CN1779486A - 激光测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光测距装置，旨在提供一种结构简单、适合小型化、测量精度高的激光测距装置。所述激光测距装置包含一个激光发生器，一个准直透镜，一个光电转换器，一个接收物镜，一个控制分析***，所述准直透镜的光轴和所述接收物镜的光轴重合。

Description

激光测距装置
技术领域
本发明涉及一种测量到被测物体之间距离的测距装置，尤其是一种用激光发生器发出的激光信号作为测距信号进行距离测量的激光测距装置。
背景技术
将带有激光发射、接收***以及激光信号处理***的激光测距装置应用到实际距离测量中早已有之。美国专利号为US4325638，公开日为1982年4月20日，名称为‘光电测距装置’的专利中公开了一种激光测距装置。如附图1所示，该激光测距装置11的激光发生器110和光电转换器111分别位于反射镜112的两侧，反射镜112的中心线和汇聚物镜113的轴线重合。激光发生器110发出一束具有一定发散角度的激光束，经过反射镜112反射和物镜113折射后成为平行光束114，并投射到目标反射镜115上，经过目标反射镜115反射后成为反射光束116，再经过物镜113和反射镜112共同作用后聚焦于光电转换器111的光接收面上，然后由信号处理***对接收到的反射光信号进行处理得到激光测距装置到目标反射镜115之间的距离。这种激光测距装置的距离测量范围很大，可以到达几百米甚至上千米远，但是将激光发生器和光电转换器分别置于汇聚物镜轴线的两侧也使得该类型的激光测距装置体积偏大，不便于携带，在测量过程中也不便于经常移动。
欧共体专利号为EP701702，公开日为1997年2月5日，名称为‘测距装置’的专利中公开了一种可以测量测距装置到自然粗糙表面之间距离的可见激光测距装置。该测距装置可以精确测量从测距装置前端其几十米范围内的距离。如附图2所示，该激光测距装置的激光发生器120发出的激光束经过一个准直透镜121准直后成为沿着光轴1210方向的平行的出射光束122。该出射光束122投射到自然粗糙的目标面126上后经过散射后有一部分激光被反射到接收物镜124上。准直透镜121的光轴1210和接收物镜124的光轴1240平行。当目标面126和测距装置距离较远时，被目标面126反射回来的激光形成的光束123可以近似地被看成平行于接收物镜124光轴1240的平行光束，经过接收物镜124汇聚后聚焦于接收物镜124的焦点处。因此将光电转换器125安装在光轴1240上并使光电转换器125的光接收面位于接收物镜124的焦点处就可以准确接收到反射光束123的成像。当目标面126和测距装置距离较近，例如1米或者2米以内时，被目标面126发射回来的激光形成的光束127和光轴1240成一定角度，经过接收物镜124汇聚后形成的像偏离光轴1240并位于接收物镜124聚焦面的后方。此时就需要一些机械装置来移动光电转换器125使其能够接收到反射光的成像，如附图2中虚线所示。当然也可以采用一些光学元件来改变反射光的方向，如附图3中所示的反射镜128，附图4中的折射透镜129，等等。但是不论是采用一些机械装置使光电转换器移动，还是在光路中附加一些光学元件使激光改变方向都会造成测距装置的内部结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、测量精度高的激光测距装置。
为实现以上目的，本发明所提供的激光测距装置包含一个用于产生经过高频脉冲信号调制的激光束的激光发生器，一个用于使激光发生器所发出的激光束准直的准直透镜，一个具有一个光接收面用于接收激光信号并将其转换为相应电信号的光电转换器，一个用于接收从被测表面反射回来的激光并使其成像到光电转换器的光接收面上的接收物镜，一个和激光发生器以及光电转换器连接、用于对激光发生器进行高频脉冲信号调制、并且处理光电转换器输出的电信号从而得到被测距离的控制分析***。准直透镜的光轴和接收物镜的光轴重合。激光发生器装在准直透镜的光轴上，并且位于准直透镜的焦点处。光电转换器装在接收物镜的光轴上，其光接收面位于接收物镜的焦点处。
本发明所提供的激光测距装置还包含一个提供内部已知距离的内部参考光路。引入内部参考光路的目的是为了给外部距离测量提供一个参考距离的值，补偿在电子电路中和光电转换器中的漂移效应，提高测量精度。
正是由于本发明所提供的激光测距装置的结构简单，更进一步降低了制造成本，并且使其易于小型化，尤其适合于制成袖珍式的手持仪器。
附图说明
图1为美国专利US4325638所揭示的激光测距装置的光路示意图；
图2-4为欧共体专利EP701702所揭示的激光测距装置的光路示意图；
图5为本发明所提供的激光测距装置的测量光路的第一种优选实施方式的示意图；
图6为本发明所提供的激光测距装置的外部测量光路的第二种优选实施方式的示意图；
图7为本发明所提供的激光测距装置的外部测量光路的第三种优选实施方式的示意图；
图8为图7所揭示的激光测距装置的外部测量光路沿着B-B方向的剖视图。
具体实施方式
如图5所示的是本发明所提供的激光测距装置的测量光路的第一种优选的实施方式。该激光测距装置包含：一个产生经过高频脉冲信号调制的激光束的激光发生器20，一个使激光发生器20所发出的激光准直的准直透镜22，一个接收从被测物体(图中未示出)反射回来的激光并使其汇聚的接收物镜33，一个接收激光信号并将其转换为相应电信号的光电转换器30，一个和激光发生器以及光电转换器连接、对激光发生器20进行高频脉冲信号调制、并且处理光电转换器30输出的电信号从而计算被测距离的控制分析***(图中未示出)。
控制分析***包含有调制激光发生器20的电路，用于对激光发生器20进行高频脉冲信号调制，使得激光发生器20产生高频调制激光用于距离测量。控制分析***还包含有信号处理分析电路，对光电转换器30输出的电信号进行处理分析得到被测距离并显示出来。
本发明所提供的激光测距装置中，激光发生器20优选地采用能够产生可见激光的激光二极管，光电转换器30优选地采用雪崩光电二极管或者PIN光电二极管。在本优选实施方式中，激光发生器20和准直透镜22都装在一个固定件24上。该固定件24是一个具有圆环形横截面，一端开口而另一端闭合的管状元件，其内表面具有一定长度的螺纹(图中未示出)。激光发生器20被固定在固定件24的闭合端，能够朝着固定件24的开口端发射激光。准直透镜22装在一个环形固定件25上。该环形固定件25的外表面具有螺纹(图中未示出)，和固定件24内表面的螺纹相互配合，这样在装配过程中就可以前后调节准直透镜22到激光发生器20之间的距离，使得激光发生器20位于准直透镜22的焦点上。激光发生器20产生具有一定发散角度的激光21，经准直透镜22准直后成为沿着光轴29的方向发出的平行出射光束23。
接收物镜33在其中心位置处有一个通孔331，用于容纳固定件24。在装配过程中，先调节固定件24使准直透镜22的光轴29和接收物镜33的光轴39重合，然后利用胶水将固定件24固定在孔331中。光电转换30装在接收物镜33的光轴39上，其光接收面300位于接收物镜的焦点处。
当测量远距离物体时，从被测体反射回来的反射光束34为沿着光轴39方向的平行光，经过接收物镜33汇聚后成为光束31并成像于接收物镜33的焦点处，也即光电接收器30的光接收面300上。当测量近距离物体时，从被测物体反射回来的反射光束34’为沿着光轴39方向的发散光束，经过接收物镜33汇聚后成为光束31’并成像于接收物镜的光轴39上位于其焦点之后的位置A处，此时光电转换器的接收面300仍然能够接收到部分反射光。由于近距离测量时，从被测物体反射回来的激光强度比远距离测量时强得多，因此光电转换器30在接收物镜的焦点处也能够接收到足够强度的反射光，而不需要移动到位置A处。
如果激光发生器20发出的激光直接射入接收透镜33，接收透镜33就会将其中的一部分激光反射到光电转换器30的光接收面300上，而这部分激光的强度远远大于从被测物体反射回来的激光通过接收透镜33汇聚后所形成光束31或者31’的强度，从而掩盖了反射光，使得光电转换器30饱和导致激光测距装置不能够正常工作。因此固定件24优选的采用不透光材料制成，或者其内表面或者外表面中的至少一个覆盖有不透光材料。通过这种方式，将激光发生器20和接收透镜33隔离，使得激光发生器20所发出的激光不会直接射入接收物镜33。本技术领域的普通技术人员应该可以理解到，在固定件可以使激光发生器发出的激光不会直接射入接收透镜的前提下，该固定件24还可以被设计成其他形状和结构。
激光发生器20、准直透镜22、接收物镜33和光电转换器30组合形成一个外部测量光路。
众所周知，为了补偿电子电路中和光电转换器中的漂移效应，为了对测量外部距离之前和之后进行比较，需要测量一个具有已知长度的内部参考距离。在本发明所提供的激光测距装置的光路上还装有一根光导纤维40，其一端41用于接收从激光发生器20发出的激光21的一部分，其另一端42用于朝着光电转换器30的光接收面300射出这部分激光，从而形成一个内部参考光路。
本发明所提供的激光测距装置还包含一个可以移动的挡光板50，用于使所述激光测距装置在内部参考光路和外部测量光路之间切换。当挡光板50位于图5中实线所示位置时，光电转换器30接收外部测量光路上从被测物体反射回来的激光；当挡光板50位于图5中虚线所示位置时，光电转换器30接收内部参考光路上从光导纤维40的端部42射出的激光。
如图6所示的是本发明所提供的激光测距装置的外部测量光路的第二种优选的实施方式。和图5所示的第一种优选实施方式相同的是，激光测距装置的外部测量光路同样由激光发生器20、准直透镜22、接收物镜33’以及光电转换器30构成。所不同的是接收物镜33’在沿着光轴39的方向上充分的厚，其中心孔331’足够长，使得激光发生器20和准直透镜22可以直接装在孔331’中。准直透镜22的光轴29和接收物镜33’的光轴39’重合，激光发生器20装在22光轴29上准直透镜的焦点处，光电转换器30装在接收物镜33’的光轴39’上，其光接收面300位于接收物镜33’的焦点处。孔331’的内壁需要涂覆一层由不透光材料构成的涂层，使得激光发生器20所发出的激光不会直接射入接收物镜33’。
如图5和图6所示的优选的实施方式中，接收物镜33和33’的中心孔311以及331’为通孔。正如本技术领域内的技术人员能够很容易想到的，所述中心孔接近激光发生器的一端也可以是封闭的。在其他的实施方式中也可以将装有激光发生器20和准直透镜22的固定件24装在光电转换器30和接收物镜之间，使得平行光23通过该通孔投射出去。因为此时激光发生器20发出的发散光束21已经被准直为平行光23，所以激光发生器20发出的光不会直接投射到接收物镜33上。但是由于固定件24不透光，为了保证光电转换器30接收到足够多的反射激光，固定件24垂直于光轴39的截面面积必须足够小。
如图7所示的本发明所提供的激光测距装置的外部测量光路的第三种优选的实施方式。其外部测量光路的主要构件和前面两种优选的实施方式相同，所不同的是接收物镜33不具备用于容纳激光发生器20和准直物镜22的中心孔，光电转换器30装在接收物镜33的一侧，激光发生器20和准直透镜22装在接收物镜33的另一侧。光电转换器30装在接收物镜33的光轴39上，其光接收面300位于接收透镜33的焦点处。激光发生器20和准直透镜22装在固定件24中。激光发生器20被固定在准直透镜22的光轴29上的焦点处，位于准直透镜22和接收物镜33之间。接收物镜33装在一个管形的第一支架36中，固定件24通过一个第二支架28被固定在第一支架36中。在装配过程中，调节接收物镜33和准直透镜22的相对位置使得两者的光轴重合。如图8所示的是图7中的激光测距装置的外部测量光路沿着B-B方向的剖面视图。第二支架28由中间的环形部分和从该环形部分向外沿着半径方向伸出的支撑筋构成。在保证强度的前提下，支撑筋应尽量薄，这样对光电转换器30接收到的从被测物体反射回来的激光强度的影响几乎可以忽略不计。
在本发明所提供的激光测距装置中，通常准直透镜的直径约4-5毫米，接收物镜的直径约30毫米。由于准直透镜的面积只有接收物镜面积的几十分之一，因此光电转换器仍然能够接收到足够强度的从被测物体反射回来的激光。本技术领域的普通技术人员能够很容易理解到，此处提出准直透镜和接收物镜的尺寸只是作为说明两者之间的尺寸关系的一个例子，而并不是用于对两者作出任何尺寸上的限定。通过这种方式，本发明所提供的激光测距装置不需要移动光电转换器或者附加使光线改变方向的光学元件就可以进行远距离测量和近距离测量，从而简化测距装置的内部结构，使其适合于小型化，尤其适合于制成袖珍式的手持仪器，同时还降低了制造成本。本发明所提供的激光测距装置在没有任何附加的反光装置安装在被测物体的情况下，可以测量从激光测距装置前端到几十米的距离范围，如果在被测物体上安装反光装置来增加反射光的强度，还可以进一步扩大测量范围。
上述内容仅仅提供了本发明的优选的实施方式。本技术领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易想到，在不脱离权利要求书所限定的本发明的构思和范围的条件下，可以作出多种变化和改动。显然的，这些变化和改动仍然在本发明的权利要求所限定的保护范围内。

Claims (12)

1.一种激光测距装置，包含一个产生高频调制测量光束的激光发生器、一个使所述测量光束准直的准直透镜、一个接收从被测物体反射回来的测量光并使其成像的接收物镜、一个接收反射测量光通过接收物镜的成像的光电转换器、一个和激光发生器以及光电转换器连接、对激光发生器进行高频脉冲信号调制使其产生高频调制测量光束、并且对光电转换器输出的电信号进行分析处理得到被测距离并显示出来的控制分析***，其特征在于：所述准直透镜的光轴和接收物镜的光轴重合。
2.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发生器装在所述准直透镜的光轴上。
3.如权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发生器位于准直透镜的焦点处。
4.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器装在所述接收物镜的光轴上。
5.如权利要求4所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器的光接收面位于所述接收物镜的焦点处。
6.如权利要求1到5中任一权利要求所述的激光测距装置，其特征在于：所述接收物镜在沿着自身光轴的方向具有一个孔。
7.如权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发生器和所述准直物镜装在所述接收物镜的孔中，所述接收物镜的孔的内壁被不透光材料覆盖。
8.如权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发生器和所述准直透镜装在一个固定件中，所述固定件包含一个内壁和外壁，所述内壁和外壁中的至少一个被不透光材料覆盖，或者所述固定件由不透光材料制成。
9.如权利要求8所述的激光测距装置，其特征在于：所述固定件装在所述接收物镜的孔中。
10.如权利要求8所述的激光测距装置，其特征在于：所述固定件装在所述光电转换器和所述接收物镜之间，所述激光发生器所发出的激光经过所述准直透镜准直后穿过所述接收物镜的孔投射到被测物体上。
11.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器装在所述接收物镜的一侧，所述激光发生器和所述准直透镜装在所述接收物镜的另一侧。
12.如权利要求12所述的激光测距装置，其特征在于：所述光电转换器、所述接收透镜、所述激光发生器、以及所述准直透镜按照顺序依次排列。
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