包括由lc单元构成的可变光学衰减单元的距离测量?？榈闹谱鞣椒?br>【技术领域】
[0001]本发明涉及包括电子激光距离测量?？榈牟饬可璞?，尤其是涉及准距仪、激光扫描仪、轮廓仪(profiler)或激光跟踪器，该电子激光距离测量?？榘ㄓ糜诩す獠饬空丈涞墓庋Х⑺屯ǖ篮凸庋Ы邮胀ǖ?，其中，在光学发送通道和/或光学接收通道中设置用于激光测量照射的可变光学衰减单元。
【背景技术】
[0002]一般的光学衰减单元或衰减器尤其用于电子距离测量?？?EDM)中。距离测量?？槭抢缇庖?、轮廓仪或激光扫描仪的组件。
[0003]现有技术中已知衰减器基本上由电机驱动的中性滤光轮构成。通常，十个至五十个衰减级离散地移动；然而，衰减还可通常被连续设置。
[0004]通常，这种衰减器位于EDM的光学发送通道中，但是也用于EDM的接收通道中。将衰减器用于EDM中的一个特定挑战是从非常低到极高的至少5.0( = 15)的光学密度的非常大的设置范围，该范围通常与这两个极端状态之间的发送的指数分布关联。该指数分布意味着，就角度增量而言，衰减按乘法因子而非累加因子减小或增大。
[0005]EDM高度需要的信号动态范围第一可归因于待确定及覆盖的从小于Im至大于几千米的大距离范围，第二可归因于以下事实:意图测量背散射显著极小的高度扩散的光散射目标对象、并且还测量具有回射和极高光学性质、以及相应高度密集反射的棱镜目标对象。在这种情况下，信号范围遍及五个数量级(105)，从而形成对于上述高度发送可变性的要求的基础。
[0006]目前广泛使用衰减器经常由高密度黑/白摄影胶片(film)。包括全色乳胶的这两种胶片和包括正色乳胶的这两种胶片适于这个目的。这些胶片具有聚酯载体，所以它们的质量轻，尺寸小，制造简单并因此是有成本效益的。
[0007]结合数字拍摄的快速发展，传统胶片业务随之同时大范围被取代。感光乳液以及事实上还有载体材料(具有完全令人满意的光学性质)二者的主要制造商正逐渐停止生产和销售这些胶片。尤其是，具有高光学密度的单色乳液的生产受到当前这种发展的影响。
[0008]尽管高质量水平的胶片目前仍然可得到，但它们只具有小于3的平均光学密度。尚存的商购胶片不再可实现用正色性胶片实现的所需灰度范围。b/w胶片的当前颜色只实现至多大致OD 2.5的值。即使利用努力开发的显影剂溶液，也不能实现全灰度值再现(即，与之前所需一样大的衰减)。
[0009]可用具有OD 2.5的双包胶片实现用于信号范围设置在五个数量级(105)内的一种可能的实现形式。然而，这将具有已知的应该被防止的散射光增加的缺点。另一个缺点将是由于惯性力矩增大导致的开关时间较长。
[0010]衰减滤波器的一些变型具有线状或格子状栅格结构，其中，通过增大线的密度或者通过减小栅格的自由开口(free openings)的大小，来实现衰减的单调性增大。另外，通过光学衍射增强衰减。线或栅格结构可另外通过衍射来增强光衰减，可实现比胶片的特征密度曲线高的衰减率。然而，在于具有发射衍射受限光的光源(诸如，激光器)的发送通道中具有栅格状结构的衰减器是不合适的，因为衍射级产生干扰EDM的传感器功能的离散光束方向。
[0011]至于电-光衰减器或空间调制器，近二十年来已经尝试了多种技术。除了基于液晶的装置之外，例如，已经提出将磁-光、基于半导体的多量子阱布置或可变形反射镜用作衰减器。迄今为止，只有基于液晶技术的布置(制造商:Boulder Nonlinear Systems (博尔德非线性系统))和基于MEMS的微镜技术(制造商:Texas Instrument (德州仪器))被发现在商业产品中使用?’在US 2012/0224164A1中也公开了用于衰减器的这种布置。
[0012]还可想到到非光学信号衰减，例如，信号路径的电子部件中的信号衰减。在这种情况下，会考虑驱动发光激光二极管用以改变产生的输出光密度、控制接收二极管的Aro增益以及驱动电气放大器级(直至模数转换器)以及电-光纤衰减器。
[0013]实际上一直有使用这些衰减的可能性，尽管总体上只是用作补充而非仅仅针对信号衰减的功能；这是因为，距离测量?？榻哺堑男藕哦段С隽苏庑┑缙ゼ醴椒ǖ目赡苄?，即使是这些电子衰减方法被结合。举例来说，来自反射性物体的信号比来自暗漫射物体表面的信号强至少数百万倍。上述类型的电气接收电路实现了在大致三个数量级范围内的动态范围。
[0014]光学衰减器在技术信号发送行为方面是线性的，也就是说，就相位(传播时间)而言并且就幅度而言，它们是线性的，并且发送的信号并不失真，这有利于高度准确地测量EDM?？?。
[0015]光纤-光学衰减装置也是已知的。尽管它们操作快速并且可甚至以几纳秒的开关时间设置所需信号强度，但它们就机械尺寸而言不妥当地大并且较昂贵。
[0016]然而，基于迄今位置提出的可选解决方案的前期产品都不满足ODO至0D5或甚至0D6的高动态范围需求。
【发明内容】
[0017]本发明的一个目的是提供一种衰减器，该衰减器在五个数量级的光学密度动态设置范围内，可实现至少0D5的光学密度。另一个目的是能够通过单一衰减单元使得设定的EDM的信号尽可能大，这导致可减少结构体积和成本。
[0018]使用液晶技术显然是实现这些目的所关注的。
[0019]直至现在的相当长的时间内，在例如度量衡或消费电子领域中已采用了液晶显示器或液晶屏(LCD)。它们的功能是基于以下事实:如果向液晶施加特定量的电压，则液晶影响光的偏振。
[0020]IXD由可将它们的透明度相互独立地改变的段(segment)组成。为此目的，通过各段中的电压独立地控制液晶的取向(alignment)。由背光系统和偏振滤波器产生的对偏振光的透射率因此改变。
[0021]为了适用于根据本发明的液晶快门(liquid crystal shutter)，LCD的LC玻璃单元必须在整个自由开口内具有均匀的光学性质。它们必须永久地具有高防漏性和抗老化现象。同样地，将连接到LCD的电极的触点不应该表现出由于老化或腐蚀导致的任何功能限制。这些触点有利地装配有柔性印刷电路板。
[0022]在显示器和图像技术领域中最常使用的液晶是向列液晶。表现出液晶相的成分被称为液晶原(mesogen)。非手性液晶原的向列相是最简单的液晶相类型。在所述液晶相中，分子具有相对于所谓“指向矢”(方向的单位矢量)的取向级。所得的优选取向仅仅对于小体积是大体恒定的。分子的质心按统计学分布，类似于液晶:无论发生什么，都没有长距离的位置级。
[0023]所谓液晶单元的各种结构用作偏振旋转器。众所周知的是扭曲向列型LCD(TN);这些单元具有特别简单的构造并且只将偏振旋转90°。
[0024]液晶显示器中使用的液晶是有机化合物，这些有机化合物既具有液体的性质又具有固体的性质。一方面，它们是比液体多或少的流体；另一方面，它们表现出从固体得知的性质(诸如，双折射性)?？捎靡脖怀莆で蛄械ピ腟chadt-Helfrich单元实现简单的液晶显示元件。
[0025]可通过非常具体的LC结构实现相对于具有超过15的最大发送的状态的光学额衰减因子。
[0026]在TN-1XD的情况下，入射光在进入元件之前被线性偏振。TN-1XD中的分子扭曲导致光偏振方向旋转，从而导致光可穿过旋转90°的第二偏振器，并且单元是透明的。
[0027]当在电极处存在电压时，液晶分子(在轴向方向上)主要平行于电场取向并且由此扭曲逐渐被抵消。光偏振方向不再旋转，因此光不再穿过第二偏振滤波器。
[0028]TN-LC单元因在打开状态中它们非常高的透射率而被区分，迄今，用其它LCD技术不能实现该打开状态或者难以实现该打开状态。TN单元因此是电压受控的光阀。屏幕可由任意数量的这种单元(像素)组成。
[0029]TN单元的其它发展形式是STN单元(“超扭曲向列”)、DSTN单元(“双超扭曲向列”)和TSTN单元(“三超扭曲向列”)。
[0030]在STN-1XD的情况下，分子的扭转角增至180°至270°。结果，电-光特性曲线(相对于控制电压的衰减)变化；曲线变得相当陡。然而，对于灰度衰减器的构造，应该能以高精度的微调方式设置灰度级。然而，在具有较大扭曲(180°…360° )的STN液晶的情况下，分子取向对突然更陡的电压做出反应；结果，能设置黑-白状态而非灰度级。由于发送率微调的可能性的这种缺少，根据本发明，STN单元不太适于衰减单元。
[0031]然而，相比之下，可用TN单元设置具有高分辨率的灰度值。
[0032]DSTN液晶单元的复杂构造造成其制造期间相对高的花费。因此，开发出导致重量更轻的较平坦显示器的新方法。这种新解决方案的名称为“三超扭曲向列”型IXD(TSTN)。用装配在单元的前方和后方(偏振器和玻璃之间)的两个专用膜来补偿一般STN技术的颜色干扰。这些膜具有对应于这种技术的另一个名字:FST，其含义是“膜-超-扭曲(Film-Super-Twisted)”(有时候，其中只使用一个补偿膜的显示器被称为FST-LCD，具有两个或更多个膜的显示器被称为TST-1XD ;指定FSTN同样是膜-STN惯用的)。改进的对比度(高达18:1)、较低的重量、较平坦和不太复杂的设计有助于TSTN-LC显示器得到认可。在笔记本计算机中，这种显示器第一次被实现为“VGA屏”。
[0033]随着平板电视的商业化，近十年来，为LCD发展带来了新动力。
[0034]各种类型的LC单元已经被开发用于显示器产品，S卩，扭曲向列(TN)、垂直取向(VA)、面内开关(IPS)和边缘场开关(FFS)。指定是指液晶分子的布置和/或在电驱动时它们的移动。
[0035]至于IXD电视领域，目前的主流是其两种主要类型:垂直向列(VA)屏和面内开关(IPS)屏。主要差异在于液晶如何相对于基底板布置。
[0036]在VA单元的情况下，细长分子垂直于两个玻璃载体板，而在IPS或FFS单元的情况下，分子位于屏幕的平面内。
[0037]VA屏幕具有与TN单元相当的构造。两个电极均被布置成与液晶间隙相对。VA屏幕的优点在于比TN屏幕?1000:1)的情况下更高的对比度(通常>>1000:1);然而，VA单元的最大透射率通常低于TN单元的最大透射率。
[0038]在面内开关(IPS)技术的情况下，电极在平行于显示表面的平面内彼此并排布置。当施加电压时，分子在屏幕的平面内旋转；省去了 TN显示器通常的螺旋形状。IPS减小了对比度对视角的依赖性(所述依赖性实际上被称为对观察方向或注视方向的依赖性)。
[0039]由单个但非常大的像素组成的单元是衰减器所需的。这个像素不容易用IPS单元来实现，在IPS单元中，电极被装配在基底一侧。然而，如果将单元设计为反射元件，则显示器技术中已知的矩阵状电极布置可完全有利。
[0040]FFS单元已经被开发用于移动手持装置(诸如，手机或平板PC)的显示器。
[0041]FFS技术与IPS技术是相当的。电极的布置同样是在基底的一侧，以产生所谓的面内场。然而，在IPS技术的情况下，建立矩阵的正电极和负电极彼此交替，而在FFS技术的情况下，条带电极都具有相同的电势并且布置在公共大面积反电极(counterelectrode)前方。这样增加了单元的光学效率；举例来说，最大透视率几乎与TN单元的情况(基准值100% ) 一样高(95% )。其他两种技术在IPS的情况下透射率是80%而在VA的情况下透射率是80%。
[0042]FFS单元的特定优点是可使用的大入射角和由于偏振光的自动补偿导致的广消色差性。在F