CN1912648B - 激光尺光学系统 - Google Patents

Abstract

一种用于对待测物进行测距的激光尺光学系统，包括激光光源、发射端透镜组件、接收端透镜组件、具有反射曲面的曲面反射组件和具有光接收表面的光接收组件。其中，激光光源发出的发射光线经过发射端透镜组件到达待测物，经待测物反射后的反射光线，经由接收端透镜组件后形成接收光线。该接收光线可部分直接入射至光接收组件的光接收表面，同时，该曲面反射组件的反射曲面能将前述接收光线中未能直接入射至光接收组件的光接收表面的剩余接收光线反射至光接收组件的光接收表面。

Description

激光尺光学系统

【技术领域】

本发明涉及一种激光尺，尤其涉及一种激光尺光学系统的结构。

【背景技术】

激光尺(或称激光测距仪)是采用激光光源测量距离的重要装置之一。常用的激光尺使用激光光源发送调制光到目标上，由该目标物来反射激光信号至一个光接收组件，光接收组件一般是一个崩溃光电二极管(AvalanchePhoto Diode，APD)，它将光信号转化成电信号。激光尺光学系统计算发送脉冲和接收脉冲两者之间的时间差的一半，再乘以光速即可获得距离值。

但是，激光测距在近距离、高精度领域的应用还有很多技术困难点，如近距离的光线接收问题、光接收组件接收光能量大小的限制问题、高精度测量时的光路等程设计等。

目前，现有技术中采用激光尺进行近距离测量的方法大致是：将接收的光经由一透镜汇聚耦合入一光纤，由光纤传输到一定的距离后再耦合出来，经过一个小的透镜汇聚到光接收组件。采用光纤传输的优点在于，可使光接收组件的设置位置具有较大的自由度，可同时分别适用于远距离和近距离的激光测距。

如图9至图12所示，美国专利第5,949,531号即针对近距离测量的光接收方面提出了若干方案。如图9所示，其采用电动机11带动滚轮12推动弹片13来改变接收光纤14的位置，再将光能传输到光接收组件15上，以实现近距离反射光线的接收。图10的方案采用了反射镜21，将较近目标的大角度入射光线通过镜面反射到接收光纤14上，再传回光接收器件，但这种方式会造成一定程度的光线弯曲和散射。图11所示方案则使用一块三角棱镜31，来偏折入射角度过大的光线以测量近处目标，但此三角棱镜31对部分远处目标的反射光线也会产生偏折，从而使得接收光纤14接收不到足够的光能量，因此在测量较远物体时需去除此组件。在图12中，其采用了衍射组件41，这种组件可以很好地处理各种入射角的光线，但其结构比较复杂，成本经济效益较不理想。

同时，这些设计都未能解决远、近测量时能量的比值问题。而且，其中有的方案需要有电机带动(如图9所示)，或是测量远近不同距离时需将特定组件插入、拔出于光回路中。这些额外的机构与构件将给系统增加不稳定因素而使系统的可靠度降低，同时也会使系统的制造成本增加。而且，光纤的使用，虽然方便了机构位置的设定，但能量必然有所损失，使整体光能的利用率下降。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种激光尺光学系统，其在无测量目标物的条件下，特别是在近距离测距的情形下，实现光接收组件在整个激光尺的测量范围(0.3-30米)内均能获得光信号，且光信号的能量满足崩溃光电二极管的受光范围需求。

为实现上述目的，本发明提供一种用于对一待测物进行测距的激光尺光学系统，其包括激光光源、发射端透镜组件、接收端透镜组件、具有反射曲面的曲面反射组件和具有光接收表面的光接收组件。其中，激光光源发出的发射光线经过发射端透镜组件到达待测物，经待测物反射后的反射光线，经由接收端透镜组件后形成接收光线。该接收光线可部分直接入射至光接收组件的光接收表面，同时，该曲面反射组件的反射曲面能将前述接收光线中未能直接入射至光接收组件的光接收表面的剩余接收光线反射至光接收组件的光接收表面。

本发明的激光尺光学系统利用曲面反射组件对光线的反射作用，实现近距离测量光线的接收。并且，利用非球面技术加工曲面反射面组件，使得在无测量目标物的条件下，能够实现光接收组件在整个激光尺的测量范围(0.3-30米)内均能获得光信号，且光信号的能量可满足光接收组件的受光范围需求。

另外，本发明采用曲面反射组件，充分利用光能量，提高信噪比；并利用系统自身的特点，实现整个测量范围内的能量一致性，无过多的附加结构。同时，本发明的激光尺光学系统还具有结构简单、无活动组件、公差宽松、组件加工量产性高、便于量产等优点。

【附图说明】

图1是本发明测量较远距离目标时的光路图。

图2是本发明测量较近距离目标时的光路图。

图3是图2沿系统中轴线旋转一定角度的视图。

图4是本发明曲面反射组件第一设计方案的结构示意图。

图5是本发明曲面反射组件第二设计方案的结构示意图。

图6是本发明的光学系统的示意图。

图7是显示在不同量测距离时反射光线的路径变异图。

图8是显示在如图7所示的路径变异图中加入一曲面反射组件后对光路径的影响。

图9是采用光纤的现有技术的光路图。

图10是采用反射镜的现有技术的光路图。

图11是采用三角棱镜的现有技术的光路图。

图12是采用衍射组件的现有技术的光路图。

【具体实施方式】

有关本发明激光尺光学系统的详细说明及技术内容，现即结合附图说明如下：

请参阅图6，本发明激光尺光学系统是一种用于对一待测物进行测距的光学系统，其包括激光光源5、发射端透镜组件4、接收端透镜组件1、具有反射曲面20的曲面反射组件2和具有光接收表面30的光接收组件3。

如图1、图2及图3所示，在图1中是显示本发明的激光尺用以量测一个远距离目标时的光路图，而图2则显示一个量测近距离目标时的光路图，图3与图2相似，但是显示图2的实施方式中沿系统中轴线旋转一定角度所形成的视图。在这些实施方式中，激光光源5发出的发射光线经过发射端透镜组件4到达待测物(未图示)，经待测物反射后的反射光线，经由接收端透镜组件1后形成接收光线。该接收光线可部分直接入射至光接收组件3的光接收表面30，同时，该曲面反射组件2的反射曲面20能将前述接收光线中未能直接入射至光接收组件3的光接收表面30的剩余接收光线，反射至光接收组件3的光接收表面30。

其中，该曲面反射组件2可以由两个或两个以上的普通球面反射组件24、25(图4)组合而成，或者由单个非球面反射组件(未图示)构成，也可以是自由曲面反射组件26(图5)。

若该曲面反射组件2为一非球面反射组件，则其曲率半径可为10～30mm，锥形(conic)系数为-50～40，四次、六次非球面系数均为0，八次非球面系数为-0.00035～0.0001，十次非球面系数为-0.00002～0.00003，且八次非球面系数和十次非球面系数不能同时大于0。

如图6所示，该接收端透镜组件1为一非球面透镜。考虑到激光发射光束与和光接收组件3的干涉问题，本发明激光尺光学系统接收端透镜组件1在对应发射光线透射的位置处设有一孔或缺口11，以避免发射和接收光束之间的干涉。

如图1所示，本发明在应用于测量较远距离时，反射光线几乎以平行的角度入射，经接收端透镜组件1的汇聚，直接聚焦到光接收组件3的光接收表面30上。当用于测量近距离时，如图2及图3所示，反射光线以某一倾斜角度入射，经接收端透镜组件1的汇聚，其中部分光线到达曲面反射组件2，并经过反射曲面20反射，因为曲面曲率非固定值，使光线向几个方向发散，其中的一部分被光接收组件3接收。测量近距离时，距离不同，光线入射到反射曲面20的角度也不同，反射方向也随之变化。利用特殊设计的曲面，使得不同入射方向的光线反射后的方向总是涵盖光接收组件3受光面积所处的位置，从而得以确保光线到达光接收组件3。

本发明针对的待测物可以是人为设置的待测目标物，或者也可以是一自然目标物。本发明的光接收系统针对于测量反射面为自然物的反射面的情况进行设计，可实现无目标物的激光测距。

该光接收组件3可以是一个崩溃二极管。本发明激光尺光学系统利用光接收组件3的接收面积和近距离光焦点偏移的特性，可实现近距离测量时对光线的选择。使在整个量程内，光接收组件3所接收的信号能量差值不至于过大，降低了后期电路对信号的处理的困难度。

该曲面反射组件2可以放置在如图1、图2所示的位置，也可以放置在接收端透镜组件1的附近，或是这两个位置之间的任一特定位置，这主要取决于曲面的设计。至于该曲面反射组件2设于接收端透镜组件1和光接收组件3之间的具体位置，则是可以通过计算机仿真试验控制获得。

再如图7所示，本发明激光尺光学系统在测量近距离时，因被待测物反射过来的反射光线的信号光斑偏离接收端透镜组件1(非球面镜)的光轴，而无法到达光接收组件3的光接收表面30。随着距离越来越近，光线经接收端透镜组件1(非球面镜)后的汇聚点也越来越偏离非球面镜的光轴。

而如图8所示，由于光线经接收端透镜组件1后的偏折角度随着量测距离的不同而有所变化，因而在该角度的变化范围内，可以取中间值的角度，即如图8中的深色直线所代表的光线。为使沿该角度的光线能够到达光接收组件3的光接收表面30，我们将曲面反射组件2放置在该光线经过的光路上，并假设其反射曲面20凹处的切线为一平面镜，如图8的浅色虚线(切线)所示，从而得以确定曲面反射组件2的位置。

因曲面反射组件2的反射曲面20的特殊性，使得偏折角度不同的光线均可经反射曲面20的某一小块区域反射到达光接收组件3的光接收表面30，从而实现了近距离的测量。

因此，本发明的激光尺光学系统利用曲面反射组件2对光线的反射作用，实现近距离测量光线的接收。并且，利用非球面技术加工曲面反射面组件，使得在无测量目标物的条件下，能够实现光接收组件在整个激光尺的测量范围(0.3-30米)内均能获得光信号，且光信号的能量可满足光接收组件的受光范围需求。

本发明可使得由激光光源5所在的发射端发出的发射光线经接收端透镜组件1的汇聚后，直接入射到光接收组件3上，或再经过曲面反射组件2入射到光接收组件3上，光能利用率明显的比前述现有技术中所揭示的来得高。

另外，本发明激光尺光学系统采用曲面反射组件2，能充分利用光能量，提高信噪比；并利用系统自身的特点，实现整个测量范围内的能量一致性，无过多的附加结构。同时，本发明的激光尺系统还具有结构简单、无活动组件、公差宽松、组件加工量产性高、便于量产等优点。

Claims (10)

1.一种激光尺光学系统，可以对待测物进行测距；其特征在于：其包括激光光源、发射端透镜组件、接收端透镜组件、具有反射曲面的曲面反射组件和具有光接收表面的光接收组件；光源发出的发射光线经过发射端透镜组件到达待测物，经待测物反射后的反射光线，经由接收端透镜组件后形成接收光线，该曲面反射组件的反射曲面能将前述接收光线中未能直接入射至光接收组件的光接收表面的部份接收光线反射至光接收组件的光接收表面。

2.如权利要求1所述的激光尺光学系统，其特征在于：该曲面反射组件由两个或两个以上的普通球面反射组件组合而成。

3.如权利要求1所述的激光尺光学系统，其特征在于：该曲面反射组件由单个非球面反射组件构成。

4.如权利要求3所述的激光尺光学系统，其特征在于：该非球面反射组件的曲率半径为10～30mm，锥形系数为-50～40，四次、六次非球面系数均为0，八次非球面系数为-0.00035～0.0001，十次非球面系数为-0.00002～0.00003，且八次非球面系数和十次非球面系数不能同时大于0。

5.如权利要求1所述的激光尺光学系统，其特征在于：该曲面反射组件是自由曲面反射组件。

6.如权利要求1或2或3或5所述的激光尺光学系统，其特征在于：该曲面反射组件设于接收端透镜组件和光接收组件之间，其具体位置通过计算机控制仿真而获得。

7.如权利要求6所述的激光尺光学系统，其特征在于：该接收端透镜组件为一非球面透镜。

8.如权利要求7所述的激光尺光学系统，其特征在于：该接收端透镜组件在对应发射光线透射的位置处设有一孔或缺口，以避免发射光线和接收光线之间产生干涉。

9.如权利要求8所述的激光尺光学系统，其特征在于：该光接收组件是一个崩溃二极管。

10.如权利要求1所述的激光尺光学系统，其特征在于：该曲面反射组件不可运动地与光接收组件之间的保持既定距离。

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