分光片及其激光共軸測距儀和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)測量、觀察技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分光片及其激光共軸測距儀和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]激光測距儀目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、科學(xué)研究等領(lǐng)域，一般的激光測量儀器采用激光發(fā)射光軸和激光接收光軸分離的工作方式，這種方式不但儀器體積大、制造成本高、以及測量信號信噪比低，而且對近距離測量和遠距離測量都存在較大的測量困難。
[0003]為了解決分離光軸存在的困難，傳統(tǒng)的方法是采用發(fā)射和接收共孔徑的方法(共軸方法)，目前采用的方法共軸方法主要有三種，一種是半透/半反方法，該方法使大約50%的發(fā)射光能量通過分光片來照明物體，而從物體返回的光能量也只有50%達到檢測器用于檢測，實現(xiàn)在同一光路中實現(xiàn)激光的發(fā)射和接收。半透/半反分光法簡單可靠、使用方便，在儀器制造和實驗室中得到廣泛應(yīng)用。但是由于這種方法耦合效率低，在只能用于近距離的強反射物體的測距。
[0004]另一種為挖孔法。該方法使激光束通過挖孔分光片的一個小孔耦合到測量系統(tǒng)中，發(fā)射激光僅使用了一部分發(fā)射口徑。使物體返回的激光通過分光片的剩余部分反射到接收檢測器，挖孔法原理簡單，耦合分光的效率也比較高，整個耦合分光光路中只需要一塊挖孔鏡，沒有可動部分，性能穩(wěn)定，是一種簡單可靠的共軸方法，在很多測距儀器中得到應(yīng)用，但挖孔法將分光片分為發(fā)射孔徑部分(開口部分)和接收孔徑部分(反射部分)，為了使發(fā)射能量盡量的進入測量系統(tǒng)，需要盡量增大分光片上的開口，但這樣會減少接受孔徑，從物體返回的激光的一部分從挖空中泄露，降低了系統(tǒng)測量的靈敏度。另外，由于開孔的存在，當(dāng)物體很接近鏡面反射物體時，物體反射的激光主要分布在開口處，使得這種物體不能正常檢測，容易形成測量盲點。
[0005]第三種共軸方法是一種偏振耦合分光方法，該技術(shù)的基本原理是用偏振分光器件將偏振方向相互垂直的兩束線按偏振方向分別進行反射和透射。發(fā)射方向的偏振光被偏振分光片反射，在經(jīng)過λ/4波片變?yōu)閳A偏光，從物體返回的圓偏振光再次通過λ/4波片后將變?yōu)槠穹较驗镻的偏振光，偏振方向與原偏振方向垂直，偏振分光經(jīng)將這種光全部透過，這樣用偏振分光片就可以實現(xiàn)高效的耦合分光。這種方式的優(yōu)點是全孔徑分光，但由于要求激光是線偏振光，需要在系統(tǒng)中加入偏振片和波片，不但成本高，而且調(diào)制困難，由于在傳輸過程中偏振方向很容易改變，使得測量很容易受到干擾。
[0006]US20100321669公開了一種采用簡單的挖孔方式實現(xiàn)共軸激光測距激光測距儀，激光二極管發(fā)出的激光束經(jīng)過分光片中的挖孔照射在透鏡上后變成平行光束照射在物體上，經(jīng)物體散射的散射光經(jīng)透鏡匯聚在分光片上，由分光片上的反射部分反射到檢測器上進行檢測。這種方式簡單、制造成本低。但是這種方式在激光測距中的困難在于:二極管激光器是一種發(fā)散角在10° *40°左右，從二極管發(fā)出的激光隨著傳播距離的增加將很快擴散，該專利為了使透鏡輸出的激光很細，必須使分光片(片)上的孔很小，同時該孔必須距離分光片較大距離，使得大部分二極管激光發(fā)出的激光不通過小孔照明物體，造成遠處物體和光反射很弱的物體測量困難，如直接增大挖空，雖然可以使更多的激光能量用于照明物體，但從物體返回的更多光將通過挖空泄露掉，仍然無法對遠處物體或反射性能差的物體進行檢測，另外，由于挖空處在測量系統(tǒng)的光軸上，對比較光滑的物體，反射光能量將隨與光軸為中心程逐漸衰減的分布，造成開口外反射光能量很低，從反射板反射到過檢測器的光很少，造成對這種物體的檢測困難。
[0007]分析上面的這些分光方法發(fā)現(xiàn):挖孔法利用的是照明光和信號光在分光板上的分布區(qū)域不同而采取的二值分光方法，即(照明光全通，該區(qū)域無反射信號光，全反區(qū)全反信號光而該區(qū)域不通過照明光。而半透/半反和偏振分光都采用全區(qū)域?qū)φ彰鞴夂托盘柟饩鶆蛱幚矸绞?。在很多情況，由于目標的多樣性，照明光和信號光在分光板的分布區(qū)域是不同的，挖空法盡管利用了這一特點，但它照明區(qū)的二值性使得該方法對很多檢測難以達到理想的效果。為了彌補半透/半反和偏振分光在檢測中的問題，有必要在設(shè)計分光光路上，將它們的分光方式與照明光和檢測光在分光板上不同分布結(jié)合起來，得到更有效的分光系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種分光片，應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中時，能夠減少反射光的流失，使檢測或觀察結(jié)果更準確。
[0009]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0010]—種分光片，包括分光片本體，所述分光片本體上具有用于反射的第一區(qū)域以及用于透光和反射的第二區(qū)域，所述第一區(qū)域為反射區(qū)，所述第二區(qū)域為半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)，在使用時，通過光束源發(fā)出的光束經(jīng)第二區(qū)域照射至目標物，目標物的反射光經(jīng)第二區(qū)域和第一區(qū)域反射。
[0011]該分光片應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中時，光束源發(fā)出的光束經(jīng)半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)照射至目標物，目標物的反射光經(jīng)反射區(qū)和第二區(qū)域(半透半反區(qū)或偏振分光區(qū))反射。此處所說的半透半反區(qū)表示能夠透射和反射的透射反射區(qū)，并不是限制其一半反射一半透射。
[0012]作為優(yōu)選:所述第二區(qū)域位于分光片本體的中部，所述第一區(qū)域位于分光片本體的外部；或所述第二區(qū)域位于分光片本體的外部，所述第一區(qū)域位于分光片本體的中部；或所述第一區(qū)域和第二區(qū)域分散于分光片本體上；所述半透半反區(qū)的透射率/反射率為
0.2-9O此處的中部表示分光片本體的中央，外部表示分光片本體上相對于中央外圍的區(qū)域。
[0013]作為優(yōu)選:所述半透半反區(qū)的透射率/反射率大于1，該比例的情況下能使光束透過更多。
[0014]作為優(yōu)選:所述分光片本體包括光學(xué)玻璃，在所述光學(xué)玻璃的第一區(qū)域上鍍有全反膜，在光學(xué)玻璃的第二區(qū)域上鍍有半透半反膜或偏振分光膜。
[0015]本發(fā)明同時提供一種激光共軸測距儀，包括所述的分光片，還包括光束源、第一透鏡和檢測器，所述第一透鏡位于分光片與目標物之間，所述光束源發(fā)出的光束經(jīng)分光片的第二區(qū)域和第一透鏡后形成平行光束照射至目標物，目標物反射光束經(jīng)第一透鏡聚攏并由第一區(qū)域和第二區(qū)域反射至檢測器。
[0016]其中半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)，能夠透過一部分光束也能反射一部分光束，因此在經(jīng)目標物反射后的光束也可以部分地經(jīng)半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)反射到檢測器上，而減少反射光的流失，使結(jié)果更準確。該測距儀不但能夠?qū)崿F(xiàn)對一般物體的共軸測量，也對遠處物體、弱反射和鏡面物體實現(xiàn)共軸測量。
[0017]作為優(yōu)選:所述光束源與分光片之間設(shè)置有用于將發(fā)散光聚攏的第二透鏡。
[0018]作為優(yōu)選:所述第一透鏡為透鏡，第二透鏡為準直透鏡。
[0019]作為優(yōu)選:所述分光片相對于光軸傾斜設(shè)置，光軸為光束的中心線。
[0020]所述分光片為以光軸為中心的橢圓形，所述分光片與光軸的夾角為30-60度。
[0021]本發(fā)明同時提供一種分光片在光學(xué)測量系統(tǒng)或觀察系統(tǒng)中的應(yīng)用。光束源發(fā)出的光束經(jīng)半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)照射至目標物，目標物反射光經(jīng)反射區(qū)以及光束經(jīng)半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)反射至測量位置或觀察位置。其中最主要的是分光片在測量、觀察系統(tǒng)中應(yīng)用。
[0022]如上所述，本發(fā)明的有益效果是:在光學(xué)系統(tǒng)中，本發(fā)明提供了一種新的共軸分光方式。將這種分光片和分光方式應(yīng)用于測距，不但克服了非共軸系統(tǒng)測量中的存在的系統(tǒng)體積大，光路復(fù)雜、制造成本高、調(diào)整難度大的問題。即使相對于目前的共軸測距系統(tǒng)，它也具有系統(tǒng)簡單、制造成本低、檢測信噪比高、攜帶方便等優(yōu)點，同時它還克服了目前共軸激光測距中存在的物體返回激光泄露造成檢測盲點的問題。對同類的共軸系統(tǒng)測距，可檢測更遠處距離的物體。對弱反射和鏡面物體也能進行測量。這種分光片不但可以用于激光測距，也可用于落射照明顯微鏡、激光形貌檢測系統(tǒng)、受激raman光譜測量等。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例1中分光片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為圖1中分光片的剖視示意圖；
[0025]圖3為圖1中分光片另一種結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0026]圖4、圖5和圖6為分光片中第一區(qū)域和第二區(qū)域分布的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖7為本發(fā)明激光共軸測距儀實施例2的檢測光路原理圖；
[0028]圖8為本發(fā)明激光共軸測距儀實施例3的檢測光路原理圖。
[0029]零件標號說明
[0030]I激光器
[0031]2第二透鏡
[0032]3分光片
[0033]31分光片本體
[0034]32全反膜
[0035]33分光膜
[0036]34光學(xué)玻璃
[0037]35反光材料
[0038]4第一透鏡
[0039]5檢測器
[0040]6待測物體
[0041]7小孔光欄
【具體實施方式】
[0042]以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
[0043]實施例1
[0044]如圖1和圖2所示，一種分光片，包括分光片，所述分光片本體31上具有用于反射的第一區(qū)域B以及用于透光和反射的第二區(qū)域A，所述第一區(qū)域B為反射區(qū)，所述第二區(qū)域A為半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)，在使用時，通過光束源發(fā)出的光束經(jīng)第二區(qū)域照射至目標物，目標物的反射光經(jīng)第二區(qū)域A和第一區(qū)域B反射。
[0045]如圖1所示，本例中所述第二區(qū)域A位于分光片本體31的中部區(qū)域，第一區(qū)域B位于分光片本體31的外部區(qū)域；此處的中部表不分光片本體31的中央，夕卜部表不分光片本體31上相對于中央外圍的區(qū)域。
[0046]—般情況，信號光由于物體的散射，在分光片上的分布區(qū)域都比照明光的分布區(qū)域大得多，最直觀的設(shè)計是如圖1所示，圖中，在分光片被分為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)為半透半反區(qū)或偏振分光區(qū)。它使光束源發(fā)出的光透過該區(qū)，而照射在該區(qū)上，從物體返回的信號光有一部分雖然被泄露掉一些，但與挖孔法不同，仍然有一部分被反射到探測光路中。在透光區(qū)(A區(qū))外，則是全反射的B區(qū)，它將照射在該區(qū)上，從物體返回的信號光全部反射到探測光路中，從而實現(xiàn)光束分光。對偏振分光，由于是通過旋轉(zhuǎn)偏振方向分別實現(xiàn)S光和P光的透射和反射，所以，它的A區(qū)就是普通的偏振分光膜。而B區(qū)則是全反射區(qū)。對于半透/半反分光法，由于A區(qū)既要使光源