本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序的光電測(cè)量裝置以及根據(jù)權(quán)利要求12的前序的光電測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

已知光電測(cè)量裝置具有多種形式，基于光輻射使用該光電測(cè)量裝置確定距離和/或位置。示例為諸如針對(duì)大地或工業(yè)測(cè)量目的的電子視距儀、全站儀、多站儀、或激光掃描儀的大地測(cè)量裝置、激光跟蹤儀、或手持式電子測(cè)距儀或測(cè)向儀。這些裝置共享如下特征：它們包括用于生成測(cè)量輻射的至少一個(gè)輻射源和諸如透鏡、光導(dǎo)纖維或準(zhǔn)直器的光學(xué)裝置，借助于所述光學(xué)裝置，所生成的測(cè)量輻射可以朝向待測(cè)的目標(biāo)被發(fā)射到自由空間，由于該原因，這些裝置也被稱為所謂的自由射束傳感器。例如，待測(cè)的目標(biāo)是自然物體或特別設(shè)計(jì)用于測(cè)量目的的目標(biāo)(例如，回射器)的表面的點(diǎn)。被照射目標(biāo)以擴(kuò)散或定向的方式反射測(cè)量輻射，使得測(cè)量輻射的至少一部分被反射到測(cè)量裝置上。測(cè)量裝置具有光電傳感器，該光電傳感器被設(shè)計(jì)用于測(cè)量輻射的時(shí)間分辨檢測(cè)和/或位置分辨檢測(cè)，例如，PIN二極管、CMOS芯片或位置敏感探測(cè)器(PSD)?；跈z測(cè)到的測(cè)量輻射確定所需的測(cè)量變量，例如，距離值或方向值或2D/3D坐標(biāo)。在這種情況下，各種測(cè)量原理是可用的，例如，相位差測(cè)量或運(yùn)行時(shí)間測(cè)量(飛行時(shí)間TOF)或基于斐索(Fizeau)原理的測(cè)量。

光學(xué)測(cè)量輻射在這種情況下被理解為不僅在光譜的可見光范圍內(nèi)的電磁輻射，而且還被理解為紅外光(即，具有大于約700nm的波長(zhǎng)的輻射)。已知光電測(cè)量裝置使用具有405nm、532nm、635nm、650-690nm、780nm和/或785nm、795nm、808-850nm、905nm、1064nm或1545nm和/或1550nm的波長(zhǎng)的測(cè)量輻射。例如，以下波長(zhǎng)用于制造商Leica Geosystems的裝置：全站儀TPS1200+660nm和785nm、全站儀TCA2003 850nm、激光掃描儀HDS3000 532nm、激光掃描儀HDS4400905nm、激光掃描儀HDS8800 1545nm、測(cè)距儀Disto D5 635nm、激光跟蹤儀AT401795nm和機(jī)載激光掃描儀ALS80 1064nm。

測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量和/或所需的測(cè)量變量的確定的質(zhì)量基本上取決于信噪比(SNR)。這進(jìn)而決定性地取決于所檢測(cè)到的輻射功率。檢測(cè)到的高輻射功率有利于能夠從噪聲和/或從背景輻射中明確和清晰地限定出測(cè)量輻射。在這種情況下，所發(fā)射的輻射功率越高，檢測(cè)到的輻射功率(在其他條件一致的情況下)越高。在這種情況下，所發(fā)射的輻射功率Pe與檢測(cè)到的輻射功率Pr的比可以通過所謂的雷達(dá)探測(cè)距離方程來描述(cf.Jelalian,A.V.:Laser Radar Systems.Artech House,1992,page 6)：

其中，ρ：目標(biāo)的反射系數(shù)，D：測(cè)量裝置的孔徑開口和/或檢測(cè)透鏡的直徑；R：到目標(biāo)的距離，η_atm：大氣透射系數(shù)，以及ηsys：測(cè)量裝置和/或其檢測(cè)光學(xué)單元的透射系數(shù)。

該方程例示出了如下事實(shí)：只有所發(fā)射的輻射功率的一小部分被再次接收，即所發(fā)射的輻射的大部分被“丟失”而未使用。由于到目標(biāo)的距離作為該到目標(biāo)的距離的平方被包括在方程式中，所以最大可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍在很大程度上取決于測(cè)量輻射的發(fā)射功率和/或輻射源的能量。因此，高輻射功率對(duì)于相對(duì)于非常遠(yuǎn)的目標(biāo)的測(cè)量是特別有利的?，F(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置具有相對(duì)低的平均輻射功率，然而，在小于1毫瓦到幾毫瓦的范圍內(nèi)，例如，在來自Leica Geosystems的全站儀TCR1103的情況下的功率是0.95mW，并且在來自Leica Geosystems的測(cè)距儀Disto D5的情況下的功率也小于1mW。

通過使用最短可能的脈沖(即，使用基本上小于1:100的占空比)對(duì)發(fā)射器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制，進(jìn)行嘗試以增加靈敏度并因此增加測(cè)量范圍。在這種情況下，與占空比成反比(inverse to)的脈沖功率高于平均輻射功率。在這種情況下，相應(yīng)地改善了脈沖檢測(cè)和信噪比，盡管長(zhǎng)距離和/或在遠(yuǎn)距離處的目標(biāo)是不可測(cè)量的或者僅可被不充分或不精確地測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

然而，高輻射功率對(duì)于具有(如許多自然表面所具有的)低反射率和/或小的反射系數(shù)的測(cè)量目標(biāo)也是重要的。在這種情況下，自然目標(biāo)也被理解為人造結(jié)構(gòu)(例如，混凝土、瀝青或金屬)。然而，即使在使用諸如反射膜、平面反射器(石英貓眼)或回射器的非天然的合作目標(biāo)(即，專門設(shè)計(jì)用于測(cè)量目的并且以定向和/或成束方式反射輻射的目標(biāo))的情況下，高功率是有利的，因?yàn)橛绕涫俏挥诘侥繕?biāo)的長(zhǎng)距離處的其反射表面(例如，大約0.001m²)相對(duì)于測(cè)量輻射橫截面的面積是較小的，所以在這種情況下，實(shí)踐中也只有所發(fā)射的輻射的一部分被反射。還要考慮的是，作為接收器光學(xué)單元的幾何限制的結(jié)果，整體反射的測(cè)量輻射通常不能被檢測(cè)到，而是大多數(shù)入射在測(cè)量裝置上的孔徑和/或接收光學(xué)單元之外。

出于上述原因，關(guān)于可實(shí)現(xiàn)的精度和范圍，測(cè)量輻射的最高可能功率是期望的，和/或測(cè)量輻射的低功率相對(duì)于可實(shí)現(xiàn)的精度和/或測(cè)量范圍是不利的。

雷達(dá)測(cè)距方程也涉及待測(cè)量的自然物體表面的反射或后向散射的程度。反射率越高，接收信號(hào)越高。反射率是具有顯著的波長(zhǎng)依賴性的物體特異性光譜特征函數(shù)。因此，有利地為測(cè)量?jī)x器的測(cè)量輻射選擇波長(zhǎng)，在該測(cè)量輻射下為測(cè)量?jī)x器提供的目標(biāo)物體具有高反射率。

此外，在通過自由空間和/或大氣期間盡可能少地衰減的測(cè)量輻射是有利的，其在上述方程中以高的大氣透射系數(shù)表示。因?yàn)橥干涫遣ㄩL(zhǎng)相關(guān)的，所以相對(duì)較強(qiáng)地衰減的波長(zhǎng)的測(cè)量輻射是不利的，因?yàn)楸M管所發(fā)射的測(cè)量輻射的高功率，接收到的測(cè)量輻射的功率和因此接收信號(hào)的電平由此較低，特別是在較長(zhǎng)的測(cè)量距離處。

另一方面，升高的噪聲對(duì)信噪比和因此對(duì)測(cè)量結(jié)果具有負(fù)面影響。升高的和/或高的噪聲首先在室外測(cè)量的情況下發(fā)生，主要由于太陽輻射，所述太陽輻射直接入射或作為環(huán)境光漫射在接收光學(xué)單元上并且然后在測(cè)量裝置的傳感器上。具體地在瞄準(zhǔn)和測(cè)量明亮表面(諸如，白色房屋外墻)的情況下，背景輻射是大量的，接收單元中的散粒噪聲電平(shot noise level)增加并且降低了信噪比并因此降低了測(cè)量精度。因此，相對(duì)于測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量和/或所需要的測(cè)量變量的確定的質(zhì)量，環(huán)境輻射和/或外部輻射的最小可能接收是有利的。

相對(duì)于所描述的(干擾)因素，從現(xiàn)有技術(shù)已知的測(cè)量裝置和/或其輻射源的所發(fā)射的波長(zhǎng)具有缺點(diǎn)，所述缺點(diǎn)首先涉及檢測(cè)到的輻射功率與發(fā)射的輻射功率的比，并且在下文將詳細(xì)描述。

因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于距離測(cè)量和/或位置測(cè)量的改進(jìn)的光電測(cè)量裝置。

所述目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的特性化特征的實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)從屬權(quán)利要求和說明書(包括附圖說明)可以推斷出以另選或有利的方式改進(jìn)本發(fā)明的特征。如果沒有另外明確說明，在本文件中以另一種方式示出或公開的本發(fā)明的所有實(shí)施方式都可以彼此組合。

本發(fā)明涉及一種用于距離確定和/或位置確定的光電測(cè)量裝置，所述光電測(cè)量裝置包括用于生成第一波長(zhǎng)的光學(xué)測(cè)量輻射的至少一個(gè)輻射源。該測(cè)量裝置還包括用于測(cè)量輻射的位置分辨檢測(cè)和/或時(shí)間分辨檢測(cè)的光電傳感器。此外，該測(cè)量裝置包括例如透鏡、棱鏡、準(zhǔn)直器、反射鏡和/或光纖的光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置被設(shè)計(jì)用于光束引導(dǎo)，使得生成的測(cè)量輻射可以朝向待測(cè)的目標(biāo)被發(fā)射到自由空間中，并且被目標(biāo)反射的測(cè)量輻射至少部分被引導(dǎo)到傳感器上。根據(jù)本發(fā)明，輻射源被設(shè)計(jì)成使得第一波長(zhǎng)在1210nm至1400nm之間的近紅外范圍內(nèi)。此外，輻射源被設(shè)計(jì)為使得發(fā)射的測(cè)量輻射的功率在時(shí)間平均和空間平均上為至少14mW。

在本發(fā)明中使用的波長(zhǎng)范圍被有意地選擇為使得一系列優(yōu)點(diǎn)與其聯(lián)系起來，特別是相對(duì)于可檢測(cè)的輻射功率和信噪比，這在下文中結(jié)合圖1至圖10來描述。在這種情況下，與現(xiàn)有技術(shù)的裝置相比，本發(fā)明提供了高的可接收的測(cè)量輻射功率的優(yōu)點(diǎn)，這使能例如關(guān)于作為改善的信噪比的結(jié)果的測(cè)量信號(hào)分析而實(shí)現(xiàn)具有針對(duì)測(cè)量裝置的減少的需求并且因此降低的生產(chǎn)成本的改進(jìn)的測(cè)量精度和/或測(cè)量范圍和/或一致的測(cè)量精度和/或測(cè)量范圍。

第一波長(zhǎng)可選地在1280nm至1320nm之間，具體地在1290nm至1310nm之間。如下所述，這些范圍對(duì)于被設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)測(cè)量范圍的測(cè)量裝置特別有利。另選地，第一波長(zhǎng)在1320nm至1400nm之間，具體地在1325nm至1345nm之間。

可選地，測(cè)量輻射以至少40mW的平均功率被發(fā)射，具體地以至少100mW的平均功率被發(fā)射，尤其是以至少250mW的平均功率被發(fā)射。輻射源優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成生成具有信號(hào)調(diào)制的測(cè)量輻射。在這種情況下，尤其使用從電信中已知的調(diào)制形式。根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)調(diào)制的示例是突發(fā)調(diào)制或頻率調(diào)制。

在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的具體改進(jìn)中，輻射源被設(shè)計(jì)為生成作為連續(xù)波的測(cè)量輻射，即，被設(shè)計(jì)為生成非脈沖輻射。在這種情況下，連續(xù)波輻射被理解為在至少0.4ms的時(shí)間段內(nèi)連續(xù)發(fā)射的測(cè)量輻射。因此，所發(fā)射的測(cè)量輻射的平均功率被理解為在至少這個(gè)時(shí)間段(即，400μs)上平均的功率。

通常，即，獨(dú)立于連續(xù)波操作的存在，平均功率在本發(fā)明的范圍內(nèi)被理解為使用“慢”功率計(jì)被測(cè)量或?qū)⒈粶y(cè)量的功率，因此，例如，在具有脈沖測(cè)量輻射的測(cè)量裝置的情況下，其不能遵循脈沖持續(xù)時(shí)間或脈沖序列，并且因此不具有時(shí)間分辨率。也就是說，單個(gè)脈沖或峰值脈沖的功率取決于脈沖持續(xù)時(shí)間或脈沖序列必須非常高，以補(bǔ)償無功空閑時(shí)間，并且因此達(dá)到平均至少14mW的最小功率。在這種情況下，例如，在至少0.25s、1s或10s上執(zhí)行時(shí)間平均。

對(duì)于不執(zhí)行具有測(cè)量輻射的基本靜態(tài)發(fā)射方向的單點(diǎn)測(cè)量(無“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量”)而是發(fā)射在自由空間中快速樞轉(zhuǎn)的測(cè)量輻射(快速得使得使用功率計(jì)不能跟蹤其移動(dòng))的測(cè)量裝置，特別是激光掃描儀和激光廓線儀，這意味著根據(jù)本發(fā)明，輻射源直接發(fā)射的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于14mW的平均功率，使得所發(fā)射的測(cè)量輻射的功率如本發(fā)明中所定義的平均為至少14mW，類似于在發(fā)射脈沖序列的單個(gè)脈沖時(shí)的輻射源的功率，這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于14mW。換句話說，在這種測(cè)量裝置中，功率在空間上分布，(當(dāng)圍繞軸線樞轉(zhuǎn)時(shí))輻射源或測(cè)量波束的標(biāo)稱功率被認(rèn)為是分布在圓形或環(huán)形表面上，使得該標(biāo)稱功率的與該環(huán)表面的表面元件的部分對(duì)應(yīng)的部分在本發(fā)明的意義上被認(rèn)為是功率。(還可以說，在本發(fā)明的理解中的這種測(cè)量裝置中，提供了具有與掃描角度(例如，360°)對(duì)應(yīng)的發(fā)散度的測(cè)量波束)。因此，在這種以平面方式測(cè)量的掃描裝置的情況下，將以一致發(fā)射方向測(cè)量(即，例如，以在功率計(jì)上連續(xù)對(duì)準(zhǔn)的測(cè)量波束測(cè)量)的測(cè)量輻射的功率(該功率被理解為空間峰值功率)根據(jù)本發(fā)明是不相關(guān)的，而是使用快速旋轉(zhuǎn)測(cè)量波束(如在實(shí)際測(cè)量操作中)的功率，該功率是或?qū)⒂啥ㄎ辉诠潭ㄎ恢?即，不遵循樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))的“慢功率計(jì)”來測(cè)量。

換句話說，根據(jù)本發(fā)明，輻射源的光輸出或峰值功率因此是不相關(guān)的，而是關(guān)于測(cè)量裝置在上述最小持續(xù)時(shí)間內(nèi)在固定位置處平均可接收或可測(cè)量或者將可接收或可測(cè)量的功率。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的按照在時(shí)間上和空間上平均的所發(fā)射的測(cè)量輻射的功率既不是時(shí)間峰值功率也不是空間峰值功率，而是與時(shí)間平均和空間平均對(duì)應(yīng)的功率(其中，應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的含義中的空間平均不涉及測(cè)量波束本身內(nèi)的可能的空間功率分布，而是涉及測(cè)量波束在空間中的可能的快速樞轉(zhuǎn))。只有在沒有樞轉(zhuǎn)的連續(xù)波操作的情況下，該平均的值簡(jiǎn)單地等于輻射功率和/或輻射源輸出功率，相反，在具有樞轉(zhuǎn)的連續(xù)波操作的情況下，將執(zhí)行空間平均(根據(jù)本發(fā)明的時(shí)間平均不是必需的，因?yàn)楣β适前磿r(shí)間順序恒定的，并且因此被忽略不計(jì))，在沒有(快速)樞轉(zhuǎn)的脈沖操作的情況下，僅執(zhí)行時(shí)間平均(根據(jù)本發(fā)明的空間平均不是必需的，因?yàn)樵诳臻g中沒有出現(xiàn)測(cè)量波束的樞轉(zhuǎn)，并且因此被忽略不計(jì))，并且在具有樞轉(zhuǎn)的脈沖操作的情況下，將執(zhí)行時(shí)間平均以及空間平均二者。在脈沖操作的情況下，為了確定本發(fā)明意義上的功率，單個(gè)脈沖的功率因此在時(shí)間的平均化時(shí)間段內(nèi)被均勻地“分布”或“散布(smear)”，因此就好像在時(shí)間的每個(gè)點(diǎn)提供均勻功率(作為總時(shí)間段內(nèi)所有脈沖的能量的總和的功率)。類似地，在激光掃描儀或激光廓線儀的樞轉(zhuǎn)操作的情況下，單個(gè)測(cè)量波束的功率將在該區(qū)域上被均勻地“散布”，因此就好像在區(qū)域的每個(gè)點(diǎn)或每個(gè)區(qū)域元素處在特定時(shí)間點(diǎn)存在相等的功率。在脈沖操作與樞轉(zhuǎn)操作組合的情況下，兩者均需要在本發(fā)明的意義上獲得平均功率。

輻射源可選地被設(shè)計(jì)為激光源，具體地激光二極管，尤其是作為InGaAs或InGaAs激光二極管。另選地，輻射源被設(shè)計(jì)為具有光放大器的超發(fā)光二極管(SLED)。作為另一替代方案，輻射源可以被設(shè)計(jì)為固態(tài)激光儀，具體地具有1342nm波長(zhǎng)的NdYVO4晶體激光儀。

在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的一個(gè)改進(jìn)中，光學(xué)裝置被設(shè)計(jì)為使得測(cè)量輻射作為分解的測(cè)量波束被發(fā)射，即，作為非準(zhǔn)直的、發(fā)散的測(cè)量輻射被發(fā)射。可選地，測(cè)量輻射基于光學(xué)裝置例如借助于樞轉(zhuǎn)鏡或可旋轉(zhuǎn)棱鏡圍繞至少一個(gè)軸線是可樞轉(zhuǎn)的。作為另一選擇，測(cè)量裝置具有用于發(fā)射測(cè)量輻射和用于接收從目標(biāo)反射的測(cè)量輻射的共享物鏡。作為另一選擇，光學(xué)裝置也透射在光譜的可見光范圍內(nèi)的光，即，光學(xué)裝置被設(shè)計(jì)為不僅用于引導(dǎo)根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)的測(cè)量輻射，而且還能夠引導(dǎo)具有在可見光范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的另外的輻射。光學(xué)裝置優(yōu)選基本上由光學(xué)玻璃(具體地，硅酸鹽玻璃，例如硼硅酸鹽冕玻璃(borosilicate crown glass)、火石玻璃)或光學(xué)塑料(諸如聚碳酸酯(PC)或有機(jī)玻璃(PMMA))制成，其中，環(huán)烯烴共聚物(COC，COP)的使用也是可以想到的。

作為另一替代方案，測(cè)量裝置包括光頻變換器，具體地倍頻器，由此，測(cè)量輻射的至多25％，具體地至多10％，尤其是至多2.5％的分量可轉(zhuǎn)換為較短的第二波長(zhǎng)，具體地，該第二波長(zhǎng)是第一波長(zhǎng)的一半，使得優(yōu)選地同時(shí)地，可以發(fā)射第二波長(zhǎng)的附加輻射，具體地，其中，第二波長(zhǎng)在紅色光譜范圍內(nèi)，具體地，在645nm至680nm之間。特別地，在這些實(shí)施方式中，如所提及的，光學(xué)裝置還被設(shè)計(jì)用于引導(dǎo)可見光輻射。

測(cè)量裝置可選地被設(shè)計(jì)用于測(cè)量自然的、非協(xié)作的目標(biāo)和表面。作為另一選擇，傳感器被設(shè)計(jì)用于在亞毫米和/或亞皮秒范圍內(nèi)的測(cè)量精度。在另一改進(jìn)中，測(cè)量裝置包括圍繞基座可樞轉(zhuǎn)的上部，其中，該上部包括輻射源，使得從而通過樞轉(zhuǎn)該上部，測(cè)量輻射的方向可相對(duì)于基座樞轉(zhuǎn)，具體地，在水平方向上樞轉(zhuǎn)。

在可選的實(shí)施方式中，測(cè)量裝置在各種情況下被設(shè)計(jì)為手持激光測(cè)距儀、機(jī)載激光掃描儀或激光輪廓儀(激光雷達(dá))、陸地激光掃描儀(TLS)或中距或長(zhǎng)距激光輪廓儀、或激光全站儀(TPS)。

在另一改進(jìn)中，測(cè)量裝置包括波形數(shù)字化模塊或頻率調(diào)制連續(xù)波模塊。測(cè)量裝置可選地還包括光混頻器，該光混頻器被設(shè)計(jì)為執(zhí)行零差混頻法或外差混頻法。

本發(fā)明另外涉及一種用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電測(cè)量裝置的光電測(cè)量方法，該光電測(cè)量方法用于確定至少一個(gè)距離和/或位置。該測(cè)量方法包括以下步驟：

-朝向待測(cè)的目標(biāo)發(fā)出測(cè)量輻射，

-接收從目標(biāo)反射的測(cè)量輻射的至少一部分，

-借助于接收到的測(cè)量輻射來確定距離和/或位置，

其中，測(cè)量輻射以在1210nm至1400nm之間的近紅外范圍內(nèi)的第一波長(zhǎng)以及以至少14mW的平均功率來發(fā)射。第一波長(zhǎng)可選地在1280nm至1320nm之間，尤其在1290nm至1310nm之間。另選地，第一波長(zhǎng)在1320nm至1400nm之間，尤其在1335nm至1345nm之間。作為另一個(gè)可選方案，測(cè)量輻射以平均至少40mW，特別是至少100mW的功率來發(fā)射。

在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量方法的一個(gè)改進(jìn)中，根據(jù)波形數(shù)字化法、相位差法、閾值法或斐索法(Fizeau method)來執(zhí)行距離的確定。另選地或附加地，根據(jù)焦點(diǎn)分析法、相關(guān)分析法或最大似然估計(jì)法來執(zhí)行位置的確定。作為所選擇的波長(zhǎng)和測(cè)量輻射的相對(duì)高的功率的結(jié)果，本發(fā)明使得能夠在應(yīng)用領(lǐng)域中使用相位差法和閾值法，在該應(yīng)用領(lǐng)域中使用現(xiàn)有技術(shù)的方法和/或裝置是不可能的。例如，在對(duì)于非常遠(yuǎn)的目標(biāo)(即，長(zhǎng)測(cè)量范圍)或在弱反射目標(biāo)上的測(cè)量的情況下，使用已知的測(cè)量裝置檢測(cè)到的反射的測(cè)量輻射太低而不能夠使用相位差法或閾值法。具體地，在使用相位差法的情況下，本發(fā)明在相對(duì)較暗的目標(biāo)上也提供了增加的范圍、更快速的測(cè)量速率和更精確的測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。使用通過外差法實(shí)現(xiàn)的非常多的脈沖的求和，相位差法實(shí)現(xiàn)了非常高的精度(小于100μm的非常低的距離抖動(dòng))。如果使用閾值法，則本發(fā)明提供了進(jìn)一步的成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殚撝捣ㄊ窍鄬?duì)成本有效的測(cè)量方法。此外，例如，與導(dǎo)致輪廓或邊緣拖尾的脈沖平均相反，這些方法在掃描測(cè)量的情況下在位置分辨率方面提供優(yōu)點(diǎn)，在掃描測(cè)量期間，測(cè)量輻射非?？焖俚貥修D(zhuǎn)。

作為另一選擇，借助于脈沖調(diào)制、間隔調(diào)制、雙脈沖間隔調(diào)制、振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、突發(fā)調(diào)制、偏振調(diào)制或波長(zhǎng)調(diào)制來調(diào)制測(cè)量輻射。

作為另一選擇，測(cè)量輻射包括至少兩個(gè)波長(zhǎng)，并且針對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)確定接收到的測(cè)量輻射的信號(hào)振幅。因此，在根據(jù)本發(fā)明所述的方法的該改進(jìn)中，不僅以一個(gè)波長(zhǎng)，而且利用至少兩個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射測(cè)量輻射，其中，根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)波長(zhǎng)，優(yōu)選地所有波長(zhǎng)在1210nm至1400nm之間的范圍內(nèi)。此外，接收到的測(cè)量輻射相對(duì)于其振幅被分析，使得針對(duì)至少兩個(gè)波長(zhǎng)確定強(qiáng)度。測(cè)量輻射優(yōu)選具有多個(gè)波長(zhǎng)，例如，10、50、100或250個(gè)不同的波長(zhǎng)或光譜帶，這些波長(zhǎng)或光譜帶優(yōu)選地彼此靠近地定位，并且執(zhí)行高光譜強(qiáng)度測(cè)量。因此，例如，使用根據(jù)本發(fā)明所述的方法可確定待測(cè)物體的光譜特征。

本發(fā)明還包括具有用于控制和/或執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明所述的方法的程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或由電磁波實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)，具體地，當(dāng)該程序在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的控制和分析單元中執(zhí)行時(shí)。

附圖說明

根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置和根據(jù)本發(fā)明所述的方法在下文中基于在附圖中示意性地例示出的實(shí)施方式和應(yīng)用程序來更詳細(xì)地描述。

在各個(gè)附圖中：

圖1示出了根據(jù)波長(zhǎng)的大氣吸收帶的地球上的太陽光譜；

圖2示出了根據(jù)波長(zhǎng)的人眼從透鏡到視網(wǎng)膜的光譜透射度；

圖3a、圖3b、圖3c和圖3d示出了根據(jù)針對(duì)定義的測(cè)量距離的的大氣透射率和根據(jù)測(cè)量距離的接收到的測(cè)量輻射功率；

圖4示出了根據(jù)波長(zhǎng)的各種材料的反射率；

圖5示出了作為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的第一示例性實(shí)施方式的電子測(cè)距儀；

圖6a和圖6b示出了作為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的第二示例性實(shí)施方式的部分的掃描單元；

圖7a和圖7b示出了作為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的又一示例性實(shí)施方式的全站儀；

圖8a、圖8b和圖8c示出了作為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的又一示例性實(shí)施方式的激光跟蹤儀；

圖9示出了根據(jù)波長(zhǎng)的銅涂層的反射率；

圖10示出了入射的測(cè)量波束點(diǎn)的偏差的示意圖；以及

圖11示出了用于頻率梳輔助測(cè)量(frequency-comb-assisted measurement)的干涉儀單元的示意性示例。

具體實(shí)施方式

圖1示出根據(jù)波長(zhǎng)的、入射到地球(在海平面)上的太陽總輻射(solar global radiation)?？傒椛涞淖畲笾翟谳椛涔庾V的可見光范圍內(nèi)并向近紅外范圍下降。也就是說，對(duì)于室外測(cè)量，具有在從大約1150nm波長(zhǎng)開始的近紅外范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的測(cè)量輻射比在550nm處小至少三倍。另外，具有高光透射率的大氣窗口位于1150nm至1350nm之間。根據(jù)本發(fā)明，該光譜范圍內(nèi)的輻射源比可見光范圍內(nèi)的測(cè)量輻射更有利，例如，使用已知的波長(zhǎng)532nm、635nm，而且使用與IR光譜鄰接的范圍，例如，1064nm，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)，自然的外部輻射和/或背景輻射的干擾影響顯著更小。具體地，在1320nm至1400nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，總輻射特別低。其原因是空氣中的水和二氧化碳分子的高輻射吸收。這種吸收帶屏蔽太陽輻射，但是具有的缺點(diǎn)是，光電測(cè)量裝置的有用光也至少在大于100m的距離處被強(qiáng)烈減小。相反，在最多幾十米的短距離處，信號(hào)衰減是不顯著的，并且在足夠大的發(fā)射功率下，產(chǎn)生比可見光和近紅外范圍中的信噪比基本上更好的信噪比。因此，波長(zhǎng)范圍1320-1400nm對(duì)于光電短距離傳感器來說是有利的。相反，對(duì)于諸如激光經(jīng)緯儀和大地全站儀的長(zhǎng)距離傳感器，1170-1310nm之間的大氣窗口的波長(zhǎng)范圍是有利的。該范圍的特點(diǎn)是低的太陽總輻射和大氣的高光譜透射。因此，本發(fā)明可相對(duì)于背景輻射實(shí)現(xiàn)基本上更好的信噪比，并且因此例如在信號(hào)分析中實(shí)現(xiàn)比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置中實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度、測(cè)量速度和/或測(cè)量范圍更大的測(cè)量精度、更高的測(cè)量速度和/或測(cè)量范圍，而無需額外的支出。

圖2示出了根據(jù)從350nm到1400nm的波長(zhǎng)范圍的波長(zhǎng)的到視網(wǎng)膜的人眼透射率(透射度)。這在所示光譜的長(zhǎng)波端基本上與約2cm的水的透射行為對(duì)應(yīng)。從1150nm的波長(zhǎng)開始，透射率迅速降低，并且在1320nm到1400nm之間透射率小于約10％。也就是說，對(duì)于該范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，由測(cè)量輻射對(duì)人眼造成損害的風(fēng)險(xiǎn)非常低。與此相反，較低波長(zhǎng)的測(cè)量輻射(特別是在可見光范圍內(nèi)的測(cè)量輻射)以及例如波長(zhǎng)1064nm的測(cè)量輻射具有基本上較高的潛在風(fēng)險(xiǎn)，使得測(cè)量輻射僅可以以被認(rèn)為對(duì)于眼睛是安全的例如1mW的非常低的功率來發(fā)射。在UV范圍內(nèi)的測(cè)量輻射進(jìn)而也不會(huì)穿透到達(dá)視網(wǎng)膜，但是可能損壞角膜，因此所建立的激光安全限制值在這里也基本上比根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)范圍低。對(duì)于具有大于1400nm的波長(zhǎng)的測(cè)量輻射，具體地從現(xiàn)有技術(shù)已知的、具有1550nm波長(zhǎng)的裝置來說，這同樣是這樣的。所建立的激光安全限制值也顯著低于這里針對(duì)1200nm-1400nm的波長(zhǎng)范圍的激光安全限制值，即，對(duì)于大于1400nm的波長(zhǎng)來說，最大允許輻射功率基本上較小。從圖2可以明顯地看出，在根據(jù)本發(fā)明的具有在1320nm至1400nm之間的波長(zhǎng)的測(cè)量裝置中，透射率特別低。所建立的限制值在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)特別高，這有利地實(shí)現(xiàn)特別高的輻射功率，例如，測(cè)量輻射的平均功率可選地為至少40mW、至少90mW或至少250mW。因此，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點(diǎn)：可以以比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置基本上更高的功率發(fā)射測(cè)量輻射，而無需采取特別的保護(hù)預(yù)防措施。

圖3a示出根據(jù)波長(zhǎng)范圍為1μm至2μm(即，1000nm至2000nm)的波長(zhǎng)和1000m的光路徑距離和/或500m的測(cè)量距離的、具有天然含水量的地球大氣的光譜透射率(透射度)。可以識(shí)別具有較大的透射率的三個(gè)光譜范圍，這也被稱為透射窗。根據(jù)本發(fā)明的第一波長(zhǎng)范圍在1.25μm窗口(1170nm-1320nm)的范圍內(nèi)，并且因此提供的優(yōu)點(diǎn)是，測(cè)量輻射也在中距離或長(zhǎng)距離幾乎被大氣不衰減或相對(duì)較少地衰減。換句話說，在該范圍內(nèi)，大氣透射系數(shù)較高或甚至幾乎為1。由于測(cè)量輻射由根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置中的裝置本身接收，因此測(cè)量距離是到目標(biāo)的距離的兩倍，使得具體地，在中等測(cè)量距離和長(zhǎng)測(cè)量距離處(即，對(duì)于到目標(biāo)的距離大于100m的距離)，高的大氣透射系數(shù)是特別有利的。根據(jù)本發(fā)明的第二波長(zhǎng)范圍包括1320nm至1400n m的范圍并且覆蓋具有高吸收的范圍。該范圍特別適用于小于25m的短距離應(yīng)用，因?yàn)橛捎贐eer-Lambert指數(shù)定律，測(cè)量輻射在短距離處以輻射度測(cè)量不會(huì)顯著減小，并且另外不存在由于太陽光而引起的干擾。總輻射在這些波長(zhǎng)處幾乎不能向下穿透到地球，產(chǎn)生散粒噪聲的環(huán)境亮度在白天也是可忽略的。

圖3b示出了對(duì)于1km的長(zhǎng)測(cè)量距離，從1.15μm到1.55μm(即，1150-1550nm)的波長(zhǎng)范圍的透射率。在這種情況下，在1210-1310nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的大氣透射系數(shù)大于70％，并且在大約1230nm至1280nm之間至少近似最大(即，大約等于100％)，因此，這些波長(zhǎng)范圍對(duì)于中等測(cè)量距離和長(zhǎng)測(cè)量距離是特別有利的。對(duì)于具有高透射率的1210-1310nm的光譜范圍，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置可以配備有來自電信領(lǐng)域的激光二極管。這些電信激光二極管以1250至1350nm發(fā)射，否則被用于具有低模色散(low mode dispersion)的1.3μm光纖網(wǎng)絡(luò)。

圖3c進(jìn)一步示出了該優(yōu)點(diǎn)。該圖示出了對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的1210-1310nm和1350-1400nm的兩個(gè)波長(zhǎng)范圍，根據(jù)到目標(biāo)的距離的、作為接收信號(hào)的質(zhì)量的測(cè)量的信噪比(SNR)，該信噪比從接收到的測(cè)量輻射功率和接收太陽環(huán)境光的噪聲貢獻(xiàn)而導(dǎo)出。1210nm(實(shí)線)至1310nm(虛線)的波長(zhǎng)在具有高透射率的大氣窗口的范圍內(nèi)，并且一個(gè)位于另一個(gè)之上。在這種情況下，期望的SNR比650nm的常規(guī)波長(zhǎng)處的SNR大2倍。大氣吸收范圍內(nèi)的大于1320nm的波長(zhǎng)在短距離處具有更高的SNR。例如，1350處的波長(zhǎng)(淺灰色實(shí)線)相對(duì)于0m至150m之間的參考波長(zhǎng)650nm是有利的，并且波長(zhǎng)1400nm(點(diǎn)劃線)在最多大約40m的短距離處具有最佳SNR。發(fā)射的測(cè)量輻射的功率在所有五個(gè)波長(zhǎng)處相等。作為在1210nm至1310nm之間的非常高的大氣透射的結(jié)果，接收信號(hào)的相關(guān)電平在這些波長(zhǎng)處最高。這些波長(zhǎng)在大于200m的距離處提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)，并且與其它波長(zhǎng)相比能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1km直至超過10km的測(cè)量范圍，并且因?yàn)樘柨傒椛?，不僅在夜間而且在白天實(shí)際上可以忽略不計(jì)。

圖3d示出了針對(duì)大氣透射窗口中的根據(jù)本發(fā)明的1210nm(虛線)和1310nm(點(diǎn)劃線)的兩個(gè)波長(zhǎng)、大氣吸收帶中的根據(jù)本發(fā)明的1350nm(實(shí)線)的另一波長(zhǎng)、以及作為其對(duì)比的從光纖激光儀和光纖放大器已知的1550nm(實(shí)線)的波長(zhǎng)，作為接收到的測(cè)量輻射功率的測(cè)量，根據(jù)到目標(biāo)的距離的傳感器的接收信號(hào)的振幅。與圖3c相比，曲線中的每一個(gè)現(xiàn)在涉及與根據(jù)針對(duì)眼睛安全所建立的限制值的最大允許功率有關(guān)的所發(fā)射的測(cè)量輻射的功率。在已知波長(zhǎng)1550nm處，所述功率比在根據(jù)本發(fā)明的1310nm和1350nm的波長(zhǎng)處小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在1350nm的波長(zhǎng)處提供最高輸出功率(500mW)，然而相比之下，在1300nm的波長(zhǎng)處，以大約200mW的功率執(zhí)行發(fā)射。作為較高輸出功率的結(jié)果，在1350nm的波長(zhǎng)處，盡管較高的大氣衰減，但在直到大約300m的到目標(biāo)的短距離處產(chǎn)生非常高的接收信號(hào)振幅。因此，1310nm至1400nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的使用為測(cè)量裝置和/或短距離測(cè)量提供了優(yōu)點(diǎn)。然而，與來自現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置(例如，所例示的具有1550nm的波長(zhǎng))相比，該波長(zhǎng)范圍還為高達(dá)約400m的中等測(cè)量距離提供了優(yōu)點(diǎn)。反之亦然，根據(jù)本發(fā)明的在1210nm至1310nm之間的波長(zhǎng)范圍尤其對(duì)于中等測(cè)量距離到長(zhǎng)測(cè)量距離是有利的，因?yàn)槿缢龅?，大氣透射系?shù)在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)特別高，使得可以接收非常高的接收信號(hào)和/或非常高的測(cè)量輻射功率。然而，作為較高的允許輸出功率的結(jié)果，使用該波長(zhǎng)或在1280nm至1320nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的測(cè)量裝置與已知波長(zhǎng)(例如，1550nm)相比在短測(cè)量距離的情況下也已經(jīng)提供了優(yōu)點(diǎn)。

圖4示出了根據(jù)測(cè)量輻射的波長(zhǎng)的幾種天然材料和/或物體(諸如，灌木叢)的反射率，具體地，在針對(duì)雪(實(shí)線)、草或葉樹(虛線)、針葉樹(長(zhǎng)虛線)、干土(短虛線)和瀝青(具有點(diǎn)劃線的線)的400nm至1800nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。在這種情況下，曲線圖僅表示近似的粗略值，以更加定性地示出各種物體的反射能力的波長(zhǎng)依賴性。此外，借助于示例粗略地示出了從現(xiàn)有技術(shù)已知的四個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)660nm、850nm、1064nm和1550nm，并且示出了如根據(jù)本發(fā)明所使用的1210nm至1400nm之間的波長(zhǎng)范圍?？梢院芎玫乜闯鲈诖蠖鄶?shù)材料的情況下隨波長(zhǎng)增加的反射率。特別地，植被物體在1000nm至1400nm之間的范圍內(nèi)反射特別高。然而，瀝青、混凝土和天然土壤(例如，沙土或壤土)也具有具有增加的反射率值的反射特征。在1300nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)測(cè)量這些物體的測(cè)量裝置相對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度是有利的?？梢钥闯觯貏e地，短于900nm的常規(guī)波長(zhǎng)相對(duì)于反射率以及因此相對(duì)于測(cè)量輻射的反射功率具有缺點(diǎn)。相對(duì)于諸如瀝青或土壤的材料，可見光范圍和與其鄰接的范圍的相對(duì)短的波長(zhǎng)是不利的，因?yàn)檫@里觀察到的表面的反射率隨波長(zhǎng)而增加。在對(duì)植物覆蓋的表面進(jìn)行測(cè)量的情況下，波長(zhǎng)660nm(或更小)的使用是不利的，因?yàn)椴莸楹蜕?樹葉和針葉森林二者)僅反射非常少的光。這也適用于IR-B范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，該范圍包括波長(zhǎng)1550nm。當(dāng)在雪覆蓋或冰覆蓋的表面上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，該波長(zhǎng)同樣是不利的，因?yàn)檠└采w或冰覆蓋的表面僅具有最高大約1400nm的高反射率，并且然后下降到非常低的值。反射率的強(qiáng)度尤其對(duì)最大可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍具有影響，因?yàn)樵诘头瓷渎实那闆r下，測(cè)量輻射衰減，使得接收到的測(cè)量輻射不再能夠與來自特定測(cè)量距離的噪聲區(qū)分開來。

與現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置相比，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點(diǎn)：在所有例示出的材料的情況下，存在相對(duì)好的反射能力，并且因此可接收具有相對(duì)高的分量的測(cè)量輻射。相對(duì)于土壤和瀝青，有利的是，在從1210nm開始的波長(zhǎng)處，這些材料與較短波長(zhǎng)相比具有相對(duì)較高的反射率。例如，在1400nm的波長(zhǎng)處，存在為在660nm的波長(zhǎng)處的反射能力大約兩倍的反射能力。與1550nm這樣甚至更長(zhǎng)的波長(zhǎng)相比，反射率較小，但是該差異僅是微小的，特別是對(duì)于1320nm至1400nm之間的波長(zhǎng)而言。雪在根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯示出非常高的反射率，并且1210nm至1400nm之間的波長(zhǎng)范圍相對(duì)于諸如草或葉樹的目標(biāo)是特別有利的。與1550nm的波長(zhǎng)相比，該優(yōu)點(diǎn)特別適用，在該1550nm的波長(zhǎng)處，如所描述的，雪和綠色植物的反射能力非常低。因此，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點(diǎn)：所使用的測(cè)量輻射的波長(zhǎng)在各種材料和/或物體的情況下具有良好的反射率，由此，反射的測(cè)量輻射導(dǎo)致相對(duì)較高的強(qiáng)度、高的可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍以及高的測(cè)量精度。

根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施方式配備有用于發(fā)射具有在1210nm至1310nm之間的一個(gè)或更多個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量輻射的發(fā)射單元。該裝置具有在長(zhǎng)距離處以較高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。特別地，圖3b中描述的大氣窗口的長(zhǎng)波端處(在1310nm處)的波長(zhǎng)范圍通過植被、土壤和巖石表面的高透射率、高反射率來區(qū)分。此外，激光安全限制值允許相對(duì)高的眼睛安全發(fā)射功率。因此，可以高精度地測(cè)量盡可能多的物體。

根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的另一個(gè)實(shí)施方式配備有具有在1320nm至1400nm之間的至少一個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)射單元和/或輻射源。該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于相對(duì)較高的發(fā)射功率，作為相應(yīng)設(shè)計(jì)的激光安全限制值和低的太陽入射輻射的結(jié)果，可以針對(duì)在短距離處的距離或方向確定執(zhí)行非常精確的光電測(cè)量。

如果使用多個(gè)波長(zhǎng)，則根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置被擴(kuò)展以形成高光譜分析儀器。在超過一個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)的情況下，可以發(fā)現(xiàn)和識(shí)別材料和物體，并且可以作出關(guān)于其狀態(tài)的結(jié)論，具體地，植被的健康狀態(tài)的確定。高光譜或多光譜儀器將優(yōu)選地覆蓋1170nm至1400nm之間的波長(zhǎng)，其中，多個(gè)波長(zhǎng)中的至少一個(gè)在根據(jù)本發(fā)明的1210nm至1400nm的范圍內(nèi)。

圖5示出了作為在用于測(cè)量距離的手持式電子測(cè)距儀中的根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置1的示例的外部視圖。特別是在建筑安裝或建筑檢查領(lǐng)域中，使用將被保持在手中的便攜式裝置，相對(duì)于待測(cè)量的結(jié)構(gòu)應(yīng)用所述便攜式裝置，并且然后對(duì)表面執(zhí)行距離測(cè)量。另選地或附加地，優(yōu)選地以作為從測(cè)量裝置到目標(biāo)41的方向或光學(xué)測(cè)量軸線與測(cè)量裝置的零軸線之間的角度的相對(duì)于表面的方向測(cè)量的形式執(zhí)行位置測(cè)量。例如在EP 0 738 899、WO 2015073548和EP 0 701 702中描述了適于這些應(yīng)用的典型的手持式測(cè)距儀。測(cè)距儀包括殼體，在該殼體中，布置有所需的電子組件。在這種情況下設(shè)計(jì)殼體，使得測(cè)量裝置1可以保持在手中并且還以限定的方式應(yīng)用于或附接到待測(cè)的目標(biāo)41。測(cè)量裝置1在其正面包括激光輻射源40和激光接收單元42，所述激光輻射源40和激光接收單元42在殼體中具有光學(xué)開口。顯示屏形式的顯示裝置43和鍵區(qū)形式的輸入裝置44位于裝置的上側(cè)。此外，可以提供相機(jī)(這里未示出)以借助于在發(fā)射方向的方向上記錄圖像來進(jìn)行方向確定。

根據(jù)本發(fā)明，激光輻射源40朝向諸如在墻壁上的目標(biāo)41將具有至少14mW的功率的1210nm至1400nm之間的范圍內(nèi)的至少一個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量輻射30發(fā)射到自由空間中，即，在朝向目標(biāo)41的方向上發(fā)射的測(cè)量輻射30具有至少14mW的在時(shí)間上和空間上平均的功率。該墻壁具有自然粗糙的表面，光束以散射的方式從該表面反射。散射地反射測(cè)量波束30的一部分由激光接收單元42收集，由測(cè)量裝置1的傳感器(未示出)檢測(cè)，并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)由電子電路以本身已知的方式分析以確定到目標(biāo)41的距離D的數(shù)字值。作為根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)的有利特性和發(fā)射的測(cè)量輻射30的相對(duì)高的功率的結(jié)果，在這種情況下，與現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置相比，信號(hào)電平高，這導(dǎo)致所確定的距離值的有利的高精度和/或長(zhǎng)的測(cè)量范圍，即，也使得能夠?qū)Ψ浅＿h(yuǎn)的目標(biāo)41進(jìn)行距離確定，并且具體地，對(duì)于陽光照射的表面也能夠進(jìn)行距離確定。由于良好的信噪比，在千赫茲和兆赫范圍內(nèi)的高測(cè)量速度也是可能的，因此可以重復(fù)測(cè)量物體或使用重復(fù)測(cè)量(跟蹤模式)來掃描物體。例如，相位測(cè)量或運(yùn)行時(shí)間測(cè)量被用于距離確定。然后，通過分析以數(shù)字方式確定的測(cè)量距離D的值(這里例如3.032m)在顯示屏43上被提供給用戶。

根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置可選地被設(shè)計(jì)為地面或機(jī)載激光掃描儀或激光輪廓儀，所述激光掃描儀或激光輪廓儀各自檢測(cè)表面點(diǎn)的空間位置(2D或3D坐標(biāo))，因?yàn)榈侥繕?biāo)表面點(diǎn)的距離通過激光來測(cè)量，并且該測(cè)量與激光發(fā)射的角度信息的項(xiàng)鏈接?？梢詮木嚯x和角度信息的這些項(xiàng)確定檢測(cè)點(diǎn)的空間位置，并且可以逐漸地測(cè)量表面，因?yàn)榧す馐恢饾u地樞轉(zhuǎn)。目前，例如，激光掃描儀或簡(jiǎn)單形式的輪廓儀也用于背包、手推車(推車)、機(jī)動(dòng)車輛(基于車輛的掃描，VBS)或無人駕駛飛機(jī)(無人駕駛飛行器，UAV)，以三維地測(cè)量物體并且將它們虛擬地描繪為點(diǎn)云。

圖6a示出了作為這種測(cè)量裝置的細(xì)節(jié)的相關(guān)聯(lián)的掃描模塊70。該掃描模塊可以是單軸線掃描儀(也稱為輪廓儀)的組件。然而，掃描模塊70也可以通過緊固裝置78安裝在樞轉(zhuǎn)裝置(例如，以第二旋轉(zhuǎn)軸線可樞轉(zhuǎn)的基部)上。掃描儀具有作為偏轉(zhuǎn)元件的鏡子71，鏡子71可圍繞第一軸線72旋轉(zhuǎn)，其中，旋轉(zhuǎn)由電機(jī)74引起，并且可以使用角度測(cè)量傳感器73來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度。此外，模塊70配備有用于發(fā)射測(cè)量輻射的輻射源75，具體為激光二極管或光纖激光儀，并且裝備有用于檢測(cè)所反射的測(cè)量輻射的接收單元。所發(fā)射的測(cè)量波束可以經(jīng)由光束引導(dǎo)元件77對(duì)準(zhǔn)，光束引導(dǎo)元件77具有用于將測(cè)量輻射引導(dǎo)到旋轉(zhuǎn)鏡71(作為另外的光學(xué)裝置)上并且從旋轉(zhuǎn)鏡71引導(dǎo)到測(cè)量點(diǎn)或目標(biāo)點(diǎn)上的光學(xué)裝置。

如從現(xiàn)有技術(shù)中已知的，在這種情況下，經(jīng)由軸線360°足夠快速地進(jìn)行樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)(例如，通常每秒檢測(cè)到的測(cè)量點(diǎn)在大約100,000至1,000,000個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間)，測(cè)量輻射功率可以被認(rèn)為是分布在所述空間上。也就是說，由輻射源在時(shí)間平均上發(fā)射的功率(即，在脈沖操作的情況下，在比單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)許多個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間段中和/或在測(cè)量點(diǎn)的檢測(cè)期間)在被設(shè)計(jì)為掃描儀的測(cè)量裝置的情況下是空間“散布的(spatially smeared)”。因此，根據(jù)本發(fā)明，在具有快速樞轉(zhuǎn)的測(cè)量波束30的這種測(cè)量裝置的情況下，由輻射源75發(fā)射的輻射功率因此被選擇為與具有空間靜止(或僅緩慢地樞轉(zhuǎn)的)測(cè)量波束30的測(cè)量裝置相比相應(yīng)地更高，使得盡管作為測(cè)量波束在空間中的樞轉(zhuǎn)的結(jié)果的空間分布，發(fā)射的測(cè)量輻射30的可使用功率平均為至少14mW，并且因此也在掃描、樞轉(zhuǎn)測(cè)量的情況下，在時(shí)間上和空間上平均，與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供了所發(fā)射的并因此也是可接收的較高的測(cè)量輻射功率。換句話說，總是選擇功率以使得在執(zhí)行平均功率的確定或?qū)⑹褂霉β视?jì)來執(zhí)行平均功率的確定的平均時(shí)間段內(nèi)，可測(cè)量到或?qū)⒖蓽y(cè)量到至少14mW的平均功率，而與是否提供空間靜態(tài)或樞轉(zhuǎn)的測(cè)量波束無關(guān)。

在掃描期間(即，使用測(cè)量輻射的快速樞轉(zhuǎn)的測(cè)量)入射在距掃描頂點(diǎn)100mm距離處布置的功率計(jì)的3.5mm孔徑上的輻射功率可以用作數(shù)值示例。當(dāng)測(cè)量激光束通過該孔徑時(shí)由該孔徑接收的輻射功率是由輻射源75發(fā)射的光功率的分量，該分量與整圓(360°，大約6.28rd)的角分量(忽略沿著從輻射源到功率計(jì)的光路徑的可能的功率損耗)對(duì)應(yīng)?？讖娇缭?不考慮可忽略的曲率)3.5mm/100mm＝0.035rd的角度。因此，角度分量并且因此功率分量為0.035rd/6.28rd＝5.57*10^-3。因此，根據(jù)本發(fā)明的激光掃描儀或激光輪廓儀的輻射源75發(fā)射至少14mW/5.57*10^-3＝2512mW(即，至少2.5W)的光功率，使得由功率計(jì)測(cè)量的發(fā)射的測(cè)量輻射的空間和時(shí)間平均功率為至少14mW(如果輻射源75在脈沖操作中操作，則2.5W因此已經(jīng)被理解為輻射源的時(shí)間平均功率(例如，在0.1秒或5秒的時(shí)間段內(nèi)平均)，使得最終14mW的最小功率表示在時(shí)間上和空間上的平均)。

掃描單元70可選地配備有相機(jī)76，相機(jī)76的視場(chǎng)也經(jīng)由光束導(dǎo)向元件77被引導(dǎo)到鏡子71上并且從鏡子71朝向目標(biāo)的方向引導(dǎo)。

圖6b示出了掃描單元70的示意性細(xì)節(jié)。輻射源75發(fā)射作為測(cè)量輻射的激光束30，激光束30由作為第一光學(xué)裝置的準(zhǔn)直透鏡80預(yù)聚焦并且稍微加寬地入射在作為另一光學(xué)裝置的偏轉(zhuǎn)鏡81上。激光束30從偏轉(zhuǎn)鏡81沿主物鏡83的方向被反射并且被引導(dǎo)到作為另一光學(xué)裝置的第二偏轉(zhuǎn)鏡85上，并且例如從第二偏轉(zhuǎn)鏡85被引導(dǎo)到波束偏轉(zhuǎn)單元71(這里未示出)上。然而，偏轉(zhuǎn)鏡85也可以與旋轉(zhuǎn)鏡71相同。

在光束30在目標(biāo)物體上的反射之后，在該特定實(shí)施方式中，接收到的光束30b由可旋轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)單元71并且經(jīng)由第二偏轉(zhuǎn)鏡85通過主物鏡83被引導(dǎo)到另一光學(xué)裝置(鏡子84)。光束30b由此反射到偏轉(zhuǎn)鏡81上并從那里被進(jìn)一步引導(dǎo)到傳感器82上。鏡子84將光學(xué)系統(tǒng)折疊，使得光學(xué)傳感器單元70占據(jù)最小可能的體積。

圖7a和圖7b示出了作為根據(jù)本發(fā)明的大地測(cè)量裝置1的示例的全站儀。現(xiàn)有技術(shù)的這種大地測(cè)量裝置在例如EP 1686350中進(jìn)行了描述。在這種情況下，從測(cè)量裝置(該測(cè)量裝置的絕對(duì)位置已知)到待測(cè)量的目標(biāo)的距離和位置(方向和/或水平角和垂直角)被作為空間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。全站儀1具有支架20并且如圖7a所示，全站儀1被布置在底部點(diǎn)400上方的高度h處。測(cè)量裝置1通常立在三腳支架20上，并且借助于三腳架(tripod)14和支架螺釘17固定在支架板21上，相對(duì)于底部點(diǎn)400居中并且旋擰到位。

如圖7b所示，全站儀的基座13經(jīng)由三腳架14直接并且固定地連接到支架20。全站儀1的上部10可相對(duì)于基座13圍繞垂直的豎直軸線7旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，上部10具有：支承件12(在該示例性結(jié)構(gòu)中由兩個(gè)柱形成)；瞄準(zhǔn)單元11(例如，望遠(yuǎn)鏡)，被安裝成使得其可以在柱之間繞水平傾斜軸線8旋轉(zhuǎn)；以及電子顯示控制單元16。顯示控制單元16可以以已知的方式設(shè)計(jì)用于全站儀的控制和用于測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)。

瞄準(zhǔn)單元11布置成使得其能夠圍繞水平傾斜軸線8在支承件12上旋轉(zhuǎn)，并且因此能夠相對(duì)于基座13水平和垂直地樞轉(zhuǎn)和/或傾斜以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。提供電機(jī)(這里未示出)以執(zhí)行用于瞄準(zhǔn)單元11的對(duì)準(zhǔn)的必要的樞轉(zhuǎn)和傾斜運(yùn)動(dòng)。瞄準(zhǔn)單元11可選地被實(shí)施為共享瞄準(zhǔn)單元模塊，其中，同軸相機(jī)傳感器和圖形處理器以及作為用于光束引導(dǎo)的光學(xué)裝置的目鏡15、物鏡和聚焦光學(xué)單元可以被集成在共享瞄準(zhǔn)單元外殼中。在這種情況下，可選地設(shè)計(jì)光學(xué)裝置，使得發(fā)射的測(cè)量輻射和檢測(cè)到的反射的測(cè)量輻射經(jīng)由同一裝置至少部分被引導(dǎo)，例如，共享的物鏡被用于兩個(gè)光束路徑。借助于瞄準(zhǔn)單元11，可以瞄準(zhǔn)目標(biāo)，并且可以基于從目標(biāo)后向散射的測(cè)量輻射的檢測(cè)以電傳感方式檢測(cè)從全站儀到目標(biāo)的距離。此外，提供用于全站儀1的上部10相對(duì)于基座13和瞄準(zhǔn)單元11相對(duì)于支承件12的角度對(duì)準(zhǔn)的電傳感檢測(cè)的裝置。以電傳感方式檢測(cè)的這些測(cè)量數(shù)據(jù)被提供給顯示控制單元16并由顯示控制單元16進(jìn)行處理，使得目標(biāo)相對(duì)于全站儀的位置是可被確定的、可光學(xué)顯示的并且是可由顯示控制單元16存儲(chǔ)的。這種全站儀還可以用作物體的激光掃描儀。在這種情況下，需要幾十千赫茲到高達(dá)兆赫的最高的可能點(diǎn)測(cè)量速率，以有利地實(shí)現(xiàn)短的記錄時(shí)間或測(cè)量時(shí)間。通過具有根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射的光源確保同時(shí)具有高測(cè)量質(zhì)量的高測(cè)量速率。全站儀可選地包括如針對(duì)圖6a和圖6b所描述的掃描單元。這種掃描單元附加地具有的優(yōu)點(diǎn)是，巨大的瞄準(zhǔn)單元11不必快速移動(dòng)，而是僅僅是輕巧構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)鏡子單元71(參見圖6a)，這使得能夠在物體記錄期間實(shí)現(xiàn)較短的掃描時(shí)間。

圖8a示出了作為激光跟蹤儀的、根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置1的示例性實(shí)施方式，即，具有微米精度的測(cè)量裝置1，該測(cè)量裝置1被設(shè)計(jì)用于目標(biāo)的漸進(jìn)跟蹤和該目標(biāo)的坐標(biāo)方式(coordinate manner)的位置確定。所示的激光跟蹤儀具有基座65、附接到基座65的支承件63和光束偏轉(zhuǎn)單元62。激光跟蹤儀被布置在支架66上，該激光跟蹤儀包括至少一個(gè)測(cè)距儀，具體為絕對(duì)測(cè)距儀(ADM)和/或干涉儀(這里未示出)，并且借助于作為測(cè)量輻射的至少一個(gè)激光束36測(cè)量到達(dá)位于作為目標(biāo)的測(cè)量輔助設(shè)備60上的后向回射器61的距離。測(cè)量輔助設(shè)備60(在這里通過示例具體實(shí)施為測(cè)量探針)包括待放置在目標(biāo)物體60a的待測(cè)點(diǎn)上的測(cè)量頭64。

為了能夠識(shí)別和再現(xiàn)測(cè)量輔助設(shè)備60的運(yùn)動(dòng)，使得激光束36保持對(duì)準(zhǔn)回射器61，如在諸如WO 2007/079600A1中公開的，激光跟蹤儀具有位置敏感檢測(cè)器(PSD)，具體地，跟蹤表面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

PSD優(yōu)選地被布置在光束偏轉(zhuǎn)單元62中，并且能夠通過檢測(cè)從目標(biāo)(具體地，回射器61)反射的激光束的對(duì)準(zhǔn)來跟蹤激光束的對(duì)準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^跟蹤激光束對(duì)準(zhǔn)來執(zhí)行目標(biāo)61的漸進(jìn)目標(biāo)跟蹤(跟蹤)和/或精細(xì)瞄準(zhǔn)，并且可以相對(duì)于測(cè)量裝置逐漸確定目標(biāo)61的距離和位置。在目標(biāo)跟蹤期間，各種原因可以使得目標(biāo)61的識(shí)別和/或精細(xì)瞄準(zhǔn)和/或其跟蹤更加困難或不可能，和/或可以限制最大操作范圍。這些干擾原因首先是影響光學(xué)路徑的觀察條件，諸如，接近窗口前面的空氣湍流、加熱管上方閃爍的空氣、或氣載灰塵。所有這些影響都會(huì)減小測(cè)量信號(hào)并降低信噪比。然而，這些缺點(diǎn)可以通過使用根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)的發(fā)射單元來更多地補(bǔ)償，并且可以實(shí)現(xiàn)在微米范圍內(nèi)的測(cè)量精度。

同樣包括借助于相機(jī)或PSD傳感器系統(tǒng)的逐步目標(biāo)跟蹤的類似跟蹤儀的智能型全站儀還被構(gòu)造用于室外應(yīng)用，并且能夠達(dá)到直至大于1km的更長(zhǎng)的目標(biāo)距離。光學(xué)路徑的不利影響首先在智能型全站儀的情況下是顯著的。用于距離和方向測(cè)量的光信號(hào)由于天氣影響(例如，雨、霧或熱源效果)而衰減。此外，外部反射是干擾的，即，例如，除了由目標(biāo)反射的測(cè)量輻射之外還在位置或圖像傳感器上成像的光。這些外部反射由諸如直接或間接的外部光或輻射源(即從路標(biāo)或玻璃表面、太陽輻射或工程車輛的前燈)引起。干擾尤其在目標(biāo)跟蹤的情況下是成問題的，因?yàn)樗?jīng)常導(dǎo)致在目標(biāo)反射上的鎖定(或接合或聯(lián)接)的丟失，這使得需要耗費(fèi)時(shí)間重新鎖定。在這種情況下，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點(diǎn)：作為所使用的波長(zhǎng)和高的發(fā)射輻射功率的結(jié)果，如所描述的外部光的影響被顯著地減小，并且作為較高的輸出功率的結(jié)果，天氣影響可以被至少部分地補(bǔ)償，并且這尤其在位置確定的情況下也是這樣，這是由于在位置傳感器的相機(jī)圖像中因較高的發(fā)射功率而改善的物體形狀的可識(shí)別性。

圖8b示意性地示出了圖8a中的的光束偏轉(zhuǎn)單元62。光束偏轉(zhuǎn)單元62包括兩個(gè)輻射源33和35。輻射源33發(fā)射測(cè)量輻射(目標(biāo)跟蹤輻射32)，所述測(cè)量輻射以已知的方式用于跟蹤目標(biāo)，即(跟蹤)回射器61，而相反，輻射源35的測(cè)量輻射30被用于距離測(cè)量。在這種情況下，不僅一個(gè)測(cè)量輻射，而是兩個(gè)測(cè)量輻射30和32都具有在根據(jù)本發(fā)明的1210nm至1400nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。

光束偏轉(zhuǎn)單元62在其面向測(cè)量輔助儀器60的正面上具有用于沿著測(cè)量軸線發(fā)射輻射并且用于攝入反射的輻射的入射和出射光學(xué)單元67。入射和出射光學(xué)單元67可以被具體實(shí)施為具有固定焦距和固定變焦的固定焦點(diǎn)物鏡。

除了用于生成測(cè)量輻射30的第一輻射源35之外，測(cè)量裝置的光束偏轉(zhuǎn)單元62包括用于接收反射的測(cè)量輻射30并且用于確定到目標(biāo)(這里為回射器61)的距離的傳感器(距離測(cè)量裝置)38。距離測(cè)量裝置38例如是絕對(duì)測(cè)距儀，但是也可以是干涉儀或兩者的組合。

光束偏轉(zhuǎn)單元62附加地包括用于生成目標(biāo)跟蹤輻射32的第二輻射源33和另一傳感器(目標(biāo)檢測(cè)單元)68，傳感器68用于接收反射的目標(biāo)跟蹤輻射32、用于確定反射的輻射在目標(biāo)檢測(cè)單元68的被具體實(shí)施為二維圖像傳感器(像素陣列傳感器)的傳感器上的入射點(diǎn)63a，并且用于生成輸出信號(hào)以控制激光跟蹤儀的目標(biāo)跟蹤功能。

第一輻射源35的光軸線優(yōu)選地在共享發(fā)射軸線上在激光跟蹤儀外部與第二輻射源33的光軸線同軸地延伸。這假定兩個(gè)輻射源33、35具有共享的出射光學(xué)單元67。兩個(gè)光束路徑的共享的入射和出射光學(xué)單元67意味著兩個(gè)光束路徑通過同一光學(xué)元件(諸如，透鏡或玻璃片(pane))離開裝置進(jìn)入裝置的周圍或從裝置的周圍進(jìn)入該裝置。在這種情況下，光束路徑通常至少近似同軸。

此外，光束偏轉(zhuǎn)單元62具有多個(gè)光束分離器34，經(jīng)由光束分離器34，沿著發(fā)射軸線通過入射和出射光學(xué)單元67發(fā)射測(cè)量和目標(biāo)跟蹤輻射30、32，并且由回射器61反射的輻射經(jīng)由光束分離器34被分別傳導(dǎo)到傳感器38或68。

測(cè)量輻射30和目標(biāo)跟蹤輻射32相對(duì)于其偏振和/或波長(zhǎng)彼此不同，使得借助于位于目標(biāo)檢測(cè)單元68前面的濾波器39的相應(yīng)實(shí)施方式，用于距離測(cè)量的反射的輻射被濾出并且沒有到達(dá)傳感器68。另選地或附加地，反射的輻射30、32的整體可以通過相應(yīng)的分束器34的相應(yīng)實(shí)施方式分離成旨在用于距離測(cè)量的分量和旨在用于目標(biāo)跟蹤的分量。

光束偏轉(zhuǎn)單元62對(duì)準(zhǔn)測(cè)量輔助儀器60，使得由第二輻射源33發(fā)射的目標(biāo)跟蹤輻射32入射在回射器61上，并且傳感器(目標(biāo)檢測(cè)單元)68檢測(cè)到反射的目標(biāo)跟蹤輻射。通過確定反射的輻射在傳感器68的表面上的入射點(diǎn)63a，生成輸出信號(hào)以控制激光跟蹤儀的精細(xì)瞄準(zhǔn)功能和目標(biāo)跟蹤功能。

為了確定到測(cè)量輔助儀器60和/或目標(biāo)61的距離，第一輻射源35生成測(cè)量輻射30，測(cè)量輻射30與目標(biāo)跟蹤輻射32被同軸地發(fā)射到回射器61上，作為連續(xù)目標(biāo)跟蹤的結(jié)果，在回射器61處也同軸回射。反射的測(cè)量輻射30經(jīng)由分束器34被傳導(dǎo)到傳感器(距離測(cè)量裝置)38上，傳感器38用于確定到目標(biāo)(測(cè)量輔助儀器)60或更準(zhǔn)確地說到回射器61的距離。同時(shí)，經(jīng)由激光跟蹤器的角度測(cè)量功能，確定光束偏轉(zhuǎn)單元62的當(dāng)前對(duì)準(zhǔn)以及因此到測(cè)量輔助儀器60的方向?？梢詮姆较蚝途嚯x確定測(cè)量輔助儀器60相對(duì)于測(cè)量裝置1的相對(duì)位置。借助于根據(jù)本發(fā)明的1210nm至1400nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，可以改進(jìn)至少兩個(gè)光源，使得激光跟蹤儀或智能型全站儀由于增加的發(fā)射功率和/或同時(shí)減少的太陽環(huán)境光具有具有短的魯棒距離和長(zhǎng)距離處的改進(jìn)的3D位置測(cè)量。另外，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，3D位置測(cè)量可以具有幾十千赫茲到兆赫茲的顯著較高的測(cè)量速率。

還示出了具有用于生成可見光指示器光束62a的指示器輻射源99的可選指示器單元，可見光指示器光束62a可以經(jīng)由指示器分束器34通過入射和出射光學(xué)單元67基本上與測(cè)量輻射30和目標(biāo)跟蹤輻射32同軸地發(fā)射。在這種情況下，指示器光束62a生成可見光(例如，紅色)入射點(diǎn)并且被用于針對(duì)用戶的信息。這在本發(fā)明中是有利的，因?yàn)闇y(cè)量輻射30和32被具體實(shí)施為對(duì)人眼是不可見的，并且因此其在表面上的入射點(diǎn)對(duì)于用戶不可見。

圖8c示出了本發(fā)明的替代改進(jìn)，其中，代替圖8b的指示器輻射源，光束偏轉(zhuǎn)單元包括光頻變換器69，借助于光頻變換器69，測(cè)量輻射30(或目標(biāo)跟蹤輻射32)的分量的頻率被改變，使得在可見光范圍內(nèi)發(fā)射輻射。為此目的，借助于分束器34，第一波長(zhǎng)的測(cè)量輻射30的分量(例如，2.5％、10％或25％)被去耦合并被引導(dǎo)到頻率轉(zhuǎn)換器69，頻率轉(zhuǎn)換器69生成將測(cè)量輻射的該分量轉(zhuǎn)換成第二波長(zhǎng)的輻射的輻射30a。頻率轉(zhuǎn)換器69優(yōu)選地是倍頻器，使得第二波長(zhǎng)是第一波長(zhǎng)的一半。根據(jù)第一波長(zhǎng)的值，然后在605nm至700nm之間產(chǎn)生波長(zhǎng)，其中，第一波長(zhǎng)和頻率轉(zhuǎn)換器69優(yōu)選地彼此適配，使得第二波長(zhǎng)在645nm至680nm之間的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)換的輻射30a借助于光學(xué)裝置34a和34被引導(dǎo)返回到發(fā)射軸線，使得轉(zhuǎn)換的輻射30a可以通過入射和出射光學(xué)單元67基本上與測(cè)量輻射30和目標(biāo)跟蹤輻射32同軸地發(fā)射。然后，輻射30a被用作用于生成可見光(例如，紅色)入射點(diǎn)和用于針對(duì)用戶的信息的指示器波束。根據(jù)本發(fā)明的在1210nm至1400nm之間的波長(zhǎng)范圍有利地特別適合于倍頻，以從而產(chǎn)生可見光，由此如所描述的，例如可以有利地省略用于指示器波束的單獨(dú)的輻射源。這種改進(jìn)不限于被設(shè)計(jì)為激光跟蹤儀的測(cè)量裝置，而是還適合于例如如圖5中所描述的電子測(cè)距儀，因?yàn)榭梢姽馊肷潼c(diǎn)的生成在這種情況下也是有利的。

本發(fā)明在這種情況下提供了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在具有在光譜的可見光范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的測(cè)量裝置中使用的光學(xué)裝置(例如，諸如入射和出射光學(xué)單元67、分束器34或偏轉(zhuǎn)鏡的透鏡和圖6b中所示的透鏡)通常由硅酸鹽玻璃制造。它們的特征在于高透射率、高電阻和低成本。(根據(jù)DIN 5031)透射率對(duì)于高達(dá)1400nm的波長(zhǎng)(即，對(duì)于IR-A范圍)也存在。例如，硼硅酸鹽玻璃N-BK7在400nm至1400nm(但不超過此)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高透明度。因此，本發(fā)明不僅提供這樣的優(yōu)點(diǎn)：相同的光學(xué)裝置對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的在1210nm至1400nm之間的波長(zhǎng)范圍的測(cè)量輻射和根據(jù)圖8c的具有轉(zhuǎn)換的輻射或根據(jù)圖8b的也具有單獨(dú)的指示器輻射源的指示器輻射的光束引導(dǎo)可以沒有問題地使用。本發(fā)明附加地提供的優(yōu)點(diǎn)是，標(biāo)準(zhǔn)化的常規(guī)光學(xué)裝置可以被用于光輻射引導(dǎo)。優(yōu)點(diǎn)因此導(dǎo)致測(cè)量裝置的制造，這導(dǎo)致時(shí)間和成本節(jié)省。相比之下，對(duì)于使用IR-B范圍中的波長(zhǎng)的測(cè)量裝置，具體地，使用波長(zhǎng)>2000nm的從現(xiàn)有技術(shù)已知的測(cè)量裝置，對(duì)于光學(xué)裝置來說需要特殊的玻璃，這不利地導(dǎo)致增加的制造支出。

當(dāng)使用諸如圖8a至圖8c所示的回射器的合作目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不利的還在于，還必須使用相對(duì)昂貴的玻璃特別地制造這些，這進(jìn)一步增加了由測(cè)量裝置1和目標(biāo)物體61構(gòu)成的系統(tǒng)的成本。相比之下，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量目標(biāo)61是可用的，當(dāng)在可見光光譜范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)已經(jīng)使用了測(cè)量目標(biāo)61。

由下面得到本發(fā)明特別是相對(duì)于回射器61的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：從現(xiàn)有技術(shù)已知的合作測(cè)量目標(biāo)例如是圖8a至圖8c的回射器61。為了增加反射能力，一些反射器設(shè)置有反射能力。例如，制造商Leica Geosystems的反射器具有作為反射涂層的銅層。

如圖9所示，銅(和其它貴金屬或半貴金屬)的反射能力在光譜范圍內(nèi)隨著波長(zhǎng)增加而連續(xù)增加(在這種情況下，曲線圖僅示出近似的、粗糙的、確切地說是定性的值)。在大約590nm的波長(zhǎng)之下，從現(xiàn)有技術(shù)已知的銅涂層的反射能力小于50％，在660nm的波長(zhǎng)處，該反射能力僅為大約70％，而相比之下，在根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)處的反射能力至少近似地達(dá)到大于90％的最大可能值。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置相比，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點(diǎn)：從具有銅涂層的現(xiàn)有技術(shù)中已知的協(xié)作目標(biāo)反射顯著更多的測(cè)量輻射。換句話說，通過本發(fā)明減少了輻射損失，由此在發(fā)射的測(cè)量輻射的功率不變的情況下，檢測(cè)到的測(cè)量輻射的功率增加和/或在實(shí)現(xiàn)相同的檢測(cè)輻射的同時(shí)或者為了實(shí)現(xiàn)相同的檢測(cè)輻射，需要較低的輸出功率。

在1210nm至1400nm的范圍內(nèi)的相對(duì)長(zhǎng)的波長(zhǎng)對(duì)于大氣影響(湍流)也是有利的，大氣影響導(dǎo)致測(cè)量光束偏離其原始傳播方向，并且因此在目標(biāo)上的實(shí)際入射點(diǎn)不是測(cè)量的入射點(diǎn)，由此導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。圖10示意性地示出了這種情況。測(cè)量裝置1發(fā)射測(cè)量輻射30，測(cè)量輻射30的傳播由于空氣影響(與其相比為“理論”絕對(duì)線性光束30t)不是絕對(duì)線性的。因此，測(cè)量波束在目標(biāo)60a上的實(shí)際入射點(diǎn)90不與預(yù)期的和/或假定的入射點(diǎn)對(duì)應(yīng)，而是從其偏離，這導(dǎo)致測(cè)量誤差，到目標(biāo)物體70的距離越大，該測(cè)量誤差就越大。該偏差可以由徑向方差σ²來描述，該徑向方差σ²進(jìn)而可以通過以下等式描述：

σ²＝c²λ^-1/6D^17/6

其中，c是大氣湍流的度量，λ是測(cè)量輻射的波長(zhǎng)，并且D是到目標(biāo)的距離。從該等式顯而易見，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，徑向方差和因此的偏差就越小，由此根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)范圍例如在光譜的可見光范圍的波長(zhǎng)上是有利的，特別是在長(zhǎng)測(cè)量距離和強(qiáng)烈湍流大氣的測(cè)量情況下。隨著波長(zhǎng)的增加，由于在氣溶膠上的散射導(dǎo)致的光損失也減小，該散射也隨著測(cè)量距離而指數(shù)地增大。這些浮動(dòng)粒子散射一部分測(cè)量輻射，并且波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱。因此，與可見光光譜相比，長(zhǎng)的波長(zhǎng)衰減少得多。

在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的可選的改進(jìn)中，測(cè)量裝置包括使得能夠基于頻率梳進(jìn)行距離測(cè)量或者通過頻率梳輔助距離測(cè)量的裝置。為此目的，相應(yīng)的測(cè)距儀具有根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)范圍的輻射源，該輻射源被具體實(shí)施為用于發(fā)射飛秒激光，所述飛秒激光通常在兆赫范圍內(nèi)脈沖并且以高精度定時(shí)。因此，可以在頻率范圍內(nèi)生成所謂的細(xì)銳的線的頻率梳，其在時(shí)間范圍中與最低可能的相位噪聲對(duì)應(yīng)。例如，在文章“Frequency-Comb Based Approaches to Precision Ranging Laser Radar”(N.R.Newbury,T.-A.Liu,I.Coddington,F.Giorgetta,E.Baumann,W.C.Swann；National Institute of Standards and Technology)中描述了用于基于頻率梳或頻率梳輔助的距離測(cè)量的各種方法。

圖11僅借助于示例示出了具有用于執(zhí)行組合的運(yùn)行時(shí)間和干涉距離測(cè)量的兩個(gè)頻率梳激光信號(hào)360、370(“雙梳干涉儀”)的干涉儀單元300。在這種情況下，第一輻射源310發(fā)射第一頻率梳信號(hào)360。這經(jīng)由第一分束器330并且經(jīng)由基準(zhǔn)分束器340被傳導(dǎo)到作為測(cè)量目標(biāo)61的回射器。組合的由測(cè)量目標(biāo)61反射的信號(hào)380和基準(zhǔn)360被傳導(dǎo)到頻率梳分析單元350，其中，由測(cè)量目標(biāo)61反射的脈沖和基準(zhǔn)360的相對(duì)到達(dá)時(shí)間可以被用于運(yùn)行時(shí)間距離測(cè)量。由具有略微偏離第一頻率梳信號(hào)360的重復(fù)率的第二輻射源320生成的基準(zhǔn)頻率梳信號(hào)370可以在頻率梳分析單元350中以外差方式與反射的組合信號(hào)380一起被讀出，以用于干涉距離測(cè)量。這些頻率梳或梳狀激光測(cè)量方法基本上也對(duì)諸如粗糙表面的非協(xié)作目標(biāo)起作用，因?yàn)榉瓷涔獾钠癖徊糠值乇３帧?/p>

作為對(duì)協(xié)作和非協(xié)作目標(biāo)的測(cè)量的替代方案，距離的測(cè)量借助于波形數(shù)字化原理(WFD)來執(zhí)行。該距離借助于設(shè)置在光束偏轉(zhuǎn)單元62(參見圖8a)中的波形數(shù)字化模塊來測(cè)量。該方法的特征在于其非常高的靈敏度，并且還能夠在不使用測(cè)量輔助或回射器的情況下進(jìn)行精確的距離測(cè)量。WFD模塊包括用于在根據(jù)本發(fā)明的在1210nm至1400nm之間的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)生成脈沖光束(具體地，激光束(WFD光束))的輻射源。按照被稱為波形數(shù)字化的已知的方式，后向散射測(cè)量輻射的脈沖和可選地裝置內(nèi)部基準(zhǔn)波束的脈沖被數(shù)字化。因此，數(shù)字化的目標(biāo)脈沖和基準(zhǔn)脈沖彼此比較，具體地，它們之間的時(shí)間間隔，并且因此通過計(jì)算機(jī)單元確定到目標(biāo)對(duì)象的距離。WFD波束包括至少一個(gè)采樣光脈沖(WFD脈沖)，該光脈沖被調(diào)制或編碼，使得從目標(biāo)物體返回的其分量被提供用于根據(jù)波形數(shù)字化方法(WFD方法)與一個(gè)或更多個(gè)返回脈沖的時(shí)間采樣一起進(jìn)行分析(即，可以根據(jù)WFD方法進(jìn)行采樣和分析)。波形數(shù)字化(WFD)距離測(cè)量原理基于運(yùn)行時(shí)間或相位測(cè)量原理或者兩種方法的組合。特別地，與使用傳統(tǒng)的精確絕對(duì)測(cè)距儀或干涉儀測(cè)量更遠(yuǎn)距離的距離相比，使用WFD輻射測(cè)量更遠(yuǎn)距離的距離的情況下的可能性是更有利的。該測(cè)量方法有利地應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的、具有更大測(cè)量范圍的測(cè)量裝置中，該測(cè)量范圍可以特別好地作為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量輻射的波長(zhǎng)及其功率的結(jié)果而可實(shí)現(xiàn)。

另選地，測(cè)量裝置包括FMCW模塊(調(diào)頻連續(xù)波)，其包括被具體實(shí)施為使用根據(jù)本發(fā)明的在1210nm至1400nm之間的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)發(fā)射頻率調(diào)制測(cè)量輻射的輻射源，由此能夠?qū)崿F(xiàn)借助于FMCW方法的距離測(cè)量。特別地，諸如在EP 1 869 397B1中所描述的，F(xiàn)MCW模塊可以包括相干激光雷達(dá)。在該可選實(shí)施方式中用于到目標(biāo)物體的漫散射表面的距離測(cè)量的方法包括將頻率調(diào)制的電磁輻射(例如，光)發(fā)射到待測(cè)量的目標(biāo)上，并且隨后接收理想地完全來自待測(cè)量的目標(biāo)的一個(gè)或更多個(gè)后向散射物體的回波。在接收之后，可能疊加的回波信號(hào)與混合信號(hào)疊加，并且因此減少了待分析的信號(hào)的頻率，使得設(shè)備僅需要很少的努力。在這種情況下，混合可以作為使用發(fā)射信號(hào)的零差方法或者使用周期性(具體地已知周期的諧波信號(hào))的外差方法來執(zhí)行。因此，該方法的區(qū)別在于，使用發(fā)射的信號(hào)本身或使用具有單獨(dú)頻率的諧波信號(hào)來執(zhí)行混合?；旌媳挥糜趯⒔邮招盘?hào)變換為較低頻率。隨后，從所得到的信號(hào)確定運(yùn)行時(shí)間并且因此利用所使用的輻射的已知傳播速度來確定到待測(cè)的目標(biāo)的距離。

用于實(shí)現(xiàn)這些方法的設(shè)備通常使用信號(hào)發(fā)生器作為線性調(diào)頻脈沖發(fā)生器(chirp generator)，其將信號(hào)施加到可以被調(diào)制的輻射源。發(fā)射和接收光學(xué)單元被用于發(fā)射和用于接收，具有下游混頻器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器和/或FPGA的檢測(cè)器或接收器連接到其下游。從該信號(hào)的頻率信息和可能的相位信息確定運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的WFD模塊或FMCW模塊可選地被具體實(shí)施為頻率梳輔助的WFD模塊或FMCW模塊。

明顯的是，這些例示出的附圖僅僅示意性地例示出了可能的示例性實(shí)施方式。各種方法也可以根據(jù)本發(fā)明彼此組合，并與現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置和測(cè)量方法組合。