CN220419572U - 激光测距传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光测距传感器。包括激光发射器、发射透镜、接收透镜、匀光件和光感应器。通过在所述接收透镜的出光端与所述光感应器的光敏面之间设置所述匀光件，通过所述匀光件对经所述接收透镜折射的光进行匀化，从而使得部分处于盲区的光束被所述匀光件的匀化，以使得该部分光束中的部分光可射入所述光敏面，从而减少近距离盲区并有效的增加近距离测距时光敏面接收的光强度，提升近距离测量的精度，另外，因匀光件可独立地设置在接收透镜与光感应器之间，相对于复合透镜能够有效的降低所述匀光件加工的难度，并且，所述匀光件在安装时或安装后是可以进行位置调节的，从而可提升近距离测量的适用性。

Description

激光测距传感器

技术领域

本实用新型涉及测量距离技术领域，尤其涉及一种激光测距传感器。

背景技术

激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源并利用激光对目标的距离进行准确测定的传感器。

激光测距传感器收发光学系统一般分为收发同轴和收发异轴。对于异轴光学系统，其发射及接收光路为平行离轴的，并且，由于光感应器光敏面大小是一定的，当光敏面与接收透镜的距离（即焦距）确定后，该传感器将具有一个接收信号最强所对应的最佳测量距离，当测量距离逐渐小于该最佳测量距离时，反射的离轴光斑通过光学接收透镜后的焦点会偏离光感应器光敏面的中心甚至无法聚焦到光敏面上从而出现测量盲区，导致接收的反射光束逐渐减少直至无法获得有效信号，从而影响近距离测量效果，当测量距离逐渐大于该最佳测量距离时，经过接收透镜后的光斑焦点远离光敏面的中心，接收的反射光因行程的逐渐增加导致其光强衰减直至无法获得有效信号，从而影响远距离测量效果。

现有技术中，行业内通常做法是采用复合接收透镜，通过在非球面结构的主镜上设置球面结构的副镜改变近距离光路路径，使得近距离光路折射到光感应器光敏面上，此方法对复合透镜的加工工艺和精度要求高，采用玻璃材质制备难度大，且每一复合透镜的折射角度不可调节，存在局限性。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种可以增加近距离激光测距精度的激光测距传感器。

本申请提供一种激光测距传感器，包括：

激光发射器，用于输出激光；

发射透镜，用于对所述激光发射器输出的激光进行准直，并设于所述激光发射器输出的激光的传输路径上；

接收透镜，用于对反射的激光进行汇聚；

光感应器，所述光感应器具有光敏面，所述光敏面用于接收所述接收透镜汇聚后的激光，并位于所述接收透镜的焦平面上；

匀光件，用于对所述接收透镜汇聚的激光进行匀化，并设于所述接收透镜的出光端与所述光敏面之间，其中，所述匀光件的出光端面面积大于等于所述光敏面的面积。

进一步地，还包括聚光件，所述聚光件用于对所述匀光件匀化后的激光进行汇聚，并设于所述匀光件与所述光感应器之间。

进一步地，所述聚光件呈锥台状，并包括第一端面和第二端面，所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积，匀化的激光从所述第一端面进入所述聚光件，并经所述聚光件汇聚后从所述第二端面射出。

进一步地，所述第一端面贴合在所述匀光件的出光端。

进一步地，所述第一端面覆盖所述匀光件的出光端，以使穿过所述匀光件的激光从所述第一端面进入所述聚光件。

进一步地，所述第二端面正对所述光敏面，且经所述第二端面出射的激光均被所述光敏面接收。

进一步地，所述第二端面贴合所述光敏面。

进一步地，所述匀光件和所述聚光件沿光轴的长度方向在所述接收透镜与所述光感应器之间的位置可调。

进一步地，所述匀光件沿光轴的方向在所述接收透镜与所述光感应器之间的位置可调，调节所述匀光件的位置时，射入所述接收透镜的有效光束与所述光轴之间的夹角的关系式为：

式中，表示接收透镜的有效焦距；/>表示接收透镜的直径；/>表示匀光件沿光轴的径向方向的直径；/>表示匀光件沿光轴长度方向厚度；/>表示匀光件与光感应器之间的距离。

进一步地，还包括增益控制器，所述增益控制器与所述光感应器连接，用于调节所述光感应器接收的信号强度。

在本申请中，通过在所述接收透镜的出光端与所述光感应器的光敏面之间设置所述匀光件，通过所述匀光件对经所述接收透镜折射的光进行匀化，从而使得部分处于盲区的光束被所述匀光件的匀化，以使得该部分光束中的部分光可射入所述光敏面，从而有效的增加近距离测距时光敏面接收的光强度，提升近距离测量的精度，另外，因匀光件可独立地设置在接收透镜与光感应器之间，相对于复合透镜能够有效的降低所述匀光件加工的难度，并且，所述匀光件在安装时或安装后是可以进行位置调节的，从而可提升近距离测量的适用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请公开的一实施例中激光测距传感器的示意图。

图2为本申请公开的另一实施例中激光测距传感器的示意图。

图3为本申请公开的一实施例中处于不同位置的匀光件对应的激光测距传感器的示意图。

图4为本申请公开的又一实施例中激光测距传感器的示意图。

图5为本申请公开的一实施例中激光测距传感器的聚光件示意图。

图6为本申请公开的一实施例中激光测距传感器的电路连接示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

激光发射器10，发射透镜20，接收透镜30，匀光件40，光感应器50，光敏面51，聚光件60，第一端面61，第二端面62，光轴70。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

请参阅图1所示，本申请提供了一种激光测距传感器，所述激光测距传感器通过对测量目标发射激光并接收被该测量目标反射的所述激光，从而根据所述激光从射出到被测量目标反射后返回所述激光测距传感器的时间，以及根据激光在对应传播介质中的传播速度和折射系数来计算所述激光测距传感器到所述测量目标之间的距离。

所述激光测距传感器包括激光发射器10、发射透镜20、接收透镜30、匀光件40和光感应器50。

所述激光发射器10用于朝着测量目标输出激光。

所述发射透镜20设于所述激光发射器10输出的激光的传输路径上，用于对所述激光发射器10输出的激光进行准直。

所述接收透镜30设于所述发射透镜20的一侧，用于对经所述测量目标反射回来的激光进行汇聚。

所述光感应器50设于所述接收透镜30的出光端，所述光感应器50具有光敏面51，所述光敏面51用于接收所述接收透镜30汇聚后的激光，并位于所述接收透镜30的焦平面上。

所述匀光件40设于所述接收透镜30的出光端与所述光敏面51之间，用于对所述接收透镜30汇聚后的激光进行匀化。

通过所述匀光件40对经所述接收透镜30折射的光进行匀化，从而使得部分处于盲区的光束被所述匀光件40的匀化，以使得该部分光束中的部分光可射入所述光敏面51，从而有效的增加近距离测距时光敏面51接收的光强度，提升近距离测量的精度。其中，盲区是指在没有设置匀光件40时，经过所述接收透镜30汇聚的折射光中，无法到达所述光感应器50的光敏面51的这部分折射光在入射所述接收透镜30之前所对应的区域。

另外，因匀光件40可独立地设置在接收透镜30与光感应器50之间，因此，相对于现有的复合透镜加工难度大，难以在玻璃材质上实现等，本申请中的所述匀光件40则是易于加工，从而有效的降低所述匀光件40的加工难度。

进一步地，所述匀光件40在安装时或安装后是可以进行位置调节的，从而可提升近距离测量的适用性。即在安装所述匀光件40的过程中，或者安装后的调试使用过程中，通过单独调节所述匀光件40在所述接收透镜30与所述光感应器50之间的位置，改变所述盲区的大小，从而使得所述激光测距传感器在使用过程中能够根据用户的需求，相应的调节所述匀光件40的位置，从而改变所述盲区角度以改变所述光敏面51接收的光强度。

请参阅图2-3所示，该图示出了所述匀光件40在所述接收透镜30与所述光感应器50之间的位置调节对应的盲区角度的变化情况。

在一种实施例中，所述匀光件40沿光轴70的长度方向在所述接收透镜30与所述光感应器50之间的位置可调，调节所述匀光件40的位置时，射入所述接收透镜30的有效光束与所述光轴70之间的夹角的关系式为：

式中，表示接收透镜30的有效焦距；/>表示接收透镜30的直径；/>表示匀光件40沿光轴70的径向方向的直径；/>表示匀光件40沿光轴70长度方向厚度；/>表示匀光件40与光感应器50之间的距离。

进一步地，在未设置所述匀光件40时，经所述接收透镜30汇聚后可被所述光敏面51接收的折射光与光轴70之间的夹角的关系式为：

式中，表示接收透镜30的有效焦距；/>表示光敏面51沿光轴70的径向方向的直径。

因此，在设置所述匀光件40后，可以用于增强近距离测距时所述光敏面51接收的光强度对应的盲区角度（即被减小的盲区角度/>）的关系式为：

根据上述关系式可知，当接收透镜30的有效焦距、接收透镜30的直径/>匀光件40沿光轴70的径向方向的直径/>；匀光件40沿光轴70长度方向厚度/>，以及光敏面51沿光轴70的径向方向的直径/>不变时；匀光件40与光感应器50之间的距离/>的变化将会影响盲区角度/>的变化。

在所述接收透镜30的有效焦距范围内，所述匀光件40越大（即越靠近所述接收透镜30），被减小的盲区角度/>越大，能够被匀化并被所述光敏面51接收的折射光越多，此时，所述光敏面51所接收的光强度就越大。

进一步地，关系式的推导过程如下：

请继续参阅图2所示，图中虚线84表示进入接收透镜30并可折射至所述匀光件40的临界光路，实线86平行于虚线84并穿过所述接收透镜30的光心，实线85表示未设置所述匀光件40时进入所述接收透镜并可折射至所述光敏面51的临界光路，实线87平行于实线85并穿过所述接收透镜30的光心。

根据图2可知：

所以

因此

所以

所以

又因为

所以

在一种实施方式中，所述匀光件40的出光端面面积大于等于所述光敏面51的面积，从而使得所述匀光件40能够对更多的处于所述盲区内的折射光进行匀化，并使得所述光敏面51可以接收更多的被所述匀光件40匀化的光。

在一种实施方式中，所述匀光件40为匀光片或分散片。

请参阅图4-5所示，在一种实施方式中，所述激光测距传感器还包括聚光件60，所述聚光件60设于所述匀光件40与所述光感应器50之间。所述聚光件60用于对所述匀光件40匀化后的激光进行汇聚，以使得被所述匀光件40匀化的光能够再次汇聚，并有效的提升汇聚后的光强度，从而在进行远距离测量时，能够有效的提升所述光敏面51感应到的光强度，在实现近距离的有效测量的同时兼顾远距离测量，进而有效的提升所述激光测距传感器的量程。

另外，在所述聚光件60的作用下，能够将所述匀光件40匀化后不会被所述光敏面51接收的光的光路进行调节，以使得这部分光可进行汇聚并射向所述光敏面51。

在一种实施例中，所述聚光件60呈锥台状，并包括第一端面61和第二端面62，所述第一端面61的面积大于所述第二端面62的面积，匀化的激光从所述第一端面61进入所述聚光件60，并经所述聚光件60汇聚后从所述第二端面62射出。

进一步地，所述第一端面61覆盖所述匀光件40的出光端，以使穿过所述匀光件40的激光全部从所述第一端面61进入所述聚光件60。

在一种更为具体的实施例中，所述匀光件40呈圆柱状，所述聚光件60呈圆锥台状，所述聚光件60的第一端面61的面积大于等于所述匀光件40的出光端的面积，且所述匀光件40的中垂线与所述聚光件60的中垂线重合，以使得所述匀光件40匀化后的光都能够有效的进入所述聚光件60。

进一步地，所述第一端面61贴合在所述匀光件40的出光端，从而使得所述匀光件40匀化后的光均能够进入所述聚光件60，并能够有效的压缩所述激光测距传感器的空间。

进一步地，所述匀光件40和所述聚光件60沿光轴70的长度方向在所述接收透镜30与所述光感应器50之间的位置可调。从而通过同时调节所述匀光件40和所述聚光件60在所述接收透镜30与所述光感应器50之间的距离来改变所述盲区角度，并通过改变所述盲区角度/>来改变所述光敏面51接收的光强度。

进一步地，所述第二端面62正对所述光敏面51，且经所述第二端面62出射的激光均被所述光敏面51接收。

具体而言，所述聚光件60的中垂线与所述光敏面51的中垂线重合，所述第二端面62的面积小于等于所述光敏面51的面积，从而使得经过所述第二断面射出的光均能够到达所述光敏面51。

进一步地，所述第二端面62贴合所述光敏面51，以使得穿过所述聚光件60的光可直接被所述光敏面51接收。

在一种实施方式中，所述聚光件60为光锥。

进一步地，所述激光测距传感器还包括增益控制器，所述增益控制器与所述光感应器50连接，用于调节所述光感应器50接收的信号强度。

远距离测量时，由于激光从所述激光发射器10射出到所述光感应器50接收过程中的行程较长，导致光在此行程中的衰减相对于近距离更大，且穿过所述接收透镜30的折射光在所述匀光件40的匀化作用下也会变得比较微弱。因此，在所述聚光件60的基础上，通过设置所述增益控制器，可进一步有效的提升远距离测量时所述光感应器50接收的光强度，从而有效的提升远距离测量的精度，进而提升所述激光测距传感器的量程。

具体而言，通过在后级信号采集调理电路上加入压控放大器VGA自动增益控制，补偿因为增加所述匀光件40带来的光强变化，以保证远距离信号质量。

请参阅图6所示，光感应器50接收到反射光后会产生光电流信号，所述光电流信号通过跨阻放大器TIA放大为电压信号，所述电压信号通过压控放大器VGA传输至带通滤波器BPF，并被调理成模数转换器ADC采样回波信号，然后为控制单元MCU根据所述模数转换器ADC采样回波信号的幅度大小，调理成数模转换器DAC采样回波信号来动态调节所述压控放大器VGA的放大倍数，从而对所述光感应器50接收的光产生的所述光电流信号进行自动增益，确保远距离的测距精度。

需要说明的是，为便于表述，图中的实线81表示未设置所述匀光件40时反射光的光路，虚线82表示所述匀光件40在某一位置时反射光的光路，虚线83表示所述匀光件40在另一位置时反射光的光路。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位 ( 旋转 90 度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光测距传感器，其特征在于，包括：

激光发射器，用于输出激光；

发射透镜，用于对所述激光发射器输出的激光进行准直，并设于所述激光发射器输出的激光的传输路径上；

接收透镜，用于对反射的激光进行汇聚；

光感应器，所述光感应器具有光敏面，所述光敏面用于接收所述接收透镜汇聚后的激光，并位于所述接收透镜的焦平面上；

匀光件，用于对所述接收透镜汇聚的激光进行匀化，并设于所述接收透镜的出光端与所述光敏面之间，其中，所述匀光件的出光端面面积大于等于所述光敏面的面积。

2.根据权利要求1所述的激光测距传感器，其特征在于，还包括聚光件，所述聚光件用于对所述匀光件匀化后的激光进行汇聚，并设于所述匀光件与所述光感应器之间。

3.根据权利要求2所述的激光测距传感器，其特征在于，所述聚光件呈锥台状，并包括第一端面和第二端面，所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积，匀化的激光从所述第一端面进入所述聚光件，并经所述聚光件汇聚后从所述第二端面射出。

4.根据权利要求3所述的激光测距传感器，其特征在于，所述第一端面贴合在所述匀光件的出光端。

5.根据权利要求4所述的激光测距传感器，其特征在于，所述第一端面覆盖所述匀光件的出光端，以使穿过所述匀光件的激光从所述第一端面进入所述聚光件。

6.根据权利要求5所述的激光测距传感器，其特征在于，所述第二端面正对所述光敏面，且经所述第二端面出射的激光均被所述光敏面接收。

7.根据权利要求6所述的激光测距传感器，其特征在于，所述第二端面贴合所述光敏面。

8.根据权利要求3所述的激光测距传感器，其特征在于，所述匀光件和所述聚光件沿光轴的长度方向在所述接收透镜与所述光感应器之间的位置可调。

9.根据权利要求1所述的激光测距传感器，其特征在于，所述匀光件沿光轴的方向在所述接收透镜与所述光感应器之间的位置可调，调节所述匀光件的位置时，射入所述接收透镜的有效光束与所述光轴之间的夹角的关系式为：

式中，表示接收透镜的有效焦距；/>表示接收透镜的直径；/>表示匀光件沿光轴的径向方向的直径；/>表示匀光件沿光轴长度方向厚度；/>表示匀光件与光感应器之间的距离。

10.根据权利要求1-9任一项所述的激光测距传感器，其特征在于，还包括增益控制器，所述增益控制器与所述光感应器连接，用于调节所述光感应器接收的信号强度。