TWI400429B - 單筒雷射測距儀之光學系統 - Google Patents

Description

單筒雷射測距儀之光學系統

本發明涉及一種雷射測距儀，尤指一種適用於單筒雷射測距儀的光學系統。

按，雷射測距儀之光學系統通常包含有一雷射發射系統、一雷射接收系統及一望遠系統，其中雷射發射系統係藉由一雷射發射器朝一受測目標物發射一雷射光束，該雷射光束經過目標物的反射之後將被雷射接收系統之雷射接收器所接收，通過程式計算便可得出該雷射測距儀與受測目標物之間的距離。望遠系統係可供使用者瞄準目標物，其通常包含有對物鏡組、接眼鏡組及位於該兩鏡組之間的稜鏡組。惟，於實際使用時，若雷射測距儀之上述各系統皆採用獨立的光軸且再配備各自所需的光學鏡片，則不但會造成該雷射測距儀之體積龐大，亦會使得測距結果不準確。

為克服採用上述三個獨立系統存在之缺點，業界提出了一種將其中之兩系統予以適度合併的解決方案。如第一圖所示，該習知雷射測距儀之光學系統9包含有一望遠/雷射發射系統90及一雷射接收系統91，其中雷射接收系統91包含有一第一接收透鏡92、一第二接收透鏡93及一雷射接收器94；望遠/雷射發射系統90係由雷射發射系統與望遠系統整合而成，其包含一對物鏡組95、一稜鏡組96、一雷射發射器97、一發射透鏡98及一接眼鏡組99。稜鏡組96係由一前稜鏡961、一後稜鏡962及一輔助稜鏡963組成。利用該稜鏡組96之折射與反射功能，可以使得在該稜鏡組96之前 形成一混合光路，既可使得望遠觀測用之可見光束通過，又可使得測距用之雷射光束通過，藉此減小雷射測距儀的體積。

詳細而言，上述習知雷射測距儀之光學系統9的光路組成包含有位於望遠光軸A軸的一望遠或觀測光路10、位於B軸的一雷射接收光路11以及同時位於C軸與A軸的一雷射發射光路12，其中B軸係與A軸平行，C軸則與A軸基本垂直。雷射發射光路12係藉由雷射發射器97發射出一雷射光束，該雷射光束沿C軸依序經過發射透鏡98的准直及輔助稜鏡963與前稜鏡961的折射後導入A軸的望遠光路10中，再經由對物鏡組95准直射出至受測目標物。由受測目標物反射回的該雷射光束隨後導入至B軸的雷射接收光路11，依序經由第一、第二接收透鏡92、93後被雷射接收器94所接收，以計算出雷射測距儀與受測目標物之間的距離。在望遠光路10中，來自受測目標物表面的可見光束係沿A軸進入對物鏡組95，經由前稜鏡961與後稜鏡962的折射與反射後，再經由接眼鏡組99透出而聚焦成像於使用者的眼睛，以供使用者望遠並瞄準受測目標物。

由上述可知，於該習知雷射測距儀的光學系統9中，雷射接收系統91係為一獨立系統，其光路11單獨位於與望遠光軸A軸平行的B軸上，而雷射發射系統與望遠系統則係整合成一望遠/雷射發射系統90，該兩系統之光路12、10係於A軸上部分重合並共用對物鏡組95與稜鏡組96的前稜鏡961，以達成減小雷射測距儀體積之目的。由於雷射發射系統與望遠系統係共用了對物鏡組95，因此對物鏡組95的設計口徑通常較大。另，為達成市場需求的較長距離的測距功能，位於B軸上的雷射接收系統91的第一接收透鏡92的設計口徑亦非常大，以確保接收到更多的雷射光能量。因此，對 於具有該望遠/雷射發射系統90之光學系統9的習知雷射測距儀而言，為達成較長距離的測距功能，其對物鏡組95與第一接收透鏡92的口徑設計皆有較大的限制，致使該習知雷射測距儀的外觀口徑與整體體積皆相當大，已無法滿足當前電子消費產品日趨輕、薄、短、小之發展趨勢。

再者，採用上述光學系統9的習知雷射測距儀的外形架構僅可設計為雙筒或三筒架構，除體積較大、攜帶不便之缺點外，亦需另外設置一眼幅調整機構以使測距儀之眼幅與使用者之目距保持一致，從而使該習知雷射測距儀的機構更為複雜，體積更顯龐大。相對雙筒或三筒架構之雷射測距儀而言，單筒架構體積較小、攜帶方便，適合於手持望遠而更符合當前輕、薄、短、小之消費需求，且單筒架構之雷射測距儀的使用場合更為廣泛，除可如雙筒或三筒架構般作為具有測距功能的望遠鏡使用外，其亦可作為具有測距功能的瞄準器用於獵槍等需要使用瞄準器的器具上。

因此，如何設計出一種適於單筒架構之雷射測距儀使用的光學系統，使該單筒雷射測距儀具有體積較小、攜帶方便、應用廣泛等優點而又能保有良好的光學測距性能，已成為業界的共同訴求。

本發明之主要目的在於提供一種適用於單筒雷射測距儀的光學系統，其具有體積較小、攜帶方便、應用廣泛而又能保有良好的光學測距性能等優點，以滿足當前輕、薄、短、小之消費需求。

依據上述目的，本發明提供一種測距儀之光學系統，其包含有一發射系統與一望遠/接收系統。該發射系統設於一第一光軸上並至少包含一發射 器，用於朝向受測目標物發射用於測距的一不可見光束。該望遠/接收系統包含鄰近對物端設置的一對物鏡組、一分光元件、一接收透鏡、用於接收不可見光束的一接收器、一望遠稜鏡組以及鄰近使用者接眼端設置的一接眼鏡組，其中對物鏡組與接眼鏡組構成測距儀之望遠光軸，該望遠光軸與第一光軸係相互平行設置。對物鏡組、望遠稜鏡組與接眼鏡組自對物端至接眼端依序設置於望遠光軸上而構成一望遠系統，用於接收來自受測目標物的可見光束以供使用者觀測該目標物的影像。對物鏡組、分光元件、接收透鏡與接收器構成一接收系統，用於接收自受測目標物反射回的不可見光束以供計算出該目標物與測距儀之間的距離，其中該分光元件係設置於望遠光軸上且位於對物鏡組與望遠稜鏡組之間，該接收透鏡與該接收器係設置於與望遠光軸呈一定角度的一第二光軸上，且該接收透鏡位於分光元件與接收器之間。

依據本發明之較佳實施例，該第二光軸係垂直於該望遠光軸。

依據本發明之較佳實施例，該分光元件係一分光稜鏡或一分光鏡，其具有傾斜設置於望遠光軸上的一鍍膜面，用於穿透可見光束至望遠稜鏡組並反射不可見光束至接收透鏡。

依據本發明之較佳實施例，該接收透鏡係一濾光片，其上鍍有膜層，以供可見光全反射而不可見光高穿透。較佳地，該濾光片係一黑玻璃片。

依據本發明之較佳實施例，該望遠稜鏡組由一前稜鏡與一後稜鏡組成。

依據本發明之較佳實施例，該發射系統更包含一發射透鏡，用於將來自發射器的不可見光束彙聚至受測目標物。

依據本發明之較佳實施例，該發射器係一雷射二極體，該不可見光束 係一雷射光束。

依據本發明之較佳實施例，該接收器係一崩潰光電二極體，用於接收由受測目標物反射回來的雷射光束並產生電信號。

另，依據本發明之目的再提供一種測距儀之光學系統，其包含一發射系統、一望遠系統及一接收系統。該發射系統至少包含一發射器，用於朝向受測目標物發射用於測距的一不可見光束，該發射系統的光路光軸為一直線。該望遠系統，用於接收來自受測目標物的可見光束以供使用者觀測該目標物的影像，其包含鄰近對物端設置的一對物鏡組、一望遠稜鏡組以及鄰近使用者接眼端設置的一接眼鏡組，其中該對物鏡組與該接眼鏡組構成測距儀之望遠光軸，該望遠光軸為一直線並與該發射系統的光路光軸平行設置。該接收系統，用於接收自受測目標物反射回的不可見光束以供計算出該目標物與測距儀之間的距離。該接收系統的光路光軸為呈一定角度的一折線，其包含鄰近對物端設置的一接收鏡組、一分光元件、一濾光元件以及用於接收不可見光束的一接收器，其中該分光元件設置於該折線光軸的轉折處，該濾光元件位於分光元件與接收器之間，該接收鏡組與望遠系統的對物鏡組係二者合一的同一鏡組，且該接收系統的光路光軸與望遠系統的光路光軸係於望遠稜鏡組之前相互重合。

與本發明之先前技術相比較，本發明藉由將雷射發射系統設置為獨立的一光學系統並將望遠系統與雷射接收系統置於同一系統中而整合成為一望遠/雷射接收系統，可使雷射測距儀之體積大幅減小而適用於單筒形式之雷射測距儀。且在體積大幅縮減之基礎下，本發明光學系統並不會減損雷射測距儀之光學測距性能，其實際光學與測距功能仍可達到相同規格之雙 筒或三筒雷射測距儀的性能要求，因此具有極高之產業利用性。另，本發明光學系統之稜鏡組僅由前稜鏡及後稜鏡兩稜鏡組成，相較於由前稜鏡、後稜鏡及輔助稜鏡三稜鏡組成的習用稜鏡組而言，設計上更為簡化。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

請參第二圖所示，本發明單筒雷射測距儀之光學系統1的組成構件有發射透鏡21、雷射發射器22、對物鏡組40、分光元件51、接收透鏡52、雷射接收器53、望遠稜鏡組41以及接眼鏡組42，其中對物鏡組40與接眼鏡組42構成雷射測距儀之望遠光軸，在第二圖中係標記為A軸。雷射發射器22係為一雷射二極體(Laser Diode，LD)，用以朝向受測目標物發射出具特定波長且不可見的一雷射光束。雷射接收器53則係為一突崩光電二極體(Avalanche Photoelectric Diode，APD)，用以接收由受測目標物反射回來的雷射光束並產生電信號，其與雷射發射器22共同構成雷射測距儀的測距裝置。

詳細而言，本發明單筒雷射測距儀之光學系統1包含有單獨位於B軸的一雷射發射系統2及位於A軸與C軸的一望遠/雷射接收系統3，其中B軸係與A軸平行，C軸則與A軸基本垂直。雷射發射系統2沿B軸從對物端至接眼端依序包含發射透鏡21及雷射發射器22，且至少包含該雷射發射器22。該雷射發射器22用以朝向受測目標物發射出具特定波長且不可見的一雷射光束。該雷射光束沿B軸經發射透鏡21準直後射出至受測目標物。望 遠/雷射接收系統3係由望遠或觀測系統4與雷射接收系統5整合而成。望遠系統4沿A軸從對物端至接眼端依序包含對物鏡組40、望遠稜鏡組41及接眼鏡組42，其中對物鏡組40係用來收集來自受測目標物的可見光束以及該目標物反射回的雷射光束，接眼鏡組42係用來供使用者觀看受測目標物的影像，望遠稜鏡組41係由一前稜鏡411與一後稜鏡412組成，用於將可見光束傳導至接眼鏡組42。雷射接收系統5則包含位於A軸上的接收鏡組即對物鏡組40與分光元件51，以及位於C軸上的接收透鏡52與雷射接收器53，其中分光元件51位於對物鏡組40與望遠稜鏡組41之間，接收透鏡52位於分光元件51下方且位於分光元件51與雷射接收器53之間。

在本實施例中，該分光元件51係為一分光稜鏡，由習用的兩個等腰直角稜鏡黏合而成，其具有傾斜設置於A軸上的一鍍膜面511，用於反射雷射光並穿透可見光。該接收透鏡52係為尺寸極小的一濾光片，例如一黑玻璃片，其上鍍有膜層，以供可見光全反射而雷射光高穿透。

以下將對本發明單筒雷射測距儀之光學系統1的各系統光路之路徑(如第二圖箭頭所示路徑)作一具體說明。

如第二圖所示，與雷射發射系統2對應的雷射發射光路6係藉由雷射發射器22朝向受測目標物發射出具有特定波長且不可見的一雷射光束，該雷射光束沿B軸經由發射透鏡21準直後射出至受測目標物。由受測目標物反射回的該雷射光束隨後導入至A軸而形成與雷射接收系統5對應的一雷射接收光路7。在該雷射接收光路7中，目標物反射回的雷射光束沿A軸經由對物鏡組40透射後進入分光元件51，並被該分光元件51的鍍膜面511反射而導入至基本與A軸垂直的C軸，經由C軸上的接收透鏡52濾光後被 雷射接收器53所接收，以計算出雷射測距儀與受測目標物之間的距離。同時，與望遠系統4對應的望遠光路8中，來自受測目標物表面的可見光束亦沿A軸進入對物鏡組40，該可見光束經由分光元件51之鍍膜面511的透射而沿A軸進一步行進至望遠稜鏡組41，經該望遠稜鏡組41之前稜鏡411與後稜鏡412的折射與反射後，最後經由接眼鏡組42射出而聚焦成像於使用者的眼睛，以供使用者望遠並瞄準受測目標物。

由上述可知，本發明單筒雷射測距儀之光學系統1與第一圖所示的習用雙筒或三筒雷射測距儀之光學系統9的不同之處在於：發明光學系統1的雷射發射系統2係單獨位於與雷射測距儀望遠光軸A平行的B軸上，為獨立的一光學系統，而望遠系統4與雷射接收系統5則係整合成為一望遠/雷射接收系統3而位於A軸與C軸上。該等望遠系統4與雷射接收系統5之光路係於A軸上部分重合而在望遠稜鏡組41之前形成一混合光路並共用對物鏡組40，如此既可使得來自受測物體表面的望遠觀測用的可見光束通過，又可使得測距用的雷射光束通過。

本發明藉由將雷射發射系統2設為獨立的一光學系統並將望遠系統4與雷射接收系統5置於同一系統中而整合成為一望遠/雷射接收系統3，可使雷射測距儀之體積大大減小而適用於單筒形式之雷射測距儀。詳細而言，由於本發明光學系統1之雷射接收系統5係共用了望遠系統4之對物鏡組40，因此無需再設計如第一圖所示的口徑較大的習用第一接收透鏡92，而僅需於光軸A上在對物鏡組40與望遠稜鏡組41之間設置一分光元件51。該雷射接收系統5之濾光功能則係由很小的一接收透鏡52代替。雖然本發明光學系統1仍需設置與光軸A平行的一雷射發射光軸B，然雷射發 射系統2之發射透鏡21的直徑相對於習用的第一接收透鏡92而言是非常之小。因此，採用本發明光學系統1之雷射測距儀的整體體積將可大大減小而符合當前輕、薄、短、小之消費需求，其相較於採用第一圖所示之習用光學系統9的雙筒或三筒雷射測距儀而言，可縮小約一半之體積而可適用於單筒形式之雷射測距儀。且在體積大幅縮減之基礎下，本發明光學系統1並不會減損雷射測距儀之光學測距性能，其實際光學與測距功能仍可達到相同規格之雙筒或三筒雷射測距儀的性能要求，因此具有極高之產業利用性。另，本發明光學系統1之稜鏡組41僅由前稜鏡411及後稜鏡412兩稜鏡組成，相較於由前稜鏡、後稜鏡及輔助稜鏡三稜鏡組成的習用稜鏡組而言，設計上更為簡化。

可以理解，本發明單筒雷射測距儀之光學系統1並不僅限於第二圖所示之具體實施例形式，其亦可有其他等效之變化。例如，雷射接收系統5之分光元件51亦可替換為傾斜設置於A軸上的一分光鏡，其面向對物鏡組40之表面上可以真空濺鍍、蒸鍍或塗佈等方式鍍覆一膜層，以達成反射雷射光並穿透可見光之功用。如此，可使採用本發明光學系統1之單筒雷射測距儀的體積更為縮減，且成本亦可更為下降。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟習本案技術之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆涵蓋於後附之申請專利範圍內。

1‧‧‧光學系統

2‧‧‧雷射發射系統

21‧‧‧發射透鏡

22‧‧‧雷射發射器

3‧‧‧望遠/雷射接收系統

4‧‧‧望遠系統

40‧‧‧對物鏡組

41‧‧‧望遠稜鏡組

411‧‧‧前稜鏡

412‧‧‧後稜鏡

42‧‧‧接眼鏡組

5‧‧‧雷射接收系統

51‧‧‧分光元件

511‧‧‧鍍膜面

52‧‧‧接收透鏡

53‧‧‧雷射接收器

6‧‧‧雷射發射光路

7‧‧‧雷射接收光路

8‧‧‧望遠光路

第一圖係習用雙筒或三筒雷射測距儀之光學系統示意圖。

第二圖係本發明單筒雷射測距儀之光學系統示意圖。

1．．．光學系統

2．．．雷射發射系統

21．．．發射透鏡

22．．．雷射發射器

3．．．望遠/雷射接收系統

4．．．望遠系統

40．．．對物鏡組

41．．．望遠稜鏡組

411．．．前稜鏡

412．．．後稜鏡

42．．．接眼鏡組

5．．．雷射接收系統

51．．．分光元件

511．．．鍍膜面

52．．．接收透鏡

53．．．雷射接收器

6．．．雷射發射光路

7．．．雷射接收光路

8．．．望遠光路

Claims (24)

1. 一種測距儀之光學系統，包含有：一發射系統，設於一第一光軸上，該發射系統至少包含一發射器，用於朝向受測目標物發射用於測距的一不可見光束；及一望遠/接收系統，包含鄰近對物端設置的一對物鏡組、一分光元件、一接收透鏡、用於接收不可見光束的一接收器、一望遠稜鏡組以及鄰近使用者接眼端設置的一接眼鏡組，其中該對物鏡組與該接眼鏡組構成測距儀之望遠光軸，該望遠光軸與該第一光軸係相互平行設置；該對物鏡組、該望遠稜鏡組與該接眼鏡組自對物端至接眼端依序設置於該望遠光軸上而構成一望遠系統，用於接收來自受測目標物的可見光束以供使用者觀測該目標物的影像；該對物鏡組、該分光元件、該接收透鏡與該接收器構成一接收系統，用於接收自受測目標物反射回的不可見光束以供計算出該目標物與測距儀之間的距離，其中該分光元件係設置於該望遠光軸上且位於該對物鏡組與該望遠稜鏡組之間，該接收透鏡與該接收器係設置於與該望遠光軸呈一定角度的一第二光軸上，且該接收透鏡位於該分光元件與該接收器之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該第二光軸係垂直於該望遠光軸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該分光元件係一分光稜鏡，其具有傾斜設置於望遠光軸上的一鍍膜面，用於穿透可見光束至望遠稜鏡組並反射不可見光束至接收透鏡。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學系統，其中該接收透鏡係一濾光 片，其上鍍有膜層，以供可見光全反射而不可見光高穿透。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學系統，其中該濾光片係一黑玻璃片。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該分光元件係傾斜設置於望遠光軸上的一分光鏡，其面向對物鏡組之表面上鍍覆有一膜層，用於穿透可見光束至望遠稜鏡組並反射不可見光束至接收透鏡。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學系統，其中該接收透鏡係一濾光片，其上鍍有膜層，以供可見光全反射而不可見光高穿透。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光學系統，其中該濾光片係一黑玻璃片。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該望遠稜鏡組由一前稜鏡與一後稜鏡組成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該發射系統更包含一發射透鏡，用於將來自發射器的不可見光束彙聚至受測目標物。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學系統，其中該發射器係一雷射二極體，該不可見光束係一雷射光束。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光學系統，其中該接收器係一崩潰光電二極體，用於接收由受測目標物反射回來的雷射光束並產生電信號。
13. 一種測距儀之光學系統，包含有：一發射系統，至少包含一發射器，用於朝向受測目標物發射用於測距的一不可見光束，該發射系統的光路光軸為一直線；一望遠系統，用於接收來自受測目標物的可見光束以供使用者觀測該目標物的影像，其包含鄰近對物端設置的一對物鏡組、一望遠稜 鏡組以及鄰近使用者接眼端設置的一接眼鏡組，其中該對物鏡組與該接眼鏡組構成測距儀之望遠光軸，該望遠光軸為一直線並與該發射系統的光路光軸平行設置；及一接收系統，用於接收自受測目標物反射回的不可見光束以供計算出該目標物與測距儀之間的距離，該接收系統的光路光軸為呈一定角度的一折線，其包含鄰近對物端設置的一接收鏡組、一分光元件、一濾光元件以及用於接收不可見光束的一接收器，其中該分光元件設置於該折線光軸的轉折處，該濾光元件位於該分光元件與該接收器之間，該接收鏡組與望遠系統的該對物鏡組係二者合一的同一鏡組，且該接收系統的光路光軸與該望遠系統的光路光軸係於望遠稜鏡組之前相互重合。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光學系統，其中該接收系統的光路光軸係呈90度角的一折線。
15. 如申請專利範圍第13項所述之光學系統，其中該接收系統的該分光元件係一分光稜鏡，其具有傾斜設置於望遠光軸上的一鍍膜面，用於穿透可見光束至望遠稜鏡組並反射不可見光束至濾光元件。
16. 如申請專利範圍第15項所述之光學系統，其中該濾光元件係一濾光片，其上鍍有膜層，以供可見光全反射而不可見光高穿透。
17. 如申請專利範圍第16項所述之光學系統，其中該濾光片係一黑玻璃片。
18. 如申請專利範圍第13項所述之光學系統，其中該接收系統的該分光元件係傾斜設置於望遠光軸上的一分光鏡，其面向接收鏡組之表面上 鍍覆有一膜層，用於穿透可見光束至望遠稜鏡組並反射不可見光束至濾光元件。
19. 如申請專利範圍第18項所述之光學系統，其中該濾光元件係一濾光片，其上鍍有膜層，以供可見光全反射而不可見光高穿透。
20. 如申請專利範圍第19項所述之光學系統，其中該濾光片係一黑玻璃片。
21. 如申請專利範圍第13項所述之光學系統，其中該望遠稜鏡組由一前稜鏡與一後稜鏡組成。
22. 如申請專利範圍第13項所述之光學系統，其中該發射系統更包含一發射透鏡，用於將來自發射器的不可見光束彙聚至受測目標物。
23. 如申請專利範圍第13項所述之光學系統，其中該發射器係一雷射二極體，該不可見光束係一雷射光束。
24. 如申請專利範圍第23項所述之光學系統，其中該接收器係一崩潰光電二極體，用於接收由受測目標物反射回來的雷射光束並產生電信號。