CN109471120B - 激光三角测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光三角测距系统及方法，其中系统包括一微处理器、一激光装置、一楔形带通滤光片、一接收透镜、一光阑、一光敏器件；所述微处理器连接所述激光装置和所述光敏器件；所述楔形带通滤光片、所述接收透镜和所述光敏器件依次排布于同一直线上；所述光阑设置于所述直线上。本发明的一种激光三角测距系统及方法，可减小由入射角度大带来的光斑失真现象，使光斑在接收面上呈高斯分布，从根本上解决了测量精度受目标物颜色影响的问题。

Description

激光三角测距系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量传感器领域，尤其涉及一种激光三角测距系统及方法。

背景技术

基于激光三角测距原理的测距传感器，具有分辨率高、速度快、非接触等优良特性，在高精度光电检测领域有着广泛的应用。

激光三角测距传感器中，光斑在光敏器件上成像光斑有一定的大小，需要通过二值法、灰度质心法等软件算法找到成像光斑的中心位置。这些方法都是在假设成像光斑的能量呈高斯分布的基础上进行的。

在传统的激光三角测距传感器中，不同颜色目标物的漫反射光在光敏面上成像光斑对应的信号强度不同，且不同距离目标物对应光斑大小、形状也有所不同，导致计算所得的光斑中心发生变化，影响测量精度。这种影响在激光三角测距传感器量程的两端尤为严重。

现有的技术中，修正目标物颜色对测量精度的影响的方法有以下几种：调节激光强度，通过判断信号强度时时调整激光出光功率，在目标颜色发生变化时，保证同一位置的信号强度不发生变化；调节积分时间，通过判断信号强度时时调整光敏器件的积分时间，在目标颜色发生变化时，保证同一位置的信号强度不发生变化。

这些方法虽然能减小目标颜色对测量精度的影响，但是修正程度及稳定性都很难保证。这是因为激光三角测距光学成像系统本身存在像差，导致成像光斑变形、失真，且光斑偏离成像系统的轴线越多，失真就越严重。传统的激光三角测距传感器往往采用软件补偿的方法进行修正，并没有从根本上纠正系统像差。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种激光三角测距系统及方法，可减小由入射角度大带来的光斑失真现象，使光斑在接收面上呈高斯分布，从根本上解决了测量精度受目标物颜色影响的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种激光三角测距系统，包括一微处理器、一激光装置、一楔形带通滤光片、一接收透镜、一光阑、一光敏器件；所述微处理器连接所述激光装置和所述光敏器件；所述楔形带通滤光片、所述接收透镜和所述光敏器件依次排布于同一直线上；所述光阑设置于所述直线上；楔形带通滤光片能够减小成像光束的入射角度；

所述激光三角测距系统还包括一目标物，所述目标物位于所述激光装置的一激光光路上；所述激光光路为所述激光装置发射一激光光束形成的光路，所述激光光束经所述目标物反射形成一反射光路，所述楔形带通滤光片、所述接收透镜、所述光敏器件和所述光阑设置于所述反射光路上。

所述光阑设置于所述接收透镜和所述光敏器件之间，或者，所述光阑设置于所述楔形带通滤光片和所述接收透镜之间。

本发明的一种基于本发明所述激光三角测距系统的激光三角测距方法，包括步骤：

S1：建立所述激光三角测距系统；

S2：所述微处理器控制所述激光装置向一目标物发射所述激光光束，形成一激光光路和一反射光路；

S3：调整所述激光装置或所述楔形带通滤光片，使得所述反射光路穿过所述楔形带通滤光片、所述接收透镜和所述光阑并照射于所述光敏器件上；

S4：所述微处理器对所述光敏器件进行采样，获得光斑强度信号；

S5：根据所述光斑强度信号测量所述目标物与所述激光装置之间的距离。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

楔形带通滤光片的作用是减小成像光束的入射角度，尤其是减小量程两端光束的入射角度，以减小系统的像差。通过改变两个楔形面的角度，可以实现对入射角度的控制。光阑的作用是遮挡光束外围的杂散光，同时限制入射光束的角度；不仅能够改善成像质量，使光斑呈高斯分布，更能够遮挡外界环境光，提高了三角测距系统对环境光的耐抗性。接收透镜在此基础上进行优化，进一步减小像差，使成像光斑呈高斯分布。通过楔形带通滤光片、光阑和接收透镜的配合，使得本发明的一种激光三角测距系统及方法在进行测距时，大大减小了由入射角度大带来的光斑失真现象，使光斑在接收面上呈高斯分布高斯分布，从根本上解决了测量精度受目标物颜色影响的问题，消除了由于目标物颜色差异导致的测量精度的不稳定。在计算像素中心的时候，保证像素中心不受被测物颜色影响。

附图说明

图1为本发明实施例的激光三角测距系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的激光三角测距方法的流程图；

图3为传统光学系统的成像效果图；

图4为本发明实施例的激光三角测距系统的成像效果图；

图5为传统光学系统的成像波形图；

图6为本发明实施例的激光三角测距系统的成像波形图。

具体实施方式

下面根据附图图1和图2，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明实施例的一种激光三角测距系统，包括一微处理器1、一激光装置2、一楔形带通滤光片3、一接收透镜4、一光阑5、一光敏器件6；微处理器1连接激光装置2和光敏器件6；楔形带通滤光片3、接收透镜4和光敏器件6依次排布于同一直线上；光阑5设置于直线上。本实施例中，微处理器1采用STM32F3系列，在其他实施例中，也可采用其他型号的微处理器1。

其中，楔形带通滤光片3的作用是减小成像光束的入射角度，尤其是减小量程两端光束的入射角度，以减小系统的像差。通过改变两个楔形面的角度，可以实现对入射角度的控制。

光阑5的作用是遮挡光束外围的杂散光，同时限制入射光束的角度；不仅能够改善成像质量，使光斑呈高斯分布，更能够遮挡外界环境光，提高了三角测距系统对环境光的耐抗性。

接收透镜4在此基础上进行优化，进一步减小像差，使成像光斑呈高斯分布。

通过楔形带通滤光片3、光阑5和接收透镜4的配合，使得本发明实施例的一种激光三角测距系统及方法在进行测距时，大大减小了由入射角度大带来的光斑失真现象，使光斑在接收面上呈高斯分布高斯分布，从根本上解决了测量精度受目标物7颜色影响的问题，消除了由于目标物7颜色差异导致的测量精度的不稳定。在计算像素中心的时候，保证像素中心不受被测物颜色影响。

在使用时，还包括一目标物7，目标物7位于激光装置2的一激光光路8上；激光光路8为激光装置2发射一激光光束形成的光路，激光光束经目标物7反射形成一反射光路9，楔形带通滤光片3、接收透镜4、光敏器件6和光阑5设置于反射光路9上。

本实施例中，光阑5设置于接收透镜4和光敏器件6之间。在其他实施例中，光阑5也可设置于楔形带通滤光片3和接收透镜4之间，或反射光路9的其他位置。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种基于本实施例激光三角测距系统的激光三角测距方法，包括步骤：

S1：建立激光三角测距系统。

S2：微处理器1控制激光装置2向一目标物7发射激光光束，形成一激光光路8和一反射光路9；其中，激光光路8是激光光束形成的光路，反射光路9是激光光束照射到目标物7上发生漫反射形成的光路。

S3：调整激光装置2或楔形带通滤光片3，使得反射光路9穿过楔形带通滤光片3、接收透镜4和光阑5并照射于光敏器件6上。

本步骤中，反射光路9穿过楔形带通滤光片3后入射角度调整到合适位置；反射光路9进一步通过接收透镜4和光阑5，杂散光及大角度的光线被遮挡，剩下的光束成像在光敏器件6上。

S4：微处理器1对光敏器件6进行采样，获得光斑强度信号；

S5：根据光斑强度信号测量目标物与激光装置2之间的距离。

另外，传统光学系统的成像效果图可参阅图3，本发明实施例的激光三角测距系统的成像效果图可参阅图4；对比图3和图4可见，本发明实施例的激光三角测距系统的成像相较于传统光学系统的成像已去除了杂散光。

传统光学系统的成像波形图请参阅图5，本发明实施例的激光三角测距系统的成像波形图请参阅图6，对比图5和图6可见，传统的光学系统，其光斑能量不是高斯分布，目标物7颜色改变，光斑的形状也会发生变化，导致像素中心发生变化，影响测量精度。而本发明实施例的激光三角测距系统的波形更符合高斯分布，像素中心基本不受目标物颜色影响，说明系统的测量精度基本不受目标颜色影响。相比之下，使用本发明实施例的激光三角测距系统将从根本上解决测量精度受目标颜色影响的问题。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种激光三角测距系统，其特征在于，包括一微处理器、一激光装置、一楔形带通滤光片、一接收透镜、一光阑、一光敏器件；所述微处理器连接所述激光装置和所述光敏器件；所述楔形带通滤光片、所述接收透镜和所述光敏器件依次排布于同一直线上；所述光阑设置于所述直线上；

楔形带通滤光片能够减小成像光束的入射角度；

所述激光三角测距系统还包括一目标物，所述目标物位于所述激光装置的一激光光路上；所述激光光路为所述激光装置发射一激光光束形成的光路，所述激光光束经所述目标物反射形成一反射光路，所述楔形带通滤光片、所述接收透镜、所述光敏器件和所述光阑设置于所述反射光路上；

所述光阑设置于所述接收透镜和所述光敏器件之间，或者，所述光阑设置于所述楔形带通滤光片和所述接收透镜之间。

2.一种基于权利要求1所述激光三角测距系统的激光三角测距方法，包括步骤：

S1：建立所述激光三角测距系统；

S2：所述微处理器控制所述激光装置向一目标物发射所述激光光束，形成一激光光路和一反射光路；

S3：调整所述激光装置或所述楔形带通滤光片，使得所述反射光路穿过所述楔形带通滤光片、所述接收透镜和所述光阑并照射于所述光敏器件上；

S4：所述微处理器对所述光敏器件进行采样，获得光斑强度信号；

S5：根据所述光斑强度信号测量所述目标物与所述激光装置之间的距离。