CN1677126A - 激光测距仪的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种激光测距仪的光学系统，包括激光发射器、置于激光发射器之前的发射透镜组、汇聚反射光线至光接收器件的非球面透镜以及光接收器件，在非球面透镜和光接收器件之间还包括有多边形棱镜，非球面透镜在发射光线透射的位置处留有缺口以便发射光束通过。本发明光能利用率高，避免了发射和接收光束之间的干涉，接收光线具有等光程性，获得信号的信噪比高，有利于提高系统的测量精度和准确度，且结构简单提高了系统的稳定性。

Description

激光测距仪的光学系统

技术领域

本发明涉及一种激光测距仪，特别是有关于一种激光测距仪的光学系统结构。

背景技术

激光测距仪是测量距离的重要装置之一，常用的激光测距仪使用激光器发送调制光到目标上，由该目标物来反射激光信号至一个激光接收器，常见的激光接收器是一个雪崩二极管(avalanche photodiode简称APD)，它将光信号转化成电信号。激光测距仪计算发送脉冲和接收脉冲两者之间的时间差，再乘以光速即可获得距离值。

但是，由于光速是一个非常大的值，要确保距离值准确，则电信号的处理要相当精确才能获得精确的时间值，否则就会差之毫厘谬以千里。而且光线具有扩散的性质，并不是所有的光线都能被反射回来为激光接收器所接收，特别是在无人为合作目标的条件下，反射光线的数量更少。而且反射光线还会受到自然光线、粉尘等的干涉和干扰，使得信噪比偏低，影响测距仪的精度，而如果提高激光的发射功率又会导致成本的提高且伤害人眼。

激光测距在近距离、高精度领域的应用还有很多技术难点，如近距离的光线回收问题、APD接收光能量大小的限制问题、高精度测量时的光路等程设计等。

目前在这一领域的现有技术是：把回收的光由一片透镜汇聚耦合入光纤，由光纤传输到一定的距离后再耦合出来，经过一个小的透镜汇聚到APD。采用光纤传输的好处是，可使APD的设置位置具有较大的自由度，同时可以适用于近距离的激光测距，在这个近距离的光回收问题上，美国专利第5,949,531号提出了几个不同的方案，如图1至图4所示。图1是由电动机11带动凸轮12推动弹片13来改变接收光纤14的位置，再将光能传输到APD 15上，以实现近距离反射光线的接收；图2的方案采用了反射镜21，将较近目标的大角度入射光线通过镜面反射到接收光纤14上，再传回光接收器件，但这种方式会造成一定程度的光线弯曲和散射；图3在测量近处目标的情况下用了一块三角棱镜31偏折入射角度过大的光线，但此三角棱镜31对部分远处目标的反射光线也会产生偏折而使得接收光纤14接收不到足够的光能量，因此在测量较远物体时需去除此组件；图4采用了衍射组件41，这种组件可以很好地处理各种入射角的光线，但其结构比较复杂，成本较高。

这些已知的设计方案虽然可在某种程度上应用于实际的环境，但事实上却没有考虑发射与反射光线的效率比值问题，也未考量等光程问题，所以信号的精确度无法提升。其次，部分的方案需要有电动机带动，或是测量远近不同距离时需将特定组件插入、拔出于光回路中，这些额外的机构与构件将给系统增加不稳定因素而使系统的可靠度降低，同时也会使系统的制造成本增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光测距仪的光学系统，以克服上述现有技术的不足，能够在无人为合作目标的条件下，特别是在近距离测距的情况下，APD在整个激光测距仪的测量范围内均能获得光信号，且光信号的能量满足APD的受光范围需求；并符合等光程的要求，使经光电转换后的载波信号更易判断。

为实现上述目的，本发明提供一种激光测距仪的光学系统，包括激光发射器、置于激光发射器之前的发射透镜组、汇聚反射光线至光接收器件的非球面透镜以及光接收器件，在非球面透镜和光接收器件之间还包括有多边形棱镜，非球面透镜在发射光线透射的位置处留有一缺口以便发射光束通过。

进一步的，所述的激光测距仪的光学系统中，多边形棱镜可以是由两片棱镜胶合而成，而且两片棱镜结合角度及位置以可以充分汇聚透过非球面透镜的光线至光接收器件为准。且所述的多边形棱镜的两片棱镜可采用不同的材质，而该等材质的选用及个别镜体的外形、尺寸应当使透过两者的光线光程相等。

另一方面，所述的激光测距仪的光学系统中，该多边形棱镜也可以是由单一的导光素材一体制成的。同样的，在这种实施例中，该多边形棱镜的设置位置同样必须配合测距仪的量程，使能接收全量程内的反射信号，并且满足等光程要件。

本发明光能利用率高，避免了发射和接收光束之间的干涉，接收光线具有等光程性，实现光信号载波频率的一致性。并且利用棱镜对光线的偏折作用，可以同时实现近距离与远距离测量光线的接收；获得信号的信噪比高，有利于提高系统的测量精度和准确度，且系统的结构简单可提高系统的稳定性与可靠度。与现有技术相比，本发明主要优点有以下几项：

1.采用多边形棱镜补偿相位差和改变光路，可同时实现对近距离及远距离的测量，并提高信噪比；

2.利用多边形棱镜充分折射光线，实现整个测量范围内的能量一致性，充分利用光能量；

3.无过多的附加结构，降低成本；

4.本系统结构简单、零件简化、无活动组件，便于量产且操作的可靠度及耐用性高；

5.设计中已经考虑到能量的利用率，在激光发射器、APD的选择上可以有较大的弹性，故能降低制造成本。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为采用光纤的现有技术的光路图。

图2为采用反射镜的现有技术的光路图。

图3为采用三角棱镜的现有技术的光路图。

图4为采用衍射组件的现有技术的光路图。

图5为本发明的光学系统的示意图。

图6为本发明的多边形棱镜的结构示意图。

图7为本发明测量较远距离目标时的光路图。

图8为本发明测量较近距离目标时的光路图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，现就结合附图说明如下：

首先参阅图5，本发明的光学系统由五个部分组成，非球面透镜1、多边形棱镜2、光接收器件(APD)3、发射透镜组4和激光发射器(LD)5。在这套系统中激光发射器5是一个光源，由其产生并发射光脉冲。发射光线经位于激光发射器5之前的发射透镜组4汇聚后发射到测量目标物上。在条件许可的情况下，该目标物可以是放在测量目标距离位置上的一个人为的合作目标，如测距标杆，这种人为合作目标可以较好地反射激光光线，使得光接收器件3产生具有较高信噪比的电信号，进而正确地实施测距；但在某些情况下，并没有这样的人为配合条件，这时激光光束将在自然目标物上产生漫射及反射，以各种角度反射回来的光线经非球面透镜1汇聚，再经过多边形棱镜2产生折射。在实施远距离测量时，非球面透镜1汇聚的平行反射光线将不发生大角度折射而通过多边性棱镜2，并入射到光接收器件3上。同时，考虑到激光发射器5发射和光接收器件3接收的干涉问题，本系统非球面透镜1在发射光束通过非球面透镜1的位置处留有一缺口(亦可为一个孔11)，避免了发射和接收光束之间的干涉。

请参阅图6，这是多边形棱镜2的结构示意图。多边形棱镜2可以是一体成型的，例如由玻璃材料中一体切割所需的形状，该多边形棱镜2可以再区分为如图6所示的第一棱镜2a和第二棱镜2b。在某些实施例中也可以是由两块棱镜胶合而成。在一个较佳实施例中，第一棱镜2a是设置在非球面透镜1的中心线上，使得由远距离目标反射回来的与发射光几乎平行的反射光束，可经过非球面透镜1汇聚后直接透过第一棱镜2a被光接收器件3所接收。而第二棱镜2b与第一棱镜2a呈一定角度设置，使其在量测近距离目标时，将呈大角度反射而经非球面透镜1汇聚至偏离非球面透镜中心延线上的光束折射到光接收器件3上。这样的多边形棱镜设计使得光接收器件3能够在测量远距离及近距离时均能接收到足够多的反射光线，以提高其电信号的信噪比。第一棱镜2a和第二棱镜2b的摆放位置与彼此间的较佳角度范围可以根据测距仪的量程而计算出来。利用多边形棱镜2的位置及尺寸控制使近距离光焦点偏移经由光的折射特性而得到修正，使系统实现了近距离测量的可能性，并且使在激光测距仪在整个量程内，光接收器件3所接收的信号能量差值不至于过大，降低了后期电路对信号处理的复杂性与困难度。

由于近距离测量时的大角度入射的反射光线之间存在光程差，同一个时间点发射的光波的不同相位会在不同时间为APD所接收，所以会造成信号的错乱与处理的困难。又因为光在某些材质中行进的速度比在空气中要慢许多，所以其光程可以相当于在空气传输中的数倍以上。所以在本发明中选用这些材质(在一个较佳的实施例中是选用玻璃)制作多边形棱镜2，并使在空气中传输光程较远的光线在棱镜中经过的光路较短，而在空气中传输光程较近的光线在棱镜中经过的光路较长，这样就可以通过计算或实验来选择第二棱镜2b的形状、材质与尺寸，使其对透过第二棱镜2b的各种角度的入射光线产生相位补偿的作用，而使激光束在完整的传输路径上产生实质上相同的光程距离，最终使同一时间发射的光波的不同相位在同一时间为光接收器件3所接收。因为第二棱镜2b满足相互的相位补偿条件，所以经第二棱镜2b入射的光线是等光程的，因此系统在整个测量范围内都可以保持等光程性，因而光接收器件3获得信号的信噪比高，有利于提高系统的测量精度和准确度。

值得注意的是，棱镜2a、2b的位置及其光入射面及光出射面的夹角并不是绝对不变的，它的位置可以透过非球面透镜1、多边形棱镜2、光接收器件3之间不同的位置组合以及改变多边形棱镜2之间的角度以使光接收器件3在不同的量程中为不同的激光测距仪取得较佳的光线接收效果。

请参阅图7，在实际测量中，在测量距离较远时，反射光线几乎平行入射，经非球面透镜1的汇聚，并经过第一棱镜2a折射后，直接聚焦到光接收器件3的接收面积上。，而图8所显示的则是在较近的距离测量时，反射光线以很大的倾斜角度入射，经非球面透镜1的汇聚，其大部分光线经第二棱镜2b折射后被光接收器件3接收。可以理解的是，在中等的测量距离时，光接收器件3所接收到的光束将同时由上述的两个路径分别传播。

以上所介绍的，仅仅是本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施的范围，即本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的均等的变化，例如将以上实施例中的各个器件进行组合。以及本领域内技术人员熟知的改进，都应仍属于本发明专利涵盖的范围。

Claims (24)

1、一种激光测距仪的光学系统，包括激光发射器、置于激光发射器之前的发射透镜组、汇聚反射光线至光接收器件的入射透镜以及光接收器件，其特征在于所述系统在入射透镜和光接收器件之间还包括有至少具有第一部分及第二部分的多边形棱镜，其中光束在穿透该第一及第二部分时会产生不同角度的折射。

2、如权利要求1所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜是一体成型的。

3、如权利要求1所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜由两片棱镜结合而成。

4、如权利要求3所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的两片棱镜结合角度及位置以充分汇聚透过入射透镜的光线至光接收器件为准。

5、如权利要求1或2所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的入射透镜是一个非球面透镜，可以汇聚反射光束并将该光束聚焦于透镜一侧的某一焦点上。

6、如权利要求2或3所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的第二部分对光线产生的折射角度比第一部分产生的折射角度大。

7、如权利要求6所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的第一部分镜体的光入射面与光出射面为一种平行的关系。

8、如权利要求7所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的第二部分镜体的光入射面与光出射面为一种非平行的关系。

9、如权利要求8所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的第二部分镜体在远离该多边形棱镜的第一部分的一端具有较小的镜体厚度。

10、如权利要求9所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的形状和材料能够配合该激光测距仪的量程，而使不同测量距离的测量光束分别符合等光程性。

11、如权利要求9所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的多边形棱镜的第二部分的形状为梯形。

12、如权利要求11所述的激光测距仪的光学系统，其特征在于所述的入射透镜在发射光束透射的位置留有一孔或缺口，以利光束通过。

13、一种光信号接收及处理系统，至少包含：光接收器件，具有受光表面用以感测投射与该表面的光信号，并根据光信号的品质产生对应的电信号；光程补偿元件，具有第一及第二光程补偿单元，该等第一及第二光补偿单元分别具有光入射面及光出射面，其中第一光补偿单元的光入射面与光出射面之间的夹角不同于第二光补偿单元的光入射面与光出射面之间的夹角。

14、如权利要求13所述的光信号接收及处理系统，其特征在于所述的光信号接收及处理系统进一步包括光入射透镜，用以汇聚入射光束以投射到所述的光补偿元件上。

15、如权利要求14所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该光入射透镜是一个非球面透镜。

16、如权利要求14或15所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该入射透镜可以将来自不同角度的入射光束的主要部分分别汇聚到所述的光程补偿元件的不同光程补偿单元上。

17、如权利要求13所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该光程补偿元件为一多边形棱镜，且其中的第一光程补偿单元的光入射面与光出射面之间平行间隔第一特定距离。

18、如权利要求17所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该光程补偿元件的第二光程补偿单元具有临近第一光程补偿单元的第一边及远离第一光程补偿单元的第二边，其中第一边的长度等于该多边形棱镜的第一特定距离，并且大于第二边的长度。

19、如权利要求18所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该光补偿元件的第一及第二光程补偿单元是由不同的棱镜胶合而成的。

20、如权利要求18所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该光程补偿元件的第一及第二光程补偿单元是由同一个导光材料一体成型的。

21、如权利要求19或20所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该光程补偿元件是由玻璃构成的。

22、如权利要求13或14所述的光信号接收及处理系统，其特征在于所述的光信号接收及处理系统可进一步配合光信号的发射系统，以构成一个测距仪的光学系统。

23、如权利要求22所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该系统所配合的光信号发射系统可以发出激光光波。

24、如权利要求23所述的光信号接收及处理系统，其特征在于该系统中的光接收器件是一个雪崩二极管。

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