[发明专利]用于确定与物体的距离的装置

说明书

本发明涉及一种用于确定与物体的距离的装置，包括用于发射发射光束的光发射器，包括用于接收接收光束的光接收器，作为在物体处发射光束的反射的结果出现接收光束，且包括用于基于发射和接收光束的传播时间确定距离的估计单元，其中光接收器具有接收光学单元，该接收光学单元包括第一透镜元件和小孔光圈，且其中不透光元件遮蔽接收光学单元的中心区域，使得接收光束以光环的形式入射在小孔光圈上。

从DE 20 2006 005 643 U1基本上已知该装置，然而该文献没有公开接收光学单元的任何细节。然而，本发明的申请人已销售了DE 20 2006005 643 U1中所述的装置，该装置包括接收光学单元，该接收光学单元包括产品代号LS 840/880的小孔光圈和镜头元件。

已知的装置是被设计为三维地测量空间区域和/或物体的所谓激光扫描器。典型的应用包括测量大工厂的内部，测量如建筑物或船壳的大物体，或法学上测量犯罪现场。已知的激光扫描器具有可绕垂直轴旋转的测量头。测量头包含具有以45°倾斜的镜的转子，该镜与光发射器和光接收器相对地设置。光发射器生成发射光束，通过旋转镜的辅助来偏转该发射光束使得出现垂直扫描扇。通过镜将从物体反射的接收光束转向到光接收器。从发射和接收光束的传播时间确定测量头和发射光束被反射的物体点之间的距离。测量头绕垂直轴的旋转使得可以在方位角上旋转(垂直)扫描扇，使得可以实际上测量激光扫描器附近的整个空间区域。

DE 20 2006 005 643 U1说明了该激光扫描器与图像记录单元的有利组合，图像记录单元被设计为记录空间区域的彩色图像以补充距离测量值。

在该激光扫描器的情况下或在估计发射和接收光束的传播时间的更一般的距离测量装置的情况下，一个已知问题涉及到基于各个测量距离接收光束可具有的大强度差。光发射器/光接收器和物体之间的距离越大，接收光束到达光接收器的信号功率越低。为了使得大测量范围成为可能，光接收器必须能够一方面接收短距离强功率信号，另一方面处理大距离弱功率接收信号。如果接收功率太高，则光检测器被过驱动，这在极端情况下会导致光接收器的损坏。即使光接收器没有被毁坏或破坏，在过高的接收信号功率处可靠的距离确定是不可能的。与之对照，如果接收功率太弱，不再能够从不可避免的干扰如环境和检测器噪声中区分接收信号。

在已知的激光扫描器的情况下，光发射器在接收光学单元之前同轴地放置，且遮蔽其中心区域。因此，接收光束仅以光环的形式到达接收光学单元，从该光环“切掉”中心区域。通过镜头元件将该光环成像到小孔光圈。如果成像的光环的直径小于小孔光圈的直径，则光环完全适合通过小孔光圈。在这种情况下，除了被遮蔽的中心区域以外的整个接收光束可入射在小孔光圈的下游处设置的光检测器上。然而，如果光环的直径大于小孔光圈的直径，小孔光圈限制到达光检测器的光的量。由于接收光学单元的成像特性，光环的直径取决于接收光束覆盖的距离。对于大距离，光环的直径小。光环的直径在短距离的情况下增加。由于该特性，在光检测器上完全地(除了不透光元件的中心遮蔽)对来自大距离的接收光束成像，而来自短距离的接收光束仅部分地到达光检测器。这稍微补偿了根据距离的不同的接收信号功率。

然而，已示出该类型的补偿不是最佳的，因为光环可在更短距离的情况下变大，使得由于中心遮蔽对于任何接收光根本不再可能通过小孔光圈。因此，已知激光扫描器的测量范围被不利地限于短距离。

本发明的目的是提供前序中提及类型的装置，使得能够在扩展的测量范围上确定距离。期望对于短和长距离可以以高准确度确定距离。

根据本发明的一方面，通过前序中提及的类型的装置实现该目的，其中在横截面方向上基本上为帽状的第二镜头元件设置在第一镜头元件和小孔光圈之间。

因此第二镜头元件是复杂形状的镜头元件。其横截面方向上具有相对较厚的中心区域和相对较薄的外围区域，在之间设置(优选地弯曲)过渡区域。由于复杂帽形，当考虑第二镜头元件的横截面方向上的过渡区域比中心区域和外围区域更深。具有向外辐射地变化陡度、且其中过渡区域在横截面方向上具有显著更高的陡度的镜头具有如下效果：入射在过渡区域中的镜头元件上的光束与入射在镜头元件的中心区域上的光束不同地被折射。通过该基于位置的行为的辅助，可以将不同的距离的光束偏转到不同的程度。特别地，新颖的第二镜头元件可确保在已知激光扫描器的情况下几乎被完全抑制的来自较短距离的接收光束现在可以以一定的光比例通过小孔光圈。因此新颖的装置具有针对较短距离的扩展测量范围。