專利名稱：激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光測距儀，特別是有關(guān)于一種激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
激光測距儀是測量距離的重要裝置之一，常用的激光測距儀使用激光器發(fā)送調(diào)制光到目標(biāo)上，由該目標(biāo)物來反射激光信號至一個激光接收器，常見的激光接收器是一個雪崩二極管(avalanche photodiode簡稱APD)，它將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。激光測距儀計算發(fā)送脈沖和接收脈沖兩者之間的時間差，再乘以光速即可獲得距離值。
但是，由于光速是一個非常大的值，要確保距離值準(zhǔn)確，則電信號的處理要相當(dāng)精確才能獲得精確的時間值，否則就會差之毫厘謬以千里。而且光線具有擴散的性質(zhì)，并不是所有的光線都能被反射回來為激光接收器所接收，特別是在無人為合作目標(biāo)的條件下，反射光線的數(shù)量更少。而且反射光線還會受到自然光線、粉塵等的干涉和干擾，使得信噪比偏低，影響測距儀的精度，而如果提高激光的發(fā)射功率又會導(dǎo)致成本的提高且傷害人眼。
激光測距在近距離、高精度領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多技術(shù)難點，如近距離的光線回收問題、APD接收光能量大小的限制問題、高精度測量時的光路等程設(shè)計等。
目前在這一領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)是把回收的光由一片透鏡匯聚耦合入光纖，由光纖傳輸?shù)揭欢ǖ木嚯x后再耦合出來，經(jīng)過一個小的透鏡匯聚到APD。采用光纖傳輸?shù)暮锰幨?，可使APD的設(shè)置位置具有較大的自由度，同時可以適用于近距離的激光測距，在這個近距離的光回收問題上，美國專利第5,949,531號提出了幾個不同的方案，如圖1至圖4所示。圖1是由電動機11帶動凸輪12推動彈片13來改變接收光纖14的位置，再將光能傳輸?shù)紸PD 15上，以實現(xiàn)近距離反射光線的接收；圖2的方案采用了反射鏡21，將較近目標(biāo)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；圖3在測量近處目標(biāo)的情況下用了一塊三角棱鏡31偏折入射角度過大的光線，但此三角棱鏡31對部分遠(yuǎn)處目標(biāo)的反射光線也會產(chǎn)生偏折而使得接收光纖14接收不到足夠的光能量，因此在測量較遠(yuǎn)物體時需去除此組件；圖4采用了衍射組件41，這種組件可以很好地處理各種入射角的光線，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。
這些已知的設(shè)計方案雖然可在某種程度上應(yīng)用于實際的環(huán)境，但事實上卻沒有考慮發(fā)射與反射光線的效率比值問題，也未考量等光程問題，所以信號的精確度無法提升。其次，部分的方案需要有電動機帶動，或是測量遠(yuǎn)近不同距離時需將特定組件插入、拔出于光回路中，這些額外的機構(gòu)與構(gòu)件將給系統(tǒng)增加不穩(wěn)定因素而使系統(tǒng)的可靠度降低，同時也會使系統(tǒng)的制造成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，能夠在無人為合作目標(biāo)的條件下，特別是在近距離測距的情況下，APD在整個激光測距儀的測量范圍內(nèi)均能獲得光信號，且光信號的能量滿足APD的受光范圍需求；并符合等光程的要求，使經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的載波信號更易判斷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、置于激光發(fā)射器之前的發(fā)射透鏡組、匯聚反射光線至光接收器件的非球面透鏡以及光接收器件，在非球面透鏡和光接收器件之間還包括有多邊形棱鏡，非球面透鏡在發(fā)射光線透射的位置處留有一缺口以便發(fā)射光束通過。
進(jìn)一步的，所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)中，多邊形棱鏡可以是由兩片棱鏡膠合而成，而且兩片棱鏡結(jié)合角度及位置以可以充分匯聚透過非球面透鏡的光線至光接收器件為準(zhǔn)。且所述的多邊形棱鏡的兩片棱鏡可采用不同的材質(zhì)，而該等材質(zhì)的選用及個別鏡體的外形、尺寸應(yīng)當(dāng)使透過兩者的光線光程相等。
另一方面，所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)中，該多邊形棱鏡也可以是由單一的導(dǎo)光素材一體制成的。同樣的，在這種實施例中，該多邊形棱鏡的設(shè)置位置同樣必須配合測距儀的量程，使能接收全量程內(nèi)的反射信號，并且滿足等光程要件。
本發(fā)明光能利用率高，避免了發(fā)射和接收光束之間的干涉，接收光線具有等光程性，實現(xiàn)光信號載波頻率的一致性。并且利用棱鏡對光線的偏折作用，可以同時實現(xiàn)近距離與遠(yuǎn)距離測量光線的接收；獲得信號的信噪比高，有利于提高系統(tǒng)的測量精度和準(zhǔn)確度，且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要優(yōu)點有以下幾項1.采用多邊形棱鏡補償相位差和改變光路，可同時實現(xiàn)對近距離及遠(yuǎn)距離的測量，并提高信噪比；2.利用多邊形棱鏡充分折射光線，實現(xiàn)整個測量范圍內(nèi)的能量一致性，充分利用光能量；3.無過多的附加結(jié)構(gòu)，降低成本；4.本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、零件簡化、無活動組件，便于量產(chǎn)且操作的可靠度及耐用性高；5.設(shè)計中已經(jīng)考慮到能量的利用率，在激光發(fā)射器、APD的選擇上可以有較大的彈性，故能降低制造成本。
以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1為采用光纖的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖2為采用反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖3為采用三角棱鏡的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖4為采用衍射組件的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖5為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
圖6為本發(fā)明的多邊形棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明測量較遠(yuǎn)距離目標(biāo)時的光路圖。
圖8為本發(fā)明測量較近距離目標(biāo)時的光路圖。
具體實施例方式
有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明及技術(shù)內(nèi)容，現(xiàn)就結(jié)合

如下首先參閱圖5，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)由五個部分組成，非球面透鏡1、多邊形棱鏡2、光接收器件(APD)3、發(fā)射透鏡組4和激光發(fā)射器(LD)5。在這套系統(tǒng)中激光發(fā)射器5是一個光源，由其產(chǎn)生并發(fā)射光脈沖。發(fā)射光線經(jīng)位于激光發(fā)射器5之前的發(fā)射透鏡組4匯聚后發(fā)射到測量目標(biāo)物上。在條件許可的情況下，該目標(biāo)物可以是放在測量目標(biāo)距離位置上的一個人為的合作目標(biāo)，如測距標(biāo)桿，這種人為合作目標(biāo)可以較好地反射激光光線，使得光接收器件3產(chǎn)生具有較高信噪比的電信號，進(jìn)而正確地實施測距；但在某些情況下，并沒有這樣的人為配合條件，這時激光光束將在自然目標(biāo)物上產(chǎn)生漫射及反射，以各種角度反射回來的光線經(jīng)非球面透鏡1匯聚，再經(jīng)過多邊形棱鏡2產(chǎn)生折射。在實施遠(yuǎn)距離測量時，非球面透鏡1匯聚的平行反射光線將不發(fā)生大角度折射而通過多邊性棱鏡2，并入射到光接收器件3上。同時，考慮到激光發(fā)射器5發(fā)射和光接收器件3接收的干涉問題，本系統(tǒng)非球面透鏡1在發(fā)射光束通過非球面透鏡1的位置處留有一缺口(亦可為一個孔11)，避免了發(fā)射和接收光束之間的干涉。
請參閱圖6，這是多邊形棱鏡2的結(jié)構(gòu)示意圖。多邊形棱鏡2可以是一體成型的，例如由玻璃材料中一體切割所需的形狀，該多邊形棱鏡2可以再區(qū)分為如圖6所示的第一棱鏡2a和第二棱鏡2b。在某些實施例中也可以是由兩塊棱鏡膠合而成。在一個較佳實施例中，第一棱鏡2a是設(shè)置在非球面透鏡1的中心線上，使得由遠(yuǎn)距離目標(biāo)反射回來的與發(fā)射光幾乎平行的反射光束，可經(jīng)過非球面透鏡1匯聚后直接透過第一棱鏡2a被光接收器件3所接收。而第二棱鏡2b與第一棱鏡2a呈一定角度設(shè)置，使其在量測近距離目標(biāo)時，將呈大角度反射而經(jīng)非球面透鏡1匯聚至偏離非球面透鏡中心延線上的光束折射到光接收器件3上。這樣的多邊形棱鏡設(shè)計使得光接收器件3能夠在測量遠(yuǎn)距離及近距離時均能接收到足夠多的反射光線，以提高其電信號的信噪比。第一棱鏡2a和第二棱鏡2b的擺放位置與彼此間的較佳角度范圍可以根據(jù)測距儀的量程而計算出來。利用多邊形棱鏡2的位置及尺寸控制使近距離光焦點偏移經(jīng)由光的折射特性而得到修正，使系統(tǒng)實現(xiàn)了近距離測量的可能性，并且使在激光測距儀在整個量程內(nèi)，光接收器件3所接收的信號能量差值不至于過大，降低了后期電路對信號處理的復(fù)雜性與困難度。
由于近距離測量時的大角度入射的反射光線之間存在光程差，同一個時間點發(fā)射的光波的不同相位會在不同時間為APD所接收，所以會造成信號的錯亂與處理的困難。又因為光在某些材質(zhì)中行進(jìn)的速度比在空氣中要慢許多，所以其光程可以相當(dāng)于在空氣傳輸中的數(shù)倍以上。所以在本發(fā)明中選用這些材質(zhì)(在一個較佳的實施例中是選用玻璃)制作多邊形棱鏡2，并使在空氣中傳輸光程較遠(yuǎn)的光線在棱鏡中經(jīng)過的光路較短，而在空氣中傳輸光程較近的光線在棱鏡中經(jīng)過的光路較長，這樣就可以通過計算或?qū)嶒瀬磉x擇第二棱鏡2b的形狀、材質(zhì)與尺寸，使其對透過第二棱鏡2b的各種角度的入射光線產(chǎn)生相位補償?shù)淖饔茫辜す馐谕暾膫鬏斅窂缴袭a(chǎn)生實質(zhì)上相同的光程距離，最終使同一時間發(fā)射的光波的不同相位在同一時間為光接收器件3所接收。因為第二棱鏡2b滿足相互的相位補償條件，所以經(jīng)第二棱鏡2b入射的光線是等光程的，因此系統(tǒng)在整個測量范圍內(nèi)都可以保持等光程性，因而光接收器件3獲得信號的信噪比高，有利于提高系統(tǒng)的測量精度和準(zhǔn)確度。
值得注意的是，棱鏡2a、2b的位置及其光入射面及光出射面的夾角并不是絕對不變的，它的位置可以透過非球面透鏡1、多邊形棱鏡2、光接收器件3之間不同的位置組合以及改變多邊形棱鏡2之間的角度以使光接收器件3在不同的量程中為不同的激光測距儀取得較佳的光線接收效果。
請參閱圖7，在實際測量中，在測量距離較遠(yuǎn)時，反射光線幾乎平行入射，經(jīng)非球面透鏡1的匯聚，并經(jīng)過第一棱鏡2a折射后，直接聚焦到光接收器件3的接收面積上。，而圖8所顯示的則是在較近的距離測量時，反射光線以很大的傾斜角度入射，經(jīng)非球面透鏡1的匯聚，其大部分光線經(jīng)第二棱鏡2b折射后被光接收器件3接收。可以理解的是，在中等的測量距離時，光接收器件3所接收到的光束將同時由上述的兩個路徑分別傳播。
以上所介紹的，僅僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，不能以此來限定本發(fā)明實施的范圍，即本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所作的均等的變化，例如將以上實施例中的各個器件進(jìn)行組合。以及本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的改進(jìn)，都應(yīng)仍屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、置于激光發(fā)射器之前的發(fā)射透鏡組、匯聚反射光線至光接收器件的入射透鏡以及光接收器件，其特征在于所述系統(tǒng)在入射透鏡和光接收器件之間還包括有至少具有第一部分及第二部分的多邊形棱鏡，其中光束在穿透該第一及第二部分時會產(chǎn)生不同角度的折射。
2.如權(quán)利要求1所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡是一體成型的。
3.如權(quán)利要求1所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡由兩片棱鏡結(jié)合而成。
4.如權(quán)利要求3所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的兩片棱鏡結(jié)合角度及位置以充分匯聚透過入射透鏡的光線至光接收器件為準(zhǔn)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的入射透鏡是一個非球面透鏡，可以匯聚反射光束并將該光束聚焦于透鏡一側(cè)的某一焦點上。
6.如權(quán)利要求2或3所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的第二部分對光線產(chǎn)生的折射角度比第一部分產(chǎn)生的折射角度大。
7.如權(quán)利要求6所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的第一部分鏡體的光入射面與光出射面為一種平行的關(guān)系。
8.如權(quán)利要求7所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的第二部分鏡體的光入射面與光出射面為一種非平行的關(guān)系。
9.如權(quán)利要求8所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的第二部分鏡體在遠(yuǎn)離該多邊形棱鏡的第一部分的一端具有較小的鏡體厚度。
10.如權(quán)利要求9所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的形狀和材料能夠配合該激光測距儀的量程，而使不同測量距離的測量光束分別符合等光程性。
11.如權(quán)利要求9所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的多邊形棱鏡的第二部分的形狀為梯形。
12.如權(quán)利要求11所述的激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的入射透鏡在發(fā)射光束透射的位置留有一孔或缺口，以利光束通過。
13.一種光信號接收及處理系統(tǒng)，至少包含光接收器件，具有受光表面用以感測投射與該表面的光信號，并根據(jù)光信號的品質(zhì)產(chǎn)生對應(yīng)的電信號；光程補償元件，具有第一及第二光程補償單元，該等第一及第二光補償單元分別具有光入射面及光出射面，其中第一光補償單元的光入射面與光出射面之間的夾角不同于第二光補償單元的光入射面與光出射面之間的夾角。
14.如權(quán)利要求13所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于所述的光信號接收及處理系統(tǒng)進(jìn)一步包括光入射透鏡，用以匯聚入射光束以投射到所述的光補償元件上。
15.如權(quán)利要求14所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該光入射透鏡是一個非球面透鏡。
16.如權(quán)利要求14或15所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該入射透鏡可以將來自不同角度的入射光束的主要部分分別匯聚到所述的光程補償元件的不同光程補償單元上。
17.如權(quán)利要求13所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該光程補償元件為一多邊形棱鏡，且其中的第一光程補償單元的光入射面與光出射面之間平行間隔第一特定距離。
18.如權(quán)利要求17所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該光程補償元件的第二光程補償單元具有臨近第一光程補償單元的第一邊及遠(yuǎn)離第一光程補償單元的第二邊，其中第一邊的長度等于該多邊形棱鏡的第一特定距離，并且大于第二邊的長度。
19.如權(quán)利要求18所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該光補償元件的第一及第二光程補償單元是由不同的棱鏡膠合而成的。
20.如權(quán)利要求18所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該光程補償元件的第一及第二光程補償單元是由同一個導(dǎo)光材料一體成型的。
21.如權(quán)利要求19或20所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該光程補償元件是由玻璃構(gòu)成的。
22.如權(quán)利要求13或14所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于所述的光信號接收及處理系統(tǒng)可進(jìn)一步配合光信號的發(fā)射系統(tǒng)，以構(gòu)成一個測距儀的光學(xué)系統(tǒng)。
23.如權(quán)利要求22所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)所配合的光信號發(fā)射系統(tǒng)可以發(fā)出激光光波。
24.如權(quán)利要求23所述的光信號接收及處理系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)中的光接收器件是一個雪崩二極管。
全文摘要
一種激光測距儀的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、置于激光發(fā)射器之前的發(fā)射透鏡組、匯聚反射光線至光接收器件的非球面透鏡以及光接收器件，在非球面透鏡和光接收器件之間還包括有多邊形棱鏡，非球面透鏡在發(fā)射光線透射的位置處留有缺口以便發(fā)射光束通過。本發(fā)明光能利用率高，避免了發(fā)射和接收光束之間的干涉，接收光線具有等光程性，獲得信號的信噪比高，有利于提高系統(tǒng)的測量精度和準(zhǔn)確度，且結(jié)構(gòu)簡單提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號G01S17/08GK1677126SQ20041003422
公開日2005年10月5日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月1日
發(fā)明者劉華唐, 陳慧卿, 陳海華 申請人:亞洲光學(xué)股份有限公司