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专利名称：具有防晃抖功能的光学测距仪的制作方法
具有防晃抖功能的光学测距仪发明的领域本发明涉及一种用于借助于光学的射束来测量在测量装置和目标物之间的距离的测量装置。这样的测量装置也被称为光学测距仪，并且能以独立的、例如手持的仪器的形式设置或者集成地设置在其它装置、例如一种工具中。发明的背景公开了这样的光学测距仪，它对准目标物发出按时间调制的光射束，应测量该目标物距所述测量仪的距离。由被测定的目标物反射回去的或者反散射回去的光至少部分地被测量仪检测，并被用于求出待测距离。例如通过分析在所发出的按时间调制的光射束和所检测到的反回的光线之间的相位移，可以推断出光在发射和检测之间的渡越时间，进而推断出在测距仪和目标物之间的距离。这样的光学测距原理一般被称为例如利用激光射线强度的连续调制或脉冲调制的 “飞行时间测距(Time of flight ranging)”。在此情况下,典型的测量范围在几厘米至几百米的距离。光学测距仪常在建筑工地被用于距离测量。此时，它有利地具有以下特点可以利用简单的手持仪器测量远距离，其做法是，简单地利用由测量仪所发出的光束瞄准其距离要被测量的目标物，返回的光被探测。但是，尤其是用手持测量仪在远距离上瞄准小型目标物可能是困难的。如果例如要测量距10米远但只具有10厘米直径的管子的距离，则这可能在实践中被证明是困难的， 因为手持测量仪的轻微晃动，就是说，测量仪围绕着横向于所发射的光线的传播方向的轴线的倾转可能造成发射的光线未照中所述管子。在所引述的例子中，倾转约1°的角度已足以导致这种结果。因此，通常在这样的情况下大多使用三脚架，但由此可能使测量仪的简单操作变得困难，例如因为所需要的安装/拆卸以及三脚架的设立所需要的设立场地。本发明的公开内容以及可行实施方式因此，可能存在对于测距仪的一种需求，借此可以避免因为测量仪晃抖所造成的失败的或不准确的距离测量的危险，最好没有使得测量仪的操作变得明显困难。这样的要求可以利用根据权利要求I的测量装置来满足。在从属权利要求中给出了该测量装置的其它实施方式。所提出的测量装置的方案可以被视为基于以下的认识和构想一种用于光学的距离测量的测量装置尤其具有用来沿着对准目标物的发射方向发射出光学的测量射束的发射器、用来检测从目标物返回的光学的测量射束的接收器以及用于接收并分析接收器的检测信号以确定在测量装置和目标物之间距离的控制-/分析装置。已经注意到，当要瞄准远距离的小目标物时，尤其是使用手持式光学的测距装置可能出现困难。已发现所述困难的起因是手持式测量装置可能晃动，例如因为持物的手的颤抖动作。为了能检测到这样的晃抖并且能抵消由此造成的测量误差，建议了该测距装置还配备倾转检测装置，该倾转检测装置设计用于测定该测量装置围绕至少一个倾转轴线的
3倾转角度，该倾转轴线可以横向于测量射束的发射方向延伸。正如以下还将详述地叙述的那样，倾转检测装置此时可借助于不同的技术、像例如转速传感器或图像传感器技术装置来实现，并且由倾转检测装置所测定的倾转角度可被用于抵消可能由测量装置的不小心的倾转所造成的测量误差。例如，该测量装置可被设计用于依据由倾转检测装置所测定的倾转角度来调节该发射器。例如，发射器可被设计用于并且如此控制，它可以在不同的方向上发射光学的测量射束，就是说，在测量装置和光学的测量射束发射方向之间的角度可以被有目的地改变。该测量装置此时例如可以借助于整体式的控制器被设计用来如此控制所述发射器，即尽量如此跟踪或者控制所述光学的测量射束的发射方向，从而反作用于所测定的倾转角度。借此可以做到，测量装置的可能有的晃抖没有影响到光学的测量射束的发射方向，从而最初被瞄准的目标物尽管有晃动但还是被保持瞄准。该发射器为此可具有可控制的转向机构，用于使由光源发出的测量射束转向至发射方向。作为光源，在此例如可使用激光二极管，它的光线向着可转动的或者可摆动的偏转反射镜射出，其中通过偏转反射镜的转动或摆动，由测量装置发出的激光射线的方向可被有目的地改变。可替代的是，该转向机构也可通过其它方式被设计用于偏转该光学的测量射束，例如通过布置一个或多个光学元件，其影响着光传播的光学性能可被有目的地改变。 例如这样的布置结构可具有透镜、反射镜、克尔元件(Kerr-Element)、双折射元件、极化滤光镜或者说偏光镜(Polarisationsfilter)等。倾转检测装置还可以被设计用于测定一种倾转角度变化速度或者说倾转角度变化率(VerkippungswinkelSndemngsrate )。该倾转角度变化速度此时可以表明倾转角度
在单位时间内如何变化。换句话说，该倾转角度变化速度表明倾转角度以多快地进行变化。 所测定的倾转角度变化速度此时可被用于还能有目的地影响借助发射器的光学的测量射束的发射。例如可依据所测定的倾转角度变化速度来识别测量装置的倾转是否是由使用者有目的地进行的测量装置运动，例如以便瞄准目标物，或者该倾转是否可能是由不希望有的测量装置颤抖/晃动造成的。测量装置的有目标的对准方向一般比较缓慢地实现，就是说以低的倾转角度变化速度，而与此相反，不希望有的颤抖/晃抖大多以平均保持静止的或缓慢运动的测量装置为中心快速地且以高频率进行，就是说，以高的倾转角度变化速度进行。该测量装置因此可被设计成根据由倾转检测装置测定的倾转角度只在倾转角度变化速度高于一种阈值时才调节发射器，就是说，例如通过改变光学的测量射束的发射方向来抵消倾转角度。此时，阈值例如可以是仪器特定地固定预设的，或者可通过一个设置在测量装置上的输入装置由使用者来调节设定。借其能区分出期望有的测量装置的缓慢运动和不期望有的测量装置晃抖的、用于倾转角度变化速度的典型阈值可以在例如3648角度/ 秒的范围内。在一个实施方式中，测量装置的倾转检测装置可以具有转速传感器。这样的转速传感器可以测量该测量装置倾转的转动速度。通常，为此测量由倾转运动造成的力或者加速度。通过积分可以由此推导出该测量装置已在一段时间内倾转了什么样的角度。 转速传感器可以从现在起成本低廉地以小的结构尺寸来生产。例如，研发出这样的转速传感器，其能够在利用所谓的ESP功能的机动车中尽量减小不可控的侧滑的危险， 其做法是，利用转速传感器来测量车辆围绕着其空心轴的转速并且与理论转速进行比较， 在这里，当有大偏差时，有目的地干预行走机构，以将行驶状态稳定化。现代的ESP系统的转速传感器技术装置在这里是非常精确的，并且允许识别出很小的转动角度。因为成本低且结构尺寸小，所以它也可以适于作为倾转检测装置用在测距装置中。作为替代或者补充，倾转检测装置可以具有图像传感器技术装置，该图像传感器技术装置被设计用于依据在一连串拍摄的图像内的被拍特征的相对位移来确定所述倾转角度。该图像传感器技术装置为此例如可以配备有一种摄像机，例如呈CXD芯片形式， 它允许拍摄两维图像。此时，图像传感器技术装置尤其是可以如此构成，要借助于光学的测量射束被瞄准的区域的图像被拍摄下来。前后连续拍摄多幅图像，并且分析是否例如在图像中产生出能良好识别的对比度的特征已经在一幅图像相对于下幅图像的图像面内发生了移位，由此可以发现该测量装置是否已经暂时倾转。利用关于距由图像传感器技术装置所拍摄的区域的距离的附加信息，可以推断出具体的倾转角度。该图像传感器技术装置还可以被用于对于实际测量状况的图像进行拍摄，并且将其存在集成在测量装置内的存储器里。这样的“光电功能性(Fotoflmktionalitat)”可能是有利的，用于可回溯地或者说和追踪地确证一种测量状况，就是说，例如证明用于某种距离测量的测量装置的周围环境和取向。此时可以想到，在拍摄的图像中适当地突显出对之进行了距离测量的那个点，以便确证和/或证明，例如通过画上小圆圈。所拍摄的图像能够适当地以机读方式存储在存储器中，该存储器例如能以闪存器形式构成。该测量装置还可被设计用于依据至少两次的距离测量和至少一次的在这几次距离测量之间所执行的倾转的倾转角度的测量，来计算辅助信息。例如通过测量第一方向上的第一距离、随后使测量装置倾转、并接着测量第二方向上的距离，可以计算出由两个测量方向所撑开的平行四边形的面积而作为辅助信息。当对于横向于在前两次距离测量的方向的第三距离进行测量时，可以计算出相应的体积。在实践中，例如可能有利的是，借助于测量装置先测量空间的宽度，随后使测量装置倾转90°，并且接着测量该空间的长度，以便能从这两个测量值中算出空间的底面面积。 因为所述倾转角度可借助于倾转检测装置来测定，所以这样的面积计算能以简单方式也针对非垂直的空间几何形状来进行。此外，可以借助于倾转检测装置例如发现何时该测量装置没有以可能期望的 90°的角度进行倾转，而是与之略有不同地例如以89°进行倾转，并且可以实现相应的修正。以上已经参照本发明的一些实施方式描述了本发明的可能有的方案、优点和实施方式。这些描述和相应的附图
以及权利要求包含大量的特征组合。本领域技术人员也将会单独考虑这些特征，尤其是也考虑不同实施例的特征，并且将它们组合成有意义的其它组
合方案。
附图简介以下，将参照附图来描述本发明的实施方式和其中包含的子方案(Teil-aspekte)。这些图仅仅是示意性的，并且没有按照正确的比例。图I示出了根据本发明一种实施方式的用于光学测距的测量装置；图2示出了示范的测量状况；图3示出了利用一种用于光学测距的测量装置来分析倾转，所述测量装置具有根据本发明一种实施方式的转速传感器；图4示出了连串图像，借此能测定根据本发明一种实施方式的光学测距用的测量装置的倾转。实施方式具体说明图I示出了根据本发明的一种实施方式的光学测距用的测量装置I的原理草图， 该测量装置呈激光测距仪的形式。该激光测距仪具有包括呈激光二极管形式的光源5的发射器3，它将测量射束7射向用作转向机构9的可摆动的反射镜11。根据反射镜11的定位， 测量射束7以不同的角度被偏转，并且通过窗13沿着发射方向15、15'离开测量装置1，射向目标物17。在目标物17上，测量射束15、15'被反射或者反散射(riickstreuen)并且作为测量射束19返回到测量装置1，在这里，它可穿过另一个能以透镜形式构成的、用于使得返回的测量射束聚焦的窗21又入射到测量装置I中，并且在那里被用作为接收器23的光电探测器检测。根据某些特征、像例如在发射出的测量射束15的调制振幅和返回的测量射束19的振幅之间的相位移，可以求出测量装置I和目标物17之间的距离。测量装置I还具有一个倾转检测装置25。该倾转检测装置25具有转速传感器 (Drehratensensor) 27,并且补充于此或替代它地具有图像传感器技术装置29。转速传感器27设计用来检测围绕着倾转轴线倾转的倾转角度、并且尤其是倾转角度变化速度或者说倾转角度变化率。在这里，该倾转轴线横向于光学的测量射束15的发射方向设置，就是说，在所示的例子中横向于X方向地进行布置，因而具有I方向的和/或 z方向的运动分量。所述图像传感器技术装置29能以视频传感器的形式构成，并且朝向目标物的方向连续地拍摄周围环境。如图4示意地所示的那样，可以就图像内容的相互位移ds而言分析这些图像，例如通过对于在前后相继的图像之间的物体位置的比较来进行。可以依据该位移求出测量装置I如何倾转或移动，就是说例如晃抖。不仅发射器3、而且接收器23以及还有倾转检测装置25或其转动传感器27和/ 或其图像传感器技术装置29，都与一个中心的控制_/分析装置31相连。该控制-/分析装置31—方面就测量射束15的待调节的发射方向而言如此控制所述发射器3，例如所述同样与控制_/分析装置31相连的反射镜11被致动而进行相应的倾转。另一方面，控制_/分析装置31接收来自接收器23的接收信号，并且例如就与光源5的被控的调制相关的相位移而言分析该接收信号，并且能在显示器33上显示出由此算出的距离值。正如在图2中示意地所示出的那样，所述控制_/分析装置31可以结合由倾转检测装置25测定的、用于实际的倾转角度或实际的倾转角度变化速度的值来如此控制所述发射器3，即测量射束15的发射方向如此被改变，从而补偿该测量装置的例如由携带着所述测量装置的使用者的颤抖所引起的暂时倾转。通过这种方式可以做到，测量射束15与可能有的晃抖无关地总是保持对准同一目标物17并且用其测量射束15来测量该目标物。在所给出的例子中，此时可以通过操作按键35来启动稳定化的测量。与该测量同时地，可以将由图像传感器技术装置29获得的视频图像或者或许是一连串的多幅视频图像被存储在数字存储器37里，以确证(Dokumentation)该测量。该存储器例如能以可更换的SD存储卡的形式构成，在SD存储卡上可以存储按照JPEG格式或MPEG-2格式的视频图像。在图3中举例示出了测量装置I的一种实施方式，它具有转速传感器27、图像传感器技术装置29以及测距单元39，测距单元不仅包括在图I中所示的发射器3，也包括接收器23。上述的组成部件27、29和39与控制-/分析装置31相连。在所示的例子中，使测量装置I围绕沿z方向延伸的倾转轴线41倾转。在带有附图标记43的曲线图中，例如示出了由转速传感器27所测量的与时间t 相关的转速d ω/dt的预期测量值曲线。曲线45不仅包含高频成分，也包含低频成分。高频成分起因于使用者的“颤抖”。低频成分47是因为测量装置I的有目标的缓慢摆动而出现的。借助于例如时间积分49，由转速信号45求出角度信号51。利用例如可以呈凯曼滤波器(Kalman-Filter)形式的数字滤波器52，由角度信号51过滤掉高频成分45，并且将 “无晃抖的”运动信号53作为剩余信号留下。通过从晃抖的信号51中减掉54平缓化的“无晃抖的”运动信号53，可以求出一种偏差信息55。偏差信息55定量地对应于使用者的“颤抖”，就是说，它表明由颤抖引起的测量装置偏离真正额定方向的倾转所造成的瞬时的角度偏差。借助于所述偏差信息55，现在可以反作用于由不希望出现的晃抖的倾转所引起的偏差，做法是，使由发射器3发出的测量射束15如此转向，从而还是保持瞄准所述目标物17。如在图4中示意地所示出的那样，求出所述倾转角度或倾转角度变化速度或者说倾转角度变化率的方法也可以利用由图像传感器技术装置29所测定的连串视频图像 (Videobildsequenzen) 57来执行。在图3中参照带有附图标记59的曲线图示出了相应的分析。在这里，例如通过比较来求出图像偏移ds61的随时间的变化曲线。该图像偏移61 的随时间的信息曲线也在时间t上变化，并且包括高频成分和低频成分63。根据所设定的转动中心41，例如借助三角法65也由该偏移s确定真正的角度信号51，并借助数字滤波器 67确定“无晃抖的”信号53。偏差信息55又可以被用于控制由发射器3发出的光学的测量射束15的发射方向。
权利要求
1.用于光学测距的测量装置(I)，尤其是手持式的测量装置，具有沿着对准目标物(17)的发射方向发射出光学的测量射束(15)的发射器(3)；用来检测由该目标物(17)返回的光学的测量射束(19)的接收器(23)；用于接收并分析该接收器(23)的检测信号以确定在该测量装置(I)和该目标物(17) 之间距离的控制_/分析装置(31)；倾转检测装置(25)，它设计用于测定该测量装置(I)围绕至少一个倾转轴线的倾转角度。
2.根据权利要求I所述的测量装置，其中，该测量装置(I)设计用于基于由该倾转检测装置(25)所测定的倾转角度来调节该发射器(3)。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，该发射器(I)具有可控制的转向机构(9)， 用于使得由光源(5)所发出的测量射束(7)转向到发射方向上。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其中，该倾转检测装置(25)设计用于测定倾转角度变化率。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，该测量装置(I)设计用于基于由该倾转检测装置(25)测定的倾转角度只在该倾转角度变化率高于一种阈值时才调节该发射器(3)。
6.根据权利要求I至5之一所述的测量装置，其中，该倾转检测装置(25)具有转速传感器(27)。
7.根据权利要求I至6之一所述的测量装置，其中，该倾转检测装置(25)具有图像传感器技术装置(29)，该图像传感器技术装置设计用于依据在一连串拍摄的图像内的所拍下的特征的相对位移来确定所述倾转角度。
8.根据权利要求7所述的测量装置，还具有存储器(37)，其中该图像传感器技术装置(29)设计用于拍摄实际测量状况的图像并将其存在该存储器(37)里。
9.根据权利要求I至8之一所述的测量装置，其中，该测量装置(I)设计用于基于至少两次的距离测量并基于至少一次的对于在这几次距离测量之间所执行的倾转的倾转角度所进行的测量来计算辅助信息。
全文摘要
描述一种用于光学地测量到一目标物(17)的距离的测量装置(1)。该测量装置(1)具有沿着瞄准目标物(17)的发射方向发射出光学的测量射束(15)的发射器(3)、用来检测由目标物(17)返回的光学的测量射束(19)的接收器(23)和用于接收并分析接收器(23)的检测信号以确定在所述测量装置(1)和目标物(17)之间距离的控制-/分析装置(31)。此外，测量装置(1)具有倾转检测装置(25)，它设计用于测定所述测量装置(1)围绕至少一个倾转轴线的倾转角度。倾转检测装置可以对此具有转速传感器(27)和/或图像传感器技术装置(29)。依据测定的倾转角度，可以改变由发射器(3)发射出的光学的测量射束(15)的发射方向，以便补偿尤其是高频的、可能由手持着所述测量装置(1)的使用者的颤抖所引发的倾转。
文档编号G01C15/00GK102612635SQ201080044168
公开日2012年7月25日 申请日期2010年8月2日 优先权日2009年10月2日
发明者B·施奈德, M·施奈德 申请人:罗伯特·博世有限公司