从文件EP 0 468 302 A2已知了一种测距仪。该测距仪是干涉式工作仪器，其中，球透镜作为谐振器(球内的多次反射或驻波)起作用。如果那里所使用的球透镜是(在主要波长范围内)高度透射性的，则该测距仪可能无法良好工作，即可能无法形成足够清晰的干涉图案(那里所描述的仪器需要干涉图案来工作)。
在此背景下，本发明提供一种根据主权利要求所述的改进的光束成形单元。由从属权利要求和以下说明中得出有利的构型。
提出了一种用于使光束成形的光束成形单元。该光束成形单元具有至少一个用于使该光束成形的球透镜，其中，该球透镜允许入射到该球透镜上的大部分光透过，并且其中，该光束成形单元具有至少一个具有正有效焦距的光学单元，该光学单元与该球透镜一起安排在光路中。
光束成形单元可以被理解为用于使光束偏转或折射的装置。球透镜可以被理解为基本呈球形的透镜。球透镜可以被设计成用于将光束从物平面成像到像平面上。例如，该球透镜可以由玻璃或透明塑料制造。尤其，该球透镜比如可以由具有高折射系数的蓝宝石材料制造。球透镜例如可以是用于光纤耦合的批量产品，就像该批量产品例如用于连接光波导的透镜插接件(Linsenstecker)。球透镜例如可以是该光束成形单元的激光二极管准直镜的一部分。球透镜应允许入射到该球透镜上的大部分(即至少一半)光透过，即，对于这部分光而言是透明的或透射性的。该球透镜优选对于入射到球透镜上的至少四分之三的光而言是透明的，具体地说，该球透镜应该对于入射到该球透镜上至少百分之八十的光而言或还更有利地对于入射到该球透镜上至少百分之九十的光而言是透明的或允许透过的。该光学单元可以是具有正有效焦距的单元。例如，该光学单元可以被设计成用于准直光束和/或该光学单元例如可以是透镜、透镜系统或反光镜。透镜的设计被设计成(层设计)透过在物理上尽量最多的光(极限是菲涅尔损失)。
在此描述的方案基于以下认识：通过在光束成形单元中使用用于使光束成形的球形光学元件，光束成形单元的结构长度可以被最小化。另一个优点在于可以容易地改变结构长度和焦距并且在于简化了调节。由于可以省去昂贵的透镜连同对应昂贵的夹座(Fassung)和安装并且可以采用简单的夹座技术(比如棱边夹装)，因此还可以明显地降低光束成形单元的制造成本。
根据一个实施例，该光束成形单元包括至少一个用于产生光束的光源。球透镜可以被设计成用于将由光源产生的光束成像到光学元件上。光源例如可以被理解为发光二极管或激光二极管。在此，球透镜可以安排在光学单元与光源之间的光束光路内。例如，在球透镜与光源之间的距离或者还有在球透镜与光学单元之间的距离可以是可改变的。通过这种实施方式，例如可以在装入测距装置中的光束成形单元中改变组件的合成焦距，由此实现发射通道或接收通道的散度的改变。测距装置的性能(例如作用距离)可以因此得以改善。该球透镜将源(激光二极管或APD，......)成像到中间像平面中，该中间像平面形成光学元件的焦平面。在此，改善的作用距离除了其他因素外还基本上取决于激光束的散度，该散度受距离变化的影响。
在此，该光学单元可以被设计为聚光透镜、反光镜和/或透镜系统。尤其，该光学单元例如可以被设计为平凸聚光透镜。这样的光学单元可以特别成本有效地被提供。平凸透镜通常是昂贵的非球面透镜。但是，根据一个用于在此使用的特别实施方式，该平凸透镜是纯压制的并且由此是成本有效的。
根据另一个实施方式，该光源可以被设计成用于发出激光束作为该光束。尤其，该光源可以被设计为激光二极管。根据实施方式的不同，该光束成形单元可以具有激光二极管。在此，可以采用单叠层、叠层的单条、或纳米叠层激光二极管。
根据另一个实施方式，该光源可以发出在波长范围λ_B内的光束，并且该球透镜可以允许入射到该球透镜上的在该波长范围λ_B内、优选只在该波长范围λ_B内的大部分光透过。
根据另一个实施方式，该球透镜和/或该光学单元可以被实施成在z方向上可移动。例如，该球透镜可以被保持在第一夹座中。例如，该光学单元可以被保持在第二夹座中。由球透镜和第一夹座构成的组件以及由光学单元和第二夹座构成的组件可以被实施成可移动的。利用这种实施方式，可以调节在该光学单元之后的光束的散度。
根据另一个实施方式，该光源可以被实施成在z方向上可移动。利用这样的实施方式，可以在具有像散性的辐射特性的光源中产生预先限定的光束截面。
该光束成形单元还可以具有用于检测入射光束的检测装置。附加地或替代性地，该光束成形单元可以具有至少一个另外的球透镜。在此，该另外的球透镜可以被设计成用于将入射光束偏转至该检测装置。入射光束就此而言例如可以是从光源发出的光束，该光束通过在远处物体上的反射而偏转返回至该光束成形单元。检测装置可以被理解为光敏结构元件，比如以相机、光电二极管或CCD行的形式。例如，光源、球透镜、和具有正EFL(有效焦距，effective focal length)的光学系统可以表示光束成形单元的发射通道，而检测装置、和另外的球透镜、以及具有正EFL的光学系统可以表示光束成形单元的接收通道。根据实施方式的不同，发射通道和接收通道可以是在空间上分开的通道或者是同一通道。在后者的情况下，球透镜可以用于不仅将入射光束偏转至检测装置，也在相反方向上将由光源产生的光束偏转至光学元件。通过这种实施方式，在将光束成形单元安装在测距装置中时，允许借助例如渡越时间测量或相位测量来实现测距。
根据另一个实施方式，该光束成形单元可以具有至少一个用于将入射光束偏转至该另外的球透镜的光学附加单元。光学附加单元可以例如是透镜、透镜系统或反光镜。该光学附加单元可以被设计成用于将入射光束聚焦到球透镜的物平面或像平面上。通过这种实施方式，入射光束可以有针对性地成像到该另外的球透镜的物平面或像平面上。
在此提出的方案的下述实施方式是特别有利的，其中，测距装置或激光照明装置(例如激光指示器，其用于支持由作报告人成像到幕布上的展示或目标指定器)设置有根据一个在此提出的变型所述的光束成形单元。例如，该测距装置或激光照明装置可以包含半导体激光发射器，或该测距装置可以包含半导体激光接收器。
以下借助附图示例性地详细描述本发明。在附图中：
图1示出根据一个实施例的测距装置的示意图；并且
图2示出根据一个实施例的光束成形单元的示意图；并且
图3示出根据另一个实施例的光束成形单元的示意图；并且
图4示出本发明光源的辐射特性的示意图；并且
图5示出根据另一个实施例的光束成形单元的示意图。
在以下对本发明的优选实施例的描述中，相同或相似的附图标记被用于在不同的附图中展示的和类似地起作用的元件，其中，省略了对这些元件的重复描述。
图1示出根据一个实施例的具有光束成形单元的测距装置100的示意图。测距装置100包括球透镜102，该球透镜被设计成用于使由光源104发出的光束106(在此是激光束)成形。光束106在图1中以箭头示意性地示出。实际上，光束106是由多个子光束构成的光束。
根据此实施例，球透镜102安排在光源104与光学单元108(如聚光透镜)之间。在此，球透镜102以合适的方式将光束106成像在光学单元108的物平面或像平面上。光学单元108被设计成用于将由球透镜102成像的光束106准直化。
根据实施例的不同，球透镜102所具有的直径在0.5mm与8mm之间。
光源104、球透镜102和光学单元108形成测距装置100的发射通道110。除了发射通道110外，测距装置100根据图1所示的实施例还具有接收通道112，该接收通道包括一个另外的球透镜114和检测装置116。另外的球透镜114和另外的光学单元122被设计成用于将反射到发射通道110中的光束118(在此同样以箭头表示)聚焦到用于检测入射光束118的检测装置116。作为检测结果，检测装置116输出检测器信号120。
另外，在此处所述的实施例中，在另外的球透镜114的上游连接有例如呈另外的聚光透镜形式的光学附加单元122。光学附加单元122被设计成用于以适当方式将入射光束118偏转至球透镜114的物平面或像平面。
如图1中可看出的，发射通道110和接收通道112彼此相邻地安排。此外，两个通道110、112在此基本上相互平行地延伸。由此，测距装置100的结构形式可以保持得尽量紧凑。
根据一个实施例，光源104和检测装置116分别与装置124相连。装置124包括用于读取检测器信号120的读取单元126。读取单元126将检测器信号120转送至测定单元128，该测定单元用于在使用检测器信号120的情况下测定代表距离的测量值130。
根据此实施例，装置124包括用于借助对应控制信号134来控制光源104的可选的控制单元132。例如，控制单元132还将控制信号134转送至测定单元128，其中，测定单元128被设计成还用于在使用控制信号134的情况下测定测量值130。
图2示出在根据一个实施例所述的光束成形单元(比如之前借助图1所述的测距装置100)中的光路的示意图。光束成形单元具有球透镜102和光学单元108，该光学单元在此被设计为非球面平凸透镜。不同于图1，光束106在此被展示为具有孔径光束200和场光束210的光束。在物平面220内的物体y通过球透镜102被成像到球透镜102的像平面240上，其中，在球透镜102的像平面240内得到像高y'。在此，场光束210具有在发射器与接收器之间的散度θ。场光束在物体(即在此是激光二极管)的边缘点处开始且在准直后形成具有所述散度的边缘光束。
概括地讲，要注意的是，根据在此提出的方案，第一光学系统被设计为透明的高透射性的球透镜。通过调节物间距(即，源的物平面至球透镜的主平面)，根据以下还将进一步描述的成像等式得出特定的像距(球透镜的主平面-源的像平面)并且由此得出限定的且在大的界限内可变化的成像比例。这意味着，发射源或接收面的像尺寸可以被减小或增大。在第二光学系统(在此是非球面的单独透镜)具有相同焦距(EFL)的情况下，由此得到激光束或接收光束的不同散度。
θ光束＝y'/f2'＝第一光学系统的像尺寸/第二光学系统的EFL；
其中，图2中的焦距f2'对应于透镜108的主平面与平面240之间的距离。
因此，当成像比例
β'＝y'/y＝由第一光学系统成像之后的像尺寸/源的物体尺寸
小于1时，产生缩小的源实像，且在焦距f2'相等的情况下产生较小的合成散度。
如果整个光束成形单元(TOTR)的结构长度短，则第一系统应具有极短的焦距。
对此，理想地适用的是球透镜，该球透镜按照标准具有0.5mm至8mm的直径。在此，尤其0.5mm至2mm的直径是有意义的(在蓝宝石材料中，焦距为0.3mm至1.2mm)。
基于非常短的物截距(第一光学系统的物平面-主平面)和激光源的小的出射孔径，球透镜上的光学有效面积被限制于近轴区域。仅由此球透镜的成像误差保持得很小。保留的成像误差(尤其是开口误差)被第二光学系统的非球面形状所修正，该第二光学系统正如在实施例中所描述的。
图3示出在根据一个实施例所述的光束成形单元(比如之前借助图1所述的测距装置100)中的光路的示意图。光束成形单元具有球透镜102和光学单元108，该光学单元在此被设计为非球面平凸透镜。
一般而言，在测距装置中应实现来自光源104的限定的出射面AF的激光束的尽可能小的散度，即，必须通过球透镜102在该组件的中间像平面ZBE球透镜中产生出射面的缩小的“像”。在此实施例中，球透镜102被保持在可在z方向上移动的夹座102a内。如果沿z方向移动该组件，即如果改变距离ZLD，则出射面AF至球透镜102的主平面HH'球透镜的距离改变。在此，中间像ZBE球透镜的位置根据已知关系z'LD＝f'2球透镜/zLD(近轴成像等式)也改变。安装在另一个夹座108a内的且被设计为准直镜形式的光学单元108同样可以在z方向上移动并且如此移动，使得准直镜108的焦平面F准直镜再次与球透镜102的中间像平面ZBE球透镜重合。借此保证了对来自出射面AF的光束的极好准直。根据下列公式产生了与中间像成比例的激光散度：
tanθ＝yLD/f'准直镜。
如果例如假设出射面AF以1:1成像至ZBE球透镜并且选择直径为1mm的球透镜102，则得出：球透镜102在z方向上移动1mm，激光输出散度减半。
图5示出在根据一个实施例所述的光束成形单元(比如之前借助图1所述的测距装置100)中的光路的示意图。光束成形单元具有球透镜102和光学单元108，该光学单元在此被设计为非球面平凸透镜。
所述另一个实施例应示出：可以如何通过所述组件来改变在远场中的激光束的子午线伸展与弧矢伸展的关系。
半导体激光二极管因其结构在慢轴方向(SA)上具有80μm至约200μm的激光出口并且在快轴方向(FA)上具有1μm至约10μm的激光出口。被用在激光测量技术中的半导体激光二极管具备强烈像散性的出射特性。典型的出射角在此在SA上为6°至15°并且在FA上为20°至25°。图4定性地示出了这种出射特性。在图中能清楚看到：关系S0/M0,…S4/M4如何与z位置(Z0,……Z4)相关地不断变化。
在激光测距装置或激光照明装置中使用这样的半导体激光二极管时，追求产生尽可能呈正方形的光束截面(Z1)、但至少预先限定的光束截面(Z2,…Z4)。
图5示出了用于产生预先限定的光束截面的组件。该光学组件(例如测距装置)与图1所示的基本组价完全相同。但在根据图5的实施例中，被设计为光源104的激光二极管被安排成在z方向上可移动，其中，球透镜102相对于准直镜108的位置不可改变，且球透镜的中间像平面ZBE球透镜与准直镜108的焦平面F准直镜重合。
由于激光二极管104在z方向上的移动，来自图4的激光孔径(S1-M1……S4-M4)的另外的光束截面始终到达球透镜102的物平面OE球透镜中。在球透镜的像平面ZBE球透镜内产生在子午线方向与弧矢方向上成比例的中间像。这些中间像由准直镜108成像(准直化)到远场中。因此，依赖于z位置(图4中的Z1…Z4)产生具有不同的子午线与弧矢伸展关系的激光束截面。如果例如激光二极管104移动至使得z位置Z1在图4中被定位在球透镜102的物平面中，则在远场内产生正方形光束截面。
仅示例性地选择所描述的并且在附图中示出的实施例。不同的实施例可以完全或关于单独的特征彼此组合。一个实施例也可以用一个另外的实施例的特征进行补充。
如果一个实施例在第一特征与第二特征之间包括“和/或”的连词，则应理解为，该实施例根据一个实施方式具有第一特征和第二特征并且根据一个另外的实施方式仅具有第一特征或仅具有第二特征。