光电测量装置的制作方法

文档序号:11152249
光电测量装置的制造方法

本发明涉及根据权利要求1的前序的光电测量装置以及根据权利要求12的前序的光电测量方法。



背景技术:

已知光电测量装置具有多种形式,基于光辐射使用该光电测量装置确定距离和/或位置。示例为诸如针对大地或工业测量目的的电子视距仪、全站仪、多站仪、或激光扫描仪的大地测量装置、激光跟踪仪、或手持式电子测距仪或测向仪。这些装置共享如下特征:它们包括用于生成测量辐射的至少一个辐射源和诸如透镜、光导纤维或准直器的光学装置,借助于所述光学装置,所生成的测量辐射可以朝向待测的目标被发射到自由空间,由于该原因,这些装置也被称为所谓的自由射束传感器。例如,待测的目标是自然物体或特别设计用于测量目的的目标(例如,回射器)的表面的点。被照射目标以扩散或定向的方式反射测量辐射,使得测量辐射的至少一部分被反射到测量装置上。测量装置具有光电传感器,该光电传感器被设计用于测量辐射的时间分辨检测和/或位置分辨检测,例如,PIN二极管、CMOS芯片或位置敏感探测器(PSD)。基于检测到的测量辐射确定所需的测量变量,例如,距离值或方向值或2D/3D坐标。在这种情况下,各种测量原理是可用的,例如,相位差测量或运行时间测量(飞行时间TOF)或基于斐索(Fizeau)原理的测量。

光学测量辐射在这种情况下被理解为不仅在光谱的可见光范围内的电磁辐射,而且还被理解为红外光(即,具有大于约700nm的波长的辐射)。已知光电测量装置使用具有405nm、532nm、635nm、650-690nm、780nm和/或785nm、795nm、808-850nm、905nm、1064nm或1545nm和/或1550nm的波长的测量辐射。例如,以下波长用于制造商Leica Geosystems的装置:全站仪TPS1200+660nm和785nm、全站仪TCA2003 850nm、激光扫描仪HDS3000 532nm、激光扫描仪HDS4400905nm、激光扫描仪HDS8800 1545nm、测距仪Disto D5 635nm、激光跟踪仪AT401795nm和机载激光扫描仪ALS80 1064nm。

测量结果的质量和/或所需的测量变量的确定的质量基本上取决于信噪比(SNR)。这进而决定性地取决于所检测到的辐射功率。检测到的高辐射功率有利于能够从噪声和/或从背景辐射中明确和清晰地限定出测量辐射。在这种情况下,所发射的辐射功率越高,检测到的辐射功率(在其他条件一致的情况下)越高。在这种情况下,所发射的辐射功率Pe与检测到的辐射功率Pr的比可以通过所谓的雷达探测距离方程来描述(cf.Jelalian,A.V.:Laser Radar Systems.Artech House,1992,page 6):

其中,ρ:目标的反射系数,D:测量装置的孔径开口和/或检测透镜的直径;R:到目标的距离,ηatm:大气透射系数,以及ηsys:测量装置和/或其检测光学单元的透射系数。

该方程例示出了如下事实:只有所发射的辐射功率的一小部分被再次接收,即所发射的辐射的大部分被“丢失”而未使用。由于到目标的距离作为该到目标的距离的平方被包括在方程式中,所以最大可实现的测量范围在很大程度上取决于测量辐射的发射功率和/或辐射源的能量。因此,高辐射功率对于相对于非常远的目标的测量是特别有利的。现有技术的测量装置具有相对低的平均辐射功率,然而,在小于1毫瓦到几毫瓦的范围内,例如,在来自Leica Geosystems的全站仪TCR1103的情况下的功率是0.95mW,并且在来自Leica Geosystems的测距仪Disto D5的情况下的功率也小于1mW。

通过使用最短可能的脉冲(即,使用基本上小于1:100的占空比)对发射器进行适当调制,进行尝试以增加灵敏度并因此增加测量范围。在这种情况下,与占空比成反比(inverse to)的脉冲功率高于平均辐射功率。在这种情况下,相应地改善了脉冲检测和信噪比,尽管长距离和/或在远距离处的目标是不可测量的或者仅可被不充分或不精确地测量。



技术实现要素:

然而,高辐射功率对于具有(如许多自然表面所具有的)低反射率和/或小的反射系数的测量目标也是重要的。在这种情况下,自然目标也被理解为人造结构(例如,混凝土、沥青或金属)。然而,即使在使用诸如反射膜、平面反射器(石英猫眼)或回射器的非天然的合作目标(即,专门设计用于测量目的并且以定向和/或成束方式反射辐射的目标)的情况下,高功率是有利的,因为尤其是位于到目标的长距离处的其反射表面(例如,大约0.001m2)相对于测量辐射横截面的面积是较小的,所以在这种情况下,实践中也只有所发射的辐射的一部分被反射。还要考虑的是,作为接收器光学单元的几何限制的结果,整体反射的测量辐射通常不能被检测到,而是大多数入射在测量装置上的孔径和/或接收光学单元之外。

出于上述原因,关于可实现的精度和范围,测量辐射的最高可能功率是期望的,和/或测量辐射的低功率相对于可实现的精度和/或测量范围是不利的。

雷达测距方程也涉及待测量的自然物体表面的反射或后向散射的程度。反射率越高,接收信号越高。反射率是具有显著的波长依赖性的物体特异性光谱特征函数。因此,有利地为测量仪器的测量辐射选择波长,在该测量辐射下为测量仪器提供的目标物体具有高反射率。

此外,在通过自由空间和/或大气期间尽可能少地衰减的测量辐射是有利的,其在上述方程中以高的大气透射系数表示。因为透射是波长相关的,所以相对较强地衰减的波长的测量辐射是不利的,因为尽管所发射的测量辐射的高功率,接收到的测量辐射的功率和因此接收信号的电平由此较低,特别是在较长的测量距离处。

另一方面,升高的噪声对信噪比和因此对测量结果具有负面影响。升高的和/或高的噪声首先在室外测量的情况下发生,主要由于太阳辐射,所述太阳辐射直接入射或作为环境光漫射在接收光学单元上并且然后在测量装置的传感器上。具体地在瞄准和测量明亮表面(诸如,白色房屋外墙)的情况下,背景辐射是大量的,接收单元中的散粒噪声电平(shot noise level)增加并且降低了信噪比并因此降低了测量精度。因此,相对于测量结果的质量和/或所需要的测量变量的确定的质量,环境辐射和/或外部辐射的最小可能接收是有利的。

相对于所描述的(干扰)因素,从现有技术已知的测量装置和/或其辐射源的所发射的波长具有缺点,所述缺点首先涉及检测到的辐射功率与发射的辐射功率的比,并且在下文将详细描述。

因此,本发明的目的是提供一种用于距离测量和/或位置测量的改进的光电测量装置。

所述目的通过独立权利要求的特性化特征的实现来实现。根据从属权利要求和说明书(包括附图说明)可以推断出以另选或有利的方式改进本发明的特征。如果没有另外明确说明,在本文件中以另一种方式示出或公开的本发明的所有实施方式都可以彼此组合。

本发明涉及一种用于距离确定和/或位置确定的光电测量装置,所述光电测量装置包括用于生成第一波长的光学测量辐射的至少一个辐射源。该测量装置还包括用于测量辐射的位置分辨检测和/或时间分辨检测的光电传感器。此外,该测量装置包括例如透镜、棱镜、准直器、反射镜和/或光纤的光学装置,所述光学装置被设计用于光束引导,使得生成的测量辐射可以朝向待测的目标被发射到自由空间中,并且被目标反射的测量辐射至少部分被引导到传感器上。根据本发明,辐射源被设计成使得第一波长在1210nm至1400nm之间的近红外范围内。此外,辐射源被设计为使得发射的测量辐射的功率在时间平均和空间平均上为至少14mW。

在本发明中使用的波长范围被有意地选择为使得一系列优点与其联系起来,特别是相对于可检测的辐射功率和信噪比,这在下文中结合图1至图10来描述。在这种情况下,与现有技术的装置相比,本发明提供了高的可接收的测量辐射功率的优点,这使能例如关于作为改善的信噪比的结果的测量信号分析而实现具有针对测量装置的减少的需求并且因此降低的生产成本的改进的测量精度和/或测量范围和/或一致的测量精度和/或测量范围。

第一波长可选地在1280nm至1320nm之间,具体地在1290nm至1310nm之间。如下所述,这些范围对于被设计用于长测量范围的测量装置特别有利。另选地,第一波长在1320nm至1400nm之间,具体地在1325nm至1345nm之间。

可选地,测量辐射以至少40mW的平均功率被发射,具体地以至少100mW的平均功率被发射,尤其是以至少250mW的平均功率被发射。辐射源优选地被设计成生成具有信号调制的测量辐射。在这种情况下,尤其使用从电信中已知的调制形式。根据本发明的信号调制的示例是突发调制或频率调制。

在根据本发明的测量装置的具体改进中,辐射源被设计为生成作为连续波的测量辐射,即,被设计为生成非脉冲辐射。在这种情况下,连续波辐射被理解为在至少0.4ms的时间段内连续发射的测量辐射。因此,所发射的测量辐射的平均功率被理解为在至少这个时间段(即,400μs)上平均的功率。

通常,即,独立于连续波操作的存在,平均功率在本发明的范围内被理解为使用“慢”功率计被测量或将被测量的功率,因此,例如,在具有脉冲测量辐射的测量装置的情况下,其不能遵循脉冲持续时间或脉冲序列,并且因此不具有时间分辨率。也就是说,单个脉冲或峰值脉冲的功率取决于脉冲持续时间或脉冲序列必须非常高,以补偿无功空闲时间,并且因此达到平均至少14mW的最小功率。在这种情况下,例如,在至少0.25s、1s或10s上执行时间平均。

对于不执行具有测量辐射的基本静态发射方向的单点测量(无“点对点测量”)而是发射在自由空间中快速枢转的测量辐射(快速得使得使用功率计不能跟踪其移动)的测量装置,特别是激光扫描仪和激光廓线仪,这意味着根据本发明,辐射源直接发射的功率远远高于14mW的平均功率,使得所发射的测量辐射的功率如本发明中所定义的平均为至少14mW,类似于在发射脉冲序列的单个脉冲时的辐射源的功率,这也远远高于14mW。换句话说,在这种测量装置中,功率在空间上分布,(当围绕轴线枢转时)辐射源或测量波束的标称功率被认为是分布在圆形或环形表面上,使得该标称功率的与该环表面的表面元件的部分对应的部分在本发明的意义上被认为是功率。(还可以说,在本发明的理解中的这种测量装置中,提供了具有与扫描角度(例如,360°)对应的发散度的测量波束)。因此,在这种以平面方式测量的扫描装置的情况下,将以一致发射方向测量(即,例如,以在功率计上连续对准的测量波束测量)的测量辐射的功率(该功率被理解为空间峰值功率)根据本发明是不相关的,而是使用快速旋转测量波束(如在实际测量操作中)的功率,该功率是或将由定位在固定位置(即,不遵循枢转运动)的“慢功率计”来测量。

换句话说,根据本发明,辐射源的光输出或峰值功率因此是不相关的,而是关于测量装置在上述最小持续时间内在固定位置处平均可接收或可测量或者将可接收或可测量的功率。也就是说,根据本发明的按照在时间上和空间上平均的所发射的测量辐射的功率既不是时间峰值功率也不是空间峰值功率,而是与时间平均和空间平均对应的功率(其中,应当注意,在本发明的含义中的空间平均不涉及测量波束本身内的可能的空间功率分布,而是涉及测量波束在空间中的可能的快速枢转)。只有在没有枢转的连续波操作的情况下,该平均的值简单地等于辐射功率和/或辐射源输出功率,相反,在具有枢转的连续波操作的情况下,将执行空间平均(根据本发明的时间平均不是必需的,因为功率是按时间顺序恒定的,并且因此被忽略不计),在没有(快速)枢转的脉冲操作的情况下,仅执行时间平均(根据本发明的空间平均不是必需的,因为在空间中没有出现测量波束的枢转,并且因此被忽略不计),并且在具有枢转的脉冲操作的情况下,将执行时间平均以及空间平均二者。在脉冲操作的情况下,为了确定本发明意义上的功率,单个脉冲的功率因此在时间的平均化时间段内被均匀地“分布”或“散布(smear)”,因此就好像在时间的每个点提供均匀功率(作为总时间段内所有脉冲的能量的总和的功率)。类似地,在激光扫描仪或激光廓线仪的枢转操作的情况下,单个测量波束的功率将在该区域上被均匀地“散布”,因此就好像在区域的每个点或每个区域元素处在特定时间点存在相等的功率。在脉冲操作与枢转操作组合的情况下,两者均需要在本发明的意义上获得平均功率。

辐射源可选地被设计为激光源,具体地激光二极管,尤其是作为InGaAs或InGaAs激光二极管。另选地,辐射源被设计为具有光放大器的超发光二极管(SLED)。作为另一替代方案,辐射源可以被设计为固态激光仪,具体地具有1342nm波长的NdYVO4晶体激光仪。

在根据本发明的测量装置的一个改进中,光学装置被设计为使得测量辐射作为分解的测量波束被发射,即,作为非准直的、发散的测量辐射被发射。可选地,测量辐射基于光学装置例如借助于枢转镜或可旋转棱镜围绕至少一个轴线是可枢转的。作为另一选择,测量装置具有用于发射测量辐射和用于接收从目标反射的测量辐射的共享物镜。作为另一选择,光学装置也透射在光谱的可见光范围内的光,即,光学装置被设计为不仅用于引导根据本发明的波长的测量辐射,而且还能够引导具有在可见光范围内的波长的另外的辐射。光学装置优选基本上由光学玻璃(具体地,硅酸盐玻璃,例如硼硅酸盐冕玻璃(borosilicate crown glass)、火石玻璃)或光学塑料(诸如聚碳酸酯(PC)或有机玻璃(PMMA))制成,其中,环烯烃共聚物(COC,COP)的使用也是可以想到的。

作为另一替代方案,测量装置包括光频变换器,具体地倍频器,由此,测量辐射的至多25%,具体地至多10%,尤其是至多2.5%的分量可转换为较短的第二波长,具体地,该第二波长是第一波长的一半,使得优选地同时地,可以发射第二波长的附加辐射,具体地,其中,第二波长在红色光谱范围内,具体地,在645nm至680nm之间。特别地,在这些实施方式中,如所提及的,光学装置还被设计用于引导可见光辐射。

测量装置可选地被设计用于测量自然的、非协作的目标和表面。作为另一选择,传感器被设计用于在亚毫米和/或亚皮秒范围内的测量精度。在另一改进中,测量装置包括围绕基座可枢转的上部,其中,该上部包括辐射源,使得从而通过枢转该上部,测量辐射的方向可相对于基座枢转,具体地,在水平方向上枢转。

在可选的实施方式中,测量装置在各种情况下被设计为手持激光测距仪、机载激光扫描仪或激光轮廓仪(激光雷达)、陆地激光扫描仪(TLS)或中距或长距激光轮廓仪、或激光全站仪(TPS)。

在另一改进中,测量装置包括波形数字化模块或频率调制连续波模块。测量装置可选地还包括光混频器,该光混频器被设计为执行零差混频法或外差混频法。

本发明另外涉及一种用于根据权利要求1所述的光电测量装置的光电测量方法,该光电测量方法用于确定至少一个距离和/或位置。该测量方法包括以下步骤:

-朝向待测的目标发出测量辐射,

-接收从目标反射的测量辐射的至少一部分,

-借助于接收到的测量辐射来确定距离和/或位置,

其中,测量辐射以在1210nm至1400nm之间的近红外范围内的第一波长以及以至少14mW的平均功率来发射。第一波长可选地在1280nm至1320nm之间,尤其在1290nm至1310nm之间。另选地,第一波长在1320nm至1400nm之间,尤其在1335nm至1345nm之间。作为另一个可选方案,测量辐射以平均至少40mW,特别是至少100mW的功率来发射。

在根据本发明的测量方法的一个改进中,根据波形数字化法、相位差法、阈值法或斐索法(Fizeau method)来执行距离的确定。另选地或附加地,根据焦点分析法、相关分析法或最大似然估计法来执行位置的确定。作为所选择的波长和测量辐射的相对高的功率的结果,本发明使得能够在应用领域中使用相位差法和阈值法,在该应用领域中使用现有技术的方法和/或装置是不可能的。例如,在对于非常远的目标(即,长测量范围)或在弱反射目标上的测量的情况下,使用已知的测量装置检测到的反射的测量辐射太低而不能够使用相位差法或阈值法。具体地,在使用相位差法的情况下,本发明在相对较暗的目标上也提供了增加的范围、更快速的测量速率和更精确的测量的优点。使用通过外差法实现的非常多的脉冲的求和,相位差法实现了非常高的精度(小于100μm的非常低的距离抖动)。如果使用阈值法,则本发明提供了进一步的成本优势,因为阈值法是相对成本有效的测量方法。此外,例如,与导致轮廓或边缘拖尾的脉冲平均相反,这些方法在扫描测量的情况下在位置分辨率方面提供优点,在扫描测量期间,测量辐射非常快速地枢转。

作为另一选择,借助于脉冲调制、间隔调制、双脉冲间隔调制、振幅调制、频率调制、突发调制、偏振调制或波长调制来调制测量辐射。

作为另一选择,测量辐射包括至少两个波长,并且针对各个波长确定接收到的测量辐射的信号振幅。因此,在根据本发明所述的方法的该改进中,不仅以一个波长,而且利用至少两个波长发射测量辐射,其中,根据本发明,至少一个波长,优选地所有波长在1210nm至1400nm之间的范围内。此外,接收到的测量辐射相对于其振幅被分析,使得针对至少两个波长确定强度。测量辐射优选具有多个波长,例如,10、50、100或250个不同的波长或光谱带,这些波长或光谱带优选地彼此靠近地定位,并且执行高光谱强度测量。因此,例如,使用根据本发明所述的方法可确定待测物体的光谱特征。

本发明还包括具有用于控制和/或执行根据本发明所述的方法的程序代码的计算机程序产品或由电磁波实现的计算机数据信号,具体地,当该程序在根据本发明的测量装置的控制和分析单元中执行时。

附图说明

根据本发明的测量装置和根据本发明所述的方法在下文中基于在附图中示意性地例示出的实施方式和应用程序来更详细地描述。

在各个附图中:

图1示出了根据波长的大气吸收带的地球上的太阳光谱;

图2示出了根据波长的人眼从透镜到视网膜的光谱透射度;

图3a、图3b、图3c和图3d示出了根据针对定义的测量距离的的大气透射率和根据测量距离的接收到的测量辐射功率;

图4示出了根据波长的各种材料的反射率;

图5示出了作为根据本发明的测量装置的第一示例性实施方式的电子测距仪;

图6a和图6b示出了作为根据本发明的测量装置的第二示例性实施方式的部分的扫描单元;

图7a和图7b示出了作为根据本发明的测量装置的又一示例性实施方式的全站仪;

图8a、图8b和图8c示出了作为根据本发明的测量装置的又一示例性实施方式的激光跟踪仪;

图9示出了根据波长的铜涂层的反射率;

图10示出了入射的测量波束点的偏差的示意图;以及

图11示出了用于频率梳辅助测量(frequency-comb-assisted measurement)的干涉仪单元的示意性示例。

具体实施方式

图1示出根据波长的、入射到地球(在海平面)上的太阳总辐射(solar global radiation)。总辐射的最大值在辐射光谱的可见光范围内并向近红外范围下降。也就是说,对于室外测量,具有在从大约1150nm波长开始的近红外范围内的波长的测量辐射比在550nm处小至少三倍。另外,具有高光透射率的大气窗口位于1150nm至1350nm之间。根据本发明,该光谱范围内的辐射源比可见光范围内的测量辐射更有利,例如,使用已知的波长532nm、635nm,而且使用与IR光谱邻接的范围,例如,1064nm,因为在该范围内,自然的外部辐射和/或背景辐射的干扰影响显著更小。具体地,在1320nm至1400nm的波长范围内,总辐射特别低。其原因是空气中的水和二氧化碳分子的高辐射吸收。这种吸收带屏蔽太阳辐射,但是具有的缺点是,光电测量装置的有用光也至少在大于100m的距离处被强烈减小。相反,在最多几十米的短距离处,信号衰减是不显著的,并且在足够大的发射功率下,产生比可见光和近红外范围中的信噪比基本上更好的信噪比。因此,波长范围1320-1400nm对于光电短距离传感器来说是有利的。相反,对于诸如激光经纬仪和大地全站仪的长距离传感器,1170-1310nm之间的大气窗口的波长范围是有利的。该范围的特点是低的太阳总辐射和大气的高光谱透射。因此,本发明可相对于背景辐射实现基本上更好的信噪比,并且因此例如在信号分析中实现比根据现有技术的测量装置中实现的测量精度、测量速度和/或测量范围更大的测量精度、更高的测量速度和/或测量范围,而无需额外的支出。

图2示出了根据从350nm到1400nm的波长范围的波长的到视网膜的人眼透射率(透射度)。这在所示光谱的长波端基本上与约2cm的水的透射行为对应。从1150nm的波长开始,透射率迅速降低,并且在1320nm到1400nm之间透射率小于约10%。也就是说,对于该范围内的波长,由测量辐射对人眼造成损害的风险非常低。与此相反,较低波长的测量辐射(特别是在可见光范围内的测量辐射)以及例如波长1064nm的测量辐射具有基本上较高的潜在风险,使得测量辐射仅可以以被认为对于眼睛是安全的例如1mW的非常低的功率来发射。在UV范围内的测量辐射进而也不会穿透到达视网膜,但是可能损坏角膜,因此所建立的激光安全限制值在这里也基本上比根据本发明的波长范围低。对于具有大于1400nm的波长的测量辐射,具体地从现有技术已知的、具有1550nm波长的装置来说,这同样是这样的。所建立的激光安全限制值也显著低于这里针对1200nm-1400nm的波长范围的激光安全限制值,即,对于大于1400nm的波长来说,最大允许辐射功率基本上较小。从图2可以明显地看出,在根据本发明的具有在1320nm至1400nm之间的波长的测量装置中,透射率特别低。所建立的限制值在该波长范围内特别高,这有利地实现特别高的辐射功率,例如,测量辐射的平均功率可选地为至少40mW、至少90mW或至少250mW。因此,本发明提供了如下优点:可以以比根据现有技术的装置基本上更高的功率发射测量辐射,而无需采取特别的保护预防措施。

图3a示出根据波长范围为1μm至2μm(即,1000nm至2000nm)的波长和1000m的光路径距离和/或500m的测量距离的、具有天然含水量的地球大气的光谱透射率(透射度)。可以识别具有较大的透射率的三个光谱范围,这也被称为透射窗。根据本发明的第一波长范围在1.25μm窗口(1170nm-1320nm)的范围内,并且因此提供的优点是,测量辐射也在中距离或长距离几乎被大气不衰减或相对较少地衰减。换句话说,在该范围内,大气透射系数较高或甚至几乎为1。由于测量辐射由根据本发明的测量装置中的装置本身接收,因此测量距离是到目标的距离的两倍,使得具体地,在中等测量距离和长测量距离处(即,对于到目标的距离大于100m的距离),高的大气透射系数是特别有利的。根据本发明的第二波长范围包括1320nm至1400n m的范围并且覆盖具有高吸收的范围。该范围特别适用于小于25m的短距离应用,因为由于Beer-Lambert指数定律,测量辐射在短距离处以辐射度测量不会显著减小,并且另外不存在由于太阳光而引起的干扰。总辐射在这些波长处几乎不能向下穿透到地球,产生散粒噪声的环境亮度在白天也是可忽略的。

图3b示出了对于1km的长测量距离,从1.15μm到1.55μm(即,1150-1550nm)的波长范围的透射率。在这种情况下,在1210-1310nm的波长范围内的大气透射系数大于70%,并且在大约1230nm至1280nm之间至少近似最大(即,大约等于100%),因此,这些波长范围对于中等测量距离和长测量距离是特别有利的。对于具有高透射率的1210-1310nm的光谱范围,根据本发明的测量装置可以配备有来自电信领域的激光二极管。这些电信激光二极管以1250至1350nm发射,否则被用于具有低模色散(low mode dispersion)的1.3μm光纤网络。

图3c进一步示出了该优点。该图示出了对于根据本发明的1210-1310nm和1350-1400nm的两个波长范围,根据到目标的距离的、作为接收信号的质量的测量的信噪比(SNR),该信噪比从接收到的测量辐射功率和接收太阳环境光的噪声贡献而导出。1210nm(实线)至1310nm(虚线)的波长在具有高透射率的大气窗口的范围内,并且一个位于另一个之上。在这种情况下,期望的SNR比650nm的常规波长处的SNR大2倍。大气吸收范围内的大于1320nm的波长在短距离处具有更高的SNR。例如,1350处的波长(浅灰色实线)相对于0m至150m之间的参考波长650nm是有利的,并且波长1400nm(点划线)在最多大约40m的短距离处具有最佳SNR。发射的测量辐射的功率在所有五个波长处相等。作为在1210nm至1310nm之间的非常高的大气透射的结果,接收信号的相关电平在这些波长处最高。这些波长在大于200m的距离处提供了显著的优点,并且与其它波长相比能够实现远远超过1km直至超过10km的测量范围,并且因为太阳总辐射,不仅在夜间而且在白天实际上可以忽略不计。

图3d示出了针对大气透射窗口中的根据本发明的1210nm(虚线)和1310nm(点划线)的两个波长、大气吸收带中的根据本发明的1350nm(实线)的另一波长、以及作为其对比的从光纤激光仪和光纤放大器已知的1550nm(实线)的波长,作为接收到的测量辐射功率的测量,根据到目标的距离的传感器的接收信号的振幅。与图3c相比,曲线中的每一个现在涉及与根据针对眼睛安全所建立的限制值的最大允许功率有关的所发射的测量辐射的功率。在已知波长1550nm处,所述功率比在根据本发明的1310nm和1350nm的波长处小一个数量级以上。在1350nm的波长处提供最高输出功率(500mW),然而相比之下,在1300nm的波长处,以大约200mW的功率执行发射。作为较高输出功率的结果,在1350nm的波长处,尽管较高的大气衰减,但在直到大约300m的到目标的短距离处产生非常高的接收信号振幅。因此,1310nm至1400nm范围内的波长的使用为测量装置和/或短距离测量提供了优点。然而,与来自现有技术的测量装置(例如,所例示的具有1550nm的波长)相比,该波长范围还为高达约400m的中等测量距离提供了优点。反之亦然,根据本发明的在1210nm至1310nm之间的波长范围尤其对于中等测量距离到长测量距离是有利的,因为如所述的,大气透射系数在该波长范围内特别高,使得可以接收非常高的接收信号和/或非常高的测量辐射功率。然而,作为较高的允许输出功率的结果,使用该波长或在1280nm至1320nm范围内的波长的测量装置与已知波长(例如,1550nm)相比在短测量距离的情况下也已经提供了优点。

图4示出了根据测量辐射的波长的几种天然材料和/或物体(诸如,灌木丛)的反射率,具体地,在针对雪(实线)、草或叶树(虚线)、针叶树(长虚线)、干土(短虚线)和沥青(具有点划线的线)的400nm至1800nm的波长范围内。在这种情况下,曲线图仅表示近似的粗略值,以更加定性地示出各种物体的反射能力的波长依赖性。此外,借助于示例粗略地示出了从现有技术已知的四个测量波长660nm、850nm、1064nm和1550nm,并且示出了如根据本发明所使用的1210nm至1400nm之间的波长范围。可以很好地看出在大多数材料的情况下随波长增加的反射率。特别地,植被物体在1000nm至1400nm之间的范围内反射特别高。然而,沥青、混凝土和天然土壤(例如,沙土或壤土)也具有具有增加的反射率值的反射特征。在1300nm的范围内的波长测量这些物体的测量装置相对于信号强度是有利的。可以看出,特别地,短于900nm的常规波长相对于反射率以及因此相对于测量辐射的反射功率具有缺点。相对于诸如沥青或土壤的材料,可见光范围和与其邻接的范围的相对短的波长是不利的,因为这里观察到的表面的反射率随波长而增加。在对植物覆盖的表面进行测量的情况下,波长660nm(或更小)的使用是不利的,因为草甸和森林(树叶和针叶森林二者)仅反射非常少的光。这也适用于IR-B范围内的波长,该范围包括波长1550nm。当在雪覆盖或冰覆盖的表面上进行测量时,该波长同样是不利的,因为雪覆盖或冰覆盖的表面仅具有最高大约1400nm的高反射率,并且然后下降到非常低的值。反射率的强度尤其对最大可实现的测量范围具有影响,因为在低反射率的情况下,测量辐射衰减,使得接收到的测量辐射不再能够与来自特定测量距离的噪声区分开来。

与现有技术的测量装置相比,本发明提供了如下优点:在所有例示出的材料的情况下,存在相对好的反射能力,并且因此可接收具有相对高的分量的测量辐射。相对于土壤和沥青,有利的是,在从1210nm开始的波长处,这些材料与较短波长相比具有相对较高的反射率。例如,在1400nm的波长处,存在为在660nm的波长处的反射能力大约两倍的反射能力。与1550nm这样甚至更长的波长相比,反射率较小,但是该差异仅是微小的,特别是对于1320nm至1400nm之间的波长而言。雪在根据本发明的波长范围内显示出非常高的反射率,并且1210nm至1400nm之间的波长范围相对于诸如草或叶树的目标是特别有利的。与1550nm的波长相比,该优点特别适用,在该1550nm的波长处,如所描述的,雪和绿色植物的反射能力非常低。因此,本发明提供了如下优点:所使用的测量辐射的波长在各种材料和/或物体的情况下具有良好的反射率,由此,反射的测量辐射导致相对较高的强度、高的可实现的测量范围以及高的测量精度。

根据本发明的测量装置的一个实施方式配备有用于发射具有在1210nm至1310nm之间的一个或更多个波长的测量辐射的发射单元。该装置具有在长距离处以较高精度测量的优点。特别地,图3b中描述的大气窗口的长波端处(在1310nm处)的波长范围通过植被、土壤和岩石表面的高透射率、高反射率来区分。此外,激光安全限制值允许相对高的眼睛安全发射功率。因此,可以高精度地测量尽可能多的物体。

根据本发明的测量装置的另一个实施方式配备有具有在1320nm至1400nm之间的至少一个波长的发射单元和/或辐射源。该装置具有以下优点:由于相对较高的发射功率,作为相应设计的激光安全限制值和低的太阳入射辐射的结果,可以针对在短距离处的距离或方向确定执行非常精确的光电测量。

如果使用多个波长,则根据本发明的测量装置被扩展以形成高光谱分析仪器。在超过一个测量波长的情况下,可以发现和识别材料和物体,并且可以作出关于其状态的结论,具体地,植被的健康状态的确定。高光谱或多光谱仪器将优选地覆盖1170nm至1400nm之间的波长,其中,多个波长中的至少一个在根据本发明的1210nm至1400nm的范围内。

图5示出了作为在用于测量距离的手持式电子测距仪中的根据本发明的测量装置1的示例的外部视图。特别是在建筑安装或建筑检查领域中,使用将被保持在手中的便携式装置,相对于待测量的结构应用所述便携式装置,并且然后对表面执行距离测量。另选地或附加地,优选地以作为从测量装置到目标41的方向或光学测量轴线与测量装置的零轴线之间的角度的相对于表面的方向测量的形式执行位置测量。例如在EP 0 738 899、WO 2015073548和EP 0 701 702中描述了适于这些应用的典型的手持式测距仪。测距仪包括壳体,在该壳体中,布置有所需的电子组件。在这种情况下设计壳体,使得测量装置1可以保持在手中并且还以限定的方式应用于或附接到待测的目标41。测量装置1在其正面包括激光辐射源40和激光接收单元42,所述激光辐射源40和激光接收单元42在壳体中具有光学开口。显示屏形式的显示装置43和键区形式的输入装置44位于装置的上侧。此外,可以提供相机(这里未示出)以借助于在发射方向的方向上记录图像来进行方向确定。

根据本发明,激光辐射源40朝向诸如在墙壁上的目标41将具有至少14mW的功率的1210nm至1400nm之间的范围内的至少一个波长的测量辐射30发射到自由空间中,即,在朝向目标41的方向上发射的测量辐射30具有至少14mW的在时间上和空间上平均的功率。该墙壁具有自然粗糙的表面,光束以散射的方式从该表面反射。散射地反射测量波束30的一部分由激光接收单元42收集,由测量装置1的传感器(未示出)检测,并被转换为电信号。信号由电子电路以本身已知的方式分析以确定到目标41的距离D的数字值。作为根据本发明的波长的有利特性和发射的测量辐射30的相对高的功率的结果,在这种情况下,与现有技术的测量装置相比,信号电平高,这导致所确定的距离值的有利的高精度和/或长的测量范围,即,也使得能够对非常远的目标41进行距离确定,并且具体地,对于阳光照射的表面也能够进行距离确定。由于良好的信噪比,在千赫兹和兆赫范围内的高测量速度也是可能的,因此可以重复测量物体或使用重复测量(跟踪模式)来扫描物体。例如,相位测量或运行时间测量被用于距离确定。然后,通过分析以数字方式确定的测量距离D的值(这里例如3.032m)在显示屏43上被提供给用户。

根据本发明的测量装置可选地被设计为地面或机载激光扫描仪或激光轮廓仪,所述激光扫描仪或激光轮廓仪各自检测表面点的空间位置(2D或3D坐标),因为到目标表面点的距离通过激光来测量,并且该测量与激光发射的角度信息的项链接。可以从距离和角度信息的这些项确定检测点的空间位置,并且可以逐渐地测量表面,因为激光束被逐渐地枢转。目前,例如,激光扫描仪或简单形式的轮廓仪也用于背包、手推车(推车)、机动车辆(基于车辆的扫描,VBS)或无人驾驶飞机(无人驾驶飞行器,UAV),以三维地测量物体并且将它们虚拟地描绘为点云。

图6a示出了作为这种测量装置的细节的相关联的扫描模块70。该扫描模块可以是单轴线扫描仪(也称为轮廓仪)的组件。然而,扫描模块70也可以通过紧固装置78安装在枢转装置(例如,以第二旋转轴线可枢转的基部)上。扫描仪具有作为偏转元件的镜子71,镜子71可围绕第一轴线72旋转,其中,旋转由电机74引起,并且可以使用角度测量传感器73来检测旋转角度。此外,模块70配备有用于发射测量辐射的辐射源75,具体为激光二极管或光纤激光仪,并且装备有用于检测所反射的测量辐射的接收单元。所发射的测量波束可以经由光束引导元件77对准,光束引导元件77具有用于将测量辐射引导到旋转镜71(作为另外的光学装置)上并且从旋转镜71引导到测量点或目标点上的光学装置。

如从现有技术中已知的,在这种情况下,经由轴线360°足够快速地进行枢转或旋转(例如,通常每秒检测到的测量点在大约100,000至1,000,000个测量点之间),测量辐射功率可以被认为是分布在所述空间上。也就是说,由辐射源在时间平均上发射的功率(即,在脉冲操作的情况下,在比单个脉冲的持续时间长许多个数量级的时间段中和/或在测量点的检测期间)在被设计为扫描仪的测量装置的情况下是空间“散布的(spatially smeared)”。因此,根据本发明,在具有快速枢转的测量波束30的这种测量装置的情况下,由辐射源75发射的辐射功率因此被选择为与具有空间静止(或仅缓慢地枢转的)测量波束30的测量装置相比相应地更高,使得尽管作为测量波束在空间中的枢转的结果的空间分布,发射的测量辐射30的可使用功率平均为至少14mW,并且因此也在扫描、枢转测量的情况下,在时间上和空间上平均,与现有技术相比,提供了所发射的并因此也是可接收的较高的测量辐射功率。换句话说,总是选择功率以使得在执行平均功率的确定或将使用功率计来执行平均功率的确定的平均时间段内,可测量到或将可测量到至少14mW的平均功率,而与是否提供空间静态或枢转的测量波束无关。

在扫描期间(即,使用测量辐射的快速枢转的测量)入射在距扫描顶点100mm距离处布置的功率计的3.5mm孔径上的辐射功率可以用作数值示例。当测量激光束通过该孔径时由该孔径接收的辐射功率是由辐射源75发射的光功率的分量,该分量与整圆(360°,大约6.28rd)的角分量(忽略沿着从辐射源到功率计的光路径的可能的功率损耗)对应。孔径跨越(不考虑可忽略的曲率)3.5mm/100mm=0.035rd的角度。因此,角度分量并且因此功率分量为0.035rd/6.28rd=5.57*10-3。因此,根据本发明的激光扫描仪或激光轮廓仪的辐射源75发射至少14mW/5.57*10-3=2512mW(即,至少2.5W)的光功率,使得由功率计测量的发射的测量辐射的空间和时间平均功率为至少14mW(如果辐射源75在脉冲操作中操作,则2.5W因此已经被理解为辐射源的时间平均功率(例如,在0.1秒或5秒的时间段内平均),使得最终14mW的最小功率表示在时间上和空间上的平均)。

扫描单元70可选地配备有相机76,相机76的视场也经由光束导向元件77被引导到镜子71上并且从镜子71朝向目标的方向引导。

图6b示出了扫描单元70的示意性细节。辐射源75发射作为测量辐射的激光束30,激光束30由作为第一光学装置的准直透镜80预聚焦并且稍微加宽地入射在作为另一光学装置的偏转镜81上。激光束30从偏转镜81沿主物镜83的方向被反射并且被引导到作为另一光学装置的第二偏转镜85上,并且例如从第二偏转镜85被引导到波束偏转单元71(这里未示出)上。然而,偏转镜85也可以与旋转镜71相同。

在光束30在目标物体上的反射之后,在该特定实施方式中,接收到的光束30b由可旋转的光束偏转单元71并且经由第二偏转镜85通过主物镜83被引导到另一光学装置(镜子84)。光束30b由此反射到偏转镜81上并从那里被进一步引导到传感器82上。镜子84将光学系统折叠,使得光学传感器单元70占据最小可能的体积。

图7a和图7b示出了作为根据本发明的大地测量装置1的示例的全站仪。现有技术的这种大地测量装置在例如EP 1686350中进行了描述。在这种情况下,从测量装置(该测量装置的绝对位置已知)到待测量的目标的距离和位置(方向和/或水平角和垂直角)被作为空间标准数据。全站仪1具有支架20并且如图7a所示,全站仪1被布置在底部点400上方的高度h处。测量装置1通常立在三脚支架20上,并且借助于三脚架(tripod)14和支架螺钉17固定在支架板21上,相对于底部点400居中并且旋拧到位。

如图7b所示,全站仪的基座13经由三脚架14直接并且固定地连接到支架20。全站仪1的上部10可相对于基座13围绕垂直的竖直轴线7旋转。在这种情况下,上部10具有:支承件12(在该示例性结构中由两个柱形成);瞄准单元11(例如,望远镜),被安装成使得其可以在柱之间绕水平倾斜轴线8旋转;以及电子显示控制单元16。显示控制单元16可以以已知的方式设计用于全站仪的控制和用于测量数据的处理、显示和存储。

瞄准单元11布置成使得其能够围绕水平倾斜轴线8在支承件12上旋转,并且因此能够相对于基座13水平和垂直地枢转和/或倾斜以对准目标。提供电机(这里未示出)以执行用于瞄准单元11的对准的必要的枢转和倾斜运动。瞄准单元11可选地被实施为共享瞄准单元模块,其中,同轴相机传感器和图形处理器以及作为用于光束引导的光学装置的目镜15、物镜和聚焦光学单元可以被集成在共享瞄准单元外壳中。在这种情况下,可选地设计光学装置,使得发射的测量辐射和检测到的反射的测量辐射经由同一装置至少部分被引导,例如,共享的物镜被用于两个光束路径。借助于瞄准单元11,可以瞄准目标,并且可以基于从目标后向散射的测量辐射的检测以电传感方式检测从全站仪到目标的距离。此外,提供用于全站仪1的上部10相对于基座13和瞄准单元11相对于支承件12的角度对准的电传感检测的装置。以电传感方式检测的这些测量数据被提供给显示控制单元16并由显示控制单元16进行处理,使得目标相对于全站仪的位置是可被确定的、可光学显示的并且是可由显示控制单元16存储的。这种全站仪还可以用作物体的激光扫描仪。在这种情况下,需要几十千赫兹到高达兆赫的最高的可能点测量速率,以有利地实现短的记录时间或测量时间。通过具有根据本发明的波长范围内的辐射的光源确保同时具有高测量质量的高测量速率。全站仪可选地包括如针对图6a和图6b所描述的扫描单元。这种扫描单元附加地具有的优点是,巨大的瞄准单元11不必快速移动,而是仅仅是轻巧构造的旋转镜子单元71(参见图6a),这使得能够在物体记录期间实现较短的扫描时间。

图8a示出了作为激光跟踪仪的、根据本发明的测量装置1的示例性实施方式,即,具有微米精度的测量装置1,该测量装置1被设计用于目标的渐进跟踪和该目标的坐标方式(coordinate manner)的位置确定。所示的激光跟踪仪具有基座65、附接到基座65的支承件63和光束偏转单元62。激光跟踪仪被布置在支架66上,该激光跟踪仪包括至少一个测距仪,具体为绝对测距仪(ADM)和/或干涉仪(这里未示出),并且借助于作为测量辐射的至少一个激光束36测量到达位于作为目标的测量辅助设备60上的后向回射器61的距离。测量辅助设备60(在这里通过示例具体实施为测量探针)包括待放置在目标物体60a的待测点上的测量头64。

为了能够识别和再现测量辅助设备60的运动,使得激光束36保持对准回射器61,如在诸如WO 2007/079600A1中公开的,激光跟踪仪具有位置敏感检测器(PSD),具体地,跟踪表面传感器。

PSD优选地被布置在光束偏转单元62中,并且能够通过检测从目标(具体地,回射器61)反射的激光束的对准来跟踪激光束的对准。可以通过跟踪激光束对准来执行目标61的渐进目标跟踪(跟踪)和/或精细瞄准,并且可以相对于测量装置逐渐确定目标61的距离和位置。在目标跟踪期间,各种原因可以使得目标61的识别和/或精细瞄准和/或其跟踪更加困难或不可能,和/或可以限制最大操作范围。这些干扰原因首先是影响光学路径的观察条件,诸如,接近窗口前面的空气湍流、加热管上方闪烁的空气、或气载灰尘。所有这些影响都会减小测量信号并降低信噪比。然而,这些缺点可以通过使用根据本发明的波长的发射单元来更多地补偿,并且可以实现在微米范围内的测量精度。

同样包括借助于相机或PSD传感器系统的逐步目标跟踪的类似跟踪仪的智能型全站仪还被构造用于室外应用,并且能够达到直至大于1km的更长的目标距离。光学路径的不利影响首先在智能型全站仪的情况下是显著的。用于距离和方向测量的光信号由于天气影响(例如,雨、雾或热源效果)而衰减。此外,外部反射是干扰的,即,例如,除了由目标反射的测量辐射之外还在位置或图像传感器上成像的光。这些外部反射由诸如直接或间接的外部光或辐射源(即从路标或玻璃表面、太阳辐射或工程车辆的前灯)引起。干扰尤其在目标跟踪的情况下是成问题的,因为它经常导致在目标反射上的锁定(或接合或联接)的丢失,这使得需要耗费时间重新锁定。在这种情况下,本发明提供了如下优点:作为所使用的波长和高的发射辐射功率的结果,如所描述的外部光的影响被显著地减小,并且作为较高的输出功率的结果,天气影响可以被至少部分地补偿,并且这尤其在位置确定的情况下也是这样,这是由于在位置传感器的相机图像中因较高的发射功率而改善的物体形状的可识别性。

图8b示意性地示出了图8a中的的光束偏转单元62。光束偏转单元62包括两个辐射源33和35。辐射源33发射测量辐射(目标跟踪辐射32),所述测量辐射以已知的方式用于跟踪目标,即(跟踪)回射器61,而相反,辐射源35的测量辐射30被用于距离测量。在这种情况下,不仅一个测量辐射,而是两个测量辐射30和32都具有在根据本发明的1210nm至1400nm范围内的波长。

光束偏转单元62在其面向测量辅助仪器60的正面上具有用于沿着测量轴线发射辐射并且用于摄入反射的辐射的入射和出射光学单元67。入射和出射光学单元67可以被具体实施为具有固定焦距和固定变焦的固定焦点物镜。

除了用于生成测量辐射30的第一辐射源35之外,测量装置的光束偏转单元62包括用于接收反射的测量辐射30并且用于确定到目标(这里为回射器61)的距离的传感器(距离测量装置)38。距离测量装置38例如是绝对测距仪,但是也可以是干涉仪或两者的组合。

光束偏转单元62附加地包括用于生成目标跟踪辐射32的第二辐射源33和另一传感器(目标检测单元)68,传感器68用于接收反射的目标跟踪辐射32、用于确定反射的辐射在目标检测单元68的被具体实施为二维图像传感器(像素阵列传感器)的传感器上的入射点63a,并且用于生成输出信号以控制激光跟踪仪的目标跟踪功能。

第一辐射源35的光轴线优选地在共享发射轴线上在激光跟踪仪外部与第二辐射源33的光轴线同轴地延伸。这假定两个辐射源33、35具有共享的出射光学单元67。两个光束路径的共享的入射和出射光学单元67意味着两个光束路径通过同一光学元件(诸如,透镜或玻璃片(pane))离开装置进入装置的周围或从装置的周围进入该装置。在这种情况下,光束路径通常至少近似同轴。

此外,光束偏转单元62具有多个光束分离器34,经由光束分离器34,沿着发射轴线通过入射和出射光学单元67发射测量和目标跟踪辐射30、32,并且由回射器61反射的辐射经由光束分离器34被分别传导到传感器38或68。

测量辐射30和目标跟踪辐射32相对于其偏振和/或波长彼此不同,使得借助于位于目标检测单元68前面的滤波器39的相应实施方式,用于距离测量的反射的辐射被滤出并且没有到达传感器68。另选地或附加地,反射的辐射30、32的整体可以通过相应的分束器34的相应实施方式分离成旨在用于距离测量的分量和旨在用于目标跟踪的分量。

光束偏转单元62对准测量辅助仪器60,使得由第二辐射源33发射的目标跟踪辐射32入射在回射器61上,并且传感器(目标检测单元)68检测到反射的目标跟踪辐射。通过确定反射的辐射在传感器68的表面上的入射点63a,生成输出信号以控制激光跟踪仪的精细瞄准功能和目标跟踪功能。

为了确定到测量辅助仪器60和/或目标61的距离,第一辐射源35生成测量辐射30,测量辐射30与目标跟踪辐射32被同轴地发射到回射器61上,作为连续目标跟踪的结果,在回射器61处也同轴回射。反射的测量辐射30经由分束器34被传导到传感器(距离测量装置)38上,传感器38用于确定到目标(测量辅助仪器)60或更准确地说到回射器61的距离。同时,经由激光跟踪器的角度测量功能,确定光束偏转单元62的当前对准以及因此到测量辅助仪器60的方向。可以从方向和距离确定测量辅助仪器60相对于测量装置1的相对位置。借助于根据本发明的1210nm至1400nm的范围内的波长,可以改进至少两个光源,使得激光跟踪仪或智能型全站仪由于增加的发射功率和/或同时减少的太阳环境光具有具有短的鲁棒距离和长距离处的改进的3D位置测量。另外,相对于现有技术,3D位置测量可以具有几十千赫兹到兆赫兹的显著较高的测量速率。

还示出了具有用于生成可见光指示器光束62a的指示器辐射源99的可选指示器单元,可见光指示器光束62a可以经由指示器分束器34通过入射和出射光学单元67基本上与测量辐射30和目标跟踪辐射32同轴地发射。在这种情况下,指示器光束62a生成可见光(例如,红色)入射点并且被用于针对用户的信息。这在本发明中是有利的,因为测量辐射30和32被具体实施为对人眼是不可见的,并且因此其在表面上的入射点对于用户不可见。

图8c示出了本发明的替代改进,其中,代替图8b的指示器辐射源,光束偏转单元包括光频变换器69,借助于光频变换器69,测量辐射30(或目标跟踪辐射32)的分量的频率被改变,使得在可见光范围内发射辐射。为此目的,借助于分束器34,第一波长的测量辐射30的分量(例如,2.5%、10%或25%)被去耦合并被引导到频率转换器69,频率转换器69生成将测量辐射的该分量转换成第二波长的辐射的辐射30a。频率转换器69优选地是倍频器,使得第二波长是第一波长的一半。根据第一波长的值,然后在605nm至700nm之间产生波长,其中,第一波长和频率转换器69优选地彼此适配,使得第二波长在645nm至680nm之间的范围内。转换的辐射30a借助于光学装置34a和34被引导返回到发射轴线,使得转换的辐射30a可以通过入射和出射光学单元67基本上与测量辐射30和目标跟踪辐射32同轴地发射。然后,辐射30a被用作用于生成可见光(例如,红色)入射点和用于针对用户的信息的指示器波束。根据本发明的在1210nm至1400nm之间的波长范围有利地特别适合于倍频,以从而产生可见光,由此如所描述的,例如可以有利地省略用于指示器波束的单独的辐射源。这种改进不限于被设计为激光跟踪仪的测量装置,而是还适合于例如如图5中所描述的电子测距仪,因为可见光入射点的生成在这种情况下也是有利的。

本发明在这种情况下提供了另一个优点:在具有在光谱的可见光范围内的波长的测量装置中使用的光学装置(例如,诸如入射和出射光学单元67、分束器34或偏转镜的透镜和图6b中所示的透镜)通常由硅酸盐玻璃制造。它们的特征在于高透射率、高电阻和低成本。(根据DIN 5031)透射率对于高达1400nm的波长(即,对于IR-A范围)也存在。例如,硼硅酸盐玻璃N-BK7在400nm至1400nm(但不超过此)的波长范围内具有高透明度。因此,本发明不仅提供这样的优点:相同的光学装置对于根据本发明的在1210nm至1400nm之间的波长范围的测量辐射和根据图8c的具有转换的辐射或根据图8b的也具有单独的指示器辐射源的指示器辐射的光束引导可以没有问题地使用。本发明附加地提供的优点是,标准化的常规光学装置可以被用于光辐射引导。优点因此导致测量装置的制造,这导致时间和成本节省。相比之下,对于使用IR-B范围中的波长的测量装置,具体地,使用波长>2000nm的从现有技术已知的测量装置,对于光学装置来说需要特殊的玻璃,这不利地导致增加的制造支出。

当使用诸如图8a至图8c所示的回射器的合作目标进行测量时,不利的还在于,还必须使用相对昂贵的玻璃特别地制造这些,这进一步增加了由测量装置1和目标物体61构成的系统的成本。相比之下,本发明提供了如下优点:测量目标61是可用的,当在可见光光谱范围内进行测量时已经使用了测量目标61。

由下面得到本发明特别是相对于回射器61的另一个优点:从现有技术已知的合作测量目标例如是图8a至图8c的回射器61。为了增加反射能力,一些反射器设置有反射能力。例如,制造商Leica Geosystems的反射器具有作为反射涂层的铜层。

如图9所示,铜(和其它贵金属或半贵金属)的反射能力在光谱范围内随着波长增加而连续增加(在这种情况下,曲线图仅示出近似的、粗糙的、确切地说是定性的值)。在大约590nm的波长之下,从现有技术已知的铜涂层的反射能力小于50%,在660nm的波长处,该反射能力仅为大约70%,而相比之下,在根据本发明的波长处的反射能力至少近似地达到大于90%的最大可能值。因此,与现有技术的测量装置相比,本发明提供了如下优点:从具有铜涂层的现有技术中已知的协作目标反射显著更多的测量辐射。换句话说,通过本发明减少了辐射损失,由此在发射的测量辐射的功率不变的情况下,检测到的测量辐射的功率增加和/或在实现相同的检测辐射的同时或者为了实现相同的检测辐射,需要较低的输出功率。

在1210nm至1400nm的范围内的相对长的波长对于大气影响(湍流)也是有利的,大气影响导致测量光束偏离其原始传播方向,并且因此在目标上的实际入射点不是测量的入射点,由此导致测量不准确。图10示意性地示出了这种情况。测量装置1发射测量辐射30,测量辐射30的传播由于空气影响(与其相比为“理论”绝对线性光束30t)不是绝对线性的。因此,测量波束在目标60a上的实际入射点90不与预期的和/或假定的入射点对应,而是从其偏离,这导致测量误差,到目标物体70的距离越大,该测量误差就越大。该偏差可以由径向方差σ2来描述,该径向方差σ2进而可以通过以下等式描述:

σ2=c2λ-1/6D17/6

其中,c是大气湍流的度量,λ是测量辐射的波长,并且D是到目标的距离。从该等式显而易见,波长越长,径向方差和因此的偏差就越小,由此根据本发明的波长范围例如在光谱的可见光范围的波长上是有利的,特别是在长测量距离和强烈湍流大气的测量情况下。随着波长的增加,由于在气溶胶上的散射导致的光损失也减小,该散射也随着测量距离而指数地增大。这些浮动粒子散射一部分测量辐射,并且波长越长,散射越弱。因此,与可见光光谱相比,长的波长衰减少得多。

在根据本发明的测量装置的可选的改进中,测量装置包括使得能够基于频率梳进行距离测量或者通过频率梳辅助距离测量的装置。为此目的,相应的测距仪具有根据本发明的波长范围的辐射源,该辐射源被具体实施为用于发射飞秒激光,所述飞秒激光通常在兆赫范围内脉冲并且以高精度定时。因此,可以在频率范围内生成所谓的细锐的线的频率梳,其在时间范围中与最低可能的相位噪声对应。例如,在文章“Frequency-Comb Based Approaches to Precision Ranging Laser Radar”(N.R.Newbury,T.-A.Liu,I.Coddington,F.Giorgetta,E.Baumann,W.C.Swann;National Institute of Standards and Technology)中描述了用于基于频率梳或频率梳辅助的距离测量的各种方法。

图11仅借助于示例示出了具有用于执行组合的运行时间和干涉距离测量的两个频率梳激光信号360、370(“双梳干涉仪”)的干涉仪单元300。在这种情况下,第一辐射源310发射第一频率梳信号360。这经由第一分束器330并且经由基准分束器340被传导到作为测量目标61的回射器。组合的由测量目标61反射的信号380和基准360被传导到频率梳分析单元350,其中,由测量目标61反射的脉冲和基准360的相对到达时间可以被用于运行时间距离测量。由具有略微偏离第一频率梳信号360的重复率的第二辐射源320生成的基准频率梳信号370可以在频率梳分析单元350中以外差方式与反射的组合信号380一起被读出,以用于干涉距离测量。这些频率梳或梳状激光测量方法基本上也对诸如粗糙表面的非协作目标起作用,因为反射光的偏振被部分地保持。

作为对协作和非协作目标的测量的替代方案,距离的测量借助于波形数字化原理(WFD)来执行。该距离借助于设置在光束偏转单元62(参见图8a)中的波形数字化模块来测量。该方法的特征在于其非常高的灵敏度,并且还能够在不使用测量辅助或回射器的情况下进行精确的距离测量。WFD模块包括用于在根据本发明的在1210nm至1400nm之间的范围内的波长生成脉冲光束(具体地,激光束(WFD光束))的辐射源。按照被称为波形数字化的已知的方式,后向散射测量辐射的脉冲和可选地装置内部基准波束的脉冲被数字化。因此,数字化的目标脉冲和基准脉冲彼此比较,具体地,它们之间的时间间隔,并且因此通过计算机单元确定到目标对象的距离。WFD波束包括至少一个采样光脉冲(WFD脉冲),该光脉冲被调制或编码,使得从目标物体返回的其分量被提供用于根据波形数字化方法(WFD方法)与一个或更多个返回脉冲的时间采样一起进行分析(即,可以根据WFD方法进行采样和分析)。波形数字化(WFD)距离测量原理基于运行时间或相位测量原理或者两种方法的组合。特别地,与使用传统的精确绝对测距仪或干涉仪测量更远距离的距离相比,使用WFD辐射测量更远距离的距离的情况下的可能性是更有利的。该测量方法有利地应用于根据本发明的、具有更大测量范围的测量装置中,该测量范围可以特别好地作为根据本发明的测量辐射的波长及其功率的结果而可实现。

另选地,测量装置包括FMCW模块(调频连续波),其包括被具体实施为使用根据本发明的在1210nm至1400nm之间的范围内的波长发射频率调制测量辐射的辐射源,由此能够实现借助于FMCW方法的距离测量。特别地,诸如在EP 1 869 397B1中所描述的,FMCW模块可以包括相干激光雷达。在该可选实施方式中用于到目标物体的漫散射表面的距离测量的方法包括将频率调制的电磁辐射(例如,光)发射到待测量的目标上,并且随后接收理想地完全来自待测量的目标的一个或更多个后向散射物体的回波。在接收之后,可能叠加的回波信号与混合信号叠加,并且因此减少了待分析的信号的频率,使得设备仅需要很少的努力。在这种情况下,混合可以作为使用发射信号的零差方法或者使用周期性(具体地已知周期的谐波信号)的外差方法来执行。因此,该方法的区别在于,使用发射的信号本身或使用具有单独频率的谐波信号来执行混合。混合被用于将接收信号变换为较低频率。随后,从所得到的信号确定运行时间并且因此利用所使用的辐射的已知传播速度来确定到待测的目标的距离。

用于实现这些方法的设备通常使用信号发生器作为线性调频脉冲发生器(chirp generator),其将信号施加到可以被调制的辐射源。发射和接收光学单元被用于发射和用于接收,具有下游混频器、A/D转换器和数字信号处理器和/或FPGA的检测器或接收器连接到其下游。从该信号的频率信息和可能的相位信息确定运行时间。根据本发明的测量装置的WFD模块或FMCW模块可选地被具体实施为频率梳辅助的WFD模块或FMCW模块。

明显的是,这些例示出的附图仅仅示意性地例示出了可能的示例性实施方式。各种方法也可以根据本发明彼此组合,并与现有技术的测量装置和测量方法组合。

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