1271509 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種雷射尺，特別是有關於一種雷射尺光學系統的結構。 【先前技術】 雷射尺（或稱雷射測距儀）是採用雷射光源測量距離的重要裝置之一。 常用的雷射尺使用雷射光源發送調制光到目標上，由該目標物來反射雷射 信號至一個光接收元件，光接收元件一般是一個崩潰光電二極體 φ (Avalanche Photo Diode，APD)，它將光信號轉化成電信號。雷射測距儀 計算發送脈衝和接收脈衝兩者之間的時間差的一半，再乘以光速即可獲得 距離值。 • 但是，雷射測距在近距離、高精度領域的應賴有很多技翻難點， 如近距離的光線接收問題、光接收元件接收光能量大小的限制問題、高精 度測量時的光路等程設計等。 目前’财技射尺進行近距_量財法纽是：將接收 Φ❸光經由-透鏡匯聚轉合入一光纖，由光纖傳輸到一定的距離後再搞合出 來，經過一個小的透鏡匯聚到光接收元件。採用光纖傳輸的優點在於:可 使光接收元件的設置位置具有較大的自由度，可同時分別適用於遠距離和 近距離的雷射測距。 曰如第九第十二_示，顏專利第5,949，咖断針對近距離測 直的光接收方面提出了若干方案。如第九圖所示，其採用電動機I〗帶動滾 輪12推峨13來改變接收娜的位置，再將光能傳輪到光接收元件 u上，以魏近輯反射_接收。針__ 了反射鏡21，將 5 1271509 較近目標的大角度入射光線通過鏡面反射到接收光纖14上，再傳回光接收 器件，但這種方式會造成一定程度的光線彎曲和散射。第十一圖所示方案 則使用一塊三角棱鏡31，來偏折入射角度過大的光線以測量近處目標，但 此三角稜鏡31對部分遠處目標的反射光線也會產生偏折，從而使得接收光 纖14接收不到足夠的光能量，因此在測量較遠物體時需去除此元件。在第 十一圖中’其採用了衍射元件41，這種元件可以很好地處理各種入射角的 光線，但其結構比較複雜，成本經濟效益較不理想。 同時，這些設計都未能解決遠、近測量時能量的比值問題。而且，其 中有的方案需要有電機帶動（如第九圖所示），或是測量遠近不同距離時需 將特定元件插入、拔出於光迴路中。這些額外的機構與構件將給系統增加 不穩定因素而使系統的可靠度降低，同時也會使系統的製造成本增加。而 且，光纖的使用，雖然方便了機構位置的設定，但能量必然有所損失，使 整體光能的利用率下降。 【發明内容】 本發明之目的在於提供—種雷射尺光學祕，其在無測量目標物的條 件下，特暇在近輯測距的情形下，實現光歡元件 _㈣米）内均《得綱，且繼的能量滿 極體的受光範圍需求。 …馬貫現上述目的，本發明提供一種用於對一待測物進行測距之雷射尺 光學系統，包括雷射光源（Laser Diode，LD)、發射端透鏡元件、^收端 透鏡7L件、具有反射曲面之曲面反射元件和具有光接收表面之光接收元 6 l27l509 件。其中，雷射光源發出的發射光線經過發射端透鏡元件到達待測物，、經 待測物反射後之反射光線，經由接收端透鏡元件後形成接收光線。該接收 光線可部分直接入射至光接收元件之光接收表面，同時，該曲面反射元件 之反射曲面能將前述接收光線中未能直接入射至光接收元件之光接收表面 的剩餘接收光線反射至光接收元件之光接收表面。 其中’邊曲面反射元件可以由兩個或兩個以上的普通球面反射元件組 合而成，或者由單個非球面反射元件構成，也可以是自由曲面反射元件。
若該曲面反射元件爲一非球面反射元件，則其曲率半徑可爲1〇〜3〇mm, 錐形（conic)係數爲-50〜40，四次、六次非球面係數均爲〇，八次非球面 係數爲-G· GGG35〜G· _1，十次非球面係數爲—Q· _㈣· q_3，且八次非 球面係數和十次非球面係數不能同時大於〇。 該曲面反射元件設於接收端透鏡元件和光接收元件之間，其具體位置 可以通過電腦模擬試驗控制獲得。 該接收端透鏡元件爲-非球面透鏡，其對應發射光線透射的位置處設 有—孔或缺σ ’以避免發射光線和触光線之職生干涉。 該待測物可以是人爲設置的待測目標物，或者也可以是一自然目標 物。該光接收元件可以是—_潰二極體。 ^此’本發明之雷射尺光㈣統_曲面反射元件對光線的反射 —只現近距離測1光線的接收。並且，彻非球面技術加丄曲面反射廷 兀件=得在無測量目標物的條件τ，_實現光接收元件在整個雷射/ 的測里補（0.3—3G幻㈣能獲得光信號/且光信號魏量可滿足光据 7 1271509 收元件的受光範圍需求。 另外本發明採㈣面反射元件，充分糊光能量，提高㈣比；並 利用系、翻身的特點，實現整麵量範_的能量—致性，無過多的附加 構同'本發明之雷射尺系統還具有結構簡單、無活動元件、公差寬 鬆、元件加工量産性高、便於量產等優點。 【實施方式】 有關本伽雷射尺光學魏的詳細綱及技細容，現即結合附圖說 ’明如下： 請參閱第六圖，本發明雷射尺光學系統是一種用於對一待測物進行測 的光+系統’其包括雷射光源5、發射端透鏡元件4、接收端透鏡元件！、 具有反射曲φ 20的曲面反射元件2和具有光接收表面3〇的光接收元件心 如第-、第二及第三圖所示，在第一圖中係顯示本發明的雷射尺用以 里測-個遠距離目標時的光路圖，而第二圖醜示一個制近距離目標時 _ 的光路® ’第二圖與第二圖她，但細示第二圖的應用例巾沿系統中轴 線旋轉-定肢所形成之視圖。在這些應關中，雷射光源5發出的發射 光線經過發射端透鏡元件4到達待測物（未圖示），麟測物反射後之反射 光線接收端透鏡元件1後形成接收光線。該接收光線可部分直接入 射至光接收凡件3之光接收表面30，同時，該曲面反射元件2之反射曲面 2〇此將别述接收光線中未能直接入射至光接收元件3之光接收表面洲的剩 餘接收光線，反射至光接收元件3之光接收表面3〇。 其中，該曲面反射元件2可以由兩個或兩個以上的普通球面反射元件 8 1271509 24、25 (第四圖）組合而成’或者由單個非球面反射元件（未圖示）構成， 也可以是自由曲面反射元件26 (第五圖 若該曲面反射元件2爲一非球面反射元件，則其曲率半徑可爲 10〜30腿，錐形（conic)係數爲，〜4〇，四次、六次非球面係數均爲〇，八 -人非球面係數爲G_5〜G· GGG1，十次非球面係數爲—麵㈣· _〇3， 且八次非球面係數和十次非球面係數不能同時大於〇。 如第，、圖所不，該接收端透鏡元件（為一非球面透鏡。考慮到雷射發 射光束與和光触元件3的干賴題，本伽訪尺光學祕減端透鏡 牛在對應毛射光線透射的位置處設有一孔或缺口 ^，以避免發射和接 收光束之間的干涉。 然 士第圖所不’本發明在應用於測量較遠距離時，反射光線幾乎以平 T的角度入射，經接收端透鏡元件i的匯聚，直接聚焦到光接收元件3的 先接收表面30上。當用於測量近距離時，如第二及第三圖所示，反射光線 某倾斜角度入射，經接收端透鏡元件1的匯聚，其中部分光線到達曲 贩射元件2，並經過反射曲面2Q反射，關曲面醇_紐，使光線 =幾们方料政’其中的—部分被光接收元件3接收。測量近距離時，距 離不同’麵人射到反射㈣晴纽也不同，反射方向也隨之變化。利 ^特殊树㈣面，使得不狀財⑽猶反概是涵蓋光接 几件3又光面積所處的位置，從而得以確保光線到達光接收元件3。 /發0姆_雜™人為糊制目·，概可以是一自 目標物。綱樓„挪_椒蝴自咖反射面的情 9 1271509 況進行設計，可實現無目標物的雷射測距。 該光接收元件3可以是-個崩潰二極體。本發明雷射尺光學系統利用光 接收元件3的接收面積和近距離光焦點偏移的斯生，可實現近距離測量時 對光線的選擇。使在整個量_，光接收元件3所接_錢能量差值不 至於過大，降低了後期電路對信號的處理的困難度。
該曲面反射元件2可磁置在如第-、第二_示的錄，也可以放 置在接收端透鏡元件1的附近’或是這義位置之間的任—特定位置，這 主要取決㈣_設計。至於制面反射元件2設於接收端透鏡元件工和 光接收元件3之_具齡置，則是可⑽魏職賴難制獲得。 再如第七®所示，本義尺光學祕在測量近轉時，因被待測 物反射過來的反射光線之信號光斑偏離接收端透鏡元件丨（非球面鏡）的光 轴而無法到達光触兀件3的光接收表φ 3〇。隨著距離越來越近，光線 經接收端透鏡元件1(非球硫)後的輯點也越來越偏轉球面鏡的光轴。 而如第八_示，由於光雜接收端透鏡元件[後_折角度隨著量 測距離的不同而有所變化，因而在該角度的變化範圍内，可以取中間值的 角度，即如第人圖中的深色直線所代表的光線。為使沿該肢的光線能夠 到達光接收元件3的光接絲面ι我鑛錢反射元件2放置在該光線 經過的光路上，並假設其反射曲面2()凹處的切線為—平面鏡，如第八圖之 淺色虛線（切線）所示，從而得以確定曲面反射元件2的位置。 因曲面反射TG件2之反㈣φ 20哺雜，使得偏折肖度不同的光線 句可、’二反射曲面2G的某—小塊區域反射到達光接收元件3的光接收表面 1271509 30，從而實現了近距離的測量。 鼠，本發明之雷射尺光學系統利襲面反射元件2對光線的反射作 用，實現近距_量光線的接收。並且，麵面技術加1面反射面 元件，使得在無測量目標物的條件下，能夠實現光接收元件在整個雷射尺 的測里耗圍（0.3-30米）内均能獲得光信號，且光信號的能量可滿足光接 收元件的受光範圍需求。 —本發明可使得由雷射光源5所在之發射端發_發射光線經接收端透 .鏡元件1的匯聚後，直接人射到光接收元件3上，或再經過曲面反射元件2 入射到光接收兀件3上，光能利用率明顯的比_現有技術中所揭示的來 得高。 =外本射尺光學紐制曲面反射元件2，能充分利用光能 量，提高信噪比；並利用系統自身的特點，實現整個測量範圍内的能量一 致性’無過多的附加結構。同時，本發明之雷射尺系統還具有結構簡單、 ,、、、/舌動元件A差兌秦、元件加工量産性高、便於量產等優點。 · 、斤揭示的僅僅疋本發明的較佳實施例而已，不能以此來限定本 發月貝&的範目本技術領域内的一般技術人員根據本發明所作的均等變 化例如將以上以也例中的各個器件進行組合，以及本領域内技術人員熟 知的改進，㈣仍屬於本發日轉利滅的翻。 【圖式簡單說明】 第-圖係本發_量較遠目標時的光路圖； 11 1271509 第二圖係本發明測量較近距離目標時的光路圖； 弟一圖係弟一圖沿糸統中轴線旋轉一定角度之視圖； 第四圖係本發明曲面反射元件第一設計方案之結構示意圖· 第五圖係本發明曲面反射元件第二設計方案之結構示意圖· 第六圖係本發明的光學系統的示意圖； 第七圖係顯示在不同量測距離時反射光線的路徑變異圖； 元件後
第八圖係顯示在如第七圖所示的路徑變異圖中加入一曲面反射 對光路徑的影響； 第九圖係採用光纖的習知技術的光路圖； 第十圖係採用反射鏡的習知技術的光路圖； 第十一圖係採用三角稜鏡的習知技術的光路圖；及 弟十二圖係採用衍射元件的習知技術的光路圖。 【主要元件符號說明】
接收端透鏡元件 1 光接收元件 3 雷射光源 5 缺口 /孔 11 彈片 13 反射鏡 21 衍射元件 41 光接收表面 30 自由曲面反射元件 26 曲面反射元件 2 發射端透鏡元件 4 電動機 11 滾輪 12 接收光纖 14 三角稜鏡 31 反射曲面 20 普通球面反射元件 24、25 12