CN102278974B - 激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光测距装置，包含：一激光模组，用于产生准直的测量光束，一接收物镜，用于接收所述测量光束的反射光束，接收物镜的接收光轴与所述测量光束的出射光轴平行，一光电转换器，用于对所述反射光束在所述接收物镜的焦平面上所成像进行光电转换，该光电转换器的感光面位于接收物镜的焦平面上，一与所述激光模组及所述光电转换器连接的控制分析系统，其中，所述光电转换器的感光面与所述接收物镜的成像光斑大小相匹配。减少了日光噪声对有效信号的影响，使得有效光信号从背景光中突显出来；通过使用“小”感光面的光敏元件及小的成像光斑，远处反射回的微弱光信号能被最大限度的聚集，应用在日光下，能有效提升测距能力，测距范围更远。

Description

激光测距装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量被测物体距离的测距装置，尤其是一种用激光发生器发出的激光信号作为测距信号进行距离测量的激光测距装置。

背景技术

激光测距装置广泛应用于建筑、室内装潢等领域。但是，现有的激光测距仪，精度水平和测量范围在日光下明显变差。其主要原因是，在日光下，日光形成的背景光与有效光信号一起进入到测距仪的接收系统中，导致信噪比下降，从而导致测距能力的下降。

为了提高日光下的测距能力，有以下几个方面的措施，但都有一定的局限性。

一、提高出射光信号强度

出射激光功率受到安全规范限制，不能大于1mW。使用连续信号测量的方式，出射光信号提升幅度有限。另一种采用非连续信号测量方式，即激光功率在不带测量信号时低于1mW，带测量信号时，远高于1mW。这种方式能提升出射光信号强度，保证平均功率满足安规要求，但是实现方式复杂，成本高。

二、提高信号接收部分的放大倍数

实际应用中的放大电路，在调高放大倍数时，电路噪声也会增加。当信号的提升幅度大于噪声提升幅度时，信噪比增加，至某一放大倍数后，噪声提升幅度将大于信号的提升幅度，信噪比开始下降。再者，在日光下，信号弱，噪声强。当放大电路的放大倍数高于某一值时，容易引起产生自激现象，掩盖了实际信号。所以信号接收部分的放大倍数只能在一个合理的范围内，不能将提高放大倍数作为提升日光下信噪比的主要方向。

三、使用窄带滤光片

假设出射激光频率为635nm，窄带滤光片的带宽为635±5nm。日光频谱很宽，窄带滤光片能有效抑制带宽外的日光频率，但与出射激光相近的日光频率，则不能被抑制。实际生产中，要将滤光片带宽收缩至很窄的范围，会导致带宽内透过率降低，一定程度上衰减了有效光信号。所以窄带滤光片的方式能提高日光下的信噪比，但不能彻底解决日光下信噪比低的问题。且在实际生产中，窄带滤光片加工工序复杂，性能较难控制，成本高。

四、减小信号接收部分的感光面积

由于实际生产和应用中的一些限制，现有的方案都采用光敏元件感光面积大于成像光斑面的方式。这些限制因素主要有：

当成像光斑明显小于光敏元件的感光面，在工程实现中，将两者对齐所允许的偏差较大，容易对齐。

在测距仪的长期使用过程中，常用接收物镜参数会受环境（如温度变化，湿度变化等因素）影响发生变化，引起成像光斑形状变化以及光斑位置发生漂移。

同样在长期使用过程中，热胀冷缩等因素也会引起感光面与成像光斑间的对齐位置发生微小的移动。

另一个关键因素是，现有的测距仪在近距离测量应用时需要大感光面的光敏元件，使得减小感光面积在现有技术中较难实现，解释如下：

激光测距装置主要包括：激光发射、接收系统以及激光信号处理系统。如图1所示，为现有的激光测距装置的激光发射、接收系统示意图，包括一激光模组307，用于产生准直的测量光束，该准直测量光束投射到自然粗糙的目标面301上，在目标面301形成光斑302；一接收物镜305，用于接收所述测量光束的反射光束，接收物镜305的接收光轴303与测量光束的出射光轴304平行；一光电转换器306，用于对光斑302在接收物镜305的焦点处所成像进行光电转换，该光电转换器306的感光面位于接收物镜305的焦平面上。

如图2所示为光路图，在远距离测量时，相对于接收透镜305的焦距而言，远处的目标面301相当于在无穷远处，被目标面301反射回来的激光形成的光束123可以近似地被看成平行于接收光轴303的平行光束，经过接收物镜305汇聚后聚焦于接收物镜305的焦点处，并被设置在该处的光电转换器306的感光面125接收；但是在近距离测量时，由于受到接收物镜305的接收光轴303与测量光束的出射光轴304之间距离的影响，被目标面301反射回来的激光形成的光束127和接收光轴303成一定角度，经过接收物镜305汇聚后形成的像偏离接收光轴303，从而偏离感光面125。

如图3所示，为目标面靠近时，激光反射光斑像位偏移示意图，以下为感光面与近距离测量关系的分析：

反射光斑经过接收物镜后，在焦平面上，成像中心与接收光轴的偏移量，可以根据以下公式计算得到。

$\frac{D}{d}=\frac{L}{f^{\′}}$ …………………………………………………（公式5）

式中：D-测量光束的出射光轴与接收物镜的接收光轴之间的距离，d-光斑像偏移距离，L-测距距离，f'-接收物镜焦距。

在现有非同轴光方案中，假设接收物镜焦距f'为32mm，两光轴间距离为15mm。光斑像的直径为80um，光敏元件（光电转换器）的感光面直径为230um的圆形。

当出射测量光束打在较远距离（例如20米处）时，D为15mm，L为20m，通过公式5计算所得，成像光斑中心与接收光轴的偏移量d为24um，偏移方向为出射光轴指向接收光轴的方向。偏离后的光像斑仍在感光面范围内（参见图3(a)），对信号接收没有影响。而在近距离（例如4米处），D仍为15mm，L为4m，计算可得，成像光斑与接收光轴间的偏移量d增至120um，光斑中心已偏移出感光面的边缘，光斑像只有约38.6%还在感光面范围内（参见图3(b)）。当距离更近时，偏移现象更加明显。理论上，至3.1米以内，光斑将完全偏移出感光面（参见图3(c)）。

光斑像中心明显偏移将严重影响感光面上接收有效光信号的强度。从而会影响激光测距仪近距离的测量能力。现有非同轴光路方案都采用“大”感光面的光敏元件或采用加长成像光斑偏移方向感光面的光敏元件（如图4所示，图中有网格线的部分为感光面1），弥补了近距离成像光斑的偏移量。采用此方式势必将严重影响近距离和远距离的信噪比，降低了在强背景光下的测量能力。

假设光敏元件的感光面的直径收缩至80um，成像光斑也是直径为80um的圆形，其他参数不变。则通过公式5计算，在距接收物镜12m处的反射光斑，其成像光斑中心已偏移至感光面边缘；6m处的反射光斑，其成像光斑将完全偏移出感光面。

所以在非同轴光路方案中，由于近距离成像光斑偏移现象的存在，不能用缩小光敏元件感光面至成像光斑一致的方式，来实现最佳信噪比。

发明内容

针对上述现有技术难于提高激光测距仪在强日光背景下的信噪比而精度水平和测距范围都变差的缺陷，本发明提供一种在强背景光下仍具有良好测距能力的激光测距装置。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种激光测距装置，包含：

一激光模组，用于产生准直的测量光束，

一接收物镜，用于接收所述测量光束的反射光束，接收物镜的接收光轴与所述测量光束的出射光轴平行，

一光电转换器，用于对所述反射光束在所述接收物镜的焦平面上所成像进行光电转换，该光电转换器的感光面位于接收物镜的焦平面上，

一与所述激光模组及所述光电转换器连接的控制分析系统，

其中，所述光电转换器的感光面与所述接收物镜的成像光斑大小相匹配，激光测距装置还包含一使测量光束转折成为第二光束的光转折装置，第二光束具有第二光轴，第二光轴平行于接收光轴，并且第二光轴与接收光轴之间的距离小于出射光轴与接收光轴之间的距离。

优选地，所述接收物镜的成像光斑直径为32～100微米。

优选地，所述接收物镜的成像光斑直径为50～85微米。

优选地，所述接收物镜的成像光斑直径为80微米。

优选地，所述接收物镜的成像光斑面积为800～7850um2。

优选地，所述接收物镜的成像光斑面积为1960～5670um²。

优选地，所述光电转换器的感光面直径为32～100微米。

优选地，所述光电转换器的感光面直径为50～85微米。

优选地，所述光电转换器的感光面直径为80微米。

优选地，所述光电转换器的感光面面积为800～7850um2。

优选地，所述光电转换器的感光面面积为1960～5670um²。

所述第二光轴与接收光轴之间的距离等于一个出射光斑的直径。

所述第二光轴与接收光轴之间的距离为所述接收物镜的口径的1/12～1/3。

所述第二光轴与接收光轴之间的距离为所述接收物镜的口径的1/5。

所述光转折装置包括平行棱镜。

通过采用以上技术方案，本发明可实现以下的有益技术效果：

（1）本发明的光电转换器采用感光面与成像光斑匹配适当的光敏元件，同时提升接收物镜的成像稳定性及成像能力，使得接收物镜的成像稳定且保证尺寸在80um以内，通过使用“小”感光面的光敏元件，及小的成像光斑，应用在日光下，能有效提升测距能力，测距范围更远。远处反射回的微弱光信号能被最大限度的聚集，光敏元件的感光面与物镜接收光斑相匹配，减少了日光噪声对有效信号的影响。这两点的结合使得有效光信号从背景光中突显出来，提高了光信号的信噪比。而稳定的接收物镜能保证测距仪在整个生命周期内，成像光斑不漂移，不变形，保证测距性能。

（2）本发明还包含一使所述测量光束转折成为第二光束的光转折装置，所述第二光束具有第二光轴，所述第二光轴平行于所述接收光轴，并且第二光轴与接收光轴之间的距离小于出射光轴与接收光轴之间的距离。由于第二光轴和接收光轴之间距离非常近，因此可以忽略在近距离的成像光斑中心偏移量，在远距离和近距离，光斑中心都不偏移。减小了超近距离的测距“盲区”，也提高了超近距离的测量稳定性，使得应用范围更广

应用此方案后，提升了激光测距仪在日光下的测距能力，可测范围增加至30米以上，精度可以达到±10mm，基本满足用户在日光下应用激光测距仪的需求。

附图说明

图1为现有激光测距仪的光路系统示意图，其中测量光束的出射光轴与接收物镜的接收光轴不同轴；

图2为现有激光测距仪在远距离及近距离测量时的光路图；

图3为现有激光测距仪当反射光斑逐渐靠近时，激光光斑像（成像光斑）偏移示意图；

图4为现有激光测距仪个别改进了的光敏元件感光面形状图，用于补偿近距离光斑中心偏移现象；

图5为光敏元件感光面（网格状）、成像光斑图例及两者对齐后的示意图，其中（a）光敏元件示意图，（b）物镜成像示意图，（c）已对齐的激光光斑像与感光面示意图；

图6为物镜成像一致的情况与光敏元件感光面大小示意图，其中（a）光敏元件的感光面小于激光成像光斑，（b）光敏元件的感光面大于激光成像光斑，（c）光敏元件的感光面刚好匹配激光成像光斑；

图7为本发明首选实施方式的激光测距装置示意图；

图8为本发明激光测距装置用于超近距离测量时，焦点处截面遮挡阴影与光敏元件感光面的位置关系图；

图9为与本发明方案相近的激光测距装置用于超近距离测量时，焦点处截面遮挡阴影与光敏元件感光面的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图7为本发明的激光测距装置的示意图，其中主要示出了激光发射、接收系统部分。激光测距装置包含：一个激光模组907，用于产生准直的测量光束909，激光模组907由一个产生高频调制测量光束909的激光发生器及一个使测量光束909准直的准直透镜组成，该准直测量光束909被一个光转折装置908转折成为第二光束910，第二光束910投射到自然粗糙的目标面901上，在目标面901形成光斑902；一个接收物镜905，用于接收被目标面901反射回来的反射光束，接收物镜905的接收光轴903平行于测量光束909的出射光轴911及第二光束910的第二光轴904，并且第二光轴904与接收光轴903之间的距离小于出射光轴911与接收光轴903之间的距离；一个光电转换器906，用于对反射光束在接收物镜905的焦平面上所成像进行光电转换，光电转换器906优选地采用雪崩光电二极管或者PIN光电二极管作为光敏元件，该光敏元件的感光面位于接收物镜905的焦平面上；一个与激光模组907及光电转换器906连接的控制分析系统（图中未示出），用于对激光发生器进行高频调制使其产生高频调制测量光束909、并且对光电转换器906输出的电信号进行分析处理。

本发明的光转折装置为一平行棱镜，该平行棱镜包括相互平行的两个反射面，激光模组出射的测量光束投射到一个反射面上并经过另一反射面射出成为第二光束，本领域的技术人员可很容易想到，在其它实施方式中，光转折装置也可采用两个反射镜，只要该两个反射镜的反射面相互平行既能实现本实施方式中平行棱镜的功能。

本发明采用高稳定性的光学玻璃，材料为：K9。接收物镜的技术要求是：在30m远处直径20mm的反射光斑（波长为635nm），经接收物镜所成像光斑大致为直径32um～100um的圆形，优选接收物镜的成像光斑在50～85um左右，所选用的光敏元件的感光面为直径32um～100um的圆形，优选光敏元件的感光面为直径50～85um的圆形，首选的光敏元件的感光面为直径80um的圆形。当然，只要光敏元件的感光面与成像光斑大小相匹配，本发明的相匹配定义为

均可以达到提高信噪比的效果。成像光斑尺寸至80微米以内，接收物镜的成像能力是比较优秀的，测距能力会更强。

由于成像光斑通常并非是完全的圆形，而是大致呈圆形，所以本发明用面积进一步表述成像光斑的特征，本发明的接收物镜的成像光斑面积为800～7850um²，优选的接收物镜的成像光斑面积为1960～5670um²，相应的与成像光斑匹配的感光面的面积为800～7850um²，优选地感光面的面积为1960～5670um²。

本发明采用“小”的与成像光斑适配的感光面能提升信噪比的理论推导如下：

对于一个给定的测距系统，接收物镜的焦距、入光孔径等参数是确定的。这样在某一距离的物体经过接收物镜所成像也就确定。

系统中激光模组射出激光的发散角是固定的，一般是距离越远，激光光斑就越大。

为了便于分析，假设出射激光打在远处一个面积足够大的墙面上，墙面有阳光照射。结合图5（b)，反射激光经过接收物镜在焦平面所成像，可以看作是激光光斑像2与背景光像3相叠加。图5（a）中网格状部分为光敏元件感光面1，图5（c）已对齐的激光光斑像2与感光面1示意图。

激光光斑在焦平面的成像为圆形，设其光通量为F_i，像面积为S_i，激光光斑像光能e_i=F_i×S_i（公式1）。

背景日光在焦平面上所成像是均匀分布的，设其光通量为F_n。

背景日光像在感光面上的投射面积为S_n，则背景光能e_n为：e_n=F_n×S_n（公式2）。一般光敏元件感光面的面积远小于背景日光在焦面上像的面积，所以光敏元件的感光面积就是背景日光像在感光面上的投射面积。

信号光斑像在感光面上的投射面积为S_s，则信号光能e_s为：e_s=F_i×S_s（公式3）。

仅从光能的角度分析有效光信号的信噪比N为：

（公式4）。

假设所选光敏元件的感光面也是圆形的，面积为S。有效信号能量与有效信号信噪比的分析如下：

如图6(a)所示，感光面1小于成像光斑2，此时S＜S_i，则S_s＝S，e_s=F_i×S，背景光能e_n=F_n×S，信噪比在此条件下，信噪比N已达到最大。因为S＜S_i，所以e_s＜e_i，不能充分利用激光光斑像光能，所得有效信号较弱，对远距离目标或是低反射率的目标测距能力差。

如图6(b)所示，感光面1大于成像光斑2，此时S＞S_i，则S_s＝S_i，e_s＝F_i×S_i，S_n＝S，背景光能e_n=F_n×S，信噪比

在此条件下，e_s＝e_i，能充分利用激光光斑像光能，但是S＞S_i所以

信噪比随着光敏元件的感光面增加而更加降低。

如图6(c)所示，感光面1成像光斑2大小一致，此时S＝S_i，则S_s＝S_i，e_s=F_i×S_i，背景光能e_n=F_n×S_i，信噪比在此条件下，e_s＝e_i，能充分利用激光光斑像光能。且具有最大的信噪比，是最理想的应用模式。

例如，接收物镜焦距为32mm，出射激光打在20m远处有阳光照射的墙面上。激光光斑为直径20mm的圆形。激光光斑在焦平面的成像为直径32um的圆形。分别用感光面为直径80um(面积为对应的信噪比为N₈₀)和230um(面积为S₂₃₀，对应的信噪比为N₂₃₀)圆形的光敏元件来接收此光信号。因为在强日光下，F_n远大于F_i，计算可得，

如图8所示，为本发明激光测距装置用于超近距离测量时，焦点处截面遮挡阴影与光敏元件感光面的位置关系图。第二光轴和接收光轴近似同轴，第二光轴与接收光轴间的间距优选的值大约是偏离一个出射光束直径，本出射光束的直径也可表述为出射光斑的直径；试验证明，第二光轴与接收光轴间的间距与接收物镜的口径相关，两轴间距约为物镜口径的1/12~1/3左右，均能达到较好效果，优选两轴间距约为物镜口径的1/5时，效果更为理想。

由上述理论推到可知，如果采用同轴光方案，即出射光轴（第二光轴）与接收光轴重合。在近距离，公式5中D约为0mm，可以忽略在近距离的成像光斑中心偏移量。所以同轴光方案能保证，在远距离和近距离，光斑中心都不偏移。采用同轴光方案，使得“缩小”感光面的方案能够应用。保证在整个测距范围内，均能达到“最佳”信噪比。事实上，在超近距离（小于300mm）时，同轴光方案也存在一个缺陷。

在同轴光方案中，用于转折出射光的光学器件会在接收物镜上留下阴影。在测距系统中，对齐后的光敏元件均是固定在焦点上，在超近距离时，如图9所示，光敏元件感光面1处于遮挡阴影4之中。这时光敏元件接收到的光信号均是经过其他路径反射而来，光路径并不是沿着反射光斑至光敏元件的直线路径。经常会受到局部反射条件的变化而改变。这样使得最终的测量光路径不唯一，导致测量示数不确定。

当采用本发明的近似同轴光的方案，即出射光轴（第二光轴）与接收光轴之间距离非常近，可以很好的规避这个缺陷，又能体现出同轴光的优势。

假设，f'仍为32mm，两光轴间的间距D缩小至1.5mm。根据公式5，即使L缩至2m，偏移量d也仅为24um，与同轴光方案效果一致。而在超近距离时，光敏元件感光面1不再被阴影4挡住（如图8）。

实验证明，采用近似同轴光方案，能进一步缩小激光测距在超近距离范围内的测距“盲区”至20mm以内，以及保证最终的测量路径的唯一性，提高测量可靠性及精度。

Claims (15)

1.一种激光测距装置，包含：

一激光模组，用于产生准直的测量光束，

一接收物镜，用于接收所述测量光束的反射光束，接收物镜的接收光轴与所述测量光束的出射光轴平行，

一光电转换器，用于对所述反射光束在所述接收物镜的焦平面上所成像进行光电转换，该光电转换器的感光面位于接收物镜的焦平面上，

一与所述激光模组及所述光电转换器连接的控制分析系统，

其特征在于：所述光电转换器的感光面与所述接收物镜的成像光斑大小相匹配，所述激光测距装置还包含一使所述测量光束转折成为第二光束的光转折装置，所述第二光束具有第二光轴，所述第二光轴平行于所述接收光轴，并且第二光轴与接收光轴之间的距离小于出射光轴与接收光轴之间的距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述接收物镜的成像光斑直径为32～100微米。

3.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于：所述接收物镜的成像光斑直径为50～85微米。

4.根据权利要求3所述的激光测距装置，其特征在于：所述接收物镜的成像光斑直径为80微米。

5.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述接收物镜的成像光斑面积为800～7850um²。

6.根据权利要求5所述的激光测距装置，其特征在于：所述接收物镜的成像光斑面积为1960～5670um²。

7.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器的感光面直径为32～100微米。

8.根据权利要求7所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器的感光面直径为50～85微米。

9.根据权利要求8所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器的感光面直径为80微米。

10.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器的感光面面积为800～7850um²。

11.根据权利要求10所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器的感光面面积为1960～5670um²。

12.根据权利要求11所述的激光测距装置，其特征在于：所述第二光轴与接收光轴之间的距离等于一个出射光斑的直径。

13.根据权利要求11所述的激光测距装置，其特征在于：所述第二光轴与接收光轴之间的距离为所述接收物镜的口径的1/12～1/3。

14.根据权利要求13所述的激光测距装置，其特征在于：所述第二光轴与接收光轴之间的距离为所述接收物镜的口径的1/5。

15.根据权利要求13至14任一项所述的激光测距装置，其特征在于：所述光转折装置包括平行棱镜。

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