雷射測距儀的光學系統的製作方法
2023-05-03 07:58:21 3
專利名稱：雷射測距儀的光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射測距儀，特別是有關於一種雷射測距儀的光學系統結構。
背景技術：
雷射測距儀是測量距離的重要裝置之一，常用的雷射測距儀使用雷射器發送調製光到目標上，由該目標物來反射雷射信號至一個雷射接收器，常見的雷射接收器是一個雪崩二極體(avalanche photodiode簡稱APD)，它將光信號轉化成電信號。雷射測距儀計算發送脈衝和接收脈衝兩者之間的時間差，再乘以光速即可獲得距離值。
但是，由於光速是一個非常大的值，要確保距離值準確，則電信號的處理要相當精確才能獲得精確的時間值，否則就會差之毫厘謬以千裡。而且光線具有擴散的性質，並不是所有的光線都能被反射回來為雷射接收器所接收，特別是在無人為合作目標的條件下，反射光線的數量更少。而且反射光線還會受到自然光線、粉塵等的幹涉和幹擾，使得信噪比偏低，影響測距儀的精度，而如果提高雷射的發射功率又會導致成本的提高且傷害人眼。
雷射測距在近距離、高精度領域的應用還有很多技術難點，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計等。
目前在這一領域的現有技術是把回收的光由一片透鏡匯聚耦合入光纖，由光纖傳輸到一定的距離後再耦合出來，經過一個小的透鏡匯聚到APD。採用光纖傳輸的好處是，可使APD的設置位置具有較大的自由度，同時可以適用於近距離的雷射測距，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，再將光能傳輸到APD 15上，以實現近距離反射光線的接收；圖2的方案採用了反射鏡21，將較近目標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在測量近處目標的情況下用了一塊三角稜鏡31偏折入射角度過大的光線，但此三角稜鏡31對部分遠處目標的反射光線也會產生偏折而使得接收光纖14接收不到足夠的光能量，因此在測量較遠物體時需去除此組件；圖4採用了衍射組件41，這種組件可以很好地處理各種入射角的光線，但其結構比較複雜，成本較高。
這些已知的設計方案雖然可在某種程度上應用於實際的環境，但事實上卻沒有考慮發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，或是測量遠近不同距離時需將特定組件插入、拔出於光迴路中，這些額外的機構與構件將給系統增加不穩定因素而使系統的可靠度降低，同時也會使系統的製造成本增加。
發明內容
本發明的目的在於提供一種雷射測距儀的光學系統，以克服上述現有技術的不足，能夠在無人為合作目標的條件下，特別是在近距離測距的情況下，APD在整個雷射測距儀的測量範圍內均能獲得光信號，且光信號的能量滿足APD的受光範圍需求；並符合等光程的要求，使經光電轉換後的載波信號更易判斷。
為實現上述目的，本發明提供一種雷射測距儀的光學系統，包括雷射發射器、置於雷射發射器之前的發射透鏡組、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稜鏡，非球面透鏡在發射光線透射的位置處留有一缺口以便發射光束通過。
進一步的，所述的雷射測距儀的光學系統中，多邊形稜鏡可以是由兩片稜鏡膠合而成，而且兩片稜鏡結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。且所述的多邊形稜鏡的兩片稜鏡可採用不同的材質，而該等材質的選用及個別鏡體的外形、尺寸應當使透過兩者的光線光程相等。
另一方面，所述的雷射測距儀的光學系統中，該多邊形稜鏡也可以是由單一的導光素材一體製成的。同樣的，在這種實施例中，該多邊形稜鏡的設置位置同樣必須配合測距儀的量程，使能接收全量程內的反射信號，並且滿足等光程要件。
本發明光能利用率高，避免了發射和接收光束之間的幹涉，接收光線具有等光程性，實現光信號載波頻率的一致性。並且利用稜鏡對光線的偏折作用，可以同時實現近距離與遠距離測量光線的接收；獲得信號的信噪比高，有利於提高系統的測量精度和準確度，且系統的結構簡單可提高系統的穩定性與可靠度。與現有技術相比，本發明主要優點有以下幾項1.採用多邊形稜鏡補償相位差和改變光路，可同時實現對近距離及遠距離的測量，並提高信噪比；2.利用多邊形稜鏡充分折射光線，實現整個測量範圍內的能量一致性，充分利用光能量；3.無過多的附加結構，降低成本；4.本系統結構簡單、零件簡化、無活動組件，便於量產且操作的可靠度及耐用性高；5.設計中已經考慮到能量的利用率，在雷射發射器、APD的選擇上可以有較大的彈性，故能降低製造成本。
以下結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。
圖1為採用光纖的現有技術的光路圖。
圖2為採用反射鏡的現有技術的光路圖。
圖3為採用三角稜鏡的現有技術的光路圖。
圖4為採用衍射組件的現有技術的光路圖。
圖5為本發明的光學系統的示意圖。
圖6為本發明的多邊形稜鏡的結構示意圖。
圖7為本發明測量較遠距離目標時的光路圖。
圖8為本發明測量較近距離目標時的光路圖。
具體實施例方式
有關本發明的詳細說明及技術內容，現就結合
如下首先參閱圖5，本發明的光學系統由五個部分組成，非球面透鏡1、多邊形稜鏡2、光接收器件(APD)3、發射透鏡組4和雷射發射器(LD)5。在這套系統中雷射發射器5是一個光源，由其產生並發射光脈衝。發射光線經位於雷射發射器5之前的發射透鏡組4匯聚後發射到測量目標物上。在條件許可的情況下，該目標物可以是放在測量目標距離位置上的一個人為的合作目標，如測距標杆，這種人為合作目標可以較好地反射雷射光線，使得光接收器件3產生具有較高信噪比的電信號，進而正確地實施測距；但在某些情況下，並沒有這樣的人為配合條件，這時雷射光束將在自然目標物上產生漫射及反射，以各種角度反射回來的光線經非球面透鏡1匯聚，再經過多邊形稜鏡2產生折射。在實施遠距離測量時，非球面透鏡1匯聚的平行反射光線將不發生大角度折射而通過多邊性稜鏡2，併入射到光接收器件3上。同時，考慮到雷射發射器5發射和光接收器件3接收的幹涉問題，本系統非球面透鏡1在發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)，避免了發射和接收光束之間的幹涉。
請參閱圖6，這是多邊形稜鏡2的結構示意圖。多邊形稜鏡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，該多邊形稜鏡2可以再區分為如圖6所示的第一稜鏡2a和第二稜鏡2b。在某些實施例中也可以是由兩塊稜鏡膠合而成。在一個較佳實施例中，第一稜鏡2a是設置在非球面透鏡1的中心線上，使得由遠距離目標反射回來的與發射光幾乎平行的反射光束，可經過非球面透鏡1匯聚後直接透過第一稜鏡2a被光接收器件3所接收。而第二稜鏡2b與第一稜鏡2a呈一定角度設置，使其在量測近距離目標時，將呈大角度反射而經非球面透鏡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。這樣的多邊形稜鏡設計使得光接收器件3能夠在測量遠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。第一稜鏡2a和第二稜鏡2b的擺放位置與彼此間的較佳角度範圍可以根據測距儀的量程而計算出來。利用多邊形稜鏡2的位置及尺寸控制使近距離光焦點偏移經由光的折射特性而得到修正，使系統實現了近距離測量的可能性，並且使在雷射測距儀在整個量程內，光接收器件3所接收的信號能量差值不至於過大，降低了後期電路對信號處理的複雜性與困難度。
由於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中行進的速度比在空氣中要慢許多，所以其光程可以相當於在空氣傳輸中的數倍以上。所以在本發明中選用這些材質(在一個較佳的實施例中是選用玻璃)製作多邊形稜鏡2，並使在空氣中傳輸光程較遠的光線在稜鏡中經過的光路較短，而在空氣中傳輸光程較近的光線在稜鏡中經過的光路較長，這樣就可以通過計算或實驗來選擇第二稜鏡2b的形狀、材質與尺寸，使其對透過第二稜鏡2b的各種角度的入射光線產生相位補償的作用，而使雷射束在完整的傳輸路徑上產生實質上相同的光程距離，最終使同一時間發射的光波的不同相位在同一時間為光接收器件3所接收。因為第二稜鏡2b滿足相互的相位補償條件，所以經第二稜鏡2b入射的光線是等光程的，因此系統在整個測量範圍內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，有利於提高系統的測量精度和準確度。
值得注意的是，稜鏡2a、2b的位置及其光入射面及光出射面的夾角並不是絕對不變的，它的位置可以透過非球面透鏡1、多邊形稜鏡2、光接收器件3之間不同的位置組合以及改變多邊形稜鏡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雷射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，在測量距離較遠時，反射光線幾乎平行入射，經非球面透鏡1的匯聚，並經過第一稜鏡2a折射後，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，經非球面透鏡1的匯聚，其大部分光線經第二稜鏡2b折射後被光接收器件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，僅僅是本發明的較佳實施例而已，不能以此來限定本發明實施的範圍，即本技術領域內的一般技術人員根據本發明所作的均等的變化，例如將以上實施例中的各個器件進行組合。以及本領域內技術人員熟知的改進，都應仍屬於本發明專利涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種雷射測距儀的光學系統，包括雷射發射器、置於雷射發射器之前的發射透鏡組、匯聚反射光線至光接收器件的入射透鏡以及光接收器件，其特徵在於所述系統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稜鏡，其中光束在穿透該第一及第二部分時會產生不同角度的折射。
2.如權利要求1所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡是一體成型的。
3.如權利要求1所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡由兩片稜鏡結合而成。
4.如權利要求3所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡的兩片稜鏡結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。
5.如權利要求1或2所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的入射透鏡是一個非球面透鏡，可以匯聚反射光束並將該光束聚焦於透鏡一側的某一焦點上。
6.如權利要求2或3所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡的第二部分對光線產生的折射角度比第一部分產生的折射角度大。
7.如權利要求6所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜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係。
8.如權利要求7所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜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係。
9.如權利要求8所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡的第二部分鏡體在遠離該多邊形稜鏡的第一部分的一端具有較小的鏡體厚度。
10.如權利要求9所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡的形狀和材料能夠配合該雷射測距儀的量程，而使不同測量距離的測量光束分別符合等光程性。
11.如權利要求9所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的多邊形稜鏡的第二部分的形狀為梯形。
12.如權利要求11所述的雷射測距儀的光學系統，其特徵在於所述的入射透鏡在發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，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，並根據光信號的品質產生對應的電信號；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於第二光補償單元的光入射面與光出射面之間的夾角。
14.如權利要求13所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於所述的光信號接收及處理系統進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.如權利要求14所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於該光入射透鏡是一個非球面透鏡。
16.如權利要求14或15所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於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.如權利要求13所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於該光程補償元件為一多邊形稜鏡，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.如權利要求17所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於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離第一光程補償單元的第二邊，其中第一邊的長度等於該多邊形稜鏡的第一特定距離，並且大於第二邊的長度。
19.如權利要求18所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於該光補償元件的第一及第二光程補償單元是由不同的稜鏡膠合而成的。
20.如權利要求18所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於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光材料一體成型的。
21.如權利要求19或20所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於該光程補償元件是由玻璃構成的。
22.如權利要求13或14所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於所述的光信號接收及處理系統可進一步配合光信號的發射系統，以構成一個測距儀的光學系統。
23.如權利要求22所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於該系統所配合的光信號發射系統可以發出雷射光波。
24.如權利要求23所述的光信號接收及處理系統，其特徵在於該系統中的光接收器件是一個雪崩二極體。
全文摘要
一種雷射測距儀的光學系統，包括雷射發射器、置於雷射發射器之前的發射透鏡組、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稜鏡，非球面透鏡在發射光線透射的位置處留有缺口以便發射光束通過。本發明光能利用率高，避免了發射和接收光束之間的幹涉，接收光線具有等光程性，獲得信號的信噪比高，有利於提高系統的測量精度和準確度，且結構簡單提高了系統的穩定性。
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 優先權日2004年4月1日
發明者劉華唐, 陳慧卿, 陳海華 申請人:亞洲光學股份有限公司