CN201936009U - 光学测距系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光学测距系统，包括：发光装置，发射测距光线到被测物；非球面光学补偿装置，所述非球面光学补偿装置将从所述被测物反射的光线聚集到光探测器；所述光探测器，接收来自所述非球面光学补偿装置的光线。根据本实用新型的实施例的技术方案，采用特殊设计的聚焦透镜，综合考虑了远近距离收光情况不同，像差，腔长，通光孔径等问题，获得尽可能强的光信号，从而增强了激光测距仪的测量性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学系统，尤其涉及光学测距系统。
背景技术
绝大多数光学系统都采用光学透镜来收集光信号，激光测距仪也采用光学(聚焦)透镜来接收回到仪器表面的光信号；因此，光学透镜的好坏决定了系统的性能。
光学透镜从材料上可以分为玻璃透镜和塑料透镜两大类：玻璃透镜的光学均匀性好，机械强度高，比较适合加工和研磨；塑料透镜价格便宜，可以模压成型。
对于实际使用中的平凸球面透镜来说，一般有以下几个参数要考虑，如图1所示的实际透镜的几个主要参数：
中心厚度(central thinkness，简称CT)102：透镜平面到球面顶点的距离
外径(outer diameter，简称OD)104：透镜的实际半径
通光孔径(clear aperature，简称CA)106：只有进入孔径才能被会聚到焦点
工作距离(working distance，简称WD)L1：透镜平面到焦点的距离
有效焦距(effective focus distance，简称EFL)L2：球面顶点道焦点的距离
曲率半径(radius，简称R)108：球面曲率的倒数
下面的说明涉及通光孔径、曲率半径、焦距和系统腔长的关系；简单来说，较大的通光孔径需要较大的曲率半径，曲率半径和焦距成正比，焦距的长短决定了光学系统的腔长。
由于制造工艺、制造水平的限制，实际的光学系统都不是理想的光学系统，即有像差的存在。像差指的是在光学系统中由透镜材料的特性和透镜表面的几何形状引起的实际与理想的成像偏差。对于常见的球面聚焦透镜，系统像差主要是指所有进入接收透镜的光不会聚焦到一个点上。图2示出了实际光学透镜的聚焦效果。
从上图可以看出，在透镜边缘的光线202和透镜中心的光线200在光轴204上的聚焦点不是一个，存在着偏差；当接收光信号的探测器的表面较小时(对于一般的半导体探测器，光敏面在mm2量级)，透镜边缘的光信号不能到达探测器表面，因此将损失者一部分光能量。
减少像差的方法可以采用多个球面透镜的组合(类似于采用三透镜或五透镜成像的显微镜等)，但是通过过多的透镜将产生损耗，减少到达探测器的光能量。因此，现有技术采用非球面透镜来减少像差，图3给出了实际中非球面镜的聚焦效果：
由于到达非球面镜302表面的光都被会聚到近似一个点300上，非球面镜产生的像差将会非常小。
对于远距离收光是测量物体离激光测距仪透镜距离较远时，到达透镜表面的光可以认为是平行光，针对理想光学透镜，平行光会被会聚焦焦点上；而对于近距离收光，到达透镜的光不再是平行光，而是有一定的入射角度，这时进入透镜的光将不会被聚焦到焦点上。
现有技术中，激光测距仪采用的是玻璃透镜与滤光膜及两个光楔组合而成的光学补偿装置，滤光膜镀在透镜之上，透镜内表面上粘贴有两个直径为5mm光楔，用于接收近距离的光信号，整个光学系统腔长为35mm。由于透镜收光孔径不是很大，而在较远距离(20m以上)测量时，反射到激光测距仪仪器表面的激光光斑将大于这个孔径，即有一部分能量没有进入透镜从而被光电探测器接收，导致光能量的损失。此外，由于光楔只是对近距离收光有用，对于远距离收光，到达光楔的激光将不会落到探测器表面，这也将会损失一部分信号。此外，由于光楔和透镜不是一个整体，通过两者的表面是会产生 一定的损耗。且结构复杂，制造成本及维护成本均较高。
为了解决上述问题，需要一种结构简单的光学测距系统。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种结构简单的光学测距系统。
有鉴于此，本实用新型提供了一种光学测距系统，包括：发光装置，发射测距光线到被测物；非球面光学补偿装置，所述非球面光学补偿装置将从所述被测物反射的光线聚集到光探测器；以及所述光探测器，接收来自所述非球面光学补偿装置的光线。
通过上述技术方案，能够实现结构简单的光学测距系统。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置为整体非球面透镜。
在上述技术方案中，优选地，所述整体非球面透镜的边缘部分的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置为半个非球面透镜。
在上述技术方案中，优选地，所述发光装置设置在靠近所述半个非球面透镜光轴的一侧，也就是，所述发光装置到所述半个非球面透镜光轴的距离小于所述发光装置到所述半个非球面透镜的外边缘部分的距离。
在上述技术方案中，优选地，所述半个非球面透镜的边缘部分的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
在上述技术方案中，优选地，进一步包括滤光片，设置在所述非球面光学补偿装置与所述光探测器之间，靠近所述光探测器一侧，也就是所述滤光片到所述光探测器的距离小于所述滤光片到所述非球面光学补偿装置的距离。
在上述技术方案中，优选地，所述滤光片与所述非球面光学补偿装置之间的距离为30mm至40mm。
在上述技术方案中，优选地，所述滤光片与所述非球面光学补偿 装置之间的距离为35mm。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置的光轴与所述发光装置发出的所述测距光线之间的夹角小于等于1度。
在上述技术方案中，优选地，所述整体非球面透镜或所述半个非球面透镜设置有中心透镜。
在上述技术方案中，优选地，所述发光装置为激光器。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置的材料为塑料或树脂。
根据上述技术方案，可以获得较大的非球面透镜，避免了像光学系统的像差问题，可以很好的会聚光信号；解决了近距离收光的问题，减少光学系统的元件，也就减少了光信号的损耗；有利于系统的小型化和简单化，提高了光学测距系统的性能。
附图说明
图1是相关技术中的透镜的示意图；
图2是相关技术中的光学透镜的聚集效果图；
图3是相关技术中的非球面镜的聚焦效果图；
图4是根据本实用新型实施例的光学测距系统的逻辑框图；
图5是图4中示出的光学测距系统中采用的近距离收光补偿非球面透镜的示意图；
图6是图5示出的非球面透镜的模拟仿真结果图；
图7示出未采用中心补偿透镜的近距离收光效果图；
图8示出采用中心补偿透镜的近距离收光效果图；
图9示出本实用新型实施例的采用整体非球面镜的光学系统的示意图；
图10示出本实用新型的实施例的采用半个非球面镜的光学系统的示意图；以及
图11示出可以在本实用新型的实施例中使用的曲率不唯一的球面透镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此所描述内容的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。
图4是根据本实用新型实施例的光学测距系统的逻辑框图。
如图4所示，本实用新型提供了一种光学测距系统，包括：一种光学测距系统400，包括：发光装置402，发射测距光线到被测物；非球面光学补偿装置404，所述非球面光学补偿装置的光轴与所述发光装置发出的所述测距光线平行，所述非球面光学补偿装置404将从所述被测物反射的光线聚集到光探测器；以及所述光探测器406，接收来自所述非球面光学补偿装置的光线。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置404为整体非球面透镜。
在上述技术方案中，优选地，所述整体非球面透镜的边缘部分的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置也可以是半个非球面透镜。其好处在于，能够使得发光装置尽可能靠近所述半个非球面透镜光轴设置。
在上述技术方案中，优选地，所述发光装置402设置在靠近所述半个非球面透镜光轴的一侧，所述发光装置402到所述半个非球面透镜光轴的距离小于所述发光装置到所述半个非球面透镜的外边缘部分的距离。
在上述技术方案中，优选地，所述半个非球面透镜的边缘部分的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
在上述技术方案中，优选地，进一步包括滤光片408，设置在所述非球面光学补偿装置404与所述光探测器406之间，靠近所述光探 测器406一侧，也就是所述滤光片408到所述光探测器406的距离小于所述滤光片408到所述非球面光学补偿装置404的距离。
在上述技术方案中，优选地，所述滤光片408与所述非球面光学补偿装置404之间的距离为30mm至40mm。
在上述技术方案中，优选地，所述滤光片408与所述非球面光学补偿装置404之间的距离为35mm。
在上述技术方案中，优选地，所述发光装置404为激光器。
在上述技术方案中，优选地，所述整体非球面透镜或所述半个非球面透镜设置有中心透镜。
在上述技术方案中，优选地，所述非球面光学补偿装置404的材料为塑料或树脂。
在此，本领域的技术人员应该理解，发光装置402，非球面光学补偿装置404和光探测器406的组合可以构成本实用新型的完整技术方案，即可以解决本实用新型的技术问题，滤光片408与上述装置组合构成的另一优先实施例，并不用于限定本实用新型。
图5是图4中示出的光学测距系统中采用的近距离收光补偿非球面透镜的示意图。
本实用新型的实施例将采用较大通光孔径的塑料(PMMA)非球面透镜，由于非球面的二次曲面面型系数e2仅与透镜的弯曲形状及折射率有关，因此当确定完透镜的材料和聚焦后，可以从四种非球面面型中选择出一种最佳面型及其最佳的二次曲面面型系数。非球面镜可以使得光学系统的腔体较小；在此基础上，对非球面镜502的中心部分进行修改，具体是在非球面镜502的平面中心位置上增加了一个中心透镜504，这个中心透镜504将使用和非球面镜502一样的材料，因此可以将中心透镜504和非球面502做一个整体，实际工艺中将采用压模生成，这就构成了本实用新型的非球面光学补偿装置404。中心透镜504是一个球面镜，中心透镜504可以改变进入其的入射光传播方向，这是为了接收近距离的光信号；也是由于改变了光的传播方向，中心透镜将散射远距离的入射光信号，使其不能到达光 探测器表面。考虑近距离和远距离光信号的不同情况，中心透镜504的最佳尺寸需要通过多次仿真计算和实验来获得，设计参数可以是：非球面502(顶点曲率半径：28mm，通光孔径：48mm，外径：50mm，中心厚度：14.08mm)，中心透镜504(通光孔径：10mm，中心厚度：0.92mm，曲率半径：14mm)。当然实际的中心透镜504不受限于上述参数，中心透镜504也不一定要是面镜(可以设计成类似于现有技术的三角形光楔)，但目前的设计是比较适合加工制造的。具体设计如下图5所示。
从上面的说明可知，非球面镜可以很好地消除像差，下面给出了采用非球面镜的仿真结果。从计算结果上来看，非球面镜600可以将进入透镜的平行光会聚到很小的面积上(聚焦光斑半径可以达到0.1mm)，因此可以很好地被光电探测器(对于APD光敏面积～0.5mm2)接收。对于同样孔径和焦距的球面镜，光斑半径在1mm以上，超过了APD光光敏面的面积，有一部分能量不能被光电探测器接收。非球面600的模拟仿真结果如图6所示。
使用中心透镜是为了解决近距离收光的问题，下面给出采用中心透镜(如图7所示)和不采用中心透镜(如图8所示)的仿真结果。
图7和图8中，非球面透镜后面的线段代表光电探测器的接收光敏面；在图7中，可以明显地看到，未采用中心透镜的非球面镜702的焦点没有落在探测器的表面上，这意味着没有信号能被接收；而在图8中采用中心透镜802时，通过中心透镜802的光线被折射从而改变了焦点，这使得光电探测器可以接收到光信号。此外，由于中心透镜和非球面镜可以作为一个整体，这避免了像现有技术一样通过不同光学元件表面时产生的损耗。
通过上述技术方案，在非球面镜的平面中心位置上增加了一个中心透镜，通过中心透镜的光线被折射从而改变了焦点，这使得光电探测器可以接收到光信号。此外，由于中心透镜和非球面镜可以作为一个整体，这避免了像相关技术一样通过不同光学元件表面时产生的损耗。
图9示出本实用新型实施例的采用整体非球面镜的光学系统的示意图。
如图9所示，将图5中的整体非球面镜应用到激光测距光学系统中，可以得到本实用新型的一个实施例，能够减小损耗，增强采光光强，便于光学系统制造和校正。图9中的激光器902即图4所示的光学系统中的发光装置402，透镜904即图4中的非球面光学补偿装置404，光探测器906即图4中的光探测器406，滤光片908即图4中的滤光片408。从图中，可以看出，激光器902发出检测光线，被测物(未示出)反射的光线通过透镜904及滤光片908会聚到光探测器906。在本实施例中，滤光片908与透镜904之间的距离L为35mm，但是本领域技术人员应当理解，该距离仅为优选距离，并不用于限定本实用新型，在实际应用中，该距离L在30mm至40mm的范围内。
图10示出本实用新型实施例的采用半个非球面镜的光学系统的示意图。
因为图9的光学系统采用整体透镜会产生一些问题：由于激光和非球面镜的中心光轴有一定距离(最少半个透镜的距离)，这样对于近距离收光时，反射到透镜中心的光线的入射角度将会很大，这需要曲率很大的中心透镜才能将光折射回探测器表面，这会产生一些制造难度，所以优选使用半个透镜，具体光路图如图10所示。图10是在图9的基础上将透镜904改善为半个透镜即图10中的透镜1004。图10中的激光器1002相当于图4所示的光学系统中的发光装置402，透镜1004相当于图4中的非球面光学补偿装置404，光探测器1006相当于图4中的光探测器406，滤光片1008相当于图4中的滤光片408。
由于中心透镜改变光线的角度也是有限的，因此中心透镜应该尽可能的靠近出光光轴，这对于测量近距离物体，反射光的入射角偏差不会太大，可以通过中心透镜回到光电探测器，因此采用了半个透镜的结构，使得中心透镜和激光出光光轴偏差很小。由于近距离光信号 很强，只要很小尺寸的中心透镜就可以使得一部分光被接收；对于远距离来说，中心透镜改变了到达透镜中心部分的光线的光程，并不是所有信号都能回到光探测器表面，因此，中心透镜的也必须减少它的尺寸。此外，采用半个透镜也可以减少光学系统的宽度，可以达到手持式激光测距仪的小型化。另外，采用非球面镜作为接收透镜，使用和大有一样通光孔径的条件，腔长只需要30mm至40mm，优选为35mm，这也有利于系统的小型化，也使得光学系统的校正更加容易。
对于现有技术中采用半个塑料透镜的激光测距仪而言，由于采用了曲率半径很大的塑料透镜，这意味着很长的焦距，即采用很长的腔体结构；但塑料透镜表面无法镀滤光膜，需要滤光片的辅助，意味着在光路加多一个光学元件，这会带来光信号的损耗；又由于腔长太长，光学元件的安装对准存在着问题，与采用半个塑料透镜的激光测距仪相比，通过根据本发明的上述技术方案，能够使光学系统在不影响提高系统性能的前提下，使系统更加小型化，便于制造，也便于光学系统的校正和操作。
图11示出可以在本实用新型实施例中使用的曲率不唯一的球面透镜示意图。
将来随着制造工艺的发展，可能可以生产出通光孔径大于25mm的玻璃非球面镜，因此将来在可以采用玻璃非球面镜代替本实用新型的塑料非球面镜；由于非球面镜是为了减少像差，可以采用曲率不唯一的玻璃球面镜代替非球面镜，如图11所示，非球面透镜的边缘部分1100的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
通过上述技术方案，可以用玻璃且不同曲率的非球面镜代替塑料非球面镜也可以到达所要的技术效果，增强聚光，减小损耗，使光学系统更加小型化便于操作。
在此本领域的技术人员应该理解上述的本实用新型的三个实施例都能解决目前技术所存在的问题，且不仅限于在此的描述。
参考图4至图11的详细描述，可以清楚地理解本实用新型提出 的光学测距系统。本实用新型的技术方案采用了特殊非球面透镜作为激光测距仪的收光透镜，因此可以获得较大的非球面(目前工艺已经可以生产出直径大于100mm的塑料非球面透镜)，非球面避免了像光学系统的像差问题，可以很好的会聚光信号；中心透镜解决了近距离收光的问题，而且非球面镜和中心透镜可以作为整体压模生产，这将减少光学系统的元件，也就减少了光信号的损耗；此外，采用非球面镜也有利于系统的小型化和简单化。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种光学测距系统，其特征在于，包括：
发光装置，发射测距光线到被测物；
非球面光学补偿装置，所述非球面光学补偿装置将从所述被测物反射的光线聚集到光探测器；以及
所述光探测器，接收来自所述非球面光学补偿装置的光线。
2.根据权利要求1所述的光学测距系统，其特征在于，所述非球面光学补偿装置为整体非球面透镜。
3.根据权利要求2所述的光学测距系统，其特征在于，所述整体非球面透镜的边缘部分的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
4.根据权利要求1所述的光学测距系统，其特征在于，所述非球面光学补偿装置为半个非球面透镜。
5.根据权利要求4所述的光学测距系统，其特征在于，所述半个非球面透镜的边缘部分的曲率半径与中心部分的曲率半径不同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学测距系统，其特征在于，所述非球面光学补偿装置的光轴与所述发光装置发出的所述测距光线之间的夹角小于等于1度。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光学测距系统，其特征在于，进一步包括滤光片，设置在所述非球面光学补偿装置与所述光探测器之间，所述滤光片到所述光探测器的距离小于所述滤光片到所述非球面光学补偿装置的距离。
8.根据权利要求7所述的光学测距系统，其特征在于，所述滤光片与所述非球面光学补偿装置之间的距离为30mm至40mm。
9.根据权利要求8所述的光学测距系统，其特征在于，所述滤光片与所述非球面光学补偿装置之间的距离为35mm。
10.根据权利要求2至5中任一项所述的光学测距系统，其特征在于，所述整体非球面透镜或所述半个非球面透镜设置有中心透镜。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的光学测距系统，其特征在于，所述非球面光学补偿装置的材料为塑料或树脂。
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
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