CN105044703A - 一种激光测距光学系统及其主波信号取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光测距光学系统及其主波信号取样方法，属于激光测距技术领域，包括依次排列的接收物镜、场镜、变换物镜和光电探测器，所述接收物镜、场镜和变换物镜设置为同光轴结构，所述场镜位于所述接收物镜的焦点处，所述接收物镜和场镜之间设置有反射镜一，所述反射镜一的中心位于接收物镜的光轴上，且所述反射镜一与接收物镜的光轴呈45°设置，所述反射镜一的一侧设置有反射镜二，所述反射镜一和反射镜二的中心位于同一直线并与所述接收物镜的光轴垂直，本发明具有结构紧凑，成本低，测量精度高，有效防止过强的主波信号对光电探测器造成损坏，适用范围广的特点。

Description

一种激光测距光学系统及其主波信号取样方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体地说涉及一种激光测距光学系统及其主波信号取样方法。

背景技术

激光测距是指利用射向测距目标的激光束来测量目标距离的一种测量技术。通过激光光源发射激光束，绝大部分的激光束经过激光发射系统发射至测距目标，并经测距目标反射后返回，作为回波激光束；回波激光束经过光电探测器接收，作为回波信号；很小一部分的激光束汇聚至光电探测器，作为主波信号；通过回波信号和主波信号的比较分析，结合测距方程得出所测量距离。

现有的激光测距系统中，光学系统有两种设计方案：一种是发射光路和接收光路分离的设计，整个系统较为复杂，难以做成小型化；另一种是发射光路和接收光路同轴的设计，其主波信号和回波信号需要经过不同的光电探测器，存在电路延时差异，降低测量精度。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种结构紧凑，成本低，测量精度高，有效防止过强的主波信号对光电探测器造成损坏，适用范围广的激光测距光学系统及其主波信号取样方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光测距光学系统，包括依次排列的接收物镜、场镜、变换物镜和光电探测器，所述接收物镜、场镜和变换物镜设置为同光轴结构，所述场镜位于所述接收物镜的焦点处，所述接收物镜和场镜之间设置有反射镜一，所述反射镜一的中心位于接收物镜的光轴上，且所述反射镜一与接收物镜的光轴呈45°设置，所述反射镜一的一侧设置有反射镜二，所述反射镜一和反射镜二的中心位于同一直线并与所述接收物镜的光轴垂直。

进一步，所述反射镜二与所述接收物镜的光轴平行设置。

进一步，所述反射镜一、反射镜二表面均镀有对激光光束高反射率的膜。

进一步，所述接收物镜的中央位置设置有通孔，所述通孔的孔径大于激光光束的直径。

进一步，所述接收物镜、场镜和变换物镜的表面均镀有对激光光束高透过率的膜。

进一步，所述光电探测器设置有对激光光束响应的光敏面，所述光敏面设置在所述变换物镜的焦点位置。

另，本发明还提供一种激光测距光学系统的主波信号取样方法，包括如下步骤：

(1)激光光束以45°的入射角度入射至反射镜一，所述激光光束入射的一侧与反射镜二所在的位置不同侧，所述激光光束的一部分被反射镜一反射并贯穿通孔，作为发射光束；所述激光光束的另一部分透射过反射镜一，作为透射光束；

(2)透射光束入射到反射镜二，并经反射镜二反射，作为反射光束；

(3)反射光束再次入射到反射镜一，所述反射光束的一部分被反射镜一反射，作为取样光束；

(4)取样光束依次经过场镜和变换物镜，最后入射至光敏面，获得主波信号。

进一步，所述发射光束贯穿通孔到达测距目标，并经测距目标反射，作为接收光束；所述接收光束入射至接收物镜，再依次经过场镜和变换物镜，最后入射至光敏面，获得回波信号。

进一步，所述主波信号的光强可以通过改变所述反射镜二的反射率进行调节。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用发射光路和接收光路同轴的设计，通过反射镜二的反射作用，完成主波信号的取样工作，结构紧凑、成本低。

2、本发明采用一个光电探测器，完成回波信号和主波信号的接收工作，避免产生电路延时差异，测量准确度高。

3、本发明可以根据发射激光的光强，调整反射镜二的反射率，从而调整主波信号的光强，有效防止过强的主波信号对光电探测器造成损坏。

4、本发明中的激光光束可以为连续激光或者脉冲激光，适用范围广。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的接收物镜俯视结构示意图。

附图中：接收物镜1、通孔11、反射镜一2、反射镜二3、场镜4、变换物镜5、光电探测器6、激光光束71、发射光束72、透射光束81、反射光束82、取样光束83、接收光束9。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种激光测距光学系统，包括依次排列的接收物镜1、场镜4、变换物镜5和光电探测器6，所述接收物镜1、场镜4和变换物镜5表面均镀有对激光光束71高透过率的膜，所述光电探测器6设置有对激光光束71响应的光敏面，所述光敏面设置在所述变换物镜5的焦点位置。

所述接收物镜1用于接收所述接收光束9，所述场镜4对偏离所述接收物镜1焦点的取样光束83、接收光束9进行汇聚，所述变换物镜5用于改变取样光束83、接收光束9的光斑大小，使其与所述光敏面大小相匹配，所述光电探测器6用于完成回波信号和主波信号的接收工作，避免产生电路延时差异，测量准确度高。

如图2所示，所述接收物镜1的中央位置设置有通孔11，所述通孔11的孔径大于激光光束71的直径，确保所述激光光束71能够顺利通过。

实施例二：

如图1所示，所述接收物镜1、场镜4和变换物镜5设置为同光轴结构，所述场镜4位于所述接收物镜1的焦点处，所述接收物镜1和场镜4之间设置有反射镜一2，所述反射镜一2采用边缘夹持方式，其中心位于接收物镜1的光轴上，并且所述反射镜一2与接收物镜1的光轴呈45°设置，促使发射光路和接收光路同轴。

所述反射镜一2的一侧设置有反射镜二3，所述反射镜二3与所述接收物镜1的光轴平行设置，所述反射镜一2和反射镜二3的中心位于同一直线并与所述接收物镜1的光轴垂直，通过反射镜二3的反射作用，完成主波信号的取样工作，结构紧凑、成本低。

所述反射镜一2、反射镜二3表面均镀有对激光光束高反射率的膜，所述反射镜一2对激光光束71的反射率为R1，透射率为T1，并且T1＝1-R1，99.5％<R1<100％，所述反射镜二3对激光光束71的反射率为R2，并且0<R2<100％，根据发射激光72的光强，调整反射镜二3的反射率R2，从而调整主波信号的光强，促使主波信号的光强与回波信号的光强大小相近，有效防止过强的主波信号对光电探测器6造成损坏，所述激光光束71可以为连续激光或者脉冲激光，适用范围广。

实施例三：

如图1-2所示，所述激光光束71为脉冲激光，功率为P，光束直径为20mm，脉宽为10ns，波长为1064nm，所述反射镜一2对激光光束71的反射率R1＝99.8％，透射率为T1＝0.2％，所述反射镜二3对激光光束71的反射率为R2＝90％，所述通孔11的孔径为25mm，本实施例的激光测距光学系统主波信号取样方法，包括如下步骤：

(1)激光光束71以45°的入射角度入射至反射镜一2，所述激光光束71入射的一侧与反射镜二3所在的位置不同侧，所述激光光束71的一部分被反射镜一2反射并贯穿通孔11，作为发射光束72；所述激光光束71的另一部分透射过反射镜一2，作为透射光束81，所述透射光束81的功率为P×0.2％，即为P×(1-99.8％)；

(2)透射光束81入射到反射镜二3，并经反射镜二3反射，作为反射光束82，所述反射光束82的功率为P×0.2％×90％，即为P×(1-99.8％)×90％；

(3)反射光束82再次入射到反射镜一2，所述反射光束82的一部分被反射镜一2反射，作为取样光束83，所述取样光束83的功率为P×0.2％×90％×99.8％，即为P×(1-99.8％)×90％×99.8％；

(4)取样光束83经过场镜4的汇聚作用后，入射至变换物镜5处，所述取样光束83经过变换物镜5进行光斑调整后，入射至光敏面，获得主波信号。

所述发射光束72贯穿通孔11到达测距目标，经测距目标反射，作为接收光束9；所述接收光束9入射至接收物镜1，再依次经过场镜4和变换物镜5，进行光束汇聚和光斑调整，最后入射至光敏面，获得回波信号，通过对回波信号和主波信号进行比较分析，结合测距方程得出测量距离。

本实施例中，主波信号的功率约为P×0.18％，根据发射激光72的光强，在反射镜二3表面镀不同反射率的膜，可以调整反射镜二3的反射率R2，从而调整主波信号的大小，可以有效防止过强的主波信号对光电探测器6造成损坏。

将本实施例中结合测距方程得出的测量距离，与实际距离进行比较，测量精确度为99.78％。

实施例四：

如图1-2所示，所述激光光束71为连续激光，功率为P，光束直径为15mm，波长为905nm时，所述反射镜一2对激光光束71的反射率R1＝99.6％，透射率为T1＝0.4％，所述反射镜二3对激光光束71的反射率为R2＝95％，所述通孔11的孔径为18mm，本实施例的激光测距光学系统主波信号取样方法，包括如下步骤：

(1)激光光束71以45°的入射角度入射至反射镜一2，所述激光光束71入射的一侧与反射镜二3所在的位置不同侧，所述激光光束71的一部分被反射镜一2反射并贯穿通孔11，作为发射光束72；所述激光光束71的另一部分透射过反射镜一2，作为透射光束81，所述透射光束81的功率为P×0.4％，即为P×(1-99.6％)；

(2)透射光束81入射到反射镜二3，并经反射镜二3反射，作为反射光束82，所述反射光束82的功率为P×0.4％×95％，即为P×(1-99.6％)×95％；

(3)反射光束82再次入射到反射镜一2，所述反射光束82的一部分被反射镜一2反射，作为取样光束83，所述取样光束83的功率为P×0.4％×95％×99.6％，即为P×(1-99.6％)×95％×99.6％；

(4)取样光束83经过场镜4的汇聚作用后，入射至变换物镜5处，所述取样光束83经过变换物镜5进行光斑调整后，入射至光敏面，获得主波信号。

所述发射光束72贯穿通孔11到达测距目标，经测距目标反射，作为接收光束9；所述接收光束9垂直入射至接收物镜1，再依次经过场镜4和变换物镜5，进行光束汇聚和光斑调整，最后入射至光敏面，获得回波信号，通过对回波信号和主波信号进行比较分析，结合测距方程得出测量距离。

本实施例中，主波信号的功率约为P×0.38％，根据发射激光72的光强，在反射镜二3表面镀不同反射率的膜，可以调整反射镜二3的反射率R2，从而调整主波信号的大小，可以有效防止过强的主波信号对光电探测器6造成损坏。

将本实施例中结合测距方程得出的测量距离，与实际距离进行比较，测量精确度为99.86％。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种激光测距光学系统，包括依次排列的接收物镜、场镜、变换物镜和光电探测器，所述接收物镜、场镜和变换物镜设置为同光轴结构，其特征在于：所述场镜位于所述接收物镜的焦点处，所述接收物镜和场镜之间设置有反射镜一，所述反射镜一的中心位于接收物镜的光轴上，且所述反射镜一与接收物镜的光轴呈45°设置，所述反射镜一的一侧设置有反射镜二，所述反射镜一和反射镜二的中心位于同一直线并与所述接收物镜的光轴垂直。

2.根据权利要求1所述的一种激光测距光学系统，其特征在于：所述反射镜二与所述接收物镜的光轴平行设置。

3.根据权利要求2所述的一种激光测距光学系统，其特征在于：所述反射镜一、反射镜二表面均镀有对激光光束高反射率的膜。

4.根据权利要求3所述的一种激光测距光学系统，其特征在于：所述接收物镜的中央位置设置有通孔。

5.根据权利要求4所述的一种激光测距光学系统，其特征在于：所述接收物镜、场镜和变换物镜的表面均镀有对激光光束高透过率的膜。

6.根据权利要求5所述的一种激光测距光学系统，其特征在于：所述光电探测器设置有对激光光束响应的光敏面，所述光敏面设置在所述变换物镜的焦点位置。

7.一种采用权利要求1-6任意一项所述的激光测距光学系统的主波信号取样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)激光光束以45°的入射角度入射至反射镜一，所述激光光束入射的一侧与反射镜二所在的位置不同侧，所述激光光束的一部分被反射镜一反射并贯穿通孔，作为发射光束；所述激光光束的另一部分透射过反射镜一，作为透射光束；

(2)透射光束入射到反射镜二，并经反射镜二反射，作为反射光束；

(3)反射光束再次入射到反射镜一，所述反射光束的一部分被反射镜一反射，作为取样光束；

(4)取样光束依次经过场镜和变换物镜，最后入射至光敏面，获得主波信号。

8.根据权利要求7所述的主波信号取样方法，其特征在于：所述发射光束贯穿通孔到达测距目标，并经测距目标反射，作为接收光束；所述接收光束入射至接收物镜，再依次经过场镜和变换物镜，最后入射至光敏面，获得回波信号。

9.根据权利要求8所述的的主波信号取样方法，其特征在于：所述主波信号的光强可以通过改变所述反射镜二的反射率进行调节。