CN112946673B - 一种激光测距方法、对焦方法、激光测距***及对焦*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及测距领域，公开了一种激光测距方法、对焦方法、激光测距***及对焦***，包括：向反射镜发射入射角为δ的入射光线α，入射光线α经反射镜反射产生第一反射光线β，第一反射光线β照射待测物体；摄取第二反射光线θ并在激光成像面生成激光图像，第二反射光线θ为第一反射光线β照射于待测物体表面后产生的返回光线γ，再通过反射镜反射产生；基于激光图像根据几何三角定理计算测量距离A。以入射光线α的发射点和第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以入射光线α与第二反射光线θ延长线的相交角为顶角构成的三角形的底边的高与测量距离A相等。其通过反射镜改变激光光路且不影响测距，适用于狭小空间间接测距，精度高，耗时短。

Description

一种激光测距方法、对焦方法、激光测距***及对焦***

技术领域

本发明涉及测距技术领域，尤其涉及一种激光测距方法、对焦方法、激光测距***及对焦***。

背景技术

激光测距(laser distance measuring)是以激光器作为光源进行测距。因其灵活、高效、精度高，因此在测量领域具有广泛的应用。

根据原理的不同，激光测距主要可以分为脉冲法激光测距、相位式激光测距、干涉法激光测距、反馈法激光测距以及三角法激光测距。

其中，脉冲法激光测距利用发射的脉冲信号与接收到的目标反射信号空间传播时间确定目标距离；相位式激光测距利用检测发射光和反射光在空间中传播时发生的相位差来检测距离；干涉法激光测距是以激光为光源，以激光波长或激光频率为基准，利用光的干涉原理进行精密测量的方法；反馈法激光测距采用距离与传输时间、传输时间与振荡频率相互转换的技术，来测量激光传输时间，从而达到激光测距的目的。

而三角法激光测距则是由激光器发出的光线，经过会聚聚透镜聚焦后入射到待测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的返回光线，并将其成像在光电位置探测器敏感面上，当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。

其中，如表1所示，表1为各种不同激光测距方法的测距范围和精度对比表。

表1-各种不同激光测距方法的测距范围和精度对比表

测距方法	测距范围	测距精度
			脉冲法激光测距	几十米至上万公里	米级
相位式激光测距	几米至数公里	毫米级
			干涉法激光测距	厘米级	微米级
反馈法激光测距	几米至几厘米	厘米级
			三角法激光测距	毫米级	微米级

在众多激光测距方法中，三角法激光测距因其测距精度高、测距时间短、适合短距离测试而广泛应用于大多数显微仪器设备的对焦中。但是，三角激光测距通常是光线经过会聚聚透镜聚焦后直接入射到待测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的返回光线，并将其成像在光电位置探测器敏感面上，当物体移动时，通过光点在成像面上的位移能够计算出物体移动的相对距离，三角法激光测距也通过直接向待测物体表面发射激光根据三角形相似远离来计算与待测物体的距离；而在实际应用中，由于安装环境狭小或者布置位置的限制，导致无法布置三角激光测量器，使得三角激光测量器无法直接向物体表面发射激光，因此限制了三角法激光测距的使用。退而求其次的，一般采用其它激光测距方法，但是测距精度则大大降低，且测试速度也难以保证。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种激光测距方法，其测试精度高，耗时短，能够适用于狭小空间中的间接测距。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光测距方法，包括以下步骤：

向反射镜的反射表面发射入射角为δ的入射光线α，所述入射光线α经所述反射镜反射产生第一反射光线β，所述第一反射光线β照射待测物体；

摄取第二反射光线θ并在激光成像面上生成激光图像，所述第二反射光线θ为所述第一反射光线β照射于待测物体的表面后产生的返回光线γ，再通过所述反射镜的反射表面反射产生；以及

基于所述激光图像根据几何三角定理计算获得测量距离A；

其中，以所述入射光线α的发射点和所述第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以所述入射光线α与所述第二反射光线θ延长线的相交角为顶角所构成的三角形的所述底边的高与所述测量距离A相等。

可选地，所述入射光线α的发射点与所述第二反射光线θ的接收点的连线L与所述入射光线α的夹角ε为已知常数，所述连线L与所述第二反射光线θ的夹角为ζ；

其中，ζ＝arcsin(X/(X²+Y²)^1/2)；

X表示所述接收点与所述激光成像面的间距；

Y表示过所述接收点且垂直于所述激光成像面的垂线与所述第二反射光线θ在激光成像面上生成的激光图像之间的间距。

可选地，所述待测物体为透明载片，所述透明载片包含上表面和下表面，所述透明载片的厚度等于对应于所述上表面的测量距离A_u和对应于所述下表面的测量距离A_l的差。

可选地，基于所述透明载片不同位置的厚度确定透明载片的平整度。

本发明的另一个目的在于提出一种对焦方法，其对焦测距测试精度高，耗时短，其采用的激光测距方法通过反射镜使得三角法激光测距相关装置的布置更加灵活，能够适用于狭小空间中的间接测距，以辅助完成物镜的对焦。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种对焦方法，基于如上所述的激光测距方法，包括以下步骤：

确定目标物距C₀；

确定测量距离A；其中，所述反射镜布置于所述物镜与待测物体之间；

获取所述物镜沿轴向与所述反射镜的第一距离C₁，并基于所述测量距离A，根据距离换算公式，获取所述反射镜沿所述物镜的轴向与待测物体的第二距离C₂；

计算获得待测物体与所述物镜的实际距离C；

调整并使得所述物镜与待测物体的实际距离C等于目标物距C₀。

可选地，待测物体包括样品，当所述第一反射光线β直接照射到样品表面上时，待测物体与所述物镜的实际距离C＝C₁+C₂，所述距离换算公式为：

A＝D+C₂；

其中，所述第一反射光线β和所述返回光线γ相对于待测物体的法线与所述物镜的轴线同轴或平行，D表示以所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以所述入射光线α与所述第二反射光线θ延长线的相交角为顶角，所构成的三角形的所述底边的高与所述反射镜相交的交点到所述底边的距离。

可选地，待测物体包括样品和透明载片，当所述第一反射光线β透过透明载片照射到样品表面上时，待测物体与所述物镜的实际距离C＝C₁+C₂+C₃，所述距离换算公式为：

A＝D+C₂；

其中，所述第一反射光线β和所述返回光线γ相对于待测物体的法线与所述物镜的轴线同轴或平行，C₃为透明载片的厚度，D表示以所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以所述入射光线α与所述第二反射光线θ延长线的相交角为顶角，所构成的三角形的所述底边的高与所述反射镜相交的交点到所述底边的距离。

本发明的再一个目的在于提出一种激光测距***，其测试精度高，耗时短，能够适用于狭小空间中的间接测距。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光测距***，采用如上所述的激光测距方法，包括：

反射镜；

激光发射机构，其用于向所述反射镜的反射表面发射入射角为δ的入射光线α，且所述入射光线α经反射产生第一反射光线β，所述第一反射光线β照射于待测物体的表面后产生返回光线γ；

激光接收机构，其用于接收所述返回光线γ通过所述反射表面反射产生的第二反射光线θ，并生成激光图像；

计算模块，所述计算模块用于基于所述激光图像根据几何三角定理计算获得所述测量距离A。

可选地，所述激光接收机构包括：

激光成像面，其与所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L平行；

接收透镜，其用于接收所述第二反射光线θ并将所述第二反射光线θ投射于所述激光成像面，所述第二反射光线θ与所述激光成像面的夹角为ζ，所述入射光线α的发射点与所述第二反射光线θ的接收点的连线L与所述入射光线α的夹角ε为已知常数；

其中，ζ＝arcsin(X/(X²+Y²)^1/2)；

X表示所述接收点与所述激光成像面的间距；

Y表示过所述接收点且垂直于所述激光成像面的垂线与所述第二反射光线θ在激光成像面上的生成激光图像之间的间距。

本发明的又一个目的在于提出一种对焦***，其对焦测距测试精度高，耗时短，其采用的激光测距方法通过反射镜使得三角法激光测距相关装置的布置更加灵活，能够适用于狭小空间中的间接测距，以辅助完成物镜的对焦。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种对焦***，采用如上所述的对焦方法，包括如上所述的激光测距***，还包括：

对焦位移机构；

物镜，设置于所述对焦位移机构上，所述对焦位移机构能够使所述物镜沿轴线方向相对待测物体移动，以自动对焦。

可选地，所述反射镜为半透半反镜。

可选地，所述第一反射光线β和所述返回光线γ相对于待测物体的法线与所述物镜的轴线同轴。

可选地，所述反射镜布置于所述物镜靠近待测物体一侧的避让位处，以用于避让所述物镜，所述对焦***还包括：

载台，待测物体放置于所述载台上；

载台驱动机构，与所述载台驱动连接，所述载台驱动机构能够驱动所述载台移动，以使所述载台上的待测物体可选择地移动至测距工位或者观测工位，且沿所述物镜的轴向，所述测距工位正对所述反射镜，所述观测工位正对所述物镜，所述测距工位和所述观测工位均位于垂直于所述物镜的轴线的平面内；

其中，待测物***于所述测距工位时，所述对焦***能够测量获取所述测量距离A，待测物***于所述观测工位时，所述对焦***能够自动对焦，或者待测物***于所述观测工位时，获取所述测量距离A，所述对焦***能够自动对焦。

可选地，还包括：

控制模块，与所述激光发射机构、所述激光接收机构、所述对焦位移机构及所述计算模块电连接，且所述控制模块被配置为能够获得所述目标物距C₀、所述测量距离A，并计算获得待测物体与所述物镜的实际距离C，以控制对焦位移机构移动，使所述物镜与待测物体的实际距离C等于目标物距C₀。

可选地，所述反射镜与水平面呈45度倾斜设置，所述入射光线α位于水平面内。

可选地，所述反射镜的厚度为650nm，所述入射光线α的波长为655nm。

可选地，还包括：

管镜，同轴设置于所述物镜远离所述反射镜的一侧；

相机，设置于所述管镜远离所述物镜的一端，所述相机用于通过所述物镜及所述管镜拍摄待测物体。

可选地，还包括：

明场光源，所述明场光源用于产生明场光。

可选地，待测物体包括样品和透明载片，样品承载于透明载片上，所述对焦***还包括：

载台，透明载片放置于所述载台上，所述载台上开设有透光孔，所述第一反射光线β能够穿过所述透光孔，照射于透明载片的下表面，并经透明载片的下表面反射产生所述返回光线γ。

可选地，待测物体包括样品和透明载片，样品承载于透明载片上，所述对焦***还包括：

载台，透明载片放置于所述载台上，所述第一反射光线β直接照射于样品的上表面，并经样品的上表面反射产生所述返回光线γ。

本发明的有益效果：

相比现有的三角法激光测距，本发明的激光测距方法不再直接向待测物体表面发射激光，而是经过反射镜反射产生入射光线α，使得第一反射光线β照射待测物体，而接收的第二反射光线θ则为第一反射光线β照射于待测物体的表面后产生的返回光线γ再通过反射镜的反射表面反射产生，其巧妙的利用了镜面成像原理以及几何三角定理，实现对待测物体的间接测距，此处根据几何三角定理获得的测量距离A实际为以入射光线α的发射点、第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以入射光线α与第二反射光线θ延长线的相交角为顶角，所构成的三角形的前述底边的高的长度。其优点在于测试精度高，耗时短，通过反射镜使得三角测距的相关装置布置更加灵活，能够适用于在狭小空间中的间接测距。

相比现有的三角法激光测距***，本发明的激光测距***的激光发射机构向反射镜的反射表面发射入射角为δ的入射光线α，且入射光线α经反射产生第一反射光线β，第一反射光线β照射于待测物体的表面后产生返回光线γ；激光接收机构接收返回光线γ通过反射表面反射产生的第二反射光线θ，并生成激光图像；计算模块基于激光图像根据几何三角定理计算获得测量距离A。

本发明通过增设反射镜，使得入射光线α经反射镜反射照射到待测物体的表面，并使得返回光线γ经反射镜反射而被激光接收机构捕捉，其实现了对激光光路的弯折改变，使得激光发射机构和激光接收机构的位置布置更加灵活。且根据镜面成像、反射原理可知，其虽然使得激光光路弯折改变，但是不影响根据几何三角定理进行距离测量，依然可以通过几何三角相似的方式进行测距计算，其测试精度高，耗时短，通过反射镜使得三角测距布置更加灵活，能够适用于狭小空间中的间接测距。

相较于现有的对焦方法，本发明的对焦方法基于本发明的激光测距方法而提出，其首选确定目标物距C₀；然后，基于本发明的激光测距方法确定测量距离A；其中，反射镜布置于物镜与待测物体之间；再然后，获取物镜沿轴向与反射镜的第一距离C₁，并基于测量距离A，获取反射镜沿物镜的轴向与待测物体的第二距离C₂；进一步，计算获得待测物体与物镜的实际距离C；最后，便可以调整并使得物镜与待测物体的实际距离C等于目标物距C₀。最终基于本发明的激光测距方法实现对焦过程中实际距离C的实时计算获得，有效辅助实现了物镜的实时对焦调整，且测试精度高，耗时短，其采用的激光测距方法通过反射镜使得三角法激光测距相关装置的布置更加灵活，能够适用于在狭小空间中的间接测距。

本发明提供的对焦***，测试精度高，耗时短，其采用的激光测距方法通过反射镜使得三角法激光测距的布置更加灵活，能够适用于在狭小空间中的间接测距。

附图说明

图1是本发明提供的一种激光测距方法的测距立体示意图之一；

图2是本发明提供的一种激光测距方法的测距立体示意图之二；

图3是本发明提供的对焦***的结构示意图；

图4是本发明提供的对焦***自动对焦时的距离关系示意图；

图5是本发明提供的对焦***的电路关系示意图；

图6是本发明提供的对焦***的另一种实施例的结构示意图；

图7是图6中的对焦***自动对焦时的距离关系示意图；

图8是本发明提供的对焦***的再一种实施例中待测物体水平移动至测距工位时的结构示意图。

图中：

100、待测物体；O、法线；

1、反射镜；2、激光发射机构；3、激光接收机构；31、激光成像面；32、接收透镜；4、对焦位移机构；5、物镜；6、管镜；7、相机；8、明场光源；9、激光测距仪；10、计算模块；11、控制模块；12、载台；13、载台驱动机构。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1-4所示，本实施例提供了一种激光测距方法，激光测距方法能够在不影响距离测量的情况下实现对激光光路的弯折改变，且距离测量精度高，耗时短，能适用于在狭小空间中的间接测距，能够在对焦方法中辅助实现物镜对焦，尤其适用于在显微设备中进行物镜对焦时，物距的实时间接测量。同时，还提供了一种基于该激光测距方法的对焦方法、采用该激光测距方法的激光测距***以及采用该对焦方法且包括该激光测距***的对焦***。

如图1-5所示，本实施例中，激光测距***包括反射镜1、激光发射机构2和激光接收机构3和计算模块10。本实施例中，激光发射机构2和激光接收机构3同属于基于三角激光测距原理的激光测距仪9的内部结构，激光测距仪9为现有的三角激光测距设备。激光测距***中，激光发射机构2用于向反射镜1的反射表面发射入射角为δ的入射光线α，且入射光线α经反射产生第一反射光线β，第一反射光线β照射于待测物体100的表面后产生返回光线γ；激光接收机构3用于接收返回光线γ通过反射表面反射产生的第二反射光线θ，并生成激光图像；更具体地，如图1-2所示，本实施例中，激光接收机构3包括激光成像面31和接收透镜32。激光成像面31与所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L平行。接收透镜32用于接收第二反射光线θ，并将第二反射光线θ投射于激光成像面31，第二反射光线θ与激光成像面31的夹角ζ；入射光线α的发射点与第二反射光线θ的接收点的连线L与入射光线α的夹角ε为已知常数；其中，ζ＝arcsin(X/(X²+Y²)^1/2)。计算模块10则用于基于激光图像根据几何三角定理计算获得测量距离A。具体而言，为了进一步了解其计算过程，本实施例中，对于激光测距仪9计算测量距离A的公式为：

A＝B/2*X/Y；

其中，以入射光线α的发射点、第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以入射光线α与第二反射光线θ延长线的相交角为顶角所构成的三角形的前述底边的高与测量距离A相等；

B表示入射光线α的发射点与第二反射光线θ的接收点的间距；具体而言，在本实施例中，如图1-2所示，激光发射机构2的发射点(即入射光线α的发射点)、激光接收机构3的接收点(即第二反射光线θ的接收点)以及待测物体100在反射镜1中的镜面对称成像点(即入射光线α与第二反射光线θ延长线的顶角的顶点，图中未标示)连接构成的三角形为等腰三角形；其中，激光发射机构2的发射点与激光接收机构3的接收点的连线L的长度即为B。

X表示接收点与激光成像面31的间距；

Y表示过接收点且垂直于激光成像面31的垂线与第二反射光线θ在激光成像面31上生成的激光图像之间的间距；因此，在该三角形为等腰三角形的前提下，故A＝B/2*X/Y。

更进一步地，为了便于理解，需要说明的是，本实施例中，激光成像面31平行于入射光线α的发射点与第二反射光线θ的接收点的连线L；同时，入射光线α在反射镜1上的反射、第一反射光线β在待测物体100上反射产生返回光线γ、以及返回光线γ经反射镜1的反射产生第二反射光线θ全都遵循光的镜面反射原理(即入射角等于反射角)。因此，待测物体100在反射镜1中的镜面对称成像点与第一反射光线β照射在待测物体100上的点关于反射镜1为镜面对称成像关系。入射光线α的发射点、第二反射光线θ的接收点、入射光线α与第二反射光线θ延长线的相交的交点顺次连接便构成等腰三角形，等腰三角形的前述底边即为入射光线α的发射点与第二反射光线θ的接收点的连线L；而底边的高的长度也就等于由第一反射光线β在待测物体100上的反射点沿第一反射光线β与返回光线γ相对于待测物体100的法线方向到反射镜1的距离加上该法线与反射镜1的交点到连线L的中点的距离之和。而其构成的等腰三角形的前述底边的高将等腰三角形分割为两个直角三角形，而接收点、过接收点做垂直于激光成像面31的垂直得到的交点、以及第二反射光线θ过接收点直射于激光成像面31形成的交点构成的三角形则与前述三角形遵循几何三角定理。

因此，在已知接收点与激光成像面31的间距(即X)、过接收点且垂直于激光成像面31的垂线与第二反射光线θ在激光成像面31上的生成激光图像之间的间距(即Y)、激光发射机构2的发射点与激光接收机构3的接收点的连线L的长度(即B)的情况下，便可以根据几何三角定理计算得的测量距离A，即A＝B/2*X/Y；进而根据不同的测距需求，可以将测量距离A应用于实际测距场景当中。

需要说明的是，本实施例中，前述三角形为等腰三角形，入射光线α在反射镜1上的反射、第一反射光线β在待测物体100上反射产生返回光线γ、以及返回光线γ经反射镜1的反射产生第二反射光线θ全都遵循光的镜面反射原理(即入射角等于反射角)。在其它实施例中，前述三角形也可以不为等腰三角形，返回光线γ也可以为第一反射光线β的漫反射光线，即入射角不等于反射角。此时，依然可以根据几何三角定理计算得的测量距离A，具体的计算公式为常规计算公式，故不再进行赘述。

另外，根据几何三角定理，如前文所述，在已知第二反射光线θ与激光成像面31的夹角为ζ，入射光线α的发射点与第二反射光线θ的接收点的连线L与入射光线α的夹角ε，激光发射机构2的发射点与激光接收机构3的接收点的连线L的长度B的情况下，即已知一边两角，根据几何三角定理也可以求出测量距离A，进而并不一定必须使用本实施例的A＝B/2*X/Y进行计算，由于该计算过程为常规计算，故不再进行赘述。

本实施例的激光测距***及激光测距方法采用反射镜1使入射光线α经反射镜1反射照射到待测物体100的表面，并使返回光线γ经反射镜1反射而被激光接收机构3捕捉，其实现了对激光光路的弯折改变，使得激光发射机构2和激光接收机构3的位置布置更加灵活。根据镜面成像及反射原理可知，其虽然使得激光光路弯折改变，但是不影响通过几何三角定理进行距离测量，依然可以通过几何三角定理进行间接测距计算，其测试精度高，耗时短，能够适用于在狭小空间中的间接测距，其具有广泛的应用前景。

本实施例也提供了一种基于本实施例的激光测距方法的测量透明载片厚度的方法和***。透明载片包含上表面和下表面，这两个表面都会使得第一反射光线β分别产生反射，进而会在激光成像面31上形成两个光斑。三角激光测距仪9可以基于所述的两个光斑分别得到对应于上表面的测量距离A_u和对应于下表面的测量距离A_l。透明载片厚度等于对应于上表面的测量距离A_u和对应于下表面的测量距离A_l的差。进一步地，可以测得透明载片不同位置的厚度，进而评判透明载片的平整度。应用该方法或***，可以筛选平整度更好的透明载片用于样品的显微观察，提高显微图像的质量。

同时，本实施例也提供了一种基于本实施例的激光测距方法的对焦方法以及相应的对焦***。如图1-5所示，本实施例中，对焦方法基于本实施例的激光测距方法，其包括以下步骤：

首先，确定目标物距C₀，目标物距C₀为物镜5的焦距；具体如图3-5所示，物镜5沿竖直方向布置于待测物体100的正下方。

然后，确定测量距离A；其中，反射镜1布置于物镜5与待测物体100之间，且沿物镜5的轴向正对物镜5；测量距离A的计算方法如上文激光测距方法记载所述，此处不再赘述。

再然后，获取物镜5沿轴向与反射镜1的第一距离C₁，并基于测量距离A，根据距离换算公式，获取反射镜1沿物镜5的轴向与待测物体100的第二距离C₂；

需要说明的是，第一距离C₁为可以根据物镜5的实际位置获得的数值；具体方式为可以通过光栅尺测量计算物镜5沿竖直方向的移动距离，并标定物镜5位于最初位置上时，物镜5沿物镜5的轴向距离反射镜1的距离为初始已知测定值，进而便可以根据物镜5的实际位置结合光栅尺的数据、初始已知测定值计算得出物镜5与反射镜1的当前距离，即获得第一距离C₁。

进一步便可以计算获得待测物体100与物镜5的实际距离C。具体而言，如图3-5所示，本实施例中的调焦方法中，待测物体100包括样品(图中未示出，样品可以为生物细胞等待测物)和透明载片(图中未标示)。第一反射光线β透过透明载片才照射到样品表面上。由于透明载片有上下两个表面，这两个表面都会使得第一反射光线β分别产生反射，进而会在激光成像面31上形成两个光斑。但是透明载片的上表面反射后在激光测距仪9的激光成像面31上的成像光斑较弱，以此成像光斑进行计算，较使用下表面形成的光斑计算误差要大。因此为了测量更精确，本实施例中，采用的是透明载片的下表面反射后在激光测距仪9的激光成像面31上的成像光斑(实际应用中也可使用上表面形成的光斑进行计算，误差在可允许范围内)。因此，本实施例中，C＝C₁+C₂+C₃，C₃为透明载片的已知厚度；

最终，便可以调整并使得物镜5与待测物体100的实际距离C等于目标物距C₀。

更具体的，如图1-4所示，本实施例中，距离换算公式为：A＝D+C₂；

其中，D为常数，且D表示以入射光线α的发射点、第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，并以入射光线α与第二反射光线θ延长线的相交角为顶角，所构成的三角形的前述底边的高与反射镜1相交形成的交点到底边的距离，测量距离A为经激光测距仪9直接测得值。

需要说明的是，在通过激光测距***确定测量距离A的情况下，由于激光测距仪9与反射镜1的位置关系固定，因此D也为已知测定常数，进而可以算出C₂，在C₃、C₂和C₁确定的条件下，也就可以直接获得物镜5与待测物体100的实际距离C，因此便可以根据实际距离C与C₀的偏差，向上或者向下调整物镜5的位置，最终使得C＝C₀，实现对焦。

进一步地，如图3-5所示，本实施例还提出了一种基于本实施例的激光测距***的对焦***，对焦***采用前文的对焦方法进行对焦，具体不再赘述。对焦***除了包括反射镜1、激光发射机构2、激光接收机构3以及计算模块10之外，还包括对焦位移机构4、物镜5、管镜6以及载台12，待测物体100放置于载台12上。其中，物镜5设置于对焦位移机构4上，物镜5位于反射镜1背向待测物体100的一侧，对焦位移机构4能够使物镜5沿轴线方向相对待测物体100移动，以自动对焦；管镜6同轴设置于物镜5远离反射镜1的一侧。具体而言，为了能够使得对焦位移机构4自动驱动物镜5对焦。对焦***还包括控制模块11，控制模块11与激光发射机构2、激光接收机构3、对焦位移机构4及计算模块10电连接，且控制模块11被配置为能够获得目标物距C₀、测量距离A，并计算获得待测物体100与物镜5的实际距离C，以控制对焦位移机构4移动，使物镜5与待测物体100的实际距离C等于目标物距C₀。具体而言，其控制激光测距仪9的激光发射机构2和激光接收机构3依据上文所述的激光测距方法通过计算模块10根据激光图像基于几何三角定理计算获得测量距离A，并依此为依据通过上文所述的对焦方法获得待测物体100的表面与物镜5的实际距离C，进而控制对焦位移机构4移动，以使物镜5自动对焦。

更具体地，以本实施例为说明，待测物体100的表面与物镜5的物距即为物镜5与待测物体100的表面实际距离，物镜5的焦距(本实施例中即为C₀)为已知定值，因此为了获得清晰的物象，只需要调整待测物体100的表面与物镜5的物距使其在1倍-2倍的物镜5的焦距范围内，本实施例为1倍焦距位置，也就是使得实际距离C和焦距相等。可以想到的是，在其他实施例中，目标物距C₀也可以为1-2倍的物镜5的焦距。

进一步地，如图3-5所示，本实施例中，反射镜1为半透半反镜，第一反射光线β和返回光线γ相对于待测物体100的法线与物镜5的轴线同轴，反射镜1与水平面呈45度倾斜设置，入射光线α位于水平面内，入射光线α的入射角为δ(图中法线O为垂直于反射镜1的线)。反射镜1直接设计在正对物镜5和待测物体100之间的位置上，同时保持第一反射光线β和返回光线γ相对于待测物体100的法线与物镜5的轴线同轴，进而可以保证前文所述的第一反射光线β在待测物体100上的反射点沿第一反射光线β与返回光线γ相对于待测物体100的法线方向到反射镜1的距离直接等于反射镜1沿物镜5的轴线方向到待测物体100的下表面的距离，即保证C＝C₁+C₂+C₃。而需要说明的是，反射镜1半透半反是为了保证光线能够穿过反射镜1，进而能够尽量减小反射镜1对物镜5的干扰和影响，保证充足的光通量，进而保证物镜5能够观察观察待测物体100。本实施例将反射镜1设计在该处的优点在于，能够在进行物镜5观察的同时，实时同步对焦，大大提高观测效率。

进一步地，反射镜1的厚度为650nm，入射光线α的波长为655nm。此外，由于本实施例的测距原理基于三角几何相似原理实现，反射镜1只能够放置于物镜5朝向待测物体100的一侧，以确保激光测距***发射的射线不被物镜5干扰；例如，若反射镜1放置于物镜5和管镜6之间，且正对物镜5，或者正对置于管镜6远离物镜5的一侧，激光测距***发射的射线则会由于物镜5和管镜6的透镜的折射影响而无法实现测距。

如图3-5所示，为了更清楚的了解对焦过程，本实施例的具体的调焦过程为：实际显微观察时，各式各样的待测物体100会被依次放到载台12上，以便通过物镜5进行观察。由于各式各样的待测物体100的表面可能高低不平，而且同一待测物体100的不同位置的表面也可能高低不平，进而在物镜5位置不改变的情况下，实际距离C就会变大或者变小，进而导致物象不清晰。此时，由于同时进行了实际距离C测距；进而当实际距离C大于目标物距C₀时，控制模块11控制对焦位移机构4驱动物镜5靠近待测物体100，直至实际距离C等于目标物距C₀，而当实际距离C小于目标物距C₀时，控制模块11控制对焦位移机构4驱动物镜5远离待测物体100，直至实际距离C等于目标物距C₀，进而能够始终保持获得清晰的物象。

进一步地，如图3-5所示，本实施例中，对焦***还包括相机7。相机7设置于管镜6远离物镜5的一端，相机7用于通过物镜5及管镜6拍摄待测物体100，进而在实现实时对焦的情况下，还能够实现拍照功能。具体而言，相机7和控制模块11控制连接，控制模块11在确认完成对焦的情况下，便可以制动启动相机7进行拍照，实现拍照的自动化，提高工作效率，减少人力操作。

此外，为了保证视野亮度充足。如图3-5所示，对焦***还包括明场光源8。本实施例中，明场光源8设置于反射镜1朝向待测物体100的一侧，待测物体100位于明场光源8和反射镜1之间，明场光源8用于产生明场光，进而实现补光。同样的，明场光源8和控制模块11控制连接，以控制明场光源8。

除此之外，如图3-5所示，结合前文对焦方法所述，本实施例中，待测物体100包括样品和透明载片，样品承载于透明载片上，透明载片放置于载台12的上表面上。同时，载台12上开设有透光孔，第一反射光线β能够穿过透光孔，照射于透明载片的下表面，并经透明载片的下表面反射产生返回光线γ，进而保证能够采用前文所述的对焦方法进行对焦。

进一步地，对焦***还包括载台驱动机构13。载台驱动机构13与载台12驱动连接，载台驱动机构13能够驱动载台12进行水平移动。载台驱动机构13为现有直线机构，具体不再赘述。载台驱动机构13和控制模块11控制连接，以控制载台驱动机构13工作。

此外，可以想到的是，如图6-7所示，在本实施例提供的对焦***的基础上的另一种实施例中，也可以将物镜5布置于待测物体100的正上方，将反射镜1依然布置于物镜5与待测物体100之间，且正对于物镜5，其它结构不再修改。此时，第一反射光线β直接照射到待测物体100的样品表面上，因此不存才考虑透明载片的厚度C₃的问题。因此，待测物体100与物镜5的实际距离C＝C₁+C₂，距离换算公式依然为：A＝D+C₂。该改进的实施例可以适用于允许物镜5布置在待测物体100的正上方的应用场景中。

同样的，可以想到的是，如图8所示，在本实施例提供的对焦***的基础上的再一种实施例中，可以将反射镜1布置于物镜5靠近待测物体100一侧的避让位处，以用于避让物镜5。如前文所述，对焦***依然还包括载台12和载台驱动机构13。待测物体100放置于载台12上；载台驱动机构13与载台12驱动连接，且载台驱动机构13能够驱动载台12移动，以使载台12上的待测物体100可选择地移动至测距工位或者观测工位，且沿物镜5的轴向，测距工位正对反射镜1，观测工位正对物镜5，测距工位和观测工位均位于垂直于物镜5的轴线的平面内。

当待测物体100位于测距工位时，对焦***能够通过前文所述的激光测距方法测量获取测量距离A；而当待测物体100位于观测工位时，对焦***能够根据前文所述的激光测距方法以及对焦方法完成自动对焦。该设计的优点在于，能够避免反射镜1对物镜5的观测的干扰，反射镜1可以不采用半透半反镜，其厚度也可不做限定。但是实际调焦时，待测物体100只能先在测距工位，完成测量距离A测量；然后，在载台驱动机构13的驱动下，使待测物体100停靠位于观测工位后，才能进行对焦。因此，与图3的实施例相比误差较大(但对***而言在可允许范围内)，工作效率也受影响，无法将观测和对焦动作进行同步实施。

为此，在另一些实施例中，定义待测物体100位于观测工位时，正对观测工位的部分为待测物体100的E₁处(未在图8中示出)，正对测量工位的部分为待测物体100的E₂处(未在图8中示出)，直接同步使用位于测量工位处E₂测得的距离A代替E₁处的距离A进行自动对焦(无需将待测物体100先移动至测量工位测距再移动至观测工位对焦)。虽然存在一定误差，但误差在***允许范围内，且实现了同步测距和对焦。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (20)

1.一种激光测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

向反射镜(1)的反射表面发射入射角为δ的入射光线α，所述入射光线α经所述反射镜(1)反射产生第一反射光线β，所述第一反射光线β照射待测物体(100)；

摄取第二反射光线θ并在激光成像面(31)上生成激光图像，所述第二反射光线θ为所述第一反射光线β照射于待测物体(100)的表面后产生的返回光线γ，再通过所述反射镜(1)的反射表面反射产生；以及

基于所述激光图像根据几何三角定理计算获得测量距离A；

其中，以所述入射光线α的发射点和所述第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以所述入射光线α与所述第二反射光线θ延长线的相交角为顶角所构成的三角形的所述底边的高与所述测量距离A相等。

2.如权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述入射光线α的发射点与所述第二反射光线θ的接收点的连线L与所述入射光线α的夹角ε为已知常数，所述连线L与所述第二反射光线θ的夹角为ζ；

其中，ζ＝arcsin(X/(X²+Y²)^1/2)；

X表示所述接收点与所述激光成像面(31)的间距；

Y表示过所述接收点且垂直于所述激光成像面(31)的垂线与所述第二反射光线θ在激光成像面(31)上生成的激光图像之间的间距。

3.如权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述待测物体(100)为透明载片，所述透明载片包含上表面和下表面，所述透明载片的厚度等于对应于所述上表面的测量距离A_u和对应于所述下表面的测量距离A_l的差。

4.如权利要求3所述的激光测距方法，其特征在于，基于所述透明载片不同位置的厚度确定透明载片的平整度。

5.一种对焦方法，基于如权利要求1-4中任一项所述的激光测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定目标物距C₀；

确定测量距离A；其中，所述反射镜(1)布置于物镜(5)与待测物体(100)之间；

获取所述物镜(5)沿轴向与所述反射镜(1)的第一距离C₁，并基于所述测量距离A，根据距离换算公式，获取所述反射镜(1)沿所述物镜(5)的轴向与待测物体(100)的第二距离C₂；

计算获得待测物体(100)与所述物镜(5)的实际距离C；

调整并使得所述物镜(5)与待测物体(100)的实际距离C等于目标物距C₀。

6.如权利要求5所述的对焦方法，其特征在于，待测物体(100)包括样品，当所述第一反射光线β直接照射到样品表面上时，待测物体(100)与所述物镜(5)的实际距离C＝C₁+C₂，所述距离换算公式为：

A＝D+C₂；

其中，所述第一反射光线β和所述返回光线γ相对于待测物体(100)的法线与所述物镜(5)的轴线同轴或平行，D表示以所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以所述入射光线α与所述第二反射光线θ延长线的相交角为顶角，所构成的三角形的所述底边的高与所述反射镜(1)相交的交点到所述底边的距离。

7.如权利要求5所述的对焦方法，其特征在于，待测物体(100)包括样品和透明载片，当所述第一反射光线β透过透明载片照射到样品表面上时，待测物体(100)与所述物镜(5)的实际距离C＝C₁+C₂+C₃，所述距离换算公式为：

A＝D+C₂；

其中，所述第一反射光线β和所述返回光线γ相对于待测物体(100)的法线与所述物镜(5)的轴线同轴或平行，C₃为透明载片的厚度，D表示以所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L为底边，以所述入射光线α与所述第二反射光线θ延长线的相交角为顶角，所构成的三角形的所述底边的高与所述反射镜(1)相交的交点到所述底边的距离。

8.一种激光测距***，采用如权利要求1-4中任一项所述的激光测距方法，其特征在于，包括：

反射镜(1)；

激光发射机构(2)，其用于向所述反射镜(1)的反射表面发射入射角为δ的入射光线α，且所述入射光线α经反射产生第一反射光线β，所述第一反射光线β照射于待测物体(100)的表面后产生返回光线γ；

激光接收机构(3)，其用于接收所述返回光线γ通过所述反射表面反射产生的第二反射光线θ，并生成激光图像；

计算模块(10)，所述计算模块(10)用于基于所述激光图像根据几何三角定理计算获得所述测量距离A。

9.如权利要求8所述的激光测距***，其特征在于，所述激光接收机构(3)包括：

激光成像面(31)，其与所述入射光线α的发射点、所述第二反射光线θ的接收点的连线L平行；

接收透镜(32)，其用于接收所述第二反射光线θ并将所述第二反射光线θ投射于所述激光成像面(31)，所述第二反射光线θ与所述激光成像面(31)的夹角为ζ，所述入射光线α的发射点与所述第二反射光线θ的接收点的连线L 与所述入射光线α的夹角ε为已知常数；

其中，ζ＝arcsin(X/(X²+Y²)^1/2)；

X表示所述接收点与所述激光成像面(31)的间距；

Y表示过所述接收点且垂直于所述激光成像面(31)的垂线与所述第二反射光线θ在激光成像面(31)上的生成激光图像之间的间距。

10.一种对焦***，采用如权利要求5-7中任一项所述的对焦方法，其特征在于，包括如权利要求6-7中任一项所述的激光测距***，还包括：

对焦位移机构(4)；

物镜(5)，设置于所述对焦位移机构(4)上，所述对焦位移机构(4)能够使所述物镜(5)沿轴线方向相对待测物体(100)移动，以自动对焦。

11.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，所述反射镜(1)为半透半反镜。

12.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，所述第一反射光线β和所述返回光线γ相对于待测物体(100)的法线与所述物镜(5)的轴线同轴。

13.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，所述反射镜(1)布置于所述物镜(5)靠近待测物体(100)一侧的避让位处，以用于避让所述物镜(5)，所述对焦***还包括：

载台(12)，待测物体(100)放置于所述载台(12)上；

载台驱动机构(13)，与所述载台(12)驱动连接，所述载台驱动机构(13)能够驱动所述载台(12)移动，以使所述载台(12)上的待测物体(100)可选择地移动至测距工位或者观测工位，且沿所述物镜(5)的轴向，所述测距工位正对所述反射镜(1)，所述观测工位正对所述物镜(5)，所述测距工位和所述观测工位均位于垂直于所述物镜(5)的轴线的平面内；

其中，待测物体(100)位于所述测距工位时，所述对焦***能够测量获取所述测量距离A，待测物体(100)位于所述观测工位时，所述对焦***能够自动对焦，或者待测物体(100)位于所述观测工位时，获取所述测量距离A，所述对焦***能够自动对焦。

14.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，还包括：

控制模块(11)，与所述激光发射机构(2)、所述激光接收机构(3)、所述对焦位移机构(4)及所述计算模块(10)电连接，且所述控制模块(11)被配置为能够获得所述目标物距C₀、所述测量距离A，并计算获得待测物体(100)与所述物镜(5)的实际距离C，以控制对焦位移机构(4)移动，使所述物镜(5)与待测物体(100)的实际距离C等于目标物距C₀。

15.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，所述反射镜(1)与水平面呈45度倾斜设置，所述入射光线α位于水平面内。

16.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，所述反射镜(1)的厚度为650nm，所述入射光线α的波长为655nm。

17.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，还包括：

管镜(6)，同轴设置于所述物镜(5)远离所述反射镜(1)的一侧；

相机(7)，设置于所述管镜(6)远离所述物镜(5)的一端，所述相机(7)用于通过所述物镜(5)及所述管镜(6)拍摄待测物体(100)。

18.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，还包括：

明场光源(8)，所述明场光源(8)用于产生明场光。

19.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，待测物体(100)包括样品和透明载片，样品承载于透明载片上，所述对焦***还包括：

载台(12)，透明载片放置于所述载台(12)上，所述载台(12)上开设有透光孔，所述第一反射光线β能够穿过所述透光孔，照射于透明载片的下表面，并经透明载片的下表面反射产生所述返回光线γ。

20.如权利要求10所述的对焦***，其特征在于，待测物体(100)包括样品和透明载片，样品承载于透明载片上，所述对焦***还包括：

载台(12)，透明载片放置于所述载台(12)上，所述第一反射光线β直接照射于样品的上表面，并经样品的上表面反射产生所述返回光线γ。

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