專利名稱：光學測距系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學系統(tǒng)，尤其涉及光學測距系統(tǒng)。
背景技術：
絕大多數(shù)光學系統(tǒng)都采用光學透鏡來收集光信號，激光測距儀也采用光學(聚焦)透鏡來接收回到儀器表面的光信號；因此，光學透鏡的好壞決定了系統(tǒng)的性能。光學透鏡從材料上可以分為玻璃透鏡和塑料透鏡兩大類玻璃透鏡的光學均勻性好，機械強度高，比較適合加工和研磨；塑料透鏡價格便宜，可以模壓成型。對于實際使用中的平凸球面透鏡來說，一般有以下幾個參數(shù)要考慮，如圖1所示的實際透鏡的幾個主要參數(shù)中心厚度(central thinkness，簡稱CT) 102 透鏡平面到球面頂點的距離外徑(outer diameter,簡稱0D) 104 透鏡的實際半徑通光孔徑(clear aperature,簡稱CA) 106 只有進入孔徑才能被會聚到焦點工作距離(working distance，簡稱WD) Ll 透鏡平面到焦點的距離有效焦距(effective focus distance，簡稱EFL) L2 球面頂點道焦點的距離曲率半徑(radius，簡稱R) 108 球面曲率的倒數(shù)下面的說明涉及通光孔徑、曲率半徑、焦距和系統(tǒng)腔長的關系；簡單來說，較大的通光孔徑需要較大的曲率半徑，曲率半徑和焦距成正比，焦距的長短決定了光學系統(tǒng)的腔長。[0012]由于制造工藝、制造水平的限制，實際的光學系統(tǒng)都不是理想的光學系統(tǒng)，即有像差的存在。像差指的是在光學系統(tǒng)中由透鏡材料的特性和透鏡表面的幾何形狀引起的實際與理想的成像偏差。對于常見的球面聚焦透鏡，系統(tǒng)像差主要是指所有進入接收透鏡的光不會聚焦到一個點上。圖2示出了實際光學透鏡的聚焦效果。從上圖可以看出，在透鏡邊緣的光線202和透鏡中心的光線200在光軸204上的聚焦點不是一個，存在著偏差；當接收光信號的探測器的表面較小時(對于一般的半導體探測器，光敏面在mm2量級)，透鏡邊緣的光信號不能到達探測器表面，因此將損失者一部分光能量。減少像差的方法可以采用多個球面透鏡的組合(類似于采用三透鏡或五透鏡成像的顯微鏡等)，但是通過過多的透鏡將產(chǎn)生損耗，減少到達探測器的光能量。因此，現(xiàn)有技術采用非球面透鏡來減少像差，圖3給出了實際中非球面鏡的聚焦效果由于到達非球面鏡302表面的光都被會聚到近似一個點300上，非球面鏡產(chǎn)生的
像差將會非常小。對于遠距離收光是測量物體離激光測距儀透鏡距離較遠時，到達透鏡表面的光可以認為是平行光，針對理想光學透鏡，平行光會被會聚焦焦點上；而對于近距離收光，到達透鏡的光不再是平行光，而是有一定的入射角度，這時進入透鏡的光將不會被聚焦到焦點上。[0017]現(xiàn)有技術中，激光測距儀采用的是玻璃透鏡與濾光膜及兩個光楔組合而成的光學補償裝置，濾光膜鍍在透鏡之上，透鏡內(nèi)表面上粘貼有兩個直徑為5mm光楔，用于接收近距離的光信號，整個光學系統(tǒng)腔長為35mm。由于透鏡收光孔徑不是很大，而在較遠距離QOm 以上)測量時，反射到激光測距儀儀器表面的激光光斑將大于這個孔徑，即有一部分能量沒有進入透鏡從而被光電探測器接收，導致光能量的損失。此外，由于光楔只是對近距離收光有用，對于遠距離收光，到達光楔的激光將不會落到探測器表面，這也將會損失一部分信號。此外，由于光楔和透鏡不是一個整體，通過兩者的表面是會產(chǎn)生一定的損耗。且結構復雜，制造成本及維護成本均較高。為了解決上述問題，需要一種結構簡單的光學測距系統(tǒng)。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題在于，提供一種結構簡單的光學測距系統(tǒng)。有鑒于此，本實用新型提供了一種光學測距系統(tǒng)，包括發(fā)光裝置，發(fā)射測距光線到被測物；非球面光學補償裝置，所述非球面光學補償裝置將從所述被測物反射的光線聚集到光探測器；以及所述光探測器，接收來自所述非球面光學補償裝置的光線。通過上述技術方案，能夠實現(xiàn)結構簡單的光學測距系統(tǒng)。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置為整體非球面透鏡。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述整體非球面透鏡的邊緣部分的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置為半個非球面透鏡。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置設置在靠近所述半個非球面透鏡光軸的一側，也就是，所述發(fā)光裝置到所述半個非球面透鏡光軸的距離小于所述發(fā)光裝置到所述半個非球面透鏡的外邊緣部分的距離。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述半個非球面透鏡的邊緣部分的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。在上述技術方案中，優(yōu)選地，進一步包括濾光片，設置在所述非球面光學補償裝置與所述光探測器之間，靠近所述光探測器一側，也就是所述濾光片到所述光探測器的距離小于所述濾光片到所述非球面光學補償裝置的距離。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述濾光片與所述非球面光學補償裝置之間的距離為 30mm 至 40mmο在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述濾光片與所述非球面光學補償裝置之間的距離為 35mm0在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置的光軸與所述發(fā)光裝置發(fā)出的所述測距光線之間的夾角小于等于1度。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述整體非球面透鏡或所述半個非球面透鏡設置有中心透鏡。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置為激光器。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置的材料為塑料或樹脂。根據(jù)上述技術方案，可以獲得較大的非球面透鏡，避免了像光學系統(tǒng)的像差問題，可以很好的會聚光信號；解決了近距離收光的問題，減少光學系統(tǒng)的元件，也就減少了光信號的損耗；有利于系統(tǒng)的小型化和簡單化，提高了光學測距系統(tǒng)的性能。

圖1是相關技術中的透鏡的示意圖；圖2是相關技術中的光學透鏡的聚集效果圖；圖3是相關技術中的非球面鏡的聚焦效果圖；圖4是根據(jù)本實用新型實施例的光學測距系統(tǒng)的邏輯框圖；圖5是圖4中示出的光學測距系統(tǒng)中采用的近距離收光補償非球面透鏡的示意圖；圖6是圖5示出的非球面透鏡的模擬仿真結果圖；圖7示出未采用中心補償透鏡的近距離收光效果圖；圖8示出采用中心補償透鏡的近距離收光效果圖；圖9示出本實用新型實施例的采用整體非球面鏡的光學系統(tǒng)的示意圖；圖10示出本實用新型的實施例的采用半個非球面鏡的光學系統(tǒng)的示意圖；以及圖11示出可以在本實用新型的實施例中使用的曲率不唯一的球面透鏡示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本進行進一步的詳細描述。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型，但是，本實用新型還可以采用不同于在此所描述內(nèi)容的其他方式來實施，因此，本實用新型并不限于下面公開的具體實施例的限制。圖4是根據(jù)本實用新型實施例的光學測距系統(tǒng)的邏輯框圖。如圖4所示，本實用新型提供了一種光學測距系統(tǒng)，包括一種光學測距系統(tǒng)400， 包括發(fā)光裝置402，發(fā)射測距光線到被測物；非球面光學補償裝置404，所述非球面光學補償裝置的光軸與所述發(fā)光裝置發(fā)出的所述測距光線平行，所述非球面光學補償裝置404將從所述被測物反射的光線聚集到光探測器；以及所述光探測器406，接收來自所述非球面光學補償裝置的光線。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置404為整體非球面透鏡。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述整體非球面透鏡的邊緣部分的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置也可以是半個非球面透鏡。 其好處在于，能夠使得發(fā)光裝置盡可能靠近所述半個非球面透鏡光軸設置。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置402設置在靠近所述半個非球面透鏡光軸的一側，所述發(fā)光裝置402到所述半個非球面透鏡光軸的距離小于所述發(fā)光裝置到所述半個非球面透鏡的外邊緣部分的距離。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述半個非球面透鏡的邊緣部分的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。在上述技術方案中，優(yōu)選地，進一步包括濾光片408，設置在所述非球面光學補償裝置404與所述光探測器406之間，靠近所述光探測器406 —側，也就是所述濾光片408 到所述光探測器406的距離小于所述濾光片408到所述非球面光學補償裝置404的距離。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述濾光片408與所述非球面光學補償裝置404之間的距離為30mm至40mm。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述濾光片408與所述非球面光學補償裝置404之間的距離為35mm。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置404為激光器。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述整體非球面透鏡或所述半個非球面透鏡設置有中心透鏡。在上述技術方案中，優(yōu)選地，所述非球面光學補償裝置404的材料為塑料或樹脂。在此，本領域的技術人員應該理解，發(fā)光裝置402，非球面光學補償裝置404和光探測器406的組合可以構成本實用新型的完整技術方案，即可以解決本實用新型的技術問題，濾光片408與上述裝置組合構成的另一優(yōu)先實施例，并不用于限定本實用新型。圖5是圖4中示出的光學測距系統(tǒng)中采用的近距離收光補償非球面透鏡的示意圖。本實用新型的實施例將采用較大通光孔徑的塑料(PMMA)非球面透鏡，由于非球面的二次曲面面型系數(shù)e2僅與透鏡的彎曲形狀及折射率有關，因此當確定完透鏡的材料和聚焦后，可以從四種非球面面型中選擇出一種最佳面型及其最佳的二次曲面面型系數(shù)。非球面鏡可以使得光學系統(tǒng)的腔體較?。辉诖嘶A上，對非球面鏡502的中心部分進行修改， 具體是在非球面鏡502的平面中心位置上增加了一個中心透鏡504，這個中心透鏡504將使用和非球面鏡502 —樣的材料，因此可以將中心透鏡504和非球面502做一個整體，實際工藝中將采用壓模生成，這就構成了本實用新型的非球面光學補償裝置404。中心透鏡 504是一個球面鏡，中心透鏡504可以改變進入其的入射光傳播方向，這是為了接收近距離的光信號；也是由于改變了光的傳播方向，中心透鏡將散射遠距離的入射光信號，使其不能到達光探測器表面?？紤]近距離和遠距離光信號的不同情況，中心透鏡504的最佳尺寸需要通過多次仿真計算和實驗來獲得，設計參數(shù)可以是非球面502(頂點曲率半徑28mm，通光孔徑48mm，外徑50mm，中心厚度14. 08mm)，中心透鏡504(通光孔徑10mm，中心厚度 0. 92mm,曲率半徑14mm)。當然實際的中心透鏡504不受限于上述參數(shù)，中心透鏡504也不一定要是面鏡(可以設計成類似于現(xiàn)有技術的三角形光楔)，但目前的設計是比較適合加工制造的。具體設計如下圖5所示。從上面的說明可知，非球面鏡可以很好地消除像差，下面給出了采用非球面鏡的仿真結果。從計算結果上來看，非球面鏡600可以將進入透鏡的平行光會聚到很小的面積上(聚焦光斑半徑可以達到0. Imm)，因此可以很好地被光電探測器(對于APD光敏面積 0. 5mm2)接收。對于同樣孔徑和焦距的球面鏡，光斑半徑在Imm以上，超過了 APD光光敏面的面積，有一部分能量不能被光電探測器接收。非球面600的模擬仿真結果如圖6所示。使用中心透鏡是為了解決近距離收光的問題，下面給出采用中心透鏡(如圖7所示)和不采用中心透鏡(如圖8所示)的仿真結果。圖7和圖8中，非球面透鏡后面的線段代表光電探測器的接收光敏面；在圖7中， 可以明顯地看到，未采用中心透鏡的非球面鏡702的焦點沒有落在探測器的表面上，這意味著沒有信號能被接收；而在圖8中采用中心透鏡802時，通過中心透鏡802的光線被折射從而改變了焦點，這使得光電探測器可以接收到光信號。此外，由于中心透鏡和非球面鏡可以作為一個整體，這避免了像現(xiàn)有技術一樣通過不同光學元件表面時產(chǎn)生的損耗。通過上述技術方案，在非球面鏡的平面中心位置上增加了一個中心透鏡，通過中心透鏡的光線被折射從而改變了焦點，這使得光電探測器可以接收到光信號。此外，由于中心透鏡和非球面鏡可以作為一個整體，這避免了像相關技術一樣通過不同光學元件表面時產(chǎn)生的損耗。圖9示出本實用新型實施例的采用整體非球面鏡的光學系統(tǒng)的示意圖。如圖9所示，將圖5中的整體非球面鏡應用到激光測距光學系統(tǒng)中，可以得到本實用新型的一個實施例，能夠減小損耗，增強采光光強，便于光學系統(tǒng)制造和校正。圖9中的激光器902即圖4所示的光學系統(tǒng)中的發(fā)光裝置402，透鏡904即圖4中的非球面光學補償裝置404，光探測器906即圖4中的光探測器406，濾光片908即圖4中的濾光片408。從圖中，可以看出，激光器902發(fā)出檢測光線，被測物(未示出)反射的光線通過透鏡904及濾光片908會聚到光探測器906。在本實施例中，濾光片908與透鏡904之間的距離L為35mm， 但是本領域技術人員應當理解，該距離僅為優(yōu)選距離，并不用于限定本實用新型，在實際應用中，該距離L在30mm至40mm的范圍內(nèi)。圖10示出本實用新型實施例的采用半個非球面鏡的光學系統(tǒng)的示意圖。因為圖9的光學系統(tǒng)采用整體透鏡會產(chǎn)生一些問題由于激光和非球面鏡的中心光軸有一定距離(最少半個透鏡的距離)，這樣對于近距離收光時，反射到透鏡中心的光線的入射角度將會很大，這需要曲率很大的中心透鏡才能將光折射回探測器表面，這會產(chǎn)生一些制造難度，所以優(yōu)選使用半個透鏡，具體光路圖如圖10所示。圖10是在圖9的基礎上將透鏡904改善為半個透鏡即圖10中的透鏡1004。圖10中的激光器1002相當于圖4所示的光學系統(tǒng)中的發(fā)光裝置402，透鏡1004相當于圖4中的非球面光學補償裝置404，光探測器1006相當于圖4中的光探測器406，濾光片1008相當于圖4中的濾光片408。由于中心透鏡改變光線的角度也是有限的，因此中心透鏡應該盡可能的靠近出光光軸，這對于測量近距離物體，反射光的入射角偏差不會太大，可以通過中心透鏡回到光電探測器，因此采用了半個透鏡的結構，使得中心透鏡和激光出光光軸偏差很小。由于近距離光信號很強，只要很小尺寸的中心透鏡就可以使得一部分光被接收；對于遠距離來說，中心透鏡改變了到達透鏡中心部分的光線的光程，并不是所有信號都能回到光探測器表面， 因此，中心透鏡的也必須減少它的尺寸。此外，采用半個透鏡也可以減少光學系統(tǒng)的寬度， 可以達到手持式激光測距儀的小型化。另外，采用非球面鏡作為接收透鏡，使用和大有一樣通光孔徑的條件，腔長只需要30mm至40mm，優(yōu)選為35mm，這也有利于系統(tǒng)的小型化，也使得光學系統(tǒng)的校正更加容易。對于現(xiàn)有技術中采用半個塑料透鏡的激光測距儀而言，由于采用了曲率半徑很大的塑料透鏡，這意味著很長的焦距，即采用很長的腔體結構；但塑料透鏡表面無法鍍?yōu)V光膜，需要濾光片的輔助，意味著在光路加多一個光學元件，這會帶來光信號的損耗；又由于腔長太長，光學元件的安裝對準存在著問題，與采用半個塑料透鏡的激光測距儀相比，通過根據(jù)本發(fā)明的上述技術方案，能夠使光學系統(tǒng)在不影響提高系統(tǒng)性能的前提下，使系統(tǒng)更加小型化，便于制造，也便于光學系統(tǒng)的校正和操作。[0074]圖11示出可以在本實用新型實施例中使用的曲率不唯一的球面透鏡示意圖。將來隨著制造工藝的發(fā)展，可能可以生產(chǎn)出通光孔徑大于25mm的玻璃非球面鏡， 因此將來在可以采用玻璃非球面鏡代替本實用新型的塑料非球面鏡；由于非球面鏡是為了減少像差，可以采用曲率不唯一的玻璃球面鏡代替非球面鏡，如圖11所示，非球面透鏡的邊緣部分1100的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。通過上述技術方案，可以用玻璃且不同曲率的非球面鏡代替塑料非球面鏡也可以到達所要的技術效果，增強聚光，減小損耗，使光學系統(tǒng)更加小型化便于操作。在此本領域的技術人員應該理解上述的本實用新型的三個實施例都能解決目前技術所存在的問題，且不僅限于在此的描述。參考圖4至圖11的詳細描述，可以清楚地理解本實用新型提出的光學測距系統(tǒng)。 本實用新型的技術方案采用了特殊非球面透鏡作為激光測距儀的收光透鏡，因此可以獲得較大的非球面(目前工藝已經(jīng)可以生產(chǎn)出直徑大于IOOmm的塑料非球面透鏡)，非球面避免了像光學系統(tǒng)的像差問題，可以很好的會聚光信號；中心透鏡解決了近距離收光的問題，而且非球面鏡和中心透鏡可以作為整體壓模生產(chǎn)，這將減少光學系統(tǒng)的元件，也就減少了光信號的損耗；此外，采用非球面鏡也有利于系統(tǒng)的小型化和簡單化。以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權利要求1.一種光學測距系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)光裝置，發(fā)射測距光線到被測物；非球面光學補償裝置，所述非球面光學補償裝置將從所述被測物反射的光線聚集到光探測器；以及所述光探測器，接收來自所述非球面光學補償裝置的光線。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述非球面光學補償裝置為整體非球面透鏡。
3.根據(jù)權利要求2所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述整體非球面透鏡的邊緣部分的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述非球面光學補償裝置為半個非球面透鏡。
5.根據(jù)權利要求4所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述半個非球面透鏡的邊緣部分的曲率半徑與中心部分的曲率半徑不同。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述非球面光學補償裝置的光軸與所述發(fā)光裝置發(fā)出的所述測距光線之間的夾角小于等于1度。
7.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括濾光片，設置在所述非球面光學補償裝置與所述光探測器之間，所述濾光片到所述光探測器的距離小于所述濾光片到所述非球面光學補償裝置的距離。
8.根據(jù)權利要求7所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述濾光片與所述非球面光學補償裝置之間的距離為30mm至40mm。
9.根據(jù)權利要求8所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述濾光片與所述非球面光學補償裝置之間的距離為35mm。
10.根據(jù)權利要求2至5中任一項所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述整體非球面透鏡或所述半個非球面透鏡設置有中心透鏡。
11.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的光學測距系統(tǒng)，其特征在于，所述非球面光學補償裝置的材料為塑料或樹脂。
專利摘要本實用新型提供了一種光學測距系統(tǒng)，包括發(fā)光裝置，發(fā)射測距光線到被測物；非球面光學補償裝置，所述非球面光學補償裝置將從所述被測物反射的光線聚集到光探測器；所述光探測器，接收來自所述非球面光學補償裝置的光線。根據(jù)本實用新型的實施例的技術方案，采用特殊設計的聚焦透鏡，綜合考慮了遠近距離收光情況不同，像差，腔長，通光孔徑等問題，獲得盡可能強的光信號，從而增強了激光測距儀的測量性能。
文檔編號G01S7/481GK201936009SQ20102058689
公開日2011年8月17日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權日2010年10月27日
發(fā)明者嚴光文, 徐蕾, 李成, 黃夢圓 申請人:北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司