专利名称：距离测量装置的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及测距应用中的电子距离测量。具体而言，本发明涉及距离测量装置和包括该距离测量装置的测勘仪器(surveying instrument)。
背景技术：
测勘或测距技术涉及利用角度和距离的测量来确定对象的未知位置、表面或体积。为了进行这些测量，光学测勘仪器或测地仪器通常包括一个电子距离测量(EDM)装置，该装置可被结合到所谓的全站仪或扫描仪中。距离测量全站仪结合有电子部件和光学部件，并且通常还设置有一个带有可写信息的计算机或控制单元，用于控制待被执行的测量以及用于存储在测量过程中获得的数据。优选地，全站仪计算目标在固定的地面坐标系(fixed ground-based coordinate system)中的位置。可在例如本申请人的WO 2004/057269中找到对这种全站仪的更详细描述。在常规的EDM中，光束被以光脉冲的形式朝向目标发射，接下来被该目标反射的光在光学仪器诸如全站仪处被检测。借助例如飞行时间(TOF)或相位调制技术，处理所检测到的信号使得能够确定离目标的距离。使用TOF技术，测量光脉冲从测勘仪器(EDM装置)行进到目标、在目标处被反射并返回所述测勘仪器(EDM装置)的飞行时间，基于该飞行时间可计算所述距离。所接收的信号的功率损耗确定最大可能距离。利用相位调制技术，将以不同频率调制的光从所述测勘仪器发射至目标，由此检测被反射的光脉冲，基于所发射的脉冲和所接收的脉冲之间的相位差来计算所述距离。在常规的扫描仪中，利用光束控制功能可将光束导向在所述目标的表面处的多个感兴趣的位置上。光脉冲被朝向每一个感兴趣的位置发射，检测从这些位置中的每一个反射的光脉冲，从而确定离这些位置中的每一个的距离。例如，使用LIDAR(光探测和测距)扫描仪或工业用扫描仪，可测量散射光的特性以确定远距离目标的距离和/或其他信息。通常，使用诸如上述的激光脉冲或相位调制技术，确定离对象或表面的距离。代表被反射的光脉冲——即返回信号(return signal)——的检测信号可具有宽的动态范围。换言之，返回信号的强度或功率(或振幅)可从一个位置到另一个位置显著变化。返回信号的强度的变化可通过例如目标的表面处的不同位置之间的反射率差异和/ 或目标的表面状况的差异来解释。从而，因为测量装置在处理宽动态范围方面的困难，基于具有过高或过低功率的返回信号确定的距离有可能是不准确的。检测信号例如可能是饱和的或经受过量噪声或干扰。从而，在测量装置诸如EDM装置或扫描仪的读出电子装置(S卩，用于记录被反射的光脉冲的部件)的输入处的返回信号的振幅必须受限，以避免读出电子装置的饱和。例如， 高速A/D转换器的动态范围通常被限制至约25dB，而在测量装置处检测到的信号的振幅的变化可能高相当多，例如，约60dB-100dB或更高。在一些常规的测量装置中，返回信号的宽动态范围的问题是通过忽略如下测量解决的对于所述测量，返回信号的强度位于第一阈值以上或位于第二阈值以下。然而，这种方法暗含对无效测量的不必要处理。通常用在所谓的“上升沿”测量中的另一种方法是接受由于大的动态范围而导致的某一距离测量误差——走误差(walking error)，或设法补偿该误差，这在一定程度上是可行的。又一种方法是对于感兴趣的目标位置中的每一个都执行两步测量。在第一步中，第一光脉冲或一系列光脉冲被朝向目标发射，检测被反射的光脉冲并通过读出电子装置对其进行处理，以为在相应位置处的测量确定合适的增益。一般， 在第一步中，如果认为返回信号的振幅低(在预定阈值以下)，则增益被设置为大于1的值。 如果认为返回信号的振幅高(在预定阈值以上)，则增益被设置为小于1的值。接下来，在第二步中，第二光脉冲被朝向所述目标发射，检测被反射的光脉冲并使用第一步中设置的增益将其放大。然后处理放大的信号，以确定离目标的距离。这样，对于感兴趣的位置中的每一个，可使用合适的增益测量距离。然而，该方法提供有限的测量速度，从而降低了总体效率。此外，意在允许在读出电子装置的输入处检测到的脉冲或信号的高动态范围的常规测量装置，通常都具有高成本，因为需要高级的定制设计的部件。此外，这样的高动态范围的常规装置通常不能提供快速的响应时间(例如，Ins数量级的或更短的响应时间)， 而快速的响应时间对于高效执行高速EDM或扫描(例如，具有使得能够进行准确的单次 (single shot)测量的高速)可能是必要的。上述的测量装置在处理宽动态范围方面的困难与许多应用相关，这些应用中的一些应用已在上文提到，但对于雷达应用等来说也是有关的。因此，在本领域中需要一种解决上述问题中的一个或多个的改进的距离测量装置。
发明内容
根据上文，本发明的一个目的在于提供一种改进的距离测量装置。本发明的另一目的在于提供在读出电子装置中具有改进的动态范围的光学装置。本发明的又一目的在于提供一种提供高的总体测量效率的距离测量装置和/或光学装置。本发明的又一目的在于提供一种提供高的总体测量效率的测勘仪器，诸如全站仪。本发明的又一目的在于提供一种允许节省成本地进行制造的距离测量装置、测勘仪器和/或光学装置。还一目的在于，提供在读出电子装置中具有改进的动态范围的接收机单元。这些及其他目的中的一个或多个完全或部分地通过如独立权利要求中限定的光学装置、操作光学装置的方法、距离测量装置、测勘仪器和接收机单元来实现。另外的实施方案在从属权利要求中限定，本发明的其他目的将通过下文的描述变得明了。在本发明的一些实施方案的情况下，术语“光脉冲(optical pulse)”或“光脉冲 (light pulse) ”指的是光辐射源的光输出，而无论该光辐射源发射意在用于例如飞行时间距离测量的具有短持续时间的光脉冲，还是发射意在用于例如相位差距离测量的已调的连续波光辐射。根据本发明的第一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括一个光辐射源，被布置用于发射光脉冲；一个接收机单元，被布置用于接收被反射的光脉冲；一个时间测量单元，被布置用于产生从预定时间点开始的消逝时间(elapsed time)。所述光学装置还可包括至少一个控制信号发生器单元以及一个控制单元。所述控制单元可适于使所述至少一个信号发生器单元基于所述消逝时间根据一个预定的时间函数来产生至少一个控制信号，以及基于所产生的至少一个控制信号，调整所述接收机单元的至少一个参数，所述至少一个参数影响所述接收机单元的(输出)动态范围。这样的光学装置例如可用在EDM和/或诸如扫描仪和测勘仪器的装置例如全站仪中，其中有利地所述光学装置能够显著增加在接收机处的动态范围，由此适应在测量装置 (例如，EDM装置或扫描仪)处检测到的脉冲或信号的振幅的相对大的变化，同时避免在测量装置处的读出电子装置的饱和。从而，可以减轻或消除涉及具有宽的动态范围的返回信号/脉冲的测量的问题，所述问题可能使忽略这样的测量成为必要。由此，可以保持或提高测量速度。同时，能够保持测量准确性。这样，可以保持或者甚至增加光学装置的总体效率。尤其是在EDM应用中，这样的光学装置通常使得能够降低在每一个感兴趣的点进行测量所需的测量时间以及增加扫描速度。由此，可以实现扫描图像的提高的分辨率，以及减少进行现场测量所需的时间。此外，这样的光学装置通常是易做的，且制造起来节省成本，因为它不需要任何昂贵的、定制制作的部件。因此，可以实现接收机处的高动态范围，而无需高级的定制设计的部件。根据本发明的第二方面，提供了一种距离测量装置，用于测量从该装置到一个目标的距离，所述距离测量装置包括一种根据本发明的第一方面或其实施方案的光学装置。根据本发明的第三方面，提供了一种测勘仪器，该测勘仪器包括一种根据本发明的第二方面或其实施方案的距离测量装置。根据本发明的第四方面，提供了一种用于操作光学装置的方法，所述光学装置包括一个光辐射源，被布置用于发射光脉冲；一个接收机单元，被布置用于接收被反射的光脉冲；一个时间测量单元，被布置用于产生至少一个光脉冲的消逝时间；以及，至少一个控制信号发生器单元，其中所述时间测量单元被配置为使得所述消逝时间从一个预定时间点开始产生。所述方法包括以下步骤使所述至少一个控制信号发生器单元基于所述消逝时间根据一个预定的时间函数来产生至少一个控制信号；以及，基于所产生的至少一个控制信号，调整所述接收机单元的至少一个参数，其中所述参数影响所述接收机单元的动态范围。根据本发明的第五方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括被布置用于执行根据本发明的第四方面或其实施方案的方法的计算机代码。根据本发明的第六方面，提供了一种计算机可读数字存储介质，在该存储介质上存储有一个计算机程序，该计算机程序包括被布置用于执行根据本发明的第四方面或其实施方案的方法的计算机代码。根据本发明的第七方面，提供了一种适于接收光脉冲的接收机单元。根据本发明的这个方面，所述接收机单元包括与影响所述接收机单元的动态范围的至少一个参数相关联的部件，所述接收机单元适于被结合到根据本发明的第一方面或其实施方案的光学装置中，或根据本发明的第二方面或其实施方案的距离测量装置中，或根据本发明的第三方面或其实施方案的测勘仪器中。
所述预定时间点可包括当发射至少一个光脉冲时的时间点。可与从所述光辐射源发射至少一个光脉冲基本同时地或有关地，发射一个光学参考脉冲，该光学参考脉冲可例如相对于所述光学装置在内部被引导至接收机单元。所述预定时间点可包括当所述光学参考脉冲在接收机单元处被接收时的时间点。本发明的实施方案基于如下的有利深入了解，S卩，在光学装置——诸如EDM装置——的接收机单元的读出电子装置的输入处接收的脉冲或信号的光功率可借助一个可变光学衰减器或放大器或一个位于光电探测器后的可变电衰减器或放大器在时域中被调节，所述可变光学衰减器或放大器诸如掺杂光纤放大器(例如，掺铒光纤放大器，EDFA)。替代地或可选地，光电探测器的响应度或另一参数可在时域中被调节。为了进一步阐明这一点，可以考虑下面的示例情形。考虑一个光辐射源，该光辐射源将一个光脉冲朝向一个反射目标发射，该反射目标具有反射系数CIp所述目标位于距所述辐射源距离R处，接收机单元具有孔径A。为了简单起见但是不失一般性，光辐射源具有相同的孔径A。光辐射源进一步包括具有某一焦距的光学系统。所述辐射源和接收机单元都被基本放置在所述光学系统的焦距内。现在假设光辐射源发射一个具有峰值功率P的光脉冲，并且此外所述光脉冲由所述光学系统准直为具有某一直径的光束。所述光脉冲从辐射源传播至所述目标，所述光脉冲从该目标以各向同性方式反射(即，所有光功率都以角度2 π srad反射)，由此总的被反射光功率α P的一部分或者直接地或者经由一个包括一个或多个棱镜、波导等的光学系统被朝向接收机单元反射回。从而，在接收机单元处接收的光功率&与从光辐射源到目标的距离的平方成反比扎 αΡ/R2，α是目标的反照率(忽略由于光学系统和/或接收机单元的孔径A的有限尺寸而导致的饱和效应)。由于光速在空气中基本恒定，所以对于恒定的被反射功率α P，所接收的光功率已也与光脉冲从光辐射源行进到目标并返回至接收机单元的行进时间的平方成反比。在假设光脉冲由光学系统准直为光束的情况下，被反射光功率α P基本与距离R无关。即使在光束发散的情况下，被反射光功率α P也基本与距离 R无关，只要光束入射在其上的目标的有效区域大于光束的横截面。这样，所接收的光功率已可在光脉冲的典型行进时间内以几个数量级变化。由此， 一方面，在发射出光脉冲之后紧接着的一段时间内，潜在的入射(incoming)光脉冲或信号的振幅可能会非常高。然而，另一方面，随着时间流逝，与在发射出光脉冲之后紧接着的所述一段时间内相比，潜在的入射光脉冲或信号的振幅可能会下降几个数量级。这样的大振幅变化是一个实质性的技术问题，因为接收机单元处接收到的过高的光功率可能会导致接收机单元处的饱和。如上所述，为解决该问题，在接收机单元处接收的光脉冲的光功率可借助一个可变光学衰减器或可变电衰减器或放大器在时域中被调节。因而，本发明的大致原理是在光脉冲被从光辐射源发射出的时刻，将衰减(或者放大)设置为高(例如，最大)值(或低(例如，最小)值)，然后随着时间流逝，按时间(temporarily) 减小(或增大)所述衰减(或放大)，例如，直到从光辐射源发射出另一光脉冲。相同原理既可适用于电衰减器，也可适用于光学衰减器。上述情形未考虑接收机单元的有限灵敏度、 光学系统的衍射效应等。然而，就实现本发明的功能而言，这样的二阶效应通常仅导致所接收的光功率已对从光辐射源到目标的距离R(或光脉冲的行进时间)的依赖性的可忽略的变化。
7
下面进一步使对本发明的描述正式。来自光学接收机单元的输出信号，即读出电子装置的输入信号，可被表示为A/D转换器处的输入电压V-。该电压是所接收的光功率已和接收机的总转换增益G的函数。由于已取决于目标反照率和离目标的距离，对于给定的反照率α，电压Vadc可写为Vadc =, R) = Pr(a , R) * G(1)如较早所提及的，所接收的光功率PJa，R)通常与离目标的距离的平方成反比。 然而，在实际的EDM中，其还可能取决于光学系统的参数，这是因为例如由于有限的光电探测器区域而导致的在短距离下的入射光功率的饱和。已对距离R的依赖性对于每个EDM来说是独一无二的，但是在足够大的距离时通�？杀还槟晌猂-2法则。由于等式(1)中的a 和R是自变量，等式⑴可被写为Vadc ( a , R) = Pr ( a , R0) * calp (R) * G(2)其中calp(R)是功率校准函数，RO是校准函数calp (R)等于1时的离目标的距离。光脉冲从EDM到目标然后返回的行进时间是t = 2R/c，其中c是光在空气中的速度。将R代入等式(2)，我们可以将等式(2)改写为以下形式Vadc = Vadc (α，t) = Pr ( α , t0) * calp (t) * G(3)通常，转换增益是固定的，&的所有变化都导致VAD。的相应变化。如果我们使增益 G取决于自光脉冲被从EDM发射以来的消逝时间——该时间实质上是行进时间t，则等式 (3)可被写为Vadc( α , t) = Pr(a，t0) * calp (t) * G(t0) * calg(t)(4)其中calg(t)是转换增益校准函数，G (tO)是在calg(t)等于1时的转换增益。现在，如果我们选择校准函数calg(t)等于calp (t)的倒数，即，calg(t) = l/calp(t)，则等式⑷中的电压VAD。(a，t)简化为仅关于目标反照率的函数Vadc ( α , t) = Vadc ( α , tO) = Pr ( α，tO) * G (t0)(5)这意味着，所要求的读出电子装置或者A/D转换器的动态范围实际上以功率校准函数calp(t)的最大值和最小值之间的相对差值为系数减小。可通过不同方式实际实现将calg(t)引入转换增益。接收机的转换增益本身又等于G = β * Re * g，(6)其中，β是光电探测器的光学耦合因子，包括光学系统中的所有损耗/放大；Re是光电探测器的响应度；以及，g是从光电探测器到读出电子装置的放大链(chain)的总的电气增益/损耗。等式(6)右侧的任意项或其组合都可取决于消逝时间G(t) =G (tO) * calg(t) = β (tO) * calb (t) * Re (tO) * calr(t) * g(t0) * calamp (t). (7)其中，β(tO)、Re(t0)、g(t0)、calb(t)、calr(t)和 calamp (t)分别是光学耦合、 响应度以及电气增益的初始值和校准函数。为了满足条件(5)，后面的校准函数的倍数应等于函数calp (t)的倒数。例如，在calp (t) = t_2的情况下，则条件(5)可在calb (t)= calr(t) = 1且calamp (t) = t2时实现。另一实用方式是选择calb (t)和calamp (t)等于 t，同时使calr(t)不变。由此，可以为具体的EDM选择一种合适的方式来减小所要求的读出电子装置的动态范围，从而，减小总体动态范围的有效增加。在本发明中，借助控制发生器实现校准函数。我们还应注意到，使函数calg(t)精确匹配或基本匹配校准函数的倒数 l/calp(t)不是必需的，尽管是期望的。甚至一个近似的方案也可以非常有效。除此之外， 在实际的EDM中calg(t)和l/calp(t)之间的偏离可被校准。所述光学装置的光辐射源可包括脉冲光源和/或连续波光源。这样，从根据本发明的第二方面的所述装置到目标的距离可通过飞行时间技术或相位调制技术测得。所述至少一个控制信号发生器例如可包括用于产生控制信号的函数发生器，诸如直接数字合成(DDQ函数发生器。这样的函数发生器通常能允许精细地控制输出波形、输出振幅、输出频率、频率步进等选项，由此在控制信号产生方面提供灵活多样的手段。此外， 这样的函数发生器可相对容易地被编程。这样的DDS函数发生器可包括一个电子控制器、 随机存取存储器、频率基准(frequency reference)(诸如晶体振荡器)、计数器和数模转换器(DAC)。替代地或可选地，所述至少一个控制信号发生器可包括一个模拟控制信号发生器，由此可以不需要诸如DAC或DDS等部件。根据本发明的一个实施方案，所述消逝时间通过测量至少一个光脉冲从预定时间点开始的行进时间来产生，其中所述消逝时间包括所述行进时间。这样的配置可提供一种替代配置，以获得如前文已讨论的本发明的优点。替代地或可选地，所述消逝时间可通过对一个信号进行采样来产生(或者参照上文，所述行进时间可通过对一个信号进行采样而被测量)，所述信号例如为一个相应于在接收机单元处接收的光脉冲的信号。根据本发明的一个实施方案，所述接收机单元的所述至少一个参数可包括所述接收机单元的光学灵敏度。所述光学灵敏度可以是被包括在接收机单元中的例如光电探测器单元的光学响应度，所述光电探测器单元诸如光电二极管、光电晶体管、测辐射热计或其他类型的光电转换器。所述光电探测器单元可适于将光信号或光脉冲转换为电信号。所述接收机单元的所述至少一个参数可包括所述光电探测器单元的响应度、灵敏度、动态范围或其任意组合。根据本发明的另一实施方案，所述接收机单元可被布置用于基于各个所接收的光脉冲产生对应于它们的返回信号。所述返回信号然后可被传送至数字处理设备用于数字处理。此外，所述接收机单元可包括以下项中的一个或多个一个可变增益放大器单元，被配置用于放大所述返回信号(例如，放大其电压)；以及，一个可变衰减器单元，被配置用于使所述返回信号衰减(例如，使其电压衰减)。通常，所述接收机单元可包括一个可变增益放大器单元或者一个可变衰减器单元。在该情况下，所述接收机单元的所述至少一个参数可包括所述可变增益放大器单元的增益和所述可变衰减器单元的衰减中的一个或多个。根据本发明的又一实施方案，所述接收机单元包括一个可变光学衰减器单元，该可变光学衰减器单元被配置用于使被反射的光脉冲衰减(例如，使其光功率衰减)。在该情况下，所述接收机单元的所述至少一个参数可包括所述可变光学衰减器单元的光学衰减。通过根据上文刚刚描述的本发明的三个示例实施方案的三种配置，通过单独采用每种配置或者通过采用这三种配置的任意组合，提供了多种替代解决方案，每种替代解决方案都能够实现本发明的优点。这样，可增加根据本发明的光学装置在其操作方面以及在对设置在其中的部件进行选择方面的灵活性和多样性。
所述可变光学衰减器单元可选自基于体块晶体(bulk crystal)的光学衰减器、光纤衰减器和光纤电声调制器，由此提供了根据本发明的光学装置在对设置在其中的部件进行选择方面的增加的灵活性。根据本发明的又一实施方案，如果所述消逝时间超出预定的最大消逝时间，所述时间测量单元可被复位。这样，一旦所述消逝时间超出预定的最大消逝时间，可拒绝当前的光脉冲，转而等待传输新的光脉冲。这可包括停止所述时间测量单元的操作。在从所述光辐射单元发射一个新的光脉冲后，所述时间测量单元可再次开始从发射所述新的光脉冲时的时间点起产生消逝时间。根据试错测试和/或根据机器规格，所述最大消逝时间例如可被设置为光脉冲的最大的可能的可测量行进时间，或者基于光脉冲的最大的可能的可测量行进时间被设置。根据本发明的又一实施方案，所述预定的时间函数可基本匹配或接近于所接收的光功率与所述光脉冲的消逝时间的关系的估计函数，或者基本匹配或接近于所述估计函数的反函数(inverse)。通过这样的配置，参照上述的示例情形，进一步确保了接收机单元的影响其动态范围的参数的变化基本符合所述接收机单元在该接收机单元处所需的动态范围宽度方面的实际物理需求。根据本发明的又一实施方案，所述预定的时间函数可被配置为使得所述预定的时间函数至少部分地包括根据阶梯函数、多项式线性函数、二次函数、矩形函数(rectangular function)(也被称为“矩形函数(rect function) ”或“矩形波函数”)或其任意组合的形态。其他的函数形态，例如指数衰减函数(或指数增长函数)也可以是有利的。例如，如果所接收的光功率与所述光脉冲的行进时间的关系很难估计，则这可以是尤其有利的。上述的函数形态实现起来相对容易，并且可提供在例如外部条件和/或用户需求方面的灵活性和适应性。指数衰减(或增长)函数形态可借助RC电路或RC链路相对容易地数字地实现。所述预定的时间函数可被配置为使得其至少部分地包括如下形态该形态是基于被包括在根据本发明一个实施方案的光学装置中的光学系统的不同参数来确定或调整的。 这样的光学系统可例如被配置用于将发射的光脉冲准直为光束，以及例如包括透镜元件、 棱镜、波导、镜面元件等中的一个或多个。根据本发明的另一示例实施方案，所述接收机单元的所述至少一个参数的时间依赖性可在根据该具体实施方案的光学装置的制造过程中或制造之后被校准。具体而言，所述接收机单元的光学灵敏度——例如，包括在该接收机单元中的光电探测器单元的光学灵敏度——的时间依赖性可在光学装置的制造过程中或制造之后被准确校准。根据本发明的又一实施方案，所述控制信号发生器单元可包括一个适于存储数据的存储器单元。所述控制信号发生器单元还可适于通过检索先前已被存储在所述存储器单元中的控制信号值来产生控制信号。所述存储器单元例如可包括闪存。这使得能够例如，以准确的方式复制先前执行的测量，以及存储代表不同预定时间函数的数据值，所述不同预定时间函数适合于不同测量程序、外部条件、用户需求等，所述数据值可在另外的场合从存储器单元中检索。根据本发明的一个示例实施方案，包括连续波光源的距离测量装置可被适配，使得所接收的已调信号的相位的变化速度快于所述接收机单元的影响其动态范围的至少一个参数的调整速度。根据本发明的一个示例实施方案，所述可变光学衰减器单元可包括一个灰色光楔 (gray wedge)单元。所述灰色光楔单元又可包括一个可转动的灰色光楔，所述灰色光楔被布置为使得被反射的光脉冲穿过该灰色光楔，并且所述灰色光楔包括多个角部分(angular sector)，每个角部分具有预定的透射系数。所述灰色光楔单元还可包括一个电机，该电机被布置用于转动所述灰色光楔；以及，一个同步单元，该同步单元适于使灰色光楔的转动速度与预定速度同步。这提供了又一种控制所述接收机单元的光学衰减的方法，该方法在容量要求方面灵活，且在部件成本方面相对廉价。可转动的灰色光楔中包括的角部分越多，所要求的灰色光楔的转动速度越小。例如，相比于具有仅两个角部分(angular segment)的灰色光楔的所要求的转动速度，具有N个角部分的灰色光楔的所要求的转动速度可减小N倍。根据本发明的另一个示例实施方案，所述预定速度等于从所述光辐射源发射光脉冲的速度。根据本发明的又一个示例实施方案，所述可转动的灰色光楔的每个角部分包括多个角子部分，所述角子部分被布置为使得每个角子部分的透射系数沿着相对于灰色光楔的角方向单调变化。通过这样的配置，可改善所述可变光学衰减器单元对控制信号的响应的平滑度。本发明的实施方案不限于根据前文中描述的示例配置中任一配置的灰色光楔单元，而是，本发明涵盖如下实施方案其包括功能与前文中描述的示例灰色光楔单元配置的功能类似或相同的其他类型(实现方式)的灰色光楔单元。本发明的其他目标和优点将在下文中通过示例实施方案进行讨论。
下面将参考附图描述本发明的示例实施方案，在附图中图1是本发明的一个示例实施方案的示意性方块图；图2是本发明的另一示例实施方案的示意性方块图；图3是本发明的又一示例实施方案的示意性方块图；图4是示出本发明的一个示例实施方案的示意图；图5是本发明的一个示例实施方案的示意性方块图；图6是本发明的另一个示例实施方案的示意性方块图；图7是本发明的示例实施方案的示意图。在附图中，在所有图中相同的参考数字表示相同或相似的元件。
具体实施例方式下面是对根据本发明的示例实施方案的描述。应理解，下面的描述是非限制性的， 用于描述本发明的原理。参照图1，其示出了根据本发明的一个示例实施方案的光学装置1的示意性方块图。光学装置1包括光辐射源2，光辐射源2适于发射光脉冲加。所述光脉冲加通常被用于朝向一个目标(未示出)传播，在该目标处，所述光脉冲被反射，且如此被反射的光功率的一部分被朝向所述光学装置1反射回。因此，从光辐射源2发射的这种光脉冲2a通�？砂ㄊ屎暇咛逵τ玫娜我獠ǔさ幕虼τ谌我獠ǔし段诘牡绱欧洌缥⒉ǚ浜涂杉�。光辐射源2可包括脉冲光源或连续波光源，例如二极管激光器、主振荡器功率放大器(MOPA)或任何其他类型的合适的辐射源。在本发明的情况下，MOPA意指如下的配置，其包括主激光器(或种子激光器)和光学放大器，所述光学放大器适于提高输出光功率。这样一个光学装置1可例如用于实现距离测量装置、测勘装置等，如参照下文和上文的本发明的示例实施方案进一步说明的。在接收机单元3处，可接收被反射的光脉冲3a，然后可例如分析和/或处理所接收的光脉冲3a。例如，接收机单元3可适于产生对应于如此接收的光脉冲3a的返回信号，所述返回信号又可针对多种应用使用合适的处理部件被数字地处理。还参照图1，光学装置1还可包括一个时间测量单元4，时间测量单元4适于测量从所述光辐射源2发射出的至少一个光脉冲的行进时间。时间测量单元4可以例如适于执行模拟测量或数字测量。所述行进时间可以例如从所述至少一个光脉冲被发射时的时间点开始测量。所述时间测量单元4可被布置为与控制单元6成整体。如时间测量单元4和接收机单元3之间的连接所表明的，来自光辐射源2的光脉冲的行进时间可基于绝对时间来测量，例如，通过测量所接收的光脉冲在接收机单元3处被接收的时间点来测量。替代地或可选地，所述行进时间可基于发射的光学参考脉冲2b的到达时间和所接收的来自所述目标的光脉冲的到达时间之间的时间差来测量，所述光学参考脉冲2b例如相对于光学装置1 在内部被引导至接收机单元3。所述光学装置1还可包括至少一个控制信号发生器单元，其中图1示出的示例实施方案包括三个这样的控制信号发生器单元5a、5b、5c。控制信号发生器单元5a、5b、5c中的每一个可以由控制单元6独立控制。所述控制信号发生器5a、5b、5c中的每一个通常能够产生具有受控的输出波形、输出振幅、输出频率等的输出信号。控制信号发生器5a、5b、5c 可以例如包括一个用于产生控制信号的函数发生器，诸如DDS函数发生器。这样的函数发生器通常能够允许精细地控制输出波形、输出振幅、输出频率、频率步进等选项，由此在控制信号产生方面提供灵活多样的手段。此外，这样的函数发生器可相对容易地被编程。这样的DDS函数发生器可包括一个电子控制器、随机存取存储器、频率基准(诸如晶体振荡器)、 计数器和数模转换器(DAC)。替代地或可选地，控制信号发生器5a、5b、5c可包括一个模拟控制信号发生器。还参照图1，光学装置1还可包括一个控制单元6，用于在不同方面控制所述光学装置1。控制单元6如何可适于控制光学装置1的一些示例方式已经在上文进行了说明， 并且在下文作进一步描述。尽管为了简明起见，附图仅示出了控制单元6和光学装置1的其他部件之间的一些示例连接，但光学装置1的每个部件都可通过控制单元6被独立控制。 此外，光学装置1的不同部件的状态可通过控制单元6被独立监测。每一个示例连接都暗示了双向通信，即，通信可发生在该连接的两个方向上。还参照图1，光学装置1可如下所述地工作。如已经提及的，光辐射源2发射出光脉冲2a，接收机单元3接收被反射的光脉冲。对于如此从光辐射源2发射出的一个具体的光脉冲，时间测量单元4测量从光脉冲2a被从光辐射源2发射出的时间点开始的行进时间。时间测量单元4可适于以预定测量速度测量所述行进时间。然后，可以例如由控制单元6促使所述控制信号发生器单元fe、5b、5c中的一个或多个基于所述行进时间根据预定的时间函数产生至少一个控制信号。基于所产生的至少一个控制信号，所述控制单元6然后可调整接收机单元3的至少一个参数。所述至少一个参数是这样的，即，使得其影响接收机单元3的动态范围。接收机单元3可适于产生对应于所接收的被反射的光脉冲3a的返回信号，所述返回信号例如可被用于接下来的数字处理。为此，接收机单元3可以例如包括一个光电探测器7 ο根据图1中示出的示例实施方案，可以由控制单元6促使所述控制信号发生器单元如、513、5(中的每一个基于所述行进时间根据预定的时间函数产生至少一个控制信号。 各个控制信号发生器单元fe、5b、5c用于产生所述至少一个控制信号的时间函数通�？梢曰ゲ幌嗤�。这样，可以基于如此产生的控制信号，调整影响所述接收机单元3的动态范围的多个参数。如图1中示出的，接收机单元3可包括光电探测器7、互阻抗放大器8(即，将电流作为输入并且输出电压的放大器)，以及被配置用于放大电(返回)信号的可变增益放大器单元9，从而这些部件中的每一个都可基于如此产生的控制信号被控制或调整，以调整接收机单元3的总体动态范围。这样，提供了一种可以调整所述接收机单元3的一个或多个参数的高度灵活的方式，从而提供了一种可控制或调整所述接收机单元3的动态范围的高度灵活的方式。现在，考虑单个控制信号的第一个例子，该单个控制信号基于消逝时间一例如， 光脉冲的行进时间——根据预定的时间函数F1产生。基于产生的单个控制信号，控制单元然后可调整接收机单元的至少一个参数(例如，调整所述接收机单元的一个部件诸如可变增益放大器的一个参数)。接下来，考虑其中产生M个控制信号的第二个例子，基于所述M 个控制信号，可调整所述接收机单元的各个(通常，不同的)部件的参数。在这个例子中， 借以产生所述控制信号的时间函数F2. . . Fm+1可被调整，使得接收机单元的调整的组合(例如，综合)效应基本与第一个例子中的相同。例如，如果F1包括一个二次函数且M= 2，则 F2和F3可以例如各包括一个线性函数(参考上文关于等式(1)-(7)的讨论)。如图1中还示出的，接收机单元3还可包括一个缓冲放大器10 (提供从其输入到其输出的电阻抗变换)和一个A/D转换器11。根据本发明的该示出的示例实施方案，接收机单元3的部件7、8、9、10、11串联布置。接收机单元3的部件7、8、9、10、11在该串联中的次序不限于图1中示出的次序，而是接收机单元3的部件7、8、9、10、11的次序通�？梢愿堇缬没枨蟮髡�。从接收机单元3输出的信号12可被供应至其他部件用于进一步分析和/或处理。如已经指出的，应理解，图1和其他附图是示意性的，因而光学装置1的部件在该光学装置1内的相对位置仅以示例的方式示出，不应被认为限制本发明。例如，光辐射源2 相对于接收机单元3的位置，或者接收机单元3相对于光辐射源2的位置，不限于附图中示出的实施例。光学装置1还可包括一个光学系统(未示出)，该光学系统被配置为，例如，将发射的光脉冲加准直为光束，所述光学系统包括例如一个或多个透镜元件、棱镜、波导、镜面元件等。然而，与这些部件可具有的重要性一样，所述光学系统本身对于本发明的实施不是关
13键的，因此省略了对其的详细描述。尽管如此，如已经在上文中讨论的，所述光学系统的各个参数可构成用于确定或调整预定时间函数的形态的基�。谒鲈ざㄊ奔浜刂菩藕欧⑸鞯ピ�5a、5b、5c产生一个或多个控制信号。现在参照图2，其中示出了根据本发明的另一示例实施方案的光学装置1的示意性方块图。图2所描绘的光学装置1包括与参照图1所描述的光学装置1中所包括的部件类似或相同的部件。因此省略了关于图2对这些类似或相同的部件的描述。参照图2，与参照图1所描述的光学装置1不同，根据图2描绘的本发明的实施方案，光学装置1包括适于产生控制信号的单个控制信号发生器单元5，该控制信号发生器单元5可由控制单元6控制。如图2中示出的，光学装置1可包括一个适于存储数据的存储器单元13。控制信号发生器单元5可适于通过检索之前存储在存储器单元13中的控制信号值，来产生控制信号。 存储器单元13可例如包括闪存或另一类型的非易失性存储器，诸如ROM。替代地，存储器单元13可被布置为与控制信号发生器5成整体。与参照图1所描述的接收机单元3不同，参照图2所描述的接收机单元2包括一个可变光学衰减器单元14，其可具有时刻变化的光学衰减，所述光学衰减器单元14被配置为使所接收的被反射的光脉冲3a衰减，从而产生衰减的光脉冲3b ；和，一个可变衰减器单元15，其被配置为使电(返回)信号衰减，如上面已经提及的，所述电(返回)信号可以由光电探测器7从输入至该光电探测器7的光脉冲产生。如图2示意性示出的，控制信号发生器单元5可连接至接收机单元3，意味着所述控制信号发生器单元5可连接至包含在接收机单元3中的任意部件。相应地，控制信号发生器单元5可适于产生控制信号，通过所述控制信号，所述接收机单元3的任意部件可基于如此产生的控制信号被控制或调整，诸如以调整所述接收机单元3的总体动态范围。现在参照图3，其中示出了根据本发明的又一示例实施方案的光学装置1的示意性方块图。图3所描绘的光学装置1包括与参照图1和/或图2所描述的光学装置1中所包括的部件类似或相同的部件。因此省略了关于图3对这些类似或相同的部件的描述。参照图3，与参照图1和/或图2所描述的光学装置1不同，光学装置1的接收机单元3可包括一个如下的可变光学衰减器单元14 该可变光学衰减器单元包括或者是一个灰色光楔单元16，该灰色光楔单元16又可包括一个可转动的灰色光楔17，该可转动的灰色光楔17 被布置为使得接收机单元3处的被反射的光脉冲3a在到达所述接收机单元3的任意其他部件之前，可穿过该可转动的灰色光楔17。所述可转动的灰色光楔17可包括多个角部分， 每个角部分具有预定的透射系数。还参照图3，控制信号发生器单元5可连接至接收机单元3 (意味着，控制信号发生器单元5可连接至包含在接收机单元3中的任意部件，诸如光学衰减器单元14)。相应地，控制信号发生器单元5可适于产生控制信号，通过所述控制信号，所述接收机单元3的任意部件可基于如此产生的控制信号被控制或调整，诸如以调整接收机单元3的总体动态范围。现在参照图4，其示出了根据本发明的一个示例实施方案的可转动的灰色光楔17 的示意图，其中可转动的灰色光楔17包括两个角部分17a、17b。通常，角部分17a、17b可具有不同的透射系数。尽管图4中描绘的示例灰色光楔17仅包括两个角部分，但本发明涵盖包括数目为任意数目η的角部分的实施方案，η = 1，2，3，4，5...。现在再参照图3，灰色光楔单元16还可包括被布置用于转动所述灰色光楔17的电机18。灰色光楔单元16还可包括一个同步单元19，该同步单元适于使灰色光楔17的转动速度与预定速度同步。该预定速度可等于从光辐射源2发射光脉冲加的速度。在可转动的灰色光楔17中包括的角部分越多，所要求的灰色光楔17的转动速度越小。例如，与根据参照图4所描述的本发明的示例实施方案的具有仅两个角部分的灰色光楔17的所要求的转动速度相比，具有N个角部分的灰色光楔17的转动速度可减小N倍。可转动的灰色光楔17的每个角部分17a、17b可包括多个角子部分(未示出)，这些角子部分被布置为使得每个角子部分的透射系数沿着相对于灰色光楔17的角方向单调变化。这样，可以改善可变光学衰减器单元16对控制信号的响应的平滑度。现在参照图5，其示出了根据本发明的一个示例实施方案的距离测量装置20的示意性方块图。所述距离测量装置20包括一个光学装置1，本文中已经描述了光学装置1的一些实施例。距离测量装置20可包括根据如本文中描述的以及如随附权利要求中限定的本发明的任一实施方案的光学装置1。现在参照图6，其示出了根据本发明的一个示例实施方案的测勘仪器30的示意性方块图。距离测量装置30包括一个诸如参照图5所描述的距离测量装置20。所述测勘仪器30可包括根据如本文中描述的以及如随附权利要求中限定的本发明的任一实施方案的距离测量装置20。现在参照图7，其示出了根据本发明的示例实施方案的计算机可读数字存储介质 41、42的示意图，所述计算机可读数字存储介质41、42包括DVD 41和软盘42，在DVD 41 和软盘42中的每一个上可存储有计算机程序，所述计算机程序包括当在处理器单元中运行时适于执行根据本发明或其实施方案的方法的计算机代码，如上文已描述的。尽管上文参照图7描述了仅两种不同类型的计算机可读数字存储介质，但本发明涵盖使用任何其他合适类型的计算机可读数字存储介质——的实施方案，诸如，但不限于，硬盘驱动器、CD、闪存、磁带、U盘(USB stick)、Zip驱动器等。包含有当在处理器单元中运行时适于执行根据本发明或其任一实施方案的方法的计算机代码的计算机程序产品可被存储在计算机(例如，服务器)上，所述计算机适于与根据本发明的一个示例实施方案的光学装置、距离测量装置或测勘仪器通信。这样，当被装载到计算机的处理器单元中并且在其中运行时，计算机程序可执行所述方法。这样的配置使得不需要将所述计算机程序本地存储在光学装置、距离测量装置或测勘仪器中。所述计算机和所述光学装置、距离测量装置或测勘仪器之间的通信可通过有线方式(例如，借助以太网)或非有线方式(例如，借助无线红外(IR)通信或其他无线光通信，或借助无线电波通信诸如全球定位系统(GPS))实现。总之，公开了一种可用在距离测量装置中的光学装置，该光学装置包括如下的控制单元，该控制单元可适于促使至少一个控制信号发生器单元基于从预定时间点开始的消逝时间根据预定时间函数来产生至少一个控制信号。基于所产生的至少一个控制信号，可在光脉冲的行进时间内调整接收机单元的至少一个参数，其中所述至少一个参数影响接收机单元的动态范围。这样，可以增加所述接收机单元的动态范围。还公开了一种用于操作这样的光学装置的方法、包括这样的光学装置的距离测量装置以及包括这样的距离测量装置的测勘仪器。尽管本文中描述了本发明的示例实施方案，但对本领域普通技术人员来说明显的是，可以对本文中描述的本发明做出许多变化、修改或改变。因此，对本发明的以上描述和附图应被认为是本发明的非限制性实施例，保护范围由随附的权利要求限定。
权利要求
1.一种光学装置，包括一个光辐射源，适于发射光脉冲；一个接收机单元，适于接收被反射的光脉冲；一个时间测量单元，适于产生从预定时间点开始的消逝时间；至少一个控制信号发生器单元；以及一个控制单元；其中所述控制单元适于使所述至少一个控制信号发生器单元基于所述消逝时间根据一个预定的时间函数来产生至少一个控制信号；以及基于所产生的至少一个控制信号，调整影响所述接收机单元的动态范围的所述接收机单元的至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述时间测量单元适于通过测量至少一个光脉冲从所述预定时间点开始的行进时间，来产生所述至少一个光脉冲的消逝时间，其中所述消逝时间包括所述行进时间。
3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其中所述接收机单元的所述至少一个参数包括所述接收机单元的光学灵敏度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学装置，其中所述接收机单元适于产生对应于所接收的光脉冲的返回信号用于数字处理，以及所述接收机单元包括一个可变增益放大器单元，其被配置为放大所述返回信号，其中所述至少一个参数包括所述可变增益放大器单元的增益；或者，一个可变衰减器单元，其被配置为使所述返回信号衰减，其中所述至少一个参数包括所述可变衰减器单元的衰减。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光学装置，其中所述接收机单元包括 一个可变光学衰减器单元，其被配置为使所述被反射的光脉冲衰减；其中所述接收机单元的所述至少一个参数包括所述可变光学衰减器单元的光学衰减。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其中所述可变光学衰减器单元选自基于体块晶体的光学衰减器、光纤衰减器和光纤电声调制器。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学装置，其中所述接收机单元包括 一个光电探测器单元，其适于将光信号转变为电信号；其中所述光电探测器单元包括光电二极管、光电晶体管、测辐射热计或其他类型的光电转换器；其中所述接收机单元的所述至少一个参数包括所述光电探测器单元的响应度、灵敏度、动态范围或其任意组合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光学装置，其中所述控制单元还适于，如果所述消逝时间超出预定的最大消逝时间，使所述时间测量单元复位。
9.根据权利要求8所述的光学装置，其中所述预定的最大消逝时间是基于所述至少一个光脉冲从所述预定时间点开始的最大可测量行进时间设置的。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的光学装置，其中所述预定的时间函数基本匹配或接近于所接收的光功率与所述光脉冲的消逝时间的关系的估计函数，或者基本匹配或接近于所述估计函数的反函数。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学装置，其中所述预定的时间函数基本匹配或接近于所接收的光功率与从具有基本恒定反照率的目标反射的一个光脉冲的消逝时间的关系的估计函数，或者基本匹配或接近于所述估计函数的反函数。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的光学装置，其中所述预定的时间函数至少部分地包括根据阶梯函数、多项式线性函数、二次函数、矩形函数、指数衰减函数或其任意组合的形态。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的光学装置，其中所述控制信号发生器单元包括适于存储数据的存储器单元，以及所述控制信号发生器单元适于通过检索之前存储在所述存储器单元中的控制信号值来产生控制信号。
14.一种距离测量装置，用于测量从所述距离测量装置到一个目标的距离，其中所述距离测量装置包括根据权利要求1-13中任一项所述的光学装置，以及其中一个处理单元适于基于一个发射的光脉冲和一个接收的光脉冲之间的比较来确定从所述距离测量装置到所述目标的距离。
15.根据权利要求14所述的距离测量装置，其中所述光辐射源包括脉冲光源和连续波光源中的一个或多个。
16.一种测勘仪器，包括根据权利要求14或15所述的距离测量装置。
17.一种用于操作光学装置的方法，所述光学装置包括一个光辐射源，被布置用于发射光脉冲；一个接收机单元，被布置用于接收被反射的光脉冲；一个时间测量单元，被布置用于产生至少一个光脉冲的消逝时间，所述时间测量单元被配置为使得所述消逝时间从一个预定时间点开始产生；以及，至少一个控制信号发生器单元，所述方法包括以下步骤使所述至少一个控制信号发生器单元基于所述消逝时间根据一个预定的时间函数来产生至少一个控制信号；以及基于所产生的至少一个控制信号，调整影响所述接收机单元的动态范围的所述接收机单元的至少一个参数。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤如果所述消逝时间超出一个预定的最大消逝时间，使所述时间测量单元复位。
19.一种计算机程序，包括适于执行根据权利要求17-18中任一项所述的方法的计算机代码。
20.一种计算机可读数字存储介质，在该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序包括适于执行根据权利要求17-18中任一项所述的方法的计算机代码。
21.一种接收机单元，适于接收光脉冲，所述接收机单元包括与影响所述接收机单元的动态范围的至少一个参数相关联的部件，其中所述接收机单元适于被结合到根据权利要求 1-13中任一项所述的光学装置或根据权利要求14或15所述的距离测量装置或根据权利要求16所述的测勘仪器中。
全文摘要
公开了一种可用在距离测量装置中的光学装置，所述光学装置包括一个控制单元，所述控制单元适于使得至少一个控制信号发生器单元基于从一个预定时间点开始的消逝时间根据一个预定的时间函数来产生至少一个控制信号。基于所产生的至少一个控制信号，可在光脉冲的行进时间内调整接收机单元的至少一个参数，其中所述至少一个参数影响所述接收机单元的动态范围。这样，可以增大接收机单元的动态范围。还公开了一种用于操作这样的光学装置的方法、包括这样的光学装置的距离测量装置以及包括这样的距离测量装置的测勘仪器。
文档编号G01S7/489GK102460209SQ200980160000
公开日2012年5月16日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者Y·P·古谢夫 申请人:特林布尔公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
