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CN108008372B - 一种调焦式激光测距接收光学系统 - Google Patents

一种调焦式激光测距接收光学系统 Download PDF

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Abstract

一种调焦式激光测距接收光学系统,包括固定镜组、滤光片和汇聚调焦组,而光学系统最右侧位置为系统探测器光敏面;固定镜组包括正单透镜A和负单透镜,其中正透镜A位于靠近物方一侧。单透镜A和负单透镜控制由负透镜出射至滤光片的光线角度;正透镜A左侧为凸球面,球面曲率半径为99.03mm,右侧为凸球面,球面曲率半径为2114.03mm,左右两球面顶点间轴向间隔为10mm,焦距为68.13mm;负透镜左侧为凸球面,球面曲率半径为40.96mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为21.29mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm;滤光片为一个平板玻璃,其左右两个面均为平面,轴向间隔为3mm;滤光片左侧平面与负透镜B的右侧凹球面顶点之间轴向间隔为4mm。

Description

一种调焦式激光测距接收光学系统
技术领域
本发明属于光学系统领域,具体涉及一种调焦式激光测距接收光学系统。
背景技术
在激光测距系统中,激光发射光学系统将激光投射至待测物体表面。激光经待测物体漫反射后由接收光学系统接收汇聚至探测器,将光信号转换为电信号进行进一步处理,计算出测量系统坐标原点与待测物体表面激光投射点之间的直线距离。目前设计此类接收光学系统应考虑以下几个方面:
(1)由于测量距离的范围较大,光学系统应具有调焦功能,针对不同的工作距离进行调焦,使进入接收光学系统的光始终汇聚在探测器的光敏面内,提升到达探测器光敏面的光能量,提高信噪比,这有利于后续的信号处理;
(2)系统中应设置有滤光片,滤除测量波长以外的光,减少杂散光的影响;
(3)光学系统结构应尽量简单,容易实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调焦式激光测距接收光学系统,满足工作距离1~50m的三维形貌测量需求,在整个工作距离内,通过调焦保证进入接收光学系统的光尽量集中地入射到直径为0.2mm的探测器光敏面内,提高信噪比。。
本发明的技术方案如下:一种调焦式激光测距接收光学系统,包括固定镜组、滤光片和汇聚调焦组,而光学系统最右侧位置为系统探测器光敏面;固定镜组包括正单透镜A和负单透镜,其中正透镜A位于靠近物方一侧。单透镜A和负单透镜控制由负透镜出射至滤光片的光线角度;正透镜A左侧为凸球面,球面曲率半径为99.03mm,右侧为凸球面,球面曲率半径为2114.03mm,左右两球面顶点间轴向间隔为10mm,焦距为68.13mm;负透镜左侧为凸球面,球面曲率半径为40.96mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为21.29mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm;正透镜A的右侧凸球面顶点与负透镜的左侧凸球面顶点间的轴向间隔为86mm;
滤光片为一个平板玻璃,其左右两个面均为平面,轴向间隔为3mm;滤光片左侧平面与负透镜B的右侧凹球面顶点之间轴向间隔为4mm,滤光片;
汇聚调焦组包括正单透镜B与和正单透镜C;正单透镜B与和正单透镜C具有相同的结构参数,都是左侧为凸球面,球面曲率半径为25.43mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为82.25mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm,其中靠近光敏面的正透镜C可在正透镜和光敏面之间做直线运动,进而实现调焦;调焦的过程中正透镜C的光轴与其余光学镜片的轴线保持重合,且正透镜B的凹球面顶点与光敏面之间的轴向间隔保持不变。
所述正透镜A使用H-ZK10光学玻璃制作。
所述负透镜使用H-ZK10光学玻璃制作,焦距为-79.45mm。
所述滤光片使用H-ZK10光学玻璃制造,其左、右侧面表面镀制1550nm增透、其余波长截至的光学薄膜。
所述正单透镜B与和正单透镜C都用H-ZK10光学玻璃制造,焦距为59.35mm。
正透镜B左侧凸球面顶点与滤光片的轴向距离为2mm,右侧凹球面顶点与光敏面位置的轴向间隔为32mm。
本发明的显著效果在于:该激光接收系统在1~50m不同工作距离时,光敏面处的光斑的均方根直径,如图4所示。可以看出,该接收系统在整个工作距离内,通过调焦可以使光敏面4处的光斑直径始终小于0.06mm,在光敏面有效区域(直径0.2mm)内;全部镜片均使用同一种光学玻璃材料制造,且汇聚调焦组两透镜相同,有利于降低光学元件加工成本。在整个工作距离内入射至滤光片的光线与滤光片表面法线之间的最大夹角小于1.96°,可以获得较好的滤光效果。
附图说明
图1为本发明所述的调焦式激光测距接收光学系统工作距离为1m示意图;
图2为本发明所述的调焦式激光测距接收光学系统工作距离为50m示意图;
图3为本发明所述的调焦式激光测距接收光学系统正透镜7与正透镜8之间的轴向间隔变化曲线
图4为本发明所述的调焦式激光测距接收光学系统不同工作距离处调焦后光学系统的弥散斑
图中:1固定镜组、2滤光片、3汇聚调焦组、4系统探测器光敏面、5正透镜A、6负单透镜、7正单透镜B、8正单透镜C、
具体实施方式
一种调焦式激光测距接收光学系统,包括固定镜组1、滤光片2和汇聚调焦组3,而光学系统最右侧位置为系统探测器光敏面4。如图1所示。固定镜组1包括正单透镜A5和负单透镜6,其中正透镜A5位于靠近物方一侧。单透镜A5和负单透镜6构成了类似伽利略望远系统结构形式,用于压缩光束口径,控制由负透镜6出射至滤光片2的光线角度。这样一方面可以减小滤光片2及汇聚调焦组3的口径,降低整体重量,另外一方面以可以使入射至滤光片2的光线与滤光片2表面法线之间的夹角较小,滤光效果好。正透镜A5左侧为凸球面,球面曲率半径为99.03mm,右侧为凸球面,球面曲率半径为2114.03mm,左右两球面顶点间轴向间隔为10mm,使用H-ZK10光学玻璃制作,焦距为68.13mm;负透镜6左侧为凸球面,球面曲率半径为40.96mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为21.29mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm,使用H-ZK10光学玻璃制作,焦距为-79.45mm。正透镜A5的右侧凸球面顶点与负透镜6的左侧凸球面顶点间的轴向间隔为86mm。
滤光片2为一个平板玻璃,其左右两个面均为平面,轴向间隔为3mm,使用H-ZK10光学玻璃制造;滤光片2左侧平面与负透镜B6的右侧凹球面顶点之间轴向间隔为4mm,滤光片2左、右侧面表面镀制1550nm增透、其余波长截至的光学薄膜。在整个工作距离内入射至滤光片的光线与滤光片表面法线之间的最大夹角小于1.96°,可以获得较好的滤光效果。
汇聚调焦组3包括正单透镜B7与和正单透镜C8。正单透镜B7与和正单透镜C8具有相同的结构参数,都是左侧为凸球面,球面曲率半径为25.43mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为82.25mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm,并都用H-ZK10光学玻璃制造,焦距为59.35mm。其中靠近光敏面4的正透镜C8可在正透镜7和光敏面4之间做直线运动,进而实现调焦。调焦的过程中正透镜C8的光轴与其余光学镜片的轴线保持重合,且正透镜B7的凹球面顶点与光敏面4之间的轴向间隔保持不变。正透镜B7左侧凸球面顶点与滤光片2的轴向距离为2mm,右侧凹球面顶点与光敏面位置4的轴向间隔为32mm。
对应1m~50m不同工作距离,正透镜C8左侧凸球面顶点与正透镜B7右侧凹球面顶点之间的轴向间隔从1.9mm~9.7mm连续变化,变化曲线如图3所示。

Claims (6)

1.一种调焦式激光测距接收光学系统,其特征在于:包括固定镜组(1)、滤光片(2)和汇聚调焦组(3),而光学系统最右侧位置为系统探测器光敏面(4);固定镜组(1)包括正透镜A(5)和负单透镜(6),其中正透镜A(5)位于靠近物方一侧;正透镜A(5)和负单透镜(6)控制由负单透镜(6)出射至滤光片(2)的光线角度;正透镜A(5)左侧为凸球面,球面曲率半径为99.03mm,右侧为凸球面,球面曲率半径为2114.03mm,左右两球面顶点间轴向间隔为10mm,焦距为68.13mm;负单透镜(6)左侧为凸球面,球面曲率半径为40.96mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为21.29mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm;正透镜A(5)的右侧凸球面顶点与负单透镜(6)的左侧凸球面顶点间的轴向间隔为86mm;
滤光片(2)为一个平板玻璃,其左右两个面均为平面,轴向间隔为3mm;滤光片(2)左侧平面与负单透镜(6)的右侧凹球面顶点之间轴向间隔为4mm;
汇聚调焦组(3)包括正单透镜B(7)与正单透镜C(8);正单透镜B(7)与正单透镜C(8)具有相同的结构参数,都是左侧为凸球面,球面曲率半径为25.43mm,右侧为凹球面,球面曲率半径为82.25mm,左右两球面顶点间轴向间隔为4mm,其中靠近光敏面(4)的正单 透镜C(8)可在正单透镜B(7)和光敏面(4)之间做直线运动,进而实现调焦;调焦的过程中正单 透镜C(8)的光轴与其余光学镜片的轴线保持重合,且正单透镜B(7)的凹球面顶点与光敏面(4)之间的轴向间隔保持不变。
2.根据权利要求1所述的一种调焦式激光测距接收光学系统,其特征在于:所述正透镜A(5)使用H-ZK10光学玻璃制作。
3.根据权利要求1所述的一种调焦式激光测距接收光学系统,其特征在于:所述负单透镜(6)使用H-ZK10光学玻璃制作,焦距为-79.45mm。
4.根据权利要求1所述的一种调焦式激光测距接收光学系统,其特征在于:所述滤光片(2)使用H-ZK10光学玻璃制造,其左、右侧面表面镀制1550nm增透、其余波长截至的光学薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种调焦式激光测距接收光学系统,其特征在于:所述正单透镜B(7)与正单透镜C(8)都用H-ZK10光学玻璃制造,焦距为59.35mm。
6.根据权利要求1所述的一种调焦式激光测距接收光学系统,其特征在于:正单透镜B(7)左侧凸球面顶点与滤光片(2)的轴向距离为2mm,右侧凹球面顶点与光敏面(4)位置的轴向间隔为32mm。
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