CN101855568A - 用于进行光学的距离测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于进行光学的距离测量的装置，尤其是一种手持式装置，该装置具有带有光源(17、18)的用于将光学的测量射束(13、20、22)发送到目标对象(15)上的发送单元(12)以及与所述发送单元(12)的光学轴线(38)隔开的具有至少一个光学探测器(54)的用于接收从目标对象(15)返回的光学射束(16、49、50)的接收单元(14)。按本发明提出，所述接收单元(14)的探测器(54)具有探测表面(66)，该探测表面(66)的光学上有效的表面拥有变化的光学敏感性。

Description

用于进行光学的距离测量的装置

技术领域

本发明涉及一种按独立权利要求前序部分所述的用于进行光学的距离测量的装置。

背景技术

光学的距离测量设备作为这样的测量设备自较长时间以来为人所知并且在这期间也在商业上大量销售。这些设备发出经过调制的或者说脉冲的光束，所述光束对准所期望的目标对象的表面，在此应该检测所述目标对象到设备之间的目标。从计划的目标对象反射或者散射的返回的光部分地又被设备探测到并且用于检测所寻求的间距。

这样的距离测量设备的应用领域通常包括处于数厘米直到数百米的范围内的距离。

依赖于目标对象的有待测量的运行长度和反射能力，对光源、测量射束的质量以及对探测器产生不同的要求。

从现有技术中公开的光学的距离测量设备原则上可以根据在设备中必要时存在的发送信道或者说接收信道的布置划分为两种类别。

一方面有一些装置，对这些装置来说发送信道与接收信道之间以一定的间距来布置，使得相应的光学轴线彼此平行地但彼此隔开地延伸。另一方面有一些单轴的测量装置，对于这些测量装置来说接收信道与发送信道同轴地延伸。

最先提到的双轴的测量***的优点是，它不需要麻烦的射束划分用于选择返回的测量信号，从而比如也可以直接在接收信道中更好地抑制来自发送信道的光学的串扰。

另一方面对于双轴的距离测量设备来说还存在着这样的缺点，即在短的测量距离的范围内由于视差会出现探测问题。在此目标对象在设备的探测器表面上的成像随着变得越来越短的测量距离而越来越离开接收分支(Empfangsast)的光学轴线并且此外在探测器平面中得到射束横截面的明显的变化，而对于大的目标距离来说所述成像还明确地处于探测器上。

这引起这样的结果，即在没有其它的措施的情况下在设备上在探测的近区域中也就是说对于目标对象与测量设备之间的小的间距来说所探测到的测量信号会趋向于零。

这样的测量设备虽然对特定的距离范围来说可以得到优化，但是这而后也意味着对测量设备来说真正可以达到的测量范围受到明显的限制。

从DE 10 130 763 A1中公开了一种用于在大的测量范围内进行光学的距离测量的装置，该装置具有带有光源的用于将经过调制的光学的射束发射到目标对象上的发送单元，其中布置在这个测量设备中的具有光学探测器的用于接收从目标对象返回的光学射束的接收单元处于相对于发送单元的光学轴线隔开的接收轴线上。DE 10 130 763A1的接收单元的探测器的有效的光敏的表面沿用于变得越来越小的目标对象间距的射束位移的方向变细，所述射束位移由于返回的测量射束的视差而产生。

从DE 10 051 302 A1中公开了一种用于近区域和远区域的具有专门的接收器的激光距离测量设备，其具有发送信道和接收信道，其中所述发送信道由发送物镜构成，在该发送物镜的焦点中布置了激光光源，并且所述接收信道由接收物镜构成，接收器装置处于该接收物镜的焦平面中。所述发送物镜和接收物镜的光学轴线以有限的间距彼此平行地延伸。DE 100 51 302 A1的激光距离测量设备的接收器装置是具有至少两个有效的光电二极管表面的光电二极管芯片装置，所述光电二极管表面布置在一条直线上，该直线与这个装置的发送物镜和接收物镜的光学轴线相交。

在DE 10 2006 013292 A1或者也在DE 100 51 302 A1中描述了如何可以借助于光电探测器的有效的表面的几何的设计方案来获得优化的接收特性。在此优化的共同目的是，通过用于大的距离的主探测表面与用于较小的距离的构造为可变的边缘探测区域之间的区别来同时优化三个目标参量：

一方面通过所述有效的光电探测器表面的合适的设计来保证，在重要的距离范围内提供足够强的测量信号。这尤其涉及近区域，在所述近区域中在远区域中在中间聚焦的斑点侧向相对于远区内的斑点位置移动。

第二个任务在于，如此构造所述光电探测器表面，从而通过专门的探测器形状来对通过光学的接收功率在对象距离较短时随距离的倒数二次方地上升产生的信号电平的动态性进行平整。也就是说在理想情况下如此构造探测器表面，从而不超过有待预先设定的最大信号电平。在这里目标比如是避免测量放大器的过调。

这两种优化方案应该在总体上能够利用的探测器表面保持在尽可能小的程度上这种边缘条件下实施，以便尽可能少的环境光到达探测器。有效的表面越小，通过外来光产生的信号噪声的振幅就越小。所述探测器表面由此形成有待优化的也就是说最小化的第三目标参量。

发明内容

本发明的任务是，根据现有技术在用于进行光学的距离测量的装置上保证，第一可以在尽可能大的测量范围内测量尽可能恒定的接收信号(也就是说接收信号随到目标对象的间距而仅仅细微地改变其信号振幅)，第二在此通过尽可能小的有效的探测器表面来将外来光依赖性降低到最低限度，并且第三额外地将对所述装置的镜组的调整精确度的要求保持在微小的程度上。

该任务用一种具有独立权利要求所述特征的按本发明的用于进行光学的距离测量的装置得到解决。

为了将用于光电探测器的定位公差保持在微小的程度上并且同时在对象距离或者说目标距离短时获得测量信号的信号份额的有意识的衰减，按本发明提出，有利地在保持宽阔的和关联的探测器表面的情况下为这个探测器表面之内的不同的表面元素分配不同的光学敏感性：

所述按本发明的用于进行光学的距离测量的装置具有带有光源的用于将光学的测量射束发送到目标对象或者说目标上的发送单元。除此以外，所述装置还拥有相对于所述发送单元的光学轴线隔开的具有至少一个光学探测器的用于接收从目标对象返回的光学射束的接收单元。以有利的方式如此构成所述装置，使得所述接收单元的探测器具有至少一个探测表面，该探测表面的光学上有效的表面沿用于变得越来越小的目标对象间距的射束位移的方向拥有变化的光学敏感性。

在此，所述探测器的光学上有效的表面的光学敏感性以有利的方式沿用于变得越来越小的目标对象间距的射束位移的方向减小。换句话说，按本发明提出，在对象距离越来越短时由测量信号的返回的光所达到的表面设有越来越密的光学的滤光功能。由此产生具有基本上100％的光学敏感性的探测器表面以及具有降低了的光学敏感性的探测器表面，其中光从处于大的距离中的对象有利地成像到所述具有基本上100％的光学敏感性的探测器表面中，并且所述具有降低了的光学敏感性的探测器表面有利地在目标距离小时变得有效。在此，100％光学敏感性应该相当于在波长特定时比如半导体传感器的标准的未降低的光学敏感性。

利用这种按本发明的设计方案，所述探测器表面的最终对所要求的调整公差来说具有决定作用的结构的大小以有利的方式与探测器的光学敏感性解耦。

因此，对于所述按本发明的装置来说所述有效的探测器表面的不同的敏感性比如由设置到探测器表面上的吸收性介质的不同厚度或者说不同光学密度的层产生。

这样的比如可以构造为灰色滤光器的滤光器比如可以通过以下方式来实现，也就是使吸收性的介质的不同厚度的层沉积到半导体芯片的探测器表面上。这允许实现特别均匀的过渡。有利的是，在此在具有基本上100％光学敏感性的区域与具有明显降低的敏感性比如0％敏感性的区域之间实向软性的逐渐的过渡。

作为替代方案，也可以利用所述探测表面的不同的反射等级。

也可以设想，使多个吸收性的层沉积在探测器表面上，其中不同的层的突出之处在于不同的吸收系数，或者用不同的掩模使同一种吸收层多次沉积。

在所述按本发明的装置的一种作为替代方案的实施方式中，所述有效的探测器表面的不同的敏感性也可以由设置到探测器表面上的具有变化的光栅大小或者光栅密度的光栅掩模(Rastermaske)产生。

在其它的实施方式中可以规定，在具有基本上100％敏感性的区域与具有降低了的敏感性的区域之间存在着至少一个离散的过渡区域。有利的是，在探测器表面上实现多个这样的过渡区域。

一种从技术眼光看吸引人的替代方案在于，借助于由完全不透明的涂层和光栅化的(gerastert)掩模构成的组合来实现灰色滤光器的具有变化的透射率的表面。为此，在所述按本发明的装置的一种有利的设计方案中，所述有效的探测器表面的不同的光学敏感性通过设置到探测器表面上的光栅掩模来实现。光学敏感性的变化在此可以通过变化的光栅大小或者也可以通过网点的密度的变化来产生。

这相当于比如在印刷不同黑度的灰色表面时在印刷介质中所使用的光栅化(Rasterung)。在此而后对于所述按本发明的装置来说借助于有效起作用的探测器表面的不同的表面元素中的精细结构化的图案用不透明的材料来相应地覆盖不同的相对的表面部分。关于返回的测量信号的最小产生的斑点直径来求平均，然后也获得所述探测器的平滑变化的光学敏感性。

在此，“光栅化的”平滑的灰色滤光器的优点在于，在用作探测器的半导体的工艺处理(Prozessierung)时可以动用既有的工艺。这样的探测器由此与已知的具有100％敏感的探测器表面的探测器相比可以在没有额外费用的情况下制成。

在此作为光栅图案，还考虑比如条状的有规则的图案或者也考虑具有小的直到非常小的单点的伪随机的点图案。最小的结构大小在此通过半导体工艺的制造工艺来预先给定。

所述探测器的光学敏感性可以额外地以有利的方式通过以下方法来降低，也就是使用沿变得越来越小的目标对象间距的射束位移的方向变细的在光学上有效的表面，从而也通过这种效果使返回的测量信号的更少的信号碰到探测器。

所述按本发明的装置的其它优点从一些实施例的以下说明中获得。

附图说明

在附图中示出了所述按本发明的装置的实施例。说明书、所属的附图以及权利要求包含大量的组合特征。本领域的技术人员也会对这些特征尤其也对不同的实施例的特征进行单个的研究并且概括出其它有意义的组合。

其中：

图1是按本发明的用于进行光学的距离测量的装置的一种实施例的示意图，

图2是在测量对象间距变化时返回的测量射束在探测平面中的变化的示意图，

图3是用于按图1的装置的镜组的尺寸确定实例，

图4是作为用于按图3的尺寸确定实例的目标距离的函数示出的探测平面中的焦点大小的变化的视图，

图5是作为用于按图3的尺寸确定实例的目标距离的函数示出的探测平面中的焦点位置的变化的视图，

图6是所述按本发明的装置的探测器的探测表面的第一实施方式的示意性的俯视图，

图7是用于按本发明的装置的探测器的探测表面的第二实施方式的示意性的俯视图，

图8是用于按本发明的装置的探测器的探测表面的第三实施方式的示意性的俯视图。

具体实施方式

在图1中以示意的方式示出了按本发明的用于进行光学的距离测量的装置连同最重要的组件用于描述其功能。所述按本发明的设备10具有外壳11，在该外壳11中布置了用于产生测量信号13的发送装置12以及用于探测从目标对象15返回的测量信号16的接收装置14。

所述发送装置12包括在图1的实施例中通过半导体激光二极管18实现的光源17。但是同样可以在按本发明的装置中使用其它的光源。所述激光二极管18发出对人眼来说看得见的光束22的形式的激光束20。有利的是，在此这是绿色的、红色的或蓝色的光。

所述激光二极管18为此通过控制仪24来运行，该控制仪24通过相应的电子装置来产生所述二极管18的电输入信号19的调制效果。通过二极管电流的这样的调制可以实现这一点，即用于测量距离的光学的测量信号13同样以所期望的方式得到调制。

所述激光束20随后穿过物镜28的形式的准直镜组26，该物镜28在图1中以简化的方式以单个的透镜30的形式示出。物镜28在该实施例中可选处于调节组装件(Verstellmimik)32上，该调节组装件32原则上能够比如为了调整目的使物镜的位置沿所有三个空间方向变化。

但是作为替代方案，所述准直镜组26也可以已经是激光二极管18的组成部分或者说固定地与该激光二极管18相连接。

在穿过物镜28后产生平行的光束37的形式的比如振幅调制的信号13，所述光束37如在图1中示意性地示出的一样沿着发送单元12的光学轴线38传播。此外，在所述按本发明的装置的发送分支12中还有优选可控的射束转向件40，该射束转向件40允许使测量信号13在绕过目标对象的情况下直接地也就是说在设备内部转向到设备10的接收单元14。通过这种方式产生设备内部的参考线路42，该参考线路42允许对测量***进行校准或者说调整。

如果用所述按本发明的装置实施距离测量，那么测量射束13就通过所述设备10的前壁45中的光学窗口44离开所述按本发明的装置的外壳11。所述光学窗口的开口比如可以通过遮板46来保护。为进行真正的测量，而后使测量设备10朝目标对象15定向，在此应该检测所述目标对象15到测量设备的距离48。在所期望的目标对象15上反射的或者也散射的信号16形成返回的射束49或者说50，该射束49或者说50一部分又回到测量设备10中。

通过设备10的端面45上的入口窗47，所述返回的测量射束16输入到测量设备中并且在图1的实施例中被引导到接收镜组52。

在图1中为说明问题示范性地绘出了两条用于两个不同的目标对象间距48的返回的测量射束49或者说50。对于大的对象间距来说，“大”在这种情况下意味着相对于接收镜组52的焦距是大的，从目标对象返回的信号16平行于接收装置14的光学轴线51入射。这种情况在图1的实施例中由测量射束49来代表。随着对象间距变得越来越小，入射到测量设备中的返回的信号16由于视差相对于接收单元14的轴线51倾斜得越来越厉害。作为这样的处于距离测量装置的近区域中的返回的测量射束的实例，在图1中绘出了射束50。

所述接收镜组52在图1的实施例中同样仅仅示意性地通过单个的透镜示出，该接收镜组52对返回的测量信号16进行准直并且使其射束聚焦到接收探测器54的光敏的表面66上。所述探测器54为探测光学的测量射束而具有至少一个光电二极管比如PIN二极管或者APD(Avalanche Photo Diode(雪崩光电二极管))或者也可以具有至少一个CCD芯片作为光敏的元件66。除此以外，当然也可以使用其它对本领域的技术人员来说已知的表面探测器作为接收探测器。表面探测器通常以其有效的光敏的表面66垂直于接收分支的光学轴线定向。入射的光学信号通过接收探测器54转换为电信号55并且在所述按本发明的装置的分析单元36中得到进一步分析。

所述接收镜组52在图1的实施例中不受限制地同样安置在调节组装件53上，该接收镜组52大约处于其离开所述探测器的有效的表面66的焦距的间距中，使得来自于远离测量设备的目标对象的入射的射束准确聚焦到探测器上或者说聚焦到有效的光敏的表面上。

但是在到目标对象的间距小时应该注意，用于在目标对象上反射的或者散射的测量光斑的成像位置越来越远离接收透镜的焦点。因此所述返回的测量射束随着目标对象到测量设备的间距变得越来越小而越来越远离所述接收装置的光学轴线并且由此也越来越偏离发送装置的光学轴线。此外，所述返回的测量射束由于在接收物镜上的成像情况的变化而不再准确地聚焦到探测器表面上。随着目标对象间距变得越来越小，在探测器表面上也产生变得越来越大的测量光斑。

所述发送和接收***的光学轴线具有有限的平行度偏差(视差)。这种偏差在实践中通过接收透镜52的直径来预先设定并且在实际上处于大约1-3厘米的数量级中。

在这方面不应该进一步对其它的在测量设备中存在的但是对所述按本发明的装置的理解来说不一定需要的组件进行探讨。仅仅要说明，所述测量设备当然也拥有控制和分析单元36。

在图2中为简明起见以定性的和示意的方式示出了有待测量的目标对象(目标)离开测量设备的间距与探测器表面上的测量光斑的位置或者说大小之间的关联。

在此，图2示出了按现有技术的探测器表面64的沿从测量对象返回的测量信号16的观察方向的俯视图。用附图标记56来表示所述发送单元12的光学轴线38与接收单元14的光学轴线51的共同的平面。用于很大的对象间距48的返回射束16的测量光斑58处于接收单元14的光学轴线51上并且在探测器的表面64上聚焦为小的光斑。因为探测器54大致处于接收镜组52的焦距的间距中，所以在光学上看来自无穷远的光由于光学的成像定理直接聚焦到探测器表面上。在图2中为说明所述关联用虚线绘出了按现有技术的探测器的“传统的”探测器表面64。

随着测量设备10离开目标对象15的距离48的减小，返回的信号16越来越倾斜地入射到接收镜组52上，使得探测器表面上的测量光斑沿图2中的箭头61的方向移动。

同样在图2中绘出的用于目标对象15离开测量设备10的小的对象间距48的测量光斑60由此离开所述接收装置的光学轴线51并且其伸展尤其侧向伸展明显扩大。

在测量对象15到测量设备的测量间距48很小时，在探测器平面中产生所述返回的测量信号16的测量光斑62，该测量光斑62再次明显地扩大并且此外也进一步远离所述接收单元14的光学轴线51。有待探测的测量光斑随着测量对象15到测量设备10的相对间距48进行的这样的移动可能会导致这一点，即如在图2中通过“传统的”测量接收器的所示出的以虚线绘出的表面64示出的一样对于很小的对象间距来说所述返回的信号16不再落到测量接收器54的有效的表面上。

图3示出了一种在以下段落中为说明的目的而使用的具体的尺寸确定实例，其中该尺寸确定实例具有2厘米的视差、4厘米的接收焦距以及3厘米的接收镜组透镜直径。附图标记在此相应于图1中的组件。

所述光学的发送和接收轴线的平行移动导致从目标对象返回的光按距离48以变化的入射角到达光电探测器。作为结果，这种变化的入射角导致从目标对象返回的光在按距离48侧向移动的位置上碰到探测器平面。斑点由此随到目标的距离的下降而“运动”离开探测器镜组的光学轴线51。在这种侧向运动的同时，成像到探测器平面中的光的振幅相反随间距的减小二次方地上升。

图5示出了探测器上的位置依赖于目标距离或者说测量距离的这种函数关联。

焦平面中的焦点的侧向运动在对象间距48大时首先比较“缓慢地”进行，也就是说焦点的位置随间距的变化而产生的变化相当小。

在使用按图3的光学参数时，在目标距离48从100米变化到50米时，斑点中心在接收透镜的焦平面中仅仅产生大约8微米的运动。

对于很短的距离48来说，这种侧向运动的效应变得更加强烈。因此对于到目标的仅仅4厘米的间距48来说比如产生2厘米的侧向偏移。

同时随着有待探测的测量信号的侧向移动，所述返回的信号的在焦平面中产生的斑点直径也变得更大。在所述探测器66的像平面中产生的光斑的大小在对于所选择的到目标的间距48进行完美的聚焦时首先通过接收透镜***52的成像失真并且可能通过接收透镜的孔径上的衍射来产生。因此对于接收透镜52的大约4厘米的焦距来说在技术上完全可以实现10微米的斑点直径。在图4中示意性地示出了如从相应于图3的尺寸确定大小中产生的、作为测量设备到目标的距离的函数的焦点大小的典型的变化曲线。

在实践中如此调整接收镜组***，从而对于大的距离来说产生最小的斑点直径。比如在目标间距48为100米时。因此可以保证，来自大距离的微弱的测量信号尽可能完全到达光电探测器。尤其因而也可以避免因聚焦差引起的有效的探测器表面的照亮导致有效信号的减小，所述有效信号在间距大时本来就很弱。

如果如通常一样未设置适应性的再聚焦，那么目标间距48的减小就导致接收镜组的焦平面中的斑点的扩大。

如果作为目标间距48的函数绘出所产生的焦点直径(参见图4)，那么随着距离的减小首先仅仅产生焦点的微小的扩大。焦点的通过散焦产生的扩大与本来存在的透镜误差相叠加。如果作为目标间距48的函数来观察成像到焦平面66中的有效光的形状，那么因此首先产生具有变化很小的大小的主要在焦平面中“移动的”像点。只有在测量距离48比较短时比如为30米时，才观察到明显增加的比如20微米的斑点直径。对于10米的测量距离也就是说测量设备到有待测量的目标对象的间距来说，产生典型地大约50微米的斑点直径。

不过，所述返回的信号在探测器表面上的斑点直径的增加在很大程度上没有对由于视差引起的扩大的侧向偏移进行补偿。由此为了也在绝对的近区域中将光成像到探测器上，有必要将探测器大小扩大到几厘米。这在实际上无法实现。

因此为了也在到有待测量的目标的间距只有几厘米时还将足够的光成像到探测器上，作为替代方案也可以如此构造接收透镜，使得透镜表面的一部分如此成形，从而来自近区域的光也到达探测器。与眼科光学(Augenoptik)相类似，而后在一定程度上也可以谈及“变焦距(Gleitsicht)”透镜，对于“变焦距”透镜来说透镜表面的不同部分对不同的距离变得有效。在此与眼科光学的区别仅仅在于，不要求清晰的成像，而更确切地说仅仅必须保证，有一些光到达探测器。

有待测量的目标对象一般不在昏暗的室内。因此除了由于通过发送光源的照明而被目标对象反射的光之外，外来光也到达探测器。这种外来光通过以下方式表现在电测量参量中，即在用光电探测器接收的测量信号上叠加了噪声类的干扰信号。对于激光距离测量仪的测量功率来说具有决定作用的参数在此是碰在光电探测器上的测量信号与由外来光引起的干扰信号之间的比例。在光学上在此可以认为，成像到接收镜组的焦平面中的外来光导致在光学轴线的周围准均匀的照明。

在此期望减小外来光与有效光之间的比例，该愿望由此引起有效的探测器表面的减小。但是这在实际上仅仅在一定限度内是可能的。这在研究简单的数字实例时变得明显：

如果比如使用特别小的具有仅仅10微米的相当于在100米时达到的最佳焦点的直径的探测器，那么有效光与外来光之间的比例对于在目标间距固定时完美的聚焦的情况来说是最佳的。不过，而后目标间距变化到50米由于焦平面中的斑点的平行度偏差已经导致有效光在实际上不再到达探测器。这种信号减弱仅仅少部分通过光学功率的四倍得到补偿(按照间距平方定理)。距离测量仪对于这样的设计来说只能用在测量距离的狭窄的窗口中。

同时，对于如此小的探测器来说对接收透镜***的调整公差的要求明显很高。在相对于光电探测器54将接收透镜52的位置仅仅调节10微米时，有效光就已经不再到达有效的探测器表面。一种这样的距离测量仪的制造因此与对调整公差的高要求相关联。

通过探测器表面的最小化来孤立地优化信号与噪声之间的比例在技术上如上面说明的一样是无法实行的。有效的探测器表面由此与最佳的斑点大小相比在实际上必须明显地得到扩大。

作为光电探测器，首先考虑硅光电二极管尤其雪崩效应光电二极管。这种光电二极管的特征是，通过用金属层来覆盖的方式在很大程度上自由地设计有效作用的探测器表面这种做法不是问题。为了在分开之后并且在装入到外壳中时还能够处理各个光电探测器，需要硅板的比如大约500微米＊500微米的最小边长。在这个基面之内通过具有几微米的精度的光刻掩模几乎可以自由地预先设定暴露在光下面的元件的精确的结构。光电探测器的不应该起作用的部分在光刻过程之后用不透明的层来覆盖。

如果作为探测器比如选择具有30微米(？？？)直径的圆形元件，那么调整过程显著简化。有效信号的焦点而后以更大的位置间隔完全留在探测器上。不过，这种简化由于显著更多的到达探测器的外来光而以显著扩大的噪声信号为代价来获得。

作为额外的麻烦产生这一情况，即测量信号的绝对值在很大程度上依赖于目标距离48。因此在所有的光到达探测器时比如在距离为10米时与100米的距离相比产生增加了因数100的信号振幅。这隐藏着在距离太小时测量放大器过调的危险。探测器表面的简单的扩大由此同样引起问题。因此在理想情况下，有意识地使在对象近时也就是说在目标距离短时到达光电探测器的测量信号衰减。仅仅对于大的距离才应该尽可能探测100％的光，对于大的距离来说信号振幅是微小的。

为应对这个问题，在DE 101 30 763 A1中已经提出，通过以下方式来减小在目标间距48减小时有效作用的探测器表面，即探测器表面随离开光学轴线的间距的增大而如此变细，使得原有的探测器表面以狭长的条的形式慢慢结束。在处于短距离内的目标的光学信号成像到焦平面中的地方，探测器表面明显窄于斑点大小，从而仅仅探测一小部分光。借助于该措施，可以获得信号的有效的衰减。通过这种方式可以减小信号的动态性，测量放大器比如必须能够满足所述信号的动态性，用于不仅对于短的对象距离而且对于大的对象距离都具有功能能力。

但是，线状终止的探测器或者比如从DE 100 51 302 C2中公开的对于近区域点状的附加探测器的设置具有这样的缺点，即尤其只要由于距离减小焦点斑点的扩大还不明显，调整就变得关键。

高的信号动态性的补偿在所提到的现有技术的两种情况下建立在这样的基础上，即从像平面中的为短的对象距离产生的斑点中仅仅截出小部分。起作用的探测器表面由此必须明显小于斑点大小。如果比如应该从具有20微米的直径的斑点中截出线状的条，该条包含整个斑点的光功率的大约10％，那么线宽就必须拥有小的处于1与2微米之间的数值。

用于硅探测器的覆盖掩模虽然原则上允许如此小的结构大小，不过留下这样的问题，即像平面中的斑点的位置也就是说镜组调整必须以比较窄的公差来实现。在上面的段落中介绍的实例中，这意味着：

为了通过从成像斑点中“切出”狭窄的条来稳定地得到10％的衰减，除了大约1微米的条宽之外也要保证，斑点的中心除了几微米之外准确地在中央成像在条上。高度偏差立即通过以下方式起作用，即信号的真正值得期望的衰减明显大于所规定的情况。

为了将用于光电探测器的定位公差保持在微小的程度上并且同时在对象距离短时实现信号份额的有意识的衰减，按本发明提出，尤其在保持宽阔的且关联的探测器表面时将不同的敏感性分配给这个探测器表面内部的不同的表面元素。换句话说，在此提出，用越来越密的光学滤光器遮盖在对象距离越来越短时由光达到的表面。而后产生具有基本上100％敏感性的探测器表面，以及具有减小的敏感性的探测器表面，其中光从处于大的距离中的对象成像到所述具有基本上100％敏感性的探测器表面中并且所述具有减小的敏感性的探测器表面在距离小时变得有效。

由此以有利的方式使探测器表面的最终对所要求的调整公差起决定作用的结构的大小与光学敏感性解耦。

图6示出了按本发明的光电探测器的一种实施例的有效表面的示意性的俯视图。在此，在右边的区域中可以看出一个圆形的表面，对于该圆形的表面来说光电探测器的表面未被遮盖，并且由此获得100％的敏感性。在比如可能处于探测器中心的位置51上，从处于大距离中的对象反射的并且由于大的间距仅仅具有微小的强度的光被成像，从而需要光电探测器的最大的敏感性。

由于有限的视差，从处于较小的距离中的目标反射的光产生一个焦点，这个焦点定心在侧向偏移的位置511上，也就是说定心在一个点上，这个点关于方向61(在图6中的X轴)对于变得更短的对象间距来说相对于位置51移动。由于到目标的间距较小而实现的强度比如增加了一个因数2，这通过以下方式得到补偿，即通过合适的涂层将光电探测器的在点511的区域B中的有效的敏感性例如降低到50％。

沿正交于方向61的方向(在图6中的Y轴)进行细微的误调整，这在这种配置中对依赖于距离的光学的信号振幅的补偿来说没有影响。

在图6中借助于4个离散的具有4个离散的透射值的单区A、B、C、D示出了示意性的敏感性变化。比如可以选择A＝100％、B＝50％、C＝30％以及D＝10％的敏感性分布。当然同样可以考虑敏感性的作为替代方案的分级。也可以设想，所示出的“分级的”滤光实现方式被连续的过渡特征所取代，比如方法是反向于图6中的X轴的方向实现衰减系数的连续的比如线性的增加或者跟随二次方关系的增加直至如在图7中示出的必要时完全的衰减。

这样的如在图6中示出的并且可以构造为灰色滤光器的滤光器比如可以通过以下方式来实现，即将一种吸收性的或者部分反射性的介质的不同厚度的层沉积到半导体芯片的探测器表面上。由于所述层的不同的厚度产生不同的透明度，使得不同程度的光可以到达半导体表面并且可以被探测。这也允许实现特别均匀的过渡。有利的是，由此尤其也可以在具有基本上100％光学敏感性的区域与具有明显减小的敏感性比如0％的敏感性的区域之间实现软性的逐渐的过渡。

与探测器表面的在图6中示出的圆形对称的基本几何形状不同，作为替代方案也可以设想，使用一种正方形的或者矩形的或者其它有利地设计的基本形状或者使用作为替代方案的几何的拓扑结构。在此有利地如此选择准确的形状，从而考虑到能够在给定的***中实现的失调-公差并且获得一种在总体上特别加工友好的***。

在所述按本发明的光电探测器的一种有利的实施方式中，所述探测器的半导体表面上的减小的透射率通过以下方式来实现，即借助于不透明的材料局部地将相应于衰减因数的表面部分盖住。为此尤其金属层显得适合于此。比如精细结构化的线元素、阴影线或者有规则的或者伪随机的点图案适合于产生这样的光栅。在使用点图案的情况下，比如可以使用具有相同的有规则的位置的并且按测量信号的所期望的衰减具有不同大小的单点。作为替代方案，可以使用具有相同的直径和变化的密度的单点。两个参数的组合也获得所期望的效果。然后通过所述有效的探测器表面上的光栅元素的密度在关于光学信号的射束直径平均的情况下确定所述探测器表面的光学敏感性。通常这里考虑所有从印刷技术中用于获得分级的灰色色调的光栅化方法(Rasterungsverfahren)。比较不规则的伪随机的图案结构在此具有这样的优点，即关于用于半导体涂层的剥离过程(Lift-Off-Prozesse)的问题比有规则的结构比如阴影线的少。

作为所期望的灰度的“光栅化”的替代方案，也可以使用部分反射的或者部分吸收的涂层。在此，部分吸收的涂层的优点是，可以特别有利地制造连续的过渡区域。尤其在此应该强调通过层厚度的变化来改动局部的衰减因数的这种可能性。

所述光电探测器的整个在光学上有效的表面的沿X和Y方向的空间伸展(参见图6)也就是一直到光敏的区域的具有减小的敏感性的边缘的空间伸展有利地为0.3到2毫米，尤其为0.4到1毫米，因为具有这种总体大小的半导体探测器可以以特别低廉的成本来制造。

因为对于这种能够以低廉的成本实现的最大的探测器大小来说能够实现的局部窗口没有将直接的(比如几厘米的)近区域包围，对于所述局部窗口来说光学的最低功率到达所述探测器，所以图6的光电探测器在一种特别有利的实施方式中用在一种光学***中，在该光学***中借助于“变焦距”镜组也使来自直接的近区域的光转向到探测器上。在此，比如对于从距离测量仪的前缘计算的5厘米到4米的距离范围来说，而后所述成像的光学***的光学表面的准确的成形负责近区域中的振幅和距离修正。而后所述探测器表面的几何形状和结构的专门的设计应该在处于4米与比如50米之间的过渡区域中的接收信号的振幅修正方面得到优化。

图7示出了一种作为替代方案的和有利的用于按本发明的装置的探测器表面的实施方式，在该实施方式中圆形的光电探测器的边缘区域E在一侧有选择地被在衰减方面逐渐增加的滤光器所遮盖。探测器的直径d典型地大约为100微米。

图8示出了所述按本发明的探测器表面的另一种实施方式。在此，来自图6的实施例的基本构思与DE 10 130 763 A1的几何形状相组合，在DE 10 130 763 A1中强度降低仅仅通过以下方式来实现，即从对于短的目标距离散焦的斑点中通过变细的探测器表面仅仅在几何上“切出”预先设定的小部分。与基于DE 10 130 763 A1的结构相比，在所述按本发明的装置的这里的实施例中变细的探测器表面的沿正交于方向61的方向(图8中的Y轴)的伸展显著更大，因为信号衰减在这里通过由于探测器表面的形状中的变细引起的几何上的“切出”与由于光电探测器的经过调整的透射率引起的额外的信号衰减的组合来完成。结构大小由此可以显著变大，使得镜组的沿Y轴的方向的误调整比在放弃光电探测器的表面上的衰减涂层时的影响更小。按图8的探测器拥有5个离散的具有不同的几何的设计形状的敏感区域F、G、H、I、J。敏感性值的可能的分级在此比如可以是：F＝100％、G＝50％、H＝30％、I＝10％、J＝5％。

不仅所述探测器表面的各个分段的数目、而且其形状以及其光学的敏感性值都不局限于该具体的实施例。

所述敏感性的逐渐的或者说连续的如在图7的实施方式中所说明的过渡可以与按图8的实施方式或者一种作为替代方案的实施方式相组合。

在本发明的范围内，有利的作为替代方案的如在DE 10 2006 013292 A1中所说明的探测器表面比如可以与光学的滤光器表面的实施进行类似的组合。

本发明也能够转用到从现有技术中已知的具有探测器的多个独立的无关联的探测器表面部分的***上。这些***如DE 100 51 302A1一样使用各个用于探测从近距离的目标朝测量设备返回的光的表面部分(这些离散的表面部分与光学轴线侧向偏置地布置)以及其它的与第一表面部分分开的表面部分，来自远距离的目标的光成像到所述与第一表面部分分开的表面部分上(这些第二表面部分放置在接收***的光学轴线上)。

为了实现近似地不依赖于距离的振幅，对于这些来自现有技术的设备来说，分配给近区域的第一表面元素的大小显著小于远区域表面部分的表面。不过尤其所述近区域表面的小的大小代表着对接收透镜和光电探测器的定位的调整精度的高要求，因为来自近区域的有待聚束到探测器上的光的焦点斑点必须在中间碰到小得多的探测器表面。

如果使用上面所说明的按本发明的滤光器结构，那么离散的表面元素的各个表面对于光电探测器的非常类似的光学敏感性来说会显著扩大。如果比如通过所提出的滤光器结构来实现测量信号的幅度为因数16的衰减，那么所述近区域表面元素的长度伸展比如构造为圆盘状的表面部分的直径可以扩大因数4。对调整公差的要求由此有利地同样降低了因数4。

由此对于既存的探测器表面的一个或者多个离散的部分表面来说也可以实现所述敏感性的按本发明的匹配。

在设计光学***时通过本发明的主题向开发者提供的探测器敏感性这种额外的自由度以有利的方式用于以特别有利的方式对上面所列举的四个设计目标(距离范围、振幅动态性、全部有效的探测器表面、调整公差敏感性)进行优化。

所述按本发明的装置尤其能够实现这一点，即所述探测器表面的结构的最终对所要求的调整公差起决定作用的大小与探测器的光学敏感性解耦。

Claims (10)

1.用于进行光学的距离测量的装置，尤其是一种手持式装置，该装置具有带有光源(17、18)的用于将光学的测量射束(13、20、22)发送到目标对象(15)上的发送单元(12)以及与所述发送单元(12)的光学轴线(38)隔开的具有至少一个光学探测器(54)的用于接收从目标对象(15)返回的光学射束(16、49、50)的接收单元(14)，其特征在于，所述接收单元(14)的探测器(54)具有至少一个探测表面(66)，该探测表面(66)的光学上有效的表面沿用于变得越来越小的目标对象间距(48)的射束位移的方向(61)拥有变化的光学敏感性。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，为相关联的探测器表面(66)内部的不同的表面元素(A、B、C、D、E、F、G、H、I、J)分配了不同的光学敏感性。

3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光学上有效的表面的光学敏感性沿用于变得越来越小的目标对象间距(48)的射束位移的方向(61)下降。

4.按前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述有效的探测器表面(66)的不同的光学敏感性由设置到探测器表面上的吸收性的或反射性的介质的不同厚度的层产生。

5.按权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述有效的探测器表面(66)的不同的敏感性由设置到探测器表面上的不透明的具有变化的光栅大小的光栅掩模产生。

6.按前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在具有基本上100％光学敏感性的区域与具有明显降低的光学敏感性的尤其具有基本上0％光学敏感性的区域之间存在着连续的过渡区域(E)。

7.按权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，在具有基本上100％光学敏感性的区域与具有降低的光学敏感性的区域之间存在着至少一个离散的过渡区域(A、B、C、D、F、G、H、I、J)。

8.按前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器的光学敏感性额外地通过以下方式来降低，也就是使用沿用于变得越来越小的目标对象间距(48)的射束位移的方向(61)变细的光学上有效的表面(F、G、H、I、J)。

9.按前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光源(17、18)是激光器，尤其激光二极管(18)。

10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光源(17、18)发射出处于电磁波的光谱的对人眼来说看得见的波长范围内的射束，尤其是绿光。

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