CN102645738A - 激光测距仪及适用其接收光线的聚光镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于激光测距仪接收光线的聚光镜及具有该聚光镜的激光测距仪，包括主镜体，其特征在于，上主镜体形成或附着有位于其出光侧的用于近距物体散射光接收时进行聚焦纠偏的纠偏镜区，上述主镜体的镜心位于上述纠偏镜区内，上述纠偏镜区包括用于对应不同距离的近距物体聚焦纠偏的一个以上的纠偏区域。

Description

激光测距仪及适用其接收光线的聚光镜
技术领域
本发明涉及一种激光测距仪及聚光镜，具体涉及一种激光测距仪适用于激光测距仪接收光线的聚光镜；属于光学设备领域。
背景技术
激光测距仪的光学系统包含激光发射系统和光信号接收系统，发射系统和接收系统的两个光轴相互平行设置，参照图1所示，探测元件6的感应面位于接收系统的焦点上。激光发射系统将激光准直成激光束1照准超近距离的物体表面2，散射光3由聚光镜4会聚成大的光斑，所形成的光斑质心远远偏离聚光镜4的焦点，信号光线无法进入探测元件6。因此，现有的聚光镜4往往不能够很好的接收光线，并对探测元件6构成稳定光线输入，对测距造成影响。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够有效的接收出射激光打在近距离物体产生的散射光并汇聚至探测元件的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜和具有该聚光镜的激光测距仪。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，包括主镜体，其特征在于，上述主镜体形成或附着有位于其出光侧的用于近距物体散射光接收时进行聚焦纠偏的纠偏镜区，上述主镜体的镜心位于上述纠偏镜区内，上述纠偏镜区包括用于对应不同距离的近距物体聚焦纠偏的一个以上的纠偏区域。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏区域从大到小构成嵌套结构，较小的纠偏区域嵌套在较大的纠偏区域内。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述镜心位于上述纠偏镜区内最大的纠偏区域内。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏镜区包括有与上述主镜体边缘重合的边缘。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏区域由主镜体设有的凹槽区域形成。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏区域由主镜体设有的凸起区域形成。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述主镜体为一面凸起一面平直的透镜，构成上述纠偏镜区的结构形成或附着于上述主镜体平直的一面。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述主镜体为非球面镜。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述主镜体边缘形成有一段直线段。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏镜区包括一个以上的用于补偿由于激光测距仪激光出射透镜的光轴与主镜体光轴不同轴造成的测量过度波动的补偿型纠偏区域。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述补偿型纠偏区域包括：宽度由主镜体边缘向镜心越来越大的第一类纠偏区域。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第一类纠偏区域的轮廓线包括两条构成宽度边界的第一类侧边线。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第一类侧边线为直线段。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述补偿型纠偏区域包括：宽度由主镜体边缘向镜心先增大然后减小的第二类纠偏区域。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类纠偏区域的轮廓线包括两条构成宽度边界的第二类侧边线。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线其中一条为曲线段。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述为曲线段的第二类侧边线由符合高斯函数的曲线中的一段构成。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线的另一条为一条直线段。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线的另一条分为端点相交的两个直线段，它们所成的夹角中的较小的一个为锐角。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线构成镜像对称。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线其中一条分为端点相交的两个直线段，它们所成的夹角中的较小的一个为锐角。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线的另一条为一条直线段。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线构成镜像对称。
前述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述补偿型纠偏区域靠近镜心处的宽度大于靠近边缘处的宽度。
一种激光测距仪，包括：射出透镜，其特征在于，还包括上述聚光镜，上述射出透镜和上述主镜体的光轴平行但不重合，经过上述射出透镜焦点并垂直于上述主镜体光轴的方向为高度方向，同时垂直于上述高度方向和激光射出方向为宽度方向，上述纠偏镜区设置于主镜体靠近上述射出透镜的一侧，并且高度方向上的尺寸小于主镜体高度方向的尺寸。
本发明的有益之处在于：提供一种有效的接收出射激光打在近距离物体产生的散射光并汇聚至探测元件的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜和应用了该聚光镜的激光测距仪。 
附图说明
图1是现有的激光测距仪的光学系统的原理示意图；
图2是本发明的聚光镜的第一个优选实施例的结构示意图；
图3是本发明的聚光镜的第二个优选实施例的结构示意图；
图4是本发明的聚光镜的第三个优选实施例的结构示意图；
图5是本发明的聚光镜的第四个优选实施例的结构示意图；
图6是本发明的聚光镜的第五个优选实施例的结构示意图；
图7是本发明的聚光镜的第六个优选实施例的结构示意图；
图8是本发明的纠偏原理示意图；
图9是本发明的激光测距仪的光线系统一个优选实施例的结构示意图。
图中附图标记的含义：
1、激光束，2、物体，3、散射光，4、聚光镜，5、会聚光，6、探测元件，7、主镜体，8、纠偏区域，9、第一类纠偏区域，10、第一类侧边线，11、第二类纠偏区域，12、第二类侧边线，13、射出透镜；c、射出透镜的光轴对应的投影点，O、镜心，H、高度方向，W、宽度方向，F1、主镜体光轴，F2、出射透镜的光轴。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图2至图7所示，本发明的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜主要包括主镜体7。主镜体7可以采用一般的凸透镜，作为一种优选方案，主镜体7为一面凸起一面平直的透镜，其中凸起的一面为非球面的，即其为非球面镜。并且，主镜体7的轮廓可以是圆，也可以是由将圆切除一部分使其轮廓边缘形成一段直线段，如图3至图7所示。
主镜体7形成或附着有位于其出光侧的用于近距物体散射激光束接收时进行聚焦纠偏的纠偏镜区，主镜体7的镜心O位于纠偏镜区内，纠偏镜区包括用于对应不同距离的近距物体聚焦纠偏的一个以上的纠偏区域8。作为一种优选方案，纠偏区域8可以由主镜体7在出光侧设有的凹槽和凸起形成，参照图8所示，为了能够实现纠偏，形成纠偏区域8的凹槽或凸起应该形成有与主镜体光轴F1形成非90度夹角的倾斜平面，为使光线汇聚而不是发散，所以该平面倾斜方向应该是使光线向探测元件6汇聚，如图8中纠偏区域8的倾斜平面所示的那样。
由于激光测距仪需要测量各个距离的物体2，所以，纠偏镜区内包括一个以上的纠偏区域8。参照图6至图7所示。
参照图2至图5所示，当仅有一个纠偏区域8的时候，该纠偏区域8即为整个纠偏镜区；当纠偏区域8的数目大于1时，即纠偏镜区存在多个纠偏区域8时，不同纠偏区域8为了对应不同的测量距离的纠偏，它们的所形成的用于纠偏的倾斜平面与主镜体光轴F1的夹角也是不同的。就它们在主镜体7上的大小和形状而言，纠偏区域8从大到小构成嵌套结构，较小的纠偏区域嵌套在较大的纠偏区域内。需要说明的是，主镜体7的镜心O位于纠偏镜区中最大的纠偏区域内或者与最大的纠偏区域的边缘重合，本发明中所指的镜心O是指主镜体7的焦点以主镜体光轴F1作为投影线在主镜体7上投影所对应的点。这样的好处在于，由于能够保证测量数据的连续性。因为经过我们检测，如果镜心O位于纠偏镜区之外，则光线的在纠偏镜区边缘和镜心O之间的部分时，由于得不到纠偏又位于镜心O这个特殊位置附近，使测量的数据波动较大。
作为一种优选方案，纠偏镜区包括有与主镜体7边缘重合的边缘，参照图2所示的实施例，由于该纠偏区域8即为整个纠偏镜区，所以，纠偏区域8的边缘即为整个纠偏镜区的边缘，如图2所示，可以看出，纠偏区域8在图中下方的边缘与整个主镜体7的边缘是重合的，即该主镜体7的边缘同样也是纠偏镜区的边缘，纠偏镜区从主镜体7的边缘开始设置，这样的好处在于，使纠偏镜区能够覆盖到主镜体7边缘光线偏折严重的区域。当如图2至图5所示的实施例中，纠偏镜区包括多个纠偏区域8时，最大的纠偏区域的边缘与主镜体7的边缘重合，也可以是所有的纠偏区域均与主镜体7的边缘重合，即一种是较大的纠偏区域对较小的区域的完全包围，另一种是较大的纠偏区域对较小纠偏区域的半包围，它们具有相同的边缘。
关于纠偏区域8的形状，矩形等常见形状可以作为本发明的纠偏区域的一般选择，当然当纠偏区域8与主镜体7的边缘重合时，矩形其中一边会变成圆弧。
如果采用矩形等类似的形状构成纠偏区域8，其宽窄是不变的，因为发射激光的透镜的光轴不与主镜体光轴F1重合，位于主镜体7之外，这样一来会造成测量数据波动大，影响精度的情况，所以我们设计纠偏区域8形状时，希望越远离发射激光的透镜的光轴越宽，由于该光轴位于主镜体7之外，即越远离主镜体7边缘越窄。
需要说明的是，本发明申请文件中所说的高度方向H为射出透镜13焦点并垂直于上述主镜体光轴F1的方向，宽度方向W为同时垂直于上述高度方向H和激光射出方向的方向，也就是说高度方向H依赖于射出透镜13的位置，为了方便说明，图2至图7、图9中的竖直方向表示高度方向H，水平方向为宽度方向W。
参照图1、图8、图9，在实际测量时，由于远离射出透镜13的光轴，散射光3会衰弱，因此我们希望纠偏区域8通过宽度的变化进行增加来补偿。
因此，参照图2至图7所示，纠偏镜区包括一个以上的用于补偿由于激光测距仪激光出射透镜的光轴F2与主镜体光轴F1不同轴造成的测量过度波动的补偿型纠偏区域。
参照图2所示，作为优选方案，补偿型纠偏区域包括：宽度由主镜体7边缘向镜心O越来越大的第一类纠偏区域9。构成第一类纠偏区域9宽度边界的两条轮廓线为第一类侧边线10。
以下所说的宽度即为纠偏区域在宽度方向W上的尺寸。
如果我们认为散射光3的随远离射出透镜光轴的距离的衰弱的趋势是一定的没有逆转的，此时我们采用第一类纠偏区域9作为纠偏区域，进一步如果我们认为这种衰弱是线性的，那么第一类侧边线10为直线段。如图2所示，第一类纠偏区域9可以采用一个类似于梯形的形状。
参照图3至图6所示，作为优选方案，补偿型纠偏区域包括：宽度由主镜体7边缘向镜心O先增大然后减小的第二类纠偏区域11。第二类纠偏区域11的轮廓线包括两条构成宽度边界的第二类侧边线12。
经过实际的检测和研究，参照图8所示，我们发现由于激光束具有高斯光束的特性，高斯光束在空间传播的时候，其截面积是两头大，中间小，其边缘传播符合高斯函数，因此我们在采用前述的第一类纠偏区域9时，往往不能很好的获得有效的补偿，以使测量数据具有较好的稳定性。
所以在本发明中我们设计了第二类纠偏区域11，由于其宽度值是先增大然后减小的比较好的适应了激光束的高斯光速的特性，所以能够测量数据的稳定性有所提高。
作为优选方案，参照图3和图4所示，第二类纠偏区域11可以是一个镜像对称的形状，即两条第二类侧边线12是镜像对称的。作为优选，第二类侧边线12可是曲线段，尤其可以是由符合高斯函数的曲线中的一段构成的曲线段；也可以是由两个直线段相交而成。当有两个直线段相交而成时，如图3所示，两个直线段均通过自己其中一个端点与另一方相交，并且两个直线段相交所成的夹角不为90度；换言之，第二类侧边线12分为端点相交的两个直线段的两部分，它们所成的夹角中的较小的一个为锐角。
当然，为了能够实现补偿，第二类纠偏区域11并非一定是镜像对称的，参照图5所示，也可以是曲线段和两个直线分别作为第二类侧边线12两条中的一条，当然也可以是曲线段和直线段搭配构成两条第二类侧边线12，总之只要能使第二类纠偏区域11宽度值是先增大然后减小即可。
需要说明的是，即使第二类纠偏区域11的宽度值在由边缘靠近镜心O时有先变大后变小这样一个过程，靠近镜心O处的宽度也应该大于靠近边缘处的宽度。
作为一种优选方案，参照图6和图7所示，在这两个实施例中，为了针对不同距离设置有两个纠偏区域8，其中较大的一个为补偿型纠偏区域，它的内部是另一个纠偏区域，由于较小的纠偏区域是针对物体2在非常近距离的补偿，所以高斯光束的特性影响不是十分明显，出于尺寸和加工的考虑，所以这个纠偏区域8可以不采用补偿型纠偏区域，至于补偿型纠偏区域可以采用第一类纠偏区域9也可以采用第二类纠偏区域11，为了获得更好的稳定性，图6和图7均采用了第二类纠偏区域11。
本发明的激光测距仪，除了包括一般激光测距仪应有之组成部分，这些部分是本领域人员都应当知晓的在此不加赘述，还包括：射出透镜13和本发明的聚光镜4，射出透镜13和主镜体光轴F1平行但不重合，经过射出透镜焦点并垂直于主镜体光轴F1的方向为高度方向H，同时垂直于高度方向H和激光射出方向为宽度方向W，纠偏镜区设置于主镜体7靠近射出透镜13的一侧，并且高度方向H上的尺寸小于主镜体7高度方向H的尺寸。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (25)

1.适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，包括主镜体，其特征在于，上述主镜体形成或附着有位于其出光侧的用于近距物体散射光接收时进行聚焦纠偏的纠偏镜区，上述主镜体的镜心位于上述纠偏镜区以内，上述纠偏镜区包括用于对应不同距离的近距物体聚焦纠偏的一个以上的纠偏区域。
2.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏区域从大到小构成嵌套结构，较小的纠偏区域嵌套在较大的纠偏区域内。
3.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述镜心位于上述纠偏镜区内最大的纠偏区域内。
4.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏镜区包括有与上述主镜体边缘重合的边缘。
5.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏区域由主镜体设有的凹槽区域形成。
6.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏区域由主镜体设有的凸起区域形成。
7.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述主镜体为一面凸起一面平直的透镜，构成上述纠偏镜区的结构形成或附着于上述主镜体平直的一面。
8.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述主镜体为非球面镜。
9.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述主镜体边缘形成有一段直线段。
10.根据权利要求1所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述纠偏镜区包括一个以上的用于补偿由于激光测距仪激光出射透镜的光轴与主镜体光轴不同轴造成的测量过度波动的补偿型纠偏区域。
11.根据权利要求10所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述补偿型纠偏区域包括：宽度由主镜体边缘向镜心越来越大的第一类纠偏区域。
12.根据权利要求11所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第一类纠偏区域的轮廓线包括两条构成宽度边界的第一类侧边线。
13.根据权利要求12所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第一类侧边线为直线段。
14.根据权利要求10所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述补偿型纠偏区域包括：宽度由主镜体边缘向镜心先增大然后减小的第二类纠偏区域。
15.根据权利要求14所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类纠偏区域的轮廓线包括两条构成宽度边界的第二类侧边线。
16.根据权利要求15所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线其中一条为曲线段。
17.根据权利要求16所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述为曲线段的第二类侧边线由符合高斯函数的曲线中的一段构成。
18.根据权利要求16所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线的另一条为一条直线段。
19.根据权利要求16所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线的另一条分为端点相交的两个直线段，它们所成的夹角中的较小的一个为锐角。
20.根据权利要求16所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线构成镜像对称。
21.根据权利要求15所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线其中一条分为端点相交的两个直线段，它们所成的夹角中的较小的一个为锐角。
22.根据权利要求21所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线的另一条为一条直线段。
23.根据权利要求21所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述第二类侧边线构成镜像对称。
24.根据权利要求10至23任意一项所述的适用于激光测距仪接收光线的聚光镜，其特征在于，上述补偿型纠偏区域靠近镜心处的宽度大于靠近边缘处的宽度。
25.一种激光测距仪，包括：射出透镜，其特征在于，还包括如权利要求1至24任意一项所述的聚光镜，上述射出透镜和上述主镜体的光轴平行但不重合，经过上述射出透镜焦点并垂直于上述主镜体光轴的方向为高度方向，同时垂直于上述高度方向和激光射出方向为宽度方向，上述纠偏镜区设置于主镜体靠近上述射出透镜的一侧，并且高度方向上的尺寸小于主镜体高度方向的尺寸。
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