本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)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(cè)距儀和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

激光測(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)量信號(hào)信噪比低，而且對(duì)近距離測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量都存在較大的測(cè)量困難。

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(dá)到檢測(cè)器用于檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)在同一光路中實(shí)現(xiàn)激光的發(fā)射和接收。半透/半反分光法簡(jiǎn)單可靠、使用方便，在儀器制造和實(shí)驗(yàn)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(qiáng)反射物體的測(cè)距。

另一種為挖孔法。該方法使激光束通過挖孔分光片的一個(gè)小孔耦合到測(cè)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(cè)器，挖孔法原理簡(jiǎn)單，耦合分光的效率也比較高，整個(gè)耦合分光光路中只需要一塊挖孔鏡，沒有可動(dòng)部分，性能穩(wěn)定,是一種簡(jiǎn)單可靠的共軸方法，在很多測(cè)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(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，需要盡量增大分光片上的開口，但這樣會(huì)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(cè)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(shí)，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(cè)，容易形成測(cè)量盲點(diǎn)。

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(jìn)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(yàn)閜的偏振光，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(shí)現(xiàn)高效的耦合分光。這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(cè)量很容易受到干擾。

US20100321669公開了一種采用簡(jiǎn)單的挖孔方式實(shí)現(xiàn)共軸激光測(cè)距激光測(cè)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(cè)器上進(jìn)行檢測(cè)。這種方式簡(jiǎn)單、制造成本低。但是這種方式在激光測(cè)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(kuò)散，該專利為了使透鏡輸出的激光很細(xì)，必須使分光片(片)上的孔很小，同時(shí)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(yuǎn)處物體和光反射很弱的物體測(cè)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(duì)遠(yuǎn)處物體或反射性能差的物體進(jìn)行檢測(cè)，另外，由于挖空處在測(cè)量系統(tǒng)的光軸上，對(duì)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(cè)器的光很少，造成對(duì)這種物體的檢測(cè)困難。

在光學(xué)系統(tǒng)中，為了避免分光系統(tǒng)的引入產(chǎn)生光學(xué)系統(tǒng)像差，一般都使分光棱鏡的光輸入面與輸出面全部垂直于光學(xué)系統(tǒng)的光軸，而對(duì)分光板分光(包括半透半反和偏振分光)，為了避免引入像散和其他像差，一般都將分光板放置在平行光路中，這不但使光學(xué)系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且限制了分光板在光學(xué)系統(tǒng)的使用。

在非平行光路中引入分光板，將產(chǎn)生附加的像差，影響系統(tǒng)性能，這些像差中影響系統(tǒng)性能最大的是像散。在美國(guó)專利申請(qǐng)20100321669和中國(guó)發(fā)明CN102798848A中，由于透過光是一個(gè)空氣孔，相當(dāng)于是一個(gè)反射鏡，因此不會(huì)引起分光板分光光路中的附加相差。

另外，在這種測(cè)距儀中，發(fā)射激光的激光器一般都采用半導(dǎo)體激光器，由于這種激光器的發(fā)光原理限制，使得這種激光器本身就具有固有像散，這也是這種測(cè)距儀難以測(cè)量遠(yuǎn)處物體的重要原因。采用棱鏡分光或挖孔分光，使發(fā)光二極管的像散消除，但在光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)非平行光路，由于分光板傾斜設(shè)置進(jìn)行分光，入射光透過分光鏡/分光片，反射光經(jīng)分光鏡/分光板反射至接收靶。光源的本征像散和分光板的像散都存在，嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)性能。

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(hào)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(hào)光，全反區(qū)全反信號(hào)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?hào)光均勻處理方式。在很多情況，由于目標(biāo)的多樣性，照明光和信號(hào)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(diǎn)，但它照明區(qū)的二值性使得該方法對(duì)很多檢測(cè)難以達(dá)到理想的效果。為了彌補(bǔ)半透/半反和偏振分光在檢測(cè)中的問題，有必要在設(shè)計(jì)分光光路上，將它們的分光方式與照明光和檢測(cè)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)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(shí)，能夠減少反射光的流失，使檢測(cè)或觀察結(jié)果更準(zhǔn)確。

為實(shí)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：

一種分光片，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?yàn)榉瓷鋮^(qū)，所述第二區(qū)域?yàn)榘胪赴敕磪^(qū)或偏振分光區(qū)，在使用時(shí)，通過光束源發(fā)出的光束經(jīng)第二區(qū)域照射至目標(biāo)物，目標(biāo)物的反射光經(jīng)第二區(qū)域和第一區(qū)域反射。

該分光片應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，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(biāo)物，目標(biāo)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。

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0.2-9。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(duì)于中央外圍的區(qū)域。

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。

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。

本發(fā)明同時(shí)提供一種激光共軸測(cè)距儀，包括所述的分光片，還包括光束源、第一透鏡和檢測(cè)器，所述第一透鏡位于分光片與目標(biāo)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(biāo)物，目標(biāo)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(cè)器。

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(biāo)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(cè)器上，而減少反射光的流失，使結(jié)果更準(zhǔn)確。該測(cè)距儀不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一般物體的共軸測(cè)量，也對(duì)遠(yuǎn)處物體、弱反射和鏡面物體實(shí)現(xiàn)共軸測(cè)量。

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。

作為優(yōu)選：所述第一透鏡為透鏡，第二透鏡為準(zhǔn)直透鏡。

作為優(yōu)選：所述分光片相對(duì)于光軸傾斜設(shè)置，光軸為光束的中心線。

作為優(yōu)選：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。為了充分利用光能量，減小分光片尺寸，所述橢圓分光片的橢圓中心可以偏離于入射光軸。

作為優(yōu)選：所述光束源的入射光軸與第一透鏡的光軸平行，所述分光片傾斜設(shè)置，分光片的像散與光束源的本征像散部分抵消或全部抵消，且光束源被配置為入射光軸相對(duì)于第一透鏡的光軸沿靠近分光片法線的一側(cè)偏移，使得入射光穿過分光片后向第一透鏡的光軸靠攏或與第一透鏡光軸重合。

由于光束源為具有像散的發(fā)光器，如半導(dǎo)體激光器本身就具有固有像散，讓分光片產(chǎn)生的像散和半導(dǎo)體激光器的像散互相抵消，從而使得激光通過準(zhǔn)直/接收第一透鏡后，得到很好的平行光，并且通過調(diào)整光束源相對(duì)于第一透鏡的安裝位置，使平行光的光軸盡量向第一透鏡的光軸靠攏，從而使這種激光測(cè)距儀得到很好的性能。

所述分光片的像散與光束源的像散相等，正負(fù)抵消，分光片的像散l與分光片的傾斜角度I、折射率n和厚度t滿足如下關(guān)系：

$l=\frac{t}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}I}}\×\[\frac{n^2{\cos }^{2}I}{n^2-{\sin }^{2}I}-1\].$

從該關(guān)系可看出，在材料一定的情況下，即折射率不變，如果選擇適當(dāng)?shù)暮穸然騼A角，使分光片的像散等于激光二極管的固有像散，并使激光二極管的快軸處在子午面內(nèi)，而慢軸在弧矢面內(nèi)，則這個(gè)系統(tǒng)的像散將為0，這樣可以得到很平行的照明光，從而得到高性能的激光測(cè)距系統(tǒng)。

可以通過改變分光片的折射率、傾角(入射角)、厚度等參數(shù)，來匹配光束源的本征像散，使其與光束源的本征像散相等并抵消。

所述光束源的快軸位于子午面內(nèi)，慢軸位于弧矢面內(nèi)，所述光束源的入射光軸相對(duì)于第一透鏡的光軸在子午面內(nèi)偏移；所述光束源的入射光軸相對(duì)于第一透鏡的光軸的偏移距離為D，D與分光片的傾斜角度I、折射率n和厚度t滿足如下關(guān)系：

$D=t\sin I\left(1-\sqrt{\frac{1-{\sin }^{2}I}{n^2-{\sin }^{2}I}}\right).$

由于可采用改變傾角的方法，當(dāng)分光片與光軸的夾角不是45度時(shí)，物體散射光的軸線經(jīng)分光片反射后不再與第一透鏡光軸垂直，為了得到更好的效果，不但接收靶的位置應(yīng)在焦點(diǎn)處，而且接收靶面應(yīng)與散射光的反射光軸垂直，即檢測(cè)器的靶面與分光片反射后的反射光軸垂直。

通過改變分光片的各項(xiàng)參數(shù)，使分光片產(chǎn)生的像散和半導(dǎo)體激光器的像散互相抵消，通過調(diào)整光束源與第一透鏡光軸的布置位置，使入射光穿過分光片后向第一透鏡的光軸靠攏或與第一透鏡光軸重合，從而使得激光通過第一透鏡后，得到很好的平行光，提高了激光測(cè)距系統(tǒng)的性能，并且能夠通過改變分光片的各個(gè)參數(shù)來適應(yīng)光束源的像散以及決定入射光軸相對(duì)于第一透鏡光軸的偏移距離，使其制造更容易。

本發(fā)明同時(shí)提供一種分光片在光學(xué)測(cè)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(biāo)物，目標(biāo)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(cè)量位置或觀察位置。其中最主要的是分光片在測(cè)量、觀察系統(tǒng)中應(yīng)用。

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(cè)距，不但克服了非共軸系統(tǒng)測(cè)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(duì)于目前的共軸測(cè)距系統(tǒng)，它也具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造成本低、檢測(cè)信噪比高、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還克服了目前共軸激光測(cè)距中存在的物體返回激光泄露造成檢測(cè)盲點(diǎn)的問題。對(duì)同類的共軸系統(tǒng)測(cè)距，可檢測(cè)更遠(yuǎn)處距離的物體。對(duì)弱反射和鏡面物體也能進(jìn)行測(cè)量。這種分光片不但可以用于激光測(cè)距，也可用于落射照明顯微鏡、激光形貌檢測(cè)系統(tǒng)、受激raman光譜測(cè)量等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中分光片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中分光片的剖視示意圖；

圖3為圖1中分光片另一種結(jié)構(gòu)的剖視圖；

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。

圖7為本發(fā)明激光共軸測(cè)距儀實(shí)施例2的檢測(cè)光路原理圖；

圖8為本發(fā)明激光共軸測(cè)距儀實(shí)施例3的檢測(cè)光路原理圖；

圖9為本發(fā)明激光共軸測(cè)距儀實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明激光共軸測(cè)距儀實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明激光共軸測(cè)距儀實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。

零件標(biāo)號(hào)說明

1 激光器

2 第二透鏡

3 分光片

31 分光片本體

32 全反膜

33 分光膜

34 光學(xué)玻璃

35 反光材料

4 第一透鏡

5 檢測(cè)器

6 待測(cè)物體

7 小孔光欄

O1 第一透鏡的光軸

O2 入射光軸

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)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(diǎn)及功效。

實(shí)施例1

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(shí)，通過光束源(也稱光源)發(fā)出的光束經(jīng)第二區(qū)域照射至目標(biāo)物，目標(biāo)物的反射光經(jīng)第二區(qū)域A和第一區(qū)域B反射。

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；此處的中部表示分光片本體31的中央，外部表示分光片本體31上相對(duì)于中央外圍的區(qū)域。

一般情況，信號(hào)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(jì)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(hào)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(cè)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(hào)光全部反射到探測(cè)光路中，從而實(shí)現(xiàn)光束分光。對(duì)偏振分光，由于是通過旋轉(zhuǎn)偏振方向分別實(shí)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(duì)于半透/半反分光法，由于A區(qū)既要使光源的透過區(qū)，也是信號(hào)光的反射區(qū)，為了使光源發(fā)出的光有效的照明物體，一般該區(qū)的透過率要求高一些，而由于B區(qū)對(duì)信號(hào)光全反射，所以A區(qū)的反射可以低一些，該區(qū)的透射率/反射率分光比一般設(shè)計(jì)為大于1。

這種分光片的制作即可制造在平板上，也可以制造在膠合棱鏡的膠合面上，其制造方法類似于相襯顯微鏡的相襯板的制造方法，比如，先在板上制造半透半反分光膜，然后，在用掩膜遮擋A區(qū)，在蒸鍍?nèi)瓷淠?，由于，A區(qū)被遮擋，所以，B區(qū)就是全反區(qū)。這里只是一個(gè)例子，分光片也可采取其他方法制造。

進(jìn)一步如圖2所示，分光片基材31可使用為光學(xué)玻璃或其他透明材料如透明塑料，在光學(xué)玻璃的中部區(qū)域覆蓋有分光膜33，分光膜為半透半反膜或者偏振分光膜，從而形成可以透光和反射的第二區(qū)域A，在光學(xué)玻璃的外部區(qū)域覆蓋全反膜32從而形成全反射的第一區(qū)域B；當(dāng)然如圖3所示，第一區(qū)域B仍然采用光學(xué)玻璃34上鍍分光膜33的方式，第二區(qū)域A采用不透明且表面光潔度較好的反射材料35，如鍍銀的材料或者鋼板等；也可不使用光學(xué)玻璃34或透明塑料，直接在反射材料35中部開孔，將分光膜33固定在反射材料35上，封住該孔；或者將孔設(shè)置成階梯孔，將分光膜33固定在孔的臺(tái)階上。即分光片本體31采用中間部分透明材料和外區(qū)不透明反光材料制成的結(jié)構(gòu)。其中分光片本體的材料也可以采用其他透光材質(zhì)。

如圖4所示，所述第二區(qū)域A位于分光片本體的外部，所述第一區(qū)域B位于分光片本體的中部；或如圖5和圖6所示，所述第一區(qū)域B和第二區(qū)域A分散于分光片本體上等，第一區(qū)域B與第二區(qū)域A的分布可以根據(jù)光路設(shè)置。其制作方式及結(jié)構(gòu)也可以采用圖2或圖3的方式。本例中，所述半透半反區(qū)的透射率/反射率為0.2-9均可。

本發(fā)明同時(shí)提供一種分光系統(tǒng)，該分光系統(tǒng)主要采用了具有半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))和反射區(qū)的分光片，使用時(shí)，光束經(jīng)分光片的半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))后照射至目標(biāo)物上，目標(biāo)物的反射光線部分經(jīng)反射區(qū)反射，可以反射至指定位置進(jìn)行測(cè)量或觀察等；部分的反射光線經(jīng)半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))反射至指定位置，如此即保證了發(fā)射光束的穩(wěn)定，又減少了反射光線的流失。特別是相對(duì)于挖孔法以及測(cè)鏡面物體，減少了反射光從孔部的泄露，提高了測(cè)量或者觀察結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)然根據(jù)需求，還可以在分光片前后的光軸上布置透鏡等結(jié)構(gòu)，以便對(duì)光路進(jìn)行整形。

本發(fā)明分光板較傳統(tǒng)均勻分光板的優(yōu)勢(shì)：

對(duì)于半透/半反分光鏡，由于均勻分光，在光源的有效利用率發(fā)生在分關(guān)比1:1時(shí)，這時(shí)理想的有效利用率為25％，但如果采用本發(fā)明分光片的分光方式，由于B區(qū)是全反，而很多情況下，外區(qū)的區(qū)域比半透/半反區(qū)(A區(qū))大得多，使得反射的光能量大部分分布在外區(qū)，如采用透射率/反射率為4，則一般情況下，光能利用率可達(dá)70％左右。

對(duì)均勻偏振分光，由于在分光板上，光源入射光與信號(hào)光偏振方向垂直，理想情況光能利用率可達(dá)100％，但實(shí)際上，由于傳輸通道上的透鏡作用和物體的反射，偏振方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使得實(shí)際光能利用率能達(dá)到50％就不錯(cuò)了。本發(fā)明的風(fēng)光片，由于外區(qū)大，而且反射率很高，對(duì)一般物體，采用本發(fā)明的分光片，光能利用率很容易達(dá)到80％以上。

對(duì)挖空方式分光，對(duì)散射很大的物體，由于信號(hào)光在分光板散射很開，它的光能利用率可達(dá)到70％～80％，但如果對(duì)散射不高的反射物體或?qū)庥袇R聚能力的物體，到達(dá)分光板的信號(hào)光雖然很強(qiáng)，但返回的信號(hào)光時(shí)主要分布在挖孔內(nèi)，將不會(huì)產(chǎn)生反射，光能利用率幾乎為0，所以對(duì)這種物體探測(cè)困難，而本發(fā)明的分光方式，由于采用半透/半反方式或偏振分光方式，即使在這種情況，仍然有15％左右的能量利用率。

實(shí)施例2

本例中主要以分光片在激光共軸測(cè)距儀的應(yīng)用為例進(jìn)行詳細(xì)描述，如圖7所示，一種激光共軸測(cè)距儀，包括激光器1和檢測(cè)器5，還包括沿激光器1光軸方向依次設(shè)置的第二透鏡2、分光片3和第一透鏡4，其中分光片3采用實(shí)施例1的任意一種結(jié)構(gòu)，分光片3上設(shè)有半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))和反射區(qū)，激光器1發(fā)出的光束經(jīng)第二透鏡2聚焦成細(xì)光束后，穿過半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))，經(jīng)第一透鏡4后形成平行光束照射至待測(cè)物體6，待測(cè)物體6反射光束經(jīng)第一透鏡4聚攏并由反射區(qū)反射至檢測(cè)器5進(jìn)行檢測(cè)。本例中激光器1為激光二極管，其他實(shí)施例中可以為類似激光發(fā)射裝置。第一透鏡4，第二透鏡2為準(zhǔn)直透鏡，所述分光片3相對(duì)于光軸傾斜設(shè)置。

激光器1、第二透鏡2、分光片3和透鏡4構(gòu)成發(fā)射系統(tǒng)。而待測(cè)物體6、第一透鏡4、分光片3和檢測(cè)器5構(gòu)成檢測(cè)光路接收系統(tǒng)。

為了在使接受到的物體反射光信號(hào)有較高的信噪比，分光片3的分光、反射區(qū)如圖3所示，在分光片3的反射面是實(shí)現(xiàn)激光反射光軸和接收光軸共軸的關(guān)鍵部件，為了實(shí)現(xiàn)共軸，將分光面分成半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))和反射區(qū)兩個(gè)區(qū)域，參照?qǐng)D1，在分光片3的外部區(qū)域，圖中區(qū)域B，要求將盡量多的反射光反射，因此鍍制成高反射區(qū)。分光片3的內(nèi)部區(qū)域A為半透半反區(qū)(或偏振分光區(qū))，由于分光片3是傾斜使用，它的形狀可選擇為以光軸為中心的橢圓，半透半反區(qū)的透射率/反射率比為0.2-9，為了使盡量多的激光能量透過分光片3照射物體，同時(shí)使物體反射的光能盡量多的達(dá)到檢測(cè)器5，本例中一般大于1，如7/3，甚至9/1都可。為了利用激光二極管發(fā)出的光能量，分光片3中半透半反區(qū)的大小與準(zhǔn)直透鏡出射的光束在分光片3上照射的區(qū)域匹配。

在發(fā)射系統(tǒng)中，為了充分利用激光二極管發(fā)出的光能量，同時(shí)具有較小的體積，準(zhǔn)直透鏡的焦距一般都很短，這樣從準(zhǔn)直透鏡出射的光束直徑很小，使得分光片3中半透半反區(qū)的尺度可以更小，有利于提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比。為了用準(zhǔn)直光束照明測(cè)量物體，激光二極管的發(fā)光面處在透鏡4和準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成系統(tǒng)的焦點(diǎn)附近。

為了檢測(cè)從遠(yuǎn)處物體返回的激光，接收系統(tǒng)透鏡4經(jīng)分光片3反射將光聚焦在檢測(cè)器5的靶面上，因此，檢測(cè)器5的靶面應(yīng)處在接收系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置。

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，激光二極管發(fā)出的發(fā)散激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡被壓縮到一個(gè)小角度，同時(shí)用很細(xì)的光束過分光片3的半透半反區(qū)域，使得絕大部分激光能量達(dá)到第一透鏡4后成為一根細(xì)的強(qiáng)平行光束，照射在待測(cè)物體6上，從待測(cè)物體6返回的激光經(jīng)第一透鏡4匯聚并經(jīng)分光片3反射，將物體返回的激光聚焦在檢測(cè)器5的靶面上。為了實(shí)現(xiàn)接收光路和激光發(fā)射光路共軸，分光片3采用傾斜放置，其傾斜角度一般采用45度，根據(jù)需要，也用采用其他30-60度的角度放置，只要使檢測(cè)器5的靶面處在被分光片3反射面偏折的第一透鏡4的焦點(diǎn)附近即可，通過確定接收到的返回信號(hào)與激光二極管發(fā)射的光波之間的關(guān)系(時(shí)間關(guān)系或相位關(guān)系)，就可測(cè)量出物體的距離。

實(shí)施例3

如圖8所示，本例中相對(duì)于實(shí)施例2中去掉了第二透鏡2，而激光器1發(fā)出的光通過遮擋物的小孔光欄7聚攏后射到分光片3上，該結(jié)構(gòu)同樣能夠解決檢測(cè)盲點(diǎn)的問題。其余結(jié)構(gòu)和原理均與實(shí)施例2相同。

本發(fā)明布置可用于激光相位測(cè)距儀器，也可用于激光脈沖時(shí)間測(cè)距儀器，這種共軸方式不但能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、弱反射物體的檢測(cè)，而且，有效的避免了鏡面反射物體的盲點(diǎn)問題。

本發(fā)明的分光片可以應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量和觀察領(lǐng)域，所述分光片包括半透半反區(qū)和反射區(qū)，所述光束源發(fā)出的光束經(jīng)半透半反區(qū)照射至待測(cè)物，待測(cè)物反射光經(jīng)反射區(qū)和半透半反區(qū)反射至檢測(cè)器或觀察者。可以用于光學(xué)頻譜儀、落射顯微鏡、激光打孔機(jī)等。

實(shí)施例4

如圖9所示，為了使分光片3的像散與光束源(激光器1)之間的像散部分或完全抵消，提高激光測(cè)距系統(tǒng)性能；本例中在實(shí)施例8的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，其中，光束源為半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管等，光束源的快軸位于子午面內(nèi)，慢軸位于弧矢面內(nèi)，由于分光片3傾斜設(shè)置也會(huì)產(chǎn)生像散。通過選擇分光片3的折射率n和厚度t以及分光片3的裝配角度I，使得分光片3與光束源產(chǎn)生的像散至少部分地抵消，從而提高入射光的質(zhì)量，最優(yōu)選的是分光片3與光束源的像散全部抵消。光束源的入射光軸O2與第一透鏡4的光軸O1平行，且光束源的入射光軸O2相對(duì)于第一透鏡4的光軸O1在子午面內(nèi)偏移，偏移方向?yàn)榭拷止馄?法線的一側(cè)，即在制造測(cè)距系統(tǒng)時(shí)，可先確定第一透鏡4的光軸O1位置，然后以第一透鏡4的光軸O1為參考將光束源的安裝位置沿分光片3法線所在的一方偏移，具體偏移的距離可以根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)能夠接受的精度范圍確定，使得入射光穿過分光片后盡量向第一透鏡的光軸靠攏，當(dāng)然最佳是與第一透鏡光軸重合。

采用上述結(jié)構(gòu)，由于半導(dǎo)體激光器本身就具有固有像散，讓分光片3產(chǎn)生的像散和半導(dǎo)體激光器的像散互相抵消，從而使得激光通過第一透鏡4后，得到很好的平行光，從而使這種激光測(cè)距儀得到很好的性能。

使分光片3產(chǎn)生的像散與激光二極管固有像散互相抵消的原理是，由于激光二極管的像散是由其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起，快軸由于發(fā)光區(qū)域小，發(fā)散角大，其發(fā)光位置一般處在激光輸出面上，而慢軸由于發(fā)光輸出面大發(fā)散角小，其發(fā)光位置在激光輸出面的后面，它們二者的距離差就是像散，不同廠家，不同激光器的像散值一般不同，其值一般在幾微米到幾百微米范圍，要想充分利用激光，就必須考慮像散值對(duì)測(cè)距系統(tǒng)的影響。

當(dāng)分光片3處在匯聚光束中，將使理想的匯聚光產(chǎn)生像差，雖然分光片3對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的各種像差都有影響，但對(duì)于平行薄板，主要是像散，這個(gè)像散使子午面的光線匯聚位置與弧矢面光線匯聚位置不再重合，其分離距離就是傾斜板引起的像散。

分光片3的像散大小與分光片3的厚度、傾斜角度和折射率有關(guān)，如分光片3的厚度為t，傾角為I，折射率為n，則分光片3產(chǎn)生的像散值l為：

$l=\frac{t}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}I}}\×\[\frac{n^2{\cos }^{2}I}{n^2-{\sin }^{2}I}-1\].$

因此，可以通過改變分光片3的折射率、傾角(入射角)、厚度等參數(shù)，來匹配光束源的本征像散，使分光片3的像散與光束源的本征像散相等并完全抵消；具體數(shù)值可以根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)能接受的程度存在一定偏離，如分光片3的像散抵消大部分光束源的像散也可。從該關(guān)系可看出，在材料一定的情況下，即折射率不變，如果選擇適當(dāng)?shù)暮穸然騼A角，使分光片3的像散等于激光二極管或激光器1的固有像散，并使激光二極管或激光器1的快軸處在子午面內(nèi)，即圖中紙面；而慢軸在弧矢面內(nèi)，則這個(gè)系統(tǒng)的像散將為0，這樣可以得到很平行的照明光，從而得到高性能的激光測(cè)距系統(tǒng)。

本例中，具有本征像散的激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)傾斜45度放置的厚度為t的半透半反分光后板像散被抵消，使得激光束通過第一透鏡4后形成平行光束照明物體，由于分光片3有一定厚度，為了實(shí)現(xiàn)激光二極管本征像散與傾斜45半透半反分光片3在匯聚光中產(chǎn)生出的像散抵消。激光二極管的入射光軸O2相對(duì)于第一透鏡4的光軸O1在子午面內(nèi)平移一個(gè)距離D，其距離值D與分光片3的傾斜角度I、折射率n和厚度t滿足如下關(guān)系：

$D=t\sin I\left(1-\sqrt{\frac{1-{\sin }^{2}I}{n^2-{\sin }^{2}I}}\right).$

在計(jì)算像散l和偏移距離D時(shí)，需要知道分光片的折射率n和分光片厚度t，對(duì)于單層材料，直接材料分光膜的厚度和折射率進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于多層材料，要綜合考慮分光膜33和分光片本體31基材(如光學(xué)玻璃34)的折射率，通?？刹捎萌烧咧虚g值的方式計(jì)算；分光片的厚度t，則是分光膜33和分光片本體31基材(如光學(xué)玻璃34)疊加的總厚度。

實(shí)施例5

本例中與實(shí)施例4不同之處在于，將帶小孔的遮擋物替換成了第二透鏡2，并且本例中分光片3的傾斜角度發(fā)生變化，不再是45°，這種情況下，由于改變了傾角，物體散射光的軸線經(jīng)分光片3反射后不再與第一透鏡4光軸垂直，如圖10，為了得到更好的效果，不但檢測(cè)器5的位置應(yīng)在焦點(diǎn)處，而且檢測(cè)器5靶面應(yīng)與散射光的反射光軸垂直，其余均與實(shí)施例4相同。

實(shí)施例6

如圖11所示，與實(shí)施例5不同之處在于，本例中分光片3的傾斜方向不同，實(shí)施例5中分光片3法線N位于的光軸O1上方，本例中分光片3法線N位于第一透鏡4光軸下方，對(duì)應(yīng)的光束源偏移方向和檢測(cè)器5位置發(fā)生變化。

任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。