数字激光测距仪的参照的方法和测量装置以及激光测距仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及测量装置，尤其是手持式测距设备，用于光学距离测量。该测量装置具有第一发送装置、第一接收装置和第二接收装置。第一发送装置被实施为向目标对象发送出光学测量辐射。第一接收装置被实施为探测从目标对象返回的辐射。此外第二接收装置被实施为探测装置内部的参照辐射。接收装置分别具有第一探测器单元和第二探测器单元。此外，接收装置分别具有第一时间测量单元和第二时间测量单元。第一时间测量单元被实施为可选地被与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。第二时间测量单元可以可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。
【专利说明】数字激光测距仪的参照的方法和测量装置以及激光测距仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于数字激光测距仪的参照的方法和测量装置以及激光测距仪。
【背景技术】
[0002]已知光学测距设备，其可以测定在测距设备和目标对象之间的间距。为此测距设备朝目标对象方向发送出光束并且探测由该对象反射并且朝测距设备方向返回的光。
[0003]距离的测定可以借助运行时间方法、也称为飞行时间(time-of-fl ight)方法来进行。该测量在此可以在时间范围中或者在频率范围中进行。在时间测量的情况下，短激光脉冲例如可以在时刻向目标对象被发送出并且在那里被散射或者反射。该测量辐射的
一部分例如经由接收光学系统到达光学接收器并且在时刻tff±到达该光学接收器。从所测量的运行时间(tff±减去t 和光速Ctl计算目标对象的距离d。
[0004]为了改善测量精度，可以考虑背景辐射。为此，可以使用装置内部的参照测量区段，其中在光源和接收装置之间的距离已知。这种参照(Referenzierung)例如由US2007/0 182 949 已知。
[0005]即使在考虑背景辐射的情况下，例如也可能通过系统引起的测量误差减少测量精度。系统引起的测量误差例如可能通过与温度相关的信号运行时间、尤其是在集成于测距设备中的分析电路内部的信号运行时间来引起。
【发明内容】
[0006]因此可能需要如下测量装置和方法，其能够改善距离测量的测量精度和可靠性。
[0007]这种需求可以通过按照独立权利要求的本发明主题来满足。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中描述。
[0008]下面详细谈论按照本发明实施方式的装置的特征、细节和可能的优点。
[0009]按照本发明的第一方面，介绍用于光学距离测量的测量装置。该测量装置具有第一发送装置、第一接收装置和第二接收装置。发送装置被实施为向目标对象发送出光学测量辐射。第一接收装置被实施为探测从目标对象返回的辐射。第二接收装置被实施为探测装置内部的参照辐射。第一接收装置具有第一探测器单元和第一时间测量单元。第二接收装置具有第二探测器单元和第二时间测量单元。第一时间测量单元可以可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。第二时间测量单元可以可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。
[0010]换句话说，本发明的构思基于:使用两个相同的集成电路，和尤其是两个相同的时间测量单元和两个相同的探测器单元，它们可以交叉地相互连接。通过这种方式，接收电路的时间测量单元不仅在距离测量时、而且在参照测量时可以相互交换。由此可以例如通过构成在通过这种方式测定的运行时间之间的平均值或差来可靠地补偿测量误差。
[0011]尤其是，可以通过测量仪的本发明扩展方案来有效并且低成本地补偿由在测量仪的激光二极管内部的温度漂移引起的运行时间差别。此外，还可以借助测量仪来补偿在集成电路内、也即在接收电路内出现的运行时间差别。此外，在针对第一和第二接收装置使用相同的电路的情况下可以将成本保持得相对低。
[0012]在此，测量装置可以是数字或光电子手持式测距设备。尤其是，该测量装置可以被实施为基于SPAD的激光测距仪(SPAD=Single Photon Avalanche Diode单光子雪崩二极管)。测量装置可以被实施为测定至目标对象(也被称为目标)的距离，该目标对象处于与测量装置几个cm至几百m的间距中。测量装置的测量方法在此可以基于高频激光调制和光运行时间分析。
[0013]测量装置具有第一发送装置。该发送装置在此可以控制诸如LED、激光器或激光二极管的光源的信号。此外，测量装置具有第一和第二接收装置。这些接收装置被实施为探测由目标对象或由具有已知间距的参照目标反射的测量辐射并且测定相应辐射的运行时间。接收装置和发送装置可以被实施为尤其是以ASIC (ASIC-专用集成电路)形式的集成电路的一部分。在此可以在两个分离的ASIC上而或者也在相同的ASIC上设置第一和第二接收装置。以有利的方式，第一接收装置被实施为第一 ASIC的一部分并且第二接收装置被实施为第二 ASIC的一部分。第一和第二 ASIC在此可以被实施为相同的。在相同地实施ASIC时，可以节省成本，因为具有改变了的功能性的ASIC的制造不是必要的。尤其是在使用两个单独的、尤其是相同的ASIC时可以为ASIC设置单独的壳体，所述壳体确保在测量辐射和参照辐射之间的良好的光学隔离。
[0014]接收装置分别具有探测器单元和时间测量单元。在此，每个接收装置可以具有至少两个并且尤其是更多个时间测量单元和探测器单元。优选给每个时间测量单元分配至少一个探测器单元。
[0015]探测器单元可以提供输出信号，其被输送给所分配的时间测量单元。输出信号在此可以对应于电脉冲，所述电脉冲通过吸收光子被感应(induzierter)并且其脉冲边沿与光子探测的时间相关。探测器单元优选可以装备有多个必要时可接线的光敏元件。
[0016]探测器单元的光敏元件例如可以是调制的“电荷耦合装置(charge-coupleddevice)”(CCD), “互补金属氧化物半导体像素(complementary-metal-oxide-semiconductor-Pixel)”(CMOS-像素)，雪崩光电二极管(APD)或者“正-本征-负-二极管(positive-1ntrinsic-negative-Dioden)，，(PIN 二极管)。
[0017]探测器单元优选可以基于作为光敏元件的“单光子雪崩二极管”(SPAD)。时间测量在此可以借助时钟控制的计数器来实现，该计数器的时钟信号由频率发生器来产生。频率发生器可以由振荡器馈送。与此同时，发送或测量辐射可以借助发送装置相应地被调制。高频发生器和振荡器在此可以被实施为测量设备的一部分。
[0018]时间测量单元被实施为，基于相应分配的探测器单元的输出信号来测定由探测器单元探测的辐射的运行时间。在此例如可以通过开关给每个时间测量单元输送第一或第二探测器单元的信号。为此，时间测量单元和探测器单元的输入端和输出端可以通过一个或多个开关可交换地被相互连接。
[0019]借助测量设备的距离测量可以在频率范围中或者根据相位运行时间方法来实现。在此，光源的光学辐射可以在其强度方面例如正弦形地被调制。该经调制的辐射被发送到目标对象上并且在那里被散射或反射。反射辐射的一部分例如通过接收光学系统到达第一接收装置。根据目标对象的距离，接收的正弦形强度调制的辐射具有与发送的正弦形强度调制的信号的相位偏移。由在接收的和发送的信号之间的相位差、已知的调制频率以及光速可以计算至目标对象的距离。
[0020]测量辐射的运行时间或相位差例如可以顺序地首先借助第一时间测量单元并且接着借助第二时间测量单元来测定。同样，参照辐射的运行时间的测定顺序地借助第一时间测量单元并且接着借助第二时间测量单元来实现。这些运行时间可以接着相互比较并且必要时形成平均值。
[0021]按照本发明的一种实施例，测量装置具有分析单元，其被实施为在使用第一探测器单元和第一时间测量单元下来测定第一运行时间TA。该测量用A来表示。此外，分析单元被实施为在使用第二探测器单元和第二时间测量单元下测定第二运行时间Tb。该测量用B表示。
[0022]此外，可以将分析单元实施为在使用第一探测器单元和第二时间测量单元下来测定第三运行时间T。。该测量用C表示。最后，该分析单元可以被实施为，在使用第二探测器单元和第一时间测量单元下来测定第四运行时间TD。该测量用D表示。
[0023]第一和第二运行时间的测定可以同时、也即并行地进行。
[0024]此外，可以同样同时实现第三和第四运行时间的测定。
[0025]通过同时测定各个运行时间可以加速距离测量过程。
[0026]按照本发明另一实施例，分析单元还被实施为通过在运行时间之间形成差或者形成平均值来测定运行时间差Jr或者运行时间平均值。分析单元被实施为补偿测量装置的运行时间误差。在此，补偿例如可以包括在接着的距离测量时运行时间差的粗糙计算(Rausrechnen)和/或集成电路的再调节。
[0027]例如可以通过下面的差形成来补偿发送出测量辐射和参照辐射的激光二极管的运行时间漂移:
【权利要求】
1.用于光学距离测量的测量装置(I)，该测量装置(I)至少具有 第一发送装置(3 )，用于向目标对象(7 )发送出光学测量辐射(6 ); 第一接收装置(9)，用于探测从目标对象(7)返回的辐射(13); 第二接收装置(11)，用于探测装置内部的参照辐射(15); 其中第一接收装置(9)具有第一探测器单元(16)和第一时间测量单元(20)； 其中第二接收装置(11)具有第二探测器单元(17 )和第二时间测量单元(21); 其特征在于， 第一时间测量单元(20)可以可选地与第一探测器单元(16)和与第二探测器单元(17)连接，以及第二时间测量单元(21)可以可选地与第一探测器单元(16)和与第二探测器单元(17)连接。
2.根据权利要求1所述的测量装置(I)，其中第一探测器单元(16)和第二探测器单元(17)具有 SPAD ； 其中所述SPAD尤其是被实施为分别探测感应出电脉冲的各个光子。
3.根据权利要求3所述的测量装置(I)，其中，探测器单元(16，17)被实施为将电脉冲与相应光子的探测的时间相关并且作为输入信号输送给所分配的时间测量单元(20，21)； 其中时间测量单元(20，21)被实施为将输入信号转换成运行时间(TA，TB, Tc, Td)。
4.根据权利要求1所述的测量装置(I)，还具有 第一复用器(55)；` 其中第一复用器(55)被实施为将第一时间测量单元(20)可选地与第一探测器单元(16)和与第二探测器单元(17)连接。
5.根据权利要求4所述的测量装置(I)，还具有 第二复用器(57); 其中第二复用器(57)被实施为将第二时间测量单元(21)可选地与第一探测器单元(16)和与第二探测器单元(17)连接。
6.根据权利要求1至5之一所述的测量装置(1)，其中第一发送装置(3)、第一接收装置(9)和第二接收装置(11)集成在第一集成电路(25)中。
7.根据权利要求1至5之一所述的测量装置(I)，其中第一接收装置(9)集成在第一集成电路(25)中； 其中第二接收装置(11)集成在第二集成电路(27)中。
8.根据权利要求7所述的测量装置(I)，其中第一集成电路(25)与第二集成电路(27 )相同地实施。
9.根据权利要求8所述的测量装置(1)，其中第一集成电路(25)具有第一壳体； 其中第二集成电路(27 )具有第二壳体； 其中第一壳体与第二壳体单独地实施。
10.根据权利要求1至9之一所述的测量装置(I)，还具有 振荡器(41); 闻频同步线路(49)； 其中高频同步线路(49)将第一时间测量单元(20)与振荡器(41)连接； 其中高频同步线路(49)将第二时间测量单元(21)与振荡器(41)连接。
11.根据权利要求1至10之一所述的测量装置(I)，还具有 分析单元(59)； 其中分析单元(59)被实施为在使用第一探测器单元(16)和第一时间测量单元(20)下来测定第一运行时间(Ta); 其中分析单元(59)被实施为在使用第二探测器单元(17)和第二时间测量单元(21)下测定第二运行时间(Tb)。
12.根据权利要求11所述的测量装置(1)，其中分析单元(59)被实施为在使用第一探测器单元(16)和第二时间测量单元(21)下来测定第三运行时间(Tc)； 其中该分析单元(59)被实施为，在使用第二探测器单元(17)和第一时间测量单元(20)下来测定第四运行时间(TD)。
13.根据权利要求11所述的测量装置(1)，其中第一和第二运行时间(TA，Tb)的测定并行进行。
14.根据权利要求12或13所述的测量装置(1)，其中第三和第四运行时间(Tc，Td)的测定并行进行。
15.根据权利要求14所述的测量装置(1)， 其中分析单元(59)被实施为通过在运行时间(TA，TB，Tc，Td)之间的差形成来测定运行时间差(Z H。
16.根据权利要求15所述的测量装置(I)，其中分析单元(59)被实施为基于所测定的运行时间差(J T)来补偿测量装置(I)的运行时间误差。
17.根据权利要求1至16之一所述的测量装置(I)，还具有 第二发送装置(5); 激光器驱动开关(61); 其中激光器驱动开关(61)被实施为可选地将激光器(43)与第一发送装置(3)和与第二发送装置(5)连接。
18.根据权利要求1至16之一所述的测量装置(I)，还具有 第二发送装置(5); 第一激光器(43)； 第二激光器(45)； 其中第一发送装置(3)被实施为，当第一时间测量单元(20)与第一探测器单元(16)或与第二探测器单元(17)连接时，运行第一激光器(43)； 其中第二发送装置(5)被实施为，当第二时间测量单元(21)与第一探测器单元(16)或与第二探测器单元(17 )连接时，运行第二激光器(45 )。
19.根据权利要求1至18之一所述的测量装置(I)，还具有 滑标(63)； 其中滑标(63)被实施为将装置内部的参照辐射(15)偏转至第一接收装置(9)； 其中滑标(63)被实施为将从目标对象(7)返回的辐射(13)偏转至第二接收装置(11)。
20.测距设备，尤其是激光测距仪，具有根据权利要求1至19至少之一所述的测量装置。
21.用于补偿根据权利要求1至19之一所述的测量装置(I)的测量误差的方法，该方法具有下面的步骤: 在使用第一探测器单元(16)和第一时间测量单元(20)下测定从目标对象(7)返回的辐射(13)的第一运行时间(Ta)； 在使用第二探测器单元(17)和第二时间测量单元(21)下测定装置内部的参照辐射(15)的第二运行时间(Tb)； 在使用第一探测器单元(16)和第二时间测量单元(21)下测定从目标对象(7)返回的辐射(13)的第三运行时间(Tc)； 在使用第二探测器单元(17)和第一时间测量单元(20)下测定装置内部的参照辐射(15)的第四运行时间(Td)； 借助分析单元(59)形成在运行时间(TA，TB, Tc, Td, Τ’ A，T’ Β，Τ’ c, Τ’ D)之间的差，用于补偿运行时 间误差。
【文档编号】G01S7/481GK103885064SQ201310695818
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2012年12月19日
【发明者】A.艾泽勒, B.施密特克, R.施尼策尔, O.沃尔斯特 申请人:罗伯特·博世有限公司