CN116209875A - 用于操作大地测量仪器的方法以及相关大地测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明构思涉及一种用于操作大地测量仪器的方法，该大地测量仪器包括光源和成像设备，该光源用于帮助用户瞄准场景中的目标，其中，该成像设备和该光源在大地测量仪器内共享公共光通道，所述方法包括：使该光源向该目标发射光脉冲；使该成像设备使用帧序列捕获该场景的图像，其中，所述帧序列的帧包括该成像设备暴露于来自该场景的光的曝光时间；将这些光脉冲的发射与该帧序列同步，以从不存在这些光脉冲的图像中获得数据；以及处理所获得的数据以测量所述场景。

Description

用于操作大地测量仪器的方法以及相关大地测量仪器

技术领域

本文描述的发明构思总体上涉及大地测量仪器。

背景技术

比如大地测量仪器等光学仪器常用于测量对象的位置以获得比如水平和垂直角度以及距离等信息。较新的仪器通常设有电子成像设备(例如，相机)以获取对象的数字图像。

常规的测量仪器包括用于观测对象的望远镜***，该对象然后可以在望远镜***后面的相机上成像。进一步地，这样的仪器可以包括距离测量单元以测量到由望远镜***观测的对象的距离。望远镜***的视角通常很小(例如，1到2度)，并且用户必须定位测量仪器并调整望远镜***的光学器件，使得要观测和测量的对象正好在望远镜***的小视场内、并且最好在望远镜***的光轴上，例如以便测量到对象的距离。

随着更多功能被添加到测量仪器中，仪器的光学设置和电子控制的复杂性提高。因此，需要更高效地实现对大地测量仪器的瞄准辅助。

发明内容

本发明概念的目的是单独地或以组合方式来减轻、缓和、或消除本领域中的上述缺陷和缺点中的一个或多个。

总的来说，本发明构思基于这样的认识，即，成像设备和用于帮助用户瞄准场景中的目标的光源可以在大地测量仪器中共享公共光通道。这种布置实现了紧凑的光学设置。结果，可以简化装置的校准和相对于装置中心的方向变换。

此外，还已经认识到，具有共享公共光通道的成像设备和光源的大地测量仪器可能遭受公共光通道中发生的串扰。串扰是大地测量仪器中特征的内部布置的结果，因此串扰通常不受外部条件(比如环境光变化或由场景中的目标从光源反射的光)的影响。这种串扰可能会降低成像设备收集的图像数据的质量，这可能会干扰测量，导致难以识别图像中的特征，并降低用户体验。串扰可能采取大地测量仪器的成像设备检测到的任何形状和形式。此外，串扰可能位于相对于成像设备的像素的任何位置。串扰的形状和形式可能取决于光源的光束轮廓和/或大地测量仪器的光学器件。优选地，串扰不会使成像设备的任何像素关于强度饱和。这例如可以通过调整成像设备的曝光时间来实现。

此外，这些问题的解决方案应该优选地允许成像设备和光源在大地测量仪器的用户所经历的它们各自的操作中表现出不受影响或最小程度上受影响。因此，本披露还旨在关于公共光通道中发生的串扰改进大地测量仪器。

根据本发明构思的第一方面，这些和其他目的全部或至少部分通过一种用于操作大地测量仪器的方法来实现，该大地测量仪器包括光源和成像设备，该光源用于帮助用户瞄准场景中的目标，其中，该成像设备和该光源在大地测量仪器内共享公共光通道。该方法包括：使该光源向该目标发射光脉冲；使该成像设备使用帧序列捕获该场景的图像，其中，该帧序列的帧包括该成像设备暴露于来自该场景的光的曝光时间。该方法进一步包括：将这些光脉冲的发射与该帧序列同步，以从不存在这些光脉冲的图像中获得数据；以及处理所获得的数据以测量所述场景。

因此，实现了更简单且更紧凑的光学设置，其中，光源可以操作以帮助瞄准场景中的目标，并且成像设备可以操作以捕获场景的图像而不会在与成像设备共享的公共光通道中产生串扰。通过使光脉冲的发射与帧序列同步，可以捕获不存在光脉冲的图像。该同步可以关于例如帧序列的每一帧的曝光时间进行。因此，在使用帧序列捕获图像期间，光源可以在工作状态与非工作状态之间反复切换。如将在本披露中进一步讨论的，通过调整这种切换的频率和/或光源的峰值功率，光源可以在目标上生成与光源以连续模式操作时生成的光点相似或相同的光点。

帧序列可以包括第一帧子集，并且该同步可以包括使光源在第一子集的每一帧的曝光时间期间关闭。因此，帧序列将包括至少一些帧，即，第一帧子集，其中光源关闭并且因此不能够在公共光通道中产生任何串扰。如将在本披露中进一步讨论的，可以以多种不同方式利用第一帧子集来部分或完全地实现上述目的。应该进一步理解，可以有利地组合第一帧子集的不同实施方式。

根据实施例，该帧序列进一步包括第二帧子集，该第一子集与该第二子集是互斥的子集，该同步进一步包括：使该光源在该第二子集的每一帧的至少一部分期间打开。该帧序列可以包括来自该第一子集的帧，该帧与来自该第二子集的一个或多个帧交错，或者其中，该帧序列包括来自第二子集的帧，该与来自该第一子集的一个或多个帧交错。因此，帧序列可以包括光源打开的一个或多个帧，该一个或多个帧与光源关闭的一个或多个帧交错。

该方法可以进一步包括丢弃与该第二子集的每一帧有关的数据。因此，形成修改后的帧序列，其仅包含第一帧子集(即，光源关闭的帧)。在属于第二帧子集的丢弃帧的每个位置中，可以***属于第一帧子集的先前帧。换言之，该方法可以进一步包括将第二帧子集的每一帧替换为第一帧子集的相应先前帧。因此，修改后的帧序列将包括第一帧子集中的一个或多个帧的重复。取决于帧序列中属于第一帧子集和第二帧子集的帧的相应数量，重复帧的数量将有所不同。此外，如果在显示单元上显示这种具有重复帧的修改后的帧序列，则由于一些帧被显示较长的时间段，因此用户会体验到较低的帧速率。

还设想丢弃的数据可以在帧序列中留下空帧。这种修改后的帧序列将包含属于激光器关闭的第一子集的帧、以及属于第二子集的空帧。类似地，如果在显示单元上显示这种具有空帧的修改后的帧序列，则用户会体验到较低的帧速率。

该第二子集可以包括该帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。还设想第一子集可以包括帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。可以理解的是，当帧序列的每第N帧为第二子集的帧时，帧序列的剩余帧可以为第一子集的帧，反之亦然。分别属于帧的第一子集和第二子集的帧出现(即，它们在帧序列中的频率)可以基于成像设备的帧速率和/或光源的峰值功率来确定。例如，具有相对较高的帧速率的成像设备可以允许帧序列的第二子集帧与第一子集帧的比率更高，因为仅属于第一子集的帧(即，光源关闭的帧)就可以提供足够的帧速率以在显示设备上显示给用户。此外，可以提高光源的峰值功率以补偿在属于第一帧子集的帧中光源的关闭。由于人眼的整合相对较慢，用户可能认为从峰值功率提高且占空比小于100％的光源发射的光与一直打开(即，占空比为100％)的峰值功率较低的光源发射的光具有相同的亮度。优选地，峰值功率被选择为使得光源满足安全要求并且保持在相关实施领域内的分类中。

根据另一实施例，帧进一步包括至少一个间歇时间，在该至少一个间歇时间期间，该成像设备被配置为不记录来自该场景的光，该方法进一步包括：对于该帧序列或该第一子集的至少一些帧，使该光源在所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。因此，成像设备被配置为在间歇时间期间不记录来自场景的光，并且因此将不会捕获公共光通道中的任何串扰。此外，应该理解，可以在帧的曝光时间期间关闭光源。为了实现足够的帧速率，可以增大成像设备的增益以补偿由于间歇时间的存在而导致的更短的曝光时间。由此，可以维持每一帧的包括曝光时间和间歇时间的持续时间。

被配置为不记录来自场景的光的成像设备可以通过物理地阻挡光到达所述成像设备(例如，通过光圈)和/或通过将成像设备配置为在暴露于光时不生成或发送任何数据来实现。

类似地，帧的曝光时间可以由使成像设备暴露于光和/或将成像设备配置为在暴露于光时生成或发送数据来表示。

进一步设想，该同步可以进一步包括使该光源在该帧序列的每第K帧的所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开，其中，K包括在1到10之间。可替代地，该同步可以进一步包括使光源在帧序列中的后续帧组的相应帧中的所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。帧序列可以包括多个这样的后续帧组，这些后续帧组被光源在帧的整个持续时间内关闭帧间隔开。换言之，光源可以在每第M帧的所述至少一个间歇时间(并且因此整个帧)期间关闭，其中，M包括在2到10之间。

处理所获得的数据可以包括处理与第一子集的每一帧有关的数据。因此，可以仅处理与光源关闭的帧有关的数据。由此，针对处理资源的需求，实现了一种更高效的缓解或消除公共光通道串扰问题的方法。丢弃与第二帧子集有关的数据可以优选地在对帧序列中的帧执行任何种类的压缩之前执行。

该光源可以是该大地测量仪器的激光指示器，或者是该大地测量仪器的电子距离测量单元的光源。

根据第二方面，提供了一种大地测量仪器。该大地测量仪器包括：光源，该光源用于帮助用户瞄准场景中的目标；以及成像设备，该成像设备被配置为使用帧序列捕获该场景的图像。该光源被布置为向该目标/场景发射光脉冲。该帧序列的帧包括曝光时间，在该曝光时间期间，该成像设备暴露于来自该场景的光发射。该成像设备和该光源在该大地测量仪器内共享公共光通道。该大地测量仪器进一步包括处理单元，该处理单元被配置为：将这些光脉冲的发射与该帧序列同步以从不存在这些光脉冲的图像中获得数据，以及处理所获得的数据以测量该场景。设想该大地测量仪器可以进一步包括处理单元，该处理单元被配置为：将这些光脉冲的发射与该帧序列同步以从不存在这些光脉冲的图像中获得数据，以及处理所获得的数据以测量、观察、监测和/或查看该场景。

该帧序列可以包括第一帧子集，该大地测量仪器进一步被配置为使该光源在该第一子集的每一帧的曝光时间期间关闭。

该帧序列可以进一步包括第二帧子集，该第一子集与该第二子集是互斥的子集，该大地测量仪器进一步被配置为使该光源在该第二子集的每一帧的曝光时间的至少一部分期间打开。

该帧序列可以包括来自该第一子集的帧，该帧与来自该第二子集的一个或多个帧交错。可替代地，该帧序列可以包括来自该第二子集的帧，该帧与来自该第一子集的一个或多个帧交错。

该大地测量仪器可以进一步被配置为丢弃与该第二子集的每一帧有关的数据。

该第二子集可以包括该帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。进一步设想第一子集可以包括帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。

该帧序列的帧可以进一步包括至少一个间歇时间，在该至少一个间歇时间期间，该成像设备被配置为不记录来自该场景的光，该大地测量仪器进一步被配置为对于该帧序列或该第一子集的至少一些帧，使该光源在所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。

该大地测量仪器可以进一步被配置为使该光源在该帧序列的每第K帧的所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开，其中，K包括在1到10之间。

该处理单元可以进一步被配置为处理与该第一子集的每一帧有关的数据。

该光源可以是电子距离测量单元的光源，也可以是大地测量仪器的激光指示器。该光源可以是额定值在mW范围内的可见光半导体激光器或LED。一些脉冲频率将在本披露的具体实施方式中讨论。然而，设想光源的脉冲频率可以在MHz范围内。如此，脉冲串可以与帧序列中的帧同步。因此，在帧序列中的单帧内，激光器可能打开和关闭多次，这取决于频率。足够高的频率可以使观察者查看到的激光点(该观察者直接查看激光点或者经由显示器查看激光点)形成为连续的激光点。

成像设备可以具有至少10Hz(比如至少15Hz)的帧速率。

根据本披露的第三方面，提供了一种大地测量仪器的处理单元。该处理单元适于确定到场景的目标的距离和/或方向。该处理单元可以进一步被配置为根据如上文关于第一方面描述的任一实施例中所定义的方法来操作大地测量仪器。

关于一个方面描述的特征也可以结合在其他方面中，并且该特征的优点适用于结合了该特征的所有方面。

本发明构思的其他目标、特征和优点还将从以下详细披露、从所附权利要求以及从附图中变得明显。

通常，除非本文另外明确定义，在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在本技术领域中的普通含义来解释。进一步地，本文中，对术语″第一″、″第二″和″第三″等的使用不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素区分开。除非另外明确说明，否则所有对″一个/一种/该[元件、设备、部件、装置、步骤等]”的表述应当开放性地解释为是指所述元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确声明，否则本文中披露的任何方法的步骤并非必须按所披露的确切顺序来执行。

附图说明

参考附图，通过以下对本发明概念的展示性而非限制性的详细描述，将更好地理解本发明概念的上述以及附加目的、特征和优点，在附图中：

图1a示意性地展示了大地测量仪器的一个实施例；

图1b示意性地展示了大地测量仪器的一个实施例；

图1c示意性地展示了大地测量仪器的一个实施例；

图2a示意性地展示了根据一个实施例的帧序列；

图2b示意性地展示了根据一个实施例的帧序列；

图2c示意性地展示了根据一个实施例的帧序列；

图3a示意性地展示了根据一个实施例的帧序列；

图3b示意性地展示了根据一个实施例的帧序列；

图3c示意性地展示了根据一个实施例的帧序列；以及

图4c以流程图示意性地展示了用于操作大地测量仪器的方法。

这些附图不一定按比例绘制、并且通常仅示出为了阐明本发明构思所必需的部分，其中其他部分可以被省略或仅仅是建议。

具体实施方式

本发明构思总体上涉及大地测量仪器的光学功能，例如用于测量。特别地，根据本发明构思的大地测量仪器的操作在具有特定光学设置的大地测量仪器中是有利的，该光学设置如下面将参照图1a、图1b和图1c进一步描述的。这样的大地测量仪器将允许通过简单的接口轻松地将不同的功能模块集成到大地测量仪器中，使得多条光路至少沿着透镜布置重叠。因此，光路可以具有共同的透镜布置的相同透镜。更详细地，透镜布置的光学器件与距离测量单元、成像单元和***的分离为大地测量仪器的设计提供了灵活性，其中，清晰且简单的接口允许添加或替换这样的功能模块。

简而言之，在一个实施例中，大地测量仪器包括透镜布置；成像单元，该成像单元被配置为获得目标的至少一部分的图像；光源，该光源被布置用于帮助用户瞄准场景中的目标和/或被布置为距离测量单元(或电子距离测量单元，EDM单元)的一部分，该距离测量单元被配置为测量沿着光源的光轴到目标的距离；和分束器/合束器。分束器/合束器将成像单元和光源的部分光路组合在一起。因此，光源可以是距离测量单元的一部分。然而，将理解，由光源发射的光脉冲不一定是距离测量光或距离测量脉冲。尽管本披露涉及距离测量光，但应该理解为本披露还包括其中光源被配置用于帮助用户瞄准目标的实施例。换言之，光源可以用作激光指示器。

特别地，光路被布置成使得成像单元的光轴和光源的光轴至少在透镜布置和分束器/合束器之间与透镜布置的光轴同轴，即，平行且重叠。

图1a展示了根据实施例的大地测量仪器100A的元件。大地测量仪器100A包括透镜布置110、成像单元120、光源140和分束器/合束器150。

透镜布置110被提供用于观测作为目标的对象，比如反射器。光学布置110包括可移动地布置的至少一个聚焦透镜元件116，用于聚焦以观测对象。例如，聚焦透镜元件可以是单独的或复合的聚焦透镜，该聚焦透镜被手动或自动移动以产生可以通过目镜(其构成简单成像单元)查看的对象的聚焦/离焦图像。透镜布置110可以是测量领域中已知的望远镜的一部分，并且可以包括多个光学透镜(比如透镜114和116)，以便使得能够聚焦和变焦。

成像单元120被配置为获得由透镜布置110观测的对象的至少一部分的图像。成像单元120可以是使得可以在用户的眼睛中获得图像的简单透镜或目镜(又名接目镜)。可替代地，成像单元120可以是电子成像设备、微显示器和目镜的组合，使得可以通过目镜常规地用眼睛记录和查看图像。优选地，成像单元120是电子成像设备，例如能够生成图像信息的二维传感器元件阵列(该图像信息中像素的数量总体上对应于阵列元件的数量)，比如电荷耦合的器件(CCD)相机或金属氧化物半导体(CMOS)相机。这样的传感器阵列可以由1000×1000个或更多的传感器元件组成，以生成具有10⁶个图像像素(1兆像素)或更多图像像素的数字图像。然而，更小的传感器阵列也是可行的，例如由例如480×750个传感器元件组成的传感器阵列。可替代地，传感器阵列可以由形成雪崩光电二极管(APD)阵列的APD组成。光源140可以被配置为测量沿着光源140的构成光学测量轴的光轴到对象的距离。例如，光源140可以使用电子距离测量(EDM)来获得关于距离的测量值。在一个示例中，光源包括距离测量单元140，该距离测量单元包括相干光源，比如红外激光器或另一种合适的激光器(其例如在红色波长范围内进行发射)。距离测量单元可以优选地包括快速无反射器工作EDM。常规地，准直光从测量装置100A沿着径向方向发出，以通过使用本领域已知的脉冲方法或相位方法来执行距离测量。进一步地，接收到的EDM信号(即，电光距离测量的背向反射信号)的强度也可以用于获得关于到反射对象的距离的信息。

在图1a中，分束器/合束器150被提供并配置为将成像单元120的部分光学成像路径与光源140的部分光学距离测量路径组合在一起，使得成像单元120的光轴和光源140的光轴至少在透镜布置110和分束器/合束器150之间与透镜布置的光轴同轴布置。

光轴可以被视为定义光传播通过***所沿的路径的假想线，其高达一级近似。对于由简单透镜和反射镜组成的***，光轴经过每个表面的曲率中心并与旋转对称轴重合。光路可以被视为光在穿过光学***(比如透镜布置110的透镜)时所采取的路径。光路(光束路径)通常受限于光可以在其中行进的以光轴为旋转对称轴的三维体积。

成像单元120的光轴由点划线示出并且光源140的光轴由虚线示出。这些线没有给出优选方向(光学互易性)，但是可以认为要在成像单元120上成像的光从左向右行进。分束器/合束器150组合这些线以使光轴在图1a中分束器/合束器150的左侧部分重叠。由于这些轴彼此平行且重叠(即，同轴)，并且另外与透镜布置110的光轴平行且重叠，因此这些轴也被视为相对于透镜布置110的光轴同轴布置。

特别地，光学设置、并且尤其是分束器/合束器150被选择为使得透镜布置110的光轴对应于成像单元120和光源140在分束器/合束器150与透镜布置110之间并且沿着透镜布置110的重叠光轴，使得在相应光路中行进的光受到透镜布置的透镜114和116的影响。由于光源140和成像单元120的光轴部分地重叠，因此这些单元的光路(即，光学成像路径和光学距离测量路径)在被分束器/合束器150组合时也部分地重叠。在该装置中，作为成像单元的二维传感器元件阵列的中心和跟踪单元的中心不需要与透镜布置110的光轴重合。例如，在校准步骤中，可以在二维传感器元件阵列上将中心定义为光轴与阵列重合的点。

将理解，两个或更多个光轴的同轴布置基本上是理论假设，因为在实践中，光轴通常不会完全重叠并指向完全相同的方向，而是会在某一较小误差范围内重叠。因此，为了便于解释，假设轴偏差小于+/-0.2°仍为同轴。典型的对齐误差在+/-0.1°的数量级，这可以在以后的校准中通过软件进行校正。

从不同的角度看图1a，根据光学互易性原理，来自图1a左侧并因此从左侧进入透镜布置110的光将被分束器/合束器150分离。因此，描述一条光路被分束器/合束器分成两条光路(从左往右看)和描述两条光路被分束器/合束器组合(从右往左看)在技术上是相同的。

在简单情况下，可以使用半透明反射镜作为分束器/合束器将入射光分成两部分(例如50∶50)，一部分到达成像单元120，而另一部分到达光源140。于是，成像通道中的不期望的距离测量光可以在击中成像单元120之前被过滤掉。然而，在实践中会使用分色反射镜或分色棱镜，即，对一种波长范围而言透明而对另一种波长范围而言反射性的反射镜或棱镜。这种波长选择性可以通过使用薄膜干涉原理的分色滤光片/膜来实现。因此，使用分色反射镜或分色棱镜分别允许使用较大百分比的反射光和透射光。

因此，根据光的方向和波长，分束器/合束器150除了被配置为组合光束之外，还被配置为将从对象反射的穿过透镜布置的光分成沿着光学成像路径的成像光和沿着光学距离测量路径的距离测量光。

由上可知，光路和光轴与光的行进方向无关，所以″分″和″合″只是为了更好地解释光学布局。特别地，这些示例中的成像单元仅接收光而不发出任何光，因此分束器/合束器不会将来自成像单元和光源的光组合在一起，但是其配置有可以这样做的光学功能，因为通过透镜布置进入大地测量仪器的光被分束器/合束器分入不同的通道。换言之，分束器/合束器的光学功能是将来自其右侧的不同路径组合到其左侧重叠。

在一个示例中，光源140的激光二极管可以发射约660m(或635nm)的红色范围内的光，并且成像单元120可以对包括反射可见波长的对象的景色成像。因此，如果提供截止波长约为620nm(即，反射大于620nm的波长)的分色反射镜(可替代地，阻挡635m左右的光的陷波滤波器)，则可以在不同的通道中几乎没有任何强度损失地实现距离测量和成像。使用分色棱镜设计进一步允许将成像单元的相机芯片直接胶合到棱镜的部分上，从而实现高度紧凑的结构，该结构在很大程度上对温度变化和外部冲击不敏感，同时可以节省用于附接和对齐相机芯片的机械部件。

如果透镜布置110中面向分束器/合束器的透镜116具有凸面(例如，面向分束器/合束器的平凸透镜或双凸透镜)，则可以实现测量装置的测量的附加可靠性。结果，来自光源140的距离测量光从该透镜的反射不会被反射回到距离测量单元140，从而避免可能导致检测到并非来自实际目标(对象)的信号的串扰。此外，透镜布置的透镜上的抗反射涂层也可以减少串扰。当使用棱镜作为分束器/合束器150时，中间焦点应该放置在棱镜的外部而不是内部，并且光入射的(多个)棱镜表面可以相对于正交方向稍微倾斜，使得光不是完全正交地入射在其上。此外，可以在适当位置提供各个棱镜之间的气隙以实现全反射。

在图1b中，提供了大地测量仪器的另一个实施例，其进一步构建在图1a的大地测量仪器100A之上。具体地，大地测量仪器100B包括与大地测量仪器100A相同的元件并且另外包括***130。

***130被配置为通过优选地使用波长为850nm(或810nm)的红外光来跟踪对象，例如三棱镜反射器。从图1b可直接理解，图1a的分束器/合束器150需要一些修改以分别组合/分离***130、成像单元120和光源140的三个光束路径。因此，在图1b中分束器/合束器150’被配置为组合***130的光学***路径的一部分、成像单元120的光学成像路径的一部分和光源140的光源路径的一部分，使得***的光轴、成像单元的光轴和光源的光轴至少在透镜布置和分束器/合束器150’之间与透镜布置110的光轴同轴布置。因此，透镜布置110由跟踪、瞄准辅助和/或距离测量和成像功能共享。

更详细地，在图1b中，***130的光轴由点线131示出，成像单元120的光轴由点划线121示出，并且光源140的光轴由虚线141示出。在图1b中示意性地示出了这些光轴的光如何被分束器/合束器150’反射和透射以与透镜布置110的光轴111重合。

图1b所示的棱镜***是多通道棱镜。特别地，棱镜***包括具有楔形形状的两个棱镜。在优选实施例中，分束器/合束器150’包括至少两个楔形棱镜以及波长选择表面。波长选择表面是以不同方式反射不同波长的任何表面。在分色反射镜(或类似的分色棱镜)的上述示例中，分色反射镜(或分色棱镜)也可以包括波长选择表面。需要组合的光路越多，需要提供的棱镜或反射镜(或其组合)就越多。因此，在具有三个功能模块(比如***130、成像单元120和光源140)的优选实施例中，棱镜***由具有类似分色反射镜的表面的两个分色棱镜构成。

本领域技术人员认识到，代替图1b中所示的两个分色棱镜，也可以使用两个分色反射镜。因此，类似于图1a，***、光源和成像单元的光轴可以在分束器/合束器150’左侧与透镜布置110的光轴同轴布置。

图1c展示了大地测量仪器100C的另一个示例的元件。大地测量仪器100C包括透镜布置110、成像单元120、***130和分束器/合束器150。大地测量仪器100C对应于大地测量仪器100A，但光源140被***130取代，其中，***130的细节已关于图1b讨论。

现在参考图2a，展示了帧序列100a。所展示的帧序列100a包括帧102a-118a，然而应该理解，帧序列可以包括更少或更多的帧。帧序列100a中的每一帧包括曝光时间。第一帧102a包括曝光时间120a。在捕获第一帧102a期间，使光源在该帧的整个持续时间(即，曝光时间120a)内关闭，从而允许成像设备从与第一帧102a相对应的不存在光脉冲的图像中获得数据。

相比之下，在捕获第二帧104a期间，使光源在该帧的至少一部分(即，第二帧104a的曝光时间122a的持续时间的至少一部分)内打开124a。在所展示的帧序列100a中，使光源在第二帧104a的整个持续时间内(即，在曝光时间122a的持续时间期间)打开124a。因此，与第二帧104a相对应的图像可以包括与光脉冲有关的数据。

帧序列100a包括属于第一帧子集的帧，其中，使光源在所述帧中的每一帧的曝光时间期间关闭。在所展示的帧序列100a中，帧102a、106a、110a、114a和118a包括在第一帧子集中。此外，帧104a、108a、112a和116a包括在第二帧子集中，其中，使光源在所述帧中的每一帧的至少一部分期间打开。如此，实现了光脉冲发射与帧序列100a的同步。

帧序列100a的帧速率和/或光源的峰值功率可以影响要如何执行光脉冲发射的同步。例如，在所示实施例中，具有50Hz帧速率(即，每一帧具有20ms的持续时间)的帧序列每秒将具有25个属于第一帧子集的帧和25个属于第二帧子集的帧。由于要处理来自不存在光脉冲的图像的数据，因此将仅利用与第一帧子集有关的数据，从而补偿可能发生的串扰。因此，被配置为显示由成像设备捕获的场景的显示单元可以每秒显示25个独特帧。为此，术语″独特″将被理解为帧序列中的不是通过在所述帧序列中进行复制或***另一帧而创建的帧。此外，即使复制第一子集中的每一帧来创建每秒50帧的修改后的帧序列，该修改后的帧序列也将仅包括25个独特帧，每帧连续显示两次，总持续时间为40ms。因此，在显示设备上显示的这种修改后的帧序列的被感知的帧速率将是每秒25帧。

此外，如上一段所阐述的示例，光源可以在工作状态和非工作状态之间反复切换，每个工作周期为20ms，并且每个非工作周期也为20ms。因此，光源的占空比可以说是50％。取决于光源的峰值功率，当直接被用户查看时，这种切换仍可以在被所述光脉冲照射的目标上形成被感知的连续光点。

帧序列100a包括第一帧子集，其包括帧序列的每第2帧。相应地，第二帧子集也包括帧序列的每第2帧。然而，设想第一帧子集可以包括帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。还设想第二子集可以包括帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。

现在参考图2b，展示了帧序列100b。所展示的帧序列100b包括帧102b-118b，然而应该理解，帧序列可以包括更少或更多的帧。帧序列100b中的每一帧包括曝光时间。第一帧102b包括曝光时间120b。在捕获第一帧102b期间，使光源在该帧的整个持续时间(即，曝光时间120b)内关闭，从而允许成像设备从与第一帧102b相对应的不存在光脉冲的图像中获得数据。

相比之下，在捕获第三帧106b期间，使光源在该帧的至少一部分(即，第三帧106b的曝光时间122b的持续时间的至少一部分)内打开124b。在所展示的帧序列100b中，使光源在第三帧106b的整个持续时间内(即，在曝光时间122b的持续时间期间)打开124b。因此，与第三帧104b相对应的图像可以包括与光脉冲有关的数据。

帧序列100b包括属于第一帧子集的帧，其中，使光源在所述帧中的每一帧的曝光时间期间关闭。在所展示的帧序列100b中，帧102b、104b、108b、110b、114b和116b包括在第一帧子集中。此外，帧106b、112b和118b包括在第二帧子集中，其中，使光源在所述帧中的每一帧的至少一部分期间打开。如此，实现了光脉冲发射与帧序列100b的同步。

在帧序列100b中，三分之二的帧属于第一帧子集，而三分之一的帧属于第二帧子集。因此，具有例如60Hz帧速率的帧序列每秒将具有40个属于第一帧子集的帧和20个属于第二帧子集的帧。因此，每秒可以捕获40个不存在光脉冲的图像。同样，光源可以在工作状态和非工作状态之间反复切换，每个工作周期为20ms，并且每个非工作周期为40ms。因此，光源的占空比可以说是大约33％。取决于光源的峰值功率，当直接被用户查看时，这种切换仍可以在被所述光脉冲照射的目标上形成被感知的连续光点。进一步地，基于从第一帧子集获得的数据来生成的视频不会遭受串扰。

帧序列100b包括第二帧子集，其包括帧序列的每第3帧。然而，设想第二帧子集可以包括帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。

现在参考图2c，展示了帧序列100c。所展示的帧序列100c包括帧102c-118c，然而应该理解，帧序列可以包括更少或更多的帧。帧序列100c中的每一帧包括曝光时间。第三帧106c包括曝光时间120c。在捕获第三帧106c期间，使光源在该帧的整个持续时间(即，曝光时间120c)内关闭，从而允许成像设备从与第三帧102c相对应的不存在光脉冲的图像中获得数据(从而避免存在串扰)。

相比之下，在捕获第一帧102c期间，使光源在该帧的至少一部分(即，第一帧102c的曝光时间122c的持续时间的至少一部分)内打开124c。在所展示的帧序列100c中，光源在第一帧102c的整个持续时间内(即，在曝光时间122c的持续时间期间)打开124c。因此，与第一帧104c相对应的图像可以包括与光脉冲有关的数据。

帧序列100c包括属于第一帧子集的帧，其中，使光源在所述帧中的每一帧的曝光时间期间关闭。在所展示的帧序列100b中，帧106c、112c和118c包括在第一帧子集中。此外，帧102c、104c、108c、110c、114c和116c包括在第二帧子集中，其中，使光源在所述帧中的每一帧的至少一部分期间打开。如此，实现了光脉冲发射与帧序列100c的同步。

在帧序列100c中，三分之一的帧属于第一帧子集，而三分之二的帧属于第二帧子集。因此，具有例如60Hz帧速率的帧序列每秒将具有20个属于第一帧子集的帧和40个属于第二帧子集的帧。因此，每秒可以捕获20个不存在光脉冲的图像。同样，光源可以在工作状态和非工作状态之间反复切换，每个工作周期为40ms，并且每个非工作周期为20ms。因此，光源的占空比可以说是大约67％。取决于光源的峰值功率，当直接被用户查看时，这种切换仍可以在被光脉冲照射的目标上形成被感知的连续光点。

帧序列100c包括第一帧子集，其包括帧序列的每第3帧。然而，设想第一帧子集可以包括帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。

参考图2a至图2c，在每个相应的帧序列中，来自第一子集的一帧与来自第二子集的一个或多个帧交错，或者来自第二子集的一帧与来自第一子集的一个或多个帧交错。由此，实现了光脉冲发射与帧序列的同步，从而允许获得来自不存在光脉冲的图像的数据。结果，由于避免或至少减少了由成像设备和光源共同共享的光通道中串扰的发生，因此提高了仪器提供的图像序列或视频的质量。

现在参考图3a，展示了帧序列180a。所展示的帧序列180a包括帧130a-146a，然而应该理解，帧序列可以包括更少或更多的帧。帧序列180a中的每一帧包括曝光时间和至少一个间歇时间。第一帧130a包括曝光时间150a和间歇时间152a。在捕获第一帧130a期间，使光源在曝光时间150a的整个持续时间内关闭，从而允许成像设备从与第一帧130a相对应的不存在光脉冲的图像中获得数据。此外，使光源在间歇时间152a的至少一部分期间打开。因此，光源发射的光在第一帧130a中没有被成像设备捕获，但是光脉冲仍然可以在目标上形成光点以帮助用户瞄准目标。

在所展示的帧序列180a中，帧序列180a的所有剩余帧132a-146a都根据前一段落关于第一帧130a的描述进行配置，即，每一帧包括曝光时间以及至少一个间歇时间，使光源在该曝光时间期间关闭，并且使光源在该至少一个间歇时间的至少一部分期间光源打开。

由于与结合图2a至图2c描述的实施例相比，曝光时间相对于每一帧的持续时间更短，因此会增大成像设备的增益以获得充足的图像。此外，可以注意到，在任何帧的曝光时间期间都不打开光源。因此，经由帧序列180a捕获图像的成像设备将不会获取存在光源发射的光的图像。

仍参考图3a，由光源发射的光脉冲与帧序列180a同步，从而使光源在帧序列180a内的每一帧的至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。

现在参考图3b，展示了帧序列180b。所展示的帧序列180b包括帧130b-146b，然而应该理解，帧序列可以包括更少或更多的帧。帧序列180b中的每一帧包括曝光时间和至少一个间歇时间。第三帧134b包括曝光时间150b和间歇时间152b。在捕获第三帧134b期间，使光源在曝光时间150b的整个持续时间内关闭，从而允许成像设备从与第三帧134b相对应的不存在光脉冲的图像中获得数据。此外，使光源在间歇时间152b的至少一部分期间打开。因此，光源发射的光在第三帧134b中没有被成像设备捕获，但是光脉冲仍然可以在目标上形成光点以帮助用户瞄准目标。

在所展示的帧序列180b中，每第三帧根据前一段中关于第三帧134b的描述进行配置，即，帧134b、140b、146b各自包括曝光时间以及至少一个间歇时间，使光源在该曝光时间期间关闭，并且使光源在该至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。为此，进一步设想，可以使光源在每一帧、每隔一帧、每第三帧、每第四帧、每第五帧或更一般地，每第K帧的至少一个间歇时间的至少一部分期间打开，其中，K包括在1到10之间。

现在参考图3c，展示了帧序列180c。所展示的帧序列180c包括帧130c-146c，然而应该理解，帧序列可以包括更少或更多的帧。帧序列180c中的每一帧包括曝光时间和至少一个间歇时间。第一帧130c包括曝光时间150c和间歇时间152c。在捕获第一帧130c期间，使光源在曝光时间150c的整个持续时间内关闭，从而允许成像设备从与第一帧130c相对应的不存在光脉冲的图像中获得数据。此外，使光源在间歇时间152c的至少一部分期间打开。因此，光源发射的光在第一帧130c中没有被成像设备捕获，但是光脉冲仍然可以在目标上形成光点以帮助用户瞄准目标。

在所展示的帧序列180c中，对于帧序列180c中的每第三帧，使光源不仅在帧的曝光时间期间，还在帧的间歇时间期间关闭。因此，帧134b、140b、146b各自包括曝光时间和至少一个间歇时间，使光源在该曝光时间期间关闭，并且使光源在该至少一个间歇时间期间也关闭。相比之下，帧130c、132c、136c、138c、142c、144c各自包括曝光时间以及至少一个间歇时间，使光源在该曝光时间期间关闭，并且使光源在该至少一个间歇时间期间打开。为此，进一步设想，可以使光源在每隔一帧、每第三帧、每第四帧、每第五帧或更一般地，每第M帧的曝光时间和间歇时间期间(即，帧的整个持续时间期间)关闭，其中，M包括在2到10之间。

现在将参考图4描述根据本发明构思的用于操作大地测量仪器的方法。大地测量仪器包括光源和成像设备，该光源用于帮助用户瞄准场景中的目标，其中，该成像设备和该光源在大地测量仪器内共享公共光通道，所述方法包括：使光源向目标发射450光脉冲；使成像设备使用帧序列捕获452场景的图像，其中，所述帧序列的帧包括成像设备暴露于来自场景的光的曝光时间；将光脉冲的发射与帧序列同步454，以从不存在光脉冲的图像中获得数据；以及处理456所获得的数据以测量所述场景。

为了清楚和简单起见，将根据″步骤″来描述该方法。要强调的是，步骤不一定是以时间界定或彼此分开的过程，并且可以以并行方式同时执行多于一个″步骤″。

如本领域技术人员容易理解的是，鉴于以上对本发明概念的原理的描述，可以设计出许多修改和变化。旨在将所有此类修改和变化视为在如所附专利权利要求中所限定的本发明概念的范围内。

Claims (21)

1.一种用于操作大地测量仪器的方法，该大地测量仪器包括光源和成像设备，该光源用于帮助用户瞄准场景中的目标，其中，该成像设备和该光源在大地测量仪器内共享公共光通道，所述方法包括：

使该光源向该目标发射光脉冲；

使该成像设备使用帧序列捕获该场景的图像，其中，所述帧序列的帧包括该成像设备暴露于来自该场景的光的曝光时间二

将这些光脉冲的发射与该帧序列同步，以从不存在这些光脉冲的图像中获得数据二以及

处理所获得的数据以测量所述场景。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，该帧序列包括第一帧子集，该同步包括：

使该光源在该第一子集的每一帧的曝光时间期间关闭。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，该帧序列进一步包括第二帧子集，该第一子集与该第二子集是互斥的子集，该同步进一步包括：

使该光源在该第二子集的每一帧的至少一部分期间打开。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，该帧序列包括来自该第一子集的帧，该帧与来自该第二子集的一个或多个帧交错，或者其中，该帧序列包括来自第二子集的帧，该与来自该第一子集的一个或多个帧交错。

5.根据权利要求3或4所述的方法，进一步包括：

丢弃与该第二子集的每一帧有关的数据。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，该第二子集包括该帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，帧进一步包括至少一个间歇时间，在该至少一个间歇时间期间，该成像设备被配置为不记录来自该场景的光，该方法进一步包括：

对于该帧序列或该第一子集的至少一些帧，使该光源在所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，该同步进一步包括使该光源在该帧序列的每第K帧的所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开，其中，K包括在1到10之间。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，所述处理包括：

处理与该第一子集的每一帧有关的数据。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该光源是该大地测量仪器的激光指示器，或者是该大地测量仪器的电子距离测量单元的光源。

11.一种大地测量仪器，包括：

光源，该光源用于帮助用户瞄准场景中的目标，所述光源被布置为向该目标/场景发射光脉冲二

成像设备，该成像设备被配置为使用帧序列捕获该场景的图像，其中，所述帧序列的帧包括该成像设备暴露于来自该场景的光发射的曝光时间；

其中，该成像设备和该光源在该大地测量仪器内共享公共光通道，以及

处理单元，该处理单元被配置为：将这些光脉冲的发射与该帧序列同步以从不存在这些光脉冲的图像中获得数据，以及处理所获得的数据以测量所述场景。

12.根据权利要求11所述的大地测量仪器，其中，该帧序列包括第一帧子集，该大地测量仪器进一步被配置为使该光源在该第一子集的每一帧的曝光时间期间关闭。

13.根据权利要求12所述的大地测量仪器，其中，该帧序列进一步包括第二帧子集，该第一子集与该第二子集是互斥的子集，该大地测量仪器进一步被配置为使该光源在该第二子集的每一帧的曝光时间的至少一部分期间打开。

14.根据权利要求13所述的大地测量仪器，其中，该帧序列包括来自该第一子集的帧，该帧与来自该第二子集的一个或多个帧交错，或者其中，该帧序列包括来自第二子集的帧，该与来自该第一子集的一个或多个帧交错。

15.根据权利要求13或14所述的大地测量仪器，进一步被配置为丢弃与该第二子集的每一帧有关的数据。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的大地测量仪器，其中，该第二子集包括该帧序列的每第N帧，其中，N包括在2到10之间。

17.根据权利要求11或12所述的大地测量仪器，其中，该帧序列的帧进一步包括至少一个间歇时间，在该至少一个间歇时间期间，该成像设备被配置为不记录来自该场景的光，该大地测量仪器进一步被配置为对于该帧序列或该第一子集的至少一些帧，使该光源在所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开。

18.根据权利要求17所述的大地测量仪器，进一步被配置为使该光源在该帧序列的每第K帧的所述至少一个间歇时间的至少一部分期间打开，其中，K包括在1到10之间。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的大地测量仪器，其中，该处理单元进一步被配置为处理与该第一子集的每一帧有关的数据。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的大地测量仪器，其中，该光源是该大地测量仪器的电子距离测量单元的光源，或者是该大地测量仪器的激光指示器。

21.一种大地测量仪器的处理单元，该处理单元适于确定到场景的目标的距离和/或方向，其中，该处理单元被配置为根据如权利要求1至10中任一项所定义的方法来操作该大地测量仪器。

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