CN111308483B - 激光测距方法及用于激光测距的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学仪器技术领域，公开一种激光测距方法及用于激光测距的装置，以提高对环境的适应力、并提高测量精度。本发明装置包括：级联的至少两级镜片组，各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅；各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换，以将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种激光测距方法及用于激光测距的装置。
背景技术
激光测距因其抗干扰能力强，精度高的优势，自诞生以来，得到了极大的发展，在各行各业都发挥着巨大的作用。
激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播，在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间的距离D可表示为：
根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。传统的激光测距仪通常是单点测量，在实际操作过程中，测量到待测面的垂直距离需要将测量方向垂直于待测面，通常需要借助设备辅助定位，或者多次测量取最小值。从而造成数据不够精确。
发明内容
本发明目的在于公开一种激光测距方法及用于激光测距的装置，以提高对环境的适应力、并提高测量精度。
为达上述目的，本发明公开一种用于激光测距的装置，包括：
级联的至少两级镜片组，各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅；
各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换，以将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上。
优选地，本发明装置还包括：
光源，用于发射激光；
光接收模块，用于接收反射回的激光；
计时模块，用于记录激光发射的时间和所述光接收模块的接收时间；
数据处理模块，用于根据所述计时模块所记录时间计算激光发射与接收之间的时间差，以及根据该时间差计算不同偏转方向上同一测试点与不同反射点之间的距离，然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射面之间的垂直距离。
为达上述目的，本发明还公开一种激光测距方法，包括：
以级联的至少两级镜片组将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上，所述各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅；且各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换；
记录并计算激光发射与接收之间的时间差，根据该时间差计算不同偏转方向上同一测试点与不同反射点之间的距离，然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射平面之间的垂直距离。
本发明具有以下有益效果：
本发明以级联的至少两级镜片组将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上，在此基础上，基于三点可以确定一个平面，并结合光束偏转角的几何关系和各反射点与测试点之间的距离，实现本发明装置测试点与目标反射面之间垂直距离的测量，避免传统激光测距仪使用过程中测量方向与目标反射面不垂直时引入的测量误差，优化了用户体验。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的一种用于激光测距的装置的结构示意图。
图2为本发明实施例公开的一种激光测距算例中的坐标系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
本实施例公开一种用于激光测距的装置，包括：
级联的至少两级镜片组，各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅。
本实施例的偏振光栅通过控制材料的结构周期性排布实现光束衍射及偏转，主要用于将左旋圆偏振光偏转成+1衍射级的出射光，并将右旋圆偏振光偏转成-1衍射级的出射光。若人为对正负一级的定义相反，则前面的描述应被替换为：各所述偏振光栅分别用于将左旋圆偏振光偏转成-1衍射级的出射光，并将右旋圆偏振光偏转成+1衍射级的出射光。
本实施例装置中，各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换，以将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上。
通常，液晶盒可通过施加外部电压来改变液晶分子的偏转角度进而改变入射光的延迟量，而不同的延迟量可决定最终出射光的偏振状态。例如：任一液晶盒控制电路在向相对应的液晶盒施加外部电压U1时，该液晶盒用于将入射光偏转成左旋圆偏光；当该液晶盒控制电路在向该液晶盒施加外部电压U2时，该液晶盒用于将入射光偏转成右旋圆偏光；其中，各级镜片组中液晶盒所分别对应的外部电压U1与U2的取值彼此独立。换言之，各级镜片组的液晶盒可根据所接收入射光的状态事先进行所需切换的两种电压的人工标定。
优选地，本实施例中，各电控液晶盒可以进行编码后由单片机或类似功能的中央处理器等进行集中控制。藉此，一方面可实现各液晶盒状态的同步控制；而且，在后续计算垂直距离的过程中，可便捷地根据各光束所对应的一串控制各液晶盒状态的统一控制指令准确界定级联镜片组内的光束偏转角的几何关系的演变。
进一步的，本实施例用于激光测距的装置还包括：
光源，用于发射激光。
光接收模块，用于接收反射回的激光。
计时模块，用于记录激光发射的时间和所述光接收模块的接收时间。
数据处理模块，用于根据所述计时模块所记录时间计算激光发射与接收之间的时间差，以及根据该时间差计算不同偏转方向上同一测试点与不同反射点之间的距离，然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射平面之间的垂直距离。
优选地，本实施例光接收模块所接收的光为所发射激光原路返回的光；其中，离激光光源最近的所述镜片组为第一级镜片组，且在最末一级镜片组之后，还设置有用于确保出射激光和入射激光偏振态一致的偏振片。
优选地，本实施例级联镜片组的数量为二级，且第一级镜片组的偏振光栅与第二级镜片组的偏振光栅的栅线方向相互垂直，藉此，可方便建立直角坐标系。
如图1所示，将第一级镜片组中的液晶盒和偏振光栅分别记为第一液晶盒1和第一偏振光栅2，将第二级镜片组中的液晶盒和偏振光栅分别记为第二液晶盒3和第二偏振光栅4；且在第二偏振光栅4与目标反射平面之间还设有偏振片5。通常，一束线偏振光经过偏振光栅可得到±1级衍射光，而本实施例在液晶盒的作用下，能够实现对±1级的能量分布的调控。藉此，通过串联两个栅线方向相互垂直的偏振光栅并结合液晶盒的状态切换可以将光束分时偏转4个不同的方向。
如图2所示，假设：第一级镜片组中偏振光栅的衍射角为θ，第二级镜片组中偏振光栅的衍射角为并以第一级镜片组前的激光出射点为测试点所在的原点O，待测平面上的反射点分别为A、B、C、D，则二倍θ的角度与AOB的角度相等，二倍的角度与AOC的角度相等，以及以光束偏转的一个方向OA为y轴建立空间直角坐标系。可计算出测试点O到待测平面上点A、B、C、D的距离分别为r1、r2、r3、r4，由几何关系可知点A、B、C、D的坐标分别为(0，r1，0)、(r2sin2θ，r2cos2θ，0)、 设待测平面的法向量为可由任意三点根据下式关系求得：
进而求得测试点O到待测面的垂直距离d的计算公式为：
综上，本实施例公开的用于激光测距的装置，以级联的至少两级镜片组将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上，在此基础上，基于三点可以确定一个平面，并结合光束偏转角的几何关系和各反射点与测试点之间的距离，实现测试点与目标反射面之间垂直距离的测量，避免传统激光测距仪使用过程中测量方向与目标反射面不垂直时引入的测量误差，优化了用户体验。
实施例二
与上述装置实施例相对应的，本实施例公开一种激光测距方法，包括以下步骤：
步骤S1、以级联的至少两级镜片组将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上，所述各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅；且各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换。
步骤S2、记录并计算激光发射与接收之间的时间差，根据该时间差计算不同偏转方向上同一测试点与不同反射点之间的距离，然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射平面之间的垂直距离。
优选地，本实施例中接收激光为所发射激光原路返回的光，所述方法还包括：在最末一级镜片组之后，还设置有用于确保出射激光和入射激光偏振态一致的偏振片。
优选地，本实施例级联镜片组的数量为二级，且第一级镜片组的偏振光栅与第二级镜片组的偏振光栅的栅线方向相互垂直；所述然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射面之间的垂直距离包括：
步骤S21、获取第一级镜片组中偏振光栅的衍射角为θ，第二级镜片组中偏振光栅的衍射角为并以第一级镜片组前的激光出射点为测试点所在的原点O，待测平面上的反射点分别为A、B、C、D，以及以光束偏转的一个方向OA为y轴建立空间直角坐标系。
步骤S22、计算出测试点O到待测平面上点A、B、C、D的距离，假设分别为r1、r2、r3、r4，几何关系可知点A、B、C、D的坐标分别为(0，r1，0)、(r2sin2θ，r2cos2θ，0)、 设待测平面的法向量为可由任意三点根据下式关系求得：
求得测试点O到待测面的垂直距离d的计算公式为：
进一步的，本实施例方法还包括：
在上述实施例的测距装置中设置单点模式切换开关，以供用户在局部狭小空间等测距应用中，以类似于传统单点模式单光束的方式计算测试点与反射点之间的距离、或结合对应的偏转角粗略估算测试点与该反射点所在平面的垂直测距。作为一种变形，在测量测试点与目标反射面之间的垂直距离时，也可基于多光束单独计算后取最小值或平均值的方式进行处理。
同理，本实施例方法以级联的至少两级镜片组将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上，在此基础上，基于三点可以确定一个平面，并结合光束偏转角的几何关系和各反射点与测试点之间的距离，实现测试点与目标反射面之间垂直距离的测量，避免传统激光测距仪使用过程中测量方向与目标反射面不垂直时引入的测量误差，优化了用户体验。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于激光测距的装置，其特征在于，包括：
级联的至少两级镜片组，各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅；
各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换，以将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上；
光源，用于发射激光；
光接收模块，用于接收反射回的激光；
计时模块，用于记录激光发射的时间和所述光接收模块的接收时间；
数据处理模块，用于根据所述计时模块所记录时间计算激光发射与接收之间的时间差，以及根据该时间差计算不同偏转方向上同一测试点与不同反射点之间的距离，然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射平面之间的垂直距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光接收模块所接收的光为所发射激光原路返回的光；其中，离激光光源最近的所述镜片组为第一级镜片组，且在最末一级镜片组之后，还设置有用于确保出射激光和入射激光偏振态一致的偏振片。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，级联镜片组的数量为二级，且第一级镜片组的偏振光栅与第二级镜片组的偏振光栅的栅线方向相互垂直。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，各所述偏振光栅分别用于将左旋圆偏振光偏转成+1衍射级的出射光，并将右旋圆偏振光偏转成-1衍射级的出射光。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，各所述偏振光栅分别用于将左旋圆偏振光偏转成-1衍射级的出射光，并将右旋圆偏振光偏转成+1衍射级的出射光。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，任一液晶盒控制电路在向相对应的液晶盒施加外部电压U1时，该液晶盒用于将入射光偏转成左旋圆偏光；当该液晶盒控制电路在向该液晶盒施加外部电压U2时，该液晶盒用于将入射光偏转成右旋圆偏光；
其中，各级镜片组中液晶盒所分别对应的外部电压U1与U2的取值彼此独立。
7.一种激光测距方法，其特征在于，包括：
以级联的至少两级镜片组将最终出射至目标反射面的光束分时偏转到不同的方向上，所述各级镜片组分别由一个偏振光栅与一个电控液晶盒组成，各所述液晶盒分别设置有两种状态，状态1用于将入射光转换成左旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅，状态2用于将入射光转换成右旋圆偏振光后提供给同级的偏振光栅；且各所述电控液晶盒分别与相对应的液晶盒控制电路连接，各所述液晶盒控制电路分别用于根据指令控制相对应液晶盒的状态切换；
记录并计算激光发射与接收之间的时间差，根据该时间差计算不同偏转方向上同一测试点与不同反射点之间的距离，然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射平面之间的垂直距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，接收激光为所发射激光原路返回的光，所述方法还包括：
在最末一级镜片组之后，还设置有用于确保出射激光和入射激光偏振态一致的偏振片。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，级联镜片组的数量为二级，且第一级镜片组的偏振光栅与第二级镜片组的偏振光栅的栅线方向相互垂直；所述然后根据该测试点与不同反射点之间的距离、结合各级偏振光栅的衍射角以建立坐标系和方程组联立求解该测试点与激光反射面之间的垂直距离包括：
获取第一级镜片组中偏振光栅的衍射角为θ，第二级镜片组中偏振光栅的衍射角为并以第一级镜片组前的激光出射点为测试点所在的原点O，待测平面上的反射点分别为A、B、C、D，以及以光束偏转的一个方向OA为y轴建立空间直角坐标系；
计算出测试点O到待测平面上点A、B、C、D的距离，假设分别为r1、r2、r3、r4，几何关系可知点A、B、C、D的坐标分别为(0，r1，0)、(r2sin2θ，r2cos2θ，0)、 设待测平面的法向量为可由任意三点根据下式关系求得：求得测试点O到待测面的垂直距离d的计算公式为：
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