CN105974428A - 一种激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种激光测距系统，激光源包括至少两个激光源单元，每个激光源单元各自射出一束激光束，位移调节装置包括主动件、从动件和限位件，从动件滑动设置在主动件上，并滑动设置在限位件上，使移动主动件，从动件在主动件的作用下运动，并且从动件相对主动件的滑动方向与从动件相对限位件的滑动方向夹角大于或等于60度，移动反射镜设置在从动件上，来自激光源的至少两束激光通过合光装置合成一束复合光后射向分束镜，来自分束镜的一束复合光通过分光装置，分光装置按波长的不同将该束复合光分成至少两束单色光后，使各单色光沿不同方向射出，测量结果更加准确，测量精度更高。

Description

一种激光测距系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种激光测距系统。

背景技术

激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。目前，在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构，比如，目前常用的单频激光干涉仪。

单频激光干涉仪是从激光器发出的光束，经扩束准直后由分束镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分束镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接收器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数N，再由电子计算机按计算式L＝N×λ/2，式中λ为激光波长，算出可动反射镜的位移量L。

激光干涉仪在测量过程中要求激光干涉光路一直保持干涉状态，这对于测量过程提出了很高的要求。为解决激光干涉测量技术中存在的弊端，技术人员提出了多波长激光干涉测距技术，该技术仅需要在测量的起始点与终止点保持干涉状态，中间过程无需保持光路的干涉状态。在现有常规技术中，多波长激光干涉测距技术是采用多个独立的激光源单元组成激光源，每个激光单元射出一束单色光，所有激光单元的光束均射在同一面移动反射镜上，如图1与2所示，虽然各光束入射在移动反射镜的同一面上，但是，入射在移动反射镜表面的不同位置，由于移动反射镜的加工误差，移动反射镜反射表面各位置不完全在同一平面上，造成各激光束的起始位置不同，形成测量误差，影响测量精度。

所以，基于上述不足，目前亟需一种能够提高激光干涉仪测量精度的装置。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前激光干涉仪精度受限于激光波长，且测量环境对激光波长有直接影响的不足，提供一种精度更高的激光测距系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种激光测距系统，包括激光源、固定平面反射镜、分束镜、干涉测量光电探测器、移动反射镜，所述激光源包括至少两个激光源单元，每个所述激光源单元各自射出一束激光束，各个所述激光源单元射出激光束的波长各不相等，还包括位移调节装置、合光装置和分光装置，

所述位移调节装置包括主动件、从动件和限位件，所述从动件滑动设置在所述主动件上，并滑动设置在所述限位件上，使移动所述主动件，所述从动件在所述主动件的作用下运动，并且所述从动件相对所述主动件的滑动方向与所述从动件相对所述限位件的滑动方向夹角大于或等于60度，移动反射镜设置在所述从动件上，

来自所述激光源的至少两束激光通过所述合光装置合成一束复合光后射向分束镜，

来自分束镜的一束复合光通过所述分光装置，所述分光装置按波长的不同将该束复合光分成至少两束单色光后，使各单色光沿不同方向射出。

作为优选，所述主动件和所述从动件均为磁性材料制成，所述主动件和所述从动件处于异性相吸状态，如此，能够更好的控制从动件的位移精度，也即是能够进一步提高移动反射镜的位移精度，使得激光测距系统的测量精度更高更准确。

作为优选，移动所述主动件发生位移，所述从动件在所述主动件的带动下发生位移，所述从动件的位移与所述主动件的位移相垂直，如此，便于计算，结构简单易于加工，同时方便控制主动件和从动件的移动。

作为优选，限位件包括限位块，所述限位块设置在从动件的两侧，用于限制从动件沿主动件的运动方向移动，如此，装置更加简单成本更加低廉。

作为优选，所述主动件上设置有相对于其运动方向倾斜的斜面，所述从动件滑动设置在该斜面上，如此，装置简单，能够降低加工成本。

作为优选，所述斜面与所述主动件的运动方向的夹角小于或等于5度，如此，能进一步提高移动反射镜的位移精度，使得激光测距系统的测量精度更高更准确。

作为优选，包括支撑件，所述限位件固定设置在所述支撑件上，所述主动件滑动设置在所述支撑件上。

作为优选，所述位移调节装置还包括驱动所述主动件移动的驱动装置，所述驱动装置为压电陶瓷型驱动装置，采用压电陶瓷型驱动装置能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，其在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一的微小位移，具有良好的往复形变恢复能力，稳定性好、精度高，进一步提高了本申请精密位移装置的精确性和可靠性。

作为优选，所述合光装置包括合光镜，使一束激光射向所述合光镜的一面，另一束激光射向所述合光镜的另一面，该一束激光的透射光与该另一束激光的反射光由所述合光镜的同一部位射出后形成一束复合激光。

作为优选，所述分光装置包括分光镜，复合激光束射向所述分光镜，指定波长的激光发生透射/反射，其它波长的激光发生反射/透射。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请的有益效果是：

1、将多束激光合成一束复合激光射向分束镜，透过分束镜射向移动反射镜的也只有一束合成光，这就相当于各波长激光入射在移动反射镜的同一位置上，如此，各波长激光的反射初始位置相同，干涉光路的路程差相同，能够避免因移动反射镜加工误差带来的测量误差，同时，现有技术要解决该问题均采用高精度移动反射镜，成本极高，而本申请能够在提高测量精度的同时降低成本；

2、从动件相对主动件的滑动方向与从动件相对限位件的滑动方向的夹角R大于或等于60度，主动件的位移量大于从动件的位移量，如此，能够使从动件的位移精度更高，能够更加准确的控制从动件的位移精度，从而移动反射镜的位移精度更高，进而使得激光测距系统的测量精度更高；

3、将多束激光合成一束复合激光射向分束镜，透过分束镜射向移动反射镜的也只有一束合成光，这就相当于各波长激光入射在移动反射镜的同一位置上，如此，各波长激光的反射初始位置相同，干涉光路的路程差相同，能够避免因移动反射镜加工误差带来的测量误差，同时，现有技术要解决该问题均采用高精度移动反射镜，成本极高，而本申请能够在提高测量精度的同时降低成本。

附图说明

图1为本申请装置的结构示意图；

图2为本申请位移调节装置各零部件的移动方向关系示意图；

图3为本申请区别于图2的各零部件的移动方向关系示意图；

图4为主动件和从动件配合关系示意图；

图5为图4中的主动件的结构示意图；

图6为区别于图4的主动件和从动件的另一种配合关系示意图；

图7为区别于图6的主动件和从动件的另一种配合关系示意图；

图8为图7中的主动件的结构示意图；

图9为区别于图2的主动件运动方向示意图；

图10为区别于图9的主动件运动方向示意图；

图11为区别于图1的合光装置的另一种结构示意图；

图12为现有分离光源多波长激光干涉绝对测距系统示意图；

图中标记：1-激光源，1012-激光源单元，107-合光装置，102-分束镜，103-固定平面反射镜，105-移动反射镜，2-主动件，3-从动件，4-限位块，5-驱动装置，7-支撑件，71-挡板，72-支撑平台，1071-合光镜，1072-一组合光镜，108-分光装置，1081-分光镜，104-干涉测量光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请所述的分束镜是指是一个可以将一束光分成多束的光学装置，通常由光学玻璃镀膜而成；分光镜是指将单色光从复合光中分解出来的光学装置。

如图1-11所示，一种激光测距系统，包括激光源1、固定平面反射镜103、分束镜103、干涉测量光电探测器104、移动反射镜105和合光装置107，激光源1包括至少两个激光源单元1012，每个激光源单元1012各自射出一束激光束，各个激光源单元1012射出激光束的波长各不相等，来自激光源1的至少两束激光通过合光装置107合成一束复合激光后射向分束镜103，合光装置107包括合光镜1071，合光镜1071上设置有镀膜，使一束激光射向合光镜1071的一面，另一束激光射向合光镜1071的另一面，该一束激光的透射光与该另一束激光的反射光由合光镜1071的同一部位射出后形成一束复合激光，合光镜1071与现有分光镜1081的原理相同，不同的是分光镜1081的出射光成为了合光镜1071的入射光,分光装置108包括分光镜1081，一个分光镜1081能够将一束光分成两束光，分光镜1081是现成制品，无需设计定制，降低了本申请系统的成本，进一步的，复合激光束射向分光镜，指定波长的激光发生透射/反射，其它波长的激光发生反射/透射,如此，将多束激光合成一束复合激光射向分束镜103，透过分束镜103射向移动反射镜105的也只有一束合成光，这就相当于各波长激光入射在移动反射镜105的同一位置上，如此，各波长激光的反射初始位置相同，干涉光路的路程差相同，能够避免因移动反射镜105加工误差带来的测量误差，同时，现有技术要解决该问题均采用高精度移动反射镜105，成本极高，而本申请无需高精度移动反射镜105，能够在提高测量精度的同时降低成本。

由于激光在空气受湿度、温度等影响，波长会发生变化，影响测量精度，将本申请激光测距系统校准降低波长变化的影响，其测量精度进一步提高，校准方法如下：

1、将位移调节装置安装至被测物体上，调试光路，使得激光测距系统处于干涉状态；

2、激光测距系统的干涉测量光电探测器测量数清零；

3、移动被测物体，将被测物体移动至测量终点，读取激光测距系统的干涉测量光电探测器的计数值；

4、被测物体停止运动，激光测距系统控制位移调节装置移动S₁,读取激光测距系统的干涉测量光电探测器的计数值，获取整数部分N₁和小数部分ΔN₁；

5、继续步骤4，各次调节装置位移移动量不同，记录各次调整装置运动后激光测距系统的干涉测量光电探测器的计数值；

6、根据下列方程组求取被矫正激光波长的准确值，将方程组中的等式两两相互相减，求取λ值，最后计算所有求取的λ的平均数，将此平均数作为某一激光波长的校正值。

同时，若将激光波长作为准确值，去矫正移动反射镜初始位置的干涉光路的半光程差L，再采用校准后的L值去校准波长λ，再采用校准后的λ计算L，如此循环，能够获得准确更为准确的λ值，进一步提高本申请激光测距系统的精度。

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1+L=(N_1+{\mathrm{\ΔN}}_1)\×\mathrm{\λ}\\ S_2+L=(N_2+{\mathrm{\ΔN}}_2)\×\mathrm{\λ}\\ \mathrm{......}\\ S_n+L=(N_n+{\mathrm{\ΔN}}_n)\×\mathrm{\λ}\end{array}\right.$

式中：

Sn-第n次移动后移动反射镜相对于初始位置的位移，

L-移动反射镜初始位置与分束镜的距离，

Nn-第n次移动移动反射镜后移动反射镜干涉测量光电探测器读数的整数部分，

ΔN_n-第n次移动移动反射镜后移动反射镜干涉测量光电探测器读数的小数部分

λ-某一激光的波长。

合光镜1071为至少两个，一个合光镜1071合的出射光射向另一个合光镜1071，一个合光镜1071能将两束光合成一束复合激光，两个合光镜1071能够将三束光合成一束复合激光，N个合光镜1071能够将N+1束光合成一束复合激光，也就是合光镜1071数量越多，就能够将更多的光束合成一束复合激光，单色激光越多，测试系统的精度越高，测试也就越准确。

如图11所示，两个合光镜1071形成一组合光镜1072，每组合光镜1072内的两个合光镜1071呈90度夹角布置，并且该两个合光镜1071的反射面相对，如此，结构简单，稳定可靠。

如图12所示，包括至少两组合光镜1072，每组合光镜1072中的一个合光镜1071与另一组的一个合光镜1071平行，并且该两个合光镜1071的反射面相对，如此，能将多种单色光合成一束复合激光，合光镜1071是现成制品，无需设计定制，降低了本申请系统的成本。

本申请激光测距系统还包括分光装置108，由移动反射镜105射出的一束复合激光经分束镜103反射后射入分光装置108，分光装置108按波长的不同将该束复合激光分成至少两束单色光后，使各单色光沿不同方向射出，并射向各自的干涉测量光电探测器104，如此，各单色激光最终是单独分开的进行干涉，能够满足系统的测试需求。

分光镜1081为至少两个，一束复合激光射向一个分光镜1081，该一个分光镜1081透射/反射出一种单色光，并反射/透射出另一种复合激光，该另一种复合激光射向另一个分光镜1081，如此，能将多种单色光合成的复合激光分成单色光，分光镜1081是现成制品，无需设计定制，降低了本申请系统的成本。

两个分光镜1081形成一组分光镜，每组内的两个分光镜1081呈90度夹角布置，并且该两个分光镜1081的反射面相对，如此，结构简单，稳定可靠。

包括至少两组分光镜，每组分光镜中的一个分光镜1081与另一组的一个分光镜71平行，并且该两个分光镜1081的反射面相对，如此，将多种单色光合成的复分光分成单色光，分光镜1081是现成制品，无需设计定制，降低了本申请系统的成本。

如图1～10所示，位移调节装置包括主动件2、从动件3和限位件，从动件3滑动设置在主动件2上，并滑动设置在限位件上，在主动件2和限位件的共同作用下从动件3只能沿一个方向运动，使移动主动件2，从动件3在主动件2的作用下运动并发生位移，并且从动件3相对主动件2的滑动方向与从动件3相对限位件的滑动方向的夹角R大于或等于60度，主动件2的移动方向与主动件2相对从动件3滑动的方向的夹角F小于或等于30度，移动反射镜设置在从动件3上，位移调节装置设置在被测物体上，如此，当被测物体发生位移时，被测物体带动位移调节装置，进而带动移动反射镜。

如图2和图3所示，主动件2沿Y方向运动，从动件3在主动件2的作用下沿X方向运动并发生位移，从动件3相对主动件2沿A方向运动，并且从动件3相对主动件2的滑动方向A与从动件3相对限位件的滑动方向X的夹角R大于或等于60度，主动件2的移动方向Y与主动件2先对从动件3滑动的方向B的夹角F小于或等于30度,主动件2的位移量大于从动件3的位移量，如此，能够使从动件3的位移精度更高，能够更加准确的控制从动件3的位移精度，从而移动反射镜的位移精度更高，进而使得激光测距系统的测量精度更高。

主动件2和从动件3均为磁性材料制成，主动件2和从动件3处于异性相吸状态，使主动件2和从动件3始终处于紧贴状态，如此，能够避免从动件3相对主动件2运动过程中产生间隙影响从动件3的位移精度，同时，也能够避免主动件2停止运动后从动件3在惯性作用下继续运动而使得从动件3的位移精度难以控制，使主动件2和从动件3始终处于紧贴状态能够更好的控制从动件3的位移精度，也即是能够进一步提高移动反射镜的位移精度，使得激光测距系统的测量精度更高更准确。

主动件2上设置有相对于其运动方向倾斜的斜面，从动件3滑动设置在该斜面上，也就是说主动件2和从动件3的滑动接触面为平面，并且该平面与主动件2的运动方向倾斜，此时，该平面与主动件2的滑动方向的夹角即为图2和图3所示的角F，主动件2和从动件3的滑动接触面可以是多种面，如图4和图5所示的凹凸面，如图6所示的波浪面和如图7所示的平面，其中，以平面最为容易加工，加工成本最低。

沿Y方向移动主动件2发生位移Ya，从动件3在主动件2的带动下沿X发生位移Xa，从动件3的位移与主动件2的位移垂直，如此，图2和图3中的角R+F＝90度，Xa＝Ya×cot(R),方便计算，同时，结构简单，方便控制主动件2和从动件3的移动。此外，从动件3的位移与主动件2的位移也可以不垂直，如图9和图10所示，是本申请的两种变种方式。

斜面与所述主动件2的运动方向的夹角F小于或等于5度，特别的，该夹角F为1度、2度、3度、4度或5度，斜面与所述主动件2的运动方向的夹角F越小，主动件2的位移量与从动件3的位移量之比越大，从动件3的位移精度更高，也就是说，斜面与所述主动件2的运动方向的夹角F越小，移动反射镜的位移精度越高，激光测距系统的测量精度越高。

位移调节装置包括支撑件7，支撑件7包括支撑平台72和挡板71，限位件固定设置在支撑平台72上，主动件2滑动设置在支持平台上。

限位件包括限位块4，限位块4设置在从动件3的两侧，用于限制从动件3沿主动件2的运动方向移动。限位件可以是多种形式，例如可是设置在支撑件7上的滑槽，也可是在限位件的两侧设置限位块4，但是，此种方式同时限制了从动件3的两侧，与这种方式相比，本实施例仅在从动件3的两侧设置限位块4，由于少了一个限位块4，因此摩擦力更小且装置更加简单成本更加低廉。

位移调节装置还包括驱动主动件移动的驱动装置，驱动装置为压电陶瓷型驱动装置，采用压电陶瓷型驱动装置能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，其在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一的微小位移，具有良好的往复形变恢复能力，稳定性好、精度高，进一步提高了本申请精密位移装置的精确性和可靠性。

凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光测距系统，包括激光源、固定平面反射镜、分束镜、干涉测量光电探测器、移动反射镜，所述激光源包括至少两个激光源单元，每个所述激光源单元各自射出一束激光束，各个所述激光源单元射出激光束的波长各不相等，其特征在于，还包括位移调节装置、合光装置和分光装置，

所述位移调节装置包括主动件、从动件和限位件，所述从动件滑动设置在所述主动件上，并滑动设置在所述限位件上，使移动所述主动件，所述从动件在所述主动件的作用下运动，并且所述从动件相对所述主动件的滑动方向与所述从动件相对所述限位件的滑动方向夹角大于或等于60度，移动反射镜设置在所述从动件上，

来自所述激光源的至少两束激光通过所述合光装置合成一束复合光后射向分束镜，

来自分束镜的一束复合光通过所述分光装置，所述分光装置按波长的不同将该束复合光分成至少两束单色光后，使各单色光沿不同方向射出。

2.根据权利要求1所述的激光测距系统，其特征在于，所述主动件和所述从动件均为磁性材料制成，所述主动件和所述从动件处于异性相吸状态。

3.根据权利要求1或2所述的激光测距系统，其特征在于，移动所述主动件发生位移，所述从动件在所述主动件的带动下发生位移，所述从动件的位移与所述主动件的位移相垂直。

4.根据权利要求3所述的激光测距系统，其特征在于，所述限位件包括限位块，所述限位块设置在从动件的两侧，用于限制从动件沿主动件的运动方向移动。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的激光测距系统置，其特征在于，所述主动件具有相对于其运动方向倾斜的斜面，所述从动件滑动设置在该斜面上。

6.根据权利要求5所述的激光测距系统，其特征在于，所述斜面与所述主动件的运动方向的夹角小于或等于5度。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的激光测距系统，其特征在于，还包括支撑件，所述限位件固定设置在所述支撑件上，所述主动件滑动设置在所述支撑件上。

8.根据权利要求7所述的激光测距系统，其特征在于，所述位移调节装置还包括驱动所述主动件移动的驱动装置，所述驱动装置为压电陶瓷型驱动装置。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的激光测距系统，其特征在于，所述合光装置包括合光镜，使一束激光射向所述合光镜的一面，另一束激光射向所述合光镜的另一面，该一束激光的透射光与该另一束激光的反射光由所述合光镜的同一部位射出后形成一束复合激光。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的激光测距系统，其特征在于，所述分光装置包括分光镜，复合激光束射向所述分光镜，指定波长的激光发生透射/反射，其它波长的激光发生反射/透射。