用于接收未被调制的和被调制的光束的光束接收器的制造方法
【专利说明】用于接收未被调制的和被调制的光束的光束接收器
[0001]本发明涉及发明主题的权利要求并且因此涉及测量时的光束的接收。
[0002]在为测量而使用光束的地方需要光束接收器。一种典型的使用领域例如是对来自在建筑工地等上使用的旋转激光器和直线激光器的光的接收。使用这些激光器发射激光，例如作为旋转的或者其他运动的、横截面成点状的射线、作为可以是静止的或者运动的激光扇面、或者作为能够借助圆锥镜成扇状打开的激光平面。为在大的距离和在不利的条件下还能够使用该光束进行测量，需要专门的光束接收器。
[0003]光束接收器经常作为所谓的手持接收器实现，有时也作为机器接收器实现，用于安装在建筑机械的臂或者标牌上，用于加工工具的位置的远程指示或者自动控制。这里说明的光束接收器能够这样使用。
[0004]使用在测量时使用的光束接收器能够完成各种测量任务。
[0005]这导致对激光接收器的不同的要求。如果例如使用激光扇面或者激光平面，则通常要调制激光。接收器上的解调允许即使在与激光源距离较大从而信号强度减低的情况下也不管如阳光、背景噪声等的干扰影响进行测量。
[0006]如果现在在一个旋转激光器中例如围绕一条精确竖直的旋转轴线旋转点状的激光射束，则能够用适当的光束接收器精确地对其测量高度，也就是说与一个激光平面的精确的距离。为此在光束接收器中例如一起装入多个检测器，从它们在光束接收时的信号强度能够在很大程度上与激光器的距离无关地确定相对于通过旋转的激光射束定义的参考平面的高度。
[0007]为此使用的检测器元件通常以下面的方式提供:作为准直线的检测器行，如其例如在US 5，471，049中所示；作为基于光导体的PSD，如其在US 7，110，092中公开的那样;或者作为许多相同的、但是在高度上在灵敏度方面不同的电子加权的个体检测器元件的多重设置，参见US 6，873，413 ;或者在最简单的情况下作为两个彼此上下设置的相同大小的光电元件。
[0008]在使用适宜的评估电路的情况下在那里说明的光电检测器均或多或少适用于高度分辨的或者位置分辨的激光接收。因此为本发明的目的参照相应的公开，那些文献当前为公开的目的全部纳入于此。
[0009]为保证大的作用范围内的稳定的、尽可能准确的和抗干扰的测量，现在在现有技术中设计用于接收未被调制的、旋转的激光射束或者用于接收被调制的、静止的激光扇面的光束接收器。两种运行模式共同覆盖绝大多数为测量目的需要的、用于市场上通常的旋转激光器或者直线激光器的光束接收器。它们分别是专门化的设备而不能用于另外的运行模式；因此不存在以与针对唯一一种运行模式优化的高质量的光束接收器相当的效率执行两种运行模式的任何组合设备。
[0010]另外迄今的、用于接收被调制的光束的光束接收器也仅被设计用于激光源调制的狭窄的调制频率范围，因为仅使用信号处理电路的窄的检测带宽才能够实现可用的作用范围。高选择性的接收器的带宽这里约小于10HZ，而使用各种直线激光器的站模型的载波频率通常在4和12kHz之间。因为不同的制造商为他们的激光源选择极为不同的调制频率，所以从属的光束接收器也分别仅适合一个制造商的设备，如果不是另外的制造商偶然地选择一个完全相似的调制频率的话，其中该调制频率(正好)同样位于光束接收器的容差范围内。
[0011]价格便宜的、宽带的光束接收器虽然允许接收较宽范围的调制频率并且就此而言可为多个制造商使用，但是正是由此必然在给定接收灵敏度的情况下仅能够实现较小的作用范围。
[0012]附加变得困难的是，随着用于经调制的激光射束的宽带的光束接收器的兴起，直线激光器的制造商从使用高度精确的、准稳定的频率的调制向直线激光器的使用价格便宜的RC振荡器的调制过渡。但是该非常宽的容差的RC振荡器在温度和电池电压波动的情况下强烈漂移，使得它不再能够为窄带的从而可能高效率的接收器使用。
[0013]为避免这种问题，在US 4，756，617、以及US 7，012，237和US 7，323，673中已经建议具有PLL和同步的检测器或者中频级的光束接收器(超外差式接收机)。后者虽然允许中频的相对简单的调节，但是不能检测接收间隔之间的漂移的调制频率，因此必须为重新捕捉中频执行一次搜索，这如此显著地降低它的反应时间，使得几乎不能找到搜索带宽和作用范围之间的一个可接受的折衷。
[0014]根据US 4，756，617和US 7，012，237的光束接收器，它们因此尽管产生可能更大的捕捉区，但是为捕捉调制频率的漂移或者容差，不显著缩短对光束接收的反应时间，此外具有一个小的动态范围，该动态范围通过在同步的检测器后接入的模拟/数字转换器的固有的分辨率和同步的检测器的潜在的DC偏移来限定。然而，为了提高该动态范围，需要使检测器前的信号放大与相应接收的信号振幅匹配。另外的缺点基于这样的事实，前面接入的同步的模拟尖峰检测器仅在准确出现PLL的捕捉区的中频的情况下才最优地检测，但是通过捕获的频率的相移不再精确地处理接收到的载波。
[0015]如果为实现光束接收器的大作用范围而要把捕捉区保持得较窄，那么因此这种结构的捕捉区的中频必须在生产中通过构件补偿来限制。结果因此产生一种产品，它比通常的旋转激光接收器显著更贵，再次仅为专门的频率设计并且几乎不允许比固定调整的中频大10%的捕捉区。
[0016]用于旋转的、未被调制的光束的典型的光束接收器与先前说明的用于被调制的光束的光束接收器部分地显著不同，因为检测器元件的信号在旋转的、未被调制的光束的情况下既具有显著更高的带宽(从250kHz起)也具有显著更高的信号振幅。这里应该注意，从中心站(亦即光发射器)发射旋转的光束，由光束扫过的光接收器周期地通常在较大的距离接收光束，它虽然可能由衍射决定稍微展宽，但是尽管如此仍然具有光束横截面单位面积较大的功率。该单位面积的大功率相应于旋转重复地到达激光接收器；因为旋转通常通过机械部件的旋转实现，所以重复率比较低。与此不同，发出“被调制的”光束的中心站将其作为扇面或者拉宽的线条发出。整个扇面边缘或者拉宽的线条在这种情况下同时被照亮。由此光发射器的全部激光功率在一个相当大的面积上分布并且单位面积的功率相应变小。相反调制通常不以机械方式引起，而是通过激光器电流源的调制引起。这即使当使用“激光器关断”和“激光器处于最大功率”之间的100%的调制时也能够以高的频率实现。也就是说既应该检测由旋转站脉冲式接收的光束也应该为测量目的使用来自发出被调制的光束的中心站的经高频调制的光的光接收器必须能够在两种测量模式下提供良好的结果，亦即一方面在大的、但是以小的频率脉冲式接收的光功率的模式下和另一方面在以高的频率调制的但是仅具有小的功率密度的光束的模式下。另外值得一提的是，合理的是旋转发射的光束能够被高频地、例如通过一个发射光束的激光二极管的泵电流的改变来调制。但是在这种光发射器的情况下也由于仅微小的光束展宽产生高的功率密度，另外需要区分比较短的、光接收器由旋转的光束照射的时间和直到光束再次进入的等待时间。
[0017]因此在现有技术中用于两种运行模式的组合接收器仅通过双重设计模拟信号处理或者限制作用范围和效率来实现。
[0018]因此希望一种高效率的组合接收器。因此值得向往的是能够提供一种用于被调制的光束的接收器，它在任何情况下都能够以微小的调整用于脉冲式接收的、通常未被调制的光束。
[0019]特别希望光束接收器能够