测距设备制造技术

测距设备具有： －一个由半导体激光器（１０）产生的可见光测量光束（１１）， －一个准直器物镜（１２），用于把测量光束（１１）准直到准直器物镜（１２）光轴（１３）的方向， －一个调制测量光束的电路装置， －一个接收物镜（１５），用于接收和把从一个远距离被测物体（１６）反射回来的测量光束（１１）成象到一个接收装置， －一个可接入的光偏转装置（２８），用于产生一个介于半导体激光器（１０）和接收装置之间的内部参考距离和 －一个电子分析装置（２５），用于测出和显示所测出的物体（１６）的距离， 其特征在于， 接收装置有一段连接着光电转换器（２４）的光导纤维（１７′），其中为测量远距离物体把光导纤维入射面（１７）安置在接收物镜（１５）的成象平面内，并且可控制光导纤维入射面由此位置（１８）垂直于接收物镜（１５）的光轴（１４）移动。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有权利要求1、2和13的总构思中所述特征的测距设备。由Fa.Wild Heerbrugg AG.Schweig，V.86发表的公开文献中，其题目为“用具有大地测量精度的渡越时间测量法测距”，已知一种这种类型的设备。这种设备也用于测量具有天然粗糙表面物体的距离。所以有些设备可以用于测量难以接近的表面，例如岩石裂缝、洞穴内壁、隧道轮廓等等，其待测距离可能达数百米。这些设备使用大发光表面脉冲红外半导体激光二极管作为光源。使用的脉冲宽度为12ns。这种光源的优点在于可以产生峰值功率高达数瓦数量级的光脉冲，从而可以满足测距为数百米的要求。测量精度为5-10mm。这种设备的缺点在于这种激光器具有数量级为300μ的较大发光表面，因为由此使该设备的发射光束具有约2mrad的发散度，所以在50m处光束横截面已是0.1m。在很短的距离时这种设备的光束横截面总还有数cm的直径，因为为了以2mrad光束发散度发射脉冲功率为数瓦的光束需要数cm物镜直径。因为发射和接收物镜是分开安装的，所以为了要测量少于10到15m的近距离，必须要安装一个前置透镜使发射和接收光束重叠。另一个缺点是由于红外测量光束不能识别实际被测物体的位置。为了可以看到目标位置要附加一个发射可见光的激光器，而且其光轴对发射光轴的相互位置必须进行细心的调整。这种测量仪器装有电子分析和显示装置，该装置可用键盘输入其它数据并完成计算。同样由专利DE4002356C1已知一种具有分开的发射和接收物镜的测距仪。该仪器的发射装置具有两个电子互补开关的激光二极管，其中之一将光波群送往测量光路，另一激光器将光波群送往参考光路。两个光波群由同一个光接收器交替接收，该光接收器与计值电路系统连接。从该专利文件不知激光器是否发出可见光。可测量距离的范围为2到10m并且测量精度约在数mm范围。在杂志“Industrie”，11/92，6-8页叙述了一种以渡越时间测量为基础的光学测距仪，即Fa，Sick Gmbh公司的DME 2000型测距仪。这种测距仪用两个发射可见光的半导体激光器工作。其一个激光器具有准直器光学系统产生所需要的发射光，另一个激光器直接向接收器提供必要的参考信号。发射光束和接收光束彼此同轴安装，所以只用一个唯一的具有较大直径的物镜。用直径约3mm的光斑对天然粗糙表面的测量距离为0.1到2m。对于可达130m较远的物体必须在被测物体上装一反射薄膜。对这些距离光斑直径约250mm。在同轴发射—接收光学系统中光接收器使用了一种较大面积的PIN-光电二极管。从而强发散的接收光束与发射光束重叠在一起，所以可以测量小到0.1m的距离，然而用这种大面积的光探测器在无附加的反射镜时仍不能测量远距离。在建筑业，特别是在内部建筑和装修业要求不用加反射镜对表面作额外处理就可以测量距离达30m的粗糙表面。当要求测量精度为1到2mm时，接收光束的发散度为此必须尽可能小，因为否则在接收器中同时被接收的周围光分量可能引入大的噪声信号。然而约2mrad的小发散度接收光束的缺点是，在分离的发射—和接收光学系统中，发射光束与接收光束的重叠只有在1到2m之外才出现，所以当没有其它辅助措施时只有大于此距离才能进行距离测量。因此本专利技术的任务是，采用一个经很好准直的可见光测量光束，此光束在近距离范围内直径小于0.5cm而在远距离的边缘区域直径小于1到2cm，可以对天然粗糙表面进行测量，总的测量范围由仪器前缘起至少可到30m。测量精度应在毫米范围。在本文开始所述类型的设备中，此项任务根据本专利技术用权利要求1、2和13所述特征予以解决。从属权利要求3至12和14至20所述特征给出了本专利技术设备的优选实施结构和其改进结构。在本专利技术的设备中，准直器物镜产生一个沿其光轴很好聚束的测量光束。在其一旁安装的接收物镜的光轴与准直器物镜光轴至少接近平行，并且与此轴位于同一平面。测量光束不可避免的发散度、比较近地相互靠在一起的光学成象系统和这些系统的焦距共同的作用在于从约到2m距离的物体反射的测量光束在接收物镜的焦点附近成象。由于接收光束能集中在小的面积上，所以对信号的分析、甚至对远的测量距离都不存在光强太弱的问题。然而在近距离测量时观察到，随测量距离的减小从被测物体反射回的测量光斑的成象位置与焦点的距离沿接收物镜光轴的纵向与横向不断增加。于是在焦点处安装的光导纤维的入射面接收不到反射光，从而达到测量下限。根据本专利技术，在第一种实施结构中，把光导纤维的入射面移到测量光斑成象偏移到的位置，并且只需垂直于接收物镜的光轴移动。可以不必沿光轴方向调整，因为在近距离被测物体反射的测量光束的光强是不成问题的。实验甚至证实，调整到准确成象位置会导致分析电路过载。移动可调的光导纤维入射面为各种距离的测量提供了与最佳信号功率相匹配的可能性。对此问题的另一种解决方法是，让光导纤维入射面固定不动，而使用光偏转部件把在近距离时愈加倾斜进入接收物镜的测量光束偏转到光导纤维入射面。这里也利用了这样的见解，即偏转时不必考虑精确的光学成象，因为测量近距离的物体不存在光强问题。这种解决方案的优点是在接收光路中可以不需要移动的元件。限制本专利技术设备测量精度的效应是由被调制的激光束的物理特性与被测粗糙表面的共同作用产生的。半导体激光二极管的可见光以等距谱线(模式)光谱向外发射。在调制电流作用期间不仅改变波长而且也改变模式的光密度(光强)。因此依据电调制脉冲、激光脉冲的各种波长产生不同的调制相位延迟。此调制相位涉及一个调制脉冲期间、在激光脉冲光发射持续时间内光强变化I(t)的时间重心ts。数学上ts等于I(t)*t*dt的积分除以I(t)*dt的积分，其中积分范围等于整个激光脉冲持续时间。根据调制方式和调制脉宽与不同波长所决定的调制相位差相对应的激光脉冲时间延迟可达1.3nS。其相应的视在距离差可达200mm。由被测粗糙表面散射回的光由于激光的相干性形成光强的颗粒化分布，这种颗粒通常称为色斑。只有在激光可能反射的方向，如果粗糙表面是镜面的话，激光不同模式的光斑将重合在一起。由于模式的不同波长，对所有其它方向都不出现这种情况，以致存在一个具有空间不同调制相位的光场。进入接收物镜并导向光电探测器的光束，有一个具有代表性的调制相位，此相位是从进入物镜的光场所有调制相位经对相应的光强取加权平均值产生的。此平均值依据光场上色斑结构，即依据粗糙表面的结构而起伏。通过在垂直于测量方向上的一个宏观上显现具有均匀表面的物镜的位移可以证实，由调制相位起伏所决定的距离测量误差可达20mm。令人感到惊讶的是结果表明，仅用激励脉宽小于2ns的激励脉冲调制激光二极管就可对物理性能有决定性的改善。于是依据波长之不同调制相位差足以小到使相应的距离测量起伏小于2mm。就测距仪中应用光导纤维而言是众所周知的。在本专利技术的仪器中使用光导纤维有着特殊的优点，即光导纤维在其通向光电转换器的路径中可以多次弯曲。从而使上述就所有调制相位取得的加权平均值得到进一步改善。众所周知，为了补偿在电子电路中和光电转换器中的漂移效应，为了对测量外部距离之前和之后进行比较，需测量一个内部已知长度的参考距离。为此目的在本专利技术的仪器中，在准直测量光束中插入一个光散射元件，使光不经外部光路进入。此元件的散射特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：H·艾贝斯，H·贝纳德，K·盖格，J·兴德林，
申请(专利权)人：莱卡地球系统公开股份公司，
类型：发明
国别省市：