CN102313882B - 激光测距仪的光学系统结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光测距仪的光学系统结构，包括激光发射光源，置于激光发射光源之前的准直物镜，光接收器以及汇聚反射光线至光接收器的接收物镜，其中所述接收物镜是一自由曲面光学元件，它由非球面部分和超环面部分组成，其中无限远的反射光线穿过所述的接收物镜的非球面部分聚焦在所述光接收器上，近距离的反射光线穿过所述接收物镜的超环面部分覆盖在所述光接收器的表面。本发明能满足远距离和近距离高精度测量，而且结构简单，测量稳定性好，性价比比一般的测量装置都要优越，有利于小型化的实现。

Description

激光测距仪的光学系统结构

技术领域

本发明专利涉及一种激光测距仪，特别是关于一种激光测距仪的光学系统结构。

背景技术

激光测距仪在工程测量，建筑测量以及家庭装修等方面都有广泛应用。常用的激光测距仪一般基于相位测量原理和脉冲相位测量原理，此类测量仪测量距离从几毫米到数百米，测量精度达毫米级以上。

如图1所示，现有技术中一种典型的激光测距仪的光学系统结构，包含激光发射光源1，准直物镜2，测量目标3，接收物镜4，光接收器5，光接收器5的光接收面6，对光源进行调制的电路7，控制计算单元8以及测量结果显示单元9。

准直物镜2和接收物镜4光轴平行。光接收器5的光接收面6位于接收物镜4的焦点A上。另外，在发射光路的接收光路中还有一个内光路，以补偿电路中产生的漂移误差。

测远距离时，反射光以平行光的方式入射到接收物镜4上，然后汇聚于接收物镜焦点A处，即光接收器5的光接收面6上。在近距离测量时，反射光以轴外光倾斜入射到接收物镜4上，与接收物镜4的光轴有一夹角，因而成像偏离接收物镜主光轴且位于焦点A的附近，从而使光接收面6无法接收到反射测量光，测量不能进行。

现有技术中有很多技术都致力于解决近距离测量这一课题。例如借助图2中所示的曲面反射镜10，或图3中所示的棱镜11或图4A、图4B中两种焦距的组合透镜和特殊形状光接收器，都可以很大程度上解决近距离测量的问题。

但是，这些方法要么不能对所有近距离的反射光进行偏折，有局限性，要么结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光测距光学系统，通过简单可靠的结构即可对远近距离进行测量，体积小，性价比较好，适用于小型化结构。

本发明的技术方案：一种激光测距仪的光学系统结构，包括激光发射光源，置于激光发射光源之前的准直物镜，光接收器以及汇聚反射光线至光接收器的接收物镜，其中所述接收物镜是一自由曲面光学元件，它由非球面部分和超环面部分组成，其中无限远的反射光线穿过所述的自由曲面接收物镜的非球面曲面部分聚焦在所述光接收器上，近距离的反射光线穿过所述的自由曲面接收物镜的超环面部分覆盖在所述光接收器的表面。

本发明中，所述自由曲面接收物镜由非球面曲面部分和超环面部分组合而成的复合物镜。

本发明中，所述的自由曲面接收物镜包括相互独立的非球面曲面透镜和超环面透镜。

本发明中，所述的自由曲面接收物镜由非球面曲面透镜和超环面透镜胶合而成的组合透镜。

本发明中，所述的超环面透镜式部分的超环面透镜。

本发明具有的有益效果：本发明激光测距光学系统能满足远距离和近距离高精度测量，而且结构简单，测量稳定性好，性价比比一般的测量装置都要优越，有利于小型化的实现。

附图说明

图1为现有技术中一种典型的光学系统图；

图2为现有技术中使用曲面反射镜使近距离反射测量光偏折到光接收器表面的光学系统图；

图3为现有技术中使用棱镜使近距离反射测量光偏折到光接收器表面的光学系统图；

图4A、图4B为现有技术中使用双焦距组合接收透镜和特殊形状光接收器，解决近距离测量的光学系统图；

图5为本发明专利所涉及的一种自由曲面接收物镜的光学系统图；

图6、图7为本发明专利所涉及的一种典型超环面透镜的立体透视图和视图；

图8为本发明专利所涉及的光学系统结构的一种优选实施方式的光学系统图。

【图号对照说明】

1激光发射光源                           2准直物镜

3测量目标                               4接收物镜

5光接收器                               6光接收面

10曲面反射镜                            11棱镜

14非球面曲面加超环面组成的自由曲面透镜  15超环面部分透镜

16非球面曲面部分透镜

其中：xoy为孤矢面，yoz为子午面

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明所述激光测距仪的光学系统结构，包括激光发射光源，置于激光发射光源之前的准直物镜，光接收器以及汇聚反对光线至光接收器的接收物镜，其中所述接收物镜是一自由曲面光学元件，它由非球面曲面部分和超环面部分组成，其中无限远的反射光线穿过所述的自由曲面接收物镜的非球面曲面部分聚焦在所述光接收器上，近距离的反射光线穿过所述的自由曲面接收物镜的超环面部分覆盖在所述光接收器的表面。

其中，非球面曲面部分和超环面部分可以组合在一起形成复合物镜。

其中，非球面曲面透镜和超环面透镜也可以相互独立。

其中，非球面曲面透镜和超环面透镜可以胶合在一起形成组合透镜。

其中，超环面透镜是部分的超环面透镜。

首先参阅图5，本发明所述激光测距仪的光学系统结构包括：非球面曲面加超环面组合的自由曲面透镜14，光接收器5，光接收器5的光接收面6，准直透镜2，测量目标3以及激光发射光源1。

从激光发射光源1出来的发射光线经准直物镜2准直后发射到测量目标3上，这时光束在测量目标3上产生漫反射，这些以各种角度反射回来的光线被接收物镜汇聚，图5中的接收物镜是非球面曲面加超环面组合的自由曲面透镜14。

测量远距离目标时，反射测量光以平行光入射到自由曲面组合透镜14，并通过非球面曲面部分聚焦到光接收器5表面上。测量近距离时，反射测量光入射到自由曲面透镜14，并通过超环面部分将它们变成扇形光束覆盖到光接收器5表面上。

参阅图6、图7，为本发明专利所涉及的一种典型部分超环面透镜的立体透视图和视图。当光束通过超环面透镜后，在该透镜的子午面(即图6中的yoz面)内以扇形形式发散出去。同样，在该透镜的弧矢面(即图6中的xoy面)内，也以扇形形式发散出去。

通过采用不同的超环面透镜的参数，如有效焦距，偏转角，子午面上的曲率半径，弧矢面上的曲率半径，中心高度，材料等，可以得到不同的扇形角光束。当然，扇型角的大小与它的空间位置，还应与自由曲面的非球面曲面相匹配。

如图8，接收物镜是一典型的自由曲面光学元件，它由非球面曲面部分16和超环面透镜部分15胶合而成的复合透镜。当测量远距离目标时，反射测量光以平行光入射到接收物镜，通过非球面曲面透镜16，聚焦到光接收器5的光接收面6上，通过超环面透镜15的光线不会覆盖到光接收器5的光接收面6上，这样不会产生干涉。

测量近距离时，通过自由曲面透镜的超环面部分透镜15的光束，在子午面和弧矢面形成扇形光束，覆盖到光接收器5的光接收面6上。子午面上的曲率比较小，弧矢面上的曲率比较大，所形成的立体扇形光束在光接收面6上覆盖。这样，理论上测量范围就能从毫米到无限远。

本发明所述的非球面是指不能用球面定义描述的面形，即不能只用一个半径确定的面形。非球面囊括了各种各样的面形，其中有旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面，有关于两轴对称的面形，排列有规律的微结构阵列，有包含衍射结构的光学表面，还包括形状各异的自由曲面等。

自由曲面光学是根据现代光电系统对于信号的接收、转化、存储、传送等的要求，构造任意形状的光学表面和设计方法。任意形状的光学元件称为自由曲面光学元件。自由曲面是非球面发展的高级阶段。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种激光测距仪的光学系统结构，其特征在于，包括激光发射光源，置于激光发射光源之前的准直物镜，光接收器以及汇聚反射光线至光接收器的接收物镜，其中所述接收物镜是一自由曲面光学元件，它是由非球面部分和超环面部分组成，其中无限远的反射光线穿过所述的自由曲面接收物镜的非球面部分聚焦在所述光接收器上，近距离的反射光线穿过所述接收的自由曲面物镜的超环面部分覆盖在所述光接收器的表面。

2.根据权利要求1所述的激光测距仪的光学系统结构，其特征在于，所述的自由曲面接收物镜由非球面曲面部分和超环面部分组合而成的复合物镜。

3.根据权利要求1所述的激光测距仪的光学系统结构，其特征在于，所述自由曲面接收物镜包括相互独立的非球面曲面透镜和超环面透镜。

4.根据权利要求1所述的激光测距仪的光学系统结构，其特征在于，所述自由曲面接收物镜为由非球面曲面透镜和超环面透镜胶合而成的组合透镜。

5.根据上述任一项权利要求所述的激光测距仪的光学系统结构，其特征在于，所述超环面透镜为部分超环面透镜。