CN114488169A - 同轴激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种同轴激光测距装置，同轴激光测距装置包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、第一接收透镜和探测器，激光器、聚焦透镜、带孔反射镜的孔部位以及第一接收透镜位于同一光轴上；其中，激光器，用于发射激光；聚焦透镜，用于对激光进行聚焦，以将激光通过带孔反射镜的孔部位聚焦到第一接收透镜；第一接收透镜，用于对激光进行准直处理，并将准直后的激光射向目标，以及接收由目标反射回来的回波激光，再将回波激光射向带孔反射镜除孔部位之外的区域；带孔反射镜，用于将接收到的回波激光发射给探测器；探测器，用于根据接收到的回波激光实现测距。采用本申请实施例实现低成本且高精度的同轴激光测距装置。

Description

同轴激光测距装置

技术领域

本申请涉及激光测距技术领域，具体涉及一种同轴激光测距装置。

背景技术

现有测距仪器的测量精度均受光斑能量的制约。尤其是民用激光器所发射的激光功率具有严格的限制，不得对人体的生命健康造成损害。利用激光进行远距离测距，无论是直接观测光斑图像测量，还是探测光波往返时间进行计算，光斑能量密度和总能量越高，对精密测距越有利。同轴激光测距仪拥有全局坐标统一的特点，相比非同轴设计，简化坐标标定步骤，降低标定误差，提高测量精度。根据光学基本理论拉亥不变量，对于确定的激光器，准直后的光束，出射激光光束宽度越小，发散角越大，光斑传输过程中能量密度下降越快；准直度越高的激光光束，出射光束则越宽。使用带孔反射镜的激光收发系统，孔越小，对于回波能量接收面积越大，能量利用率越高，但是，因为发散角增加，光束能量密度下降，二者相互矛盾，难以实现远距离测量。因此，传统同轴设计能量损失严重的缺陷，绝大多数包含有激光测距的探测装置都采用非同轴设计。非同轴设计需要将多个局部坐标统一到全局坐标，坐标标定复杂，在远距离(百米级)测距上难以达到毫米量级，少数解决方案(如全站仪)硬件(如光学系统)和软件(如坐标标定、转换和补偿算法)非常复杂，使得满足测量精度需求的设备造价高昂，因此，如何提升实现低成本且高精度的同轴激光测距装置的问题亟待解决。

发明内容

本申请实施例提供了一种同轴激光测距装置，能够实现低成本且高精度的同轴激光测距装置。

本申请实施例提供一种同轴激光测距装置，所述同轴激光测距装置包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、第一接收透镜和探测器，所述激光器、所述聚焦透镜、所述带孔反射镜的孔部位以及所述第一接收透镜位于同一光轴上；其中，

所述激光器，用于发射激光；

所述聚焦透镜，用于对所述激光进行聚焦，以将所述激光通过所述带孔反射镜的孔部位聚焦到所述第一接收透镜；

所述第一接收透镜，用于对所述激光进行准直处理，并将准直后的激光射向目标，以及接收由所述目标反射回来的回波激光，再将所述回波激光射向所述带孔反射镜除所述孔部位之外的区域；

所述带孔反射镜，用于将接收到的所述回波激光发射给所述探测器；

所述探测器，用于根据接收到的所述回波激光实现测距。

实施本申请实施例，具备如下有益效果：

可以看出，本申请实施例中所描述的同轴激光测距装置，同轴激光测距装置包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、第一接收透镜和探测器，激光器、聚焦透镜、带孔反射镜的孔部位以及第一接收透镜位于同一光轴上；其中，激光器，用于发射激光；聚焦透镜，用于对激光进行聚焦，以将激光通过带孔反射镜的孔部位聚焦到第一接收透镜；第一接收透镜，用于对激光进行准直处理，并将准直后的激光射向目标，以及接收由目标反射回来的回波激光，再将回波激光射向带孔反射镜除孔部位之外的区域；带孔反射镜，用于将接收到的回波激光发射给探测器；探测器，用于根据接收到的回波激光实现测距，能够实现低成本且高精度的同轴激光测距装置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种同轴激光测距装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种同轴激光测距装置的另一结构示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种同轴激光测距装置的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种同轴激光测距装置的另一结构示意图。

具体实施方式

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是在一个可能地示例中还包括没有列出的步骤或单元，或在一个可能地示例中还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，在大尺度建筑物形变测量和自动驾驶环境感知等领域，如隧道、桥梁和建筑的变形和沉降，自动驾驶安全路径规划，对测距装置的测量精度要求越来越高。隧道变形是指其结构的水平位移和垂直位移。在隧道运营过程中，变形往往是造成隧道开裂、结构失效的主要原因之一，变形超过正常范围时，直接影响隧道结构特性，甚至隧道的损毁，严重威胁列车运行安全。桥梁和飞机等大尺度物体形变超出正常范围时，同样会造成灾难性后果。自动驾驶环境感知设备在目标检测、识别和跟踪时需要对移动和静止目标的数量、位置和状态构建数字模型，并对运动目标行为做出准确的判断，以规划安全路线。当前，测距装置的研究与应用热点是激光测距。激光测距系统分为同轴测距系统和非同轴测距系统。同轴测距系统的激光发射与接收光路同轴，非同轴测距系统的激光发射光路与接收光路不同轴。理论上，同轴测距系统的测距因为没有将多个局部坐标统一于全局坐标的步骤，测距性能高于非同轴系统。但是在实际应用中，除少数昂贵的全站仪外，因为同轴设计存在严重的能量损耗问题，远距离测量中少见应用。采用非同轴系统测距方案的测距精度已经难以取得提升，开发高能量利用率的同轴测距系统对打破当前测距精度瓶颈是非常有意义的。

因此，本申请提供了一种同轴激光测距装置，所述同轴激光测距装置包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、第一接收透镜和探测器，所述激光器、所述聚焦透镜、所述带孔反射镜的孔部位以及所述第一接收透镜位于同一光轴上；其中，

所述激光器，用于发射激光；

所述聚焦透镜，用于对所述激光进行聚焦，以将所述激光通过所述带孔反射镜的孔部位聚焦到所述第一接收透镜；

所述第一接收透镜，用于对所述激光进行准直处理，并将准直后的激光射向目标，以及接收由所述目标反射回来的回波激光，再将所述回波激光射向所述带孔反射镜除所述孔部位之外的区域；

所述带孔反射镜，用于将接收到的所述回波激光发射给所述探测器；

所述探测器，用于根据接收到的所述回波激光实现测距。

本申请实施例中的同轴激光测距装置由于不需要复杂的结构、昂贵的部件、软件系统，因此，可以降低同轴激光测距装置的成本，另外，由于能够损耗小，故能够实现高能量利用率的轴激光测距装置，有助于保证较高的测距精度。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种同轴激光测距装置的结构示意图，如图1所示，本同轴激光测距装置可以包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、第一接收透镜和探测器，所述激光器、所述聚焦透镜、所述带孔反射镜的孔部位以及所述第一接收透镜位于同一光轴上；其中，

所述激光器，用于发射激光；

所述聚焦透镜，用于对所述激光进行聚焦，以将所述激光通过所述带孔反射镜的孔部位聚焦到所述第一接收透镜；

所述第一接收透镜，用于对所述激光进行准直处理，并将准直后的激光射向目标，以及接收由所述目标反射回来的回波激光，再将所述回波激光射向所述带孔反射镜除所述孔部位之外的区域；

所述带孔反射镜，用于将接收到的所述回波激光发射给所述探测器；

所述探测器，用于根据接收到的所述回波激光实现测距。

具体实现中，探测器可以通过光阑接收来自带孔反射镜回波激光。光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。

其中，本申请实施例中，聚焦透镜还可以包括等效聚焦透镜或者非等效聚焦透镜。

其中，第一接收透镜可以包括准直透镜或者等效准直透镜。

其中，带孔反射镜通光孔尺寸：由聚焦过孔的光斑尺寸决定。小孔越小，漏光损耗越小，即接收光总能量越高。例如，实测小孔尺寸时，光斑能量100％情况下，小孔尺寸为：0.32mm(H)×0.31mm(V)；光斑能量95％情况下，小孔尺寸为81μm(H)×77μm(V)等等，在此不做限定。其中，H表示水平，V表示垂直。

其中，带孔反射镜可以包括一片反射镜或者两片反射镜，例如，带孔反射镜的发射角度可以为45°。

其中，同轴激光测距装置通过各个部件之间的光路配合，形成激光发射光学系统，在该激光发射光学系统中，激光器出射激光由聚焦透镜(或等效聚焦透镜)和第一接收透镜完成准直。聚焦透镜将来自激光器的光束会聚在带孔反射镜的孔洞中心(或沿着光轴方向的附近位置)，同时该位置也是第一接收透镜的物方焦点。会聚的光斑继续传播，经第一接收透镜高度准直后出射。该设计解决了同轴设计中发散角和出射光斑直径对孔洞大小的制约。因为准直后的激光出射面在最后一个透镜面，出射光斑直径对系统内部无影响，小孔尺寸仅需要满足聚焦光斑通过即可，最大限度追求准直效果。在激光接收光学系统中，第一接收透镜与激光发射系统的准直透镜是同一片透镜，所使用的部分不同，即第一接收透镜具备准直和接收激光的功能。

本申请实施例中，同轴激光测距装可以包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、准直透镜、接收透镜和探测器，这些部件固定安装可以组成测量系统，准直透镜与接收透镜均可以为第一接收透镜。激光器可以为脉冲激光器，该脉冲激光器可以作为激光测距的光源。激光器、聚焦透镜、带孔反射镜和准直透镜共同组成激光发射系统，用于高能量和高度准直出射激光。接收透镜、带孔反射镜、接收透镜和探测器组成激光接收系统，用于获取高能量的接收信号；所有元器件按照同轴光路固定安装，并在安装前进行标定和校准，工作过程中相对安装关系不发生变化。

可选的，所述第一接收透镜包括外环区域和内环区域；

所述内环区域用于激光准直，所述外环区域用于接收回波激光。

其中，本申请实施例中，内环区域用于激光准直，即将激光直射到目标，外环区域则用于接收回波激光，即将回波激光传递给接收反射镜。

可选的，所述外环区域与所述内环区域的焦距不一样。

其中，外环区域与内环区域的焦距不一样，以实现两个区域的功能不一样。

可选的，所述第一接收透镜为拼接透镜；所述拼接透镜由所述外环区域所在透镜和所述内环区域所在的透镜拼接而成。

具体实现中，如图2所示，该第一接收透镜可以为拼接透镜(或镶嵌结构)，其可以分为内环区域(U区域)和外环区域(E区域)。内环区域用于激光准直，外环区域用于激光接收，内环区域与内环区域的焦距不同。大部分回波光束经过外环入射到带孔反射镜的反射面上，反射后，进入到探测器，由小孔漏光导致的能量损耗问题便得到了解决。此外，小部分回波光束经过内环入射到带孔反射镜的反射面上，此时为细光束，反射后，进入到探测器，减少漏光损耗。

具体实现中，光沿着发射光路高度准直出射，最后通过的是第一接收透镜如图2所示中U区域。由目标反射回来的回波激光，则可以分为两部分被接收，大部分经第一接收透镜图示中E区域及其后续光路接收，少量经第一接收透镜如图2中所示的U区域及其后续光路接收。

可选的，所述第一接收透镜包括单片透镜或者至少2片透镜组成的透镜组合。

具体实现中，第一接收透镜包括单片透镜或者至少2片透镜组成的透镜组合，第一接收透镜用于实现激光准直和激光接收功能。

可选的，所述带孔反射镜的孔部位的第一尺寸大小与所述聚焦透镜的聚焦光斑的尺寸大小之间的差值处于预设范围。

其中，预设范围可以预先设置，或者，系统默认，预设范围的下限值大于0，例如，预设范围可以为0～0.2毫米。带孔反射镜的孔部位的第一尺寸大小可以稍大于聚焦光斑的尺寸大小，即带孔反射镜的孔部位能够刚好容纳聚焦透镜的聚焦光斑，且不会出现衍射现象。因出射光路采用聚焦过孔的设计方式，小孔尺寸比聚焦光斑大即可，小尺寸的孔进一步减少了回波能量的损耗。

可选的，在所述根据接收到的所述回波激光实现测距方面，所述探测器具体用于：

利用脉冲法或者相位法根据接收到的所述回波激光实现测距。

具体实现中，可以通过回波激光实现测距，或者，接近检测，具体的，可以利用脉冲法或者相位法根据接收到的回波激光实现测距，当然，也可以根据其他方法根据接收到的回波激光实现测距，在此不做限定。

可选的，所述激光器包括调频激光器或者连续激光器。

其中，具体实现中，激光器可以为任一具备激光发射功能的设备，例如，激光器包括调频激光器或者连续激光器。

可选的，所述同轴激光测距装置还包括第二接收透镜；

所述第二接收透镜，用于接收由所述带孔反射镜反射过来的回波激光，以及将该回波激光会聚给所述探测器。

具体实现中，如图3所示，第二接收透镜可以用于接收由带孔反射镜反射过来的回波激光，以及将该回波激光准直给探测器。

当然，带孔反射镜反射过来的回波激光也可以先通过光阑，再到达第二接收透镜，通过第二接收透镜接收回波激光，再将该回波激光准直给探测器。

可选的，所述第二接收透镜包括单片透镜或者至少2片透镜组成的透镜组合。

其中，第二接收透镜包括单片透镜或者至少2片透镜组成的透镜组合，通过该第二接收透镜可以实现准直功能。

具体实现中，本申请实施例提供了一种具有高能量利用率的同轴激光测距装置。激光出射能量接近激光器发光能量；出射激光高度准直，光波在空气中传播能量密度的下降速度缓慢；接收光因小孔漏光问题导致的损耗可忽略不计(低于2％)。激光发射系统和接收系统的能量利用率可以得到极大的改善，同轴测距系统可以取得实际应用，能够打破非同轴测距结构的精度瓶颈，提高测距系统的测距性能。

本申请实施例中，聚焦透镜可以为聚焦透镜组，第一接收透镜可以为准直透镜组，第二接收透镜也可以为准直透镜组，其中，聚焦透镜组或准直透镜组可为变焦镜组，即沿光轴方向做微调，用于调节光束的发散和会聚。例如，可实现将光斑聚焦到目标(标靶)的靶面处，可实现出射光束能量密度的调节。

具体实现中，本申请实施例中，如图4所示，本申请实施例中的同轴激光测距装置可以包括激光发射系统，该激光发射系统可以包括：激光器(可自身含有准直系统)、聚焦透镜组(至少一个聚焦透镜)、带孔反射镜和准直镜组(至少一个准直透镜)。激光聚焦在带孔反射镜的小孔(或小孔附近)后入射到准直镜组，准直后发射。

其中，本申请实施例中，激光发射系统、激光接收系统光轴同轴，即可以实现坐标系的统一。二者坐标关系只需要沿单个坐标轴进行计算，从而，可以简化后续测距运算，提升测距效率。

进一步的，本申请实施例中，本申请实施例中的同轴激光测距装置可以包括激光接收系统，该激光接收系统可以包括：第一接收镜组(至少一个接收透镜)、带孔反射镜、第二接收透镜和探测器。第一接收镜组可以分为内部和外部两个部分。内部结构为激光出射系统的准直镜组；外部结构将多数接收光聚焦在探测器接收面上，内部结构将接收光束的少量能量入射到探测器表面。

具体实现中，同轴激光测距装置中激光发射光路和激光接收光路同轴。

本申请实施例中的同轴激光测距装置采用同轴分视场收发方案，在激光发射光学系统中，激光器出射激光由聚焦透镜(或等效聚焦透镜)和准直透镜(或等效准直透镜)完成准直。聚焦透镜将来自激光器的光束会聚在带孔反射镜的孔洞中心(或沿着光轴方向的附近位置)，同时该位置也是准直透镜的物方焦点。会聚的光斑继续传播，经准直透镜高度准直后出射。该设计解决了同轴设计中发散角和出射光斑直径对孔洞大小的制约。因为准直后的激光出射面在最后一个透镜面，出射光斑直径对系统内部无影响，小孔尺寸仅需要满足聚焦光斑通过即可，最大限度追求准直效果。在激光接收光学系统中，第一片接收透镜与激光发射系统的准直透镜是同一片透镜，所使用的部分不同。该透镜为拼接透镜(或镶嵌结构)，分为内环和外环。内环用于激光准直，外环用于接收，二者焦距不同。大部分回波光束经过外环入射到带孔反射镜的反射面上，反射后，进入到探测器，由小孔漏光导致的能量损耗问题便得到了解决。此外，小部分回波光束经过内环入射到带孔反射镜的反射面上，此时为细光束，反射后，进入到探测器，减少漏光损耗。因出射光路采用聚焦过孔的设计方式，小孔尺寸比聚焦光斑大即可，能够避免出现衍射现象，小尺寸的孔进一步减少了回波能量的损耗。

进而，由于不需要复杂的结构、昂贵的部件、软件系统，因此，可以降低同轴激光测距装置的成本，另外，由于能够损耗小，故能够实现高能量利用率的轴激光测距装置，有助于保证较高的测距精度。

以上是本申请实施例的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种同轴激光测距装置，其特征在于，所述同轴激光测距装置包括：激光器、聚焦透镜、带孔反射镜、第一接收透镜和探测器，所述激光器、所述聚焦透镜、所述带孔反射镜的孔部位以及所述第一接收透镜位于同一光轴上；其中，

所述激光器，用于发射激光；

所述聚焦透镜，用于对所述激光进行聚焦，以将所述激光通过所述带孔反射镜的孔部位聚焦到所述第一接收透镜；

所述第一接收透镜，用于对所述激光进行准直处理，并将准直后的激光射向目标，以及接收由所述目标反射回来的回波激光，再将所述回波激光射向所述带孔反射镜除所述孔部位之外的区域；

所述带孔反射镜，用于将接收到的所述回波激光发射给所述探测器；

所述探测器，用于根据接收到的所述回波激光实现测距。

2.根据权利要求1所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述同轴激光测距装置还包括第二接收透镜；

所述第二接收透镜，用于接收由所述带孔反射镜反射过来的回波激光，以及将该回波激光会聚给所述探测器。

3.根据权利要求2所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述第二接收透镜包括单片透镜或者至少2片透镜组成的透镜组合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述第一接收透镜包括外环区域和内环区域；

所述内环区域用于激光准直，所述外环区域用于接收回波激光。

5.根据权利要求4所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述外环区域与所述内环区域的焦距不一样。

6.根据权利要求4或5所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述第一接收透镜为拼接透镜；所述拼接透镜由所述外环区域所在透镜和所述内环区域所在的透镜拼接而成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述第一接收透镜包括单片透镜或者至少2片透镜组成的透镜组合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述带孔反射镜的孔部位的第一尺寸大小与所述聚焦透镜的聚焦光斑的尺寸大小之间的差值处于预设范围。

9.根据权利要求1-8任一项所述的同轴激光测距装置，其特征在于，在所述根据接收到的所述回波激光实现测距方面，所述探测器具体用于：

利用脉冲法或者相位法根据接收到的所述回波激光实现测距。

10.根据权利要求1-9任一项所述的同轴激光测距装置，其特征在于，所述激光器包括调频激光器或者连续激光器。

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