CN201886152U - 一种激光测距*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光测距***，涉及一种可用于通信测量领域的新型光学***，能够提高激光测距的检测性能。本实用新型的激光测距***包括出光装置、收光装置和计算单元，所述出光装置出射高阶模激光，所述收光装置接收所述出光装置出射的高阶模激光经物体表面反射回来的信号光，所述计算单元对所述收光装置接收的信号光的光强进行计算得到需要测量的距离。并且本实用新型优选采用TEM₀₁模式或TEM₁₀模式的高阶模激光。由于高阶模激光和基模激光存在着光强分布的差异，因此通过调整高阶模激光的出射光强，可以接收到反射回来的信号光的光强峰值，从而提高激光测距的检测性能。本实用新型可用于激光测距技术领域。

Description

一种激光测距***

技术领域

本实用新型涉及一种可用于通信测量领域的新型光学***，尤其涉及一种激光测距***。

背景技术

现有激光测距的光学***大概可以分为两类：同轴光学***和异轴光学***。这两种***的主要不同在于出射激光的中心和探测器的中心的相对位置：同轴光学***是指两个中心在同一条光轴上，激光器(或反射镜)在接收透镜的前面，信号光出射后经物体反射回到透镜表面被聚焦到探测器表面；而异轴光学***是指两个中心不在一条光轴上，反射回来的信号光也由透镜聚焦到探测器表面，此方案的主要目的是解决激光器(或反射镜)挡光。

对于同轴光学***，由于激光器(或反射镜)在接收透镜的前端，反射回来的信号光中的一部分将被激光器(或反射镜)遮挡而无法到达探测器件的表面，即损失了一部分反射信号光。对于异轴光学***，由于探测器和激光器不在同一条光轴上，只有在透镜表面的一部分的反射回来的信号光能到达探测器表面，这也损失了反射光能量。

在实现本发明的过程中发明人发现，由于基模激光的光强峰值在正中心，镜面反射回来的信号光的光强峰值也在正中心，因此无论采用现有何种(同轴或异轴)光学***，都无法接收到反射回来的信号光的光强峰值，从而影响到激光测距的检测性能。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光测距***，能够提高激光测距的检测性能。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

提供一种激光测距***，包括出光装置和收光装置，所述出光装置用于出射高阶模激光，所述收光装置用于接收所述高阶模激光经物体表面反射回来的信号光。其中，

所述出光装置沿出光方向包括的元件有：基模激光光源，准直透镜，偏振片，半圆形的相位调整片，聚焦透镜，光纤和出光准直透镜；所有所述元件的中心都处于同一条出射光轴上，并且所述基模激光光源的发光端面中心处于所述准直透镜的焦点上，所述光纤的前端面中心位于所述聚焦透镜的焦点上，所述光纤的后端面中心位于所述出光准直透镜的焦点上；其中所述偏振片和所述半圆形的相位调整片的组合产生π的相位差。

所述收光装置沿收光方向包括的元件有：收光聚焦透镜，滤光片和光电探测器；所有所述元件的中心都处于同一条反射光轴上，并且所述光电探测器的收光端面中心处于所述收光聚焦透镜的焦点上，所述滤光片的半径大于等于所在位置处的聚焦光束的半径。

优选地，所述半圆形的相位调整片的直径与所述偏振片的偏振方向垂直，以保证出射光光强分布沿出射光轴的水平方向。

优选地，所述准直透镜、所述偏振片、所述半圆形的相位调整片和所述聚焦透镜具有相同的半径，以保证产生的所有基模激光都能够进入光纤。

优选地，所述光纤的归一化频率处在2.40483到3.83170之间。并且可选地，所述光纤的纤芯为椭圆形。

优选地，本实用新型采用TEM₀₁模式或TEM₁₀模式的高阶模激光。

本实用新型的有益效果是：由于出射的高阶模激光的峰值不在出光端面的中心，其经物体表面反射回来的信号光的峰值也不在收光端面的中心，这就解 决了中心挡光的问题，使得收光装置可以尽可能地接收到更多地信号光，从而有利于提高激光测距***的检测性能(量程和精度)。此外，由于采用了偏振的信号光，从而可以消除一半自然光对信号光的影响，这也将有利于提高激光测距***的检测精度。

附图说明

图1(a)为高阶模激光和基模激光在异轴光学***的对比图；

图1(b)为高阶模激光和基模激光在同轴光学***的对比图；

图2为本实用新型提供的激光测距***的组成示意图；

图3为本实用新型提供的光纤中模式叠加的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的发明内容作进一步的描述。

本实用新型提供的一种激光测距***，包括出光装置、收光装置和计算单元，由所述出光装置出射高阶模激光，由所述收光装置接收所述出光装置出射的高阶模激光经物体表面反射回来的信号光，并由所述计算单元对所述收光装置接收的信号光的光强进行计算得到需要测量的距离。

本实用新型的激光测距***通过出光装置出射高阶模激光，然后由收光装置接收所述高阶模激光经物体表面反射回来的信号光来进行测距，通过反射光强反映出需要测量的距离；由于高阶模激光和基模激光存在着光强分布的差异，因此通过调整高阶模激光的出射光强，可以接收到反射回来的信号光的光强峰值，从而提高激光测距的检测性能。

为便于理解本实用新型，首先对高阶模激光和基模激光的光强分布的差异做补充说明。

使用稳定腔体的激光器输出的激光都是以高斯光束的形式在自由空间中传 播，即激光光强在垂直于传播方向上的平面呈现高斯分布(Gaussian Distribution)。对于常见的方形稳定腔，出射光强可以用厄米-高斯光束来表达：

$I_{\mathrm{mn}}=I_0{H}_m\left(\frac{\sqrt{2}}{w}x\right)H_n\left(\frac{\sqrt{2}}{w}y\right){\left(\exp (-\frac{x^2+y^2}{w^2})\right)}^2$

式中，x，y是平面上的位置，w是激光光束的腰宽，H_m，n是厄米多项式，I₀是中心光强，m，n代表了出射激光的模式。当m和n都为零时的激光称为基模(TEM₀₀)激光，当m和n不都为零时的激光都称为高阶模(TEM_mn)激光。

以TEM₁₀模式(或TEM₀₁模式)为例，当m＝1，n＝0时高阶模激光输出光强的厄米-高斯分布为：

$I_{10}=I_0{H}_1\left(\frac{\sqrt{2}}{w}x\right)H_0\left(\frac{\sqrt{2}}{w}y\right){\left(\exp (-\frac{x^2+y^2}{w^2})\right)}^2$

其中上式中的厄米多项式为：H₀(X)＝1，H₁(X)＝2X，因此可以得到传播平面上TEM₁₀模式的光强分布。

本领域技术人员所公知，基模激光的光强峰值在光斑的中心，而高阶模激光的光强峰值不在光斑的中心，因此采用高阶模激光作为出射光，其经物体表面反射回来的信号光的光强峰值也不在光斑的中心，这就解决了中心挡光的问题。

参见图1(a)和图1(b)，图1(a)为高阶模激光和基模激光在异轴光学***的对比图；图1(b)为高阶模激光和基模激光在同轴光学***的对比图。由图1(a)和图1(b)可以看出，采用高阶模激光作为出射光，其反射光的光强峰值将被透镜接收，而且在中心的激光器只遮挡了能量最小的部分，这将有利于提升激光测距***的检测性能。

事实上，除了TEM₁₀模式和TEM₀₁模式，还存在其他的高阶模激光，但相对于TEM₁₀模式和TEM₀₁模式，其他更高模式的能量过于分散，在自由空间内 传播距离有限。高阶模(TEM_mn)光斑和基模(TEM₀₀)光斑大小有以下关系：

$w_m=\sqrt{2m+1}w$

$w_n=\sqrt{2n+1}w$

从上式可以得到各种高阶模的光斑。

本领域技术人员所公知，相对于其他高阶模，TEM₁₀模式和TEM₀₁模式的光斑较小，这意味着能量更加集中，有利于远距离测量；并且相对于基模，也不存在中心挡光的问题。基于这些的原因，在本实用新型的的激光测距***中我们优选使用TEM₁₀模式或TEM₀₁模式的高阶模激光。

下面对本实用新型的激光测距***的元件构成做进一步的说明。

参见图2，本实用新型的激光测距***的出光装置沿出光方向包括的元件可以有：基模激光光源(例如半导体基模激光光源)，准直透镜，偏振片，半圆形的相位调整片，聚焦透镜，光纤和出光准直透镜；所有这些元件的主光轴与出射光轴重合，并且基模激光光源的发光端面中心处于准直透镜的焦点上，光纤的前端面中心位于聚焦透镜的焦点上，光纤的后端面中心位于出光准直透镜的焦点上；其中偏振片和半圆形的相位调整片的组合产生π的相位差。

本实用新型的激光测距***的收光装置沿收光方向包括的元件可以有：收光聚焦透镜，滤光片和光电探测器；所有这些元件的主光轴与反射光轴重合，并且光电探测器的收光端面中心处于收光聚焦透镜的焦点上，滤光片的半径大于等于所在位置处的聚焦光束的半径。

可以理解的是，图2所示的为本实用新型的异轴的激光测距***，此时出光装置的出射光轴与收光装置的反射光轴异轴。而对于同轴的激光测距***，需要在收光聚焦透镜前端增加反射镜，使得出射光轴与反射光轴同轴。

基模激光光源产生基模激光，经过准直透镜后变成平行光，然后经过偏振片(起偏器)变成偏振光，但其光强仍保持基模激光的高斯分布。由于偏振片 和半圆形的相位调整片的组合产生π的相位差，如图2所示，假设垂直方向为x轴，则在x负半轴的偏振光将通过一个半圆形的相位调整片产生π的相位差，而x正半轴的偏振光只通过空气，这使得正负x轴的偏振光有了π的相位差。然后，具有π相位差的偏振光通过聚焦透镜进入光纤。由于半圆形的相位调整片改变了x正负半轴激光的相位，使得基模激光将不复存在，因此从出光准直透镜出射的激光只可能是高阶模激光。

本实用新型的激光测距***，由于出射的高阶模激光的峰值不在出光端面的中心，其经物体表面反射回来的信号光的峰值也不在收光端面的中心，这就解决了中心挡光的问题，使得收光装置可以尽可能地接收到更多地信号光，从而有利于提高激光测距***的检测性能(量程和精度)。此外，由于采用了偏振的信号光，从而可以消除一半自然光对信号光的影响，这也将有利于提高激光测距***的检测精度。

优选地，为保证出射光光强分布沿出射光轴的水平方向，以有利于收光装置的接收反射回来的信号光，需要调整半圆形的相位调整片的直径与所述偏振片的偏振方向垂直。

另外，由于基模激光光源的发光端面中心处于所述准直透镜的焦点上，使得准直透镜的直径能够接收到所有基模激光光源产生的基模激光。优选地，可以将出光装置的偏振片、半圆形的相位调整片和聚焦透镜与该准直透镜有相同的半径，以保证产生的所有基模激光都能够进入光纤。

光纤中的传播模式是指光场在光纤中的分布情况，传播模式可以通过求解光纤中电磁场的波动方程而获得。由于求解波动方程需要大量的计算过程，因而我们常采用光纤中的归一化频率来确定传播模式，该归一化频率的表达式为：

$V=\frac{2\mathrm{\πa}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{n_1^2-n_2^2}$

其中，a是光纤纤芯直径，λ₀是传播光在真空中的波长，n₁是光纤纤芯材料的折射率，n₂是光纤包层材料的折射率。

当光纤的归一化频率在2.40483到3.83170之间时，只有HE₁₁，TE₀₁，TM₀₁和HE₂₁这四种模式可以在光纤中传播，其他模式都被截止。

由于上述矢量模式计算非常困难，而在光纤等介质中，通常采用比较简单的简并模式(LP)去代表各种矢量模式，简并模式和归一化频率和矢量模式的关系有下表给出：

归一化频率V	矢量模式	简并模式
			0--2.40483	HE11	LP01
2.40483-3.83170	TE01，TM01，HE21	LP11
			3.83170-5.13562	HE12，HE31，EH11	LP02，LP21

通过对光纤的纤芯和包层材料的折射率，以及光纤纤芯直径等进行设计，可以使得光纤的归一化频率处在2.40483到3.83170之间，这样就只允许LP₀₁(TEM₀₀)和LP₁₁模式(TM₀₁，TE₀₁，HE₂₁)进入。

由于本实用新型采用了半圆形的相位调整片改变了偏振光的x正负半轴激光的相位，从而改变了原先的基模激光，使得激光在进入光纤前就不再是基模激光，因此光纤中通过的就可以认为是LP₁₁模式内的TE₀₁，TM₀₁和HE₂₁这三种矢量模式的叠加。

参见图3的光纤中的模式叠加示意图，由图3可以看出，TM₀₁模式和HE₂₁模式中的偶分量可以叠加出TEM₁₀模式，TE₀₁模式和HE₂₁模式的奇分量可以叠加出TEM₀₁模式，这两种模式都可以在设计好的光纤中传播。

由于光纤中含有TEM₁₀和TEM₀₁这两种模式的高阶模激光，进一步地，我们可以给光纤加上压力，即略微改变光纤纤芯的直径，使光纤纤芯由圆形变成椭圆形，由于椭圆长轴和短轴长度不同，因此使得光纤的长轴和短轴对应的归 一化频率不同，并由于短轴方向归一化频率较小，从而截止沿短轴方向的TEM模式(Transverse Electromagnetic Mode，即指传播方向上没有电磁分量的电磁波)，最终在光纤的端面得到只含一种TEM模式的偏振激光。如果施加的压力与原方向垂直，则可以获得TEM₀₁或TEM₁₀其中一种模式的高阶模激光。

上述这种选择高阶模激光的方式主要是利用圆形纤芯受压力产生形变得到，优选地，我们也可以直接采用椭圆形纤芯的光纤。选择椭圆形纤芯的光纤一般将短轴不导光，而长轴导光，从而代替这种受压力光纤。

高阶模激光经过出光准直透镜发射出去，经物体表面反射回到收光聚焦透镜表面，经过收光聚焦透镜接收的光束再经过滤光片到达光电探测器表面，此后，由光电探测器将信号光转换成为电信号进行处理，从而实现激光测距。

以上对本实用新型所提供的激光测距***进行了详细介绍，说明书的内容只是用于帮助理解本实用新型的方法及其思想；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光测距***，其特征在于，包括出光装置、收光装置和计算单元，所述出光装置出射高阶模激光，所述收光装置接收所述出光装置出射的高阶模激光经物体表面反射回来的信号光，所述计算单元对所述收光装置接收的信号光的光强进行计算得到需要测量的距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距***，其特征在于，所述出光装置沿出光方向包括的元件有：基模激光光源，准直透镜，偏振片，半圆形的相位调整片，聚焦透镜，光纤和出光准直透镜；所有所述元件的主光轴与出射光轴重合，并且所述基模激光光源的发光端面中心处于所述准直透镜的焦点上，所述光纤的前端面中心位于所述聚焦透镜的焦点上，所述光纤的后端面中心位于所述出光准直透镜的焦点上；其中所述偏振片和所述半圆形的相位调整片的组合产生π的相位差。

3.根据权利要求2所述的激光测距***，其特征在于，所述半圆形的相位调整片的直径与所述偏振片的偏振方向垂直。

4.根据权利要求2所述的激光测距***，其特征在于，所述准直透镜、所述偏振片、所述半圆形的相位调整片和所述聚焦透镜具有相同的半径。

5.根据权利要求2所述的激光测距***，其特征在于，所述光纤的归一化频率处在2.40483到3.83170之间。

6.根据权利要求5所述的激光测距***，其特征在于，所述光纤的纤芯为椭圆形。

7.根据权利要求6所述的激光测距***，其特征在于，所述出射的高阶模激光为TEM₀₁模式或TEM₁₀模式。

8.根据权利要求1-7任一所述的激光测距***，其特征在于，所述收光装置沿收光方向包括的元件有：收光聚焦透镜，滤光片和光电探测器；所有所述元件的主光轴与反射光轴重合，并且所述光电探测器的收光端面中心处于所述收光聚焦透镜的焦点上，所述滤光片的半径大于等于所在位置处的聚焦光束的半径。

9.根据权利要求8所述的激光测距***，其特征在于，所述出光装置的出射光轴与所述收光装置的反射光轴异轴。

10.根据权利要求8所述的激光测距***，其特征在于，所述收光装置在所述收光聚焦透镜前端还设置有反射镜，使得所述出光装置的出射光轴与所述收光装置的反射光轴同轴。

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