CN205642350U - 一种激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光测距装置，包括电路装置、激光光源、准直镜、接收物镜、光电接收器、接收计算单元、显示单元，接收物镜包括至少一个衍射光学元件，衍射光学元件是指一面或两面设有多个微结构的光学镜片，微结构的纵向高度或横向尺寸为可见光波长的0.1至100倍，衍射光学元件也可以是指横向位置各处折射率被改变的光学镜片，本实用新型采用衍射等新技术使得远近不同距离的反射光都能进入光电接收器，而且进入光电接收光的能量大小恒定，不随距离的变化而变化。根据这种思路和原理设计出的接收物镜避免了传统几何光学成像的约束，从能量聚焦的思路上解决激光测距设备高性能光电接收器光敏面小和接收物镜聚焦受几何光学约束的矛盾。

Description

一种激光测距装置

技术领域

本实用新型涉及一种测距装置，特别是一种利用衍射光学元件的激光测距装置。

背景技术

一般的激光测距设备如图1，包括一个半导体激光器5，一个调制测量光束的电路装置10，一个准直物镜2，一个接收物镜3或11，一个光电接收器8(如雪崩管APD)，一个接收计算单元6，一个显示单元7。当测量距离较远时，半导体激光器5产生的测量光束到达被测物体表面1的测量点9，反射回来的光近似地与发射光平行，由于光电接收器8安装在接收物镜3的光轴4上，折射聚焦透镜可以将反射光聚焦至光电接收器8处。接收物镜3一般采用的是折射聚焦透镜；或柱面透镜；或短焦距透镜。

但是每个折射聚焦透镜的焦距是一定的，对于近距离的测量，折射聚焦透镜不能很好的将反射光聚焦至光电接收器8上面，导致近距离无法测量。

如果将光电接收器安装在接收物镜的光轴上，由此产生的问题是，近距离物体漫反射回来的光将不会进入光电接收器，因此需要设置一个额外的光学元件3’，使近距离物体漫反射回来的光偏转进入光电接收器。

另一方面，如果将光电接收器安装在近距离物体漫反射回来的光的聚焦光斑处，我们可以将被测物体近似为无数个朗伯漫反射的点光源的集合，各个点光源在光电接收器光敏面处产生的光强将近似和距离的平方成反比。由此产生的问题是，近距离物体漫反射回来的光将远远强于远距离物体漫发射回来的光，所以通过接收物镜聚到焦平面的能量变化与距离的大小有很大的关系，进入光电接收器的能量也会有巨大的变化，这对于光电接收器对于信号接收来说很不利。

针对以上问题，公开号为CN 2779424 Y的中国专利申请提出了一种测距装置，虽然提出可以通过将接收物镜的一小部分做成柱面透镜形成一个特殊的复合透镜来实现近距离和远距离物体距离的测量，但其仅仅是利用了柱面透镜的散射原理，将发射测量光散射成具有很大张角的扇面光，这样会使到达光电接收器的光的强度减弱，造成近距离测量不到。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种激光测距装置，本实用新型专利考虑到采用衍射等新技术使得远近不同距离的反射光都能进入光电接收器，而且进入光电接收光的能量大小恒定，基本不随距离的变化而变化。根据这种思路和原理设计出的接收物镜避免了传统几何光学成像的约束，从能量聚焦的思路上解决激光测距设备高性能光电接收器光敏面小和接收物镜聚焦受几何光学约束的矛盾。

技术方案：本实用新型所述的激光测距装置，其目的是这样实现的，一种激光测距装置，包括调制测量光束的电路装置、激光光源、准直镜、接收物镜、光电接收器、接收计算单元、显示单元，其特征在于，所述接收物镜包括至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件在其一面或两面设有多个微结构，所述微结构的纵向高度或横向尺寸为可见光波长的0.1至100倍，通过改变横向位置各处的折射率，从而使得所述衍射光学元件具有改变入射光的相位和波前分布的功能。本实用新型为了使适量近距离物体漫反射回来的光进入光电接收器而设置特殊的衍射光学元件。然而，当衍射光学元件的焦距较短时，由于制造精度的限制，可以采用焦距较长的衍射光学元件配合折射聚焦透镜的方式，即衍射光学元件的部分或主要聚焦功能由折射聚焦透镜承担。

作为上述技术方案的一种优选方案，所述衍射光学元件为一种异型菲涅尔透镜，该异型菲涅尔透镜中心周围设有一个短焦距透镜、或一个折射棱镜、或者一个柱面透镜，或者他们的组合等效的衍射相位分布。

作为上述技术方案的另一种优选方案，所述衍射光学元件为一种异型菲涅尔透镜，该异型菲涅尔透镜中心周围设有多个短焦距透镜、或多个折射棱镜、或者多个柱面透镜，或者他们的组合等效的衍射相位分布。

所述异型菲涅尔透镜中心周围设有多个短焦距透镜等效的衍射相位分布，越远离异型菲涅尔透镜的中心，和该短焦距透镜等效的衍射相位所占的面积越小，短焦距透镜的焦距越短；越靠近异型菲涅尔透镜的中心，和该短焦距透镜等效的衍射相位所占的面积越大，短焦距透镜的焦距越长。

选用异型菲涅尔透镜时，所述异型菲涅尔透镜中心周围设有多个短焦距透镜，越远离异型菲涅尔透镜的中心，短焦距透镜所占的面积越小，短焦距透镜的焦距越短；越靠近异型菲涅尔透镜的中心，短焦距透镜所占的面积越大，短焦距透镜的焦距越长。

所述的微结构的纵向高度尺寸或横向尺寸为可见光波长的0.5至20倍。

所述的微结构的纵向高度尺寸为可见光波长的0.3至2倍。

所述的微结构的横向尺寸为可见光波长的0.3至10倍。

所述的接收物镜与光电接收器间的距离为1至60mm。

所述的接收物镜与到测距点间的距离为0.01米至500米。

所述衍射光学元件的微结构为二台阶，多台阶，或连续结构。

有益效果：本实用新型所述的激光测距装置，采用衍射等新技术使得远近不同距离的反射光都能进入光电接收器，而且进入光电接收光的能量大小恒定不随距离的变化而变化。根据这种思路和原理设计出的接收物镜避免了传统几何光学成像的约束，从能量聚焦的思路上解决激光测距设备高性能光电接收器光敏面小和接收物镜聚焦受几何光学约束的矛盾。

附图说明

图1是背景技术中通常的激光测距设备的结构示意图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3-1是本实用新型中接收物镜为主透镜和辅助棱镜构成的复合衍射元件中心沿y轴方向的位相图；

图3-2是对图3-1中的位相进行二值离散处理后的位相图；

图4-1是本实用新型中接收物镜为主透镜和辅助柱透镜构成的复合衍射元件中心沿y轴方向的位相图；

图4-2是对图4-1中的位相进行二值离散处理后的位相图；

图5-1是本实用新型中接收物镜为主透镜和一个辅助短焦距透镜构成的复合衍射元件中心沿y轴方向的位相图；

图5-2是对图5-1中的位相进行二值离散处理后的位相图；

图6-1是本实用新型中接收物镜为主透镜和多个辅助短焦距透镜构成的全量程复合衍射元件中心沿y轴方向的位相图；

图6-2是对图6-1全量程复合衍射元件的位相进行二值离散处理后的位相图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。

参见图2所示，一种激光测距装置，包括调制测量光束的电路装置10、激光光源5、准直镜2、接收物镜11、光电接收器8、接收计算单元6、显示单元7，当激光光源5发出的测量光束到达物体1表面时，在物体1表面的激光束反射点9处发射回来，进入接收物镜11，通过接收物镜11到达光电接收器8，光电接收器8收到反射光信号后，接收计算单元计算距离数据，并显示在显示单元7上，光电接收器8安装在接收物镜11的光轴4上。

一般的激光测距器的接收物镜均是采用折射聚焦透镜来接收反射光，本装置的接收物镜11包括一个衍射光学元件和一个折射棱镜的组合。所述衍射光学元件的两面设有多个微结构，参见图3-1和图3-2所示，微结构的纵向高度或横向尺寸为可见光波长的0.1至100倍，本实用新型为了使适量近距离物体漫反射回来的光进入光电接收器而设置特殊的衍射光学元件。然而，当衍射光学元件的焦距较短时，由于制造精度的限制，可以采用焦距较长的衍射光学元件配合折射聚焦透镜的方式，即衍射光学元件的部分或主要聚焦功能由折射聚焦透镜承担，参见图4-1和图4-2所示。

考虑到采用衍射等新技术使得远近不同距离的反射光都能进入光电接收器，而且进入光电接收光的能量大小恒定，基本不随距离的变化有大的变化。根据这种思路和原理设计 出的接收物镜避免了传统几何光学成像的约束，从能量聚焦的思路上解决激光测距设备高性能光电接收器光敏面小和接收物镜聚焦受几何光学约束的矛盾。

作为上述技术方案的一种优选方案，所述衍射光学元件为一种和折射透镜对应的异型菲涅尔透镜，该异型菲涅尔透镜中心周围用一个短焦距透镜、或一个折射棱镜、或者一个柱面透镜，或者他们的组合对应的衍射光学元件取代后得到的新的衍射光学元件，图5-1是本实用新型中接收物镜为主透镜和一个辅助短焦距透镜构成的复合衍射元件中心沿y周方向的位相图，图5-2是对图5-1中的位相进行二值离散处理后的位相图；图6-1是本实用新型中接收物镜为主透镜和多个辅助短焦距透镜构成的全量程复合衍射元件中心沿y周方向的位相图，图6-2是对图6-1全量程复合衍射元件的位相进行二值离散处理后的位相图。

作为上述技术方案的另一种优选方案，所述衍射光学元件为一种和折射透镜对应的异型菲涅尔透镜，该异型菲涅尔透镜中心周围用多个短焦距透镜、折射棱镜、或者柱面透镜对应的衍射光学元件取代后得到的新的衍射光学元件。

选用异型菲涅尔透镜时，所述异型菲涅尔透镜中心周围的多个短焦距透镜，越远离异型菲涅尔透镜的中心，短焦距透镜所占的面积越小，短焦距透镜的焦距越短；越靠近异型菲涅尔透镜的中心，短焦距透镜所占的面积越大，短焦距透镜的焦距越长。

当选用异型菲涅尔透镜时，所述的微结构的纵向高度尺寸为可见光波长的1至5倍。

所述的接收物镜与光电接收器间的距离为1至60mm；所述的接收物镜与到测距点间的距离为0.01米至500米。

为了使不同距离物体漫反射回来的光进入光电接收器的能量近似相等，我们对不同距离的物体分别设计不同焦距的透镜，这些透镜取代用于接收远距离物体的透镜部分，并合并为一个衍射光学元件。对距离为50，53，56...1000毫米处物体分别设计数十个辅助的短焦距透镜后，再和主透镜合并后形成新的衍射光学元件。菲涅尔透镜中心周围的辅助短焦距透镜，越远离菲涅尔透镜的中心，短焦距透镜所占的面积越小，短焦距透镜的焦距越短；越靠近菲涅尔透镜的中心，短焦距透镜所占的面积越大，短焦距透镜的焦距越长，从而保证该衍射光学元件可以使不同距离物体漫反射回来的光都能进入光电接收器，并且进入光电接收器的能量近似相等。

所述衍射光学元件的微结构为二台阶，多台阶，或连续浮雕结构菲涅尔透镜结构，其厚度函数可以是根据球面透镜函数得到厚度，也可以是根据无像差非球面透镜函数得到的厚度。根据球面透镜函数得到厚度函数为：

$t=\exp \[-\frac{i\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{\mathrm{\λ}f}\];$

式中：t(x，y)为透镜位相调制表达式，表明复振幅通过透镜时，透镜各点发生的位 相延迟；π为圆周率；x和y为衍射光学元件的位置；λ为激光束的波长；f为焦距。

围绕该衍射光学元件的中心排布至少一个或多个焦距更短的衍射元件，有：

$t_1=\exp \[-\frac{i\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{{\mathrm{\λf}}_1}\];$

$t_2=\exp \[-\frac{i\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{{\mathrm{\λf}}_2}\];$

$t_3=\exp \[-\frac{i\mathrm{\π}(x^2+y^2)}{{\mathrm{\λf}}_3}\];$

……

其中f₂＜f₁，f₃＜f₁…

采用优化方法，通过精确计算实现全量程聚焦，使不同距离处的物体漫反射回来的光进入光电接收器变化平缓甚至接近相等而优化设计的衍射光学元件。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，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 (10)

1.一种激光测距装置，包括调制测量光束的电路装置、激光光源、准直镜、接收物镜、光电接收器、接收计算单元、显示单元，其特征在于，所述接收物镜包括至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件在其一面或两面设有多个微结构，所述微结构的纵向高度或横向尺寸为可见光波长的0.1至100倍，微结构通过改变横向位置各处的折射率，从而使得所述衍射光学元件具有改变入射光的相位和波前分布的功能。

2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述衍射光学元件为一种异型菲涅尔透镜，该异型菲涅尔透镜中心周围设有一个短焦距透镜、或一个折射棱镜、或者一个柱面透镜，或者他们的组合等效的衍射相位分布。

3.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述衍射光学元件为一种异型菲涅尔透镜，该异型菲涅尔透镜中心周围设有多个短焦距透镜、或多个折射棱镜、或者多个柱面透镜，或者他们的组合等效的衍射相位分布。

4.根据权利要求2或3所述的激光测距装置，其特征在于，所述异型菲涅尔透镜中心周围设有多个短焦距透镜等效的衍射相位分布，越远离异型菲涅尔透镜的中心，和该短焦距透镜等效的衍射相位所占的面积越小，短焦距透镜的焦距越短；越靠近异型菲涅尔透镜的中心，和该短焦距透镜等效的衍射相位所占的面积越大，短焦距透镜的焦距越长。

5.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述的微结构的纵向高度或横向尺寸为可见光波长的0.5至20倍。

6.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述的微结构的纵向高度为可见光波长的0.3至2倍。

7.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述的微结构的横向尺寸为可见光波长的0.3至10倍。

8.根据权利要求4中任意一项所述的激光测距装置，其特征在于，所述接收物镜与光电接收器间的距离为1至60mm。

9.根据权利要求5所述的激光测距装置，其特征在于，所述的接收物镜与测距点间的距离为0.01米至500米。

10.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述衍射光学元件的微结构为二台阶，多台阶，或连续结构。