个图像和通过求取距离信息来生成譬如建筑物正面的电子模型。于是由计算机所生成的电子模型允许，在办公室里借助建筑物正面的物体的模型执行许多其它的测量。如果譬如应在建筑物正面上树立一个支架，或为了在物体的在其它情况下只能难于接近的区域上进行测量，这则是有利的。
权利要求
1.具有瞄准装置(8，9)的测距仪(1)，该测距仪(1)包括一个用于发射光束的发射机(4)、一个用于由测量目标再发射或散射的测量光束的接收光学系统(5)、一个连接在所述接收光学系统(5)之后的用于将所述光束转换成电测量信号的接收机(6)、以及一个用于将所述的测量信号与基准信号进行比较的信号处理设备(7)，以便从中确定所述测量目标的距离和使得所述的结果可供使用者使用，其特征在于，所述的瞄准装置(8，9)包括一个与电子显示装置相连接的光电图像采集系统(9)，以及一个用于对所采集的图像形成差值的分析处理单元(7)，以及在一个共同的壳体中布置了所述瞄准装置的光电图像采集系统(9)和所述的电子显示装置，该壳体备有所述光电图像采集系统(9)用的单独的寻像物镜(8)。
2.按权利要求1的测距仪，其特征在于，所述的图像采集系统(9)包括一个优选基于C-MOS结构形式的光电的半导体器件。
3.按权利要求2的测距仪，其特征在于，所述的光电半导体器件具有单色的光敏感性，并在其光敏的采集面之前插入了一个在所述测距仪光束的波长范围中具有透光性的带通滤光镜。
4.按权利要求2的测距仪，其特征在于，所述的光电半导体器件是一个为了采集三原色所构成的彩色摄像机芯片。
5.按权利要求2-4之一的测距仪，其特征在于，所述的半导体器件与所述的分析处理单元相结合具有一种电子变焦功能。
6.按以上权利要求之一的测距仪，其特征在于，所述的光电图像采集系统集成在单独的仪器中，优选集成在掌上型或膝上型计算机中，该计算机具有显示器或屏幕，并优选是无线地可与所述的测距仪相连接的。
7.按权利要求1-5之一的测距仪，其特征在于，它是集成到所述的测距仪(1)中的，并在所述的测距仪上布置了用于显示由所述光电图像采集系统(9)所摄取图像的显示器或类似物。
8.用于检测在应确定其距离的测量目标上的测量点的方法，其中，借助测距仪(1)用光束，优选用可见光谱中的激光束来照射所述的测量目标，并借助光电图像采集系统(9)来采集在所述测量目标上所生成的测量点、输送给用于差值形成的分析处理单元(7)、以及在电子显示装置上示出结果。
9.按权利要求8的方法，其特征在于，所述的光电图像采集系统从所述的测量目标摄取至少一个不带入射光束的图像和至少一个带入射光束的图像、在所述的分析处理单元中从所述的电子转换的图像中求出一个差值图像，在该差值图像中电子检测所述的测量点、以及在所检测的测量点的位置上将一个电子标记与在所述电子显示装置上所示出的测量目标图像相叠加。
10.按权利要求9的方法，其特征在于，摄取所述测量目标的多个带和不带入射光束的、时间上短促相继的图像，并对从中求出的差值图像求平均值。
11.按权利要求9或10的方法，其特征在于，在用入射光束摄取所述的测量目标期间同步地提高射束功率，优选提高到约2倍至约20倍。
12.按权利要求8-11之一的方法，其特征在于，使用单色的图像采集系统，优选使用具有光电半导体器件的，尤其基于C-MOS的单色摄像机来从所述的测量目标摄取图像，其中，将由所述图像采集系统所采集的射束，至少暂时地事先引导通过一个在入射光束的波长范围中具有透光性的带通滤光镜。
13.按权利要求8-11之一的方法，其特征在于，用彩色摄像机采集源自所述测量目标的光束，其中，优选仅处理对应于所述入射光束的波长谱段的图像部分。
14.按权利要求8-13之一的方法，其特征在于，借助摄像机采集源自所述测量目标的光束，该摄像机布置在单独的仪器中，优选布置在掌上型或膝上型计算机中，该仪器备有自己的分析处理单元和显示装置，并与所述的测距仪相耦连。
15.按权利要求8-13之一的方法，其特征在于，借助集成到所述测距仪中的光电图像采集系统来实现所述测量目标的图像采集，其中，使用布置在所述仪器中的分析处理单元来实现所采集信号的分析处理，以及在电子显示装置上，譬如在安排在所述测距仪上的显示器或类似物上进行显示。
全文摘要
说明了一种具有瞄准装置(8，9)的测距仪(1)，该测距仪(1)包括一个用于发射光束的发射机(4)、一个用于由测量目标再发射或散射的测量光束的接收光学系统(5)、一个连接在所述接收光学系统(5)之后的用于将所述光束转换成电测量信号的接收机(6)、以及一个用于将所述的测量信号与基准信号进行比较的信号处理设备(7)，以便从中确定所述测量目标的距离和使得所述结果可供使用者使用。所述的瞄准装置(8，9)包括一个与电子显示装置相连接的光电图像采集系统(9)，以及一个用于对所采集的图像形成差值的分析处理单元(7)。所述瞄准装置的光电图像采集系统(9)和所述的电子显示装置布置在一个共同的壳体中，该壳体备有所述光电图像采集系统(9)用的单独的寻像物镜(8)。
文档编号G01C15/00GK1533497SQ02814430
公开日2004年9月29日 申请日期2002年6月20日 优先权日2001年7月17日
发明者K·吉格尔, K 吉格尔 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司