CN116500587A

CN116500587A - 可调激光测距系统

Info

Publication number: CN116500587A
Application number: CN202310747113.7A
Authority: CN
Inventors: 宋小亮; 李杨
Original assignee: Chengdu Liangxin Integrated Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Liangxin Integrated Technology Co ltd
Priority date: 2023-06-25
Filing date: 2023-06-25
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2043-06-25
Also published as: CN116500587B

Abstract

本发明公开了可调激光测距系统，包括发射系统和接收系统，发射系统包括光源和可调准直系统，可以调节准直光束的光斑直径，接收系统为变焦镜头，可调整入瞳孔径和接收视场角；将可调准直系统与变焦镜头结合，根据测距需要将激光器的出射光准直为平行出射的点光源或面光源，并相应动态调整变焦镜头的焦距和接收视场角，可以实现快速测距和提升测距精度，并有效减少杂光干扰的效果，提升测距稳定性。

Description

可调激光测距系统

技术领域

本发明涉及一种测距系统，特别是一种可调光学激光测距系统。

背景技术

传统激光测距系统中，探测激光一般采用点激光或者面阵激光照射待测物体或测量面。单点激光测距精度一般较高，但探测一次只能完成被测物体上一个点的测量，对于测量面不平整的物体，如果要测量全貌需要进行扫描测量，测量过程复杂且耗时较长。而面阵激光测距一次能测量一个面，测量效率较高，但采用面阵激光测量时需要采用阵列激光发射器，价格昂贵；如果采用准直扩束系统产生面阵激光，其测量精度没有单点测距精度高。

其次，传统测距系统使用定焦镜头接收激光的反射光线汇聚到传感器，其焦距、F数和视场角固定，传感器探测的光线容易受环境光干扰，无法根据实际情况调整视场角、焦距和F数。

另外，传统的激光测距系统，发射系统和接收系统位于同一方向，互相干扰，影响接收系统测量的精确性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种可调激光测距系统，能实现快速测距和提升测距精度，并有效减少杂光干扰的效果，提升测距稳定性。

根据本发明的可调激光测距系统，其包括发射系统和接收系统，发射系统包括光源和准直系统；其特征在于：准直系统为可调准直系统，可以调节准直光束的光斑直径，接收系统为变焦镜头，所述变焦镜头包括从物方到像方依序排列的三棱镜LP、第一透镜L1、变焦前组G1、光阑STO、变焦后组G2和第七透镜L7；其中变焦前组G1由第第二透镜L2和第三透镜L3组成；变焦后组G2由第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成；发射系统和接收系统共用三棱镜LP，三棱镜的像侧面S3为凹面；

其中：

第一透镜L1为正透镜，物侧面S4为凸面，像侧面S5为凹面；

第二透镜L2为负透镜，物侧面S6为凹面，像侧面S7为凹面；

第三透镜L3为正透镜，物侧面S8为凸面，像侧面S9为凹面；

第四透镜L4为正透镜，物侧面S11为凸面，像侧面S12为凸面；

第五透镜L5为负透镜，物侧面S12为凹面，像侧面S13为凹面；

第六透镜L6为正透镜，物侧面S14为凸面，像侧面S15为凸面；

第七透镜L7为正透镜，物侧面S16为凸面，像侧面S17为凹面；

其中，所述变焦镜头满足以下公式（1）：

4≤Fno≤5；0.1<R3/(R4+R5)<0.2；0.3<d3/d4<0.4；

0.28<LD/TOTR<0.32；0.07<d3/LD<0.075；5<TOTR/EFL<15 （1）。

根据本发明的可调激光测距系统，满足下列条件式（2）：

4.2<f1/EFL<11；-2<f2/EFL<-0.5；1.5<f3/EFL<4.2；0.6<f4/EFL<2；

-2.2<f5/EFL<-0.7；1.5<f6/EFL<4.1；1.8<f7/EFL<5 （2）；

根据本发明的可调激光测距系统，满足下列条件式（3）：

0.060<d4/TOTR<0.066；0.017<d6/TOTR<0.019；0.041<d8/TOTR<0.044；0.073<d11/TOTR<0.080；

0.015<d12/TOTR<0.016；0.039<d14/TOTR<0.042；0.050<d16/TOTR<0.055 （3）

根据本发明的可调激光测距系统，满足下列条件式（4）：

20°<FOV<34° （4）。

根据本发明的可调激光测距系统，满足下列条件式（4）：

-3<fG1/EFL<-1, 0.8<fG2/EFL<2.2 （4）

根据本发明的可调激光测距系统，优选满足下列条件式(5)：

20°<FOV<34° （5）

根据本发明的可调激光测距系统，可调准直系统C的光轴与三棱镜物侧面的光轴之间的夹角θ满足下列条件式（6）：

有益效果：1.本申请采用可变准直镜头，根据测量需要可通过切换不同的准直镜头或者调整可变准直镜头将激光器发射的光准直为平行出射的点光源或面光源，使得能够根据需要快速测距或者调整后提升测距精度；或者可以先采用准直面光源进行大范围快速测距，然后切换成准直点光源对目标点精确测量。

2.本申请使用可变焦接收镜头，可根据测量距离动态调整焦距和接收视场角，抗环境光干扰能力强，并通过调焦过程中改变Fno大小达到增强接收光能量以及减少杂光干扰的效果，提升测距稳定性。

3、本申请通过特殊设计的变焦接收镜头，将发射系统与接收系统分离开，减少二者之间的干扰，并且通过精确设计变焦接收镜头的各参数，使得系统获得较大的视场，同时减少边缘视场的像差，使得各个视场的测距更精确。

附图说明

图1是可调激光测距系统的一示例性实施例的光学结构图。

图2是部分准直系统的示意图，其中（a）是双凸透镜准直系统；（b）是凹凸透镜准直系统；（c）是离轴双反射准直系统。

图3是根据本公开的部分可变准直系统的示意图，其中（a）和（b）分别为移动透镜到不同位置示意图。

图4是根据本公开的变焦镜头一示例性实施例的Zemax布局图，其中（a）是广角状态；（b）是中间状态；（c）是望远状态。

图5是根据图3变焦镜头的光线光扇图，其中图5的（a）和（b）对应于图3的（a）和（b）的光线光扇图。

图6是根据图3变焦镜头的像面光迹图。

其中，E为发射系统，T为被测目标，D为接收系统，S为光源，M为凹面反射镜，C为可调准直系统，LP为三棱镜，HR为半透半反面，L1~L7表示第一至第七透镜，G1表示变焦前组，G2表示变焦后组，S1~S19表示各表面序号，I表示像面，STO表示光阑，F为滤光玻璃。

具体实施方式

下面结合附图1-6详细说明本发明的可调激光测距系统。

图1是本发明的可调激光测距系统的一示例性实施例的光学结构图，其中E为发射系统，T为被测目标，D为接收系统，S为光源，M为凹面反射镜，C为可调准直系统，LP为三棱镜，HR为半透半反面。该系统包括发射系统E和接收系统D，发射系统包括光源S和可调准直系统C。

本发明的接收系统和发射系统共用三棱镜LP，采用三棱镜将接收系统和发射系统分开，优选将二者分开成正交的方向，即采用直角三棱镜。此时直角三棱镜的斜面为半透半反面HR，其为发射系统的入射面和透射面，同时也是接收系统的反射面。由于发射系统要经过三棱镜的斜面，因此优选光源S和可调准直系统C的光轴与三棱镜的的斜面的夹角要小于45°，优选发射系统中光源S和可调准直系统C的光轴与水平面（三棱镜物侧面的光轴）之间的夹角θ满足以下公式：

其中，n₀为直角三棱镜的折射率，此时，能够使得发射系统经过三棱镜发射的光沿水平方向平行射出。

图2表示的是几种准直系统，（a）是双凸透镜准直系统；（b）是凹凸透镜准直系统；（c）是离轴双反射准直系统。还可以将上述准直系统搭配使用。

本申请的可调准直系统，可根据测量需要可通过切换不同的准直镜头或者调整可变准直镜头将激光器发射的光准直为平行出射的点光源或不同大小的面光源，使得能够根据需要快速测距或者切换后提升测距精度；或者可以先采用准直面光源进行大范围快速测距，然后切换成准直点光源对目标点精确测量。

例如，可通过变换不同共焦的准直光学系统，搭配不同焦距的透镜或反射镜将光源S的光束准直缩束或扩束为不同尺寸的平行光束。具体的切换系统，只要是能够实现将不同的准直系统切入切出系统即可，可以采用与光轴正交的方向旋转切换或平移切换等实现。或者如图3所述，通过沿光轴（虚线方向）移动透镜实现准直光束宽度的调整。

本发明的接收系统采用变焦镜头，可根据测量距离动态调整焦距和接收视场角，抗环境光干扰能力强，并通过调焦过程中改变Fno达到增强接收光能量的效果，提升测距稳定性。另外，本申请通过特殊设计的变焦接收镜头，将发射系统与接收系统分离开，减少二者之间的干扰，并且通过精确设计变焦接收镜头的各参数，使得系统获得较大的视场，同时减少边缘视场的像差，使得各个视场的测距更精确。

该变焦镜头包括从物方到像方依序排列的三棱镜LP、第一透镜L1、变焦前组G1、光阑STO、变焦后组G2和第七透镜L7；其中变焦前组G1由第第二透镜L2和第三透镜L3组成；变焦后组G2由第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成。变焦透镜进一步包括滤光玻璃F和图像传感器。

光线经半透半反面HR反射后在三棱镜的下表面出射，出射面S3为凹面。

其中：

第一透镜L1为正透镜，物侧面S4为凸面，像侧面S5为凹面；

第二透镜L2为负透镜，物侧面S6为凹面，像侧面S7为凹面；

第三透镜L3为正透镜，物侧面S8为凸面，像侧面S9为凹面；

第四透镜L4为正透镜，物侧面S11为凸面，像侧面S12为凸面；

第五透镜L5为负透镜，物侧面S12为凹面，像侧面S13为凹面；

第六透镜L6为正透镜，物侧面S14为凸面，像侧面S15为凸面；

第七透镜L7为正透镜，物侧面S16为凸面，像侧面S17为凹面；

进一步地，第四透镜L4和第五透镜L5胶合。

根据本实施例的变焦镜头，满足下列条件式（1）：

4≤Fno≤5；0.1<R3/(R4+R5)<0.2；0.3<d3/d4<0.4；

0.28<LD/TOTR<0.32；0.07<d3/LD<0.075；5<TOTR/EFL<15 （1）

条件式（1）通过限制系统的孔径在合适的范围，避免孔径过大引入过多的杂光影响测距精度，同时避免孔径过小保证边缘视场的亮度足以完成测距。通过设置三棱镜的像侧面为凹面，并限定曲率半径的比值，能够扩大整个系统的视场，也使得后续透镜容易校正边缘像差。在曲率半径的基础上合理设置三棱镜到第一透镜的间距与全部镜片的总厚度、与第一透镜的厚度的比值，能够很好的约束边缘视场的光线，防止产生过大的像差。通过设置全部镜片的总厚度与系统总长的比值以及系统总长与有效焦距的比值，能够减小系统的体积。

根据本实施例的变焦镜头，满足下列条件式（2）：

4.2<f1/EFL<11；-2<f2/EFL<-0.5；1.5<f3/EFL<4.2；0.6<f4/EFL<2；

-2.2<f5/EFL<-0.7；1.5<f6/EFL<4.1；1.8<f7/EFL<5 （2）

条件式（2）合理分配各透镜的焦距，使得系统能够很好的分担光焦度，控制系统在变焦时的像差，也使得整个系统的视场角能够满足测距使用。

根据本实施例的变焦镜头，优选满足下列条件式(3)：

0.015<d12/TOTR<0.016；0.039<d14/TOTR<0.042；0.050<d16/TOTR<0.055 （3）

条件式（3）通过合理分配各透镜的厚度，能够很好的控制系统的总长，而且每一个透镜的厚度都不至于太大，不会产生过大的像差，这样在校正像差时不需要过大的非球面，制造方便。

根据本实施例的变焦镜头，优选满足下列条件式(4)：

-3<fG1/EFL<-1, 0.8<fG2/EFL<2.2 （4）

通过设置变焦前组合变焦后组的光焦度范围，有利于限制变焦前组合变焦后组移动的范围，防止变焦前组合变焦后组需要移动过大的距离才能实现有效的变焦。

根据本实施例的变焦镜头，优选满足下列条件式(5)：

20°<FOV<34° （5）

条件式（5）对视场角进行限制，太小的视场角，在采用平面准直光束测距时，待测面周围的距离信息由于入射角较大会被系统限制而无法测得；太大的视场角会引入过多的杂光影响测距精度。

表1示出变焦镜头的一组具体数据（表面序号、表面类型、曲率半径、厚度、距离、透镜的折射率、透镜的阿贝数）。

[表1]

（长度单位：mm）

非球面采用偶次非球面，方程为：

其中，C为顶点曲率，A2~A20……为高次项系数。

表2-1和表2-2为本实施例的非球面参数。

[表2-1]

[表2-2]

变焦过程中，第一透镜L1固定，变焦前组G1朝像侧移动，变焦后组朝物测移动，第七透镜L7朝像侧移动。具体变焦数据参见表3。

[表3]

表4和表5为本实施例的部分光学条件式参数。

[表4]

[表5]

f1~f7为各透镜的焦距，fG1为变焦前组G1的合焦距，fG2为变焦后组G2的合焦距，EFL为整个变焦系统的焦距，d4、d6、d8、d11、d12、d14、d16为第一透镜至第七透镜各自在光轴上的厚度，LD为七片透镜的总厚度，d3为三棱镜的像侧面到第一透镜物侧面的距离，R3为三棱镜的像侧面的曲率半径，R4和R5分别是第一透镜的物侧面和像侧面的曲率半径。

本实施例的变焦镜头的光线光扇图参见图5，像面光迹图参见图6。

本申请将发射系统的可调准直系统与接收系统的变焦镜头相结合，在测距过程中，例如可以先采用大光斑直径的准直光束照射待测面，快速获得待测面的多点、多视角的反射光线，此时对应变焦系统采用广角端，此时Fno较小（即孔径较大），捕获待测面的大视场光线进行多点测距，且像面的边缘视场亮度也能得到保证。然后针对待测面某个小的表面或点进行测距，采用小直径的准直光束（或点准直光束）照射待测面，此时反射光的视场也集中在光轴附近，因此变焦系统调整到望远端，此时Fno较大（即孔径较小），能够有效避免大角度漫射光线的杂光干扰，保证测距的精度。

以上实施例只是为了描述方便所做出的示例，本领域的技术人员在不脱离由权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行修改和变型。

Claims

1.一种可调激光测距系统，包括发射系统和接收系统，发射系统包括光源和准直系统；其特征在于：准直系统为可调准直系统，能够调节准直光束的光斑直径，接收系统为变焦镜头，所述变焦镜头包括从物方到像方依序排列的三棱镜LP、第一透镜L1、变焦前组G1、光阑STO、变焦后组G2和第七透镜L7；其中变焦前组G1由第第二透镜L2和第三透镜L3组成；变焦后组G2由第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成；发射系统和接收系统共用三棱镜LP，三棱镜的像侧面S3为凹面；其中：

第一透镜L1为正透镜，物侧面S4为凸面，像侧面S5为凹面；

第二透镜L2为负透镜，物侧面S6为凹面，像侧面S7为凹面；

第三透镜L3为正透镜，物侧面S8为凸面，像侧面S9为凹面；

第四透镜L4为正透镜，物侧面S11为凸面，像侧面S12为凸面；

第五透镜L5为负透镜，物侧面S12为凹面，像侧面S13为凹面；

第六透镜L6为正透镜，物侧面S14为凸面，像侧面S15为凸面；

第七透镜L7为正透镜，物侧面S16为凸面，像侧面S17为凹面；

所述变焦镜头满足以下公式（1）：

4≤Fno≤5；0.1<R3/(R4+R5)<0.2；0.3<d3/d4<0.4；

0.28<LD/TOTR<0.32；0.07<d3/LD<0.075；5<TOTR/EFL<15 （1）

其中，Fno为像方空间F数，TOTR为整个变焦镜头的总长，EFL为变焦镜头的焦距，R3为三棱镜的像侧面的曲率半径，R4和R5分别是第一透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，d3为三棱镜的像侧面到第一透镜物侧面在光轴的距离，d4为第一透镜在光轴上的厚度，LD为七片透镜的总厚度。

2.根据权利要求1所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述变焦镜头进一步满足条件式(2)：

4.2<f1/EFL<11；-2<f2/EFL<-0.5；1.5<f3/EFL<4.2；0.6<f4/EFL<2；

-2.2<f5/EFL<-0.7；1.5<f6/EFL<4.1；1.8<f7/EFL<5 （2）

其中，f1~f7为各透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述变焦镜头进一步满足条件式（3）：

0.015<d12/TOTR<0.016；0.039<d14/TOTR<0.042；0.050<d16/TOTR<0.055 （3）

其中，d6、d8、d11、d12、d14、d16为第二透镜至第七透镜各自在光轴上的厚度。

4. 根据权利要求1所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述变焦镜头进一步满足条件式（4）：

-3<fG1/EFL<-1, 0.8<fG2/EFL<2.2 （4）

其中，fG1为变焦前组G1的合焦距，fG2为变焦后组G2的合焦距。

5. 根据权利要求1所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述变焦镜头进一步满足条件式（5）：

20°<FOV<34° （5）

其中，FOV为变焦镜头的视场角。

6.根据权利要求1所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述光源发出的光经可调准直系统准直后射入三棱镜LP，从三棱镜的半透半反面进入三棱镜，并透过三棱镜照射待测面，待测面的反射光线入射三棱镜后被半透半反面反射后进入像侧面。

7.根据权利要求1所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述三棱镜LP为直角三棱镜，三棱镜的斜边为半透半反面，面向物侧的直角侧面为物侧面，面向像面的直角侧面为像侧面，可调准直系统的光轴与三棱镜物侧面的光轴之间的夹角θ满足以下公式（6）：

；

其中，n₀为直角三棱镜的折射率。

8.根据权利要求1-7任一项所述的可调激光测距系统，其特征在于：所述第一透镜L1至第七透镜L7中每片透镜至少有一面是非球面。