用于借助光学测量射线来测量在测量装置和目标对象之间的距离的测量装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于光学测量至目标对象（15）的距离的测量装置（10），尤其是手持式测量设备。本发明涉及这种测量装置（10），具有：用于将光学测量射线（13）发送到目标对象（15）上的发送装置（12），带有用于探测由目标对象（15）返回的光学测量射线（16）的探测面（110）的接收装置（14），其中所述探测面（110）具有大量像素（111）,其中每个像素（111）具有至少一个光敏感元件（101）；以及具有：带有用于探测在装置内部的参考射线的探测面的参考装置。根据本发明建议，所述参考装置的探测面（117）具有大量像素（127）,其中每个像素（127）具有至少一个光敏感元件（107）。
【专利说明】用于借助光学测量射线来测量在测量装置和目标对象之间的距离的测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于借助光学测量射线测量在测量装置和目标对象之间的距离的测
量装置。
【背景技术】
[0002]已知如下的光学距离测量设备，其将在时间上调制的光束对准要求得其至测量设备的距离的目标对象。由被定向的目标对象反射或散射返回的光至少部分地由该设备探测并且用于求得要测量的距离。在此，典型的测量范围处于几个厘米至几百米距离范围中。
[0003]为了能够利用光束测量至目标对象的距离，在时间上例如在该光束的强度上调制该光束。例如可以发送光脉冲并且测量从发送光脉冲到探测到之间的传播时间并且由此计算至目标对象的距离。但是为此必须发送非常短的光脉冲并且使用非常快速的探测电子装置以便能够获得足够精确的测量结果。代替地，时间上周期地在其强度上调制光束并且使用在发送的和探测的光信号之间的相移，以便确定传播时间并且由此确定至目标对象的距离。激光距离测量的原理一般以例如具有激光束强度的连续调制的术语“飞行时间范围”而已知。
[0004]由DE 198 04 050 Al已知了距离测量设备，该距离测量设备带有激光二极管和用于产生或接收光学发送测量信号或接收测量信号的光电二极管。为了对距离测量设备执行校准，该距离测量设备设置有可调整的反射性盖，所述反射性盖在校准时由调节驱动装置调整到发送测量信号的光学路径中，由此将发送测量信号偏转并且经由参考段直接对准光
电二极管。
[0005]由DE 10 2006 013 290 Al已知了一种用于光学距离测量的装置，其中接收单元的探测器具有多个相互分离的光敏感面，这些光敏感面可被相互分离地激活。在此每个光敏感面都具有光电二极管一例如PIN 二极管或APD (雪崩光电二极管)一或者CCD芯片作为光敏感元件。这些光敏感元件求得对应于接收光强度的模拟探测信号。光敏感面可以被选择性地激活并且通过这种方式组合成总光探测面，总探测面可以尽可能好地适配被光源照明的探测器面子区域，以便通过这种方式改善信噪比。
【发明内容】
[0006]可能存在对于一种用于光学距离测量的测量装置的需求，该测量装置尤其是与先前描述的传统距离测量设备相比允许对测量装置的改善的校准，以便由此补偿传播时间误差和传播时间漂移。
[0007]此外，可能存在对一种距离测量装置的需求，该距离测量装置尤其是与先前描述的传统距离测量设备相比允许实现用于测量在装置内部的用于校准测量装置的参考段的尽可能紧凑的参考单元。
[0008]本发明的用于光学距离测量的测量装置具有用于将光学测量射线发送到目标对象上的发送装置、带有用于探测由目标对象返回的光学测量射线的探测面的接收装置，其中所述探测面具有大量像素，其中每个像素具有至少一个光敏感元件。此外，本发明的用于光学距离测量的测量装置具有带有用于探测在装置内部的参考射线的探测面的参考装置。按照本发明，参考装置的探测面由大量像素构成，其中每个像素具有至少一个光敏感元件。
[0009]当像素仅仅具有一个唯一的探测器或光敏感元件时，像素的术语在本申请的范畴中对于“探测器”、“探测元件”或“光敏感元件”本身被同义地使用。如果多个探测器或光敏感元件一起被分析，则这些多个探测器或光敏感元件同样构成本申请意义上的像素。在本申请中不时使用的表述“其中每个像素具有至少一个光敏感元件”就理解为这个。
[0010]在有利的实施方式中，这种光敏感元件通过SPAD (单光子雪崩二极管)来构成。
[0011]SPAD是根据所投射的光强度提供数字探测信号的光敏感元件。在此，每个像素可以直接或者例如中间连接多路复用器地与分析装置连接，其中该多路复用器被设计用于将多个像素的探测信号选择性地进行转发。通过这种方式例如可以实现，单个像素或像素组的探测信号可以与其他像素的探测信号无关地由分析装置分析。
[0012]SPAD可以具有如下特性:其不像传统的模拟地工作的光敏感元件一样提供与投射的射线线性相关的探测信号，而是以每个投射的光子产生单个信号。SPAD在光子投射之后在一定静止时间(Totzeit)(所述静止时间可以处于例如Ins至IOOns的范围内)内不可重新被激活。也称为瘫痪的响应特性。SPAD可以对投射的光子计数的计数速率因此向上通过静止时间来限制。因此，可能有利的是，在一个像素内代替一个唯一的大面积SPAD设置多个较小的SPAD并且例如借助组合器将包含在单个像素中的SPAD的探测信号组合。这里，该组合器例如可以以或门或者以总线的形式被构造。通过这种方式，可以提高由该像素最大能够实现的光子计数速率，或者换句话说，缩短在单个探测事件之间的像素静止时间。此外，可以在SPAD和组合器或总线之间布置脉冲缩短器，以便在时间上缩短由SPAD生成的数字信号并且由此实现缩短的总静止时间和提高的系统光子计数速率。
[0013]包含在像素中的SPAD数量或者SPAD面积可以根据在接收装置的探测面内的像素的位置而被可变地选择。例如可以已知的是，由目标对象返回的测量射线可以根据该目标对象至另一位置的测量装置的距离和/或以另外的横截面投射到接收装置的探测面上。在一个像素内的SPAD的数量和面积于是可以取决于位置地适配于要期望投射的光强度。通过在一个像素内SPAD的数量和/或面积的适配，可以优化测量装置的动态范围。通过将像素面积适配于激光斑点大小可以优化信噪比。
[0014]但是代替地，光敏感元件也可以由经调制的(XD、CM0S像素或者APD或PIN 二极管来构成。
[0015]发送装置可以是例如LED形式、激光器或激光二极管形式的光源，所述光源将光在时间上调制地向目标对象发送。时间上的调制这里可以连续和/或周期地、例如正弦状地进行。也可以例如非周期性地例如以所谓的伪随机噪声脉冲序列的形式发送脉冲队列。
[0016]发送装置和接收装置优选被设计并且相互协调为，使得由目标对象返回的光学测量射线在正常测量条件、也即例如在几个厘米至几百米的测量距离情况下同时照明多个像素或探测器。但是，多个像素同时被照明的事实这里不应当如在传统3D相机中那样被用于探测目标对象的成像或者在至目标对象表面上单个子区域的距离方面的空间分辨率，而应该如下面还要更详细描述的那样尤其能够实现在探测灵敏度和/或调整容差方面的优点。在此基于对多个像素、尤其是多个同时被照明的像素的探测信号的分析来求得在测量装置和目标对象之间的距离。
[0017]发送装置为此可以发送测量射束，其横截面足够大，使得由目标对象返回的测量射束分量始终照明多个像素。为了对由目标对象返回的测量射线聚束并且将其引导到探测面上，以便由此负责实现足够强的探测信号，可以在从发送装置到接收装置的光学路径中设置例如一个或多个透镜形式的简单光学系统。该简单光学系统可以节省成本并且减少花费地被构造为非自动聚焦的光学系统(固定焦点“Fix-Fokus”)。因为仅当目标对象处于相应于焦距和成像面的、至测量装置的对象距离中时，这种具有固定焦距的非自动聚焦的光学系统才可以优化地、也即以最小斑点直径地将由目标对象返回的测量射束聚焦到接收装置的探测面上，因此被由目标对象返回的测量射线同时照明的像素的数量根据在目标对象和测量对象之间的距离而变化。例如对用于从带有大对象距离的远离的目标对象接收测量射线的光学接收系统的优化可能意味着:将焦距和成像距离选择为使得针对大的对象距离实现几何成像条件。因此，可以在大距离的情况下实现在成像面中的最小的斑点直径(“成像是清晰的”)。通过焦距和成像面的确定，在目标对象在附近的情况下被照明的像素的数量可以明显大于在目标对象远离的情况下被照明的像素的数量。在目标对象在附近的情况下，返回的测量射线可以不再被清晰地成像，使得探测面的被照明区域可以对应地变大。
[0018]参考单元也具有用于探测装置内部的参考射线的探测面，其中所述参考装置的探测面由大量像素组成，其中每个像素具有至少一个光敏感元件。代替参考探测器，按照本发明使用多个参考探测器。
[0019]以有利的方式，向接收装置的探测面的每个像素分配该参考装置的探测面的一个像素。对于目标接收装置的每个探测器，选择合适的参考探测器，该参考探测器例如具有类似的传播时间误差、例如关于温度的传播时间漂移。
[0020]接收装置的探测面的像素有利地构成接收阵列，参考装置的探测面的像素构成参考阵列。
[0021]在特别有利的实施中，接收阵列和参考阵列被相同地构造，使得使用两个相同的阵列。在此阵列的概念是指在探测面上像素或探测器元件的几何布置。在该实施方式中，在其位置中对应的、接收阵列和参考阵列的阵列元件被分配给彼此。
[0022]探测器阵列的单个像素(探测器)可以根据其在阵列中的位置而具有不同的导线长度并且因此具有不同的电容，直至该像素的信号可以离开阵列并且被分析。由于例如温度的外部影响或在运行中的自发热，器件的边缘陡度可能变化。因此典型地处于几个IOps/V范围中的、边缘陡度的小变化已经可能弓I起在mm范围中的距离误差。
[0023]本发明通过如下方式解决了在目标探测器和参考探测器之间的传播时间问题，即对于每个目标探测器采用具有类似传播时间漂移的参考探测器。目标探测器至一般的参考探测器的传播时间误差由此减少到在目标探测器和所属的参考探测器之间的传播时间漂移差。
[0024]代替例如可以存放在查找表中的统计传播时间偏移，借助本发明的解决方案也减少了传播时间漂移(例如关于温度)。
[0025]这尤其是也通过系统的对称结构来实现。
[0026]但是代替地，也可以使用接收阵列和参考阵列的不相同的阵列布置。[0027]当两个尤其是相同的阵列在一个芯片上实施(其中一个用于目标测量并且一个用于参考测量)时，得到特别有利并且紧凑的构型。
[0028]接收单元和/或参考单元的探测面的每个像素可以直接或者例如在中间连接被设计来选择性转发多个像素的探测信号的多路复用器的情况下与分析装置连接。通过这种方式，例如可以实现单个像素或者像素组的探测信号可以与其他像素的探测信号无关地被分析装置分析。
[0029]因为单个像素的探测信号可以彼此无关地被分析，因此接收装置和分析装置可以被设计为，基于仅仅分析将由发送装置照明的目标对象面的光所反向辐射到其上的像素的探测信号来求得在测量装置和目标对象之间的距离。换句话说，分析装置例如可以在事先测量中首先求得，探测面的哪些像素实际上接收到发送装置的测量射线并且哪些像素仅仅探测到背景射线，并且可以接着仅仅将由测量射线所照明的像素的探测信号用于实际上的距离确定。由此，可以明显提高信噪比。
[0030]为了能够求得在测量装置和目标对象之间的距离，分析装置可以具有多个距离确定装置(部分地也作为“装箱方案”而已知)。距离确定装置可以被设计用于求得与要确定的在测量装置和目标对象之间的距离相关并且因而可由此最终求得所希望的距离的数据。例如可以求得测量射线在发送装置的发送至在探测面上的由目标对象返回的测量射线的探测之间的飞行持续时间并且可由此确定所希望的距离。距离确定装置为此可以将由发送装置提供的关于发送的测量射线的时间调制的信息与由接收装置提供的探测信号比较。在发送的测量射线被周期调制的情况下，例如可以由在发送信号和探测信号之间的相位差来求得对应的距离。
[0031]原则上一个唯一的距离确定装置对于求得在测量装置和目标对象之间的距离是足够的。为了将距离确定装置的数量保持得小，可能有利的是:将单个像素或像素组的探测信号例如借助多路复用器相继导向距离确定装置。基于探测信号的这种顺序的处理，可出现总测量持续时间的延长。代替地，可以给每个像素分配一个自己的距离确定装置。在该情况下，可以尽可能时间上彼此并行地由大量像素的探测信号的每个分别确定一个距离，并且可以最终例如通过取平均从该大量确定的距离中求得在该装置和目标对象之间的最后要确定的距离。然而，可能为此必要的是，在测量装置中设置非常大量的距离确定装置，这可能复杂地形成测量装置的结构和制造。
[0032]可以说作为在这两个极端代替方案之间的中间路径，可以将多个像素与一个距离确定装置连接并且将该距离确定装置设计用于基于该多个像素的探测信号来确定与距离相关的数据。这里所建议的分析装置因而具有多个距离确定装置并且可以被设计用于例如通过取平均值基于由距离确定装置确定的与距离相关的数据来确定测量装置和目标对象之间的距离。
[0033]通过使用多个距离确定装置可以减少为找到接收测量射线的像素所需的时间，因为通过有意选择的选择算法可以并行地分析可变的像素组合。
[0034]在一个像素中包含的光敏感元件的数量或单个光敏感元件的面积可以根据该像素在接收装置和/或参考装置的探测器面内部的位置而被可变地选择。例如可以已知的是，由目标对象返回的测量射线可以根据该目标对象至另一位置的测量装置的距离和/或以另外的横截面投射到接收装置的探测面上。在一个像素内的光敏感元件的数量或面积相应地可以取决于位置地适配于要期望投射的光强度。通过在一个像素内光敏感元件的数量和/或面积的适配，可以优化测量装置的动态范围。通过将像素面积适配于激光斑点大小可以优化信噪比。
[0035]当例如在发送装置和接收装置之间的光路中布置了被设计用于远距离目标对象成像或者优化聚焦的非自动聚焦的光学系统时，针对远距离的目标对象可以以小的斑点或光斑直径来聚焦返回的测量射线。在探测面的这种区域内，可能有利的是，每个像素仅仅包含一个唯一的光敏感元件或仅仅少量的光敏感元件。当利用这种固定焦点测量装置瞄准近距离的目标对象时，返回的测量射线在探测面上不能被聚焦为小的斑点，而是可能散焦地投射到探测器面的较大的子面上。总之，在这种情况中于是比在远距离的目标对象情况下照明更多的像素。因此，可能有利的是，在探测面的被照明的子区域的边缘区域中分别将多个光敏感元件组合成单个像素(或者“子阵列”或“簇”)。
[0036]发送装置和接收装置例如可以沿着视差轴线并排布置。这种所谓的双轴测量系统可以具有优点:不需要用于选择返回的测量射束的费事的射线分离。由发送装置发射的并且由目标对象返回的测量射束在该情况下可以根据目标对象的距离在沿着视差轴线的其它位置上投射到探测面上并且具有不同的横截面。在该情况下，可能有利的是，在一个像素中包含的光敏感元件的数量根据像素沿着视差轴线的位置而变化。可能特别有利的是，在一个像素中包含的光敏感元件的数量在靠近发送装置的像素中选择得比在远离发送装置的像素中小。
[0037]代替地，发送装置和接收装置可以彼此同轴地被布置。在这种单轴测量装置中，例如可以借助半透明的反射镜来实现:探测面的由返回的射线照明的区域的中心与目标对象的距离无关地最大程度上保持位置恒定。但是，在探测面上被照明的区域的横截面此外可以与目标对象的距离相关。在目标对象距离远和存在带有远焦距的光学系统的情况下，可出现小的被照明的斑点，在近距离的目标对象的情况下，出现较大的被照明的斑点。可能有利的是，在一个像素中包含的光敏感元件的数量在靠近探测面中心的像素中选择得比在远离探测面中心的像素中小。
[0038]先前参照本发明的各个实施方式描述了本发明的可能的方面、优点和扩展方案。说明书、附图以及权利要求包括组合形式的大量特征。技术人员也将会单个地考虑这些特征、尤其是也考虑各种实施例的特征以及将其组合成有意义的其它组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]下面参照附图描述本发明的实施方式和其中包含的子方面。这些图仅仅是示意性的并且不是合乎比例尺的。在这些图中相同或类似的参考标号表示相同或类似的元件。
[0040]图1示出了按照本发明实施方式的用于光学测距的测量装置。
[0041]图2示出了用于按照本发明实施方式的测量装置的、两个与组合器连接的光敏感元件的示意性电路图。
[0042]图3示出了用于按照本发明实施方式的测量装置的接收装置的探测面的俯视图。
[0043]图4示出了用于按照本发明实施方式的测量装置的接收装置的可代替探测面的俯视图。
[0044]图5示出了与距离确定装置连接的单个光敏感元件。[0045]图6示出了经由多路复用器与距离确定装置连接的两个光敏感元件。
[0046]图7示出了各带有9个光敏感元件的两个像素，这些像素经由组合器和多路复用器与距离确定装置连接。
[0047]图8示出了带有像素的接收装置的探测面，其中在像素中包含的光敏感元件的数量取决于位置地变化并且这些像素经由组合器和多路复用器与多个距离确定装置连接。
[0048]图9示出了本发明的带有相同的参考探测器阵列的目标探测器阵列，目标探测器阵列和参考探测器阵列各由9个分别带有一个光敏感元件的像素构成。
[0049]图10示出了可代替的、本发明的带有相同的参考探测器阵列的目标探测器阵列，目标探测器阵列和参考探测器阵列各由3个分别带有多个光敏感元件的像素构成。
[0050]图11示出了另外的、本发明的带有不同的参考探测器阵列的目标探测器阵列，目标探测器阵列和参考探测器阵列由9或3个分别带有一个光敏感元件的像素构成。
【具体实施方式】
[0051]在图1中示意性示出了带有最重要的组件的、用于光学距离测量的本发明测量装置10以描述其功能。
[0052]测量装置10具有壳体11，在该壳体中布置有用于发送光学测量射线13的发送装置12和用于探测由目标对象15返回的测量射线16的接收装置14。
[0053]发送装置12包含在所示实施例中通过半导体激光二极管18来实现的光源。激光二极管18发送对于人眼可见的光束22形式的激光束20。激光二极管18为此经由控制设备24来运行，该控制设备通过对应的电子装置产生激光二极管18的电输入信号19的时间调制。通过二极管电流的这种调制可以实现，被用于距离测量的光学测量射线13同样以所希望的方式在其强度上被时间调制。
[0054]激光射束20接着经过物镜28形式的准直光学装置26，所述物镜28在图1中简化地作为单个透镜形式被示出。物镜28在该实施例中可选地处于调节组装件32上，该调节组装件例如为了调整目的原则上能够实现在所有的三个空间方向上对物镜位置的改变。然而，代替地准直光学装置26也可以已经是激光二极管18的组成部分或者固定地与其连接。
[0055]在经过物镜28之后得到近似平行光束37形式的、例如幅度调制的测量射线13的信号，所述光束沿着发送单元12的光轴38传播。
[0056]在发送装置12中此外还可以有优选可见的射束偏转装置40，其允许将测量射线13完全或部分地在绕过目标对象15的情况下直接地、也即在设备内部偏转到测量装置54上。通过这种方式，可以产生设备内部的参考段42，所述参考段允许测量装置的校准或补偿。测量信号在该情况下用作参考射线。
[0057]如果利用测量装置10来执行距离测量，测量射线13则通过在测量装置10的端壁45中的光学窗44离开测量装置的壳体11。光学窗44的开口例如可以通过遮光器46来保证。于是为了实际测量，将测量装置10对准目标对象15，该目标对象至测量装置10的距离48应当被求得。在所希望的目标对象15上反射或者散射的信号16构成返回的射束49或50形式的返回光学测量射线16，返回的射束49或50 —部分又返回到达测量装置10中。
[0058]通过在测量装置10的端侧45上的进入窗47将返回的测量射线16耦合到测量装置10中并且然后如图1所示投射到接收光学系统52中。[0059]为了阐明，在图1中示例地绘入了针对两个不同的目标对象距离48的两个返回的测量射束49或50。对于其中可以将“大”解释为相对于接收光学系统52的焦距而言的大的大对象距离，由目的对象15返回的光学测量射线16近似平行于接收装置14的光轴51地进入。在图1的实施例中，这种情况通过测量射束49来代表。随着对象距离变小，进入测量装置中的返回的测量射线16由于视差而越来越多地相对接收装置14的光轴51倾斜。作为在测量装置的附近范围中的这种返回的测量射束的例子，在图1中绘入了射束50。
[0060]在图1中同样仅仅示意性通过单个透镜表示的接收光学系统52将返回的测量射线16的射束聚焦在设置在测量装置54中的接收探测器的探测面66上。该探测器为了探测光学测量射线具有大量像素。每个像素具有至少一个光敏感元件。通过设置在探测面66上的光敏感元件(这些光敏感元件单个地或组合成组地矩阵状布置在像素中并且与分析装置36连接)，所进入的返回的测量射线16被转化为电信号55并且输送给分析装置36中的另外的分析部件。
[0061]此外，测量装置54也是参考单元137的组成部分。为此，测量单元54也具有用于探测参考信号的探测面117，该参考信号可以经由设备内部的参考段42被引导到测量装置54上以及参考探测器的探测面117上。为了探测经由参考路径42发送的光学测量射线，参考单元的探测器具有大量像素127。每个像素127具有至少一个光敏感元件107。(对此尤其参见图8至10)。通过设置在探测面127中的光敏感元件107 (这些光敏感元件单个地或组合成组地矩阵状布置在像素127中并且与分析装置36连接)，所进入的参考射线被转化为电信号并且输送给分析装置36中的另外的分析部件。
[0062]由单个光敏感元件或光敏感元件的组合生成的探测信号可以被输送给包含在分析装置36中的距离确定装置。
[0063]距离确定装置可以将这些探测信号相加并且从中产生信号，该信号对应于在相应光敏感元件上投射的光信号的取决于时间的强度或者说光强度。通过将该信号与激励信号(所述激励信号说明由发送装置发射的光子速率的时间变化曲线)相关联，可以推断出从发送装置到目标对象并且又返回接收装置的光子飞行时间。如果发送装置例如以正弦的周期的方式调制发送的光，则可以从发送的和探测的测量射线之间的相位差来求得飞行时间。
[0064]图2示出了两个光敏感元件101、101’，它们的探测信号分别被转发给或门103。该或门103用作组合器104，其方式是其既接收第一光敏感元件101的探测信号也接收第二光敏感元件101’的探测信号并且在输出端105上输出这些输入信号的组合信号。参考探测器的光敏感元件也类似地构建。针对接收单元后面描述的作用方式和用于测量距离测量值的结构类似地也适于测量装置的参考单元。
[0065]接着，首先借助接收单元详细描述测量方法，以便由此说明本发明参考单元和其与接收单元共同作用的结构和作用方式。
[0066]图3示意性示出了用于视差未校正的激光距离测量装置的接收单元的探测面110。这里，其直径根据在测量装置和目标对象之间的距离L变化的圆形激光斑点109或激光斑点在探测面110上被绘出。这里，对于针对大距离而优化调整的情况，假定是带有焦距f = 30mm,直径d = 4mm和视差为5mm的理想透镜。激光射线这里假定具有Imrad的发散。在探测面110的该构型情况下有利的是，像素111的大小或者在相应像素111内的光敏感元件101的数量沿着视差轴线113增加。探测面110是测量装置54的组成部分。这里，视差轴线被假定为在探测面平面和由接收光学系统的光轴和距离测量装置的激光射束轴所撑开的平面之间的相交直线。可以看出，当激光射束由远距离的目标对象返回辐射时，在其中出现激光斑点109的第一区域114中设置有分别包含了仅仅一个唯一的光敏感元件的小像素。当目标对象大约距离0.5m至Im远时，在其中出现激光斑点109’的区域115中设置有分别具有四个光敏感元件的较大像素。针对非常近的目标对象的情况在其中出现激光斑点109’ ’的另一区域116中设置有带有8或者16个光敏感元件的非常大的像素。接收光学系统这里被优化为使得，在最大目标对象距离的情况下实现尽可能好的成像质量，也即在探测面上的尽可能小的激光斑点直径。
[0067]在大距离的情况下，激光斑点109由于清晰的成像而按比例地小。同时，由返回的测量射线和背景射线组合的投射光强度由于远距离的目标对象的测量射线的部分小而按比例地小。在近距离的目标对象的情况下，总体上更多的测量射线由目标对象反射或散射回到探测面110。同时，测量射线通过固定焦点接收光学系统不再被清晰地成像在探测面110 上。
[0068]总之，由对于带有容易发散的激光束和针对接收的激光射线部分的固定焦点接收光学系统的激光测距仪的几何考虑，在探测器平面中得到大距离情况下关于距离二次下降的光强度以及小距离情况下关于距离恒定的光强度。相反，背景射线的强度分量在第一近似中与距离无关。
[0069]利用在探测器面110中包含的像素101的大小的如图3中所示的取决于位置的构型，一方面能够实现:在目标对象大距离的情况下以及在目标对象小距离的情况下，激光斑点109分别投射到多个像素111上并且由该多个像素来分析。有效探测面的大小在此可以优化地适配于激光斑点的大小并且由此优化信噪比。另一方面，也可以利用这种取决于位置的构型来优化地充分利用光敏感元件的动态范围，因为投射的光(激光分量和背景分量)的光强度在大距离的情况下小于在小距离的情况。因此在仅仅在小距离情况下被加载了接收测量射线的探测面中，可以减少单个光敏感元件的面积。在其中接收测量射线的强度近似保持不变的探测器区域中，单个像素111中包含的光敏感元件101的数量在光敏感元件面积保持不变的情况下被增大。
[0070]图4示出了用于同轴激光测距仪或者视差校正的激光测距仪的探测面110’的实施方式。这种校正可以借助近区域元件或者可代替的已知方法来实现。在这种情况下，成像误差基本上由接收光学系统的有限景深支配，使得相同大小像素的同心布置是有利的。由远距离的目标对象返回的激光束被良好地聚焦并且在探测面110’的中心122的附近产生相对小的激光斑点109，也即在接收光学系统的光轴穿过探测面平面的穿透点附近。由位于近处的目标对象返回的激光束产生带有明显较大直径的激光斑点109’’。像素111在中心122附近具有比在远离探测面110’的中心122 (也即探测面的边缘处)上更小的面积和更小数量的包含其中的光敏感元件101。
[0071]在图5至7中，作为框图示出了为了使用来实现按照本发明实施方式的接收装置的各个元件。类似的构型也适于参考装置的各个元件。
[0072]图5示出了带有单个光敏感元件101的像素111。该像素与距离确定装置130连接。
[0073]图6示出了两个分别带有一个光敏感元件101、101’的像素111、111’。像素111、111’与多路复用器140连接，该多路复用器140将由像素111、111’提供的探测信号选择性地转发给距离确定装置130。
[0074]在图7中示出了两个分别带有9个光敏感元件101、101’的像素111、111’。单个光敏感元件101、101’的探测信号必要时在通过附加的延迟元件150、150’引起的时间延迟之后分别转发给组合器160、160’。所述延迟可以用于补偿传播时间差并且由此用于一个像素或不同像素的光敏感元件的时间同步。在这些组合器160、160’中将探测信号相互组合。组合的探测信号由组合器160、160’转发给多路复用器140并且从那里继续转发给距离确定装置130。
[0075]图8示出了在将这种元件用于N = 92个像素111的情况下视差被校正的距离测量装置的特定实施方式。这里，48个像素仅仅具有一个单个的光敏感元件，24个像素分别具有2X2布置的四个光敏感元件并且20个像素分别具有3X3布置的9个光敏感元件。带有多于一个光敏感元件101的每个像素111恰好与一个组合器160、160’连接。相应地有44个组合器160。带有仅仅一个光敏感元件或者组合器160的像素111的输出端与K个多路复用器140的输入端连接。多路复用器140的输出端又与M - 2个距离确定装置130连接。这里不必要有M=K,也不必要有M=N。示例性地示出针对不同大小和光敏感元件数量的三个像素111的连接。在图11中阴影示出的面说明有效的探测器面170，它包含了实际上被激光斑点109的激光照明并且可以用于执行至目标对象的距离测量的那些像素111。
[0076]图9示意性示出了接收单元和参考单元的共同作用。接收单元如上面描述地一样拥有带有大量像素111的探测面110。在图9的实施例中，每个像素111恰好具有一个光敏感元件101。像素111在该实施例中以3x3矩阵的形式布置(mxn = 3x3)，这里第一值表示相应的行，第二值标识该阵列或矩阵的所属的列。在该实施例中，探测面的左上角(这里如在图9中所示地定向)中的像素1.1被用于距离测量。将用于校准的参考测量值分配给利用该像素求得的距离测量值。在图9的实施例中，这是同样作为3x3矩阵实施的参考探测器布置(lxk=3x3)的光敏感元件1.3。
[0077]图9因此示出了带有目标探测器阵列和同样的参考探测器阵列的系统。对于每个目标探测器(光敏感元件)，选择对应的参考探测器(光敏感元件)。尤其是选择阵列中在其特性和几何布置方面对应于相应的目标测量像素的那个参考像素。通过这种方式能够实现，补偿传播时间误差或传播时间漂移的基础问题，其中尤其是也能够在探测器布置内部考虑传播时间误差。
[0078]—般地适用:探测器阵列的单个像素或者光敏感元件可以根据其在阵列中的位置而具有不同的导线长度并且因此具有不同的电容，直至该像素的信号可以离开阵列并且被分析。由于例如温度 的外部影响或为此所使用的芯片(IC)在运行中的自发热，在芯片上的器件的边缘陡度可能变化。由此典型地处于几个lOps/V范围中的、边缘陡度的小变化已经可能引起在mm范围中的距离误差。
[0079]本发明通过如下方式解决了在目标探测器和参考探测器之间的传播时间问题，即对于每个目标探测器(光敏感元件)采用具有相同或者至少类似传播时间漂移的参考探测器(光敏感元件)。目标探测器至参考探测器的传播时间误差由此减少到在目标探测器和所属的参考探测器之间的传播时间漂移差。代替例如可以存放在查找表中的统计传播时间偏移，借助本发明的解决方案也减少了传播时间漂移(例如关于温度)。[0080]这尤其是通过如在图9中所示的、系统的对称结构来实现。“系统的对称结构”这里应当尤其是理解为，接收装置的探测面(110)的光敏感元件(101)构成接收阵列并且参考装置的探测面(117)的光敏感元件(107)构成参考阵列，其中相应的阵列矩阵地被构建并且两个矩阵具有相同的阶数，也即两个都是m X η矩阵。
[0081]这是接收阵列和参考阵列相同地构造的说法的意思。
[0082]图9的实施方式相应地示出了带有3x3光敏感元件矩阵形式的目标探测器阵列和3x3光敏感元件矩阵形式的相同的参考探测器阵列的系统。针对每个目标探测器(=光敏感元件)，这里选择了对应的参考探测器。这里，有利地将接收单元14的探测面110和参考单元的探测面117实施在共同的芯片上。这些布置的光敏感元件这里尤其是可以有利地构造为SPAD (单光子雪崩二极管)。
[0083]SPAD可以具有如下特性:其不像传统的模拟地工作的光敏感元件一样提供与投射的射线线性相关的探测信号，而是以每个投射的光子产生单个信号。SPAD在光子投射之后在一定的静止时间(所述静止时间可以处于例如Ins至IOOns的范围内)内不可重新被激活。也称为瘫痪的响应特性。SPAD可以对投射的光子计数的计数速率因此向上通过静止时间来限制。因此，可能是有利的是，在一个像素内代替一个唯一的大面积SPAD而设置多个较小的SPAD并且例如借助组合器将包含在单个像素中的SPAD的探测信号组合。这里，该组合器例如可以以或门或者以总线的形式被构造。通过这种方式，可以提高由该像素最大能够实现的光子计数速率，或者换句话说，缩短在单个探测事件之间的像素静止时间。此夕卜，可以在SPAD和组合器或总线之间布置脉冲缩短器，以便时间上缩短由SPAD生成的数字信号并且由此实现缩短的总静止时间和提高的系统光子计数速率。
[0084]包含在像素中的SPAD数量或者SPAD面积可以根据该像素在接收装置的探测面内的位置可变地选择。例如可以已知的是，由目标对象返回的测量射线可以根据该目标对象至在另一位置上的测量装置的距离和/或以另外的横截面投射到接收装置的探测面上。在一个像素内的SPAD的数量或面积相应地可以取决于位置地适配于要期望投射的光强度。通过在一个像素内SPAD的数量和/或SPAD的面积的适配，可以优化测量装置的动态范围。通过将像素面积适配于激光斑点大小可以优化信噪比。
[0085]在图10的实施例中在接收单元14的探测面110上和参考单元的探测面117上分别构造了三个像素。第一像素包括4个以2x2矩阵形式的光敏感元件，此外，还有带有三个光敏感元件的像素和带有两个光敏感元件的像素。在参考单元的侧上类似布置的2x2像素对应于在目标测量侧上组合连接的2x2像素。组合连接在该上下文中意味着:进行多个目标探测器(光敏感元件)的并行测量，如其在上面在接收单元的描述中详细记载的。在图10的实施例中，这里也在参考探测器阵列上选择对应像素，以便最小化对应的漂移。
[0086]使用用于接收单元和参考单元的两个相同的、对称构建的探测器阵列是优选的解决方案，以便对每个目标探测器选择出具有“相同”特性的参考探测器。
[0087]然而其他布置当然同样是可能的。
[0088]图11示例性示出了可代替的、带有不对称阵列的本发明实施形式。在目标探测器侧(接收单元)上又有9个光敏感元件的3x3矩阵，如其结合图9所描述的。然而，在参考侧上，与图9的实施例不同，使用带有1x3矩阵形式的仅仅3个光敏感元件的减少的参考探测器阵列。因此为了例如节省芯片面积，仅仅一个单个的参考探测器元件(=光敏感元件)被分配给目标探测器侧(接收单元)矩阵的每个列。也即，参考探测器阵列的仅仅一行与目标探测器阵列相同地被构建。
[0089]本发明不局限于在实施例中所示的光敏感元件在接收或参考侧上的布置。
[0090]代替的，例如也可能的是，仿制带有集中元件的参考阵列。例如，参考探测器可以可开关地与电阻性或电容性元件连接，以便因此仿制相应的参考探测器的导线长度和负荷。
[0091]最后，还应当换句话总结本发明实施方式的优点和方面:
本发明的实施方式基于如下核心思想:有利地设计像素中的、其信号在被输送给带有多个距离确定装置的时间分析单元用来分析之前被组合的各个光敏感元件的布置类型。其信号借助组合器被组合的一定数量的光敏感元件在此构成一个像素。在此本发明的测量装置具有带有用于探测由目标对象返回的光学测量射线的探测面的接收装置，其中所述探测面具有大量像素，其中每个像素具有至少一个光敏感元件。此外，本发明的测量装置也具有带有用于探测在装置内部的参考射线的探测面的参考装置，其中参考装置的探测面也具有大量像素，其中每个像素具有至少一个光敏感元件。
[0092]各个像素可以彼此无关地运行。尤其是，可以实施连续波的相位分析或者代替地针对每个单个像素进行脉冲的飞行时间分析。
[0093]将多个光敏感元件组合成像素可以在空间上构造为，使得信噪比在大距离和小距离情况下尤其在强背景照明下都可以利用少的距离确定装置被优化。这可以通过对像素的大小或要组合成像素的光敏感元件的数量关于探测面的取决于位置的适配来实现。
[0094]探测面可以被如下地选择大小，使得可减少对接收光学系统的调整的要求。此外，光学成像误差的影响、尤其是由于景深过小通过散焦引起的误差的影响被最小化。由此可以减少对接收光学系统的光学质量的要求。
[0095]通过参考单元像素至接收单元像素的直接分配可以最小化传播时间误差和尤其是传播时间漂移并且提高测量精度。
[0096]另外的优点可以在于，在高背景光分量的情况下尤其是在大的测量距离时对信噪比的优化。这可以通过如下方式来实现:将在所有距离情况下有效的探测面最优地适配于在探测平面中实际上成像的激光测量斑点的大小，也即可以将有效的探测面最小化。在最后的测量之后，可以有目的地仅仅分析实际上接收了激光射线的那些单个光敏感元件或者带有多个光敏感元件的像素的信号。由此可以减小有效探测面并且将背景光的噪声贡献最小化，这可以等效于改善信噪比。
[0097]另外的优点可在于，由于在一个像素内部的多个光敏感元件的结合需要比现有的光敏感元件少的距离确定装置。这可以减少集成电路的所需芯片面积。尤其是在通常以固定的焦距工作的激光测距仪中，该优点是重要的，因为激光斑点直径于是可以根据目标对象的距离来变化。图6针对视差误差没有校正的系统示出了这个。为了如前所述地通过最小化有效探测面来优化信噪比，在较大的激光斑点直径的情况下，也即通常在目标对象距离较小的情况下相应地也可以仅仅需要探测器的较低分辨率。该情况可以通过将光敏感元件取决于位置地组合成像素来被充分利用。
[0098]因为有效探测面、也即在测量分析中要考虑的面通常小于整个探测面，因此所需要的距离确定装置的数量可以进一步被减少，其方式是除了光敏感元件的组合以外还应用多路复用。借助暂时的测量，可以在该情况下首先识别接收激光射线的像素并且接着针对实际上的测量将其分配到距离确定装置上。如果N是带有一个或多个光敏感元件的像素总数，M是可用于进行分析的距离确定装置的数量，那么为了识别必须进行最多N/M (四舍五入)个暂时的测量。因此，测量任务可以用少量的、在理想情况下用一次唯一的测量来完成。
[0099]另外的优点可能在于，单个像素可以彼此无关地被校准，例如在相位偏移方面。
【权利要求】
1.用于光学距离测量的测量装置(10)，尤其是用于距离测量的手持式测量设备，具有:用于将光学测量射线(13)发送到目标对象(15)上的发送装置(12)，带有用于探测由目标对象(15)返回的光学测量射线(16)的探测面(110)的接收装置(14)，其中所述探测面(110)具有大量像素(111)，其中每个像素(111)具有至少一个光敏感元件(101);以及具有:带有用于探测在装置内部的参考射线的探测面(117)的参考装置(137)，其特征在于，所述参考装置(137)的探测面(117)具有大量像素(127)，其中每个像素(127)具有至少一个光敏感元件(107)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述参考装置的探测面(117)的像素(127)被分配给接收装置的探测面(110)的像素(111)。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述接收装置的探测面(110)的像素(111)具有与参考装置(137)的探测面(117)的像素(127)相同数量的光敏感元件(101,107)。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，所述参考装置(137)的探测面(117)的光敏感元件(107)被分配给接收装置(14)的探测面(110)的光敏感元件(101)。
5.根据权利要求1至4至少之一所述的测量装置，其特征在于，所述接收装置的探测面(110)的光敏感元件(101)构成接收阵列，参考装置的探测面(117)的光敏感元件(101)构成参考阵列。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述接收阵列被构造为nxm矩阵，参考阵列被构造为Ixk矩阵，其中n、m、1、k是整数。
7.根据权利要求5或6所述的测量装置，其特征在于，所述接收阵列和所述参考阵列被相同地构造。
8.根据前述权利要求之一`所述的测量装置，其特征在于，所述接收单元(14)的探测面(110)和所述参考单元的探测面(117)实施在共同的芯片上。
9.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，设置有带有多个距离确定装置的分析装置(36)。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其中所述分析装置(36)被设计为，使得多个像素的探测信号被导送给多个距离确定装置中至少之一，其中相应的距离确定装置基于所述探测信号求得距离数据。
11.根据权利要求9或10所述的测量装置，其特征在于，所述距离确定装置(130)分别被设计用于:求得测量射线(13，16)在发送装置(12)的发送至由目标对象(15)返回的测量射线(16)的探测之间的飞行持续时间并且从该测量射线的飞行持续时间中确定距离。
12.根据权利要求9至11至少之一所述的测量装置，其特征在于，所述距离确定装置(130)分别被设计用于:求得参考射线(42)在发送装置(12)的发送至借助参考装置(137)的探测之间的飞行持续时间并且从该参考射线的飞行持续时间中确定参考距离。
13.根据权利要求9至12之一所述的测量装置，特征在于，所述分析装置(36)被设计用于:基于由距离确定装置(130)确定的距离确定在测量装置(10)和目标对象(15)之间的距离(48)。
14.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，所述发送装置(12)和接收装置(14)并排地沿着视差轴线(113)布置，并且其中在一个像素(111)中包含的光敏感元件(101)的数量根据沿着视差轴线(113)的位置而变化。
15.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，所述接收装置(14)和所述分析装置(36)被设计用于:单个像素(111)的探测信号能够与其他像素(111)的探测信号无关地由所述分析装置(36)分析。
16.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，接收装置的探测面(110)的光敏感元件(101)和/或参考装.置(137 )的探测面(117)的光敏感元件(107 )由SPAD构成。
【文档编号】G01S7/486GK103443648SQ201280013470
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年1月25日 优先权日:2011年3月17日
【发明者】A.艾泽勒, B.施密特克, R.施尼策尔 申请人:罗伯特·博世有限公司