具有用于提取电磁辐射的滤波器单元的光学测量系统的制作方法

具有用于提取电磁辐射的滤波器单元的光学测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定多个点的坐标，更具体地说用于距离测量的光学测量系统，更具体地说，大地测量装置、坐标测量机或扫描装置。所述测量系统包括：辐射源（52、53），该辐射源用于发射具有发射波长的电磁辐射，和接收单元，该接收单元具有滤波器单元（51），该滤波器单元用于根据干涉原理来提取限定波长范围中的电磁辐射，和检测器（56），该检测器按可以借助于所述滤波器单元（51）提取的所述辐射可通过所述检测器（56）检测的这种方式来设置。而且，所述滤波器单元（51）包括至少两个镜部件，所述至少两个镜部件至少可部分反射并且按多层方式构造，其中，所述镜部件彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件在每一种情况下围绕腔，并且相对于彼此按特定距离设置，其中，根据所述腔的折射率并且根据所述镜部件之间的所述距离限定光学厚度。设置了用于改变所述光学厚度的光学厚度改变装置，以使改变所述滤波器单元（51）的可提取波长范围，更具体地说，其中所述光学厚度改变装置具有用于改变所述镜部件的位置的致动装置，和/或用于改变所述腔的折射率的折射率调节装置，更具体地说，其中，所述光学厚度在操作期间是连续可变的。
【专利说明】具有用于提取电磁辐射的滤波器单元的光学测量系统
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序所述的、用于确定多个点的坐标的光学测量系统，该光学测量系统包括辐射源和具有用于按限定波长范围提取电磁辐射的滤波器单元的接收单元，根据权利要求14所述的利用光学测量系统使用滤波器单元来提取电磁辐射，以及根据权利要求15所述的对应方法。
[0002]对于测量一目标点来说，从古代起就已知了许多大地测量装置。在这种情况下，记录方向或角，而且通常还要记录从测量装置至该目标点的距离，并且具体来说，一起地检测该测量装置的绝对位置与可能存在的基准点，作为空间标准数据。
[0003]这种大地测量装置的众所周知的示例包括:经纬仪、视距仪、全站仪，以及还包括激光扫描仪，其按陆地和空中变型来具体实施。根据现有技术的一种大地测量装置例如在公报文档EP1686350中进行了描述。这种装置具有基于电气-传感器的角，并且在合适时，具有准许针对选定目标确定方向和距离的距离测量功能。在这种情况下，角和距离变量按该装置的内部参考系来确定，并且在合适时，还必须与外部参考系组合，以进行绝对位置确定。
[0004]现代全站仪具有用于进一步数字处理并存储所检测测量数据的微处理器。该装置通常具有紧凑且集成的设计，其中，同轴距离测量部件，还与计算、控制以及存储单元通常存在于一装置中。根据该应用，全站仪附加地配备有机械化的锁定(targeting)或瞄准(sighting)装置，和(在将后向反射器(例如，全向棱镜)用作目标对象的情况下)用于自动目标探寻和跟踪的装置。作为人机接口，全站仪可以具有电子显示控制单元(通常为具有电子数据存储装置的微处理器计算单元)，其具有显示和输入装置(例如，键盘)。按基于电气-传感器的方式检测的测量数据被馈送至显示控制单元，使得可以确定目标点的位置，可选地通过显示控制单元显示并存储。
[0005]对于猫准(sighting)或锁定(targeting)要测量的目标点来说,一般类型的大地测量装置(如全站仪)包括望远镜瞄准具(举例来说，如光学望远镜)，作为瞄准装置。该望远镜瞄准具通常可环绕垂直轴并且环绕相对于测量装置的基部的水平倾斜轴旋转，以使该望远镜瞄准具可以通过绕轴旋转和倾斜而对准要测量点。现代装置除了光学观察通道以外，还可以具有用于检测图像的相机，所述相机被集成到望远镜瞄准具中，并且例如同轴地或者按并行方式对准，其中，具体来说，所述检测图像可以被表示为显示控制单元的显示器上和/或用于远程控制的外围装置的显示器(举例来说，如数据记录器)上的实时图像。在这种情况下，该瞄准装置的光学系统可以具有手动对焦(例如，用于改变聚焦光学系统的位置的调节螺钉)，或者可以具有自动对焦，其中，聚焦位置例如通过伺服电动机来改变。通过示例的方式，大地测量装置中的这种瞄准装置在EP2219011中进行了描述。用于大地测量装置的望远镜瞄准具的自动对焦装置例如根据DE19710722、DE19926706、或者DE19949580获知。而且，大地测量装置的一般望远镜瞄准具的构造在公报文档EP1081459或EP1662278中通过示例的方式进行了公开。
[0006]由于射束路径通常作为观察通道和用于测量两者而结合利用的原因，因而，这种装置需要所述射束路径采用伴随专用高精度光学系统的望远镜的构造要以高费用来生产的方式的技术设计。而且，距离测量装置的附加分离发送和接收通道以及针对该波长的附加图像平面可以针对同轴电子距离测量来提供。
[0007]因为即使通常提供了 30倍光学缩放倍率，但目标对象(例如，具有目标标记(如全向棱镜)的铅锤杆，其通常被用于大地测量目的)也无法基于瞄准装置以肉眼足够精确地瞄准，所以常规测量装置当时具有作为标准的、用于用作目标反射器的棱镜的自动目标跟踪功能(ATR 自动目标识别”)。为此，另一分离ATR光源(例如，光纤耦合激光二极管，其例如发射具有优选地处于850nm的红外范围中的波长的电磁辐射)，和对所述波长敏感的特定ATR检测器(例如，CMOS区域传感器)常规上附加地集成在望远镜中。
[0008]在ATR精细瞄准功能的背景下，ATR测量射束在这种情况下沿瞄准装置的光学瞄准轴的方向发射，并且在目标反射器处后向反射，并且所反射射束被ATR传感器检测。根据光学目标轴相对于棱镜的对准偏差，在这种情况下，所反射福射在ATR传感器上的碰撞位置也相对于中心传感器区域位置偏离(即，在棱镜处后向反射的ATR测量射束在ATR区域传感器上的反射点不位于ATR区域传感器的中心，并由此,不碰撞例如基于作为对应于光学瞄准轴的位置的校准而限定的希望位置)。
[0009]如是这种情况，则瞄准装置的对准按这样的方式，以机动方式稍微重新调节，即，在棱镜处后向反射的ATR测量射束高度精确地碰撞ATR区域传感器上的传感器区域的中心(即，瞄准装置的水平和垂直角由此迭代地改变并且适应，直到反射点的中心与ATR区域传感器上的希望位置重合为止)。另选的是，后向反射ATR测量射束在ATR区域传感器上的碰撞点与传感器区域的中心之间的剩余偏差还可以以计算方式考虑，并且转换成角度，其对应地添加至瞄准轴指向的借助于角传感器检测到的立体角。
[0010]除了 ATR精细瞄准功能以外，自动目标跟踪功能还可以按类似方式并且利用相同ATR组件(如ATR光源和ATR检测器)提供。
[0011]距离测量的或自动目标跟踪的削弱在此可能例如因杂散辐射而造成，其中，除了由辐射源发射的具有限定特征的辐射以外，另一干扰辐射分量也可以碰撞该检测器(用于检测由辐射源发射的并且反射的辐射)，并且导致测量值偏离。
[0012]环境或外来光因而导致测量装置的不希望影响或削弱。借助于光学半导体传感器(例如，PSD)或区域传感器(例如，CXD或CMOS)的方向或位置测量可以例如被碰撞检测器的寄生背景光破坏。这例如导致因传感器上的修改光分布或者因传感器的电子操作点的变化而诱发的中心偏移。
[0013]包括光谱窄带辐射源(如激光二极管)的测量装置在某些情况下借助于适当的截止滤波器或带通滤波器而提供了很大程度上抑制接收通道上的环境光的可能性。首先，激光器按小于Inm的光谱范围，以非常窄的频带发射。然而，诸如激光二极管的划算的激光器具有这样的缺点，即，其中心波长从样品到样品而不同；而且，多数半导体激光二极管中的发射波长取决于操作点(正向电流)和芯片温度。
[0014]这具有检测器上游侧的通常设置为干扰滤波器的光学带通滤波器具有宽光谱设计的效果。然而，结果，环境光无法最佳地抑制。
[0015]该缺点类似地可适用于包括用于测量多个测量点的坐标的光学传感器的坐标测量机。
[0016]坐标测量机(用于检查技术组件有关它们的形状和它们的尺度)在这种情况下具有可以在测量空间内移动的可移动测量头。为此，如所已知的，坐标测量机可以被构造为起重台架构或者关节臂，借助于其，该测量头可沿三个方向(Χ、y、ζ)自由移动，并且其中，测量头的位置和由此在通过该测量头光学地测量的工件上的位置可以连续且精确地在该测量空间中确定。
[0017]而且，上面提到的削弱可以在例如用于生成对象的表面的三维表述的无接触测量光学扫描仪的情况下出现。这些扫描装置通常被设计为激光扫描仪，其中，发射具有限定波长的激光辐射并且在该对象处反射。借助于检测器，其中，在最佳情况下排它地检测并测量具有相同波长的光，距离和方向测量由此可以按点分辨方式来执行。在这种情况下，激光束可以在该表面上线接线地引导。 [0018]还已知包括具有不同发射波长的多个光源的距离测量模块，举例来说，如可以从DE19840049 了解的。这里，根据该测量应用，一个或另一个激光在同一公共检测器处被定向；在该情况下，接收器上游侧的干扰滤波器被设计为具有两个发射窗口的双干扰滤波器。这具有未最佳地抑制环境光的缺点。对于光谱上-光学上不同并且在公共接收单元处定向的多通道发送单元的情况来说，抑制杂散辐射而且相互通道串扰的问题随着通道数量而增加。
[0019]现有技术公开了用于解决杂散辐射问题的至少两种方法。首先，将滤波器按这样的方式设置在检测器上游侧的接收光学系统的射束路径中，即，按限定波长范围的排它电磁辐射(尽可能窄的频带)可以经过该滤波器并且碰撞该检测器。如所已知的，用于该目的的滤波器具有预定透射行为。而且，该辐射源以高支出针对所发射波长电子上且热学上稳定化，即，具体来说，通过该辐射源的冷却或加热，而提供恒定电压和电流并且按限定温度操作。这种指定发射接收装置需要高程度的构造性支出和能量消耗。
[0020]第二种方法提出了使用两个滤波器，一个高通滤波器和一个低通滤波器，其中，这些滤波器沿射束路径一个在另一个后面地设置，并由此实现相对好的限定滤波器效果。这些滤波器可以附加地相对于射束路径倾斜，由此，使能实现滤波器行为的变化，并由此改变入射的辐射。这种排布结构例如可以从DE10121288 了解到。有关这排布结构的缺点是在该滤波器倾斜期间出现极化效应。
[0021]这两种解决方案方法附加地展示了相应测量装置的高复杂性和结构上空间密集构造的缺点。而且，需要辐射源或者可倾斜滤波器的非常复杂的控制或调节，目的在于可以连续确保合适波长下的最佳检测。
[0022]因此，本发明的目的是，提供一种用于点测量的系统，其允许更精确且更可靠测量多个测量点，并且可以以更小的构造支出来实现。
[0023]该目的通过实现独立权利要求的特征化特征来实现。按另选或有利方式开发本发明的特征可以根据从属专利权利要求来收集。
[0024]本发明涉及一种用于确定多个点的坐标，更具体地说用于距离测量的光学测量系统，更具体地说，大地测量装置、坐标测量机或扫描装置，该光学测量系统包括:辐射源，该辐射源用于发射具有发射波长的电磁辐射，和接收单元，该接收单元具有:滤波器单元，该滤波器单元用于根据干涉原理来提取限定波长范围中的电磁辐射，和检测器，该检测器按能够借助于所述滤波器单元提取的所述辐射能通过所述检测器检测的这种方式来设置。而且，所述滤波器单元包括至少两个镜部件，所述至少两个镜部件是至少部分反射的并且按多层方式构造，其中，所述镜部件彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件在每一种情况下围绕腔，并且相对于彼此按特定距离设置。在该情形中，根据所述腔的折射率并且根据所述镜部件之间的所述距离限定光学厚度。所述滤波器单元包括光学厚度改变装置，该光学厚度改变装置用于改变所述光学厚度，从而改变所述滤波器单元的可提取波长范围，更具体地说，其中所述光学厚度改变装置具有用于改变所述镜部件的位置的致动装置，和/或用于改变所述腔的所述折射率的折射率调节装置，更具体地说，其中，所述光学厚度在操作期间是连续可变的。所述滤波器单元由此可以被设计为上述可调谐干扰滤波器。
[0025]在这种情况下，所述光学厚度改变装置构成如下的部件，即，借助于该部件，可以按瞄准方式改变所述光学厚度。在这点上，可以在这里设置致动装置，例如，静电致动器，其可以导致所述镜部件的位置改变，并由此，导致所述镜之间的距离改变。为此，所述致动器例如可以借助于控制信号按限定方式偏转。而且，所述折射率调节装置例如可以具有这样的介质，即，该介质的折射率可以借助于施加至该介质的限定电压而改变。所述介质例如可以通过气体、液体或者聚合物来具体实施。而且，所述折射率调节装置可以具有控制子单元，该控制子单元调节可以用来调节并改变所述介质的折射率的对应信号或电压。
[0026]可调谐干扰滤波器基于电介质涂覆镜，其中，至少一个所述层可以针对所述光学厚度来调节。光学厚度被理解成，意指层厚度与折射率的乘积。几乎任何可想像到的光谱滤波器曲线可以借助于由电磁透明材料制成的多层薄膜涂层来实现。最简单的可调谐干扰或带通滤波器基于法布里-珀罗滤波器，其同样设置有多层薄膜涂层。透射或反射曲线优选地根据机电调节机构(举例来说，如压电、静电或磁性致动器系统)来改变或移位。伴随干涉准确度的移位可根据静电原理来实现；在这种情况下，例如，可以改变间隔体板的位置或法布里-珀罗结构的两个主反射器之间的距离。而且，透射或反射曲线可以根据所述折射率的改变而改变。
[0027]借助于可调谐滤波器，可以如上所述解决偏离光谱窗口、可移位或可变发射波长或接收器曲线的问题，但也解决多波长装置的问题。从而，根据本发明，可调谐干扰滤波器可以集成到光学测量系统中，更具体地说，用于距离和方向测量。利用所述可调谐干扰滤波器，希望将环境光或外部光保持远离相应检测单元。具体来说，对于包括多个光源的装置的情况来说，这具有抑制环境光(例如，来自除了希望光源以外其它所有光源的光)可以按等同于单通道系统的方式来实现的优点。
[0028]具体来说，该原理可以适于激光传感器，如EDM (距离测量)、ATR (自动目标点测量)或功率搜索(目标搜寻)，例如用于视距仪、全站仪、激光扫描仪、激光跟踪仪或另选地，用于旋转激光或用于建筑机械控制的接收器。阳光、环境光或外部光由此可以借助于当前(在使用该功能的时候)最佳调谐干扰滤波器而从相应接收器上游侧滤出。因为激光二极管的发射波长可以从样品到样品地改变，而且，其波长可以因温度和操作点(存在的电流)而移位，所以光谱可调谐带通滤波器在这种情况下可以定中心至该激光器的相应波长，以最优化滤波器的透射。外部光由此可以很大程度上被该可调谐滤波器的窄透射曲线阻挡。
[0029]更具体地说，根据本发明，所述测量系统可以包括调节单元，其中，所述调节单元按这样的方式与所述光学厚度改变装置相互作用，即，所述光学厚度，更具体地说，所述镜部件之间的或者要被理解为镜部件的电介质多层部件之间的距离可变，更具体地说，自动地改变，以使所述可提取波长范围位于所发射辐射的发射波长周围。由此，在所述测量系统中，例如，在全站仪或激光扫描仪中，所述滤波器的有用波长可以被调节成，使得要滤波的波长对应于实际上通过所述系统的所述辐射源发射的波长。
[0030]更具体地说，根据本发明，所述调节单元可以按所述光学厚度根据所述检测器的检测来调节的这种方式与所述光学厚度改变装置和所述检测器相互作用。借助于这种调节，例如，可以连续改变所述滤波器单元的波长范围，使得在所有情况下，可以在所述检测器处检测辐射的最小值。如果在这种情况下，例如，所述辐射强度的下降借助于所述检测器来查明，则所述电介质多层部件之间的距离和/或所述滤波器中的所述腔的折射率可以改变，更具体地说，其中，该距离在宽泛距离范围上可变，直到超出预定最小值或阈值为止。
[0031]而且，根据本发明，所述光学厚度可以按借助于所述检测器检测到的测量值超出限定阈值，更具体地说，达到最大值的这种方式，而借助于所述光学厚度改变装置调节。所述镜距离和/或所述腔中的介质的光学特性的对应改变由此可以针对以下目的来实现，即，针对相应波长或者在相应波长的漂移期间，保持所述滤波器的最佳(最大)提取能力的目的。
[0032]而且，根据本发明，所述可提取波长范围可以根据表示提取最大值的中心波长和根据提取级波长分布限定的、在所述中心波长周围的公差范围来限定。根据所述滤波器单元的设计，可以限定所述滤波器的具体改变提取行为(透射和/或反射行为)，其中，要提取的辐射的比例水平可以根据辐射波长(提取级波长分布)改变，即，可提取辐射的比例部分取决于所述辐射的相应波长。
[0033]另外，根据本发明，所述滤波器单元可以被设计成可透射或可反射，更具体地说，其中，所述滤波器单元按可以在所述滤波器处实现所述可提取波长范围内的电磁辐射的反射或透射的这种方式来设计。
[0034]而且，在本发明的背景下，针对所提取辐射的提取波长可以根据可以借助于所述光学厚度改变装置执行的所述光学厚度的改变，更具体地说，借助于通过所述检测器的测量来导出。所述测量系统由此可以附加地使得可以借助于所述滤波器单元来确定在所述检测器上检测的波长。为此，例如，所述镜部件之间的距离在特定距离范围内改变，该范围根据所述滤波器单元的结构性设计来划界，或者在所述距离范围内左右移动。同时，实现借助于所述检测器的测量(例如，强度测量)，并且在所有情况下将所测量强度分配给经调节的镜部件距离。根据在这种情况下生成的数据，可以确定具有关联距离值的强度最大值，并且作为根据该距离值的结果，可以缩减所述滤波器的由此限定的波长(提取波长)和所检测辐射的波长。针对所述腔的折射率，还可以采用类似过程。在这种情况下，例如，通过改变确定所述折射率的电压，所述滤波器的透射率按可控方式改变。
[0035]而且，根据本发明，通过所述辐射源发射的电磁辐射的一部分能够作为基准射束通过射束耦合输出(coupling-out)部件耦合输出，并且基准波长可以通过传感器测量。在这种情况下，所述光学厚度可以按所述基准波长位于所提取波长范围中的这种方式根据所测量基准波长来调节。这种排布结构可以允许所述辐射源的相应发射波长的精确的、连续确定。接着，该基准波长可以被用于调节所述滤波器单元。所述距离或折射率可以按由此限定其中心波长至少大致对应于所述基准波长的可提取波长范围的这种方式而以此为基础来调节。由此，所述滤波器的可提取波长范围可以根据所述基准测量连续更新。
[0036]而且，所述检测器可以被设计为光电二极管、CMOS或PSD区域传感器，并且/或者所述测量系统可以包括具有另一发射波长的至少一个另一辐射源。
[0037]而且，根据本发明，所述光学厚度可以借助于施加至所述光学厚度改变装置的电控制信号，优选为电压来调节，其中，所述光学厚度可以根据所施加的控制信号值来调节。所述镜部件的位置的调节或移位(和由此的透射或反射行为)例如优选地以机电方式来实现。为此，按照在所述光学厚度改变装置中的致动器可以按瞄准方式来驱动，并且所述镜可以借助于所述致动器来移动。所述镜之间的希望距离由此可以通过施加限定电压或者特定信号来调节。另外，所述腔的或者所述腔中的介质的折射率同样可以通过施加电控制信号来调节。
[0038]根据本发明，更具体地说，所述腔可以具有光学可变介质，该光学可变介质具有材料折射率，更具体地说，其中，所述介质通过电活性聚合物来具体实施，并且所述材料折射率可以借助于所述电子控制信号，更具体地说，通过施加电压而按限定方式来改变，使得所述光学厚度并由此使得所述可提取波长范围改变。借助于其光学特性例如可以根据存在于该材料处的电压的幅值来调节的这种材料，由此可以实现要针对干扰滤波器提取的所述波长范围的可变性。
[0039]更具体地说，根据本发明，所述系统可以包括数据库，在该数据库中，存储了具有所述镜部件之间的距离和相应波长范围的分配表，更具体地说，其中，存储了取决于所述腔的折射率的所述相应波长范围。
[0040]另外，根据本发明，所述镜部件之间的所述距离和/或所述腔的所述折射率可以根据要借助于所述分配表来提取的限定波长来调节。
[0041]根据本发明，另外，在所述数据表中，可以存储针对所述辐射源的用于确定所述发射波长的参数化，并且所述镜部件之间的所述距离和/或所述腔的所述折射率可以根据参数化的参数来调节，更具体地说，参数化表示所述发射波长与所述辐射源的电流和/或温度的相关性。
[0042]由此，首先，可以将由此限定的镜距离和可提取波长范围的分配存储在所述数据库中。因而，例如可以借助于所述镜部件之间的所述距离的特定调节来调节希望波长或波长范围。另选的是或者另外，所述腔的折射率、所述镜部件之间的距离以及所述可提取波长范围之间的关系可以在所述数据库中获得。而且，针对该目的，可以存储相应需求的控制信号，并由此可以借助于所述滤波器的对应驱动来改变希望波长范围。而且，设置在所述测量系统中的所述辐射源可以在所述数据库或表中参数化，就是说，存储了使得可以建立所发射波长与存在于所述辐射源处的电流和/或所述辐射源的温度之间的关系的分配。所述滤波器单元的波长范围由此可以基于正向电流和/或辐射源温度来调节，并且被改变以适应所述发射波长。
[0043]本发明还涉及在光学测量系统中使用滤波器单元，该光学测量系统包括:至少两个镜部件，所述至少两个镜部件至少部分可反射并且按多层方式构造，其中，所述镜部件彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件在所有情况下围绕腔，并且彼此相对地按特定距离设置，而且，根据所述腔的折射率并且根据所述镜部件之间的所述距离限定了光学厚度。而且，所述滤波器单元具有光学厚度改变装置，该光学厚度改变装置用于改变所述光学厚度，以使改变所述滤波器单元的可提取波长范围，更具体地说，其中所述光学厚度改变装置具有用于改变所述镜部件的位置的致动装置，和/或用于改变所述腔的所述折射率的折射率调节装置。更具体地说，在这种情况下，所述光学厚度可在操作期间连续可变。在这种情况下，所述滤波器单元在用于确定多个点的坐标(更具体地说用于距离测量)的光学测量系统(更具体地说，大地测量装置、坐标测量机或扫描装置)中使用，以根据干涉原理来提取所述限定波长范围中的电磁辐射。
[0044]本发明的另一方面是，提供一种用于更具体地说，借助于大地测量装置、坐标测量机或扫描装置来确定多个点的坐标，更具体地说用于距离测量的测量方法，该测量方法包括以下步骤:发射具有发射波长的电磁辐射，根据干涉原理来提取限定波长范围中的电磁辐射，以及检测提取的所述辐射。而且，提取所述电磁辐射借助于滤波器单元来实现，其中，所述滤波器单元包括至少两个镜部件，所述至少两个镜部件至少部分可反射并且按多层方式构造，其中，所述镜部件彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件在所有情况下围绕腔，并且彼此相对地按特定距离设置，而且，根据所述腔的折射率并且根据所述镜部件之间的所述距离限定了光学厚度。所述光学厚度改变，结果致使，改变所述滤波器单元的可提取波长范围，使得所述发射波长位于所述可提取波长范围内，更具体地说，其中，改变所述镜部件的所述位置和/或改变所述折射率被实现，更具体地说被连续地实现。
[0045]下面，基于附图中示意性地例示的具体示例性实施方式，完全通过示例的方式，对根据本发明的系统和根据本发明的方法进行更详细描述，还讨论了本发明的进一步优点。更具体地说，在图中:
[0046]图la-b在所有情况下示出了激光辐射与滤波器之间的中心波长偏差；
[0047]图2示出了长通滤波器的光谱特性；
[0048]图3a_b分别示出了作为温度和功率的函数的、由激光二极管发射的辐射的波长漂移；
[0049]图4a_b示出了可调谐干扰滤波器的第一实施方式；
[0050]图5示出了具有弹簧的可调谐干扰滤波器的第二实施方式；
[0051]图6示出了法布里-珀罗干扰滤波器的典型透射曲线；
[0052]图7示出了针对具有光谱特定分布的滤波器的电介质层构造；
[0053]图8示出了不同控制电压下的可调谐干扰滤波器的透射曲线；
[0054]图9a_b在所有情况下分别示出了根据本发明的、具有一个和两个激光束源的可调谐干扰滤波器的应用；
[0055]图10示出了根据本发明的、例如具有可调谐干扰滤波器的用于距离测量的测量装置的光学构造；
[0056]图11示出了根据本发明的、例如用于距离测量和方向测量(ATR)的测量装置的光学构造的另一实施方式；
[0057]图12示出了根据本发明的、用于建筑机械控制的干扰滤波器的应用。
[0058]图1a示出了激光辐射与光谱窄带滤波器之间的中心波长偏差。在这种情况下，曲线11、12在所有情况下表示发射激光辐射的强度分布。如果该激光辐射碰撞光谱窄带干扰滤波器，则由此可以实现具有特定波长的辐射透射T。波长范围22 (典型地具有60nm、IOnm或Inm下的半峰全宽(=FWHM))根据取决于相应波长的滤波器的透射行为(由曲线21表示)来限定，其中，中心波长λ3表示该范围22的中心。商用激光二极管和窄带干扰滤波器都具有+/-5nm至+/-1Onm的典型中心波长偏差。曲线11例如示出了 20°C下激光二极管的发射光谱，而曲线12示出了 50°C下的发射光谱。而且，该滤波器展示了在λ 3处具有中心透射波长的透射分布。分别例示的激光二极管辐射的发射波长λ 1、λ 2在此未达到被设计为带通滤波器的滤波器的透射波长范围22。因此，在当前情况下，来自激光二极管的辐射不能透射通过该滤波器，并且例如不能传递到设置在下游侧的检测器上。而且，用于激光辐射的滤波的带宽旨在尽可能窄地形成，目的在于很大程度上滤波或者允许透射仅处于适当尖锐地限定的波长范围(更特别地，一个波长)中的光。
[0059]图1b示出了陷波滤波器的光谱行为23。激光发射11与滤波器的作用区之间的光谱偏差再一次出现。利用这种类型的滤波器，有用辐射的提取不借助于限定波长的透射而是通过反射具有所述波长的光来实现。这种陷波滤波器或阻滤波器可以被用作光谱选择性反射器，以便排它将有用辐射传递至检测器。箭头24指示滤波器的作用范围的移位，其将导致激光辐射的反射。在该移位之后，该激光辐射的发射波长处于陷波滤波器起作用的波长范围中。
[0060]图2示出了长通滤波器的光谱特性25。这种类型的滤波器基于(同样，与上述滤波器类型类似)多射束干扰的原理。在双材料结构的最简单情况下，例如，光学厚度相同的具有交替高与低折射率的Ti02/Si02层，长通、短通或带阻滤波器的层结构可以大致由电介质镜构成。在最简单情况下，膜层的光学厚度被规定为量值上相同，以使通过该层的分波的相移为η/2。该方法可以结合折射率、膜厚度以及设计波长用nH*lH=nL*lL=X0/4来表达，其中，λ ο代表设计波长，nH、nL代表两种材料的折射率，而1H、IL代表相应膜厚度。而且，H可以表示由高折射率材料构成的λ ο/4层的光学厚度，而L可以表示由低折射率材料构成的对应λ0/4层。这种电介质镜还被设计为布拉格(Bragg)反射器。在这种情况下，该反射曲线中的移位可以根据层厚度的或者至少一个层的折射率的变化来实现。如果同时改变两个或更多个层距离，则例如可以移位陷波滤波器的反射范围，或者短或长通滤波器在更大波长范围上的光谱边缘，而不会极大地改变滤波器特性。由双材料结构构成的电介质滤波器的层顺序通常随着层厚度的连续性来指定。具有可以利用两个可调节层厚度调节的设计波长λ o=550nm的陷波滤波器例如可以表示如下:[0.31H, 11L, 0.61H, 10.51L, (0.6
1H,xlL) ~2，0.61H, 10.51L, 0.31H]。如果“x”例如从9.8调节成10.8，则陷波滤波器的中心波长连续地从585nm改变成615nm。
[0061]还存在组合长通滤波器与短通滤波器的可能性，作为其结果，可以实现特定波长范围下的辐射的透射提取。在相对较窄波长范围下滤波光可以通过这两类滤波器的合适组合来实现。在这种情况下，带限制滤波器效应的一个边缘由长通滤波器造成，而另一边缘由第二附加滤波器造成。附加地示出了激光辐射11的光谱，其中心波长λ4相对于滤波器的最大透射能力稍微偏移。
[0062]图3a、图3b在所有情况下分别示出了作为温度和功率的函数的、由激光二极管发射的辐射的波长漂移26。在这种情况下，图3a示出了关于半导体激光二极管的发射波长的本征温度漂移的曲线26。对于诸如GaAs和InGaP的半导体材料的情况来说，激光二极管的波长可以因内部增益分布的光谱变化而漂移，例如，0.3nm/°C。另外，激光二极管的中心波长可以根据生产批次的相应生产条件而改变，例如，直至0.8%。这两种效应导致这样的缺点，例如，在具有指定温度范围-30°C至+70°C的装置中，该激光的中心波长可以偏离直至+/-20nm。如果激光二极管随着脉冲化激发而附加地操作，则它们趋向于具有直至3nm的多模发射。为了实现先前装置中的接收滤波器的有效高透射性，因此，干扰滤波器必须具有宽透射曲线(达到60nm的FWHM，FWHM =半峰全宽)。而且，半导体激光二极管还可以具有取决于正向电流的弱波长漂移。激光功率P可以借助于该正向电流来调节。该激光功率可以被用于例如在自动目标测量装置中的信号匹配，其中，其尤其可以控制CMOS传感器上的目标对象(反射器目标)的图像亮度。图3b例示了半导体激光二极管的、针对用于该二极管的不同功率调节PU P2、P3、P4的发射波长的漂移。
[0063]图4a和4b示意性地例示了简单的可调谐干扰滤波器30的第一实施方式，图4a示出了该滤波器的平面图而图4b示出了该滤波器的横截面图。干扰滤波器30可以被构造为法布里-珀罗干涉仪，其涉及这样的构造，即，该构造包括设置在光学区35中并且彼此按限定距离32定位的两个低损耗反射镜31a、31b。为了实现具有低光学损耗的镜31a、31b，就是说，基本上不吸收，它们可以被设计为气相淀积电介质多层。在最简单情况下，这些镜可以由结构(HL)~q的四分之一波包构成，其中，q指示双层(HL)的数量。缩略语H指示由高折射率材料构成的λ o/4层的光学厚度，而L指示由低折射率材料构成的对应λ0/4层。利用形式[(HL)~q, x*Lair, (HL) ~q]的相移多层结构，其中，这两个布拉格镜(HL)~q被腔彼此分离，其可以实现非常窄的带透射滤波器。在这种情况下，该腔可以被设计为空气间隙40。在这种情况下，该窄透射曲线可以随着空气间隙宽度的变化而在光谱上移位。具体来说，该腔可以设置有折射率可变的介质。在这个实施方式中，因此，另外可以借助于该介质的折射率的变化(例如，通过施加限定电压)来实现透射曲线的变化。该透射曲线的宽度(FWHM)根据两个高度反射性镜的层的数量q来限定，FffHM宽度随着更高数量的层而减小。随着重复多个法布里-珀罗结构[(HL)~q，L，(HL) ~q]和不同的q值，该透射曲线可以被调节成更加窄和更平坦，特别是在透射范围中。一个示例性双谐振器结构可以表示以[(HL) ~q, xl*Lair, (HL) ~q]/(HL) ~q, x2*Lair, (HL) ~q]。对于这种结构的情况来说,优选的是，为了波长调节的目的，两个间隔体Xl和x2将必须同时改变。
[0064]图4a和4b中所示调节和镜部件借助于空气间隙40而形成用于简单法布里-珀罗滤波器的腔。两个镜31a、31b之间的距离32可以按限定方式改变，并且滤波器30的中心波长由此可以移位至较短或较长波长。这种干扰滤波器30例如可以利用MEMS技术来实现。利用微观机械，该装置构造中的小型化优点连同成本效益生产可以达到。现今，电可调谐部件41/42另外可以集成在调节和镜部件中。具有光学性能的硅晶片例如适于作为载体材料33，该材料可透射大于1200nm的波长。玻璃晶片(石英玻璃)或石英片适于可见光或近红外线下的波长。具有限定光谱反射率的镜层31a、31b被应用至所述载体板33，其中，两个镜31a、31b之间的空气间隙40或特定光学介质可以形成主腔。另外，设置了用于通过在该载体上施加电控制信号或者通过施加限定电压来调节或控制距离32的电极43。
[0065]具有高透射性的法布里-珀罗谐振器的谐振波长R位于位置λ R=2*nc*d/m处。在这种情况下，“nc”是间隔体材料的折射率，而“d”是两个多层镜之间的距离32。该谐振阶次“m”是大于等于I (≥1)的整数。随着“m”的增加，由此可以实现短透射波长。为了能够获取微机械干涉仪中的较大调谐范围，具体来说，可以选择第一阶次或较低阶次m。结果，这种设计可以适于许多度量学应用。
[0066]而且，透射最大值的半峰全宽(FWHM)为FWHM=2*nc*d/m2/F，其中，“F”代表该腔的精细度(finesse)。由于技术上控制缺陷，因而,真实透射最大值通常小于100%。具体来说，这因在可移动镜31a、31b或板的调节或移位期间出现的表面缺陷而造成。在移动期间，两个镜31a、31b之间的平行对准可以经受楔形误差；而且，该镜板在借助于弹簧36的较大偏转或弯曲的情况下可以被愈加拉紧，这可以导致镜31a、31b的变形。从按零位平行对准镜部件3la、3Ib进行，两个镜部件3la、3Ib还旨在被理解为即使在这些变形和/或楔形误差的情况下也彼此大致平行地对准。图5示出了具有这种弹簧36的可调谐干扰滤波器的第二实施方式。腔的有效精细度F由此可以受限于中等值到高值。具体寻求用于度量学装置的具有大于50的值的精细度。
[0067]图6示出了法布里-珀罗干扰滤波器的典型透射曲线27，其中，该滤波器的透射率T被表示为波长λ的函数。在此，透射峰值在波长刻度上重复地出现(分别针对波长Acl、λ c2、λ c3)，并且被洛伦兹成形为接近峰值的第一近似值。另外，针对在λ cl附近(第一阶次)的透射最大值例示了半峰全宽28 (FffHM)0
[0068]图7示出了针对具有光谱特定分布的可调谐滤波器的可能电介质层构造37。由两个布拉格反射器构成的两个相对镜部件31a、31b在所有情况下设置在基板38上，并且使得可以借助于按放大方式例示的电介质层构造37首先低损耗滤波入射光44，以使仅限定波长范围内的光从滤波器显现45。其次，特定改变的层构造37使得可以确定要滤波或提取的光。
[0069]图8示出了针对不同控制电压(0V-63V)，按照根据图5的构造的具有电容式致动器的可调谐干扰滤波器(MEMS)的透射曲线27。在该示例性实施例中，透射窗口随着控制电压的增加而移位至更短波长，这由于两个多层序列之间的腔的距离的减小而发生。随着增加的电压，因此，该滤波器的透射可以变得更小，例如，因为相对于平面度和平行度的偏差(楔形误差)可以在反射器板的较大行进距离的情况下出现。结果，该精细度和由此滤波器的透射或两个镜表面的透射可以按滤波的质量减小的这种方式改变，并由此更多的光被该滤波器吸收。
[0070]图9a、图9b在所有情况下分别示出了根据本发明的、具有一个和两个激光束源的可调谐干扰滤波器的应用。图9a示出了具有主发射波长λ LD的激光二极管的发射光谱28。而且，例示了可调谐干扰滤波器的滤波光谱29a，其中，该滤波器的干扰波长可通过施加限定的电控制信号(电压)来调节。为了可以接着尽可能窄且有效地滤波或提取由激光二极管发射的辐射，存在于滤波器处的电压可以按这样的方式来改变，即，由该滤波器特性限定的透射峰值大致包括该二极管的光谱28。通过施加该电压，该峰值可以移位，以使干扰滤波器的滤波光谱29b的中心波长尽可能多地对应于发射波长λ LD，并由此可以实现最佳滤波或透射。
[0071]图9b在所有情况下示出了两个激光二极管的发射波长λ LDl和λ LD2和滤波器的干扰光谱29a。干扰光谱29a按在所有情况下滤波波长λ LDl的光或者波长λ LD2的光的这种方式的移位39在这种情况下可以再一次借助于施加或改变电压和滤波器的镜部件之间的距离的所得变化和/或腔的折射率的变化来实现。该滤波器的这种应用例如可以适于使用两个不同激光源连同公共接收器。接着，干扰光谱29a、29b可以根据要测量的激光辐射而调节成相应激光波长λ?)1、ALD2.从而，在由两个辐射源联合使用的射束路径中设置可调谐干扰滤波器可以被用于第一辐射的有效滤波和用于第二辐射的滤波两者，并因此，意味着有关生成光学分量的低构造性和财政支出。[0072]图10示出了根据本发明的、例如用于利用可调谐干扰滤波器51进行距离测量的测量装置(更具体地说，经纬仪的、全站仪的或者激光扫描仪的)的光学构造50，而且，将两个激光二极管52、53作为辐射源设置在该装置中，并且在所有情况下发射特性激光辐射，并且使用公共射束路径54 (所发射辐射这种情况下可以针对它们的波长显著不同)。该光经由镜、聚焦和/或扩展光学单元引导到对象55上，更具体地说，引导到反射器上，并且从该对象55反射。所反射光依次借助于光学构造50检测，并且传递至被设计用于检测第一激光二极管52和第二激光二极管53两者的辐射的检测器56。另外，可调谐干扰滤波器51设置在检测器56上游侧，其中，滤波器51可以根据图4a、4b、5之一来具体实施。要通过滤波器51提取的辐射可以通过单个改变滤波器51的干扰光谱(根据图9b)来调节。在这种情况下，通过示例的方式，相应波长可以在限定条件(例如，温度、电流)下针对每一个二极管52、53获知，并且存储在该系统中。由此出发，滤波器可以横越在这些已知激光波长周围的特定波长范围，并且同时，借助于检测器56，可以测量所接收强度，并由此可以找到用于测量处理的合适调节。具体来说，基准射束在所有情况下可以根据所发射辐射耦合输出，并且该射束的波长可以借助于另一检测器连续测量。接着，滤波器51可以根据相应测量的波长来调节。为此，例如，可以提供分配表，其建立可通过滤波器51提取的波长与出于该目的而要施加至滤波器51的电压之间的关系(或镜部件与折射率之间的距离)。而且，具体来说，连续地，可以确定激光发射器52、53的温度和存在的电流，并且滤波器51可以按相应发射的辐射以合适方式滤波的这种方式而借助于所存储分配功能或表来改变。
[0073]图11示出了根据本发明的、更具体地说，包括三个激光源52、53、58以及两个检测器56、59的用于距离测量和自动化方向测量(ATR)的测量装置的光学构造50的另一实施方式，其中，检测器59可以被设计为PSD、C⑶或CMOS，并且可以被用于自动化目标跟踪。通过激光器52、53、58发射的辐射按照波长不同，并且按如下的这种方式来引导，即，将公共射束路径54用于辐射，并且激光射束在所有情况下在对象55处反射。相应地，可调谐干扰滤波器51、57依次设置在两个检测器56、59的上游侧，以便滤波出入射分布环境光，并且防止其碰撞在检测器56、59上。由于激光二极管52、53、58的漂移行为，因而，分别要滤波的波长可以通过调谐滤波器的镜表面之间的距离来调节。该调节例如可以针对根据图％的要通过滤波器提取的两个波长或者单独基于根据图9a的波长漂移来实现。
[0074]图12示出了根据本发明的、用于建筑机械控制的可调节干扰滤波器的应用。在这种情况下，激光发射器61定位在陆地上，而用于接收由发射器61发射的辐射的接收器62设置在建筑机械63上。接收器62具有可调谐干扰滤波器。由此，通过示例的方式，接收器62可以通过连续调节干扰光谱，具体来说，按温度支配方式来改变以适应所发射辐射的漂移，从而可以可靠地保持远离环境辐射。
[0075]很明显，这些例示图仅示意性地例示了可能示例性实施方式。根据本发明，不同的方法同样可以彼此组合，与用于距离测量的方法和装置组合，并且与根据现有技术的测量装置组合。
【权利要求】
1.一种用于确定多个点的坐标，更具体地说用于距离测量的光学测量系统，更具体地说，大地测量装置、坐标测量机或扫描装置，该光学测量系统包括: ?辐射源(52、53、58)，该辐射源用于发射具有发射波长(λ 1、λ 2、λ 4、λ LD、ALDUALD2)的电磁辐射，和 ?接收单元，该接收单元具有: □滤波器单元(51、57)，该滤波器单元用于根据干涉原理来提取限定波长范围(22)中的电磁辐射，和 □检测器(56、59)，该检测器按能够借助于所述滤波器单元(51、57)提取的所述辐射能通过所述检测器(56、59 )检测的这种方式来设置， 其特征在于， 所述滤波器单元(51、57 )包括: ?至少两个镜部件(31a、31b)，所述至少两个镜部件是至少部分反射的并且按多层方式构造，其中，所述镜部件(31a、31b)彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件(31a、31b)在每一种情况下围绕腔(40)，并且相对于彼此按特定距离(32)设置，其中，根据所述腔(40)的折射率并且根据所述镜部件(31a、31b)之间的所述距离(32)限定光学厚度，和 ?光学厚度改变装置，该光学厚度改变装置用于改变所述光学厚度，从而改变所述滤波器单元(51、57)的可提取波长范围(22)，更具体地说，其中所述光学厚度改变装置具有用于改变(32)所述镜部件(3la 、3Ib)的位置的致动装置，和/或用于改变所述腔(40)的所述折射率的折射率调节装置，更具体地说，其中，所述光学厚度在操作期间是连续可变的。
2.根据权利要求1所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述测量系统包括调节单元，其中，所述调节单元按所述光学厚度可变的这种方式，具体来说，自动地与所述光学厚度改变装置相互作用，以使发射的所述辐射的所述发射波长(λ 1、λ 2、λ 4、ALD, ALDU λ LD2)位于所述可提取波长范围(22)内。
3.根据权利要求2所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述调节单元与所述光学厚度改变装置和所述检测器(56、59)相互作用，使得所述光学厚度能根据所述检测器(56、59 )的检测而调节。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学厚度能借助于所述光学厚度改变装置来调节，使得由所述检测器(56、59)检测到的测量值超出限定阈值，更具体地说，达到最大值。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述可提取波长范围(22)根据表示提取最大值的中心波长(λ 3)和根据提取级波长分布限定的、在所述中心波长(λ 3)周围的公差范围来限定。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述滤波器单元(51、57)被设计成透射的或反射的，更具体地说，其中，所述滤波器单元(51、57)被设计使得实现所述可提取波长范围(22)内的电磁辐射的反射或透射。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 针对提取的所述辐射的提取波长能根据能够借助于所述光学厚度改变装置执行的所述光学厚度的改变，更具体地说，借助于通过所述检测器(56、59)的测量来导出。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 通过所述辐射源(52、53、58)发射的所述电磁辐射的一部分能够由射束耦合输出部件耦合输出作为基准射束，并且基准波长能通过传感器测量，并且所述光学厚度能根据测量的所述基准波长来调节，使得所述基准波长位于提取的所述波长范围(22)中。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述检测器(56、59)被设计为光电二极管、CMOS或PSD区域传感器， 并且/或者，所述测量系统包括具有另一发射波长的至少一个另一辐射源。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学厚度能借助于施 加至所述光学厚度改变装置的电控制信号，优选为电压来调节，其中，所述光学厚度能根据施加的控制信号值来调节。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述腔(40)具有光学可变介质，该光学可变介质具有材料折射率，更具体地说，其中，所述介质通过电活性聚合物来实现，并且所述材料折射率能借助于所述电子控制信号，更具体地说，通过施加电压而按限定方式来改变，从而改变所述光学厚度。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述系统包括数据库，在该数据库中，存储了具有所述镜部件(31a、31b)之间的距离(32)和相应波长范围(22)的分配表，更具体地说，其中，存储了取决于所述腔(40)的折射率的所述相应波长范围(22)，更具体地说，其中，所述镜部件(31a、31b)之间的所述距离(32)和/或所述腔(40)的所述折射率能根据要借助于所述分配表来提取的限定波长(22)来调节。
13.根据权利要求12所述的光学测量系统， 其特征在于， 在所述数据库中，存储了针对所述辐射源(52、53、58)的用于确定所述发射波长(λ 1、入2、λ4、ALD, ALDU λ LD2)的参数化，并且所述镜部件(31a、31b)之间的所述距离(32)和/或所述腔(40)的所述折射率能根据所述参数化的参数来调节，更具体地说，参数化表示所述发射波长(λ 1、λ 2、λ 4、ALD, ALDU ALD2)与所述辐射源(52、53、58)的电流和/或温度的相关性。
14.在用于确定多个点的坐标，更具体地说用于距离测量的光学测量系统，更具体地说，大地测量装置、坐标测量机或扫描装置中使用滤波器单元(51、57)，以根据干涉原理来提取限定波长范围(22)中的电磁辐射，该滤波器单元 ?包括至少两个镜部件(31a、31b)，所述至少两个镜部件是至少部分反射的并且按多层方式构造，其中，所述镜部件(31a、31b)彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件(31a、31b)在每一种情况下围绕腔(40)，并且相对于彼此按特定距离(32)设置，其中，根据所述腔(40)的折射率并且根据所述镜部件(31a、31b)之间的所述距离(32)限定光学厚度，并且?包括光学厚度改变装置，该光学厚度改变装置用于改变所述光学厚度，以改变所述滤波器单元(51、57)的可提取波长范围(22)，更具体地说，其中所述光学厚度改变装置具有用于改变(32)所述镜部件(3la、3Ib)的位置的致动装置，和/或用于改变所述腔(40)的所述折射率的折射率调节装置，更具体地说，其中，所述光学厚度在操作期间是连续可变的。
15.一种用于更具体地说借助于大地测量装置、坐标测量机或扫描装置来确定多个点的坐标，更具体地说用于距离测量的测量方法，该测量方法包括以下步骤: ?发射具有发射波长(λ?、λ 2> λ 4> λ LD> λ LD1> λ LD2)的电磁福射， ?根据干涉原理来提取限定波长范围(22)中的电磁辐射，以及 ?检测提取的所述辐射， 其特征在于， 提取所述电磁辐射借助于滤波器单元(51、57 )来实现，其中， ?所述滤波器单元(51、57)包括至少两个镜部件(3la、31b)，所述至少两个镜部件至少可部分反射并且按多层 方式构造，其中，所述镜部件(31a、31b)彼此大致平行取向，并且两个相邻镜部件(31a、31b)在每一种情况下围绕腔(40)，并且相对于彼此按特定距离(32)设置，其中，根据所述腔(40)的折射率并且根据所述镜部件(31a、31b)之间的所述距离(32)限定光学厚度，并且 ?所述光学厚度被改变，结果致使，所述滤波器单元(51、57)的可提取波长范围(22)被改变，使得所述发射波长位于所述可提取波长范围(22)内，更具体地说，其中，改变所述镜部件(31a、31b)的位置和/或改变所述折射率被实现，更具体地说被连续实现。
【文档编号】G02B5/28GK103717996SQ201280037200
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年7月26日
【发明者】J·辛德林, 克努特·西尔克斯 申请人:赫克斯冈技术中心