[发明专利]光学距离测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于借助光学测量辐射来测量在测量装置与目标对象之间的距离的测量装置。

背景技术

将时间调制的光束指向目标对象的光学距离测量设备是已知的，要确定该目标对象距测量设备的距离。由被测向的目标对象反射的或散射的返回光被该设备至少部分探测到并且用于确定待测量的距离。典型的测量范围在此处于几厘米直至几百米的距离范围中。

为了能够用光束来测量距目标对象的距离，例如在光束的强度方面对光束进行时间调制。例如，可以发送光脉冲并且测量光脉冲从发送直至探测到的传播时间并且据此计算距目标对象的距离。然而为此必须发送非常短的光脉冲并且使用非常快速的探测电子装置，以便能够获得足够精确的测量结果。可替换地，光束可以在其强度方面被在时间上周期性调制并且使用在所发送的与所探测到的光信号之间的相移来确定传播时间并且由此确定距目标对象的距离。激光距离测量的原理一般以名称“Time of Flight Ranging（飞行时间测距）”——例如其中对激光束的强度进行连续调制——而公知。

此外，还公知所谓的三维（3D）摄像机，其中除了对要拍摄的对象进行光学成像之外也要探测要拍摄对象的表面上区域距摄像机的相应距离。为此，该摄像机具有成像光学系统，该光学系统将对象的图像清晰地投影到设置于光学系统后面的探测器的表面上。探测器在此具有多个矩阵状设置的像素。每个像素在此可以确定诸如由目标对象的表面区域所反射的光的色彩或光强度的图像信息。另外，可以确定关于在摄像机与目标对象的相应表面区域之间的距离的信息。为此，可以用时间调制的激光辐射来照射目标对象，并且通过确定飞行时间将由目标对象反射的并且借助成像光学系统成像到探测器上的辐射用于确定关于距目标对象的相应表面区域的距离的位置分辨的信息。

然而，这样的三维摄像机除了需要带有多个像素的位置分辨的探测器之外还需要成像光学系统，以便将目标对象的每个表面区域精确地成像到像素上，其中由该像素确定的探测信号于是可以用于确定距相应的表面区域的距离。这需要比较复杂的、聚焦性的光学系统以及单个地分析每个像素的探测信号的可能性。

与此相反，简单的距离测量设备仅被用来确定在测量设备与目标对象或用激光束瞄准的在目标对象上的点之间的距离。距离在此并不需要以位置分辨的方式来确定。确定平均距离通常就足够了。这样的距离测量设备通常使用在手持设备中，以便例如在室内确定某个位置距周围的目标对象（譬如墙壁或家具）的距离。手持的距离测量设备在此应当优选具有尽可能简单、稳固且成本低廉的结构并且能够实现简单操作。

从DE 10 2006 013 290 A1中已知一种用于光学测距的装置，其中接收单元的探测器具有多个彼此分离的光敏面，这些光敏面可以彼此分离地激活。每个光敏面在此具有诸如PIN二极管或APD（雪崩光电二极管）的光电二极管或CCD芯片作为光敏元件。这些光敏元件确定对应于所接收的光的强度的模拟探测信号。这些光敏面可以选择性地被激活并且以此方式组合成整个探测面，该整个探测面能够使探测面的被光源照射的部分区域尽可能好地匹配，以便以此方式改善信噪比。

由于所描述的传统的距离测量设备使用提供具有大带宽的模拟测量信号的光敏元件，诸如PIN二极管或APD（雪崩光电二极管），所以可能需要使用复杂的分析电子装置来分析这些模拟测量信号。这些以模拟方式工作的光敏元件通常不能与其他使用在测量设备中的CMOS技术兼容。

发明内容

会存在对如下用于光学距离测量的测量装置的需求，该测量装置尤其是与前面所描述的传统的距离测量设备相比允许简化地构建其中使用的电子部件、尤其是用于分析探测信号的分析部件。此外，会存在对如下距离测量装置的需求，该距离测量装置在很大程度上可以以唯一的制造技术、例如CMOS技术来制造。

此外，会存在对如下的距离测量装置的需求，其中尽可能地具有如下优点中的至少一个：

- 扩展距离测量装置的接收光学系统相对于探测器的调节公差；

- 降低复杂性和对接收光学系统的要求；

- 提高尤其是在测量小距离时的动态范围；

- 对尤其是在测量大距离时的信噪比进行优化；和/或

- 减小对于分析所需的集成电路的芯片面。