CN104931954B - 一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法 - Google Patents

一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法，包括激光发射器，激光侦测器和准直系统，偏振分光器1，所述激光发射器置于偏振分光器1的一侧，所述激光侦测器置于偏振分光器1的另一侧；在偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧分别各自放置有法拉第旋转器、半波片和镜子，偏振分光器1、法拉第旋转器、半波片和镜子共轴放置；本发明提供的共轴收发端光路设计方法降低了传统激光测距系统的光损耗，提升了系统的动态范围，从而使得距离测量更远，同时，采用本发明的共轴收发端光路设计能够避免反射光与光轴不平行的问题，使得距离测量更加精确。

Description

一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法
技术领域
本发明涉及测距机，具体涉及一种激光测距机使用的激光测距机的共轴收发端光路设计方法。
背景技术
传统激光测距系统的接收及发射光路大多是互相独立的，即在发射端，激光器发出的光束通过一个透镜系统准直后发出，而从被测物返回的激光则是通过另一个不同的透镜系统聚焦到激光测距系统的探测器上。在其他采用发射接收共光路的激光测距系统中，接收光路通过在发射光路内外加反射镜或透镜、或将透镜挖个缺口的方式实现，从而以将从被测物返回的激光会聚到探测器上。
在传统的激光测距系统中，互相独立的发射与接收光路造成反射光与光轴不平行，从而使得距离测量不够精准。另一方面，沿原路返回系统的光无法被收集到，造成系统接收效率降低，从而导致系统损耗大、系统动态范围降低，使得系统测量距离变短。上述的其他发射接收共光路的激光测距系统虽然比传统系统性能好，但仍然会造成一定程度的光损耗。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本发明的一个目的在于提供了一种激光测距机的共光路装置，旨在降低了传统激光测距系统的光损耗，提升了系统的动态范围，从而使得距离测量更远。同时，采用本发明的激光测距系统能够避免反射光与光轴不平行的问题，使得距离测量更加精确。
需要说明的是，本发明是基于发明人的下列发现而完成的：根据本发明的一个方面，本发明提供了一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法，包括激光发射器，激光侦测器和准直系统，还包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧分别各自放置有法拉第旋转器、半波片和镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和镜子共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别依次通过法拉第旋转器和半波片，射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统。
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别依次通过半波片和法拉第旋转器，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，回到激光侦测器。
激光发射光路和激光接收光路为同一光路。
另外，根据本发明上述实施例，激光测距机还可以具有如下附加的技术特征：
所述第一偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧至少有一侧镜子的数量大于或者等于1。
在激光发射光路中，激光通过半波片后的激光被法拉第旋转器旋转角度为45度。
在激光接收光路中，激光通过法拉第旋转器后的激光被半波片旋转角度为45度。
进一步的，根据本发明的实施例，本发明提供的激光测距机的共轴收发端光路设计方法，包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧分别各自放置有法拉第旋转器、半波片和一面镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和镜子共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别依次通过法拉第旋转器、半波片，再通过镜子的反射，第二射入偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别通过镜子的反射、再依次通过半波片和法拉第旋转器，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，回到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路共光路。
进一步的，根据本发明的实施例，本发明提供的一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法，包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧依次放置有法拉第旋转器和半波片，法拉第旋转器、半波片和第一偏振分光器共轴放置；
在第一偏振分光器的反射光一侧依次放置有法拉第旋转器、半波片和第一镜子和第二镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和第一镜子共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过法拉第旋转器和半波片，反射激光依次通过法拉第旋转器、半波片，再依次通过第一镜子和第二镜子的反射，两束激光射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过第二镜子和第一镜子的反射后，再依次通过半波片和法拉第旋转器，反射激光依次通过半波片和法拉第旋转器，两束激光，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路共光路。
进一步的，根据本发明的实施例，本发明提供的一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法，包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧依次放置有法拉第旋转器、半波片和第一镜子和第二镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和第一镜子共轴放置；
在第一偏振分光器的反射光一侧依次放置有法拉第旋转器和半波片，法拉第旋转器、半波片和第一偏振分光器共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过法拉第旋转器、半波片，再依次通过第一镜子和第二镜子的反射，反射激光依次通过法拉第旋转器和半波片，两束激光射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过半波片和法拉第旋转器，反射激光依次通过第二镜子和第一镜子的反射后，再依次通过半波片和法拉第旋转器，两束激光，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，回到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路共光路。
本发明主要是通过偏振分光器、法拉第旋转器、波片将激光测距系统中激光器发射的光束按照不同的偏振态分光，并使得不同偏振的光通过不同的光路。而从被测物返回的光束按照不同的偏振态通过不同的光路会聚到系统的探测器上。这种设计中，虽然两个不同偏振态的光在测距系统内通过不同的光路，但发射与接收的光共光路，从而避免了反射光与光轴不平行的问题。
本发明原理如下，激光测距系统的发射光路如图1所示，激光器发出激光后，先经由第一偏振分光镜分成偏振相互垂直的两束光，接下来，这两束光的偏振会分别被法拉第旋转器旋转45°，再经过半波片，使得这两束光获得与初始状态垂直的偏振。因此，原本可以穿透第一偏振分光器的光在离开第二偏振分光器时被反射，而原本被第一偏振分光器反射的光在离开第二偏振分光器时会穿透，最终，这两束光在第二偏振分光器处重合，经过准直系统从激光测距系统发出。
激光测距系统的接收光路如图2所示，经被测物反射回到激光测距系统的光，会先被第二偏振分光器分成偏振相互垂直的两束光，接下来，这两束光的偏振态先被半波片旋转45°，再经由法拉第旋转器变成初始的偏振。因此，原本可以穿透第二偏振分光器的光在离开第一偏振分光器时仍是穿透，而原本会被第二偏振分光器反射的光在离开第一偏振分光器时仍然被反射，最终，这两束光在第一偏振分光器处重合，并送到探测器中。
而现有技术中的其他光路系统，通常会采用让激光发射器发射的激光先通过中间被挖空的镜子，再透过准直系统，将激光发出测距机外如图3所示，返回的激光经过准直系统后，光束打到镜子未被挖空的部分会被反射至激光探测系统如图4所示，而当光束打到镜子被挖空出，则不会接收。未被接受的光就是接受光损耗的来源。假设透过准直系统的光能量为A0，穿过的能量为A1，其损耗为A1/A0。
本发明的有益效果：本发明降低了传统激光测距系统的光损耗，提升了系统的动态范围，使得距离测量更远。同时避免了反射光与光轴不平行的问题，使得距离测量更加精确，与其他共光路的方案相比，也无需在光路内外加透镜或反射镜，在光路上不会有部分光束被损失。
本发明还利用法拉第旋转器的非互易特性，并搭配具备互易特性的波片，使得反射光在回到偏振分光器时，是会聚到侦测器上，而非返回激光发射器中。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明提供的实施例1中一种激光测距机激光发射光路示意图
图2为本发明提供的实施例1中一种激光测距机激光接收光路示意图
图3为本发明现有激光测距机激光发射光路示意图
图4为本发明现有激光测距机激光接收光路示意图
图5为本发明提供的实施例2中一种激光测距机激光发射光路示意图
图6为本发明提供的实施例2中一种激光测距机激光接收光路示意图
图7为本发明提供的实施例3中一种激光测距机激光发射光路示意图
图8为本发明提供的实施例3中一种激光测距机激光接收光路示意图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
激光测距系统的发射光路如图1所示，激光器发出激光后，先经由第一偏振分光镜分成偏振相互垂直的两束光，接下来，这两束光的偏振会分别被法拉第旋转器旋转45°，再经过半波片和镜子，使得这两束光获得与初始状态垂直的偏振。因此，原本可以穿透第一偏振分光器的光在离开第二偏振分光器时被反射，而原本被第一偏振分光器反射的光在离开第二偏振分光器时会穿透，最终，这两束光在第二偏振分光器处重合，经过准直系统从激光测距系统发出。
激光测距系统的接收光路如图2所示，经被测物反射回到激光测距系统的光，会先被第二偏振分光器分成偏振相互垂直的两束光，接下来，这两束光分别通过镜子的反射，其偏振态再被半波片旋转45°，再经由法拉第旋转器变成初始的偏振。因此，原本可以穿透第二偏振分光器的光在离开第一偏振分光器时仍是穿透，而原本会被第二偏振分光器反射的光在离开第一偏振分光器时仍然被反射，最终，这两束光在第一偏振分光器处重合，并送到侦测器中。
实施例2
激光测距系统的发射光路如图5所示，激光器发射器发出激光后，先经由第一偏振分光器分成偏振相互垂直的两束光，接下来，这两束光的偏振会分别被法拉第旋转器旋转45°，再经过半波片，使得这两束光获得与初始状态垂直的偏振，其中，原本可以穿透第一偏振分光器的光在离开第二偏振分光器时被反射，而原本被第一偏振分光器反射的光在经过法拉第旋转器、半波片以及两个镜子的反射后再离开第二偏振分光器时会穿透，最终，这两束光在第二偏振分光器处重合，经过准直系统从激光测距系统发出。
激光测距系统的接收光路如图6所示，经被测物反射回到激光测距系统的光，会先被第二偏振分光器分成偏振相互垂直的两束光，其中被第二偏振分光器反射的激光先被半波片旋转45°，再经由法拉第旋转器变成初始的偏振，被第二偏振分光器折射的激光通过两个镜子的反射，再经由半波片旋转45°和法拉第旋转器变成初始的偏振。因此，原本可以穿透第二偏振分光器的光在离开第一偏振分光器时仍是穿透，而原本会被第二偏振分光器反射的光在离开第一偏振分光器时仍然被反射，最终，这两束光在第一偏振分光器处重合，并送到侦测器中。
实施例3
激光测距系统的发射光路如图7所示，激光器发射器发出激光后，先经由第一偏振分光器分成偏振相互垂直的两束光，接下来，这两束光的偏振会分别被法拉第旋转器旋转45°，再经过半波片，使得这两束光获得与初始状态垂直的偏振，其中，原本可以被第一偏振分光器反射的光的光在离开第二偏振分光器时被穿透，而原本穿透第一偏振分光器在经过法拉第旋转器、半波片以及两个镜子的反射后再离开第二偏振分光器时会反射，最终，这两束光在第二偏振分光器处重合，经过准直系统从激光测距系统发出。
激光测距系统的接收光路如图8所示，经被测物反射回到激光测距系统的光，会先被第二偏振分光器分成偏振相互垂直的两束光，其中被第二偏振分光器折射的激光先被半波片旋转45°，再经由法拉第旋转器变成初始的偏振，被第二偏振分光器反射的激光通过两个镜子的反射，再经由半波片旋转45°和法拉第旋转器变成初始的偏振。因此，原本可以会被第二偏振分光器反射的光在离开第一偏振分光器时仍是反射，而原本穿透第二偏振分光器的光在离开第一偏振分光器时仍然被穿透，最终，这两束光在第一偏振分光器处重合，并送到侦测器中。

Claims (5)

1.一种激光测距机的共轴收发端光路设计方法，包括激光发射器，激光侦测器和准直系统，其特征在于，还包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧分别各自放置有法拉第旋转器、半波片和镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和镜子共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别依次通过法拉第旋转器旋转45°，再经过半波片，使得这两束光获得与初始状态垂直的偏振，射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，原本可以穿透第一偏振分光器的光在离开第二偏振分光器时被反射，而原本被第一偏振分光器反射的光在离开第二偏振分光器时会穿透，最终，这两束光在第二偏振分光器处重合，汇聚成一束激光，通过准直系统从激光测距系统发出；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，这两束光的偏振态先被半波片旋转45°，再经由法拉第旋转器变成初始的偏振，射入第一偏振分光器，原本可以穿透第二偏振分光器的光在离开第一偏振分光器时仍是穿透，而原本会被第二偏振分光器反射的光在离开第一偏振分光器时仍然被反射，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，回到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路为同一光路。
2.根据权利要求1所述的激光测距机的共轴收发端光路设计方法，其特征在于，所述第一偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧至少有一侧镜子的数量大于或者等于1。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的激光测距机的共轴收发端光路设计方法，其特征在于：包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧和反射光一侧分别各自放置有法拉第旋转器、半波片和一面镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和镜子共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别依次通过法拉第旋转器、半波片，再通过镜子的反射，射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，所述两束激光分别通过镜子的反射、再依次通过半波片和法拉第旋转器，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，回到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路共光路。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的激光测距机的共轴收发端光路设计方法，其特征在于：包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧依次放置有法拉第旋转器和半波片，法拉第旋转器、半波片和第一偏振分光器共轴放置；
在第一偏振分光器的反射光一侧依次放置有法拉第旋转器、半波片和第一镜子和第二镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和第一镜子共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过法拉第旋转器和半波片，反射激光依次通过法拉第旋转器、半波片，再依次通过第一镜子和第二镜子的反射，两束激光射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过第二镜子和第一镜子的反射后，再依次通过半波片和法拉第旋转器，反射激光依次通过半波片和法拉第旋转器，两束激光，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路共光路。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的激光测距机的共轴收发端光路设计方法，其特征在于：包括
第一偏振分光器，所述激光发射器置于第一偏振分光器的一侧，所述激光侦测器置于第一偏振分光器的另一侧；
在第一偏振分光器的透射光一侧依次放置有法拉第旋转器、半波片和第一镜子和第二镜子，第一偏振分光器、法拉第旋转器、半波片和第一镜子共轴放置；
在第一偏振分光器的反射光一侧依次放置有法拉第旋转器和半波片，法拉第旋转器、半波片和第一偏振分光器共轴放置；
激光发射光路，激光器发射器发射的激光通过第一偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过法拉第旋转器、半波片，再依次通过第一镜子和第二镜子的反射，反射激光依次通过法拉第旋转器和半波片，两束激光射入第二偏振分光器，通过第二偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，通过准直系统；
激光接收光路，经被测物反射的激光通过准直系统后，再通过第二偏振分光器的透射和反射，分成两束激光，透射激光依次通过半波片和法拉第旋转器，反射激光依次通过第二镜子和第一镜子的反射后，再依次通过半波片和法拉第旋转器，两束激光，射入第一偏振分光器，通过第一偏振分光器的透射和反射，汇聚成一束激光，回到激光侦测器；
激光发射光路和激光接收光路共光路。
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