CN111458857A - 激光光学结构及激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光光学结构及激光测距系统，属于激光测距技术领域。激光光学结构，包括：第一反射镜、光电感应器以及聚光镜，第一反射镜位于聚光镜在其光轴方向上的正投影内，第一反射镜用于接收激光器出射的激光束，并沿平行于聚光镜的光轴且朝向远离聚光镜的方向反射激光束，光电感应器设置于聚光镜远离第一反射镜的一侧，且位于聚光镜的焦点。本发明的目的在于提供一种激光光学结构及激光测距系统，其便于生产制造，成本较低，且能够使激光测距系统最终出射的激光束的光轴与聚光镜的光轴平行，同时避免激光器或其线路、壳体等结构对聚光镜汇聚回光的光路的遮挡。

Description

激光光学结构及激光测距系统

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，具体而言，涉及一种激光光学结构及激光测距系统。

背景技术

脉冲激光测距法又称TOF测距法，其基本原理是测定激光脉冲从发射到接收的飞行时间从而测得激光发射装置到目标位置之间的精确距离。

为了使激光脉冲经待测物反射后返回的回光，可以被更好的接收，以提高激光测距系统的测量精度，现有的激光测距系统通常会将其最终出射的激光的光轴与其最终接收回光的光轴设置为同轴或平行。一般此种设置的激光测距系统，包括聚光镜、光电传感器以及激光器，其中激光器设置在聚光镜的中心孔中，以使激光器出射的激光与聚光镜的光轴重合，而光电传感器设置于聚光镜的焦点处，以接收待测物反射后返回的回光。

但是，现有的激光测距系统中，由于激光器或准直器设置在聚光镜的中心孔内，因此激光器的线路以及其壳体等结构会对聚光镜汇聚回光的光路产生遮挡，从而导致光电传感器最终接收到的回光较弱，电信号转化效果较差，影响激光测距的精度，并且需要在聚光镜开设中心孔，加工难度较大，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光光学结构及激光测距系统，其便于生产制造，成本较低，且能够使激光测距系统最终出射的激光束的光轴与聚光镜的光轴平行，同时避免激光器或其线路、壳体等结构对聚光镜汇聚回光的光路的遮挡。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种激光光学结构，包括：第一反射镜、光电感应器以及聚光镜，第一反射镜位于聚光镜在其光轴方向上的正投影内，第一反射镜用于接收激光器出射的激光束，并沿平行于聚光镜的光轴且朝向远离聚光镜的方向反射激光束，光电感应器设置于聚光镜远离第一反射镜的一侧，且位于聚光镜的焦点。

可选地，第一反射镜位于聚光镜的光轴上，第一反射镜的反射面与聚光镜的光轴呈45度夹角。

可选地，第一反射镜固定设置于聚光镜上。

可选地，激光光学结构还包括第二反射镜，第二反射镜位于聚光镜在其光轴方向上的正投影之外，第二反射镜用于接收激光器出射的激光束，并朝向第一反射镜反射激光束。

可选地，第一反射镜的反射面以及第二反射镜的反射面，分别与聚光镜的光轴呈45度夹角。

可选地，激光光学结构还包括准直镜，准直镜的光轴与第一反射镜的反射面相交；当激光光学结构包括第二反射镜时，准直镜的光轴与第二反射镜的反射面相交；准直镜用于连接激光器以准直激光器出射的激光束。

可选地，准直镜设置于调节支架上，调节支架用于调节准直镜的光轴方向。

可选地，准直镜的入射端设置有光纤接口，用于通过光纤与激光器连接。

可选地，激光光学结构还包括滤光片，滤光片设置于聚光镜靠近第一反射镜的一侧，且滤光片位于聚光镜在其光轴方向上的正投影内。

本发明实施例的另一方面，提供一种激光测距系统，包括：上述任意一项的激光光学结构。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的一种激光光学结构，包括第一反射镜、光电感应器以及聚光镜。其中，第一反射镜位于聚光镜在其光轴方向上的正投影内，而光电感应器设置于聚光镜远离第一反射镜的一侧，且位于聚光镜的焦点。在实际应用中，可以通过激光器朝向第一反射镜出射激光束，从而利用第一反射镜对该激光束进行反射，使其最终沿平行于聚光镜的光轴的方向朝向由该激光光学结构出射。当出射的激光束被待测物体反射返回时，其中平行于聚光镜的光轴的部分回光能够被聚光镜汇聚至焦点，从而被设置于聚光镜焦点处的光电感应器接收并转化为向外输出的电信号，以用于激光测距系统的数据处理。通过该设置，由于设置有第一反射镜以对激光器出射的激光束进行反射，因此，激光器可以设置于聚光镜在其光轴方向上的正投影之外，从而能够避免激光器及其线路、壳体等结构对聚光镜汇聚回光的光路的遮挡。同时，通过位于聚光镜在其光轴方向上的正投影内的第一反射镜，能够将激光器出射的激光束沿平行于聚光镜的光轴朝向远离聚光镜的方向反射，以使激光束以平行于聚光镜的光轴方向出射，从而提高激光束经待测物体反射后返回的平行于聚光镜的回光的能量，提升接收汇聚后的回光的光电感应器的电信号转化效果。并且，由于该激光光学结构不需要在聚光镜上开设中心孔，因此便于生产制造，成本较低。

本发明实施例提供的一种激光测距系统，采用上述的激光光学结构，能够使激光测距系统最终出射的激光束的光轴与聚光镜的光轴平行，同时避免激光器或其线路、壳体等结构对聚光镜汇聚回光的光路的遮挡。并且，便于生产制造，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的激光光学结构的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的激光光学结构的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的激光光学结构的结构示意图之三。

图标：110-第一反射镜；120-光电感应器；130-聚光镜；140-第二反射镜；150-准直镜；160-调节支架；170-滤光片；210-激光器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种激光光学结构，如图1所示，包括：第一反射镜110、光电感应器120以及聚光镜130，第一反射镜110位于聚光镜130在其光轴方向上的正投影内，第一反射镜110用于接收激光器210出射的激光束，并沿平行于聚光镜130的光轴且朝向远离聚光镜130的方向反射激光束，光电感应器120设置于聚光镜130远离第一反射镜110的一侧，且位于聚光镜130的焦点。

需要说明的是，第一反射镜110的反射面可以设置为平面，由于第一反射镜110用于接收激光器210出射的激光束，并沿平行于聚光镜130的光轴且朝向远离聚光镜130的方向反射激光束，因此第一反射镜110的反射面通常不与聚光镜130的光轴垂直，且发射面朝向远离聚光镜130的一侧。当然，在实际应用中，第一反射镜110的反射面还可以设置为曲面，此处不做限制，只要能够将激光器210的激光束沿平行于聚光镜130的光轴且朝向远离聚光镜130的方向反射即可。

其中，第一反射镜110可以设置为反射棱镜、平面反射镜等，对此，本发明实施例中不做限制。

光电感应器120可以设置为PD传感器(光电二极管)，当然在实际应用中，光电感应器120还可以设置为其他能够将光信号转化为电信号的装置，例如，光电三极管、光敏电阻等，此处不做限制。

在实际应用中，聚光镜130可以采用凸透镜等能够汇聚平行光的透镜，此处不做具体限制。其中，聚光镜130的焦距可以根据实际空间情况进行设置，对此本发明实施例中不做限制。例如焦距为35mm至45mm等，优选地可以是40mm。在本发明实施例中，聚光镜130的有效光圈范围可以为直径为12mm至48mm的圆环，例如，12mm、24mm、36mm、48mm等，当然，在本发明的其他实施例中，聚光镜130的有效光圈范围还可以为其他值，此处不做限制。

本发明实施例提供的一种激光光学结构，包括第一反射镜110、光电感应器120以及聚光镜130。其中，第一反射镜110位于聚光镜130在其光轴方向上的正投影内，而光电感应器120设置于聚光镜130远离第一反射镜110的一侧，且位于聚光镜130的焦点。在实际应用中，可以通过激光器210朝向第一反射镜110出射激光束，从而利用第一反射镜110对该激光束进行反射，使其最终沿平行于聚光镜130的光轴的方向朝向由该激光光学结构出射。当出射的激光束被待测物体反射返回时，其中平行于聚光镜130的光轴的部分回光能够被聚光镜130汇聚至焦点，从而被设置于聚光镜130焦点处的光电感应器120接收并转化为向外输出的电信号，以用于激光测距系统的数据处理。通过该设置，由于设置有第一反射镜110以对激光器210出射的激光束进行反射，因此，激光器210可以设置于聚光镜130在其光轴方向上的正投影之外，从而能够避免激光器210及其线路、壳体等结构对聚光镜130汇聚回光的光路的遮挡。同时，通过位于聚光镜130在其光轴方向上的正投影内的第一反射镜110，能够将激光器210出射的激光束沿平行于聚光镜130的光轴朝向远离聚光镜130的方向反射，以使激光束以平行于聚光镜130的光轴方向出射，从而提高激光束经待测物体反射后返回的平行于聚光镜130的回光的能量，提升接收汇聚后的回光的光电感应器120的电信号转化效果。并且，由于该激光光学结构不需要在聚光镜130上开设中心孔，因此便于生产制造，成本较低。

可选地，如图1和图2所示，第一反射镜110位于聚光镜130的光轴上，第一反射镜110的反射面与聚光镜130的光轴呈45度夹角(第一反射镜110的反射面为平面时)。

将第一反射镜110设置于聚光镜130的光轴上，能够使第一反射镜110反射后的激光束更接近于聚光镜130的光轴。示例地，如图1和图2所示，在实际应用中，可以使激光束入射至第一反射镜110与聚光镜130的光轴的交点处，从而使第一反射镜110反射的激光束能够与聚光镜130的光轴重合，从而，进一步提高待测物体反射激光束后，被聚光镜130汇聚的回光的能量，提高光电感应器120光电转化的效果。

其中，由于第一反射镜110反射激光束后的光路与聚光镜130的光轴平行，因此，将第一反射镜110的反射面与聚光镜130的光轴呈45度夹角设置，使激光器210可以沿垂直于聚光镜130的光轴的方向朝向第一反射镜110出射激光束，从而使激光器210可以在位于聚光镜130在其光轴方向上的正投影之外更靠近第一反射镜110的位置进行设置，以减小激光器210出射的激光束的发散角、航向角等对其入射第一反射镜110的精度造成的不良影响。

可选地，如图1和图2所示，第一反射镜110固定设置于聚光镜130上。

其中，第一反射镜110可以通过粘结、嵌设、一体成型等方式固定设置在聚光镜130上。并且，在实际应用中，可以在聚光镜130上与第一反射镜110接触的位置设置相应的连接平面，以使第一反射镜110能够更加稳固的设置在的聚光镜130上，当然，对此本发明实施例不做限制，以上仅为示例性的实施方式。

将第一反射镜110固定设置于聚光镜130上，能够使该激光光学结构更加紧凑，以减小其空间占用，便于对激光测距系统进行小型化设置。

需要说明的是，如图1和图2所示，该激光光学结构中的第一反射镜110接收的激光器210出射的激光束，可以是激光器210出射后直接入射至第一反射镜110的，也可以是激光器210出射的激光束经过其他光学器件后入射至第一反射镜110的，此处不做限制。

可选地，如图1所示，激光光学结构还包括第二反射镜140，第二反射镜140位于聚光镜130在其光轴方向上的正投影之外，第二反射镜140用于接收激光器210出射的激光束，并朝向第一反射镜110反射激光束。

其中，第二反射镜140的反射面可以设置为平面或曲面，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，此处不做限制，只要使第二反射镜140反射激光器210的激光束后能够入射第一反射镜110即可。并且，第二反射镜140可以为反射棱镜、反射平面镜等，此处不做限制。

需要说明的是，在实际应用中，为避免激光器210和第二反射镜140对聚光镜130汇聚回光的光路造成遮挡，第二反射镜140以及激光器210应设置在聚光镜130在其光轴方向上的正投影之外。基于此，本领域技术人员应当知晓，可以通过对应调节第一反射镜110和第二反射镜140，以使激光器210出射的激光束经第二反射镜140反射后入射第一反射镜110，再经由第一反射镜110反射后沿平行于聚光镜130的光轴且朝向远离聚光镜130的方向反射激光束，因此，此处不再对第一反射镜110和第二反射镜140的具体对应位置进行赘述。

通过设置第二反射镜140并对应调节第二反射镜140和第一反射镜110，能够使激光器210在聚光镜130在其光轴方向上的正投影之外，与聚光镜130的光轴以较小的夹角出射激光束，从而使激光器210能够更靠近聚光镜130，以使该激光光学结构更加紧凑。

示例地，如图1所示，第一反射镜110的反射面以及第二反射镜140的反射面，分别与聚光镜130的光轴呈45度夹角(第一反射镜110和第二反射镜140的反射面为平面时)。

通过上述设置，能够使激光器210出射的激光束以平行于聚光镜130的光轴的方向出射，依次经第二反射镜140和第一反射镜110反射后再沿平行于聚光镜130的光轴朝向远离聚光镜130的方向出射。使激光器210能够靠近聚光镜130设置，提高该激光光学结构的紧凑性。

可选地，如图2所示，激光光学结构还包括准直镜150，准直镜150的光轴与第一反射镜110的反射面相交；如图1所示，当激光光学结构包括第二反射镜140时，准直镜150的光轴与第二反射镜140的反射面相交；准直镜150用于连接激光器210以准直激光器210出射的激光束。

通过设置准直镜150以对激光器210出射的激光束进行准直，能够减小激光器210出射的激光束的发散角，使其出射较远距离后仍能保持相对较小的光斑。其中，准直镜150的束散角可以为0.02度至0.04度之间，例如，0.02度、0.03度、0.04度等，当然，根据实际需要，准直镜150的束散角还可以设置为其他数值，此处不做具体限制。

可选地，如图3所示，准直镜150设置于调节支架160上，调节支架160用于调节准直镜150的光轴方向。

将准直镜150设置于调节支架160上，能够通过调节支架160对准直镜150进行调节，以使经准直镜150出射的激光束入射第一反射镜110或第二反射镜140的位置，可以根据不同精度要求进行调整，便于该激光光学结构在不同环境下的应用。

可选地，准直镜150的入射端设置有光纤接口，用于通过光纤与激光器210连接。

其中，光纤接口可以为光纤跳线接头等能够接入光纤的结构。通过设置光纤接口以使准直镜150可以通过光纤与激光器210连接，使实际应用中设置的激光器210，可以根据空间环境更加方便的进行布局设置，以提高空间利用率。

可选地，如图1和图2所示，激光光学结构还包括滤光片170，滤光片170设置于聚光镜130靠近第一反射镜110的一侧，且滤光片170位于聚光镜130在其光轴方向上的正投影内。

通过设置滤光片170，能够使激光器210出射的激光束最终经待测物体反射返回的回光，正常入射聚光镜130以被光电感应器120接收，而环境光等激光器210的激光束波段以外的光线，则无法入射至聚光镜130，从而提高光电感应器120接收光信号的信噪比。其中，滤光片170可以为窄带滤光片170，其中心波长可以设置为实际应用的激光器210的工作波长。当然，在实际应用中，滤光片170还可以设置为其他类型，此处不做限制，只要能够禁止激光器210出射的激光束波段以外的光线通过即可。

本发明实施例的另一方面，提供一种激光测距系统，包括：上述任意一项的激光光学结构。

通常，在实际应用中，激光测距系统还包括激光器210，参考光接收器以及数据处理装置等，其中，激光器210可以为脉冲式光纤激光器210等，此处不做限制。参考光接收器用于直接接收激光束并转化为向外输出的电信号。数据处理装置分别与参考光接收器以及上述激光光学结构中的光电感应器120信号连接，用于根据以上两者输出的电信号进行处理计算得出待测物体的距离。

本发明实施例提供的激光测距系统，采用上述的激光光学结构，能够使激光测距系统最终出射的激光束的光轴与聚光镜130的光轴平行，同时避免激光器210或其线路、壳体等结构对聚光镜130汇聚回光的光路的遮挡。并且，便于生产制造，成本较低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光光学结构，其特征在于，包括：第一反射镜、光电感应器以及聚光镜，所述第一反射镜位于所述聚光镜在其光轴方向上的正投影内，所述第一反射镜用于接收激光器出射的激光束，并沿平行于所述聚光镜的光轴且朝向远离所述聚光镜的方向反射所述激光束，所述光电感应器设置于所述聚光镜远离所述第一反射镜的一侧，且位于所述聚光镜的焦点。

2.如权利要求1所述的激光光学结构，其特征在于，所述第一反射镜位于所述聚光镜的光轴上，所述第一反射镜的反射面与所述聚光镜的光轴呈45度夹角。

3.如权利要求1所述的激光光学结构，其特征在于，所述第一反射镜固定设置于所述聚光镜上。

4.如权利要求1所述的激光光学结构，其特征在于，所述激光光学结构还包括第二反射镜，所述第二反射镜位于所述聚光镜在其光轴方向上的正投影之外，所述第二反射镜用于接收所述激光器出射的激光束，并朝向所述第一反射镜反射所述激光束。

5.如权利要求4所述的激光光学结构，其特征在于，所述第一反射镜的反射面以及所述第二反射镜的反射面，分别与所述聚光镜的光轴呈45度夹角。

6.如权利要求1至5任一项所述的激光光学结构，其特征在于，所述激光光学结构还包括准直镜，所述准直镜的光轴与所述第一反射镜的反射面相交；当所述激光光学结构包括第二反射镜时，所述准直镜的光轴与所述第二反射镜的反射面相交；所述准直镜用于连接所述激光器以准直所述激光器出射的激光束。

7.如权利要求6所述的激光光学结构，其特征在于，所述准直镜设置于调节支架上，所述调节支架用于调节所述准直镜的光轴方向。

8.如权利要求6所述的激光光学结构，其特征在于，所述准直镜的入射端设置有光纤接口，用于通过光纤与所述激光器连接。

9.如权利要求1所述的激光光学结构，其特征在于，所述激光光学结构还包括滤光片，所述滤光片设置于所述聚光镜靠近所述第一反射镜的一侧，且所述滤光片位于所述聚光镜在其光轴方向上的正投影内。

10.一种激光测距系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的激光光学结构。

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