CN102004253A - 光电测距装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电测距装置，包含一个具有第一端和第二端的发射器，该发射器的第一端用于发射出一束测量光束至一个被测物体，一个用于接收由被测物体反射回或散射回的测量光束并将其转变成一个测量信号的接收器，一个可对该测量信号和一个参考信号进行滤波处理的信号处理装置，一个可对该测量信号与该参考信号的信息进行分析、以便由此确定被测物体距离的控制分析装置，其中，该发射器的第二端用于发射出一束参考光束，该参考光束由上述接收器接收并被转变成上述的参考信号。相比于现有技术，本发明所揭示的光电测距装置，无需采用额外的机械转换装置，且不减小发射至被测物体上的测量光束的能量，从而简化了装置的结构，提高了测距精度。

Description

光电测距装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种光电测距装置及其方法。
背景技术
光电测距装置，由于其测量精度高而被广泛应用于建筑、室内装潢等领域。其包含一个可以发出调制光束的发射器，该调制光束被被测物体反射或散射回并被一个光电接收器接收。现有技术中，通常有两种方法确定光电测距装置与被测物体之间的距离。一种是相位测距原理，基于调制光束发射和接收时的相位差确定光电测距装置到被测物体之间的距离。另一种是时间测距原理，根据接收到的调制光束相对于由发射器发出的调制光束的时间滞后，求得距被测物体的距离。
这种光电测距装置的测量精度受环境以及装置本身的影响，例如环境温度交替变化，光电接收器的温度漂移。现有技术中，通过在测距装置中设置一个具有预定长度的内参考光路来消除上述的因环境温度变化或是光电接收器的温漂而产生的相位漂移。
美国专利US05949531中揭示了在发射光路上设置一个机械转换装置用于在一个外部测量光路和内部参考光路之间切换发射器发射出的调制光束，从而使得经外部测量光路和经内部参考光路传播的调制光束先后被光电接收器所接收并相应的产生一个低频测量信号和一个低频参考信号，通过低频测量信号的相位与低频参考信号的相位的相减，消除测距装置的测量误差。通过机械转换使测量信号和参考信号交替到达光电接收器可以在一次测距过程中多次进行，但是，这种机械转换会产生大的机械负荷并且部件在此过程中会发生磨损，易损坏。另外机械转换装置又使得测距装置的内部结构和控制方法复杂化，增加了测距装置的制造成本、增大了体积和重量，不利于测距装置的小型化发展。
美国专利US06917415中通过在发射光路上设置一个分光装置将发射器发射出的调制光束分成两部分，一部分调制光束通过外部测量光路照射到被测物体上，一部分调制光束通过内部参考光路直接被光电接收器所接收，同样在光电接收器上相应的产生一个低频测量信号和一个低频参考信号。该方法消除了上述机械转换装置的缺点，但是由于一部分的调制光束被分光到内部参考光路上，使得通过外部测量光路照射到被测物体上的调制光束能量减小，从而影响光电测距装置的测距能力。
目前，用于光电测距装置上的发射器通常为一种半导体激光器，半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器。常用材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(Cds)、硫化锌(Zns)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。这里以砷化镓半导体激光器为例对其原理进行说明。参照图1和图2，图1是砷化镓半导体激光器的内芯结构，图2是砷化镓半导体激光器的封装结构。砷化镓半导体激光器的基本结构包括：工作物质，谐振腔和泵浦源。这里工作物质是指直接带隙的砷化镓半导体材料，也称作PN结；谐振腔一般是由垂直于PN结面的一对平行平面构成，它们一般是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面，其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用；泵浦源是通过PN结注入的电流。
图3示出了半导体激光器的原理模型。半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。由于半导体激光器的谐振腔是由半导体的解理面构成的，解理面一般情况下有35％的反射率，已足以引起激光振荡，若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率，因此两个解理面都可以发射出激光。在目前的实际使用中，只利用其中一个解理面发射出的激光束进行距离测量，这里将该用作距离测量的激光束定义为主激光束，为了保证该输出的主激光束的功率不受温度变化、电压波动的影响，目前是通过对另一个解理面发出的激光束的光强进行监控来实现对主激光束功率的自动补偿控制，这里将另一个解理面发出的激光束定义为补偿激光束。现有技术中通过在激光器模块中增加了一个光敏二极管来对补偿激光束进行监控，再通过外部元件实现控制主激光束的输出功率恒定。图4是现有技术中半导体激光模块的示意图，其中包含一个激光二极管(LD)和一个光敏二极管(PD)，激光二极管的两个解理面分别发射出主激光束和补偿激光束，光敏二极管对补偿激光束的光强进行监测。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点提供一种无需机械转换装置且具有较高测距能力的光电测距装置及其方法。
为了实现这个目的，本发明的光电测距装置，包含一个发射器，发射器具有一个第一端和一个第二端，该发射器的第一端用于发射出一束测量光束至一个被测物体，一个用于接收由被测物体反射回或散射回的测量光束并将其转变成一个测量信号的接收器，一个可对该测量信号和一个参考信号进行滤波处理的信号处理装置，一个可对该测量信号与该参考信号的信息进行分析、以便由此确定被测物体距离的控制分析装置，其中，该发射器的第二端用于发射出一束参考光束，该参考光束由上述接收器接收并被转变成上述的参考信号。
为了实现这个目的，本发明的光电测距方法包含发射器的第一端发射出一束测量光束至一个被测物体上，该测量光束被被测物体反射回或散射回，接收被被测物体反射回或散射回的测量光束并将其转变成一个测量信号，对测量信号进行处理并将其与一个参考信号进行比较，由测量信号和参考信号的信息确定被测物体的距离，其中，发射器的第二端发射出另一束参考光束，接收该参考光束并将其转变成上述的参考信号。
本发明中所揭示的光电测距装置及方法，发射器的第一端和第二端分别发射出一束测量光束和一束参考光束，相应的在接收器上产生一个测量信号和一个参考信号，基于测量信号和参考信号的信息确定被测物体的距离。相比于现有技术，本发明所揭示的光电测距装置及方法，无需采用额外的机械转换装置，且不减小发射至被测物体上的测量光束的能量，从而简化了测距装置的结构，提高了测距装置的精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术中砷化镓半导体激光器的内芯结构示意图。
图2是现有技术中砷化镓半导体激光器的封装结构示意图。
图3是现有技术中半导体激光器的原理模型示意图。
图4是现有技术中半导体激光模块的示意图。
图5是本发明的一种首选实施方式中的双激光束半导体激光器的示意图。
图6是结合了图5中双激光束半导体激光器的光电测距装置的距离测量原理图。
图7是本发明的又一种首选实施方式中的双激光束半导体激光器的示意图。
图8是结合了图7中双激光束半导体激光器的光电测距装置的距离测量原理图。
具体实施方式
本发明的光电测距装置采用了一种双激光束半导体激光器作为一个光信号发射器，双激光束半导体激光器是在现有半导体激光器基础上的改进，现有半导体激光器只利用其中一个解理面发射出的激光束进行距离测量，本发明中双激光束半导体激光器利用了其两个解理面上发射出的激光束进行距离测量。
如图5所示，本发明中的一种首选实施方式中的双激光束半导体激光器的示意图，双激光束半导体激光器10在其两个解理面11、12上分别发射出一束主激光束13和一束补偿激光束14，主激光束作为测量光束经外部测量光路发射到被测物体上，补偿激光束14经内部参考光路直接照射到光电接收器上。随着半导体技术的发展，温度对激光器功率的影响越来越小，在本实施例中，省略了可以对激光束功率进行监控的光敏二极管(PD)，在半导体激光器10的外部对应与两个解理面11、12的位置开设有窗口供主激光束13和补偿激光束14发射出来，即区别与现有技术中激光器仅一端发射出激光束，本实施例中双激光束半导体激光器10的两个端部分别发射出一束激光束。
图6是结合了图5中双激光束半导体激光器的光电测距装置的距离测量原理图。半导体激光器10的一端发射出主激光束13，也即测量激光束，该测量激光束13由一准直光学元件40校准后经过一个外部测量路径33照射到一个被测物体(图中未示出)上，被被测物体反射回或散射回的反射测量激光束被一个光学接收元件35接收并被送往光电接收器36。半导体激光器10的另一端发射出补偿激光束14，也即参考激光束，参考激光束14通过一对反光元件371、372被引向光电接收器36。参考激光束14所经过的从分光元件371、372至光电接收器36的路程构成了已知的内部参考光路37。
一高频调制信号321被传输给半导体激光器10对其发出的激光束进行幅度调制，该高频调制信号321由一个信号发生器31产生，该调制信号321被输出到双激光束半导体激光器10上对激光器10发射出的激光束进行调制。通过高频调制信号321对激光束的调制，经外部测量光路被光电接收器36接收到的反射测量激光束在光电接收器36上产生一个高频测量信号。信号发生器31还产生一个相似的高频频率信号322，该高频频率信号322经过一条连接导线被送给光电接收器36，在光电接收器36上高频测量信号与高频频率信号322混频从而产生一个低频测量信号。这里光电接收器36采用的是雪崩型光电二极管，同时可作为混频器使用。若采用普通的光电接收器，还需增加一个混频器元件用于对高频测量信号和高频频率信号进行混频处理。类似的，通过内部参考光路37被光电接收器36接收到的高频参考信号经与高频频率信号322混频后产生一个低频参考信号。当然本领域的普通技术人员可以很容易的想到，通过一个单独的光电接收器来接收高频参考信号。
在光电接收器36上先后产生的低频参考信号和低频测量信号被传输到一个信号处理装置38进行处理，通常在信号处理装置38中对低频测量信号和低频参考信号进行放大和滤波从而产生一个包含相位或时间信息的低频测量信号和低频参考信号，通常利用互阻放大器对信号进行放大，利用低通滤波器将信号中的高频信号部分滤掉。经信号处理装置38处理过的包含相位或时间信息的低频测量信号和低频参考信号进一步又被传输到控制器39中，控制器39基于低频测量信号和低频参考信号的信息计算出光电测距装置到被测物体之间的距离。
图7示出了本发明又一种实施方式中的双激光束半导体激光器的示意图，在该实施例中，双激光束半导体激光器20在其两个解理面21、22上分别发射出一束主激光束23和一束补偿激光束24，主激光束23作为测量光束经外部测量光路发射到被测物体上，补偿激光束24传输给光敏二极管(PD)25，光敏二极管25通过监测该补偿激光束24来实现控制主激光束23的输出功率恒定。在该实施例中，利用光纤26将补偿激光束24的一部分作为参考光束引导至光电接收器上。图8是结合了图7中双激光束半导体激光器的光电测距装置的距离测量原理图。其测量原理与上述实施例中的测量原理基本相同，其区别在于，双激光半导体激光器20的一端发射出测量激光束23，另一端连接有光纤26，光纤26将补偿激光束24的一部分作为参考光束从激光器20中引导出来。经光纤26传输出来的参考光束直接被光电接收器所接收并相应的产生一个参考信号。参考光束所经过的从光纤26至光电接收器36的路程构成了已知的内部参考光路。
优选的，在本发明上述两个实施例的参考光路上还可以增添一个调节光阀，该光阀可以调整透光率，从而控制从激光器的另一端发射出的参考光束的强度。
以上所描述的具体实施方式只是对本发明的构思和原理进行阐述，并非要对本发明的内容进行限制。本领域的普通技术人员可以意识到，除了上述首选的具体实施方式之外，本发明还有很多其他替代的或者修改的实施方式，这些替代的或者修改的实施方式仍然在本发明的范围之内。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (13)

1.一种光电测距装置，包含一个发射器，所述发射器具有一个第一端和一个第二端，所述发射器的第一端用于发射出一束测量光束至一个被测物体，一个用于接收由所述被测物体反射回或散射回的测量光束并将其转变成一个测量信号的接收器，一个可对所述测量信号和一个参考信号进行滤波处理的信号处理装置，一个可对所述测量信号与所述参考信号的信息进行分析、以便由此确定所述被测物体距离的控制分析装置，其特征是，所述发射器的第二端用于发射出一束参考光束，所述的参考光束由所述的接收器接收并被转变成所述的参考信号。
2.如权利要求1中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的发射器为一种半导体激光器。
3.如权利要求2中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的接收器为一种光电接收器。
4.如权利要求3中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的参考光束经一已知的内部参考光路被所述的接收器所接收。
5.如权利要求4中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的内部参考光路上设置有反光元件。
6.如权利要求4中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的内部参考光路上设置有光纤，所述光纤与所述发射器的第二端相连接。
7.如权利要求5或6中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的内部参考光路上设置有调节光阀。
8.如权利要求1-6中任一项中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的光电测距装置还包含一个可以产生调制信号的信号发生器。
9.如权利要求8中所述的光电测距装置，其特征在于，所述的调制信号对所述的测量光束和所述的参考光束进行幅度调制。
10.一种光电测距方法：发射器的第一端发射出一束测量光束至一个被测物体上，所述测量光束被所述被测物体反射回或散射回，接收被所述被测物体反射回或散射回的测量光束并将其转变成一个测量信号，对测量信号进行处理并将其与一个参考信号进行比较，由测量信号和参考信号的信息确定所述被测物体的距离，其特征是，发射器的第二端发射出另一束参考光束，接收所述的参考光束并将其转变成所述的参考信号。
11.如权利要求10中所述的光电测距方法，其特征在于，所述的参考光束经一已知的内部参考光路被接收。
12.如权利要求11中所述的光电测距方法，其特征在于，所述的测量光束和所述的参考光束被一个高频调制信号所调制。
13.如权利要求12中所述的光电测距方法，其特征在于，所述的测量信号和所述参考信号通过与一高频频率信号相混频被转换成低频测量信号和低频参考信号。
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