專利名稱：激光尺光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光尺，尤其涉及一種激光尺光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
激光尺(或稱激光測距儀)是采用激光光源測量距離的重要裝置之一。常用的激光尺使用激光光源發(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(gè)光接收組件，光接收組件一般是一個(gè)崩潰光電二極管(AvalanchePhoto Diode，APD)，它將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。激光尺光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算發(fā)送脈沖和接收脈沖兩者之間的時(shí)間差的一半，再乘以光速即可獲得距離值。
但是，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)困難點(diǎn)，如近距離的光線接收問題、光接收組件接收光能量大小的限制問題、高精度測量時(shí)的光路等程設(shè)計(jì)等。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中采用激光尺進(jìn)行近距離測量的方法大致是將接收的光經(jīng)由一透鏡匯聚耦合入一光纖，由光纖傳輸?shù)揭欢ǖ木嚯x后再耦合出來，經(jīng)過一個(gè)小的透鏡匯聚到光接收組件。采用光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于，可使光接收組件的設(shè)置位置具有較大的自由度，可同時(shí)分別適用于遠(yuǎn)距離和近距離的激光測距。
如圖9至圖12所示，美國專利第5,949,531號即針對近距離測量的光接收方面提出了若干方案。如圖9所示，其采用電動(dòng)機(jī)11帶動(dòng)滾輪12推動(dòng)彈片13來改變接收光纖14的位置，再將光能傳輸?shù)焦饨邮战M件15上，以實(shí)現(xiàn)近距離反射光線的接收。圖10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(huì)造成一定程度的光線彎曲和散射。圖11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(biāo)，但此三角棱鏡31對部分遠(yuǎn)處目標(biāo)的反射光線也會(huì)產(chǎn)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(yuǎn)物體時(shí)需去除此組件。在圖12中，其采用了衍射組件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，成本經(jīng)濟(jì)效益較不理想。
同時(shí)，這些設(shè)計(jì)都未能解決遠(yuǎn)、近測量時(shí)能量的比值問題。而且，其中有的方案需要有電機(jī)帶動(dòng)(如圖9所示)，或是測量遠(yuǎn)近不同距離時(shí)需將特定組件插入、拔出于光回路中。這些額外的機(jī)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(shí)也會(huì)使系統(tǒng)的制造成本增加。而且，光纖的使用，雖然方便了機(jī)構(gòu)位置的設(shè)定，但能量必然有所損失，使整體光能的利用率下降。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其在無測量目標(biāo)物的條件下，特別是在近距離測距的情形下，實(shí)現(xiàn)光接收組件在整個(gè)激光尺的測量范圍(0.3-30米)內(nèi)均能獲得光信號，且光信號的能量滿足崩潰光電二極管的受光范圍需求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于對一待測物進(jìn)行測距的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其包括激光光源、發(fā)射端透鏡組件、接收端透鏡組件、具有反射曲面的曲面反射組件和具有光接收表面的光接收組件。其中，激光光源發(fā)出的發(fā)射光線經(jīng)過發(fā)射端透鏡組件到達(dá)待測物，經(jīng)待測物反射后的反射光線，經(jīng)由接收端透鏡組件后形成接收光線。該接收光線可部分直接入射至光接收組件的光接收表面，同時(shí)，該曲面反射組件的反射曲面能將前述接收光線中未能直接入射至光接收組件的光接收表面的剩余接收光線反射至光接收組件的光接收表面。
本發(fā)明的激光尺光學(xué)系統(tǒng)利用曲面反射組件對光線的反射作用，實(shí)現(xiàn)近距離測量光線的接收。并且，利用非球面技術(shù)加工曲面反射面組件，使得在無測量目標(biāo)物的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)光接收組件在整個(gè)激光尺的測量范圍(0.3-30米)內(nèi)均能獲得光信號，且光信號的能量可滿足光接收組件的受光范圍需求。
另外，本發(fā)明采用曲面反射組件，充分利用光能量，提高信噪比；并利用系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量范圍內(nèi)的能量一致性，無過多的附加結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本發(fā)明的激光尺光學(xué)系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單、無活動(dòng)組件、公差寬松、組件加工量產(chǎn)性高、便于量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明測量較遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)的光路圖。
圖2是本發(fā)明測量較近距離目標(biāo)時(shí)的光路圖。
圖3是圖2沿系統(tǒng)中軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的視圖。
圖4是本發(fā)明曲面反射組件第一設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明曲面反射組件第二設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
圖7是顯示在不同量測距離時(shí)反射光線的路徑變異圖。
圖8是顯示在如圖7所示的路徑變異圖中加入一曲面反射組件后對光路徑的影響。
圖9是采用光纖的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖10是采用反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖11是采用三角棱鏡的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
圖12是采用衍射組件的現(xiàn)有技術(shù)的光路圖。
具體實(shí)施方式有關(guān)本發(fā)明激光尺光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)說明及技術(shù)內(nèi)容，現(xiàn)即結(jié)合

如下請參閱圖6，本發(fā)明激光尺光學(xué)系統(tǒng)是一種用于對一待測物進(jìn)行測距的光學(xué)系統(tǒng)，其包括激光光源5、發(fā)射端透鏡組件4、接收端透鏡組件1、具有反射曲面20的曲面反射組件2和具有光接收表面30的光接收組件3。
如圖1、圖2及圖3所示，在圖1中是顯示本發(fā)明的激光尺用以量測一個(gè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)的光路圖，而圖2則顯示一個(gè)量測近距離目標(biāo)時(shí)的光路圖，圖3與圖2相似，但是顯示圖2的實(shí)施方式中沿系統(tǒng)中軸線旋轉(zhuǎn)一定角度所形成的視圖。在這些實(shí)施方式中，激光光源5發(fā)出的發(fā)射光線經(jīng)過發(fā)射端透鏡組件4到達(dá)待測物(未圖示)，經(jīng)待測物反射后的反射光線，經(jīng)由接收端透鏡組件1后形成接收光線。該接收光線可部分直接入射至光接收組件3的光接收表面30，同時(shí)，該曲面反射組件2的反射曲面20能將前述接收光線中未能直接入射至光接收組件3的光接收表面30的剩余接收光線，反射至光接收組件3的光接收表面30。
其中，該曲面反射組件2可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上的普通球面反射組件24、25(圖4)組合而成，或者由單個(gè)非球面反射組件(未圖示)構(gòu)成，也可以是自由曲面反射組件26(圖5)。
若該曲面反射組件2為一非球面反射組件，則其曲率半徑可為10～30mm，錐形(conic)系數(shù)為-50～40，四次、六次非球面系數(shù)均為0，八次非球面系數(shù)為-0.00035～0.0001，十次非球面系數(shù)為-0.00002～0.00003，且八次非球面系數(shù)和十次非球面系數(shù)不能同時(shí)大于0。
如圖6所示，該接收端透鏡組件1為一非球面透鏡。考慮到激光發(fā)射光束與和光接收組件3的干涉問題，本發(fā)明激光尺光學(xué)系統(tǒng)接收端透鏡組件1在對應(yīng)發(fā)射光線透射的位置處設(shè)有一孔或缺口11，以避免發(fā)射和接收光束之間的干涉。
如圖1所示，本發(fā)明在應(yīng)用于測量較遠(yuǎn)距離時(shí)，反射光線幾乎以平行的角度入射，經(jīng)接收端透鏡組件1的匯聚，直接聚焦到光接收組件3的光接收表面30上。當(dāng)用于測量近距離時(shí)，如圖2及圖3所示，反射光線以某一傾斜角度入射，經(jīng)接收端透鏡組件1的匯聚，其中部分光線到達(dá)曲面反射組件2，并經(jīng)過反射曲面20反射，因?yàn)榍媲史枪潭ㄖ?，使光線向幾個(gè)方向發(fā)散，其中的一部分被光接收組件3接收。測量近距離時(shí)，距離不同，光線入射到反射曲面20的角度也不同，反射方向也隨之變化。利用特殊設(shè)計(jì)的曲面，使得不同入射方向的光線反射后的方向總是涵蓋光接收組件3受光面積所處的位置，從而得以確保光線到達(dá)光接收組件3。
本發(fā)明針對的待測物可以是人為設(shè)置的待測目標(biāo)物，或者也可以是一自然目標(biāo)物。本發(fā)明的光接收系統(tǒng)針對于測量反射面為自然物的反射面的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)無目標(biāo)物的激光測距。
該光接收組件3可以是一個(gè)崩潰二極管。本發(fā)明激光尺光學(xué)系統(tǒng)利用光接收組件3的接收面積和近距離光焦點(diǎn)偏移的特性，可實(shí)現(xiàn)近距離測量時(shí)對光線的選擇。使在整個(gè)量程內(nèi)，光接收組件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的處理的困難度。
該曲面反射組件2可以放置在如圖1、圖2所示的位置，也可以放置在接收端透鏡組件1的附近，或是這兩個(gè)位置之間的任一特定位置，這主要取決于曲面的設(shè)計(jì)。至于該曲面反射組件2設(shè)于接收端透鏡組件1和光接收組件3之間的具體位置，則是可以通過計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)控制獲得。
再如圖7所示，本發(fā)明激光尺光學(xué)系統(tǒng)在測量近距離時(shí)，因被待測物反射過來的反射光線的信號光斑偏離接收端透鏡組件1(非球面鏡)的光軸，而無法到達(dá)光接收組件3的光接收表面30。隨著距離越來越近，光線經(jīng)接收端透鏡組件1(非球面鏡)后的匯聚點(diǎn)也越來越偏離非球面鏡的光軸。
而如圖8所示，由于光線經(jīng)接收端透鏡組件1后的偏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范圍內(nèi)，可以取中間值的角度，即如圖8中的深色直線所代表的光線。為使沿該角度的光線能夠到達(dá)光接收組件3的光接收表面30，我們將曲面反射組件2放置在該光線經(jīng)過的光路上，并假設(shè)其反射曲面20凹處的切線為一平面鏡，如圖8的淺色虛線(切線)所示，從而得以確定曲面反射組件2的位置。
因曲面反射組件2的反射曲面20的特殊性，使得偏折角度不同的光線均可經(jīng)反射曲面20的某一小塊區(qū)域反射到達(dá)光接收組件3的光接收表面30，從而實(shí)現(xiàn)了近距離的測量。
因此，本發(fā)明的激光尺光學(xué)系統(tǒng)利用曲面反射組件2對光線的反射作用，實(shí)現(xiàn)近距離測量光線的接收。并且，利用非球面技術(shù)加工曲面反射面組件，使得在無測量目標(biāo)物的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)光接收組件在整個(gè)激光尺的測量范圍(0.3-30米)內(nèi)均能獲得光信號，且光信號的能量可滿足光接收組件的受光范圍需求。
本發(fā)明可使得由激光光源5所在的發(fā)射端發(fā)出的發(fā)射光線經(jīng)接收端透鏡組件1的匯聚后，直接入射到光接收組件3上，或再經(jīng)過曲面反射組件2入射到光接收組件3上，光能利用率明顯的比前述現(xiàn)有技術(shù)中所揭示的來得高。
另外，本發(fā)明激光尺光學(xué)系統(tǒng)采用曲面反射組件2，能充分利用光能量，提高信噪比；并利用系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量范圍內(nèi)的能量一致性，無過多的附加結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本發(fā)明的激光尺系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單、無活動(dòng)組件、公差寬松、組件加工量產(chǎn)性高、便于量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種激光尺光學(xué)系統(tǒng)，可以對待測物進(jìn)行測距；其特征在于其包括激光光源、發(fā)射端透鏡組件、接收端透鏡組件、具有反射曲面的曲面反射組件和具有光接收表面的光接收組件；光源發(fā)出的發(fā)射光線經(jīng)過發(fā)射端透鏡組件到達(dá)待測物，經(jīng)待測物反射后的反射光線，經(jīng)由接收端透鏡組件后形成接收光線，該曲面反射組件的反射曲面能將前述接收光線中未能直接入射至光接收組件的光接收表面的部份接收光線反射至光接收組件的光接收表面。
2.如權(quán)利要求1所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該曲面反射組件可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上的普通球面反射組件組合而成。
3.如權(quán)利要求1所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該曲面反射組件可以由單個(gè)非球面反射組件構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該非球面反射組件的曲率半徑為10～30mm，錐形系數(shù)為-50～40，四次、六次非球面系數(shù)均為0，八次非球面系數(shù)為-0.00035～0.0001，十次非球面系數(shù)為-0.00002～0.00003，且八次非球面系數(shù)和十次非球面系數(shù)不能同時(shí)大于0。
5.如權(quán)利要求1所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該曲面反射組件可以是自由曲面反射組件。
6.如權(quán)利要求1或2或3或5所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該曲面反射組件設(shè)于接收端透鏡組件和光接收組件之間，其具體位置可以通過計(jì)算機(jī)控制仿真而獲得。
7.如權(quán)利要求6所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該接收端透鏡組件為一非球面透鏡。
8.如權(quán)利要求7所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該接收端透鏡組件在對應(yīng)發(fā)射光線透射的位置處設(shè)有一孔或缺口，以避免發(fā)射光線和接收光線之間產(chǎn)生干涉。
9.如權(quán)利要求8所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該光接收組件可以是一個(gè)崩潰二極管。
10.如權(quán)利要求1所述的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該曲面反射組件不可運(yùn)動(dòng)地與光接收組件之間的保持既定距離。
全文摘要
一種用于對待測物進(jìn)行測距的激光尺光學(xué)系統(tǒng)，包括激光光源、發(fā)射端透鏡組件、接收端透鏡組件、具有反射曲面的曲面反射組件和具有光接收表面的光接收組件。其中，激光光源發(fā)出的發(fā)射光線經(jīng)過發(fā)射端透鏡組件到達(dá)待測物，經(jīng)待測物反射后的反射光線，經(jīng)由接收端透鏡組件后形成接收光線。該接收光線可部分直接入射至光接收組件的光接收表面，同時(shí)，該曲面反射組件的反射曲面能將前述接收光線中未能直接入射至光接收組件的光接收表面的剩余接收光線反射至光接收組件的光接收表面。
文檔編號G01S17/00GK1912648SQ20051009122
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月10日
發(fā)明者陳慧卿, 陳海華 申請人:亞洲光學(xué)股份有限公司