一種半導體激光測距光學系統及測距儀的制作方法

本發明涉及光電技術領域，尤其是涉及一種半導體激光測距光學系統及測距儀。

背景技術：

作為繼原子能、計算機、半導體之后人類的又一重大發明，激光被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。激光以其良好的方向性、單色性、高亮度及好相干性優點，而且其發散角和發光面積都很小，能量能高度集中在特定的空間，激光常常被用于非接觸式測距技術，這也促進了激光測量技術的迅猛發展。

同目前存在的其它幾種測量距離的技術進行比較，激光測距方法具有以下主要優點：

其一，具有很強的抵抗干擾能力和很高的分辨力，并且可以不受到地面物體的干擾和微波在地面附近產生的多路徑效應的影響，測量距離遠。

其二，結構簡單、體積小、質量輕、非接觸測量、測量速度快、測距精度高，天線尺寸也很小。

其三，安裝調整方便。正是得益于以上諸多的優點，使得激光受到人們的高度重視，并迅速地推廣開來，人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果。

因此，激光測距的方法已經成為目前測距精度要求高的最理想的選擇。

此外，作為固體激光器的一個重要分支，半導體激光器的誕生同樣對人類科技進步有著巨大的推進作用。而半導體激光測距儀，則在國內外的相關領域引起很大重視，并在諸多行業都有廣泛的應用前景，其在科研、制造以及其它高新領域的應用不斷創新。在國外已有很多相對成熟的產品，且測距精度高，攜帶方便，操作簡便，受到人們的喜愛。目前，國內的激光測距儀在智能化、小型化和測距精度等方面與發達國家相比有一定差距，而在產品的傳動機構的精度和特種膜系的設計與制造、裝配、調試等方面均無法與發達國家相比，許多國內廠家還停留在加工和仿制階段，尚不具備與國外產品競爭的能力。為縮短在半導體激光測距產品與國外的差距，加大科研及生產的投入，在較短時間內研發出與國外媲美的高性能的產品，這正在我們努力去縮短這些差距方向。

專利申請號201210415818.0公開了一種適用于激光測距儀的光學系統，包括：入射光路系統、出射光路系統、用于進行光路切換的光路切換組件，上述出射光路系統包括：用于產生激光光源的激光管、用于將上述激光光源產生的激光轉換為沿第一方向射出的直線激光束的準直透鏡組，上述光路切換組件包括 ：能改變自身折射率的折變晶體；該發明采用的光折變晶體本身位置固定，切換通過加載的電壓改變折射率實現，無活動件的機械切換結構，組件少，裝配簡單。然而，該發明不具備瞄準功能，限制了測量距離，同時由于對不同距離物體無法保證較高的圖像對比度和清晰度，所以測量精度也不高。

專利申請號201210434066.2公開了一種激光測距與瞄準共軸光系統，它的物鏡、別漢棱鏡組、測距立方棱鏡、投影立方棱鏡和目鏡組依次沿光軸分布；物鏡用于光學系統成像和激光信號的接收，將目標的像通過后面的別漢棱鏡和測距立方棱鏡成像在分劃板上，同時將激光的能量匯聚在光電探測器上；別漢棱鏡用于瞄鏡系統的轉像，使整體瞄鏡為正像系統；測距立方棱鏡實現激光與白光的分光，將激光分到光電探測器上，實現產品的測距功能，同時將白光傳送到分劃板實現目標成像；分劃板位于系統的焦平面上，帶有瞄準刻線，用于目標的瞄準；投影立方棱鏡實現對OLED顯示屏的投影，OLED顯示屏與分劃板是關于目鏡系統的共軛面，可使的目鏡同時觀察目標和OLED顯示屏都為清晰的像。然而，該發明只是激光光源和切換方式，既不能減少光能的損失，也不能通過減少光學零件數量達到減輕重量的效果，同時該發明不能實現測、瞄功能整合的目的。

專利申請號201120465752.7公開了一種半導體激光測距機光學系統，具有單筒望遠鏡、發射物鏡和接收物鏡，其中：所述發射物鏡由第一雙膠合物鏡組成，第一雙膠合物鏡表面具有可見光全部截掉的膜系，在中心波長800nm-1200nm 鍍寬帶膜系；所述接收物鏡由第二雙膠合物鏡組成；所述單筒望遠鏡、發射物鏡和接收物鏡的光軸相互平行。與現有技術相比，結構緊湊，三軸平行性好，放大倍率適宜目視觀察，薄膜光學與接受器件匹配好。同樣的，該實用新型不具備瞄準功能，對不同距離物體無法保證較高的圖像對比度和清晰度，從而影響測量精度。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種半導體激光測距光學系統及測距儀，本激光測距光學系統大大提高了激光測距儀測量距離和測量精度，實現了測距和瞄準最不易處理的環節，采用本激光測距光學系統的測距儀能夠在任何情況下，對不同距離物體依然具有較高的圖像對比度和清晰度。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種半導體激光測距光學系統，包括瞄準光路子系統、設置在所述瞄準光路子系統下側的發射光路子系統和設置在所述瞄準光路子系統上側的接收光路子系統，所述瞄準光路子系統自左向右沿入射方向分別設置有物鏡組、別漢屋脊棱鏡組、平板玻璃和目鏡組，所述別漢屋脊棱鏡組包括半五棱鏡和屋脊棱鏡，所述目鏡組沿入射方向包括膠合透鏡組和雙凸透鏡；所述發射光路子系統沿光軸方向依次包括膠合棱鏡、準直透鏡和半導體發射光源，所述膠合棱鏡包括所述半五棱鏡和楔形鏡，所述楔形鏡與所述半五棱鏡用光敏膠膠合；所述接收光路子系統沿光軸方向依次包括接收鏡組、雙凹透鏡和光信號接收器。

進一步的，所述物鏡組與所述別漢屋脊棱鏡組之間的空氣間隔為53.5mm，所述別漢屋脊棱鏡組與所述平板玻璃之間的空氣間隔為6.6mm，所述平板玻璃與所述膠合透鏡組之間的空氣間隔為2.89mm，所述半五棱鏡與所述屋脊棱鏡之間的空氣間隔為0.8mm，所述膠合透鏡組與所述雙凸透鏡之間的空氣間隔為0.5mm，所述膠合棱鏡與所述準直透鏡之間的空氣間隔為6.2mm，所述準直透鏡與所述半導體發射光源之間的空氣間隔為11.2mm，所述接收鏡組與所述雙凹透鏡之間的空氣間隔為22.5mm。

進一步的，所述物鏡組由H-K9L和H-F4兩種光學材料膠合而成。

進一步的，所述別漢屋脊棱鏡組由H-K9L光學材料制成。

進一步的，所述平板玻璃由YS1光學石英玻璃制成。

進一步的，所述膠合透鏡組由H-ZF7LA和H-ZK9A兩種光學材料膠合而成。

進一步的，所述雙凸透鏡由H-ZK9A光學材料制成。

進一步的，所述膠合棱鏡和所述準直透鏡均由H-K9L光學材料制成。

進一步的，所述接收鏡組由HB16紅色光學玻璃制成，所述雙凹透鏡由H-ZF1光學玻璃制成。

一種測距儀，包括一種半導體激光測距光學系統。

本發明的有益效果是：

本發明采用別漢屋脊棱鏡組和膠合棱鏡的組合來解決激光測距系統的測、瞄合一最不易處理的環節：一方面發射光路子系統采用偏歪光學發射方案即將發射光路子系統設置在所述瞄準光路子系統的下側以解決激光器的發射，由于發射光路子系統和物鏡組有一個設計的夾角，使激光器發射的激光脈沖或調制的連續激光光束在最短的途徑，以最少的能量損失射向目標，所以能夠減少光能損失，比普通的光學發射系統能量提高達到15%，同時由于發射光路子系統與瞄準光路子系統共用一個半五棱鏡，不僅減少光學零件數量，大大降低了制造成本，減輕系統重量，而且更加便于安裝調試；另一方面，充分利用激光器發射波長和接收器主波長，在光學系統中采用不同的膜系設計完全和發射器和接收器的光譜相吻合，消除雜散光，提高主波長分辨力，使高峰值功率激光穩定輸出，并把波束角經光學系統壓縮到幾個毫弧度，以精確照射到目標點。以小功率激光器實現高精度大距離測量，使高清透霧穩定的半導體測距光學系統在任何情況下，對不同距離物體依然具有較高的圖像對比度和清晰度。

附圖說明

圖1為本發明的激光測距光學系統的示意圖。

圖2為本發明的膠合棱鏡的膜系設計示意圖。

圖3為本發明的傳遞函數圖。

具體實施方式

下面結合附圖1至3和實施例對本發明作進一步描述。

實施例：一種半導體激光測距光學系統，包括瞄準光路子系統、設置在所述瞄準光路子系統下側的發射光路子系統和設置在所述瞄準光路子系統上側的接收光路子系統，所述瞄準光路子系統自左向右沿入射方向分別設置有物鏡組1、別漢屋脊棱鏡組、平板玻璃4和目鏡組，所述別漢屋脊棱鏡組包括半五棱鏡2和屋脊棱鏡3，所述目鏡組沿入射方向包括膠合透鏡組5和雙凸透鏡6；

所述發射光路子系統沿光軸方向依次包括膠合棱鏡、準直透鏡8和半導體發射光源9，所述膠合棱鏡包括所述半五棱鏡2和楔形鏡7，所述楔形鏡7與所述半五棱鏡2用光敏膠膠合；所述接收光路子系統沿光軸方向依次包括接收鏡組10、雙凹透鏡11和光信號接收器12。

所述物鏡組1與所述別漢屋脊棱鏡組之間的空氣間隔為53.5mm，所述別漢屋脊棱鏡組與所述平板玻璃4之間的空氣間隔為6.6mm，所述平板玻璃4與所述膠合透鏡組5之間的空氣間隔為2.89mm，所述半五棱鏡2與所述屋脊棱鏡3之間的空氣間隔為0.8mm，所述膠合透鏡組5與所述雙凸透鏡6之間的空氣間隔為0.5mm，所述膠合棱鏡與所述準直透鏡8之間的空氣間隔為6.2mm，所述準直透鏡8與所述半導體發射光源9之間的空氣間隔為11.2mm，所述接收鏡組10與所述雙凹透鏡11之間的空氣間隔為22.5mm。

所述物鏡組1由H-K9L和H-F4兩種光學材料膠合而成。

所述別漢屋脊棱鏡組由H-K9L光學材料制成。

所述平板玻璃4由YS1光學石英玻璃制成。

所述膠合透鏡組5由H-ZF7LA和H-ZK9A兩種光學材料膠合而成。

所述雙凸透鏡6由H-ZK9A光學材料制成。

所述膠合棱鏡和所述準直透鏡8均由H-K9L光學材料制成。

所述接收鏡組10由HB16紅色光學玻璃制成，所述雙凹透鏡11由H-ZF1光學玻璃制成。

半導體激光測距的基本過程是通過測量接收激光脈沖相對發射激光脈沖之間的延時，計算出該時間內激光傳播的距離，因此，起始脈沖與結束脈沖判定時間對于系統精度有著至關重要的作用，為了準確地判斷起止時間，要求激光發射脈沖盡可能窄，受激光器及調制器件阻容的限制，目前激光脈沖寬度可做到10～20ns。

在半導體激光測距技術中，無論采用哪種測距原理，首先一點都要求能在測距機處能收到足夠強度的激光回波信號，從而才能從中提取距離的信息。但是，由于激光在大氣傳輸過程中的損耗以及目標的漫反射特性等，往往使得回波信號十分微弱，尤其是在室外復雜條件下的遠距離探測情況，更為明顯，所以要求光學系統要有抵抗干擾能力和很高的分辨力，并且可以不受到地面物體的干擾，利用半導體激光器發射波長和接收器主波長，在光學系統的零件表面的膜系設計中，完全和發射器和接收器的光譜相吻合，消除雜散光，提高主波長分辨力，使高峰值功率激光穩定輸出，并把波束角經光學系統壓縮到幾個毫弧度，以精確照射到目標點。如圖2所示，為本發明的膠合棱鏡的膜系設計，具體如下：所述膠合棱鏡包括半五棱鏡2和楔形鏡7，所述半五棱鏡2的A面和E面均倒二面角，其余倒三面角，所述楔形鏡7的C 和D面均倒二面角，其余倒三面角，所述楔形鏡7與所述半五棱鏡2采用光敏膠膠合，膠合層無油漬、灰塵和氣泡；所述半五棱鏡2的工作面與側面的垂直差小于或等于18′,所述半五棱鏡2的光軸長度為22.88mm,相當于空氣層厚度15.09mm，所述膠合棱鏡的A面對于800nm～1000nm波段內波長的反射比大于或等于98%，所述膠合棱鏡的B面對于800nm～1000nm波段內的光波的透過率大于或等于98%且峰值波長為905nm；所述楔形鏡7的光軸長度為6.33mm，相當于空氣層厚度4.176mm，所述楔形鏡7的C面和D面對于800nm～1000nm波段內的光波的反射比均小于或等于1.0%且峰值波長為870nm。

半導體激光發射光路子系統，輸出激光質量取決于光學系統傳遞特性。幾何光學是在空域研究光學系統成像規律，其實與空域相平行還可以在頻域中分析光學系統成像質量，即用傳遞函數來研究系統空間頻率傳遞特性，而且在系統中的高清晰度的兩大重要指標包括分辨力和反差，而分辨力是指再現照射物體細節能力，而反差則是指再現被照物體低反差細節，所以，本系統的設計必須連同物鏡組、膠合棱鏡、準直透鏡一起設計校正像差，如圖3所示，運用ZEMAX光學設計軟件設計發射系統并進行優化，而其優化的程度往往決定了其測量距離的量程和精度，使其光學傳遞函數在截止頻率為60LP/mm達到0.3～0.5，傳函完全與激光器發射主波長適配。

接收光路子系統的光學設計，由于光學系統對能量的衰減及接收系統的同軸存在一定程度上的偏差造成信號強度偏低，因此，光學系統直接影響了系統的信噪比，所以，對半導體激光測距光學系統進行優化設計，可以進一步提高系統的信噪比。在設計接收光學系統時必須考慮其視場角應該和半導體激光的發散角匹配，為了提高半導體激光測距機對背景雜散光的抑制能力和漫反射小目標的探測能力，采用了在接收系統中加入與視場匹配的視場光闌，即在接收光學系統中雙凹透鏡直徑的端面上加入視場光闌。而接收鏡組采用的HB16紅色光學玻璃制成，其主波長正好在905nm，結果顯示，在相同的背景和能見度下，對同一目標測距，加入視場光闌后采用HB16紅色光學玻璃，在紅色玻璃鍍上與接收器光譜響應度完全適配的多層膜系，對抑制雜散光，降低噪聲，提高探測靈敏度起到較好作用，半導體激光測距機接收光學系統加視場光闌能力能提高到原來的1.28倍，具有更好的測距能力。

本發明采用別漢屋脊棱鏡組和膠合棱鏡的組合來解決激光測距系統的測、瞄合一最不易處理的環節：一方面發射光路子系統采用偏歪光學發射方案即將發射光路子系統設置在所述瞄準光路子系統的下側以解決激光器的發射，由于發射光路子系統和物鏡組有一個設計的夾角，使激光器發射的激光脈沖或調制的連續激光光束在最短的途徑，以最少的能量損失射向目標，所以能夠減少光能損失，比普通的光學發射系統能量提高達到15%，同時由于發射光路子系統與瞄準光路子系統共用一個半五棱鏡，不僅減少光學零件數量，大大降低了制造成本，減輕系統重量，而且更加便于安裝調試；另一方面，充分利用激光器發射波長和接收器主波長，在光學系統中采用不同的膜系設計完全和發射器和接收器的光譜相吻合，消除雜散光，提高主波長分辨力，使高峰值功率激光穩定輸出，并把波束角經光學系統壓縮到幾個毫弧度，以精確照射到目標點。以小功率激光器實現高精度大距離測量，使高清透霧穩定的半導體測距光學系統在任何情況下，對不同距離物體依然具有較高的圖像對比度和清晰度。

相應的由于本發明實施例的激光測距光學系統應用于測距儀，因此，本發明實施例還提供了一種測距儀，包括如上所述的激光測距光學系統，其中，上述激光測距光學系統的實施例均適用于該測距儀的實施例中，也能達到相同的技術效果。

采用上述結構制備的測距儀的技術性能數據如下：

物鏡焦距為99.08mm；

目鏡組焦距為12.5mm；

放大率為8倍；

視場為8°；

瞄準光路子系統工作波段為0.55μm～0.6328μm；

分辨率為6〃；

所述的準直系統焦距為84.3mm，

瞄準光路子系統焦距為118.6mm；

測距范圍為15m～1200m；

測量精度為±0.5m；

工作波長為905nm。

最后說明的是，以上僅是本發明的較佳實施例而己，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。