用于非接触式测量目标物体上的距离的测量仪的制作方法

专利名称：用于非接触式测量目标物体上的距离的测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的测量仪，尤其是便携工具形式的测量仪，用于非接触式测量目标物体上的距离。本发明还涉及一种如权利要求17前序部分所述的方法。
背景技术：
开头所述类型的测量仪能够作为便携式测距仪得到特别应用，例如设置有适当构造的激光测量单元。大多数情况下，至一个目标物体的间距的非接触式测量都是使用光学测量射线， 例如激光射线。原则上来说-与所应用的测量射线无关-已知有各种各样的测距方法，例如可以使用渡越时间测定、相位测量或者激光三角测量对至一个目标物体的间距进行非接触式测量。为了这样的或者类似的方法的转换，测量仪的壳体设置有安装在该壳体内的使用光学测量射线的测距装置，借助该测距装置可以非接触式测量至目标物体的间距。例如在 DE 101 12 833 Cl中，对使用渡越时间测定进行非接触式测距的、范例的、具有有益构造的测距装置进行了阐述。该测距装置具有激光单元形式的辐射单元。此外还设置有辐射导向用的具有光学元件的光学单元。所述光学元件包括至少一个发送和接收光学器件。发送光学器件设置在用于将测量射线发送到目标物体上的、具有光学轴线的光学发送路径内。接收光学器件设置在用于接收从所述目标物体被反射回来或者被散射回来的测量射线的、具有光学轴线的光学接收路径中。在本申请的范围内，所说间距是指到目标物体上的测量点的、被测得的距离。特别是，所说间距是指实质上处在所述测量仪与所述目标物体之间的距离，具体而言就是在所述测量仪的参考点与所述目标物体上的所述测量点之间；就是说间距的取向基本上横切于-经常是垂直于-所述目标物体的横向表面。只要距离这个概念被一般化使用，那么其包含至目标物体的间距。只要距离这个概念被特殊化使用，那么其特指所述目标物体上存在的目标点之间的距离，就是说特指目标物体的横向表面上的距离或者基本上平行于目标物体的横向表面上的距离。在此，距离是特指所述目标物体的所述横向表面中的或者横向平面中的或者属于所述目标物体的类似的面中的距离；特指的距离尤其在目标物体上自身就是可以测量的。因此，在目前的特殊情况下，距离涉及的是这样的远离量，该远离量与直接测量的上述间距不同，是使用上述测距仪而无法测量的。这涉及到例如首先是长度，而且在某些可能情况下还涉及与其相关的面积，该面积例如位于建筑物正面上或者类似的地方。这些是无法通过上述通常的测距方法直接测量的。很希望在实际当中总是有一个简单有效地和可能的情况下已尽最大可能精确地测量目标物体上的表面或者平面中的横向距离的测量方法。例如本身已知的摄影测量方法通常只是局限于由摄影图像构成的单纯目力可视的所谓的三维模拟，与此同时并不与目标物体上的或者目标物体的表面中的或者平面中的横向距离的尺寸标注相关联。例如在WO 00/25089中对物体三维图示仪进行了阐述，在该仪器中，尽管是有一个测距单元，仍是对目标区域内的物体的一些个点的距离进行记录 (测绘)。只有为了由此制作物体的三维图(而并不需对目标物体的平面内的或者目标物体上的距离设置量化数据)时，才与目标物体的二维图像发生关联。由EP 2 026 077 Al公开一个三维坐标非接触式记录(测绘)系统，该记录(测绘)系统同这种类型的其他系统一样相当昂贵。其中，在将与被记录的三维图像有关的图像坐标系统转换为物体坐标系统方面获得成功，物体在该物体坐标系统中被测量。首先，需要一台或者数台从不同的位置同时记录所述目标物体的照相机。其次，在物体坐标系统中需要作标记，上述转换以该标记为基础。这样的系统对于在施工现场使用来说或者在设计和修缮过程中还是太麻烦和易受干扰的，因此最终是不易控制的。特别是要尽可能地避免在物体坐标系统中设置标记，因为在远离目标物体的情况下或者在简直无法够到的目标物体的情况下这显然是不可能的或者是很麻烦的。特别是在目标物体上设置标记隐含着事故隐患，这种事故隐患最终须予以避免。更确切地说，很希望能使目标物体上的横向距离的测量-可能的情况下另外也包括至目标物体的间距的测量-更加简单、更加安全和更加高效。也已经得到证明，通常在施工现场或者类似的场合产生的要求内容中百分数范围内的精度已经足以能够满足第一用户需要的要求内容。如果涉及的是测定目标物体上的表面的话-特别是目标物体上的横向面和表明该面特征的横向距离，所存在的要求特征就比较简单。开头所述的具有一个壳体以及一个被设置在该壳体内的、使用光学测量射线的测距装置和一个被设置在该壳体内的光电图像获取系统的测量仪为此提供了一种手段。该手段的结构却能够比EP 2 023 077A1中阐述的手段简单。原则上来说是众所周知的-类似开头所述类型的测量_，将测距的测距装置与光电图像获取系统组合在壳体中。开头所述的测量仪例如是由WO 2008/155657或者JP 08021878公开的。在这种测量仪中，测距装置和光电图像获取系统却并未实现在壳体内的耦合，其中仅仅是目标物体上的测量点的图像与光电图像基于软件地被叠加在一起。这样在JP 08021878中，借助光电二极管阵列确定的、测距装置的被扫描的测量点的位置在软件应用范围内与目标物体的光电图像相叠加，然后才被显示在显示屏上。与此类似，在WO 2008/155657中测距仪的显示屏与照相机的光电图像被叠加在一起。这种基于软件的方法证明不适合紧凑型的、特别是手持便携式的测量仪。与此相应地，一些方法，如EP 1 407 227 Bl中的方法仅仅是起到借助光电图像获取系统将目标物体上的一个测量点可视化的作用-换言之，在这种系统中光电图像获取系统起到一个瞄准器的作用，该瞄准器使使用者的眼睛可以看到目标物体上的测距装置的测量点。使用这种方法无法测量目标物体上的横向距离，特别是目标物体的表面上或者横向面上的横向距离。在本申请人的DE 100 55 510 B4中公示了一种开头所述的测量仪，该测量仪在壳体中设置有一个测距装置和附加一个光电图像获取系统。一个控制及计算单元起着对虚拟的测量光点进行计算和以图形的形式将其显示在显示屏上的作用，这样可以修正测距的视差误差。一个这样的测量仪也仅仅是测量该测量仪与目标物体之间的间距，而并不能测得目标物体自身上的横向距离。

发明内容
本发明着手于此，其目的是，提供一种开头所述类型的测量仪和方法，根据该测量仪和方法通过比较高效的、特别是简单的方法能够测得目标物体上的距离。特别是应该能够测得目标物体的表面上的横向距离，诸如目标物体的平面上的横向距离。尤其是应该能够至少近似地给出目标物体上的横向距离。尤其是应该为实现下述结果打下基础在一个易于操作的特别是便携工具式的测量仪中，能够实现将所测得的距离的、亦即特别是目标物体上的横向距离的资料和属性可视化。特别是，此外还应该能给出所述测量仪与所述目标物体之间的间距。关于所述测量仪，上述目的通过本发明借助开头所述类型的测量仪得以实现，其中按照本发明提出了权利要求1特征部分的特征。关于所述方法，上述目的通过本发明借助开头所述类型的方法得以实现，其中按照本发明提出了权利要求17特征部分的特征。本发明的出发点是将一个控制及计算单元-特别是具有存储器并且考虑可用的计算能力和存储能力-也能够如下地配置在便携式测量仪中，即，利用测距装置和光电图像获取系统的结果能够至少近似地列出目标物体上的横向距离。本发明由出发点还考虑到根据推荐的方案简化控制及计算单元中的处理过程是有益的。为此本发明首先设置了一个图像处理单元，该图像处理单元构造为，将目标物体上至少一些数量的目标点确定为至少一个光电图像中一些数量的相应像点。所说一些数量的点在此是指一个、两个、三个、 四个等等以及更多点的整数。所述测量点可以是，但不是必须是图像的部分。有利的是测量点是图像的部分。特别是，测量点可能是目标点之一。通常不会出现这种情况，但是可以证明是有益的。换言之，本发明的方案是以首先评估恰好一个光电图像和与该光电图像同时被记录的唯一的测量点为基础的。就这点而言，本发明的方案借助一次记录所获得的唯一的光电图像便能够有利地得以实现。特别是，光电图像获取系统具有唯一的取景和摄影光学器件就足以实现所述方案。本发明并不局限于此。所述方案的决定性的优点还在于其比较简单的可实现性。本发明认识到，测距装置在记录光电图像的同时或者几乎同时提供了参考点与目标物体上的测量点之间的间距。与此相应地本发明还具有如下设计，即所述控制及计算单元构造为，将与目标点相应的和被确定的像点配置给从参考点至测量点的间距。在第一由测距装置提供的、至测量点的间距与第二在光电图像获取系统的图像中被确定的像点之间如此构成的配置关系被证明是能够至少近似地测定特别是目标物体上的横向距离的充分的基础。在本发明的方案的范围内，可以通过原则上各种不同的方式实现配置关系，例如通过为间距适当地引用一个相应的值和通过像点的适当的互相引用。可以用表单或者阵列或者其他的配置关系用的指令列出所述数值。在改进的设计范围内，所述配置关系可以作为例如独立数组或者通过相互关联而构成的数组使用。优选确定的像点可以作为像素坐标使用，间距可以作为间距尺寸使用。特别有利的是，所述配置关系作为三数一组 (Zahlentripel)包括两个像点的像素的像素坐标差和作为间距尺寸的、从参考点至测量点的间距的像素坐标差。优选所述控制及计算单元设置有存储器，其中距离的配置关系和至少一个像点的配置关系作为配置关系被存放在该存储器中。在本发明的一个特别有益的改进的设计范围内具有如下的设计，S卩，恰好一个唯一的光电图像产生于目标物体的一个唯一的记录。此外，还特别具有如下的设计，即所述光电图像配置有恰好一个测量点。有益的是，所述测量点是所述唯一的光电图像中的一些像点中的一个，但不是那些与目标点相符的像点中的一个。可以通过唯一的取景和摄影光学器件实施对具有测量点的光电图像的这样的记录以及至该测量点的附加测距，大大简化了测量仪的配置。对于本发明的其他的有益的改进设计在从属权利要求中给予阐述并且详细地给出在设计任务/发明目的的范围内以及鉴于其他的优点的情况下实现上述方案的有利可能性。在有利的改进的设计范围内，所述配置关系例如可以作为三数一组-包括确定像点作为像素坐标和确定间距作为间距尺寸-被提供使用。有利的是，所述三数一组适合于通过控制及计算单元的再处理。为此所述控制及计算单元可以以特别优选的方式具有例如一个距离模块。所述距离模块具有如下有利的构造，S卩，将第一像点与第二像点之间的距离确定为像素距离，将距离尺寸配置给该像素距离，该距离尺寸等于目标物体上的、与像点相符的目标点的距离。例如这可以在被适当编程的图像处理软件模块的范围内完成。在一个特别优选的改进的设计的范围内具有如下设计，即所述距离模块具有一个参考尺寸用的入口并构造为由该参考尺寸和至测量点的间距尺寸至少近似地确定作为图像换算系数的图像比例尺。特别优选该图像换算系数作用于将距离尺寸配置给所述的像素距离。这一手段使得在可用的计算能力下使用便携式仪器测得目标物体上的横向距离并标出距离尺寸成为可能。在本发明的一个非常高效的改进的设计的范围内，第一参考尺寸构成取景和/或摄影光学器件的焦距被证明是有益的。就这点而言，取景和/或摄影光学器件的焦距通过有益的方法作用于能够将距离尺寸配置给所述像素距离。有益的是，第二参考尺寸构成一个像素大小。该像素大小在图像的不同的像素坐标方向中可以是各不相同。有益的是，所述像素大小能够接近均等。特别优选的是，图像比例尺是由焦距与间距之比再乘以像素大小而确定的。如同由改进的设计可以认识到的那样，使用尤其是第一和第二参考尺寸导致以优选方式确定图像比例尺，而且只需比较少的计算能力便可实施该图像比例尺的确定，并且还产生了至少基本好用的结果。通过这种方法，按照本发明的方案，实际上与测距和光电图像记录共同地在目标物体的光电图像内明确识别测距装置的测量点并根据参考尺寸标出目标物体上的横向距离，这是非常可能的。优选所述恰好一个唯一的光电图像出自目标物体的唯一的记录，且所述光电图像配置有恰好一个测量点。特别是具有如下的设计，即，将基本上处在所述测量点也在其中的平面内的一些目标点确定为恰好一个唯一的光电图像中的目标点。有利的是，所述也被称为参考平面的平面可以通过所述测量点和一个法向量被确定，有益的是该法向量大约由照相机的视向构成。所述参考平面的这个改进的确定方法特别是以有益的设想为基础的，即， 使用者基本上从垂直于目标物体的被测平面的方向实施测量。特别是，改进的方案以还可以接受的精度能够被应用在一个参考平面中的被测量的距离上，该参考平面与照相机的视向形成一个大约90° 士25°的角。在其他的情况下，尤其是在测量点位于含有距离的平面内，该平面与视向形成一个锐角的情况下，已经被证明有利的是将确定被测量的距离的目标点通过适合的图像处理算法，可能的情况下在使用附加传感器数据和用户交互的情况下转换入一个满足上述的有益的设想的参考平面内。例如这一点能够通过使所述平面围绕所述测量点旋转得以实现。因此，一个测量点应该尽可能地靠近被测量的横向距离。一般情况下至少通过目标物体上的测量点和其至测量仪中的参考点的间距-尤其还有间距方向，可能的情况下在图像处理单元内对光电图像的处理和/或用户交互的帮助下-才能够确定目标物体上的一个参考平面。在该参考平面内-可能的情况下仅仅是近似地-能够确定一些目标点的位置。尤其是如果仅仅是在可接受的、相对于间距来说小的误差范围内的一些间距点处于所述参考平面附近的话，这通常已经被证明是足够的。例如，这包括经常遇到的状况，该状况中测量点被定位于目标物体的诸如建筑物正面或者类似建筑的一个大部分基本上平坦的面内，而确定被检测的横向距离的目标点本身却位于所述平坦面之前或者之后。 该平坦面在上述的状况中例如常常是建筑物正面中具有阳台、窗台、门洞和类似的情况。该包括近似值的改进设计适宜于大多数测量诸如墙壁或类似的平坦面的应用。当一个这样的、作为参考平面的面实际上垂直于光电图形获取系统的视向(法向)取向和所述测量点位于该面内时，能够有利地实现对所述平面内的横向距离的比较精确的测量。尤其是这样的平面此处被称为参考平面和其法线被称为参考法线。在本发明的另外的改进的设计的范围内具有如下设计，即控制及计算单元具有拼接模块，该拼接模块构造为对一些各自分别由目标物体的唯一一个记录产生的、具有恰好各一个配属的测量点的光电图像进行共同处理，尤其是组合处理，尤其是组合成一张全景图像的拼接处理。有利的是，能够由多个目标物体的记录形成多个光电图像。尤其是还有如下的设计，即每个光电图像配置有恰好一个测量点，也就是作为各自光电图像中的一些像点之一。尤其是第一图像中的第一像点与第二图像中的第二像点之间的横向距离能够被确定为像素距离，且所述目标点的距离尺寸能够被配置给该像素距离。有利的是，所述图像处理还可具有如下的构造，即，使第一图像与第二图像之间的相互关系如此构成，即可以列出像素距离，并且-可能的情况下在第一图像和第二图像中采用不同的图像比例尺-所述目标点的距离尺寸被配置给所述像素距离。在本发明的另外的改进的设计的范围内具有如下的设计，S卩，恰好一个光电图像由所述目标物体的多个单独记录形成和作为全景图像由所述目标物体的多个单独记录拼接而成。其中目标物体的每个单独记录都配置有恰好一个测距的测量点。因此，所述唯一的拼接而成的光电图像配置有多个与单独图像相符的测量点，也就是作为所述唯一的拼接而成的光电图像中的一些像点之一。有益的是，所述拼接模块能够具有如下的构造，即为所述全景图像配置一些由配属的测量点构成的测量点，尤其是一些具有平均值的测量点，可能的情况下是一个唯一的测量点。特别有益的是，所述距离模块可以进一步改进，以确定恰好一个唯一的光电图像的一个面中的一些目标点之间的一些间距尺寸。有益的是，通过这种方法可以测定所述目标物体的横向表面中的一系列长度。例如它们可以固定在图像的具有显著特征的位置处。 也可以-完全或者部分地-自动进行所述位置的确定，例如基于对比度或者借助图像处理单元的和/或控制及计算单元的通常的图像处理的、光学评价的过滤功能。也可以-完全或者部分地-借助用户交互进行确定，尤其是通过输入装置或者电子显示装置的用户交互的形式。因此，该电子显示装置例如可以是具有适当功能性的触摸屏装置，例如Snap-功能(将一个大概的触摸位置对应配置于在附近具有显著特征的图像位置)。具体地说，例如通过这种方法一个建筑物的正面可以完全被标定尺寸。在此基础上，在恰好一个唯一的光电图像的一个面内确定由一些目标点构成的多面体内的面积尺寸已经被证明也是有益的。使用者能够恰当地利用一个这样的至少近似地被测定的面积尺寸，能够给例如需要处理的面所需的建筑材料估价。按一种改进设计，本发明的方案特别适合于继续改进电子显示装置，以便使所述目标物体的横向表面或者平面上的被测得的距离的资料和属性确定令人满意地、可视化地显示给使用者。例如，电子显示装置能够具有如下的构造，即显示图像中至少第一像点与第二像点之间的至少一个距离尺寸和/或面积尺寸。特别是，无论如何可以是这样一种无测距装置至测量点之间距的显示。已经得到证明，一个使用者并不总是需要至测量点的间距的，而是取而代之地对目标物体的横向表面上的横向距离更加感兴趣。在一个有利的改进方案中，设置在壳体中的电子显示装置依然可以具有如下的构造，即作为可选或者对距离尺寸的补充显示至测量点的间距。测距装置有益地具有一个辐射单元，特别是激光单元和一个具有光学元件的光学单元。该光学单元至少包括一个发送光学器件和接收光学器件；一个发送测量射线到目标物体上的、具有光学轴线的光学发送路径；和一个接收从测量点被反射回来的测量射线的、具有光学轴线的光学接收路径。有益的是，发送路径通过发送光学器件的单独的输出元件，特别是一个输出耦合透镜被二轴地导向接收路径。作为选择，所述发送路径也可以通过一个发送光学器件和接收光学器件共用的输出元件，特别是通过一个准直透镜被共轴地导向接收路径。可以有益地以所谓的二轴的方式或者有益地以所谓的共轴的方式实现使用光学测量射线的测距装置，通过该测距装置能够非接触式地测量至目标物体的间距。其中上述名称是以发送路径与接收路径相互之间的相对布置为依据。在二轴的方式中具有如下有益的设计，即所述发送路径通过发送光学器件的一个单独的输出元件被二轴地导向接收路径。有益的是，发送光学器件的所述输出元件可以是输出耦合透镜或类似元件。在该测量仪中，测距装置和光电图像获取系统在构造上能够得到有利地实现，其中各根据需要能够具有各种不同的方案。原则上，测距装置与光电图像获取系统的发送路径、接收路径和图像路径可以单独实现(也被称作二轴式)或者至少部分地重迭(也被称作共轴式)。特别是可以为路径的完全共轴布置设置一个图像路径以及发送路径和/或接收路径共用的输出元件。已经证明，在改进的设计范围内能够扩展控制及计算单元，以便对光电图像获取系统中的光学变形进行矫正。优选所述控制及计算单元和/或所述图像处理单元具有转换模块，该转换模块具有如下的构造，即为距离模块提供多面体的特别透视变形用的矫正尺寸，该多面体由一些像点构成。通过所述转换模块，补充地或者可选地，可能的情况下在利用附加传感器数据的情况下，例如倾斜度传感器的数据，旋转率传感器的数据等等或者用户交互的数据，目标点能够被转换到参考平面内。特别是这涉及关于消失点的透视变形的矫正。此外有益的是，还设置有用于矫正由图像获取系统的元件引起的图像失真以及图像畸变的矫正模块，其中与温度有关的影响也可以基于模型地或者利用表中的规定值得到修正。
通过特别有利的方式，所述测量仪适合于选择具有明显特征的目标点诸如棱缘端点、2轴-交点或者3轴-交点或者类似的特征点作为一些像点。换言之，借助所述测量仪通过有利的方法可以如此地预先给定像点，即借此可以将目标物体上的具有显著特征的目标点确定为光电图像中的像点。
首先，这可以由使用者选择决定，例如通过操作面板。也可以自动选择决定，例如借助图像处理单元，比如基于对比度分析，霍夫变换或者类似的图像过滤。优选所述测量仪继续扩展并具有耦合模块，该耦合模块通过适当的方法能够与辅助应用软件耦合，诸如地形图存储器(Planspeicher)、GPS-系统或者其他的可用的距离信息载体。通过特别有利的方法这适合于将由距离模块提供的距离尺寸与其他的距离信息进行调整。有益的是，所述耦合模块构造为将距离模块的距离配置给距离信息载体的距离。例如这能够被有利地应用于鉴于预先给定值，来确定目标物体的或者测量仪的地形安排、地点或者方位，并用该预先给定值加以查验。这能够以有利的方式被用于BIM-应用(建筑信息模型)。


下文借助附图来说明本发明的一些实施例。该附图并非必须按比例绘示各实施例，具体而言，附图为了有助于阐释，是以示意性的和/或略微变样的形式进行说明的。对于由附图能够直接看出的教导的补充，可参阅相关的现有技术。同时应该考虑到，针对某一实施形式的方式和细节可以进行各种各样的变型和改变，而并不脱离发明的总的思想。在说明书、附图以及权利要求书中所公开的发明特征，无论是它们本身单独存在还是任意组合，对于本发明的进一步发展设计都可能是重要的。此外，说明书、附图和/或权利要求书中所公开的特征的至少两个的全部组合均落入本发明的范围之内。本发明的总的思想并不局限于以下图示的和描述的优选实施形式的确切方式或细节，或者并不局限于一种与权利要求书中主张的方案主题相比是受到限制的方案主题。对于所给出的尺寸/数值范围， 应该认为也公开了处在所说极限内的值作为极值，并且可以任意使用以及可以提出权利要求。为了简单起见，以下对于相同的或类似的部件或者具有相同或类似功能的部件均采用同样的附图标记。
由以下针对优选实施例以及借助附图的描述可得出本发明的其他的优点、特征和细节；在附图中
图1是形式上为便携工具的用于非接触式测距的测量仪示意图，(A)为正视图、 (B)为侧视图2A、图2B是图1中的测量仪的两个特别优选的变型及其不同变型的测距装置， 图2A是二轴射束导向式、图2B是共轴射束导向式；
图3A、图;3B是图解说明仪器偏转㈧对测距的影响以及对目前为止只能间接测量的目标物体表面上的横向距离测量时的测距极限的影响；
图4A、图4B是图1中的测量仪的两个特别优选的变型及其测距装置与图像处理单元的相对变化的布置，图4A是二轴射束导向式、图4B是共轴射束导向式；
图5是测距的系统的示意图，该系统与一个光电图像获取系统组合以测定目标物体表面上的横向距离，并且作为参考尺寸使用焦距和像素大小至少近似地确定图像比例尺以便能够提供图像换算系数；
图6是一个控制及计算单元的构造以及处理过程，该处理过程在距离尺寸被配置给光电图像获取系统的光电图像的两个像点的像素距离的情况下在该控制及计算单元的距离模块中实现；
图7是一个控制及计算单元的改进的模块化的构造及其以图6中的处理过程为基础的距离模块；
图8是测量仪的第一优选应用，用于测算一个目标物体的，当前为房屋墙壁的基本上横向的平面内的具有显著特征的距离，其中横向平面基本上与摄影光学器件的光电图像的画面平行；
图9是举例示出仿射转换的效果，该仿射转换通过图7中的转换模块由控制及计算单元实施；
图10是光电图像在电子显示装置上的第一优选显示方案，其中辅助标注有使用者可以直接看到的、具有显著特征的长度的距离尺寸，连同显示面积尺寸的有益的触摸屏操纵选项；
图11是光电图像的第二优选显示方案，连同一个光电显示装置上的距离尺寸。
具体实施方式
图IA和图IB示出的是一台便携式的测量仪，该测量仪用于非接触式测量至目标物体200的间距z，例如在图3A和图;3B中例举示出了所述目标物体，在图5中对间距ζ进行了进一步说明。图IA是测量仪100的壳体10的操作面的俯视图，图IB是壳体10的侧视图-示意性地示出了测量仪100的组成构件。
例如被构造为激光测距仪形式的测量仪100的壳体10是为了便携使用而设计的-目前略微大于一只手的面积并具有相应的手感，可能的情况下还包含人体工程学设计；尽管这样，为了简便起见所述壳体10仍是被图示为矩形形状。在所述壳体10中设置有利用光学测量射线1的激光测距单元形式的测距装置20。在图2Α和图2Β中示出了该测距装置20的可能的变型，该变型作为图4Α和图4Β的优选实施方式被进一步改进。在图3Α 和图;3Β中对非接触式测量至目标物体的间距ζ的各种不同的使用情况做了进一步的阐述。
测量仪100具有设置在壳体10上的操作及输入部30，该操作及输入部目前被构造为嵌入壳体10的操作侧的键盘。在壳体10的操作侧嵌入有一个目视显示器40，在该目视显示器上目前既可以显示测得的所述测距仪100到目标物体200的间距ζ也可以显示所述测距仪100的操作状态。通过操作及输入部30可以对测距装置20进行操作。这样例如可以从在下文中阐述的壳体10的参考定程位置(Referenzanschlag) 50A，50B，50C或50D中选择一个参考定程位置。虽然通过光学测量射线1-这里例如为激光射线-进行的测量是以壳体内部的参考点NP为基准，但是使用者却经常愿意以参考定程位置50A，50B，50C或50D 中的一个为准测量至目标物体200的间距。通过使用者例如经操作及输入部30对参考定程位置的选择，间距ζ就能够在使用固定的加常数的情况下与各种不同的参考定程位置相关联。最重要的参考定程位置50A被设置在仪器的后侧面IOA上。另外还有其他的参考定程位置50B，50C，50D，例如在仪器的前侧面IOB上或者在测量加长器的尖部IOD上或者在支架螺纹的连接IOC上，该支架螺纹的中心点同样可以作为参考定程位置50C使用。
在下文中，为了简便起见，相同的或者类似的部分或者功能相同的或者功能类似的部分使用同样的附图标记。图4A和图4B示出的是根据测距装置的第一和第二变型20A 和20B进一步改进的实施方式，该变型根据本发明的方案在测量仪100中可以被用作测距装置20。为此首先涉及到的是图2A和图2B。
为了测定一个目标物体200与测量仪100的参考点NP之间的间距，可以使用开头所述的方法。目前测距仪100具有一个使用光学测量射线1的测距装置20，该测距装置以渡越时间测定为基础。在图2A和图2B中对测距装置的两个变型20A、20B如何能够作为测距装置被用于测距装置20进行了举例说明。两个测距装置20A、20B具有激光单元21，例如一个激光二极管以及一个发送光学器件22和一个接收光学器件23。所述测距装置20A、 20B还设置有具有光学轴线的、用于发送测量射线1 (这里指激光射线)到目标物体200上的光学发送路径24。此外，测距装置20A，20B设置有具有光学轴线的、用于接收由目标物体200反射回来的或者散射回来的测量射线2的光学接收路径25。在该接收路径25中设置有一个对反射回来的和/或散射回来的测量射线2进行检测的检测器沈，例如一个光电二极管。接收光学器件23在测距装置20A、20B的两种情况中都用于将反射回来的和/或散射回来的测量射线2聚焦在检测器沈上。测距装置20A构造有独立的发送光学器件22 和接收光学器件23，因此发送路径M和接收路径25互不重叠。测距装置20A中的这种路径布置也被称为二轴式。与此不同的是，测距装置20B具有路径共轴式布置的构造，其中发送路径M和接收路径25通过分光器27汇集在一起并且重合于两个共同的发送光学器件和接收光学器件22，23中。发送路径M和接收路径25各自在激光单元21与分光器27之间的区域内或者在检测器沈与分光器27之间的区域内被独立引导。
实际上-如继续可在图3A中看到的那样-在一个作为激光测距单元具有这样或者类似构造的测距装置20中，激光二极管的形式的激光单元21的测量射线1通过发送光学器件22的光学透镜被聚束。被聚束的测量射线1从壳体的前侧面IOB出发对准目标物体200-例如那里的测量点P1，并在所述测量点Pl上构成一个光点。该光点的被反射回来或者被散射回来的被称作散光的测量射线2由接收光学器件23的光学透镜通过所述方式被投影在检测器26的光电二极管的有效面积上。在这种情况下测距装置20可以是二轴式构造或者共轴式构造。为了测定从目标物体200到测量仪100的参考点NP的距离-根据往返程-激光束的激射光被调制为测量射线1。可以进行脉冲波形的调制或者也可以进行正弦形的调制。也可以进行其他形式的调制。如下进行调制，即可以检测到发射的测量射束调制与接收测量射束调制之间的时间差。通过光速的因数可以推算出测量仪100的参考点NP与目标物体200之间的直接距离。例如可以在未示出的控制装置中进行该计算。
图;3B示出的是在通常测距中难以解决的情况。虽然类似图3A中所述的测距装置 20的定向那样，通过测量射线1可以测定至目标物体200的测量点Pl的距离和通过测量射线1'同样也可以测定至目标物体200的目标点P2的距离。可是只有使用通过测量射线1 和测量射线1'测得的两个测量距离，结合两个测量段之间的夹角才能间接地计算出测量点Pl与测量点P2之间的距离△。就是说，通过简单旋转测距装置20通常是无法直接测得目标物体200表面上的横向平面中的距离Δ的。此外甚至为了间接地测得距离Δ，至少需要实施两次单独测量-即首先使用测量射线1至测量点Pl的测量和其次使用测量射线 1'至测量点Ρ2的测量。在测距装置20的日常应用中这种状况出现的比较频繁。特别是这涉及到目标物体200的横向表面的测定，包括位于其中的长度和面积。例如这涉及到具有显著特征的长度和面积，该长度和面积通过例如建筑物正面的窗口、门口或者类似的地方的具有显著特征的目标点被事先给定。目前，只能使用开头所述的很昂贵的摄影测量仪器或者通过组合测量两个间距和一个夹角或者利用毕达哥拉斯定理(勾股定理)组合测量两个间距和一个水平线段的间距才能测定这样的间接尺寸。
根据本发明的方案，图4A和图4B示出的是测距装置20A的第一变型和测距装置 20B的第二变型的改进的实施方式。作为在图2A和图2B中已经阐述的测距装置的补充， 在两个方案中设置有一个同样被布置在测量仪100的壳体10中的光电图像获取系统60A、 60B。为了获取目标物体200的目标点，每个光电图像获取系统60A、60B都具有一个取景和摄影光学器件61以及一个连接所述取景和摄影光学器件的未被详细示出的图像路径66。 一个目标点可以例如由上述的测量点或者-如通常这种情况更普遍-由上述建筑物正面的具有显著特征的点确定。在下文中为了区别于测量点P1，P2，目标点被标记为Z1，Z2。这些点可能是相同的，但是通常是不相同的。摄影光学器件构造为例如CCD(电荷耦合器件)阵列或者这类的摄影传感器，例如CMOS (互补金属氧化物半导体)-传感器，该传感器安装有一个适合的光学配置作为取景光学器件。图像处理单元62可以是适合的图像处理器，利用该图像处理器通过对由摄影传感器提供的图像数据的处理可以生成一个如在图5中进一步阐述的目标物体200的光电图像4。
测量仪100AU00B的区别在路径和输出光学器件的范围内，可以根据偏重不同优点的需要实现该路径和输出光学器件。光电图像获取系统60A或者60B相对测距装置20A 或者20B来说具有不同的布置。在图4A的测量仪100A中，光电图像获取系统60A和图像路径66构造为具有单独的取景和摄影光学器件61。特别是图像路径66具有相对发送路径M的二轴构造和相对接收路径25的二轴构造。所有路径66，24，25均为二轴式以及在测量仪100A的壳体10内配置有单独的光学器件61，22，23。
在图4B的测量仪100B中，图像路径66和发送路径M以及接收路径25通过由测量射线和光电照相光线共同使用的分光器四被汇集在一起。不但光电光线3而且测量射线1和反射或者散射回来的测量射线2都通过一个共用输出元件引导，该输出元件形式上为另一个分光器四以及可能的情况下为另一个未被示出的输出耦合光学器件，诸如输出耦合窗、输出耦合透镜或者类似部件。所有路径66，24，25的这种共轴布置有利地避免了记录光电图像4用的光电光线与测量间距用的测量射线1，2之间的视差误差；提高了测量精度和减少了必要的输出元件或者其他的光学元件的数量。
为了进一步处理光电图像4，摄影光学器件61通过适合的图像数据线63与图像处理单元62相连接。该图像处理单元62通过另一图像数据线64与控制及计算单元SE相连接。这样控制及计算单元SE获得有关光电图像获取系统60A、60B的光电图像4的信息。 同样该控制及计算单元SE通过检测器-信号线四获得检测器信号，该检测器信号在控制及计算单元SE内使一个计算值可用于目标物体200上的测量点Pl的间距zl。这样通过所述控制及计算单元SE，关于被图像处理单元处理过的光电图像4和测量点Pl与参考点NP 之间的间距zl的间距尺寸的信息可以被提供给进一步处理和/或使用者使用。
如在图5中可以象征性地看到的那样，测量点Pl的映像-即物体的测量点Pl的测量点-图像Pl'-是光电图像4的部分。目前设定的是恰好唯一的光电图像4由目标物体200的唯一的记录构成，且该唯一的光电图像4配置有恰好唯一的测量点P1。目前-如通常情况如此-测量点Pl取自于图像范围和在图像4中反映为测量点-图像Pl'。为了简便起见，目前测量点Pl也作为目标点Zl-反映为测量点-图像Pl'，这样目标点-图像 Zl'在图5中由像素坐标xl' , yl'表示。换言之，测量点Pl的位置的映像是光电图像4 的部分和目前也是目标点，例如一个有显著特征的位置如建筑物正面或者类似部分上的窗户角之类。
在一个此处未被示出的情况中，测量点Pl并不一定是图像范围部分。如果借助测量点Pl和从参考点NP至测量点Pl的间距Zl能够确定一个平面作为参考平面的话就足够了。目标点zl，z2可以至少近似地配属于该参考平面，或者有利的是目标点zl，z2处于所述参考平面中。特别是通常测量点Pl不代表目标点Z1，就是说不代表需测量的横向距离 Δ的终点。首先测量点Pl通常不表示有显著特征的位置，因为使用者可能的情况下通过调整测量仪将测量点确定在一个面，例如建筑物正面的某一个任意的点上。例如如果想测量窗户的宽度，这样测量点Pi处在例如作为参考平面的墙面的某一处。测量点Pi对于测量从仪器100AU00B到作为参考平面的墙面的间距Zl来说是至关重要的。可是与图5不同的是，通常所述测量点不包括在例如由特征点确定的目标点Zl，Ζ2的数量内。为了使横向测量尽可能准确，测量激光束应该垂直于参考平面以及由目标点Zl，Ζ2确定的横向测量物体应该有利地处于参考平面内。
如果情况并非后者的话，可以通过透视矫正来达到改善。为此图7中所述的转换模块可以提供帮助，该转换模块可以被设置在控制及计算单元SE中和/或在图像处理单元 62中。
通过图4Α和图4Β中示出的构造比较简单的、唯一的取景和摄影光学器件61就可以记录测量点Pl范围内的目标物体200。该比较简单的结构足以实现本发明的方案。取景和摄影光学器件既不必是可旋转的也不必多重设计。概括地说，测量仪100AU00B具有设置有测距装置20Α或者20Β以及光电图像获取系统60Α或者60Β的有益的简单结构，其中辅助设置有控制及计算单元SE，该控制及计算单元SE既获取参考点NP与测量点Pl之间的间距zl的间距尺寸，也确定光电图像的像点的数量。
根据本发明的方案，这些信息被配置为以相互参照的形式中存在，就是说，将相应于测量点Pl被确定的测量点-图像Pl' (xl'，yl')配置给在图5中这样标记的间距zl。 Pl表示物体的测量点，Pl'表示照相机的光电图像4中的被成像的测量点-图像。在下文中，所有带撇的参数涉及的是无单位的图像参数，而所有不带撇的参数涉及的是物体参数， 例如单位是[m]。这样，目前从参考点NP至测量点Pl的间距zl被配置给了测量点-图像 Pl'。例如该配置关系可以作为三数一组(xl'，yl'，zl)使用。目前，该三数一组在前两位中包括确定作为光电图像中的像素的测量点Pl'的像素坐标(xl'，yl')和在后面的第三位中作为间距尺寸的测量点Pl的间距zl。这样的一个三数一组(xl' , yl'，zl)可以由控制及计算单元SE例如被存储到存储器70中，以及，可能的情况下通过另外的数据线 65被传输至接口 71处。通过该接口 71例如可以使其他的显示仪或计算机与所述测量仪 100AU00B 连接。
图5对原理进行了详细的图解说明，根据该原理控制及计算单元SE通过作为软件或者硬件运行的距离模块(Abstandsmodul)将从参考点NP到测量点Pl的间距zl依据上述的原理配置给与测量点Pl相应地被确定的像点Pl ‘。
以此为基础，图6中示出的距离模块A使用第一像点和第二像点之间的距离作为像素距离(Pixelabstand)并在使用参考尺寸f的情况下将距离尺寸-此处以单位[m]_配置给该像素距离。
此外，如控制及计算单元SE的图像处理单元提供使用的那样，图5详细地示出了光电图像4的像素坐标面。就这方面来说，该像素坐标面事先给定参考平面，该参考平面由从参考点NP至测量点的间距zl和图像获取的视向以及测量激光束的方向构成；例如配置于一个建筑物墙壁或者类似物。例如，在具有χ'-方向和y'-方向的像素坐标面中，沿 x'-方向的像素被标码至256和y'-方向的像素被标码至128-在实际应用当中该像素数要远大于此。在所述像素面中恰好确定了一个光电图像4，该光电图像出自于测量仪100A、 100B对目标物体200的唯一的记录。目标物体具有测量点Pl和在配属的参考平面内横向于该测量点并保持间距Δ [m]地具有目标点Z2。该横向的间距Δ [m]应该被测定。为简便起见，如上所述测量点Pl目前被用作目标点Z1。
在目标物体200的横向表面-即参考平面-中可以看到的测量点Pl-此处例如作为第一目标点Zl-被成像在光电图像4中。作为测量点-图像Pl' (Xl'，yl')，测量点 Pl具有像素坐标Xl'，yl'。所述光电图像4是光电图像获取系统60A、60B的唯一的记录的结果。为了测定测量点Pl/第一目标点Zl与第二目标点Z2之间的间距Δ[πι]的距离尺寸；后一个目标点作为第二目标点-图像Ζ2' (χ2'，y2')以像素坐标x2'，y2'被成像在光电图像4中。在目前的实施方式中，首先不需要光电图像4的另外的记录。相反，却是首先这样地构造图像处理单元62，S卩，通过像素坐标xl'，yl'和x2'，y2'在光电图像4 中至少确定测量点-图像Pl'和目标点-图像Z2'以及将这些像点之间-也就是在测量点-图像Pl' (xl'，yl')和目标点-图像Z2' (x2'，y2')之间-的距离确定为像素距离Δ'；例如这通过像素坐标差Δ X' = x2' -Xl'，Ay' = y2 ‘ -yl ‘而得以实现。 目前像素距离Δ ’被随意选择地例如以像素坐标差(Δχ' , Ay' ) = (2,13)被标注。通过图6所示的控制及计算单元SE的距离模块A能够将距离尺寸Δ配置给一个这样的像素距离Δ ‘。例如目前间距被随意标注一个为132的值，单位为米[m]。
目前，在图6中示出了距离模块的相应的构造，为了由像素坐标差ΔΧ'和Ay' 求得目标点Zl(此处为测量点Pl)和Ζ2的以[m]为单位的距离Δ，在X-方向和y-方向中相应采用了单位为米[m]的焦距AF，横向参考平面的间距zl和像素大小札和、。例如目前采用一个基于几何光学的比较简单的计算方法。因此明显大于焦距AF的间距zl的计算方式如下
权利要求
1.测量仪(100A，100B)，尤其是便携工具形式的测量仪，用于非接触式测量目标物体 (200)上的距离，其包括-壳体(10)，尤其是一种为手持使用而构造的壳体(10)；-设置在所述壳体(10)中的、利用光学测量射线(1)的测距装置O0A，20B)，借助该测距装置能够非接触式测量一参考点(NP)与目标物体(200)上至少一个测量点(Pl)之间的间距(ζ)，尤其是借助于渡越时间测定；-设置在所述壳体(10)中的光电图像获取系统(60Α，60Β)，带有取景和摄影光学器件 (61)以及将其相连的、用于获取目标物体Ο00)的目标点(Ζ1，Ζ2)的图像路径和用于生成目标物体Ο00)的光电图像的图像处理单元(62)； -控制及计算单元(SE)，借助该控制及计算单元能够显示所述图像处理单元(6 的图像；其特征在于，-所述图像处理单元(62)构造为将所述目标点(Zl，Z2)中的至少一些目标点，尤其是附加测量点(Pl)，确定为在恰好一个唯一的光电图像中的部分像点(Zl'，Z2')； -所述控制及计算单元(SE)构造为将所述参考点(NP)至测量点(Pl)的间距(zl)配置给所述像点(Zl'，Z2')中的至少一个并使该配置关系可供再处理使用。
2.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述控制及计算单元(SE)具有一距离模块(A)，该距离模块构造为将第一像点(Zl')与第二像点(Z2')之间的距离确定为像素距离(Δ ‘)并将所述目标点(Zl，Z2)的距离尺寸(Δ)配置给该像素距离(Δ ‘)。
3.如权利要求1或2所述的测量仪，其特征在于，所述距离模块具有用于至少一个参考尺寸的入口并且构造为由该至少一个参考尺寸(f)至少近似地确定一图像比例尺(M)，借助该图像比例尺将距离尺寸(Δ)配置给像素距离(Δ ‘)。
4.如权利要求1至3之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述至少一个参考尺寸至少包括取景和摄影光学器件(61)的焦距(AFDii])和/或像素大小(b[m])，尤其是由焦距(AF[m])与间距(zl[m])之比再乘以像素大小(b[m])而确定的图像比例尺(M)。
5.如权利要求1至4之任一项所述的测量仪(100A，100B)，其特征在于，所述恰好一个唯一的光电图像(4)产生于所述目标物体(200)的一个唯一的记录并且该光电图像(4)配置有恰好一个测量点(Pl)，尤其是，在另外借助所述测量点(Pl)确定的平面中的那些目标点(Zl，Z2)在至少所述恰好一个唯一的光电图像中、尤其是在一些这样的图像中得到确定。
6.如权利要求1至5之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述距离模块和/或所述图像处理单元(62)构造为确定一些目标点(Z1，Z2)之间的一些距离尺寸。
7.如权利要求1至6之任一项所述的测量仪(100A，100B)，其特征在于，所述控制及计算单元(SE)具有一拼接模块，该拼接模块构造为将一些各自分别由目标物体O00)的一个唯一的记录产生的、具有恰好各一个配属的测量点(Pl)的光电图像(4)进行组合，尤其是合成为一幅全景图像。
8.如权利要求1至7之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述距离模块(A)构造为 将一些目标点(Zl，Z2)之间的一些距离尺寸配置给所述光电图像的、特别是全景图像的像点(Zl' ,Z2')的像素距离(Δ')。
9.如权利要求1至8之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述距离模块(A)构造为 对于所述光电图像的、特别是全景图像的配属的像点(Zl'，Ζ2')确定由一些目标点 (Zl，Ζ2)所确定的多面体之内的面积尺寸。
10.如权利要求1至9之任一项所述的测量仪，其特征在于，在所述壳体(10)中构造一电子目视显示器GO)，来显示图像中的至少一个面积尺寸和/或距离尺寸，尤其是不带有参考点(NP)至测量点(Pl)的间距地显示。
11.如权利要求1至10之任一项所述的测量仪，其特征在于，在所述壳体(10)中构造一电子目视显示器(40)，作为选择或者作为对距离尺寸的补充，来显示参考点(NP)至测量点(Pl)的间距。
12.如权利要求1至11之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述光电图像获取系统 (60A,60B)具有唯一一个取景光学器件和摄影光学器件(61)。
13.如权利要求1至12之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述图像获取系统(60A， 60B)的图像路径通过单独的取景光学器件被二轴地导向所述测距装置Q0A，20B)的发送路径和/或接收路径，或者，所述图像路径通过一方面发送光学器件和/或接收光学器件 (22,23)与另一方面所述取景光学器件的共用的输出元件被共轴地导向发送路径和/或接收路径(24,25).
14.如权利要求1至13之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述控制及计算单元 (SE)和/或所述图像处理单元(6 具有一转换模块(T)，该转换模块构造为为所述距离模块(A)提供用于目标物体O00)的透视变形的矫正尺寸，尤其是用于由一些目标点所确定的多面体的矫正尺寸，尤其是用于趋向于消失点变形的多面体的矫正尺寸。
15.如权利要求1至14之任一项所述的测量仪，其特征在于，借助所述图像处理单元 (62)能够自动地选择和/或借助操作及输入部(30)和/或借助目视显示器GO)能够选择具有显著特征的目标点，诸如棱缘端点、2轴-交点、3轴-交点、消失点、校准点等等，作为部分像点。
16.如权利要求1至15之任一项所述的测量仪，其特征在于，所述控制及计算单元 (SE)具有一耦合模块(K)，借助该耦合模块，距离模块(A)的输出端能够与地形图存储器 (PLAN)、GPS-系统(GPQ或类似的可用距离信息载体(N，K0)的输入端耦合。
17.用于非接触式测量目标物体(200)上的距离的方法，特别是使用如权利要求1至 16之任一项所述的测量仪(100A，100B)，尤其是便携工具形式的测量仪，包括如下步骤-非接触式测量一参考点(NP)与目标物体(200)上至少一个测量点(Pl)之间的间距 (zl)，特别是借助渡越时间测定；-光电成像地获取目标物体O00)的目标点(Z1，Z2)并生成目标物体O00)的光电图像⑷；-显示该图像⑷；其特征在于，-将所述目标点(Z1，Z2)中的至少一些目标点，特别是附加测量点(Pl)，确定为在恰好一个唯一的光电图像中的部分像点(Zl'，Z2')，-将参考点(NP)至测量点(Pl)的间距(zl)配置给所述像点(Zl'，Z2')中的至少一个并使该配置关系可供再处理使用。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将第一像点(Zl')与第二像点(Z2') 之间的距离确定为像素距离(Δ ‘)并且将距离尺寸(Δ)配置给该像素距离(Δ ‘)。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，由包括 取景光学器件和摄影光学器件(61)的焦距(AFDii])和/或像素大小(b[m])的至少一个参考尺寸(f)至少近似地确定图像比例尺(M)，借助该图像比例尺能将距离尺寸(Δ )配置给像素距离(Δ ‘)。
20.如权利要求17至19之任一项所述的测量仪，其特征在于，图像比例尺(M)由焦距 (AF[m])与间距(zl[m])之比再乘以像素大小(b[m])而确定。
全文摘要
本发明涉及一种用于非接触式测量目标物体上的距离的测量仪，包括壳体；设置在壳体中利用光学测量射线的测距装置，借其可非接触式测量参考点与目标物体上至少一个测量点之间的间距；设置在壳体中的光电图像获取系统，带有取景和摄影光学器件以及将其相连的、用于获取目标物体的目标点的图像路径，和生成目标物体的光电图像的图像处理单元；控制及计算单元，借其可以显示图像处理单元的图像。本发明提出图像处理单元构造为，将至少一些目标点，尤其是附加测量点，确定为恰好唯一的光电图像中的部分像点；控制及计算单元构造为，将从参考点至测量点的间距配置给像点中的至少一个并使该配置关系可供再处理使用。
文档编号G01C3/00GK102538744SQ20111034301
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月25日 优先权日2010年10月29日
发明者C·文施, H·哈本巴赫, J-P·杜瓦扬, P·施密特, S·蒂芬塔勒, T·戈戈拉 申请人:喜利得股份公司