CN105116557A - 分光片及其激光共轴测距仪和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分光片及其激光共轴测距仪和应用，包括光束源，还包括沿光轴方向依次设置的第二透镜、分光片和第一透镜，所述分光片上设有半透半反区和反射区，所述光束源发出的光束经半透半反区和第一透镜后形成平行光束照射至目标物，目标物反射光束经第一透镜聚拢并由反射区和半透半反区反射至测量位置或观察位置，该分光系统，可应用于测量系统或观察系统中。本发明解决了挖孔法中存在的物体返回激光泄露造成检测盲点的问题。本发明不仅提高了检测的信噪比，对一般物体实现了共轴测量，也对远处物体、弱反射和镜面物体实现了共轴测量。

Description

分光片及其激光共轴测距仪和应用

技术领域

本发明涉及光学测量、观察技术领域，具体涉及一种分光片及其激光共轴测距仪和应用。

背景技术

激光测距仪目前已广泛应用于工业、军事、科学研究等领域，一般的激光测量仪器采用激光发射光轴和激光接收光轴分离的工作方式，这种方式不但仪器体积大、制造成本高、以及测量信号信噪比低，而且对近距离测量和远距离测量都存在较大的测量困难。

为了解决分离光轴存在的困难，传统的方法是采用发射和接收共孔径的方法(共轴方法)，目前采用的方法共轴方法主要有三种，一种是半透/半反方法，该方法使大约50％的发射光能量通过分光片来照明物体，而从物体返回的光能量也只有50％达到检测器用于检测，实现在同一光路中实现激光的发射和接收。半透/半反分光法简单可靠、使用方便，在仪器制造和实验室中得到广泛应用。但是由于这种方法耦合效率低，在只能用于近距离的强反射物体的测距。

另一种为挖孔法。该方法使激光束通过挖孔分光片的一个小孔耦合到测量系统中，发射激光仅使用了一部分发射口径。使物体返回的激光通过分光片的剩余部分反射到接收检测器，挖孔法原理简单，耦合分光的效率也比较高，整个耦合分光光路中只需要一块挖孔镜，没有可动部分，性能稳定,是一种简单可靠的共轴方法，在很多测距仪器中得到应用，但挖孔法将分光片分为发射孔径部分(开口部分)和接收孔径部分(反射部分)，为了使发射能量尽量的进入测量系统，需要尽量增大分光片上的开口，但这样会减少接受孔径，从物体返回的激光的一部分从挖空中泄露，降低了系统测量的灵敏度。另外，由于开孔的存在，当物体很接近镜面反射物体时，物体反射的激光主要分布在开口处，使得这种物体不能正常检测，容易形成测量盲点。

第三种共轴方法是一种偏振耦合分光方法，该技术的基本原理是用偏振分光器件将偏振方向相互垂直的两束线按偏振方向分别进行反射和透射。发射方向的偏振光被偏振分光片反射，在经过λ/4波片变为圆偏光，从物体返回的圆偏振光再次通过λ/4波片后将变为偏振方向为p的偏振光，偏振方向与原偏振方向垂直，偏振分光经将这种光全部透过，这样用偏振分光片就可以实现高效的耦合分光。这种方式的优点是全孔径分光，但由于要求激光是线偏振光，需要在系统中加入偏振片和波片，不但成本高，而且调制困难，由于在传输过程中偏振方向很容易改变，使得测量很容易受到干扰。

US20100321669公开了一种采用简单的挖孔方式实现共轴激光测距激光测距仪，激光二极管发出的激光束经过分光片中的挖孔照射在透镜上后变成平行光束照射在物体上，经物体散射的散射光经透镜汇聚在分光片上，由分光片上的反射部分反射到检测器上进行检测。这种方式简单、制造成本低。但是这种方式在激光测距中的困难在于：二极管激光器是一种发散角在10°*40°左右，从二极管发出的激光随着传播距离的增加将很快扩散，该专利为了使透镜输出的激光很细，必须使分光片(片)上的孔很小，同时该孔必须距离分光片较大距离，使得大部分二极管激光发出的激光不通过小孔照明物体，造成远处物体和光反射很弱的物体测量困难，如直接增大挖空，虽然可以使更多的激光能量用于照明物体，但从物体返回的更多光将通过挖空泄露掉，仍然无法对远处物体或反射性能差的物体进行检测，另外，由于挖空处在测量系统的光轴上，对比较光滑的物体，反射光能量将随与光轴为中心程逐渐衰减的分布，造成开口外反射光能量很低，从反射板反射到过检测器的光很少，造成对这种物体的检测困难。

分析上面的这些分光方法发现：挖孔法利用的是照明光和信号光在分光板上的分布区域不同而采取的二值分光方法，即(照明光全通，该区域无反射信号光，全反区全反信号光而该区域不通过照明光。而半透/半反和偏振分光都采用全区域对照明光和信号光均匀处理方式。在很多情况，由于目标的多样性，照明光和信号光在分光板的分布区域是不同的，挖空法尽管利用了这一特点，但它照明区的二值性使得该方法对很多检测难以达到理想的效果。为了弥补半透/半反和偏振分光在检测中的问题，有必要在设计分光光路上，将它们的分光方式与照明光和检测光在分光板上不同分布结合起来，得到更有效的分光系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分光片，应用于光学系统中时，能够减少反射光的流失，使检测或观察结果更准确。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种分光片，包括分光片本体，所述分光片本体上具有用于反射的第一区域以及用于透光和反射的第二区域，所述第一区域为反射区，所述第二区域为半透半反区或偏振分光区，在使用时，通过光束源发出的光束经第二区域照射至目标物，目标物的反射光经第二区域和第一区域反射。

该分光片应用于光学系统中时，光束源发出的光束经半透半反区或偏振分光区照射至目标物，目标物的反射光经反射区和第二区域(半透半反区或偏振分光区)反射。此处所说的半透半反区表示能够透射和反射的透射反射区，并不是限制其一半反射一半透射。

作为优选：所述第二区域位于分光片本体的中部，所述第一区域位于分光片本体的外部；或所述第二区域位于分光片本体的外部，所述第一区域位于分光片本体的中部；或所述第一区域和第二区域分散于分光片本体上；所述半透半反区的透射率/反射率为0.2-9。此处的中部表示分光片本体的中央，外部表示分光片本体上相对于中央外围的区域。

作为优选：所述半透半反区的透射率/反射率大于1，该比例的情况下能使光束透过更多。

作为优选：所述分光片本体包括光学玻璃，在所述光学玻璃的第一区域上镀有全反膜，在光学玻璃的第二区域上镀有半透半反膜或偏振分光膜。

本发明同时提供一种激光共轴测距仪，包括所述的分光片，还包括光束源、第一透镜和检测器，所述第一透镜位于分光片与目标物之间，所述光束源发出的光束经分光片的第二区域和第一透镜后形成平行光束照射至目标物，目标物反射光束经第一透镜聚拢并由第一区域和第二区域反射至检测器。

其中半透半反区或偏振分光区，能够透过一部分光束也能反射一部分光束，因此在经目标物反射后的光束也可以部分地经半透半反区或偏振分光区反射到检测器上，而减少反射光的流失，使结果更准确。该测距仪不但能够实现对一般物体的共轴测量，也对远处物体、弱反射和镜面物体实现共轴测量。

作为优选：所述光束源与分光片之间设置有用于将发散光聚拢的第二透镜。

作为优选：所述第一透镜为透镜，第二透镜为准直透镜。

作为优选：所述分光片相对于光轴倾斜设置，光轴为光束的中心线。

所述分光片为以光轴为中心的椭圆形，所述分光片与光轴的夹角为30-60度。

本发明同时提供一种分光片在光学测量系统或观察系统中的应用。光束源发出的光束经半透半反区或偏振分光区照射至目标物，目标物反射光经反射区以及光束经半透半反区或偏振分光区反射至测量位置或观察位置。其中最主要的是分光片在测量、观察系统中应用。

如上所述，本发明的有益效果是：在光学系统中，本发明提供了一种新的共轴分光方式。将这种分光片和分光方式应用于测距，不但克服了非共轴系统测量中的存在的系统体积大，光路复杂、制造成本高、调整难度大的问题。即使相对于目前的共轴测距系统，它也具有系统简单、制造成本低、检测信噪比高、携带方便等优点，同时它还克服了目前共轴激光测距中存在的物体返回激光泄露造成检测盲点的问题。对同类的共轴系统测距，可检测更远处距离的物体。对弱反射和镜面物体也能进行测量。这种分光片不但可以用于激光测距，也可用于落射照明显微镜、激光形貌检测系统、受激raman光谱测量等。

附图说明

图1为本发明实施例1中分光片的结构示意图；

图2为图1中分光片的剖视示意图；

图3为图1中分光片另一种结构的剖视图；

图4、图5和图6为分光片中第一区域和第二区域分布的另一种结构示意图。

图7为本发明激光共轴测距仪实施例2的检测光路原理图；

图8为本发明激光共轴测距仪实施例3的检测光路原理图。

零件标号说明

1激光器

2第二透镜

3分光片

31分光片本体

32全反膜

33分光膜

34光学玻璃

35反光材料

4第一透镜

5检测器

6待测物体

7小孔光栏

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例1

如图1和图2所示，一种分光片，包括分光片，所述分光片本体31上具有用于反射的第一区域B以及用于透光和反射的第二区域A，所述第一区域B为反射区，所述第二区域A为半透半反区或偏振分光区，在使用时，通过光束源发出的光束经第二区域照射至目标物，目标物的反射光经第二区域A和第一区域B反射。

如图1所示，本例中所述第二区域A位于分光片本体31的中部区域，第一区域B位于分光片本体31的外部区域；此处的中部表示分光片本体31的中央，外部表示分光片本体31上相对于中央外围的区域。

一般情况，信号光由于物体的散射，在分光片上的分布区域都比照明光的分布区域大得多，最直观的设计是如图1所示，图中，在分光片被分为A区和B区，A区为半透半反区或偏振分光区。它使光束源发出的光透过该区，而照射在该区上，从物体返回的信号光有一部分虽然被泄露掉一些，但与挖孔法不同，仍然有一部分被反射到探测光路中。在透光区(A区)外，则是全反射的B区，它将照射在该区上，从物体返回的信号光全部反射到探测光路中，从而实现光束分光。对偏振分光，由于是通过旋转偏振方向分别实现S光和P光的透射和反射，所以，它的A区就是普通的偏振分光膜。而B区则是全反射区。对于半透/半反分光法，由于A区既要使光源的透过区，也是信号光的反射区，为了使光源发出的光有效的照明物体，一般该区的透过率要求高一些，而由于B区对信号光全反射，所以A区的反射可以低一些，该区的透射率/反射率分光比一般设计为大于1。

这种分光片的制作即可制造在平板上，也可以制造在胶合棱镜的胶合面上，其制造方法类似于相衬显微镜的相衬板的制造方法，比如，先在板上制造半透半反分光膜，然后，在用掩膜遮挡A区，在蒸镀全反射膜，由于，A区被遮挡，所以，B区就是全反区。这里只是一个例子，分光片也可采取其他方法制造。

进一步如图2所示，分光片基材31可使用为光学玻璃或其他透明材料如透明塑料，在光学玻璃的中部区域覆盖有分光膜33，分光膜为半透半反膜或者偏振分光膜，从而形成可以透光和反射的第二区域A，在光学玻璃的外部区域覆盖全反膜32从而形成全反射的第一区域B；当然如图3所示，第一区域B仍然采用光学玻璃34上镀分光膜33的方式，第二区域A采用不透明且表面光洁度较好的反射材料35，如镀银的材料或者钢板等，即分光片本体31采用中间部分透明材料和外区不透明反光材料制成的结构。其中分光片本体的材料也可以采用其他透光材质。

如图4所示，所述第二区域A位于分光片本体的外部，所述第一区域B位于分光片本体的中部；或如图5和图6所示，所述第一区域B和第二区域A分散于分光片本体上等，第一区域B与第二区域A的分布可以根据光路设置。其制作方式及结构也可以采用图2或图3的方式。本例中，所述半透半反区的透射率/反射率为0.2-9均可。

本发明同时提供一种分光系统，该分光系统主要采用了具有半透半反区(或偏振分光区)和反射区的分光片，使用时，光束经分光片的半透半反区(或偏振分光区)后照射至目标物上，目标物的反射光线部分经反射区反射，可以反射至指定位置进行测量或观察等；部分的反射光线经半透半反区(或偏振分光区)反射至指定位置，如此即保证了发射光束的稳定，又减少了反射光线的流失。特别是相对于挖孔法以及测镜面物体，减少了反射光从孔部的泄露，提高了测量或者观察结果的准确性。当然根据需求，还可以在分光片前后的光轴上布置透镜等结构，以便对光路进行整形。

本发明分光板较传统均匀分光板的优势：

对于半透/半反分光镜，由于均匀分光，在光源的有效利用率发生在分关比1:1时，这时理想的有效利用率为25％，但如果采用本发明分光片的分光方式，由于B区是全反，而很多情况下，外区的区域比半透/半反区(A区)大得多，使得反射的光能量大部分分布在外区，如采用透射率/反射率为4，则一般情况下，光能利用率可达70％左右。

对均匀偏振分光，由于在分光板上，光源入射光与信号光偏振方向垂直，理想情况光能利用率可达100％，但实际上，由于传输通道上的透镜作用和物体的反射，偏振方向会发生旋转，使得实际光能利用率能达到50％就不错了。本发明的风光片，由于外区大，而且反射率很高，对一般物体，采用本发明的分光片，光能利用率很容易达到80％以上。

对挖空方式分光，对散射很大的物体，由于信号光在分光板散射很开，它的光能利用率可达到70％～80％，但如果对散射不高的反射物体或对光有汇聚能力的物体，到达分光板的信号光虽然很强，但返回的信号光时主要分布在挖孔内，将不会产生反射，光能利用率几乎为0，所以对这种物体探测困难，而本发明的分光方式，由于采用半透/半反方式或偏振分光方式，即使在这种情况，仍然有15％左右的能量利用率。

实施例2

本例中主要以分光片在激光共轴测距仪的应用为例进行详细描述，如图7所示，一种激光共轴测距仪，包括激光器1和检测器5，还包括沿激光器1光轴方向依次设置的第二透镜2、分光片3和第一透镜4，其中分光片3采用实施例1的任意一种结构，分光片3上设有半透半反区(或偏振分光区)和反射区，激光器1发出的光束经第二透镜2聚焦成细光束后，穿过半透半反区(或偏振分光区)，经第一透镜4后形成平行光束照射至待测物体6，待测物体6反射光束经第一透镜4聚拢并由反射区反射至检测器5进行检测。本例中激光器1为激光二极管，其他实施例中可以为类似激光发射装置。第一透镜4，第二透镜2为准直透镜，所述分光片3相对于光轴倾斜设置。

激光器1、第二透镜2、分光片3和透镜4构成发射系统。而待测物体6、第一透镜4、分光片3和检测器5构成检测光路接收系统。

为了在使接受到的物体反射光信号有较高的信噪比，分光片3的分光、反射区如图3所示，在分光片3的反射面是实现激光反射光轴和接收光轴共轴的关键部件，为了实现共轴，将分光面分成半透半反区(或偏振分光区)和反射区两个区域，参照图1，在分光片3的外部区域，图中区域B，要求将尽量多的反射光反射，因此镀制成高反射区。分光片3的内部区域A为半透半反区(或偏振分光区)，由于分光片3是倾斜使用，它的形状可选择为以光轴为中心的椭圆，半透半反区的透射率/反射率比为0.2-9，为了使尽量多的激光能量透过分光片3照射物体，同时使物体反射的光能尽量多的达到检测器5，本例中一般大于1，如7/3，甚至9/1都可。为了利用激光二极管发出的光能量，分光片3中半透半反区的大小与准直透镜出射的光束在分光片3上照射的区域匹配。

在发射系统中，为了充分利用激光二极管发出的光能量，同时具有较小的体积，准直透镜的焦距一般都很短，这样从准直透镜出射的光束直径很小，使得分光片3中半透半反区的尺度可以更小，有利于提高检测信号的信噪比。为了用准直光束照明测量物体，激光二极管的发光面处在透镜4和准直透镜构成系统的焦点附近。

为了检测从远处物体返回的激光，接收系统透镜4经分光片3反射将光聚焦在检测器5的靶面上，因此，检测器5的靶面应处在接收系统的焦点位置。

在进行测量时，激光二极管发出的发散激光经准直透镜被压缩到一个小角度，同时用很细的光束过分光片3的半透半反区域，使得绝大部分激光能量达到第一透镜4后成为一根细的强平行光束，照射在待测物体6上，从待测物体6返回的激光经第一透镜4汇聚并经分光片3反射，将物体返回的激光聚焦在检测器5的靶面上。为了实现接收光路和激光发射光路共轴，分光片3采用倾斜放置，其倾斜角度一般采用45度，根据需要，也用采用其他30-60度的角度放置，只要使检测器5的靶面处在被分光片3反射面偏折的第一透镜4的焦点附近即可，通过确定接收到的返回信号与激光二极管发射的光波之间的关系(时间关系或相位关系)，就可测量出物体的距离。

实施例3

如图8所示，本例中相对于实施例2中去掉了第二透镜2，而激光器1发出的光通过遮挡物的小孔光栏7聚拢后射到分光片3上，该结构同样能够解决检测盲点的问题。其余结构和原理均与实施例2相同。

本发明布置可用于激光相位测距仪器，也可用于激光脉冲时间测距仪器，这种共轴方式不但能实现远距离、弱反射物体的检测，而且，有效的避免了镜面反射物体的盲点问题。

本发明的分光片可以应用于光学测量和观察领域，所述分光片包括半透半反区和反射区，所述光束源发出的光束经半透半反区照射至待测物，待测物反射光经反射区和半透半反区反射至检测器或观察者。可以用于光学频谱仪、落射显微镜、激光打孔机等。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种分光片，其特征在于：包括分光片本体，所述分光片本体上具有用于反射的第一区域以及用于透光和反射的第二区域，所述第一区域为反射区，所述第二区域为半透半反区或偏振分光区，在使用时，光束源发出的光束经第二区域照射至目标物，目标物的反射光经第二区域和第一区域反射。

2.根据权利要求1所述的分光片，其特征在于：所述第二区域位于分光片本体的中部，所述第一区域位于分光片本体的外部；或所述第二区域位于分光片本体的外部，所述第一区域位于分光片本体的中部；或所述第一区域和第二区域分散于分光片本体上；所述半透半反区的透射率/反射率为0.2-9。

3.根据权利要求2所述的分光片，其特征在于：所述半透半反区的透射率/反射率大于1。

4.根据权利要求1所述的分光片，其特征在于：所述分光片本体包括光学玻璃，在所述光学玻璃的第一区域上镀有全反膜，在光学玻璃的第二区域上镀有半透半反膜或偏振分光膜。

5.一种激光共轴测距仪，其特征在于：包括权利要求1至4任意一项所述的分光片，还包括光束源、第一透镜和检测器，所述第一透镜位于分光片与目标物之间，所述光束源发出的光束经分光片的第二区域和第一透镜后形成平行光束照射至目标物，目标物反射光束经第一透镜聚拢并由第一区域和第二区域反射至检测器。

6.根据权利要求5所述的激光共轴测距仪，其特征在于：所述光束源与分光片之间设置有用于将发散光聚拢的第二透镜。

7.根据权利要求6所述的激光共轴测距仪，其特征在于：所述第一透镜为透镜，第二透镜为准直透镜。

8.根据权利要求5所述的激光共轴测距仪，其特征在于：所述分光片相对于光轴倾斜设置。

9.根据权利要求8所述的激光共轴测距仪，其特征在于：所述分光片为以光轴为中心的椭圆形，所述分光片与光轴的夹角为30-60度。

10.一种如权利要求1至4任意一项所述的分光片在光学测量系统或观察系统中的应用。