数字激光测距仪的参照的方法和测量装置以及激光测距仪

摘要

本发明涉及测量装置，尤其是手持式测距设备，用于光学距离测量。该测量装置具有第一发送装置、第一接收装置和第二接收装置。第一发送装置被实施为向目标对象发送出光学测量辐射。第一接收装置被实施为探测从目标对象返回的辐射。此外第二接收装置被实施为探测装置内部的参照辐射。接收装置分别具有第一探测器单元和第二探测器单元。此外，接收装置分别具有第一时间测量单元和第二时间测量单元。第一时间测量单元被实施为可选地被与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。第二时间测量单元可以可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。

说明书

技术领域

本发明涉及用于数字激光测距仪的参照的方法和测量装置以及激光测距仪。

背景技术

已知光学测距设备，其可以测定在测距设备和目标对象之间的间距。为此测距设备朝目标对象方向发送出光束并且探测由该对象反射并且朝测距设备方向返回的光。

距离的测定可以借助运行时间方法、也称为飞行时间（time-of-flight）方法来进行。该测量在此可以在时间范围中或者在频率范围中进行。在时间测量的情况下，短激光脉冲例如可以在时刻t_开始向目标对象被发送出并且在那里被散射或者反射。该测量辐射的一部分例如经由接收光学系统到达光学接收器并且在时刻t_停止到达该光学接收器。从所测量的运行时间（t_停止减去t_开始）和光速c₀计算目标对象的距离d。

为了改善测量精度，可以考虑背景辐射。为此，可以使用装置内部的参照测量区段，其中在光源和接收装置之间的距离已知。这种参照（Referenzierung）例如由US 2007/0 182 949已知。

即使在考虑背景辐射的情况下，例如也可能通过系统引起的测量误差减少测量精度。系统引起的测量误差例如可能通过与温度相关的信号运行时间、尤其是在集成于测距设备中的分析电路内部的信号运行时间来引起。

发明内容

因此可能需要如下测量装置和方法，其能够改善距离测量的测量精度和可靠性。

这种需求可以通过按照独立权利要求的本发明主题来满足。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中描述。

下面详细谈论按照本发明实施方式的装置的特征、细节和可能的优点。

按照本发明的第一方面，介绍用于光学距离测量的测量装置。该测量装置具有第一发送装置、第一接收装置和第二接收装置。发送装置被实施为向目标对象发送出光学测量辐射。第一接收装置被实施为探测从目标对象返回的辐射。第二接收装置被实施为探测装置内部的参照辐射。第一接收装置具有第一探测器单元和第一时间测量单元。第二接收装置具有第二探测器单元和第二时间测量单元。第一时间测量单元可以可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。第二时间测量单元可以可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。

换句话说，本发明的构思基于：使用两个相同的集成电路，和尤其是两个相同的时间测量单元和两个相同的探测器单元，它们可以交叉地相互连接。通过这种方式，接收电路的时间测量单元不仅在距离测量时、而且在参照测量时可以相互交换。由此可以例如通过构成在通过这种方式测定的运行时间之间的平均值或差来可靠地补偿测量误差。

尤其是，可以通过测量仪的本发明扩展方案来有效并且低成本地补偿由在测量仪的激光二极管内部的温度漂移引起的运行时间差别。此外，还可以借助测量仪来补偿在集成电路内、也即在接收电路内出现的运行时间差别。此外，在针对第一和第二接收装置使用相同的电路的情况下可以将成本保持得相对低。

在此，测量装置可以是数字或光电子手持式测距设备。尤其是，该测量装置可以被实施为基于SPAD的激光测距仪（SPAD=Single Photon Avalanche Diode单光子雪崩二极管）。测量装置可以被实施为测定至目标对象（也被称为目标）的距离，该目标对象处于与测量装置几个cm至几百m的间距中。测量装置的测量方法在此可以基于高频激光调制和光运行时间分析。

测量装置具有第一发送装置。该发送装置在此可以控制诸如LED、激光器或激光二极管的光源的信号。此外，测量装置具有第一和第二接收装置。这些接收装置被实施为探测由目标对象或由具有已知间距的参照目标反射的测量辐射并且测定相应辐射的运行时间。接收装置和发送装置可以被实施为尤其是以ASIC（ASIC-专用集成电路）形式的集成电路的一部分。在此可以在两个分离的ASIC上而或者也在相同的ASIC上设置第一和第二接收装置。以有利的方式，第一接收装置被实施为第一ASIC的一部分并且第二接收装置被实施为第二ASIC的一部分。第一和第二ASIC在此可以被实施为相同的。在相同地实施ASIC时，可以节省成本，因为具有改变了的功能性的ASIC的制造不是必要的。尤其是在使用两个单独的、尤其是相同的ASIC时可以为ASIC设置单独的壳体，所述壳体确保在测量辐射和参照辐射之间的良好的光学隔离。

接收装置分别具有探测器单元和时间测量单元。在此，每个接收装置可以具有至少两个并且尤其是更多个时间测量单元和探测器单元。优选给每个时间测量单元分配至少一个探测器单元。

探测器单元可以提供输出信号，其被输送给所分配的时间测量单元。输出信号在此可以对应于电脉冲，所述电脉冲通过吸收光子被感应（induzierter）并且其脉冲边沿与光子探测的时间相关。探测器单元优选可以装备有多个必要时可接线的光敏元件。

探测器单元的光敏元件例如可以是调制的“电荷耦合装置（charge-coupled device）”（CCD），“互补金属氧化物半导体像素（complementary-metal-oxide-semiconductor-Pixel）”（CMOS-像素），雪崩光电二极管（APD）或者“正-本征-负-二极管（positive-intrinsic-negative-Dioden）”（PIN二极管）。

探测器单元优选可以基于作为光敏元件的“单光子雪崩二极管”（SPAD）。时间测量在此可以借助时钟控制的计数器来实现，该计数器的时钟信号由频率发生器来产生。频率发生器可以由振荡器馈送。与此同时，发送或测量辐射可以借助发送装置相应地被调制。高频发生器和振荡器在此可以被实施为测量设备的一部分。

时间测量单元被实施为，基于相应分配的探测器单元的输出信号来测定由探测器单元探测的辐射的运行时间。在此例如可以通过开关给每个时间测量单元输送第一或第二探测器单元的信号。为此，时间测量单元和探测器单元的输入端和输出端可以通过一个或多个开关可交换地被相互连接。

借助测量设备的距离测量可以在频率范围中或者根据相位运行时间方法来实现。在此，光源的光学辐射可以在其强度方面例如正弦形地被调制。该经调制的辐射被发送到目标对象上并且在那里被散射或反射。反射辐射的一部分例如通过接收光学系统到达第一接收装置。根据目标对象的距离，接收的正弦形强度调制的辐射具有与发送的正弦形强度调制的信号的相位偏移。由在接收的和发送的信号之间的相位差、已知的调制频率以及光速可以计算至目标对象的距离。

测量辐射的运行时间或相位差例如可以顺序地首先借助第一时间测量单元并且接着借助第二时间测量单元来测定。同样，参照辐射的运行时间的测定顺序地借助第一时间测量单元并且接着借助第二时间测量单元来实现。这些运行时间可以接着相互比较并且必要时形成平均值。

按照本发明的一种实施例，测量装置具有分析单元，其被实施为在使用第一探测器单元和第一时间测量单元下来测定第一运行时间T_A。该测量用A来表示。此外，分析单元被实施为在使用第二探测器单元和第二时间测量单元下测定第二运行时间T_B。该测量用B表示。

此外，可以将分析单元实施为在使用第一探测器单元和第二时间测量单元下来测定第三运行时间T_C。该测量用C表示。最后，该分析单元可以被实施为，在使用第二探测器单元和第一时间测量单元下来测定第四运行时间T_D。该测量用D表示。

第一和第二运行时间的测定可以同时、也即并行地进行。

此外，可以同样同时实现第三和第四运行时间的测定。

通过同时测定各个运行时间可以加速距离测量过程。

按照本发明另一实施例，分析单元还被实施为通过在运行时间之间形成差或者形成平均值来测定运行时间差ΔT或者运行时间平均值。分析单元被实施为补偿测量装置的运行时间误差。在此，补偿例如可以包括在接着的距离测量时运行时间差的粗糙计算（Rausrechnen）和/或集成电路的再调节。

例如可以通过下面的差形成来补偿发送出测量辐射和参照辐射的激光二极管的运行时间漂移：

。

此外，可以通过所述差形成来补偿在第一时间测量单元（或第一频率发生器）和第二时间测量单元（或者第二频率发生器）之间的漂移，其中第一时间测量单元或第一频率发生器分配给第一ASIC，第二时间测量单元或者第二频率发生器分配给第二ASIC。这是特别有利的，因为这些电路可以以比频率发生器高的频率工作。在此，两个时间测量单元也可以由频率发生器来驱动。

也称为激光器驱动器的第一有源发送装置对时间测量单元的串扰也或者在时间测量单元中的漂移一般而言可以借助下面的差形成来补偿：

。

在此，测量A和D如上述地在使用第一时间测量单元下来进行。通过第一运行时间T_A和第四运行时间T_D的差形成也可以补偿激光二极管的运行时间漂移、以及在频率发生器之间的运行时间漂移。

通过差形成

此外可以补偿激光二极管的运行时间漂移和在接收装置的交叉线路之间的漂移。

根据本发明另一实施例，测量装置具有第二发送装置和激光器驱动开关。激光器驱动开关被实施为可选地将激光器与第一发送装置和与第二发送装置连接。第二发送装置可以与第二分析装置一起布置在单独的第二ASIC上。例如，可以在测量A和D时在使用第一时间测量单元下借助第二发送装置来运行激光器，使得避免串扰。在此，激光器驱动开关可以布置在SPAD和激光器之间的驱动路径中。替换地，激光器驱动开关可以集成在SPAD中。

按照本发明另一实施例，测量装置还具有至少一个第一和第二复用器或开关。第一复用器被实施为将第一时间测量单元可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接，并且第二复用器被实施为将第二时间测量单元可选地与第一探测器单元和与第二探测器单元连接。借助复用器，在无附加的在接收装置处的输入和输出的情况下能够实现运行时间差别的补偿。于是特别有利的是，例如使用两个单独的ASIC。

按照本发明另一实施例，测量装置具有振荡器和高频同步线路。高频同步线路在此将第一时间测量单元与振荡器连接。此外，高频同步线路同样将第二时间测量单元与振荡器连接。通过这种方式，可以相互协调、也即同步第一和第二时间测量单元，使得通过第一时间测量单元测定的运行时间可以与通过第二时间测量单元测定的运行时间比较。尤其是，高频同步线路可以将振荡器经由一个或多个高频发生器与时间测量单元连接。在此高频发生器可以从比较低的振荡器频率生成例如100倍高的频率。

时间测量单元的高频同步尤其是对于下面进一步描述的抖动的补偿可以是有利的。此外，在共同的ASIC上定位第一和第二接收装置时高频同步可以是有利的。

替换地，同步可以借助低频同步线路来进行。在此，振荡器可以直接与时间测量单元连接。低频同步可能在使用两个单独的ASIC的情况下是有利的。

按照本发明的另一实施例，测量装置除了第一和第二发送装置之外还具有两个单独的激光器或者激光二极管。第一发送装置被实施为：当第一时间测量单元与第一探测器单元或与第二探测器单元连接时，可选地运行第一激光器。此外，第二发送装置被实施为：当第二时间测量单元与第一探测器单元或与第二探测器单元连接时，可选地运行第二激光器。在此，可以放弃激光器驱动开关。第一激光器或第一激光二极管在此以与第二激光器或第二激光二极管离目标对象和离参照对象相同的间距布置。第一、第二、第三和第四运行时间的测量在该实施例中顺序进行。

按照本发明另一实施例，测量装置具有滑标。滑标在此被实施为在第一位置中允许上述的测量A、B、C和D。此外，滑标在第二位置中被实施为，将装置内部的参照辐射偏转至第一接收装置并且将从目标对象返回的辐射偏转至第二接收装置。在此执行的测量可以相应地用A’，B’，C’和D’来表示。

换句话说，通过滑标在保持运行时间差下在第二位置中关于接收装置或者关于探测器单元互换（getauscht）光学接收路径。在此该滑标可以是机械元件。

通过由滑标实现的测量的附加组合可能性例如可以借助下面的计算来补偿在交叉的接收路径或线路之间的运行时间漂移。此外，通过下面的计算还可以补偿在探测器单元之间的所有另外的漂移，这些漂移例如出现在探测器单元本身中：

。

按照本发明第二方面，介绍一种用于补偿上面描述的测量装置的测量误差的方法。该方法具有下面的步骤：在使用第一探测器单元和第一时间测量单元下测定从目标对象返回的辐射的第一运行时间T_A；在使用第二探测器单元和第二时间测量单元下测定装置内部的参照辐射的第二运行时间T_B；在使用第一探测器单元和第二时间测量单元下测定从目标对象返回的辐射的第三运行时间T_C；在使用第二探测器单元和第一时间测量单元下测定装置内部的参照辐射的第四运行时间T_D；借助分析单元形成在运行时间之间的差或者平均值，用于补偿运行时间误差。

本发明的另外的特征和优点对于技术人员而言参考附图从示例性实施方式的随后描述中变得显而易见，但是这些实施方式不应被解释为对本发明进行限制。

附图说明

图1示出了按照本发明第一实施例的测量装置的框图

图2示出了按照本发明第二实施例的测量装置的框图

图3示出了按照本发明第三实施例的测量装置的框图

图4示出了按照本发明第四实施例的测量装置的框图

图5示出了按照本发明第五实施例的具有滑标的不同位置的测量装置的部分。

所有的图仅仅是按照本发明实施例的本发明装置或其组成部分的示意性图示。尤其是间距和大小关系在图中不按比例地被再现。在各种图中，相应的元件配备有相同的参照标号。

具体实施方式

图1至5示出了测量装置1，其中组件例如发送装置3、5、高频发生器37、39和接收装置9、11布置在两个单独的集成电路25，27上。所有的组件也可以设置在共同的集成电路上。这些替换方案在图中未被示出。

在图1中示出测量装置1的功能方框图。测量装置1是基于SPAD-ASIC的测距设备，尤其是激光测距设备，并且具有两个相同的集成电路，也即第一ASIC 25和第二ASIC 27。探测器单元16、17的光敏元件被实施为SPAD。在此，使用带有多个可能可接线的像素或光敏元件的探测器单元16、17可以是有利的。除了下面要描述的组件之外，测距设备还具有壳体，其中设置有用于确定在测量设备和外部目标对象之间的间隔的分析单元，其中所述外部目标对象至设备的间距可以被确定。该壳体可以附加地具有例如显示器或声学输出装置形式的输出单元。

两个ASIC 25，27可以安置在单独的壳体中，以便引起在测量辐射13和参照辐射15之间的良好的光学隔离。

在最上层面上，SPAD-ASIC 25，27分别包含发送装置3，5和接收装置9，11。第一ASIC 25在此具有第一发送装置3和第一接收装置9，并且第二ASIC 27具有第二发送装置5和第二接收装置9。概念“第一”在下面涉及第一ASIC 25的组件，而概念“第二”涉及第二ASIC 27的组件。

第一接收装置9又由第一探测器单元16和第一时间测量单元20构成。第二接收装置11又由第二探测器单元17和第二时间测量单元21构成。探测器单元16，17基于SPAD。SPAD的输出信号在此由通过吸收光子而感应的电脉冲构成，所述电脉冲的脉冲边沿与光子探测时间相关。

时间测量借助时钟控制的计数器来进行，所述计数器的时钟信号由频率发生器、尤其是高频发生器37、39产生，该频率发生器又由振荡器41馈送。同时，发送或测量辐射6借助第二发送装置5调制。替换地，测量辐射可以如例如在图3中示出的那样交替地由第一发送装置3和第二发送装置3调制。

ASIC 25，27在图中所示的实施例中被同步。所述同步可以通过共同使用的振荡器41来进行。为此目的，ASIC 25，27可以经由高频同步线路49与振荡器41连接。

在此，高频同步线路49将振荡器41经由一个或多个高频发生器37、39与时间测量单元20、21连接。为了补偿在高频发生器37、39之间的抖动，高频同步可以尤其是有利的。高频同步优选可以在第一和第二接收装置9、11布置在共同的ASIC上时是有利的（在图中未示出）。

替换地，同步可以借助在ASIC 25，27本身上产生的中间频率来进行。此外，可以借助低频同步线路48来进行同步。在此，可以将振荡器41直接与时间测量单元20、21连接。低频同步可能在使用如图1中所示的两个单独的ASIC时是有利的。

第一ASIC 25被用于接收由目标对象7散射回的测量辐射13。第二ASIC 27接收由具有已知间距的参照目标65（参见图5）散射回的参照辐射15。目标对象7和参照目标65用激光器43的测量辐射6来照明。

通过第一开关50和第二开关51可以给每个时间测量单元20、21输送芯片内部的探测器单元的信号或外部源的信号。换句话说，可以将布置在相同的第一ASIC 25上的第一探测器单元16的信号输送给第一时间测量单元20。此外，可以将布置在第二、也即芯片外部的接收装置11上的第二探测器单元17的信号输送给第一时间测量单元20。第一ASIC 25此外还具有第一输入端29和第一输出端31。第二ASIC 27具有第二输入端33和第二输出端35。这两个ASIC 25，27的输入端和输出端29、31、33、35通过两个交叉的接收线路47相互连接。

此外，ASIC 25，27与分析单元59连接。其例如可以集成在ASIC 25，27之一上。替换地，分析单元59可以与ASIC 25，27分开地实施。分析单元59被实施为在将探测器单元16、17和时间测量单元20、21进行各种组合情况下执行运行时间T_A、T_B、T_C、T_D的测量，并且基于此来测定运行时间差ΔT。借助运行时间差ΔT例如可以补偿测量装置1的温度引起的运行时间误差。

如在图2中所示地，每个ASIC 25，27可以具有多个探测器单元16、17、18、19和多个时间测量单元20、21、22、23。给每个时间测量单元分配至少一个探测器单元。在此，在图2中的实施例中在第一ASIC 25上设置有第一开关50和第三开关52，并且在第二ASIC 27上设置有第二开关51和第四开关53。附加地，第一ASIC 25具有第一复用器55，并且第二ASIC 27具有第二复用器57。借助第一复用器55例如可以选择探测器单元，其信号在第一ASIC 25的输出端上被给出。通过这种方式，可以将时间测量单元和探测器单元的不同组合连接。复用器55、57在此使得用于探测器单元的附加的输入端和输出端不是必要的。

在图1和2中的实施例中，高频发生器37、39相位相同地被同步。视同步的品质而定，可能出现在高频发生器37，39之间的抖动。该抖动应当被保持得尽可能小，因为在测量A和D时由相应另外的ASIC的发送装置来导出测量辐射6的调制。也即在借助第一探测器单元16和第一时间测量单元20测量运行时间T_A时，通过第二发送装置5来控制测量辐射6的调制。同样，当在使用第一时间测量单元20和第二探测器单元17下测量运行时间T_D时，通过第二发送装置5来控制测量辐射6的调制。

在两个高频发生器之间的同步可以在低频侧或在高频侧实现。高频同步可以在两个频率发生器37、39之间的抖动方面是有利的。

在图3中示出了测量装置1的另外的实施例，其中相同ASIC的接收装置和发送装置可以是同时激活的，使得在高频发生器37、39之间的抖动对测量的影响可以被消除。也即在图3中的实施例中描述的替换方案允许使用发送装置，该发送装置由有效的接收路径的高频发生器导出。反过来，该实施例也允许使用如下发送装置，其不由有效的接收路径的高频发生器导出。在该组合中，可以消除发送装置对时间测量单元的串扰的影响。因此，在图3中的实施例中给出两种组合可能性。一方面可以消除或者补偿串扰并且另一方面可以消除或补偿抖动问题。

这可以通过使用附加激光器驱动开关61来实现，该激光器驱动开关61布置在ASIC 25，27和激光器43之间的驱动路径中。激光器驱动开关61能够实现驱动式ASIC 25，27的选择，使得在测量A和D时也可以交换发送装置3，5。测量A，B，C和D在该情况下可以顺序地相继进行。

激光器驱动开关61也可以例如通过可选地高欧姆性可切换的激光器驱动输出端集成在ASIC 25，27之一中。

在图4中示出了实施例，在该实施例中可以放弃在图3中所示的激光器驱动开关61。代替激光器驱动开关61，在图4中除了第一激光器43还设置有第二激光器45。激光器43、45在此可以例如是激光二极管。激光器43、45以至目的对象7和至参照目标65相同的间距被校准。激光器43、45在此优选不是同时、而是相继地被运行，使得顺序地实施测量A、B、C、D。

通过使用两个激光器43、45可以尤其是在高频情况下放弃具有两个可切换的驱动输出端的单个激光器的运行。由此可以避免，附加的线路电容对传输特性产生影响。

图5示出了测量装置1的部分，其中机械滑标63被集成到光学路径中。图5A示出了在第一位置中的滑标63，并且图5B示出了在第二位置中的滑标63。在图5A和5B中的实施例中，可以在保持光学运行时间差下关于探测器单元16、17互换光学接收路径。这些运行时间差例如可以表示为τ_目标对象和τ_参照目标。

在滑标63的在图5A中所示的第一位置中，由目标对象7散射回的辐射13被引导到第一ASIC 25或第一接收装置9的第一探测器单元16上，并且由参照目标65散射回的辐射15被引导到第二ASIC 27或第二接收装置11的第二探测器单元17上。在滑标63的在图5B中所示的第二位置中，辐射引导被翻转。也即由目标对象7散射回的辐射13被引导到第二探测器单元17上，并且由参照目标65散射回的辐射15被引导到第一探测器单元16上。

在该情况下，上述测量A、B、C、D可以再次针对第二滑标位置作为A’、B’、C’、D’来执行。通过差形成的附加的组合可能性也可以在该情况下如上所述地补偿在交叉的接收线路47之间的差分运行时间漂移。

最后要说明的是，如“具有”等等的表达不应当排除：可以设置另外的元件或步骤。此外，还指出，“一个”或“一”不排除多个。此外，可以结合各种实施方式将所描述的特征任意地相互组合。还要说明的是，在权利要求中的附图标记不应当被解释为对权利要求范围进行限制。