CN115877353B - 一种激光测距的接收光机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光测距的接收光机系统。本发明的激光测距的接收光机系统，包括：激光测距接收光学系统和杂散光抑制结构。其中，杂散光抑制结构包括镜筒和遮光罩，镜筒内部设置有镜座，用于固定激光测距接收光学系统中的各光学元件，同时镜筒内还设置有第一挡光环，用于抑制场外25°～43°的杂散光，由此，为实现对视场外25°～85°杂散光进行抑制的目的，设置于外部的遮光罩及第二挡光环仅需对视场外43°～85°杂散光进行抑制，因而其长度可大幅缩短。同时，激光测距接收光学系统中透镜总数为六片，全部采用球面镜，其中有三面为平面，两面为对称面，进一步控制了系统加工成本，降低了装配难度。

Description

一种激光测距的接收光机系统

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其是指一种激光测距的接收光机系统。

背景技术

上世纪六十年代，激光器的问世给世界带来巨大发展，不久后便诞生了第一套激光测距系统。随着时间的推移，激光测距技术被广泛应用于军事当中，例如用于卫星跟踪的激光雷达，大地测量激光雷达等。如今随着激光技术的飞速发展，激光测距作为一种精密测量技术，因其良好的精准度又被逐渐广泛应用于民用领域，例如激光云高仪，小型测距仪等。激光测距技术主要分为三大技术领域：光学、电路、计时控制。接收光学系统即为光学领域的一部分，如何通过光学系统以及光机结构的设计，使得激光测距系统具有小型化、低成本、高精度等优势，是目前的研究热点之一。

激光测距接收光学系统主要有透射式和反射式两种形式，透射式主要分为开普勒型和伽利略型系统，反射式主要分为牛顿型、卡塞格林型和格里高利型系统。透射式一般结构较为简单，加工装配难度较低，成本低，适用于成像质量要求不高的测距系统。反射式相比于前者，其接收通光直径相对较大，能够接收更多光通量，但相对地，其加工和装配难度非常大，且价格昂贵。考虑激光测距系统需具备低成本优势且对成像质量要求不高，因此综合选择透射式系统更具有实际意义。在透射式系统中，相同入口直径下，伽利略型系统相较于开普勒型具有更短的系统总长，更有利于激光测距系统小型化。

远距离激光测距接收光学系统一般具有较大的相对孔径以获取较多的接收能量。而较大的相对孔径势必会引入大量杂散光，导致光电探测器信噪比降低，从而影响系统测距精度，因此在激光测距系统中对于杂散光的抑制是必要的。目前对于杂散光的抑制方案可从三个方面考虑：光学设计、机械结构和表面处理。光学设计可从镜头方面考虑，例如加入滤光片、光阑等。机械结构更多是在光学设计完备后的基础上进行，例如加入遮光罩、内部设计挡光环等。表面处理则是对光机表面进行涂黑漆、阳极氧化等处理措施抑制多次散射杂散光。而对于较大相对孔径光学系统的杂散光抑制结构设计，一般设计的遮光罩长度皆远大于激光测距接收光学系统长度，非常不利于激光测距系统的小型化、轻量化。

现有技术中的远距离激光测距，难以在满足大相对孔径、高效抑制杂散光的前提下同时满足小型化和轻量化的目的，同时其加工难度以及成本也会因追求远距离激光测距接收光学系统的大相对孔径等光学性能而大大增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是当前远距离激光测距难以同时满足系统小型轻量化、高效抑制杂散光、易安装成本低且具有大相对孔径等要求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种杂散光抑制结构和激光测距的接收光机系统。

一种激光测距的接收光机系统，包括：

激光测距接收光学系统，采用伽利略型系统，用于接收视场内的光线；

杂散光抑制结构，包括：

镜筒，包裹所述激光测距接收光学系统且靠近物方的一端开口，该镜筒内部对应于所述激光测距接收光学系统各光学元件设置有多个镜座，用于固定激光测距接收光学系统；其内部设置有多个等间距分布的第一挡光环，用于抑制场外25°～43°的杂散光；

遮光罩，为一空心柱状物，远离物方的一端与所述镜筒开口端连接，内部设置有多个依工程制图法设计的第二挡光环，用于抑制视场外43°～85°的杂散光；

其中，所述激光测距接收光学系统内嵌于所述镜筒内，在抑制部分杂散光的同时可缩短遮光罩的长度，使得所述激光测距的接收光机系统整体尺寸缩短。

优选的，所述激光测距接收光学系统包括：

伽利略望远系统组件，用于对视场内的光线进行缩束，控制由所述伽利略望远系统组件出射至滤光片的光线角度，

滤光片，该滤光片的工作波长与激光测距系统光源波长一致，

聚焦系统组件，用于进行光束聚焦，

光电探测器，该光电探测器的光敏面设置于所述聚焦系统组件的焦平面上，用于接收由聚焦系统组件聚焦的光线。

优选的，所述伽利略望远系统组件包括：

第一透镜，该第一透镜为双凸透镜，位于靠近物方的一侧；该第一透镜的前后表面曲率半径均为63mm；

第二透镜，该第二透镜为凹平透镜，该第二透镜的前表面曲率半径为63mm，后表面为平面；该第二透镜与第一透镜为双胶合透镜，作为系统的物镜；

第三透镜，该第三透镜为双凹透镜，作为系统的目镜，该第三透镜的前表面曲率半径为13mm，后表面曲率半径为51mm；

其中，由所述第三透镜出射的光束为平行光束。

优选的，所述第一透镜和所述第二透镜的通光直径为50mm～100mm，所述第三透镜的通光直径为10mm～20mm。

优选的，所述滤光片的工作波长范围为400nm～1064nm。

优选的，所述滤光片的通光直径为10mm～20mm。

优选的，所述聚焦系统组件包括：

第四透镜，该第四透镜为凸平透镜，该第四透镜的前表面曲率半径为13mm，后表面为平面；

第五透镜，该第五透镜为双凸透镜，该第五透镜前的表面曲率半径为6.7mm，后表面曲率半径为9.5mm；

第六透镜，该第六透镜为凹平透镜，该第六透镜的前表面曲率半径为9.5mm，后表面为平面；该第五透镜与第六透镜为双胶合透镜。

优选的，所述第一挡光环环数为5～10，环间隔范围为5mm～10mm。

优选的，所述遮光罩入口直径为51mm～102mm，长度为57mm～114mm。

优选的，所述遮光罩内第二挡光环环数和环间隔由激光测距接收光学系统半视场角决定，关系具体为：

D＝D₀+2L tanω

其中，D为遮光罩入口直径，L为遮光罩长度，α为杂散光抑制角，ω为接收光学系统半视场角，D₀为接收光学系统入瞳直径，h₀为遮光罩内第一级挡光环高度。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明的激光测距的接收光机系统采用伽利略型系统，因此接收光学系统具有较短总长，在接收光学系统中加滤光片，并在外围加一镜筒，利用镜筒内部空间特点在其内部设计多个第一挡光环，再与遮光罩联合作用，这样即可大大缩短遮光罩的长度，从而大幅度减小了接收光机系统总长，可满足激光测距系统小型化轻量化的要求。

2、本发明杂散光抑制结构中的镜筒内部第一挡光环对视场外25°～43°杂散光进行抑制，遮光罩与其内部第二挡光环共同作用对视场外43°～85°杂散光进行抑制，可使系统在接收有效光通量的同时，视场外25°～85°的杂散光均能够得到抑制，具有高效抑制杂散光的效果，这样即可提高光电探测器信噪比，从而使激光测距系统高精度化。

3、本发明的激光测距的接收光机系统中透镜总数为六片，全部采用标准球面镜，其中有三面为平面，两面为对称面，进一步控制了系统加工成本，降低了装配难度，从而实现激光测距系统低成本化。

4、本发明的激光测距的接收光机系统中最终优化的接收光学系统相对孔径可达1.2，具有较大的相对孔径。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的激光测距接收光机系统示意图。

图2是本发明的激光测距接收光学系统光路图。

图3是本发明的杂散光抑制结构外部示意图。

图4是本发明的杂散光抑制结构内部示意图。

图5是本发明的杂散光抑制结构遮光罩设计原理图。

图6是本发明的不同视场角下的光束在光电探测器光敏面上会聚所成的光斑示意图。

图7是本发明的杂散光抑制结构的消光比仿真结果。

说明书附图标记说明：101、第一透镜；102、第二透镜；103、第三透镜；104、滤光片；105、第四透镜；106、第五透镜；107、第六透镜；108、光电探测器；201、镜筒；2011、第一挡光环；2012、镜座；202、遮光罩；2021、第二挡光环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的激光测距的接收光机系统，包括：激光测距接收光学系统和杂散光抑制结构。

如图2所示，所述激光测距接收光学系统，采用伽利略型系统，包括：伽利略望远系统组件、滤光片104、聚焦系统组件和光电探测器108。

所述伽利略望远系统组件，用于对视场内的光线进行缩束，控制由所述伽利略望远系统组件出射至滤光片104的光线角度，包括：

第一透镜101，该第一透镜101为双凸透镜，位于靠近物方的一侧；该第一透镜101的前后表面曲率半径均为63mm，玻璃材料为钡火石玻璃；

第二透镜102，该第二透镜102为凹平透镜，该第二透镜102的前表面曲率半径为63mm，后表面为平面，玻璃材料为火石玻璃；该第二透镜102与第一透镜101为双胶合透镜，作为系统的物镜；

第三透镜103，该第三透镜103为双凹透镜，作为系统的目镜，该第三透镜103的前表面曲率半径为13mm，后表面曲率半径为51mm，玻璃材料为冕牌玻璃；

其中，所述第一透镜101和所述第二透镜102的通光直径为50mm～100mm，所述第三透镜103的通光直径为10mm～20mm。

将伽利略望远系统组件设置于靠近物方的一侧，可减小滤光片104和聚焦系统组件的尺寸，从而实现降低系统整体重量的效果。同时可以使得入射至滤光片104的光束为平行光，达到最优的滤光效果。

滤光片104，该滤光片的工作波长与激光测距系统光源波长一致；工作波长范围为400nm～1064nm。该滤光片104的通光直径为10mm～20mm。可用于滤除视场内0°～0.285°的杂散光，从而提高光电探测器信噪比。

聚焦系统组件，采用三片式聚焦系统，用于进行光束聚焦，包括：

第四透镜105，该第四透镜105为凸平透镜，该第四透镜105的前表面曲率半径为13mm，后表面为平面，玻璃材料为冕牌玻璃；

第五透镜106，该第五透镜106为双凸透镜，该第五透镜106前的表面曲率半径为6.7mm，后表面曲率半径为9.5mm，玻璃材料为钡火石玻璃；

第六透镜107，该第六透镜107为凹平透镜，该第六透镜107的前表面曲率半径为9.5mm，后表面为平面，玻璃材料为火石玻璃；该第五透镜6与第六透镜107为双胶合透镜。

光电探测器108，所述光电探测器108的光敏面设置于所述聚焦系统组件的焦平面上，用于接收由聚焦系统组件聚焦的光线。

所述第一透镜101和所述第二透镜102的通光直径即伽利略望远系统组件的物镜通光直径，所述第三透镜103的通光直径即伽利略望远系统组件的目镜通光直径，伽利略望远系统组件的放大倍数由物镜与目镜的比值决定。若放大倍数过大则激光测距接收光学系统总长过长，若放大倍数过小则由目镜出射光束的直径过大，从而导致聚焦系统组件的镜片选取直径变大。

上述激光测距接收光学系统的入瞳直径为50mm～100mm，相对孔径为1～1.5，系统总长为115～230mm。所述第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第四透镜105、第五透镜106和第六透镜107均为标准球面镜，且第二透镜102后表面，第四透镜105后表面，第六透镜107后表面都为平面，极大地降低了加工和装配难度，节省了成本，如此设置可降低系统成本。

激光测距系统所接收的光包括有效光通量和无效杂散光。当光进入激光测距接收光学系统，其中伽利略型望远系统组件和聚焦系统组件对有效光通量进行接收会聚，到达光电探测器108的光敏面，滤光片104对视场内0°～0.285°杂散光进行滤除，使其无法到达光电探测器108的光敏面。

如图3、4所示，所述杂散光抑制结构包括：

镜筒201，内部设计有第一挡光环2011，环数为5～10，环间隔范围为5mm～10mm，用于固定激光测距接收光学系统的同时可抑制场外25°～43°的杂散光；内部设置有用于固定激光测距接收光学系统各光学元件的镜座。该镜筒4总长为115mm～230mm，入口直径为50mm～100mm。由所述第一透镜和所述第二透镜组合的物镜对光线有汇聚作用，因此，所述第一档光环的高度由物镜方向向目镜方向逐级递增，其具体高度参数以保证视场内光线不被遮挡准。

遮光罩202，内部设计有第二挡光环2021，其环数和环间隔由激光测距接收光学系统半视场角0°～0.285°决定，其具体分布依工程制图法设计，其作用为抑制视场外43°～85°的杂散光。遮光罩203总长为57mm～114mm，入口直径为51mm～102mm。

如图5所示，所述第二挡光环与所述半视场角的关系具体为：

D＝D₀十2L tanω

其中，D为遮光罩入口直径，L为遮光罩长度，α为杂散光抑制角，ω为接收光学系统半视场角，D₀为接收光学系统入瞳直径，h₀为遮光罩内第一级挡光环高度。由上式可知，考虑到激光测距系统小型化需求，遮光罩长度L不能过大，则杂散光抑制角α不能过小，因此本发明选取杂散光抑制角α＝43°，h₀＝3mm；此时，D＝51mm，L＝57mm。

杂散光抑制结构中的镜筒201内部的第一挡光环2011对视场外25°～43°的杂散光进行抑制，遮光罩202与第二挡光环2021共同作用对视场外43°～85°杂散光进行抑制，使其均无法到达光电探测器108的光敏面。镜筒201与遮光罩202共同联合作用，可对视场外25°～85°杂散光进行抑制，由于光学系统内嵌于镜筒中，因此相比于常规仅设计有遮光罩的激光测距的接收光机系统而言，本发明的激光测距的接收光机系统的遮光罩长度可大大缩短，既满足了视场外杂散光抑制的要求，又满足了激光测距系统小型化轻量化的要求。

在一个具体的实施例中，所述激光测距接收光学系统的半视场角ω为0.285°,第一透镜和第二透镜的通光直径为50mm，第三透镜的通光直径为10mm，此时，该伽利略望远系统组件的放大倍数为5倍，该伽利略望远系统组件的入瞳直径为50mm。

在一个可选的实施例中，光电探测器光敏面的直径为0.5mm，所使用的光源为905nm波长近红外光，光源特性为无限远处平行光，不同视场角下的物体在光电探测器108光敏面上的成像示意图如图6所示。

如图7所示为本发明的杂散光抑制结构的消光比仿真结果。展示了视场外各离轴角度下的消光比，角度范围为25°～85°。分别测试未加杂散光抑制结构和加入杂散光抑制结构两种情况下的消光比，消光比的值越小，杂散光抑制效果越好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种激光测距的接收光机系统，其特征在于，包括：

激光测距接收光学系统，采用伽利略型系统，用于接收视场内的光线，所述激光测距接收光学系统包括：

伽利略望远系统组件，用于对视场内的光线进行缩束，控制由所述伽利略望远系统组件出射至滤光片的光线角度，所述伽利略望远系统组件包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凹平透镜，所述第三透镜为双凹透镜，

滤光片，该滤光片的工作波长与激光测距系统光源波长一致，

聚焦系统组件，用于进行光束聚焦，所述聚焦系统组件包括：第四透镜、第五透镜、第六透镜，所述第四透镜为凸平透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为凹平透镜，

光电探测器，该光电探测器的光敏面设置于所述聚焦系统组件的焦平面上，用于接收由聚焦系统组件聚焦的光线；

杂散光抑制结构，包括：

镜筒，包裹所述激光测距接收光学系统且靠近物方的一端开口，该镜筒内部对应于所述激光测距接收光学系统各光学元件设置有多个镜座，用于固定激光测距接收光学系统；其内部设置有多个等间距分布的第一挡光环，用于抑制场外25°～43°的杂散光；

遮光罩，为一空心柱状物，远离物方的一端与所述镜筒开口端连接，内部设置有多个依工程制图法设计的第二挡光环，用于抑制视场外43°～85°的杂散光；

其中，激光测距接收光学系统的入瞳直径为50mm～100mm，相对孔径为1～1.5，系统总长为115～230mm，由所述第三透镜出射的光束为平行光束，所述激光测距接收光学系统内嵌于所述镜筒内，在抑制部分杂散光的同时可缩短遮光罩的长度，使得所述激光测距的接收光机系统整体尺寸缩短。

2.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述第一透镜位于靠近物方的一侧；该第一透镜的前后表面曲率半径均为63mm；所述第二透镜的前表面曲率半径为63mm，后表面为平面；该第二透镜与第一透镜为双胶合透镜，作为系统的物镜；所述第三透镜作为系统的目镜，该第三透镜的前表面曲率半径为13mm，后表面曲率半径为51mm。

3.根据权利要求2所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的通光直径为50mm～100mm，所述第三透镜的通光直径为10mm～20mm。

4.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述滤光片的工作波长范围为400nm～1064nm。

5.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述滤光片的通光直径为10mm～20mm。

6.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述第四透镜的前表面曲率半径为13mm，后表面为平面；所述第五透镜前的表面曲率半径为6.7mm，后表面曲率半径为9.5mm；所述第六透镜的前表面曲率半径为9.5mm，后表面为平面；该第五透镜与第六透镜为双胶合透镜。

7.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述第一挡光环环数为5～10，环间隔范围为5mm～10mm。

8.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述遮光罩入口直径为51mm～102mm，长度为57mm～114mm。

9.根据权利要求1所述的激光测距的接收光机系统，其特征在于，所述遮光罩内第二挡光环环数和环间隔由激光测距接收光学系统半视场角决定，关系具体为：

D＝D₀+2L tanω

其中，D为遮光罩入口直径，L为遮光罩长度，α为杂散光抑制角，ω为接收光学系统半视场角，D₀为接收光学系统入瞳直径，h₀为遮光罩内第一级挡光环高度。