光电测距装置和测距方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及检测器，该检测器具体为雪崩光电二极管，该检测器用于光电测距仪 器，特别是激光扫描仪、激光跟踪仪、剖面仪（profiler)、LIDAR、经缔仪或全站仪，该检测器 包括用于接收光学福射和生成所得电信号的光敏接收组件。
[0002] 本发明还设及指配光电组装件，该指配光电组装件用于一般类型的光电测距仪 器、用于接收光学福射和生成所得电信号。
[0003] 而且，本发明设及利用根据本发明的检测器和指配光电组装件的光电测距仪器和 测距方法。
【背景技术】
[0004] 对于测量目标点来说，自古就知道多种大地测量方法和大地测量仪器。在运种情 况下，记录从测量仪器至要测量的目标点的距离与角，并且具体来说，检测该测量仪器的位 置与可能存在的参照点，作为空间标准数据。
[0005] 运种测量仪器被用于检测Ξ维物体或表面。在运种情况下，运些仪器典型地利用 激光脉冲渐进扫描Ξ维结构，举例来说，如建筑工地的结构，并接着，根据收回的反射脉冲 计算描述该物体表面的对应Ξ维模型。
[0006] 运种测量仪器或大地测量仪器的一种通常已知的示例是经缔仪、速测仪 (tachymeter)或全站仪，其还被指定为电子速测仪或计算机速测仪。根据现有技术的运样 一种大地测量装置例如在公报文献EP1686350中进行了描述。运种仪器具有基于电传感 器的角，并且具有准许针对选定目标确定方向和距离的距离测量功能。在运种情况下，角和 距离变量按该仪器的内部参照系来查明，并且在合适时，还必须与外部参照系组合，W进行 绝对位置确定。
[0007] 用于光学扫描环境的、被具体实施为激光扫描仪的装置通常包括安装在基部上的 测量头，所述测量头可绕基部旋转轴相对于所述基部旋转。在该测量头中，一侧上容纳有激 光源和用于接收反射激光脉冲的光传感器，并且还容纳有发送和接收光学单元，和准许福 射从外壳出现或进入外壳的出口。在测量头的另一侧上，与出口相对地，该测量头具有用于 偏转发送光束和接收光束的旋转镜，所述旋转镜可绕垂直于基部轴的旋转轴旋转。两个旋 转轴的交点通常对应于发送光束在旋转镜上的碰撞点，其中，该旋转镜通常按针对旋转轴 W45°的角倾斜的方式设置。通过绕基部旋转轴旋转测量头并且绕旋转轴旋转旋转镜，可 W执行Ξ维扫描。
[0008] 在不同的形貌中，代替旋转镜地，旋转整个光学发送和接收模块。运种排布结构的 一个示例是扫描经缔仪。
[0009] 现今的测距装置（其在诸如经缔仪、扫描仪、LIDAR系统（"光探测和测距")、剖面 仪、激光跟踪仪的产品方面使用，要不就在汽车方面使用）具有处理高信号动态范围的问 题。
[0010] 而且，在一些运些产品中，传感器射束借助于偏转单元（具体为扫描仪）而W高 速枢转。为了从目标物体向后反射的接收射束碰撞接收器，后者必须设计有较大的视野 (FOV)。然而，具有大视野的接收器具有在日光或环境光下发射射线的缺点，其缩减了范围 并且在测距装置中产生距离噪声。
[0011] 用于大地测量或工业测量仪器的测距传感器几乎排它地配备有雪崩光电二极管 (APD)，作为具有微微秒范围的时间分辨率的检测器。运些Aro通常具有圆形接收区。还已 知具有覆盖有遮罩的、由多个开孔构成的接收区的APD。
[0012] 根据现有技术的所有运种雪崩光电二极管具有位于遮罩下的通常灵敏的光敏区。 当光入射时只产生单一光电流。
[001引还已知APD阵列。运种阵列具有类矩阵排布结构的传感器部件，其例如被用于针 对成像物体展示的高灵敏测量。在运种情况下，传感器部件之间的不敏感距离通常非常大。 运种阵列通常具有小填充系数（<50% )的缺点，并且像素的数量和对应信号随着面积的平 方而增加，其使信号处理非常复杂和昂贵。在常规APD中，注意确保部件之间的串扰尽可能 低（通常巧％)。对于本发明的情况来说，运种需求与所致力于解决的问题的解决方案无 关。
[0014] 常规测距装置必须处理高信号动态范围。在运种情况下，利用单一区域雪崩光电 二极管，达到与可通过ATO本身处理的电流强度有关的限制，并且接收电子装置有时还过 载（超饱和）。在某些装置中，自适应所发射的发送功率；在其它装置中，设置接收器的增 益；还在其它装置中，使用多通道接收器。
[0015] 在例如具体实施为激光器、L邸等的发送源下游连接的光纤放大器特定适于在大 范围上设置发送功率。然而，运种光放大器不可微秒间隔设置。然而，现今的扫描仪按 每秒钟至少一百万个点的点速率来测量。相比之下，具有可纳秒速度设置的可变光学 衰减器（V〇A:va;ri油leopticalattenuator);与典型测距仪器的其它定制组件相比，运种 组件因此需要强力的驱动并且昂贵。
[0016] 而且，对于根据现有技术的已知检测器排布结构的情况来说，通常发生遮蔽附近 范围（例如，巧m)的接收光，主要是在接收器-端固定-焦点排布结构的情况下。所述遮 蔽具有运样的影响，即，在从Om至特定限制距离的非常近的距离范围中，ATO根本检测不到 信号。因此，哪些目标实际上可测量的距离范围或它们的距离可确定因而被缩减。
【发明内容】
[0017] 本发明的第一目的是，提供一种测距装置，该测距装置包括检测器，具体来说，雪 崩光电二极管，其针对信号动态范围、信噪比W及/或附近范围可接收性加W改进，用于接 收光学福射和生成所得的电信号。
[0018] 本发明的具体目的是，使得能够缩减要确保的所需信号动态范围，并由此，缩减该 装置的复杂性和成本，并且与该装置的低复杂性相关联地，还使得能够进行精确距离确定， 并且对于距离较短的目标，而且在较大距离范围的目标来说，使得能够进行精确距离确定。
[0019] 本发明的另一具体目的是，作为遮蔽接收射束的结果，针对可W预先接收弱甚或 不足测量光的非常短距离，提升信号强度。
[0020] 本发明的另一些具体目的是，促进运样一种解决方案，即，其针对如果在测量时钟 周期内，多个光脉冲正在发送器与接收器之间行进，则在距离测量中出现的无岐义性问题， 并且抑制有关不正确目标的距离测量，该不正确目标具体在利用基于空气的LIDAR系统的 距离测量方面的问题中起部分作用。
[0021] 运些目的通过实现独立权利要求书的特征化特征来实现。可W根据相关专利权利 要求书，来收集按另选或有利方式开发本发明的特征。
[0022] 本发明的第一主旨是，提供一种检测器，该检测器来自测距仪器，特别是激光扫描 仪、激光跟踪仪、剖面仪、LIDAR、经缔仪或全站仪，该检测器具体为PIN二极管或雪崩光电 二极管，其包括光敏接收组件，用于接收光学福射，并且生成所得的电信号，其准许具体在 微微秒或亚微微秒范围下的时间间隔确定。
[0023] 根据本发明，所述检测器或接收组件具有至少两个相互独立接收段（ATO段或PIN二极管段），其被指配给要测量的预定或可预定（具体来说，不同）的距离范围。
[0024] 所述两个相互独立接收段被设置用于相互独立生成各自的所得电信号，并且在接 收平面中具体实施并设置，W使它们被指配给要测量的预定或可预定的（具体来说，不同） 的距离范围。
[00巧]而且，在所述接收电路的背景下，还将具体具有不同增益系数的至少两个独立放 大器设置用于所述至少两个接收段。
[00%] 结果，在根据现有技术的未分段检测器的情况下，可W通过单独可用的接收段实 现的所需可检测的信号动态范围，可W被有利地缩减至更小的必需信号动态范围，其可W 被根据本发明的多个相互独立接收段覆盖。由此缩减由信号处理电子装置做出的所得需求 和所述装置的成本两者。
[0027] 具体来说，所述相互独立接收段不交叠，并且在各个情况下彼此隔开。
[0028] 运帮助按取决于要针对目标物体确定的距离的方式来区分信号。
[0029] 根据一个实施方式，所述相互独立接收段按径向分布方式，特别是按同屯、圆方式 来设置。
[0030] 根据本发明的检测器的几何结构的运种构造，对应于从要测量的物体返回的接收 光束的碰撞点或碰撞地点（接收光束）的尺寸分布和/或空间分布。
[0031] 根据一个【具体实施方式】，首先将多个区段居中设置，而将另一些区段在外周并且 彼此相对地轴向对称设置。对于同轴构造的发送和接收通道的构造的情况来说，运些区段 的运种对称几何定位是有利的。对于测距仪器中的发送和接收光束的双轴布置的情况来 说，发送与接收光束的光学轴之间的偏移在光束碰撞检测器时是希望的。对于运种布置的 情况来说，根据由测距仪器做出的需求，接收组件的轴向对称和不对称区段布置两者是一 种解决方案。
[0032] 根据一个实施方式，相邻接收段之间的距离相同或彼此不同，特别有利于借助于 不同接收段来确定不同距离范围。
[0033] 根据一个【具体实施方式】，就它们的用于接收确定距目标物体的短距离所用的大面 积接收光斑的量度而言，薄的专用（具体为外周）接收段是适合的。
[0034] 由此改进对附近范围中的物体的指配测距信号的信噪比（SNR)，具体地因为从所 指配的ATO段横靠遮蔽区地定位起，而可W避免遮蔽中央接收光区。
[0035] 本发明的另一方面设及运样的事实，即，将具体针对不同接收段相应分离的专用 信号处理路径指配给每一个接收段。
[0036] 按照根据本发明的包括接收电路的光电接收组装件的一个实施方式，相互不同的 信号处理路径可分离地电子地驱动和/或读取，具体来说，其中，可按彼此可区分的方式从 所指配的不同信号路径，读取来自不同接收段的信号。该信号路径可W通过在ATO段直接 切换高电压或者，通过借助于诸如晶体管的外部组件切换来控制。
[0037] 具体来说，来自所指配的信号路径中的不同接收段的信号的增益被选择成不同 的，特别是彼此可分离地调节。运使其可W的是，例如，具有较高增益系数的放大器可W被 设置用于第一接收段，其被指配给较远距离的上限距离范围，而具有较低增益系数的放大 器可W被设置用于第二接收段，其被指配给较近距离的下限距离范围（结果是，即使在高 幅度接收信号来自短距离的情况下，在此也可W避免超载）。
[0038] 因此，有利的是，首先，所提出的后两个实施方式使得能够针对由关联接收段所提 供的信号幅度，来自适应信号路径中的要处理的信号。具体来说，还根据信号增益的单个可 设置性来促进信噪比的最优化。其次，经由所指配的相互不同信号路径的不同接收段的信 号的分离可读取性，帮助向目标物体指配潜在关联距离范围，其对于针对在距离确定期间 潜在出现岐义性问题（例如，"空中双脉冲"问题）的解决方案的情况来说是有用的。