CN107367734B - 测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量装置。在发送通道中具有可变光衰减元件的距离测量装置的动态扩展。本发明涉及一种具有电子激光距离测量模块的测量装置，尤其是视距仪、激光扫描仪、轮廓仪或激光跟踪仪，所述电子激光距离测量模块包括具有发送单元的光发送通道和具有用于激光测量辐射的接收单元的光接收通道，其中借助于光纤实现电子激光距离测量模块中的光束引导，并且其中在光发送通道中提供用于衰减由发送单元产生的激光测量辐射的基于光学活性晶体的可设置衰减单元。

Description

测量装置
技术领域
本发明涉及一种具有电子激光距离测量模块的测量装置，尤其是视距仪、激光扫描仪、轮廓仪或激光跟踪仪，所述电子激光距离测量模块包括具有发送单元的光发送通道和具有用于激光测量辐射的接收单元的光接收通道，其中在光发送通道中设置用于衰减由发送单元产生的激光测量辐射的衰减单元。
背景技术
所讨论的类型的光学衰减单元或衰减器尤其用于电子距离测量模块(EDM)。距离测量模块例如是诸如经纬仪、扫描仪、激光雷达、轮廓仪、激光跟踪仪等产品中的组件或者也是汽车中的组件。
接收信号的强度一方面由要被覆盖的距离范围确定，另一方面由待测量对象的表面的不同反射率确定。尤其是，具有镜面或光滑表面的对象根据光学测量光束的入射角度在测距仪的接收单元中产生截然不同的信号幅度。
在典型应用中，覆盖要限定的从小于1m到多达数公里的较大距离范围，其中具有极小反向散射的强漫射光散射目标对象以及具有回射和超高光学质量(并因此具有高强度反射辐射)的棱镜目标对象要被测量。
待测量的目标对象通常由具有光滑表面的塑料或金属制成，因此返回距离测量单元的散射光的信号强度因此非常低，或者在直接反射回的情况下过于强烈。在第一种情况下，接收信号合并成噪声，并且无法进行分析。在第二种情况下，因为接收器的信号运行时间和/或信号形状改变，所以接收通道过载并且距离测量变得过于不准确。
因此，在EDM中使用衰减器的特殊要求之一是从非常低到至少5.0(＝105)的极其高的光密度的非常大的设置范围，通常与这两个极端状态之间的发送的指数曲线相关联。所述指数曲线意味着衰减通过乘法因子而不是加性因子减小或增加。
此外，主要问题是设置所需信号幅度所需的时间。在常规距离测量装置中，信号设置时间通常为1ms或更长。如果距离测量装置处于扫描模式，则以从100kHz直到数兆赫兹的速率产生测量数据。通常，3D坐标目前以1MHz的速率输出或存储。为了不错过待测量对象上的任何测量点，因此需要具有优于1000ns、优选地为300ns或100ns的设置速度的信号动态调节。
用于大地测量仪器或工业测量仪器的距离测量传感器迄今截然不同地解决了幅度动态特性(dynamics)的问题。从文献中已知多种解决方案和方法，其中大多数解决方案描述了接收通道中的信号设置装置。
来自现有技术的已知衰减器例如由灰色滤光轮组成，其被机械驱动并且具有线性或指数灰度级曲线。因此，例如，在测量过程的第一步骤中，粗略地测量信号强度，由此移动光学灰度级以将信号幅度调节到最佳可能值或至少在校准信号范围内，使得距离测量质量更高。代替灰度级，也已知基于MEMS、基于镜面或基于孔径的电子移动信号衰减器，其作用于自由光束，即作用于不被光纤引导的接收到的光。
这样的衰减器通常位于EDM的光学接收通道中，这主要是为了保持可能的背景光远离接收器。然而，光发送通道中的衰减器也可以具有如下所述的优点。
其它已知的衰减器例如基于电光衰减器或空间调制器，已知针对它们的各种技术。除了基于液晶的装置之外，例如，EP 2 937 665还提出了用作衰减器的例如磁光、基于半导体的“多量子阱”设备(arrangement)或可变形反射镜。
基于液晶技术的设备(生产商：Boulder Nonlinear Systems)和基于MEMS的微米技术(生产商：Texas Instruments)迄今主要用于商业测量仪器；在US 8 786 834中也公开了用于衰减器的这种设备。
也可以想到非光信号衰减，例如，信号路径的电气部分中的信号衰减。在这种情况下，要考虑发光激光二极管的激活(该发光激光二极管用于改变所产生的输出光强度)、接收二极管的APD增益的控制以及电放大器级直到模数转换器的激活。
然而，这些衰减选项以前也被使用过，但是通常仅作为补充功能而不是用于信号衰减的唯一功能；因为使用距离测量模块来管理的信号动态响应超出了针对这些电衰减方法的可能性，即使它们被组合在一起。例如，反射对象的信号比来自黑色漫射对象表面的信号强至少100万倍。上述类型的电接收电路在大约三个数量级的范围内实现动态特性。
光衰减器相对于信号传输技术行为是线性的，即它们在相位(运行时间)以及幅度上都是线性的；并且发送信号是未失真的，这对于EDM模块的高测量精度是有利的。
最常用的光放大器是诸如EDFA(掺铒光纤放大器)或YDFA(掺镱光纤放大器)的光纤放大器。可以借助于泵浦激光二极管来设置放大或衰减，该泵浦激光二极管将其能量发射到放大单元的光纤芯中。切换或设置时间通常为几百微秒，并且因此不够快。
其它衰减器或放大器例如基于具有可设置增益的光电二极管。雪崩光电二极管(APD)或光电晶体管尤其适用于快速设置信号放大，并从而控制信号幅度。
例如，还使用多通道接收器，其将光电二极管或光电二极管阵列的接收信号分配给多个电子接收通道。这些接收通道中的每一个具有不同的信号放大，其中具有最佳幅度的通道信号实际上借助于下游多路复用器(MUX)实时地被选择并提供给时间测量电路。然而，该方法的缺点是信号偏移由于切换而跳跃，并因此将干扰添加到实际信号上。
另一种已知的方法借助于电子可设置增益(可变增益放大器＝VGA)进行操作。这种完全电子方法可能是最简单的，并因此是用于信号控制的非常常用的实现。接收信号通道中的特殊电子电路或切换组件适应信号幅度，使得例如信号幅度在时间测量电路(诸如ADC/FPGA或TDC)的相关输入处处于指定的工作范围内。因此可以实现可靠和准确的距离测量。
在诸如EDFA或YDFA的光纤放大器的情况下，放大或衰减可以在大约100倍的范围内变化。一个优点是获得高光束质量，尤其是在具有单模光纤(monomodal fiber)的放大器的情况下，辐射实际上在空间上被衍射限制。放大或衰减的设置时间对于要实现的目标来说太慢了，并且约为500μs。
激光二极管的光脉冲电平可以通过电流幅度直接设置。在某些装置中，因此也对所发射的发送功率进行调整。然而，这样得到的信号动态范围因此仅为10到50。
在具有高幅度动态范围的常规距离测量装置中，尽管采取所有措施，但或者接收光电二极管(APD、PIN)或者接收通道的电子设备达到它们的极限。一方面，APD的增益只能设置在较窄的范围内，另一方面，与增益设置有关的通过时间(transit time)(延迟、相位)的变化无法充分准确地校准。尤其是高精度、具有微米级精度并且同时具有兆赫兹速度的距离测量因此是不可能的。
根据本发明的装置是为了使距离测量单元的信号动态特性至少达到1000倍，设置速度快于500ns。与此相反，所提出的解决方案中的所有解决方案的缺点在于信号幅度设置(衰减、放大)要么过慢要么具有过小的动态范围。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有改进的激光距离测量模块的测量装置，其能够以增加的激光扫描速率，尤其是100kHz直到几兆赫兹的速率进行优于500μm的距离测量，尤其是针对在没有反射器的情况下进行测量的测量装置。
本发明的一个特殊目的是提供一种具有改进的激光距离测量模块的测量装置，其具有相对于幅度动态特性的扩展的使用范围和稳定的测量速率(扫描速率)，而不会由于未调制或过调制的信号幅度而导致中断。
本发明的另一个目的是提供一种具有相对于鲁棒性和校准能力而改进的激光距离模块的测量装置，尤其是可在大温度范围内使用的改进的激光距离测量模块。
这些目的通过实现独立权利要求的特征化特征来实现。以另选的或有利的方式改进本发明的特征可从从属专利权利要求中推断出。
本发明涉及一种测量装置，尤其是视距仪、激光扫描仪、轮廓仪或激光跟踪仪，所述测量装置用于扫描非协作对象，尤其是自然对象，此外还用于扫描诸如反射器的协作对象，该测量装置具有电子激光距离测量模块，所述电子激光距离测量模块包括具有用于产生激光测量辐射的发送单元的光发送通道和具有用于反射的激光测量辐射的接收单元的光接收单元。电子激光距离测量模块中的光束引导借助于光纤，尤其是由单模光纤组成的光纤，来实现；并且激光距离测量模块的光发送通道包含用于衰减由发送单元产生的激光测量辐射的衰减单元。
所述发送单元在扫描期间逐渐产生具有高于100kHz，尤其是数兆赫兹到千兆赫兹的调制速率的调制的(尤其是脉冲的)发送信号，并且衰减单元被设计成使得提供至少两个不同衰减因子的电可控设置，其中衰减单元可从发送信号到发送信号连续地激活，使得反射的接收信号相对于单个紧接在前的(precede)接收信号脉冲或相对于多个连续的紧接在前的接收信号脉冲而被调整。因此，根据本发明的衰减单元以这样的方式被激活，即使得以不同的衰减因子对衰减单元的设置以这样一种方式进行，即使得基于单个紧接在前的接收信号脉冲或基于多个连续的紧接在前的接收信号脉冲，接收单元被提供具有在接收单元的线性调制范围内的幅度的接收信号。在扫描期间，使用不同衰减因子的衰减单元的设置因此以至少等于例如激光距离测量模块的参考测量速率的衰减设置速率来执行，所述激光距离测量模块的所述参考测量速率基于激光距离测量模块针对具有在接收单元的线性调制范围内的假想幅度的激光距离测量假设可达到的距离测量速率。
根据本发明，衰减单元进一步被设计成使得基于来自电光效应、声光效应和磁光效应的组中的至少一个的效应，借助于光学活性晶体来执行衰减；尤其是，其中衰减单元被设计成使得光学活性晶体中的滞后效应被自动校准，尤其是逐渐校准。
光学晶体具有在通过晶体期间旋转线性偏振光的振荡平面的能力。这种光学旋转能力的原因是基于螺旋晶体结构中的固体材料的情况、分子本身的螺旋结构中的液体(诸如液晶)的情况。所述旋转能力取决于通过的层的厚度、光的波长以及温度。原则上，左旋和右旋晶体将被区分开。通过施加外部磁场(例如，磁光克尔(Kerr)效应、法拉第(Faraday)效应)，光学非活性晶体可以变成光学活性。
与液晶相比，(固体)光学晶体相对于环境影响(尤其是温度影响)更加鲁棒，并且可以例如在大的温度范围内(例如-20℃到50℃之间)操作而没有明显的功能损失，因此其光学属性不会强烈地变化。此外，光学晶体中的切换速度比液晶中的切换速度快几个数量级。使用液晶无法实现的小于1000ns的设置速度可以使用固态晶体来实现。
因此，根据本发明的衰减单元具有衰减因子与电激活之间的功能关系(functional relationship)，其中所述功能关系在-20℃到50℃之间，尤其是在-40℃到70℃之间的温度范围内是已知的。
例如，发送单元以1000ns的间隔周期性地发送信号。信号可以是单个脉冲或具有编码模式的脉冲，例如，在最简单的情况下，以5ns的间隔由N个脉冲组成的突发脉冲序列。距离测量点通常由1到10,000个接收脉冲组成。
在扫描对象期间连续执行发送和接收；其中根据本发明的衰减单元从信号到信号被连续地激活并且(如果需要)被调整，使得接收单元被提供具有在校准的调制范围内的幅度的接收信号。通过分析在前的发送信号，尤其是单个在前的信号脉冲，在各种情况下始终执行衰减单元的控制。如果采用多个发送信号(例如，100个发送脉冲)进行距离测量，则仍然保留有足够的最佳调节信号(例如，99个发送脉冲)可用于例如可被平均的距离测量。距离测量装置当然可以被设计成使得始终存在用于信号设置的第一发送信号和用于距离的最佳确定的至少一个后续发送信号。如果因此针对测量结果累积了两个或更多个激光信号，则该方法通常是完全足够的。
已知多种距离测量方法，诸如阈值法、相位差法或高频信号直接采样(波形数字化，WFD)。这些用于距离测量的各种技术方法在发送器处也有差异，但本质区别在于接收和分析单元。
例如，在发送器处，要确定信号是否进行编码以及如何进行编码，以及针对具有最高实现程度的测量装置要满足什么样的要求。相比之下，在接收器处，距离测量方法的差异更为明显。在光电检测器之后不久，相位测量单元已经将千兆赫兹频率转换成较低的频率范围，并使用慢速模数转换器对距离测量信号进行数字化，以然后将这些信号提供给分析单元。在距离测量单元中，根据直接采样方法，相比之下，高频信号被直接提供至滤波器块并且使用最快的A/D转换器进行采样。数字化信号值的相应高速率例如应用于执行诸如信号搜索、解码和距离确定的信号处理的FPGA。根据阈值方法的距离测量单元通过接收信号的带宽来区分(该带宽通常甚至高于前述两种方法的带宽)，并且借助于阈值鉴别器来检测距离测量信号，该阈值鉴别器以皮秒的精度将触发事件中继到时间测量装置。该时间测量装置通常包括计数器和时间插值装置(时间-数字转换器，TDC)。
因为各种距离测量方法在发送器处差异相对较少，根据本发明的用于激光距离测量模块的发送通道中的信号控制和幅度适应的装置是非常有利的。
本发明的一个特别的优点尤其在于在发送器处连接信号控制器。发送的光束通常在空间上受衍射限制，即相对于波动光学(wave optics)是单模的，并因此适合于单模光纤中的光引导。
此外，通常在发送器处也限定偏振，这显著降低了相应的发送器侧衰减单元的复杂性。
本发明的一个重要优点是发送的光可以在单模光纤中被引导。具有纳秒切换时间的多种衰减单元从电信的远程技术领域是已知的，并且因此也是本发明的一部分，这些光纤组件可以借助于适当的技术适应性用于距离测量。
另选地，由于单模性质，例如，除了几何光学衰减原理之外，还可以使用干涉衰减原理，其中可以设计这样的衰减单元，例如使得激光测量辐射的光束引导在发送通道中以无像差和/或衍射限制的方式执行。这使得例如能够例如借助于马赫-策德尔(Mach-Zehnder)干涉仪单元和/或电光定向耦合器来构造基于平面光导技术的非常紧凑的电光衰减单元。
替代对于使用光学活性晶体，并且尤其是相对于外部影响也是相对鲁棒的，例如，衰减单元将被设计成使得衰减基于微光电机电***，以下称为MOEMS。
在一个实施方式中，衰减单元被设计成使得其以小于1000ns(尤其是小于300ns)的由两个连续衰减因子之间的设置时间限定的衰减设置速率，以及103或更大(尤其是104)的最小和最大衰减因子之间的可设置比率进行操作。
直接作用于距离测量并引入相应的距离误差并且取决于设置衰减的通过时间通常被证明是有问题的。衰减越强，通常通过衰减单元的激光测量辐射的有效通过时间越长，例如，与开放状态相比，其可以增加高达10ps。例如，根据衰减单元的结构，例如，随着衰减因子的增加，产生越来越多的杂散光，其经由多次反射将时间延迟后的光脉冲的一部分耦合到输出端口。相应的固定的衰减元件和吸收元件可以将这种效应部分地最小化。由于光学活性晶体(和/或另选地MOEMS元件)的快速切换时间(其可以被唯一校准)，通过时间还可以根据衰减被预先校准。
因此，在本发明的一个特殊实施方式中，激光距离测量模块和衰减单元被设计成使得尤其是基于可变通过时间的距离误差根据衰减因子而被(尤其是逐渐地)自动校正。
另一实施方式描述了被设计为无偏振的衰减单元。
基于电光效应的尤其有利的实施方式涉及一种测量装置，其中衰减单元的光学活性晶体是电光活性晶体，尤其是光学非线性晶体和/或相移晶体，其中衰减单元被设计成使得其至少包括用于产生各自具有不同偏振的第一部分光束和第二部分光束的第一偏振分束器，尤其是偏振平行分束器或萨瓦特(Savart)板；和用于借助于电光效应改变至少第一部分光束的偏振的电光活性晶体；以及用于将两个部分光束引导回到一起的第二偏振分束器，尤其是偏振平行分束器或萨瓦特板。
电光可变衰减单元相对于非常短的切换时间(低至几纳秒)的机电激活元件具有优点。通过借助于电子可激活光学元件的光学透射或光密度的正确选择来设置信号幅度。光学非线性双折射晶体和相移晶体适合作为电子可激活光学元件。
另一个特殊实施方式是基于声光效应，并且描述了一种测量装置，其中衰减单元的光学活性晶体是声光活性晶体，并且衰减单元被设计成使得其至少包括声光活性晶体，用于根据所施加的激活电压和衍射阶次借助于声光衍射效应产生入射激光测量光束与通过衍射偏转的部分光束之间的强度变化；以及监测单元，用于借助于跟踪产生声波的高频来补偿衍射角的温度依赖性；尤其是，其中一阶衍射用于偏转光束的衰减。
由于有限的衍射效率，在一阶衍射的输出处的可设置辐射强度的可实现范围比零阶的可实现范围更广泛。因此，该通道优选地用于衰减功能，并且光吸收元件通常位于连续通道(零阶光束)中。
法拉第效应是指在磁场的影响下电介质中的电磁轴的偏振方向的旋转。使用法拉第效应来改变光的偏振方向的光学元件被称为法拉第旋转器。
另一个有利的实施方式涉及一种基于磁光法拉第效应的测量装置，其中光学活性晶体是磁光活性晶体，并且衰减单元被设计成使得其至少包括：第一偏振分束器，用于产生各自具有不同偏振的第一部分光束和第二部分光束；磁光活性晶体，用于根据设置的磁场借助于磁光法拉第效应产生至少第一部分光束的偏振矢量的空间旋转；以及第二偏振分束器，用于至少基于经修改的第一部分光束产生输出信号；尤其是，其中所述衰减单元还包括以下组中的至少一个元件：光学活性晶体，尤其是使偏振面旋转45°的晶体；以及用于减少内部散射光尤其是减少对输出信号无贡献的光的吸收元件；其中确保第一部分光束与第二部分光束之间的运行时间差小于1ps。
典型的法拉第旋转器是例如光学透明介电固体(诸如晶体石英或含铽玻璃)，其在均匀磁场中产生光的偏振面的材料特定旋转(Verdet常数)。对于该应用来说新颖的材料钛酸铽显示例如对于从可见光到IR范围的光的高透明度和比目前使用的材料(例如，TGG或含铽玻璃)更高的Verdet常数。钛酸铽具有化学式Tb2Ti2O7，并且可以使用来自具有与化学计量组成相似或相同的组成的熔体的晶体培养方法或使用陶瓷方法制备。
在一个特殊实施方式中，根据本发明的测量装置还包括以下的组中的至少一个元件：用于根据设置的衰减因子校准通过时间的校准单元；用于减少多次反射的固定的衰减单元；用于减少多次反射的具有成角度的光纤端部(尤其是成8°的角度)的光纤；用于消除(extinguish)偏转光并且用于独立于所设置的衰减因子产生恒定通过时间的吸收元件；以及位于光学活性晶体上游用于吸收返回的反射的循环器。
作为本发明的另选方案，例如，可以设计一种具有衰减单元的测量装置，使得所述衰减单元至少包括：用于产生各自具有不同偏振的第一部分光束和第二部分光束的第一偏振分束器，尤其是偏振平行分束器或萨瓦特板；第一部分光束和第二部分光束中的第一马赫-策德尔(Mach-Zehnder)干涉仪单元和第二马赫-策德尔干涉仪单元，其中第一部分光束和第二部分光束的强度变化借助于第一马赫-策德尔干涉仪单元内的光学相位的变化和/或第二马赫-策德尔干涉仪单元内的光学相位的变化产生；以及用于将两个部分光束引导回到一起的第二偏振分束器，尤其是偏振平行分束器或萨瓦特板；其中确保第一光束与第二光束之间的运行时间差小于1ps。
代替马赫-策德尔干涉仪单元，此外可以使用电光定向耦合器，即，其中衰减单元被设计成使得其至少包括：用于产生各自具有不同的偏振的第一部分光束和第二部分光束的第一偏振分束器，尤其是偏振平行分束器或萨瓦特板；第一部分光束和第二部分光束中的第一和第二电光定向耦合器，其中第一部分光束和/或第二部分光束的强度变化借助于第一电光定向耦合器的光传输的变化和/或第二电光定向耦合器的光传输的变化产生；以及用于将两个部分光束引导回到一起的第二偏振分束器，尤其是偏振平行分束器或萨瓦特板；其中确保第一部分光束与第二部分光束之间的运行时间差小于1ps。
作为另一另选方案，衰减单元还可以被设计成使得其包括微光机电***(以下称为MOEMS)，其至少包括：用于激光测量辐射的输入通道、透镜、可旋转反射镜以及用于设置反射镜的不同角度位置的装置和被设计为光纤的用于在旋转镜处反射的激光测量辐射的输出通道；其中借助于所述透镜和旋转镜上的反射产生光点，所述旋转镜通过所述镜的旋转和所述镜经由所述输出通道的光纤的光纤芯的设置角度位置来控制，由此，入射激光测量辐射的不同光功率被耦合到光纤中。如果使用MOEMS元件，例如，低电力功率消耗是非常有利的，由此实际上不存在由于内部加热引起的温度诱导漂移。然而，切换时间迄今为止相比基于使用光学活性晶体的慢一些。然而，可以例如通过在输出通道之前与常规元件相比延长至少一个数量级的光学单元的焦距来提高切换速度，从而将切换时间缩短到同样程度。
附图说明
根据本发明的用于扫描非协作对象(尤其是自然对象)、此外还用于扫描诸如反射器的协作对象的具有电子激光距离测量模块的测量装置将在下文中基于示例性实施方式仅以示例的方式进行更详细的描述，在附图中示意性地示出了所述示例性实施方式。在图中用相同的附图标记标识相同的元件。所描述的实施方式通常未按比例示出，并且它们通常也不被理解为限制。
在具体的附图中：
图1a至图1d：示出了具有激光距离测量模块的示例性测量装置，例如，用于无反射器测量的激光跟踪仪(a)、具有和不具有反射器的经纬仪(b)、激光雷达扫描仪(c)和用于准备空间的3D模型的3D激光扫描仪(d)；
图2：示出了典型目标对象的角度依赖散射特性；
图3：示出了根据本发明的激光距离测量模块的框图；
图4：示出了根据WFD原理的根据本发明的激光距离测量模块的框图；
图5：示出了根据电光原理的根据本发明的衰减单元的示例性实施方式；
图6：示出了根据具有马赫-策德尔干涉仪的电光原理的无偏振另选衰减单元的示例性实施方式；
图7：示出了根据声光原理的根据本发明的衰减单元的示例性实施方式；
图8：示出了根据磁光(法拉第)原理的根据本发明的衰减单元的示例性实施方式；
图9：示出了基于MOEMS技术的另选衰减单元的示例性实施方式。
具体实施方式
图1示出了具有激光距离测量模块的示例性测量装置。如图1a所示的现代激光跟踪仪1是本发明的关注点，其利用扫描激光束扫描生产对象2和自然对象的表面，并以坐标的形式确定其空间尺寸。在这种情况下，通常还借助于反射目标(例如借助于附接到待测量对象的测量探针)进行测量，所述反射目标具有用于使用测量装置1的激光距离测量模块进行跟踪的反射器3，其中用于待测对象的位置的6DoF(六自由度)确定的附加信号分量被附接到测量探针，所述信号分量例如借助于测量装置的6DoF照相机获取。几年来，经纬仪1'也已经在市场上出现，如图1b所示，其可以像扫描仪一样以千赫兹范围的速度获取例如对自然对象4的无反射器距离测量。大地全站仪或经纬仪通常借助于特殊的反射目标3'，尤其是反射棱镜进行测量，而且在经纬仪的情况下，存在越来越多对具有部分光滑且因此反射的表面的自然对象4进行测量的需求。这对测量技术提出了特殊要求，即测量信号的强度根据仪器相对于表面的对准而大幅度变化。在对象上部分地反射的测量光束要么撞击到接收光学单元要么错过接收光学单元。这可能导致信号差异超过100倍(20dB)。此外，表面也可以是亮的或暗的，这另外产生通常为30倍(15dB)的信号变化。光泽度、反射率和变化距离需要距离测量仪器大于300,000(55dB)的信号动态特性，这是使用现有的手段和测量装置无法实现的。这也尤其例如适用于激光雷达(LIDAR)领域中的应用，如图1c所示，其中由LIDAR扫描仪1"对截然不同的表面进行快速连续扫描，例如，相对于漫散射植被的高反射水表面。
将以与相应扫描仪兼容的高测量速度提供对高动态特性的管理。由金属或塑料制成的对象(但也是油漆表面)几乎完全略微(slight)达到强烈光滑。因此，激光主要在相对入射角镜像的方向上偏转。这具有用于漫反射的光分量小的效果，并且因此很少的光被反射回测量装置。相比之下，如果激光束几乎垂直于表面入射，则发生相反的情况，并且几乎所有的光都入射到接收器上。例如，也在例如用于使用如图1d中所示的3D激光扫描器1'"产生空间的3D模型的室内测量的领域中，或者在用于检查人为制造的组件的工业测量领域中，这些极端光束对准以快速顺序交替，尤其是当扫描板中的管、边缘或钻孔时。为了实现这样的表面的优选连续测量，还需要具有足够高动态特性的距离测量模块，其中扫描将以常规的快速速度进行，因为发送信号必须可相应地快速设置。
图2示出了由黑色塑料制成的板的典型散射特性。曲线5表示针对几乎垂直入射的激光束的情况的散射角(指示量(indicatrix))的函数中的反射率。在该图中，曲线5从中心6沿径向方向越远，反射率越大。散射角在图中沿方位角方向示出，从图中的左侧的90°顺时针方向到0°(图中顶部)，再到-90°(图中右侧)。这些通常不是白色表面，而是黑色表面，这表现出反射效果。在所示的示例中，积分反射率仅为约3.5％。另外，信号强度在大于45°的入射角处降低至相对于反射方向小于10％(这里约为3°)。在该示例性情况下，最大返回反射功率在光滑角(3°)处为相对于漫反射白色表面的150％，并且随着测量角度的增加而迅速减小。在70°处，信号大约减小20倍(20x)，仍仅约为7％。接收信号在这种情况下可以从测量点到测量点改变至少这个数量级，这将使用激光距离测量模块的发送通道中的可变衰减单元进行调整。所述衰减单元具有电子可激活设置，其以离散步骤或连续形式提供。
图3示出了在发送通道中具有根据本发明的快速衰减单元11的根据本发明的激光距离测量模块10的框图。这里，所述发送通道由种子单元12(其由电子驱动级和激光二极管或超发光LED组成)、光放大器13(例如，掺铒光纤放大器)、用于偏转产生的辐射的一部分作为用于接收通道的参考辐射的分束器14、根据本发明的可设置光衰减单元11、以及出口光学单元15组成。发射的激光测量光束在目标对象16上被反射并在距离测量模块10的接收通道中被检测。接收通道由入口光学单元17、光电二极管18和接收电子设备组成，这里所述接收电子设备由放大器19和时间测量单元20组成。
当前扫描仪的典型测量速度为1MHz点速率。光学测量光束通常借助于网格中的扫描运动以快速的速度在待测量对象的表面上移动。在这种情况下，接收信号的强度从测量点到测量点改变。即使具有均匀的间隔，但幅度也可能在100,000倍(50dB)的范围内变化，这首先是由于局部反射。利用发送通道中的可变衰减单元，在部分反射表面上的光束反射的情况下，距离测量信号可以针对接收单元从测量点到测量点进行最佳设置。
扫描激光跟踪仪的测量速度(因为较高的微米级范围内的测量精度)在1至100kHz处较慢，相比之下，激光发射速率在两位数兆赫兹范围内反而更高。借助于发送通道中的VOA，也可以在这里压缩高达10000倍的信号变化，使得在接收单元上发生明显小于100的信号变化，从而实现更高的测量精度。
接收电子设备的工作点可以被设计成例如使得在衰减单元被设置为在具有反照率10％的黑色对象上的最大传输和反射的情况下，接收信号电平被设置为接收电子设备的调制范围的75％。如果使用具有10000倍(40dB)的衰减动态特性的可变衰减单元，则在具有比白色表面高1000倍的反射率的对象上因此仍然可以实现准确的距离测量。因此，也仍然可以准确地测量反射目标标记以及回射膜和标记。
图4示出了根据WFD原理(“波前数字化”)的根据本发明的距离测量模块10'的框图。发送通道还由种子单元12、光放大器13、分束器14、根据本发明的第一可设置光衰减单元11'以及出口光学单元15组成。另外，在测量通道中与第一可设置光衰减单元11相邻的内部参考通道中示出了第二可设置光衰减单元11"。内部参考通道中的衰减单元11"可以是较慢的速度，因为它主要用于起始信号的工作点的最佳设置以及第一衰减单元11'的通过时间根据衰减因子和/或温度的可能校准。发送单元可以主要由由单模光纤组成的光纤组件构成。
所接收到的测量信号通过光电二极管18(例如雪崩光电二极管(APD))经由入口光学单元17检测，并在低噪声放大器和滤波器单元19之后直接提供至模数转换器21。数字信号数据随后被中继到FPGA单元22，该FPGA单元22执行诸如对象距离、信号强度、信号噪声等的信号参数的确定，但也控制种子单元12和根据本发明的衰减单元11'、11"。在所示的示例中，信号还从FPGA单元22被中继到处理器单元23和接口单元24，用于附加的分析和评估。
图5示出了根据电光原理的根据本发明的衰减单元110的示例性实施方式，这里与在光纤(优选地单模光纤)内的光束引导相结合，具有相关联的具有对应的准直光学单元34、34'的光纤出口耦合器和光纤入口耦合器33、33'。
电光可变衰减单元相对于非常短的切换时间(低至几纳秒)的机电激活元件具有优点。通过借助于电子可激活光学元件的光学透射或光密度的正确选择来设置信号幅度。光学非线性双折射晶体和相移晶体30适合作为电子可激活光学元件。通过借助于第一偏振分束器31将光束分离成两个(互补)偏振方向(“e光”和“o光”)来实现偏振自由。已知的分束器是例如偏振平行分束器(偏振光束置换器)或萨瓦特板。借助于静电可激活光学非线性元件30(Pockels或Kerr效应)来修改两个光束路径，其中e光的一部分被变换为o光，反之亦然。修改后的光然后不再借助于第二偏振分束器32耦合到光纤中，这导致光束衰减。
取决于设置的衰减的通过时间已被证明是有问题的。衰减越强，有效通过时间变得越长，与开放状态相比，这可以增加高达近10ps。随着衰减的增加，光被引导离开光纤入口耦合器33'，其可能突变成杂散光，然而，尽管如此，然后在时间延迟之后，经由多次反射将其部分地耦合到光纤中。例如，作为对策，根据衰减校准通过时间。多次反射可以在任何情况下借助于固定的衰减器35和/或借助于光纤耦合器33、33'的成角度的端面被最小化。光纤耦合器的光纤端通常呈大约8°的角度。另外，返回反射可以借助于上游循环器元件被吸收。另选地，可以将吸收元件(未示出)放置在偏离的光束入射的点处，因此可以独立于设置的衰减来实现恒定的通过时间(<0.3ps)。
两个光束e和o的光学路径长度优选地具有完全相等的长度，否则分配的光路中的衰减的非常小的不对称性都可能导致通过时间的附加的变化。
图6示出了使用马赫-策德尔干涉仪(MZI)形成的另选电光衰减单元110'。这种也是无偏振的电光衰减单元以平面光引导技术进行构造。光输入和输出通常是玻璃光纤耦合的。输入光再次借助于第一偏振分束器31'分成两个(互补)偏振分量e和o。随后，马赫-策德尔干涉仪36、36'在每种情况下跟随，从而可以借助于电压来设置输出端的功率。在集成的马赫-策德尔干涉仪中，通过在干涉仪的两个臂中的一个臂中施加电压来改变光学相位，这导致在两个臂的干涉点处的强度变化。也可以使用电光定向耦合器(未示出)代替马赫-策德尔干涉仪单元36、36'。随后，借助于第二偏振分束器32'将修改后的e和o分量引导回到一起，其中尤其重要的是经由各种光通道的运行时间在亚皮秒范围内是相同的。
图7示出了根据本发明的衰减单元110"的另一实施方式，其在这里借助于具有光纤端子的声光调制器形成，即具有相关联的光纤出口耦合器和光纤入口耦合器33"、33'"和相应的准直光学单元34"、34'"。该衰减单元的核心是具有两个输出端的声光活性晶体37。在这种情况下，在晶体37中使用声波产生光栅(布拉格光栅)，在其上入射光束被衍射并同时以其频率偏移。压电元件38通常被附接到晶体的一端以产生声波。在另一端，通常设置声吸收元件39，以避免或最小化反射和驻波。在没有偏转(零阶光束)的输出处，如果不施加激活电压，则注入光就会退出，并且在一阶衍射的情况下，光功率随输出端的激活电压的幅度而增加。由于有限的衍射效率，在一阶衍射的输出处的可设置辐射强度的可实现范围基本上高于在零阶情况下的可实现范围。因此，该通道优选地用于衰减功能，并且光吸收元件40通常位于穿通通道(零阶光束)中。
为了也实现与根据本发明的这种类型的衰减单元中的设置衰减无关的通过时间，具有成角度的入口表面(通常为8°)的光纤耦合器33'"是有利的。借助于跟踪产生声波的高频来跟踪衍射角的温度依赖性，这确保了到光纤中的耦合是最佳的。
图8示出了根据法拉第原理构造的衰减单元110'"的根据本发明的实施方式。基于磁光法拉第效应(基于塞曼(Zeeman)效应)的已知组件是光隔离器和循环器。所述效应基于圆形双折射，其强度可以通过施加磁场来设置。圆形双折射导致围绕光传播轴的偏振矢量的空间旋转。该效应可用于实现具有快速切换速度和高信号动态特性的衰减单元。从隔离器或循环器的拓扑结构出发，可以通过设置磁场强度来设置输出端的光功率。
该图示出了源于循环器的拓扑结构的磁光衰减单元110'"。输入端处的非偏振光被第一偏振分束器31"分开。两个光束借助于反射镜元件41、41'穿过可控的磁光固体42(通过施加电流具有可控磁场的法拉第转子)和光学活性晶体43，其中所述光学活性晶体43将偏振面旋转45°。使用第二偏振分束器32"，两个光束根据沿输出通道的方向或吸收体元件40'的方向的相应偏振方向偏转，这消除了非中继光和散射光。
根据衰减元件110'"的尺寸，组件可以被不同地布置。尤其是在没有光学活性晶体43情况下的实现也是可能的。图中所示的拓扑结构运行如下：正电流在辐射方向产生磁场，并将偏振矢量旋转+45°。活性晶体43(光旋转器)将偏振方向旋转+45°进一步至90°。因此，第二偏振分束器32"将两个通道的光导向输出端。所例示的设备具有最大的传输。相反，负电流产生反向磁场，并将偏振矢量旋转-45°。活性晶体43将偏振方向旋转+45°进一步回到0°。第二偏振分束器32"现在将两个通道的光导回至吸收器，并且衰减单元110'"处于最大衰减的状态。
再次尤其重要的是，经由两个光通道的运行时间在亚皮秒范围内是相同的。
图9最终示出了基于MOEMS技术(微光机电***)的另选衰减元件110””的实施方式。
在MOEMS的该示例性示例中，反射镜44以高重复角度/电压关系连续旋转。衰减元件110""还包含具有相关联的准直光学单元34""的光纤出口耦合器和光纤入口耦合器33””、33””’。反射镜44的偏转在光纤耦合器33””’的光纤芯上移动成像的光点45，并因此控制耦合到光纤中的光功率。这里也很重要的是，在光纤芯中未被引导的光被保持远离光束轴或被尽可能快地吸收，使得有效信号运行时间不受衰减元件110””的干扰。
MOEMS元件在典型的0至5V的电压下工作，其中切换时间先前比上述示例中慢，但通常大致在光纤放大器的切换时间的数量级。此外，例如，如果要在开环操作中设置衰减因子，则模拟组件的衰减的特性曲线通常需要进行温度校正。除了温度传感器之外，MOEMS衰减器还可以借助于具有非常长的焦距的准直光学单元34""来配备。从而实现更短的切换时间。准直光学单元34""的较长的焦距具有例如旋转镜44能够远离光纤耦合器33””、33””’，并且因此旋转镜44的小的角度变化已经导致成像光点45相对于光纤耦合器33””’的光纤芯的相对大的偏转的效果。同时，旋转镜44提供有后阻尼元件(未示出)，以附加地优化定位时间。低电力消耗也是非常有利的，由此实际上不存在由于内部加热引起的温度诱导漂移。

Claims (20)

1.一种测量装置(1、1'、1"、1'")，所述测量装置(1、1'、1"、1'")用于扫描非协作对象，此外还用于扫描协作对象，所述测量装置(1、1'、1"、1'")具有电子激光距离测量模块(10、10')，其中，所述电子激光距离测量模块(10、10')包括：
光发送通道，所述光发送通道具有用于产生激光测量辐射的发送单元；
在所述光发送通道中的衰减单元(11、11'、11"、110、110'、110"、110'"、110"")，所述衰减单元(11、11'、11"、110、110'、110"、110'"、110"")用于衰减由所述发送单元产生的所述激光测量辐射；以及
光接收通道，所述光接收通道具有用于反射的激光测量辐射的接收单元，
其中，
所述电子激光距离测量模块中的光束引导借助于光纤来实现并且，
在所述扫描期间，所述发送单元逐渐产生具有大于100kHz的调制速率的调制的发送信号，并且，
其特征在于，
提供至少两种不同衰减因子的电可控设置；
所述衰减单元能够从发送信号到发送信号连续地激活，其中，在所述扫描期间，使用不同的衰减因子以这样的方式来执行所述衰减单元的设置，即使得基于单个紧接在前的接收信号脉冲或者基于多个连续的紧接在前的接收信号脉冲，所述接收单元被提供具有在所述接收单元的线性调制范围内的幅度的接收信号；
所述衰减单元被设计成使得所述衰减借助于光学活性晶体(30、37、42)基于来自以下效应的组中的至少一个的效应来执行：
电光效应(30)，
声光效应(37)，以及
磁光效应(42)，
其中，所述衰减单元具有衰减因子与电激活之间的功能关系，其中，所述功能关系在-20℃至50℃之间的温度范围内是已知的。
2.根据权利要求1所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述测量装置(1、1'、1"、1'")是视距仪、激光扫描仪、轮廓仪或激光跟踪仪；
所述非协作对象是自然对象；
所述协作对象是反射器；
所述光纤是由单模光纤组成的光纤；以及
在所述扫描期间，所述发送单元逐渐产生具有数兆赫兹到千兆赫兹的调制速率的脉冲的发送信号。
3.根据权利要求1所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
衰减因子与电激活之间的所述功能关系除了在-20℃至50℃之间的温度范围内是已知的之外，所述功能关系还在-40℃至-20℃之间以及50℃至70℃之间的温度范围内是已知的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述衰减单元被设计成使得其使用如下参数进行操作：
小于1000ns的由两个连续衰减因子之间的设置时间限定的衰减设置速率，以及
103或更大的最小衰减因子和最大衰减因子之间的能够设置比率。
5.根据权利要求4所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述衰减单元被设计成使得其使用如下参数进行操作：
小于300ns的由两个连续衰减因子之间的设置时间限定的衰减设置速率，以及
104的最小衰减因子和最大衰减因子之间的能够设置比率。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述衰减单元被设计成使得光学活性晶体中的滞后效应被自动校准。
7.根据权利要求6所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述光学活性晶体中的所述滞后效应被逐渐校准。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述激光距离测量模块和所述衰减单元被设计成使得距离误差根据所述衰减因子被自动校正。
9.根据权利要求8所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述距离误差根据所述衰减因子被逐渐校正。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述衰减单元被设计为无偏振。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述光学活性晶体(30、37、42)是电光活性晶体，
其中，所述衰减单元被设计成使得其至少包括：
第一偏振分束器(31)，所述第一偏振分束器(31)用于产生各自具有不同偏振的第一部分光束和第二部分光束；
所述电光活性晶体(30)，所述电光活性晶体(30)用于借助于电光效应改变至少所述第一部分光束的偏振；以及
第二偏振分束器(32)，所述第二偏振分束器(32)用于将两个部分光束引导回到一起。
12.根据权利要求11所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述第一偏振分束器(31)是偏振平行分束器或萨瓦特板；以及
所述第二偏振分束器(32)是偏振平行分束器或萨瓦特板。
13.根据权利要求11所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述电光活性晶体是光学非线性晶体和/或相移晶体。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述光学活性晶体(30、37、42)是声光活性晶体(37)，
其中，所述衰减单元被设计成使得其至少包括：
所述声光活性晶体(37)，所述声光活性晶体(37)用于根据所施加的激活电压和衍射阶次借助于声光衍射效应产生入射激光测量光束与通过衍射偏转的部分光束之间的强度变化；以及
监测单元，所述监测单元用于借助于跟踪产生声波的高频来补偿衍射角的温度依赖性。
15.根据权利要求14所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
一阶衍射用于偏转光束的衰减。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述光学活性晶体(30、37、42)是磁光活性晶体(42)，
其中，所述衰减单元被设计成使得其至少包括：
第一偏振分束器(31")，所述第一偏振分束器(31")用于产生各自具有不同偏振的第一部分光束和第二部分光束；
所述磁光活性晶体(42)，所述磁光活性晶体(42)用于根据设置的磁场借助于磁光法拉第效应产生至少所述第一部分光束的偏振矢量的空间旋转；以及
第二偏振分束器(32")，所述第二偏振分束器(32")用于至少基于修改后的第一部分光束产生输出信号，
其中，确保所述第一部分光束与所述第二部分光束之间的运行时间差小于1ps。
17.根据权利要求16所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述衰减单元包括以下组中的至少一个元件：
另一个光学活性晶体(43)；以及
吸收元件(40')，所述吸收元件(40')用于减少内部散射光。
18.根据权利要求17所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述另一个光学活性晶体(43)是将偏振面旋转45°的晶体；以及
所述吸收元件(40')用于减少对所述输出信号无贡献的光。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述衰减单元包括以下组中的至少一个元件：
校准单元，所述校准单元用于根据设置的衰减因子校准通过时间；
固定的衰减单元，所述固定的衰减单元用于减少多次反射；
光纤，所述光纤具有成角度的光纤端，用于减少多次反射；
吸收元件，所述吸收元件用于消除偏转光并且用于独立于所述设置的衰减因子产生恒定的通过时间；以及
循环器，所述循环器位于光学活性晶体上游用于吸收返回的反射。
20.根据权利要求19所述的测量装置(1、1'、1"、1'")，
其特征在于，
所述光纤具有成8°的角度的成角度的光纤端。
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