CN205027896U - 一种用于激光测距仪的光学结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，包括：光源，该光源用于发射一激光束；第一物镜，该第一物镜用于对该激光束整形后发射至一测量目标；第二物镜，该第二物镜接收来自不同距离的该测量目标的反射光并形成一出射光束；光缝，该第二物镜的出射光束经该光缝后被一光电接收器接收。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种距离测量仪器设备技术领域，尤其涉及一种用于激光测距仪的光学结构。
背景技术
激光测距仪的用途越来越多，在工程测量、建筑测量以及家庭装修方面有着广泛的应用。常用的激光测距仪一般基于相位测量和脉冲测量原理。相位测量精度高些，但测量距离仅在数百米以内；脉冲测量测距远些，其精度相对较低。图1是现有技术中一种典型的相位测距仪的光学系统结构，包含激光发射光源1、准直物镜2、测量目标3、接收物镜4、光电接收器5、对光源进行调制的电路6、控制计算单元7以及测量结果显示单元8，准直物镜2和接收物镜4光轴平行。光电接收器位于接收物镜4的焦点A上。另外，在发射光路的光路中还有一个内光路，作为测量内部标准以及补偿电路中产生的漂移误差。
测量远距离时，反射光以平行光的方式入射到接收物镜4上，然后汇聚到接收物镜焦点A处。即光电接收器5上。在近距离测量时，反射光以轴外光倾斜入射到接收物镜4上，与接收物镜4的光轴有一夹角，因而成像偏离接收物镜焦点，从而使光电接收器无法接收到反射测量光线，测量不能进行。
现测距仪光学系统结构中很多技术都致力于解决近距离测量这一课题。例如借助图2中所示的曲面反射镜9或图3中所示的棱镜10或图4中两种位距组合附加透镜30，但这些技术必须要和特殊形状的光电接收器5(如图5所示)相配，才能解决近距离测量问题。
显然这些技术要么不能保证所有近距离的反射光线都能汇聚到光电接收器上，要么要用特制的光电接收器来和他们相配，否则测量就有误差。但是这样制造成本就会增加。
实用新型内容
为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种能校准近距离测量误差的激光测距仪。
为了实现上述发明目的，本实用新型公开一种用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，包括：光源，该光源用于发射一激光束；第一物镜，该第一物镜用于对该激光束整形后发射至一测量目标；第二物镜，该第二物镜接收来自不同距离的该测量目标的反射光并形成一出射光束；光缝，该第二物镜的出射光束经该光缝后被一光电接收器接收。
更进一步地，该第二物镜为一自由曲面光学元件。
更进一步地，该第二物镜为一渐进式多焦点光学元件。
更进一步地，该第二物镜由一主镜片和一副镜片组成，该主镜片和副镜片一体成型为一复合自由曲面透镜或胶合而成或相互独立。
更进一步地，该副镜片为以下光学元件的一种或多种所形成的复合曲面：双曲柱面、抛物柱面、非球柱面、超环柱面、圆柱面、凹透镜、凸透镜、棱镜。
更进一步地，该副镜片位于远离主镜片的光轴的位置上。
更进一步地，该光缝为一窄带光缝。
更进一步地，该第一物镜为一准直物镜。
更进一步地，该第一物镜与该第二物镜的相互平行。
与现有技术相比较，本实用新型所公开的技术方案结构简单，可以通过一块镜片实现对近距离光线的补偿，克服了现有技术中无法测量近距离目标的缺点或方案复杂成本较高的缺点。第二、由于使用一块镜片同时测量远距离目标和近距离目标，使测量的稳定性好，因此测量性能较现有技术更加优越。
附图说明
关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是现有技术中一种较为典型的相位测距仪光路图；
图2是现有技术中借用曲面反射镜的接收光路图；
图3是现有技术中使用光楔的接收光路图；
图4是现有技术中两种位距组合附加透镜接收光路图；
图5是现有技术中特殊专用光电接收器的结构示意图；
图6是本实用新型所涉及的多焦点渐进式物镜光路图；
图7是本实用新型所涉及的由主镜及副镜组成的自由曲面接收物镜光路图；
图8是本实用新型所涉及的主镜与副镜胶合成复合自由曲面接收物镜光路；
图9是本实用新型所涉及的主镜与副镜相互独立的自由曲面接收物镜光路。主要图示
1、11-发射光源LD2、12-准直物镜
3、13-测量目标4、14-自由曲面接收物镜
5、15-光电接收器(APD)6-调制电路
7-控制计算单元8-测量结果显示单元
9-反射曲面10-光楔
16-光缝21-主镜片
22-副镜片30-附加透镜。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施例。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
为了对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用下列实施例说明：
本实用新型涉及一种基于发射光轴和接收光轴相互平行的激光测距仪光学系统结构，包括激光发射光源，置于激光发射光源前的准直物镜，光电接收器以及汇聚反射光到所述的光电接收器的接收物镜，其中所述的物镜是一自由曲面光学元件，使无限远的反射光线和近距离的反射光线均能通过该接收透镜有效到达到所述的光电接收器上。
测量近距离时，通过接收物镜的光束，出射光形成扇形光束，经由一光缝覆盖到光接收器的光接收面上。当测量远距离目标时，反射测量光以平行光入射到接收物镜，通过接收物镜，聚焦到光接收器的光接收面上，通过接收物镜的光线经过一光缝，因此测量远距离目标时，透过接收物镜的非平行反射测量光不会覆盖到光接收器的光接收面上，这样不会产生干涉。这样，理论上测量范围就能从毫米到无限远。
本实用新型所述的激光测距仪光学系统结构的详细结构见图6，包括激光发射光源11，置于激光发射光源前的准直物镜12，测量目标13，光电接收器5以及自由曲面接收物镜14。从激光发射光源11发出来的发射光线经准直物镜准直后发射到测量目1标3上，这时光束在测量目标13上产生漫反射，这些以各种角度反射回来的光线被接收物镜接收。图7是多焦点渐进式自由曲面接收透镜，无限远反射光线和近距离反射光线均能有效到达到光电接收器5上。
图7是本实用新型所涉及的由主镜及副镜组成的自由曲面接收物镜光路如图7所示，无限远的反射光线通过自由曲面主镜部分21汇聚到光电接收器15上，近距离反射光线通过自由曲面副镜部分22形成一定约束的发散，此时通过副镜22的光束，以扇形光束α角投射到自由曲面接收物镜主镜的焦平面上，经过光缝16后汇聚成一狭带光束覆盖在所述的光电接收器15上。
在另一种较佳实施例中，自由曲面接收物镜的主镜部分21和自由曲面接收物镜的副镜部分22可以是两独立部分胶合而成复合透镜，如图8所示。其中自由曲面接收物镜的主镜部分21和自由曲面接收物镜的副镜部分22可以分为互相独立的两部分，构成复合透镜，如图9所示。由于近距离目标的反射光的光强大于远距离目标的反射光，因此将副镜22设计在远离主镜21的光轴位置。
采用不同的副镜自由曲面结构，如双曲柱面、抛物柱面、非球柱面、圆柱面、超环柱面以及这些曲面和各种透镜、棱镜等光学元件组成的复合曲面，可以得到不同形状的扇形光束和长短宽窄不同的光缝。此外它们还要与主镜部分的参数相匹配。
本实用新型所述的自由曲面光学是根据现代光学系统对信号接收、转化、存储、传递等要求，构造任意形状的光学表面和设计方法。任意形状的光学元件称为自由曲面光学元件，自由曲面是非球面发展升级阶段，其形状可能是形状复杂、各种变异的透镜、棱镜、反射镜及其组合体，难以用少量参考数确定其外形，往往以一系列离散点集合来表示外形，多用NURBS造型方法描述。
本说明书中所述的只是本实用新型的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，包括：
一光源，所述光源用于发射一激光束；
一第一物镜，所述第一物镜用于对所述激光束整形后发射至一测量目标；
一第二物镜，所述第二物镜接收来自不同距离的所述测量目标的反射光并形成一出射光束；
一光缝，所述第二物镜的出射光束经所述光缝后被一光电接收器接收。
2.如权利要求1所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述第二物镜为一自由曲面光学元件。
3.如权利要求1所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述第二物镜为一渐进式多焦点光学元件。
4.如权利要求1所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述第二物镜由一主镜片和一副镜片组成，所述主镜片和副镜片一体成型为一复合自由曲面透镜或胶合而成或相互独立。
5.如权利要求4所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述副镜片为以下光学元件的一种或多种所形成的复合曲面：双曲柱面、抛物柱面、非球柱面、超环柱面、圆柱面、凹透镜、凸透镜、棱镜。
6.如权利要求4所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述副镜片位于远离主镜片的光轴的位置上。
7.如权利要求1所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述光缝为一窄带光缝。
8.如权利要求1所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述第一物镜为一准直物镜。
9.如权利要求1所述的用于激光测距仪的光学结构，其特征在于，所述第一物镜与所述第二物镜的相互平行。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109143201A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-04 | 中国科学院云南天文台 | 一种激光测距系统及光束整型方法 |
| CN113030910A (zh) * | 2019-12-09 | 2021-06-25 | 觉芯电子(无锡)有限公司 | 一种激光雷达系统 |
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