具有点到点聚焦的扫描装置的制作方法

1.本发明涉及光电扫描装置和方法，以及用于坐标位置确定的方法。


背景技术：

2.诸如激光跟踪仪、扫描全站仪(例如莱卡ms60全站仪)或激光扫描仪之类的光电扫描装置被用于工业测量、大地测量或计量测量，例如以用于在表面检查的背景下对诸如车身或建筑物之类的部件的点进行坐标位置确定，或用于对移动的机器零件进行连续位置监测。这种扫描仪器被设计成用于目标点的连续坐标位置确定。特别地，激光跟踪仪已经成为各种行业中的计量设备的重要部件，以用于测量小型到大型零件并提供用于大规模检查和组装应用的解决方案。
3.为了测量对象点，例如借助于用于角度测量的传感器(该传感器被分配到系统的偏转镜或瞄准单元)来确定测量射束的发射方向和相应的接收方向。此外，利用射束检测(例如借助于如ep3339901b中公开的直接(脉冲)飞行时间、间接(相位)飞行时间、相位差测量/干涉测量法或借助于fizeau原理)来确定从测量设备到目标点的距离。目标点的位置坐标是基于发射方向以及相应的接收方向和距离来确定的。换句话说，3d坐标的确定是基于测量从扫描装置到自然或人造对象的目标表面的直接距离，以及通过确定目标所对准的水平角或方位角以及竖直角或仰角。
4.因此，密集的坐标点测量或3d扫描是一种用于在几分钟或几秒内产生对象的数百万个空间测量点(例如以每秒1000、100000或甚至超过1000000个点的测量速率)的非常有效的技术。利用现代高速扫描仪的测量项目会产生所谓的3d点云，该3d点云具有例如数亿或数十亿对象点及以上的基数。典型的测量任务是记录对象或其表面，例如工业工件(如金属零件)、工业设备、房屋立面或历史建筑物，以及事故现场和犯罪现场。正如所述，具有扫描功能的典型测绘设备是激光跟踪仪或激光扫描仪，该激光跟踪仪或激光扫描仪用于测量或创建表面的3d坐标。使计量装置的位置和定向参考局部或全局参考坐标系还使得能够将3d坐标确定为局部或全局3d坐标。
5.为此，它们必须能够在表面上引导距离测量装置的测量射束，并且在该过程中同时检测相对于测量点的方向和距离。由于激光射束通常以连续的方式在对象表面上扫掠，所以被测点本身是许多激光照射(shot)的累积的结果，这取决于测距仪单元的构造。激光射束在目标上的移动通常不是一种走走停停的移动，而是一种平滑的移动。根据针对每个点的距离和与距离相关的方向信息，借助于数据处理生成3d点云。除了测量自然的漫散射表面之外，诸如激光跟踪仪或基于经纬仪的机器人多站之类的一些装置还被设计用于测量并可能连续跟踪回射目标点(协作反射对象)。在这种情况下，目标点可以由回射单元(例如立方棱镜)来表示，该回射单元被测量装置或测量设备的射束源产生的光学测量射束(特别是激光射束)当做目标。激光射束以平行的方式被反射回到测量设备，该反射射束由设备的检测装置检测。
6.因此，在基本结构方面，这种地面或工业扫描仪被设计为使用通常基于光电和激
光的距离测量装置来检测到作为测量点的对象点的距离。在这种情况下，同样存在的方向偏转单元以这样的方式被设计，即距离测量装置的测量射束在至少两个独立的空间方向上被偏转，由此可以记录空间测量区域。偏转单元可以以动镜的形式来实现，或另选地，还可以通过适合于光辐射的可控角偏转的其他元件(例如，可旋转棱镜、可移动光波导、可变形光学部件等)来实现。通常距离和角度是确定的，也就是说，目标是在球面坐标中测量的，也可以将该球面坐标转变成笛卡尔坐标以用于显示和进一步处理。距离测量装置例如可以根据飞行时间(tof)、相位、波形数字转换器(wfd)、频率调制连续波(fmcw)或干涉测量的原理来实施。对于快速和精确的扫描仪，尤其需要短测量时间以及高测量精度，例如在毫米范围内或低于微米范围内的距离精度，其中单个点的测量时间在亚微秒至毫秒范围内。在这种情况下，测量区域的范围是从几厘米达到几千米。
7.在这种情况下，空间测量分辨率是特别重要的。它确定仍然可以识别的细节内容、扫描过程的持续时间以及在该过程中获得的数据量。
8.正如所述，距离测量的抖动和精度可以非常精确，例如分别为10μm和60μm。然而，在根据现有技术的装置中，测量射束在漫散射表面上的激光光斑相当大。在出射孔处的射束直径通常为4mm(1/e2)，并且随着距离的增加而增加。因此，被照射表面处的光斑直径为4mm或甚至更大，因此横向空间分辨率低(尤其与产生几微米的测距仪的纵向分辨率相比)。取决于发射或出射射束的波长，该发射或出射射束的直径大部分被设计为在几毫米的范围内以保持射束发散度小，否则对于准直射束，瑞利(rayleigh)范围将会是几米，并且在超出瑞利范围的距离处的光斑将迅速变大。例如，对于1550nm的激光波长和0.5mm的出射孔处的发射直径，瑞利范围仅为0.127m，并且发散角为4.0mrad。在10m距离处，射束直径增加40mm，这么大是不利的。
9.总之，本领域已知的测量装置和方法相对于(横向)空间测量分辨率而言是不够的。


技术实现要素：

10.因此，本发明的目的是改善光电测量装置的空间测量分辨率和相应的测量方法。
11.本发明涉及一种光电测量装置，例如激光扫描仪或激光跟踪仪，该光电测量装置用于通过以每秒至少一千个、通常为十万个对象点的测量速率测量对象表面来获取点云。该光电装置具有基部和瞄准单元，该瞄准单元可相对于基部旋转，优选地绕彼此正交的两个轴线旋转，并且限定用于瞄准待测量对象的瞄准轴线。该装置还包括光源，优选地是所谓的衍射限制点光源、脉冲和/或单模式光源，以用于生成测量射束。测量射束可以由出射孔在瞄准轴线的方向上朝向待测量的对象表面上的点作为自由射束来发射，其中发射测量射束路径在光源与出射孔之间。
12.该装置还包括高速自动聚焦光学模块，该高速自动聚焦光学模块处于发射射束路径中，被设计用于在单个对象点测量周期内进行实时测量焦点调整，并且包括具有1ms以下的响应时间、特别是至多10微秒的响应时间的可变焦距透镜或可重构光学相位板。
13.换句话说，在自动聚焦光学装置内使用这种超快可变焦距透镜或可重构光学相位板，测量射束的焦点在(远)小于毫秒的时间内是即时自动可变的，其中优选地，实时聚焦是针对相应对象点的焦点的单独调整(individual adaption)。对象表面的每个单个点可以
利用特定的焦点设定来测量，因为焦点可以在测量单个对象点所需的时间跨度(即，单个对象点测量周期)内被调整。这种点到点聚焦还包括当在对象表面上沿着线移动时对焦点进行连续受控地调整。
14.作为优选的选择，自动聚焦光学模块的焦度范围按以下方式调整为装置的标称或预定义最大测量范围，即，通过至少一个可变焦距透镜的焦距的变化，在贯穿扫描仪器的整个测量范围实现所述实时聚焦。自动聚焦光学器件以及相应的可变焦距透镜或可重构光学相位板被设计用于在装置的完整工作范围(特别地包括近范围)内进行射束焦点的连续且无级的自动调整。近范围应理解为装置的最近的(direct)周围环境(即，前几米)，或对象在距装置的出射孔实际上为零至几米(例如10m或15m，特别是低至1m)的测量距离处。可选地，最大测量范围为至少20m或50m或甚至1000m。换句话说，自动聚焦光学器件按照以下方式被设计，即自动聚焦光学器件不会限制由装置的其他部件限定的测量范围。相反，工作范围可以被扩展，因为诸如固定焦点光学器件之类的现有技术装置的限制因素或部件已废弃并且除此之外不同工作范围模式之间不需要(手动)切换。发射光通道的光学器件通常包括作为射束偏转和/或分束器单元、自动聚焦光学模块和准直光学器件的若干光学元件。自动聚焦光学模块本身包括至少一个可变焦距透镜或可重构光学相位板，用于设定所需的光焦度以将激光射束焦点调节到目标距离。作为示例，可变焦距透镜或可重构光学相位板的焦度可以分别至少从0m-1
到10m-1
或从-6m-1
到6m-1
或从-3m-1
到10m-1
变化。可变焦距透镜本身的优选设定范围至少为10m-1
，而完整的自动聚焦光学模块的优选设定范围由于其特殊的光学布局而较低，如下所述。作为示例，自动聚焦光学模块的焦度的设定范围至少为1m-1
。
15.作为一种选择，高速自动聚焦光学模块包括至少一个准直透镜，而可变焦距透镜或可重构光学相位板位于准直透镜与光源的近场之间。如光学器件的领域中已知的，近场被定义为由传输通道的光学系统相对于目标对象成像的平面。
16.因此，从可变焦距透镜或可重构光学相位板沿着射束路径到孔透镜或准直光学器件的距离优选地大于从可变焦距透镜或可重构光学相位板到光源的近场的距离，特别是其中，距离的比率为至少2:1。另选地或附加地，可变焦距透镜或可重构光学相位板正好位于光源的近场之后(在光射束的传播方向上或射束路径定向上)。在那里，射束直径具有小的径向范围。
17.可选地，测量射束的出射直径(在仪器或激光准直器的出射处的射束直径)与可变焦距透镜或可重构光学相位板的直径的比率为至少2:1。作为一种选择，测量射束的出射直径至少为6mm，特别是至少为10mm。该直径对应于高斯射束的1/e2直径，并且通常小于孔和光学部件的直径，优选地，后者的直径至少为8mm，特别是至少为15mm。作为另一选择，可变焦距透镜或可重构光学相位板的直径为2mm，或至多6mm。也就是说，透镜直径越小或透镜越靠近光源的近场定位，透镜或可重构光学相位板的焦距改变越多，导致对象空间中的射束焦点的一定改变。换句话说，对可变透镜的焦距范围的要求越高，透镜直径越小并且透镜(或可重构光学相位板)与近场之间的距离越小。或等效地，可变透镜(或可重构光学相位板)的焦距范围越大，可变透镜(或可重构光学相位板)与出射孔处的准直光学器件之间的距离越长。
18.在另一实施方式中，该装置被设计用于仅借助于可变焦距透镜或可重构光学相位板来测量回射对象和漫散射对象两者。也就是说，仅使用可变焦距透镜或可重构光学相位
板，两种类型的目标都可以被测量，特别是其中，切换是通过自动聚焦光学器件的控制器自动执行的。可选地，从一个目标类型到另一个目标类型的变化是实时地点到点完成的。
19.作为另一选择，响应时间在-40℃至 70℃的温度范围内相当快。另外地或另选地，透镜包括可变形光学体或表面板，该可变形光学体或表面板能够通过机械地联接到可变形体的至少一个压电元件致动器而变形，以便通过轴向对称弯曲或变形(例如扭转)来改变透镜的焦距。作为一种选择，可变焦距透镜是具有声学可变折射率的液体透镜。
20.本发明还涉及一种基于光电光测量对象表面的方法，该方法特别是用于激光扫描仪或激光跟踪仪。所述方法包括：使用发射到自由空间中的测量射束，在瞄准轴线的方向上朝向相应的待测量对象点以每秒至少一千个对象点的测量速率来测量对象点，所述测量射束特别是具有至少6mm、7mm或10mm的出射射束直径。该方法还包括在单个对象点测量周期内以至少1khz、特别是至少100khz的焦点调整或改变的频率对测量射束自动实时聚焦。
21.换句话说，光射束(例如激光射束)焦点每秒被控制1000次或更频繁，优选地将焦点调整至各个相应的对象点，即，即使对于每秒1000个点或以上的测量速率，每个对象点用单独特制或定制的射束焦点来测量。
22.作为一种选择，实时聚焦是基于到相应对象点的距离的，所述距离是利用测量射束测量的，作为在测量相应对象点之前直接对该对象点进行的单独的在前探测测量。换句话说，每个对象点被测量两次：第一测试测量用于获得到该点的(粗)距离，并且直接随后是利用使用预先测量的(粗)距离聚焦的射束的最终测量。这并不意味着测量序列的中断，因为激光短速率以及因此通常为5mhz的内部距离测量速率比输出点数据的最终速率快得多。
23.作为另一选择，这种基于距离调节焦点的距离是在测量相应对象点本身中获取的。也就是说，在相应对象点的坐标测量的过程中得出用于焦点调节的距离，以便立即将其用于该对象点而没有测量的任何打断。例如，使用辐射脉冲的序列(如本领域中原则上已知的)测量每个单个对象点，并且使用该序列中的多个第一脉冲(一个或更多个脉冲)确定所述距离。因此，对于对象点的最终测量结果(即其3d坐标)，具有非优化射束焦点的第一脉冲可以被忽略并且因此仅用于焦点调节。
24.可选地，聚焦是基于到相应对象点的距离的，所述距离被确定为基于先前距离或焦点趋势的预测值。例如，从实际待测量对象点之前的对象点的不同数量的先前焦点值得出梯度等，并且基于该梯度，推测和设定可变焦距透镜的焦距。焦点控制的其他选择是使用待扫描对象的(例如存储在扫描装置的存储器中的)先前已知的数字模型，并且从中得出焦点设定，或使用例如由测量装置的全景摄像头拍摄的实际图像来确定焦点设定。这些焦点设定选择也可以被一起使用，例如基于摄像头图像来预先设定焦点，并且由此开始，基于利用测量射束测量的距离来微调焦点。
25.因此，实时焦点调整是通过或基于到相应对象点的距离来控制的，该距离是通过初始(粗略)距离测量来测量的，或是通过使用数字表面模型或使用距离和/或焦点的趋势或趋向得出距离值来控制的。
26.可选地，焦点是按照以下方式调整的，即，使得发射射束的射束直径与测量距离之间存在线性关系，优选地是贯穿整个测量范围(特别是还在比接收器通道的辐射测量限制距离更短的近范围中)。后者是辐射测量所谓的“平方反比定律”有效的最小距离。
27.另选地或附加地，相应的对象点是利用测量射束的至少两个(优选是至少三个)不
同的焦点来测量的，优选地在到测量点的光照射的累积系列内。对于每个焦点设定都会得出距离，因此针对单个对象点会记录两个或三个距离。换句话说，焦点不仅是从一个对象点到下一个对象点或针对每个单个对象点而调整的，而且另外至少是对于选定的对象点，焦点对于相应对象点本身是变化的。例如，这可以用于获得关于对象表面的曲率的附加信息。
28.在比辐射测量限制距离更短的近范围状况(regime)内，已经认识到，当发射激光射束聚焦到目标表面上时，激光散斑会生成距离抖动。为了减少该寄生范围噪声，接收器通道还可选地配备有本发明的高速自动聚焦模块。这个用于所接收到的测量光的焦点调整的接收器通道内的附加或第二自动聚焦与发射通道中的第一自动聚焦同步地操作。这种在发射射束路径中具有第一高速自动聚焦模块并且在接收射束路径中具有第二高速自动聚焦模块的双嵌入式自动聚焦方法导致高得多的测量距离精度。然而，对于比辐射测量限制距离更长的对象距离，接收器自动聚焦模块可以被静态地(statically)设定到无限远而没有精度损失。
29.本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码，或由包括程序代码段的电磁波实施，并且具有计算机可执行指令，以用于特别是在根据本发明的光电测量装置上运行时执行根据本发明的方法。
30.本发明提供了用于测绘或计量用途的测量装置的优点，该测量装置具有非常快速的可变焦距透镜或可重构光学相位板，其响应时间在1毫秒以下或更快，并且针对每个对象点进行焦点控制。即使面对快速对象点获取，如3d扫描的情况(例如每秒一万或十万个点)，测量射束也可以即时聚焦在对象表面的相应点上。测量单元本身具有更高速度的内部获取速率，例如5mhz的激光照射速率，以允许快速焦点设定，例如在几分之一微秒内进行第1个初始过程距离测量。只要精度在焦深内，粗略的距离测量足以用于射束聚焦。使用此瞬时焦点控制方法，可以显著地改善或优化测量焦点，因此，与已知的解决方案相比，空间分辨率(特别是在沿对象表面的方向上)得到了显著的改善。特别地，针对测量的每个对象点，测量焦点被最佳地拟合或优化。
31.由此，焦点变化的幅度可以很大。可变焦距透镜或可重构光学相位板有利地不仅具有例如十或二十屈光度的宽焦距范围，而且其中的任何焦距都可以在非常短的时间内被请求和使用。即，不仅覆盖了如此的宽测量范围，而且在扫描期间从一点到另一点的测量距离的突然和大的变化(例如几米或几十米)可以相对于聚焦进行调整。
32.由于激光照射速率快(通常为5mhz)，因此可以从单次或几次照射中得出粗略距离结果，该距离精度足以设定自动聚焦以使目标表面处于射束焦点的深度内。然而，对于具有几微米精度的细距离测量，需要许多激光照射的数据获取。具有低范围噪声的距离可以通过脉冲队列的信号累积或通过对脉冲序列的原始距离求平均来实现。通常，当扫描速率为每秒1000点时，针对精确的数据点收集900个激光脉冲。
33.下面将仅作为示例基于附图中示意性示出的具体示例性实施方式来更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的装置。本发明的其他优点也将在此讨论。
附图说明
34.在各个附图中：
35.图1示出了光电装置的示例；
36.图2示出了光电装置的内部部件的示意性示例；
37.图3示出了点到点测量射束聚焦的示例性图示；
38.图4示出了测量射束直径相对于测量距离的图示；
39.图5示出了光电装置的内部部件的另一示意性示例；
40.图6a、图6b和图6c详细示出了示例性可变焦距透镜；
41.图7a和图7b示出了可变焦距透镜的操纵的示例性图示；以及
42.图8示出了对象点的多焦点测量的示例。
具体实施方式
43.图1示出了根据以下类型的用于3d点云获取的光电装置1，在该示例中，该光电装置被实施为呈固定激光扫描仪形式的扫描装置(例如用于工业测量或测绘目的)，以记录对象表面100。根据该类型的装置1的其他优选示例是计量领域中公知的激光跟踪仪。
44.此处，计量扫描装置1被实施为：由瞄准单元91根据特定测量或瞄准方向94将测量辐射10作为自由射束发射通过出射孔(参见图2)。瞄准单元91可以具有望远镜瞄准器，该望远镜瞄准器具有物镜和目镜，即，该望远镜瞄准器配备有透明的可见光通道。作为光学望远镜的附加或另选，其他实施方式还可以在内部集成的操作单元或外部控制单元上具有数字目镜和/或屏幕显示器。瞄准方向94还可以由光电目标对准单元限定，该光电目标瞄准单元由望远镜瞄准器系统的前部部分和光学系统的背部部分的图像平面中的摄像头传感器23组成。瞄准方向94通常与下面解释的两个轴线a1和a2正交。
45.瞄准单元91限定瞄准轴线94，并且瞄准单元91(以及瞄准方向94)能够相对于基部90旋转。由表面100反射或散射的测量辐射由瞄准单元91接收并例如通过诸如飞行时间或相位差方法之类的公知手段进行评估。为了高速或对对象表面100进行扫描感测的目的，通过使瞄准轴线94绕至少一个轴线或如图所示的两个轴线a1和a2旋转来连续地扫掠测量辐射10。第一旋转轴线a1是瞄准单元91的基部的旋转轴线，并且第二轴线a1是旋转镜93或望远镜的旋转轴线。
46.在短时间间隔之后，在每种情况下连续地记录至少一个测量值，该测量值包括在任何情况下到相应的对象点px的距离t，并且因此存在多重(multiplicity)测量方向，各个测量方向通过例如针对相应轴线a1、a2的角度传感器来测量，其中，针对测量方向94在每种情况下协作地测量对象点px，并因此测量对象表面100的多重点px，这些点可以以密集3d点云的形式来呈现，从而详细地表示对象100的表面。因此，装置1可以使用两个测角仪以及测距仪在极坐标中对目标对象100的被瞄准点进行测绘。极坐标随后还可以被转换成其他坐标系或可以基于其执行更复杂的测绘任务和计算，这可以经由操作单元(例如通过装置1内的数字计算机或使用外部计算机或云数据服务网络)以受控方式执行。
47.除了相应对象点px的3d坐标(相应距离t和方向测量值)之外，在这种情况下，第一扫描数据记录可以包括另外的数据，例如测量辐射的强度或亮度、噪声维度、与测量精度或数据密度有关的数据、或颜色信息，这些数据借助于测量装置1的摄像头(此处未示出)来确定。
48.为了3d扫描的目的，存在如图所示的前述扫掠，例如借助测量装置1的瞄准单元或上部部分91绕第一、竖直轴线a1相对于基部90逐步或连续旋转而使测量辐射10在水平方向
(由箭头92a表示)上扫掠，并且也借助可转动(swivable)光学部件97(例如转动镜)绕水平轴线a2旋转而使测量辐射10在竖直方向(由箭头92b表示)上扫掠。代替镜93，对准望远镜可以围绕轴线a2旋转。
49.结果，对象表面100例如在所示的对象点网格中以每秒至少1000个对象点或甚至每秒百万个点的测量速率被扫描。换句话说，每秒生成不同对象点px的至少一千个3d坐标。扫描区域或测量区域在水平方向上是绕竖直轴线a1例如360
°
(即完整的旋转)，而在竖直方向上是例如270
°
，使得存在球形扫描区域，后者在测量范围内的所有空间方向上包含整个周围区域内几乎所有的对象点px。最大测量范围是预定义并取决于扫描装置1的构造的，并且是针对计量用例(例如数十米直至数百米)的。如所要求保护的并且在下面更详细描述的测量装置1和方法使得能够在整个测量范围内对测量射束10进行即时或实时聚焦。其中，具有高速度(调整频率为khz或更高)的所要求保护的焦点调节提高了测量准确度，特别是好得多的横向分辨率(垂直于测量辐射10的传播方向的分辨率)。
50.图2示出了用于测量装置及其相应的瞄准单元的光学设计的纯示意性第一实施方式。物镜单元或孔3的用于发射射束的限定的出射或发射孔直径a为例如8至15毫米，并且用于接收射束的限定的入射或接收孔直径b为例如40毫米。待观测目标或对象通过物镜单元3的相关路径被用于限定光学瞄准轴线94，该光学瞄准轴线需要被定向到待观测目标或对象。取决于测量仪器的物理实现，出射孔3可以是多透镜设计和/或分区(zonal)结构光学器件或简单的出射窗。
51.所示的装置配备有用于光电距离测量的装置。为此，如图2所示，可以使用诸如(例如在可见或近红外光谱范围中发射的)激光光源之类的测量光源4。优选地，由于更少限制性的眼睛安全限制，在红外区域中选择波长。这种辐射对于人眼是不可见的，典型的波长是850nm、905nm、940nm、1310nm或1550nm。沿着发射射束路径9，在光源4处开始，借助于光学偏转元件8a(例如镜)将测量辐射10从光源4偏转到另一光学偏转元件8b(例如在光源4的光谱范围内反射并且在光谱范围的其余部分中透射的二向色分束器)上，并且从那里作为自由射束10向前通过具有出射孔开口a的物镜单元3到达待扫描对象(未示出)。如本发明中所理解的发射射束路径9在孔3处结束。
52.从目标漫反射(例如在自然目标的情况下)或定向反射(例如在回射器的情况下)的、由具有入射孔开口b的物镜单元3捕获的、并且具有光源4的波长的光10r的一部分穿过或经过偏转元件8b，并进一步传播到二向色输出射束耦合器或分束器21，该二向色输出射束耦合器或分束器采用反射来自光源4的发射波长的光并透射来自光学光谱范围的其余部分的光的形式。由二向色输出射束耦合器21反射的测量光经由偏转元件8b被引导到高带宽检测器20(apd、spad阵列、sipm等)以进行电光距离测量。作为示例，光源4可以是脉冲的，并且距离测量可以通过确定脉冲传播时间或发射光与反射光之间的相位差以已知的方式进行。
53.除此之外，该装置还包括自动聚焦光学模块7，该自动聚焦光学模块如图中所示的处于发射射束路径9中。在该示例中，自动聚焦光学模块7包括具有透镜直径l(例如2毫米)的可变焦距透镜2、准直透镜5以及可选的中继透镜6。如图所示，可变焦距透镜2位于准直透镜5与光源4的近场之间，其中优选地，将透镜2正好放置在光源的近场(成像光学器件的光源平面)之后。
54.作为可变焦距透镜2的另选，自动聚焦模块包括使用其聚焦特性的可重构光学相位板，例如动态全息图或空间光调制器。如果没有另外指出，该描述也适用于具有可重构光学相位板的实施方式。
55.透镜2本身关于其焦距是可变的，即，在不改变透镜2沿射束路径9的位置的情况下，焦点是可调节的。也就是说，通过透镜2发生透射射束10的活动相关(activation dependent)轴向变化。作为光学元件的整个可调透镜2在装置中相应沿着射束路径的位置或对准中不移位，而是固定地安装的。通过改变透镜体的形状来使透镜2的所谓光学功率变化或调节。下面参照图6a至图6c更详细地描述可变焦距透镜2的示例性实施方式。
56.可变焦距透镜2的响应时间在一毫秒以下。也就是说，在没有任何移动透镜的情况下，射束10的焦距改变或焦点调整可以在毫秒内，例如在数百微秒内或甚至更快，例如至多10微秒。于是，自动聚焦光学子系统7在单个对象点测量周期内，从对象点到对象点地、或对于每一个单个测量以其他方式来调整自动聚焦。在该示例中，在由可变焦距透镜2进行扫描期间，针对对象表面的每个后续点连续地优化测量射束。
57.在这个纯示例性的实施方式中，作为可选的附加，计量测绘装置包括具有像素定义分辨率的轴上(on-axis)摄像头传感器23，该轴上摄像头传感器用于获取待测量对象或目标的摄像头图像。因此，存在具有例如ccd或cmos图像传感器，但也或附加地作为rim传感器(rim＝范围成像)的摄像头。此外，在物镜单元3与传感器23之间存在摄像头聚焦元件22，该摄像头聚焦元件地定位可以沿着轴线94更改，以用于更改由物镜单元3捕获的摄像头光的聚焦位置。作为轴上摄像头传感器23的另选，可以实现定义与目镜组合的瞄准方向94的分划板(reticule)，该分划板允许视觉瞄准目标对象100(也参见图1)。
58.图3示出了示意性示例中的实时逐点聚焦。所描绘的是处于三个不同的焦点状态f1、f2和f3的可变焦距透镜2的上部部分。在该示例中，焦距的变化通过透镜2的变形来完成，其中变形量仅是为了更好地说明的目的。在两个后续焦点状态之间设定或改变焦距的时间δt远小于1ms。
59.在该示例中，聚焦是从点p1到点p2以及进一步到p3来完成的，对象点p1至p3表示被测量的数百万个对象点。也就是说，射束10由具有焦距f1或光焦度(optical power)1/f1的透镜2聚焦在第一对象点p1上，然后射束10被引导至下一对象点p2上(例如通过根据扫描网格来如上所述地旋转瞄准轴线)，然后使用透镜2来调节焦点(从焦距f1改变至f2)，然后射束10指向后续点p3，聚焦在其上，以此类推。距离测量光被透镜2以这样的方式修改，即其射束腰停留在每个单个对象点p1至p3上。
60.以至少1khz的频率(例如10khz或100khz)来调节测量射束10的焦点。也就是说，尽管存在每秒数千个或更多对象点p1至pn的测量速率，但是执行单点聚焦。也就是说，在扫描时针对对象点进行单独焦点调节。例如，以几微秒的从测量点到测量点的扫描速率，在每个点处沿着表面上的轨迹调节焦点。透镜2的调节在中间完成，因此甚至更快。
61.代替将可变焦距的焦点固定地调节到估计距离，可变焦距透镜2还可以以连续的方式操作，例如以具有高得多的频率(例如大于100khz)的正弦曲线的方式。因此，在扫描对象点的同时，从近范围到无限远连续地扫掠焦点。焦点被调整的原因是使触发器被用于定义在哪个焦点状态下处理接收器信号，或作为另一选择，测量光何时穿过系统。另选地，可以通过分别调整触发器来测量若干焦点状态。
62.通过连续地聚焦射束10，其在对象100的表面上的光斑可以保持基本上尽可能最小，而与对象100的几何形状无关。也就是说，如图所示，相对于射束方向倾斜或成阶梯状的表面100仍然被尽可能最小的光斑覆盖，即，它们的直径d1、d2和d3具有可实现的最小横向尺寸，从而产生最高空间分辨率的点网格，并且明显优于现有技术。
63.在各个对象点p1至p3处的扫描射束的直径(光斑尺寸)可以保持小于现有技术的仪器，或可以被优化为在仪器的光学构造的边界内尽可能小(例如，考虑诸如出射孔尺寸或射束发散度之类的限制因素)。与图3的右侧所示的没有可变焦距透镜2的对象点px的测量相比，这种改善得以示出。在那里，测量射束在单个对象点测量周期内没有被可变焦距透镜2实时聚焦，因此其在表面100上点px处的光斑直径d远大于在点p1至p3处的聚焦光斑的直径d1至d3。
64.如此大的光斑尺寸不仅通常导致测量的(横向)空间分辨率相当低，而且当光斑尺寸相对于待测绘或扫描的对象细节较大时尤其不利。在该示例中，对象100具有相对窄或细的边缘101。如果用大光斑(如点px处的光斑)测量，则无法分辨细边缘101，因为光斑的一部分在边缘101的“顶部”上，另一部分在“底部”上，导致所谓的混合像素距离值“拖尾”。例如，这以具有曲线而不是示出锐线的边缘的点云或表面表示结束。
65.然而，本发明的在线自动聚焦(即针对每个对象点p1至p3聚焦)不仅允许高速射束适应对象距离的改变(即使该改变是很大或突然的改变，例如从点p2至点p3)，而且由于对象点p1至p3处的相对小的射束直径而能够实现精细空间分辨率，其中显著改善了对象细节的成像。
66.图4示出了射束直径的相应测量距离t(水平轴)的光斑尺寸d(竖直轴)的相关性。由于射束的发散，射束的直径随着到对象的距离而增加，对于四种不同的出射射束直径(即4mm、6mm、7mm和8mm)，这在高达50m的示例性测量范围内示出。相应的出射孔尺寸比出射孔处发射激光射束的1/e2直径大至少1.3倍，优选1.7倍。最大测量范围不限于所示的示例，而可以是例如20m、100m或500m。对于4mm的情况，绘制了两条线：直线表示根据本发明的直径变化，曲线表示根据现有技术的发射器具有固定焦点光学器件的直径变化。
67.可以看出，根据本发明的自动聚焦在所有情况下保证了射束直径的严格线性变化，即使在近范围nf(从1米以下直到大约15-20m的测量距离)中。在近范围nf中，聚焦允许将射束直径d减小到其出射直径以下，例如，4mm或8mm直径的初始直径以下，因此在整个测量范围内具有线性改变的光斑尺寸。这对于如图中所示的本领域已知的扫描装置以及相应方法而言情况并非如此：即使在近范围c中，直径d
old
也没有小于例如4mm的孔直径，并且由此从大约0m的测量距离非线性地发展。相反，超快可变焦距透镜2的聚焦提供了射束直径d与测量距离t之间的线性关系，对于在出射孔处的射束直径以下的射束直径d以及相应的直接在扫描仪器周围的区域中也是如此。
68.为了覆盖扫描装置的整个或最大的预定义测量范围，可变焦距透镜的焦度(focal power)范围与其适配。换句话说，焦度范围足够大，使得能够贯穿完整测量范围进行连续聚焦，例如，如图中所示的从1m到50m(其例如由装置的其他部件设定或根据预期用途而选择)。在不同的焦点模式等之间不需要切换以在所有最大可能对象距离内进行测量。也就是说，可变焦距透镜以及相应的自动聚焦光学模块以这样的方式被设计，即它不对测量例程施加任何限制或额外工作，而是允许在仪器的完整工作范围内的无缝焦点改变。优选地，可
变焦距透镜的焦度范围为至少10m-1
或至少20m-1
。例如，其范围为从-50m-1
至 50m-1
。取决于自动聚焦模块的其他光学部件，对象空间中的焦度变化以及因此的射束焦点可在1m至无穷远并且更大至发散射束之间变化，使得回射器目标也可容易地被测量。这意味着在对象空间中，测量射束的焦度在-1m-1
至 1m-1
之间变化。
69.如也可以从图4看出的，如果出射的射束直径更大，则对象侧射束直径更小。8mm的最大射束直径是在目标处具有最小有效测量直径的线。差值越大，测量距离越大。也就是说，特别是对于中远程仪器，特别选择出射孔中的大射束横截面，如上面的图2或下面的图5中所描绘的。
70.图5类似于图2，但更简单，示出了自动聚焦光学透镜装置7、出射孔3、光学偏转元件8a、光电检测器20、射束源4a和在接收射束路径中的附加高速自动聚焦单元7’。在该示例中，射束源被实施为作为点光源的示例的光纤激光源4a。与根据图2的实施方式相比，自动聚焦光学单元7包括第一可变焦距透镜2，并且第一可变焦距透镜2预先在射束路径9的意义上处于第二高速可变焦距透镜2a附近。透镜2和2a优选地具有相同的设计，并且位于靠近光源4a的近场，在该近场中射束直径小。自动聚焦光学器件7的焦度(范围)由两个透镜2、2a一起的效果给出。由于两个透镜2、2a的尺寸与最终发射的出射射束相比是小的，因此再次设定预定焦距或光焦度的切换速度是非常短的几微秒。这也是可能的，因为两个透镜是并行通电的。
71.这种具有两个可变焦距透镜2、2a的构造可以用于提供可实现的大距离范围，尤其是在近范围c中实现非常短的距离。与用于测量回射带目标的单个透镜实施方式相比，这也是有利的，在单个透镜实施方式中，激光射束被稍微散焦成1mrad角度的发散射束。
72.除此之外，当测量回射角立方体时，其可以用于提供甚至更发散的测量射束，例如具有5mrad的发散度。一般而言，在一些实施方式中，(一个或更多个)可变焦距透镜用于仅通过更改透镜以适配对象的反射性质来改变射束的发散度，例如，用于在测量反射目标的反射器测量装置与测量散射或自然目标的无反射器测量装置之间切换。
73.可变焦距透镜2、2a处于射束路径9中，既不(直接)在孔3的前面，也不靠近准直透镜5。它们接近辐射源4a，在那里射束直径很小，因为单模光纤4a的发射角具有典型的数值孔径na＝0.1，或等效地为11.5度的射束角。在该示例中，从透镜2或2a(或它们的公共光学中心，也称为主平面)到孔3或到准直透镜5(沿着射束路径，即不是直线几何距离)的距离x1大于从透镜2、2a到辐射源4a(或辐射源的内部发射射线束)的距离x2。例如，距离x1与距离x2的比率为至少2:1，例如3:1或更大。
74.透镜2、2a的布置靠近辐射源并且相应地远离出射孔3允许大尺寸的出射孔3以及相应的测量射束10，以及小尺寸的透镜2、2a。出射孔或出射射束10的直径a(基本上)大于透镜的直径l(也参见图2)。例如，测量射束10在其出射点的直径与透镜2、2a的直径的比率至少为2:1、3:1或6:1或更大，其中该比率可以取决于孔3的光学布局。例如，孔3可以包括具有射束扩展比为2的射束扩展器。
75.正如所述，示例性实施方式包括用于所接收的测量射束的第二高速自动聚焦模块7’。该自动聚焦模块7’原则上可以与发射侧的第一自动聚焦模块7具有相同的设计(其中在图中，为了简单起见，接收器侧的模块7’仅包括一个可变焦距透镜2’)。
76.两个高速自动聚焦模块(即第一模块7和第二模块7’)同步操作，如通过连接到控
制器17(符号为时钟)所指示的。这使得能够减少所谓的散斑，这在近范围测量中是特别有利的。具体地，作为优选选择，接收通道中的自动聚焦模块7’仅对于比辐射测量限制距离短的对象距离有效。对于较长的距离，它保持静态(static)，例如，设置为无穷大。
77.图6a至图6c以前视图(图6a)和两个侧视图(图6b、图6c)示出了在测量装置中使用的可变焦距透镜2的示例性实施方式，其也示出了光轴o。
78.透镜2包括可变形光学体13(例如封闭的透明聚合物)、前窗12f和后窗12b，并且具有例如至多6mm的直径，例如3mm。此外，存在压电致动器14，其用于使薄玻璃或聚合物板变形并因此也使透明体积体13变形，例如直接附接到(图6b、图6c)所示的可变形窗12f、12b，以直接驱动透镜2，即无传动(即在致动器14与窗12f、12b之间没有任何机械传动部件)。图6b示出了在压电致动器14上不施加电压的情况下的透镜2，而在图6c中，施加正电压，压电致动器被激活以变成弯曲形状，并且窗中的至少一者也是球形弯曲的。如图所示，弹性体积体13采取根据窗的形状的变形。
79.透镜2例如通过晶片级方法制造并嵌入在支承件15中，该支承件提供电触头16(图6a)。更一般地讲，透镜2的折射特性能够通过在接口(interface)操作期间可动态激活的形状改变而变化。可变焦距透镜2的激活允许透镜2(即，尤其是光折射部件12f、12b和13)以受控方式在非常短的时间内变形。
80.对于全聚合物透镜的情况，可以使用聚合物膜来实现，该聚合物膜的曲率以由致动器14激活的方式改变，以便设定折射特性。这种聚合物透镜的材料可以从包括以下各项的组中选择：例如聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(pegdm)、羟乙基甲基丙烯酸酯(hema)、pegdm和hema的共聚物、水凝胶、硅酮、软硅酮、聚硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、改性聚苯乙烯或聚氨酯。
81.作为另一选择(未示出)，透镜包括液体光学介质，并且其折射率使用声波可变。例如，使用压电驱动器14，在径向方向上发送具有khz频率的声学振荡，导致液体的(局部)波动，并因此导致折射特性的(局部)波动。因此，焦距在1ms以下的周期内周期性地变化。针对相应的目标对象点调整测量焦点的原因在于，该对象点的测量恰好是在存在透镜的期望或最佳焦距以及随之期望或最佳测量射束焦点时执行的。换句话说，通过使用具有周期性高速变化的焦距的可变焦距透镜来控制测量获取的定时或触发，在单个点测量周期内实时地调整焦点，所述定时例如由自动聚焦模块本身控制，这取决于焦距变化或振荡的频率或驱动频率。使用声学驱动的液体透镜连续地(来回)改变焦距，并且在接收器侧进行焦点调整(选择适配于当前对象点的单独的焦点状态)。
82.在任何情况下，致动器14都具有高加速度。激活时间在微秒的范围内，至少低于一毫秒，然而优选地仅几微秒。因此，即使是急剧改变焦点的需求(例如从边缘处的一个对象点到下一个对象点的测量距离的突然改变等)也可以被满足。
83.因此，透镜2以这样的方式被设计，即使得非常快的响应时间在宽温度范围内(特别是在233k至343k之间)至少基本上恒定或基本上不减少。至少一个激活的压电元件14通过施加电压改变其形状。该移动与所施加电压的改变一样快，所施加电压的改变通常可从-50v到 50v。形状的改变被传递到薄玻璃板，而玻璃板的形状根据电压的幅度和符号从平坦表面改变成球形凹面或球形凸面。透镜2的焦度或焦距与电压信号的幅度成比例地按1阶改变。
84.因此，焦度的范围是宽的，透镜的焦度的范围例如是从-6dpt到12dpt。这允许射束
在对象空间中的宽范围自动焦点调整，并且即使在透镜2被布置在靠近激光源的近场并且远离出射孔的射束路径中的情况下，这也允许更大的孔以及相应的大的出射射束直径，并且因此与更小孔以及相应的在测量装置的出射点处的射束直径相比，允许在对象点处更精细的射束焦点或更小的光斑尺寸。
85.此外，还可以存在用于确定当前透镜形状的传感器。这些可以例如实现为用于电容性地确定透镜2的当前成形的电极，例如实现为沿着透镜圆周的另外的段。除了透镜2的这种直接形状确定之外，透镜2的当前光学折射特性也可以通过对应的磁性或光电传感器来检测。
86.图7a、图7b示出了自动聚焦方法的示例。除了可变焦距透镜2、分束器8a、孔3和具有测量的对象点p的对象100之外，测量射束10a、10r被示出为由一系列单个照射(shot)s组成，例如图7a中所示的照射s1-s6(照射s4-s6在它们到对象100的途中(即所发射的射束10a的一部分)，照射s1-s3已经从对象100返回(即返回射束的一部分))。
87.使用检测单元20，针对每个照射s确定飞行时间，例如针对第一照射s1是时间dt1，并由此确定到对象的距离t。对象点p的距离t是基于一系列照射s的预定义长度值一起确定的。在脉冲射束源(例如激光二极管或dfb种子光纤放大器)的情况下，照射s可表示单个脉冲，例如s1是一组脉冲中的第一脉冲的符号，相应对象点的测量值是脉冲组的总和。
88.为了自动聚焦的目的，第一照射s1以及相应的到对象100的(粗)距离tr(从行进时间dt1得出)被馈送到焦点控制器17。根据距离值tr，控制器17例如通过参考图6a至图6c描述的压电致动器来改变透镜2的焦距。在该示例中，初始焦度f1通过透镜2的变形而被改变成调整后的焦度f2。因此，测量射束的焦点被改变(与图7a的射束10a相比，在图7b中用“更小的”射束10b和光斑尺寸来表示)。
89.因此，第一照射s1或多个第一照射s1-s6被用于焦点调整，然后使针对点p的其余照射s最佳地聚焦。对于点p的最终测量值，可以忽略第一次“未聚焦”照射的距离值，例如，这取决于焦距发生变化的程度(例如，仅当该程度超过定义的阈值或比率的情况下，其值才被丢弃；否则会被考虑)。焦度f2的设定遵循工厂校准的特性曲线，该特性曲线描述了系统的焦距tr与应用于可变焦距透镜的控制信号之间的关系。
90.另选地，用于焦点控制的第一照射s1或多个第一照射s1-s6是单独的探测测量，从一开始就完全不同于“真实”点测量。换句话说，首先存在用于焦点调整目的的粗测量，并且存在用于扫描目的第二细测量。
91.作为上述通过初始粗略距离测量进行自动聚焦控制的另选或附加选择，自动聚焦作为一种预测性方法来控制。也就是说，已被测量的从点到点或沿着对象表面100的焦点改变的程度被用于调整焦点。使用沿着扫描线的斜率或曲率信息(例如已测对象距离的一阶或二阶导数或焦点梯度)来预测焦点设定的估计结果。
92.其他另选或附加选择是基于模型的方法，例如，焦点设定是从对象100的先前已知的数字表面模型得出的。预知的数字模型可以是对象类型之一，例如在扫描之前，操作员从列表中选择特定对象类型、种类或类别，或模型是单独的模型，例如从特定对象的先前测量中得出，例如在诸如建筑物或载具之类的更大对象的情况下，对象在其构建或制造过程中必须被多次扫描。
93.另一选择是使用对象100的图像，该图像例如用图2所示的图像传感器23捕获，由
此例如对图像进行图像处理以用于特征识别或用于对象分类。现在，已知的智能图像处理方法是基于人工智能或机器学习的。此外，在这种摄像头或基于图像的解决方案中，可以使用补丁周围的边缘、角、签名(如孔或缝)来控制激光射束沿着扫描线的扫描速度，或甚至修改和调整扫描模式。例如，扫描线的方向可以被重新定向为与待扫描边缘正交，或在孔的情况下，扫描模式可以调整为线轮状。
94.图8示出了扫描方法的其他发展。为了更清楚，仅示出了扫描装置的可变焦距透镜2和待扫描对象100(在该示例中为球体)。
95.在该实施方式中，利用多于一个的调整后焦点来测量每个对象点p。这种多焦点测量可以在针对相应对象点p的激光照射的单个测量系列内进行，即，焦点在瞄准一个对象点p的激光照射的常规或标准序列期间调整焦点。因此，当从利用针对对象点的单个调整后焦点进行测量改变成利用多个调整后焦点测量对象点p时，激光发射的过程可以保持不更改。
96.在该示例中，透镜2变化(由箭头18指示)为三个不同的焦距，因此测量射束以三个不同的焦点状态10a、10b、10c发射。因此，测量相同点p的射束在对象表面上的尺寸从f1改变为f2和f3。点p处的光斑直径增加。
97.在每个焦点状态f1至f3中，基于相应的测量射束10a至10c针对点p进行距离测量。如果距离值随着光斑直径的增加而增加，则可以推断对象表面是凸的。如果距离值随着光斑直径的增加而减小，则可以推断对象表面是凹的。如果尽管焦点改变但距离没有改变，则点p处的对象区域是平坦的。
98.此外，可以评估距离改变的程度或距离值梯度，以便得出关于表面100的斜率或曲率的程度的信息。在该示例中，可以确定球体的倾斜或弯曲表面。这可以在计量应用中扫描参考球体时采用，例如以快速确定其半径或中心。例如，参考球体等的这种测量是对象测量或扫描过程或方法的一部分。
99.本领域技术人员明白，如果没有另外指出，此处关于不同实施方式示出和解释的细节也可以在本发明的意义上以其他排列组合。