一种半导体激光测距光学系统及测距仪的制作方法

本发明涉及光电技术领域，尤其是涉及一种半导体激光测距光学系统及测距仪。

背景技术：

作为继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明，激光被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光以其良好的方向性、单色性、高亮度及好相干性优点，而且其发散角和发光面积都很小，能量能高度集中在特定的空间，激光常常被用于非接触式测距技术，这也促进了激光测量技术的迅猛发展。

同目前存在的其它几种测量距离的技术进行比较，激光测距方法具有以下主要优点：

其一，具有很强的抵抗干扰能力和很高的分辨力，并且可以不受到地面物体的干扰和微波在地面附近产生的多路径效应的影响，测量距离远。

其二，结构简单、体积小、质量轻、非接触测量、测量速度快、测距精度高，天线尺寸也很小。

其三，安装调整方便。正是得益于以上诸多的优点，使得激光受到人们的高度重视，并迅速地推广开来，人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果。

因此，激光测距的方法已经成为目前测距精度要求高的最理想的选择。

此外，作为固体激光器的一个重要分支，半导体激光器的诞生同样对人类科技进步有着巨大的推进作用。而半导体激光测距仪，则在国内外的相关领域引起很大重视，并在诸多行业都有广泛的应用前景，其在科研、制造以及其它高新领域的应用不断创新。在国外已有很多相对成熟的产品，且测距精度高，携带方便，操作简便，受到人们的喜爱。目前，国内的激光测距仪在智能化、小型化和测距精度等方面与发达国家相比有一定差距，而在产品的传动机构的精度和特种膜系的设计与制造、装配、调试等方面均无法与发达国家相比，许多国内厂家还停留在加工和仿制阶段，尚不具备与国外产品竞争的能力。为缩短在半导体激光测距产品与国外的差距，加大科研及生产的投入，在较短时间内研发出与国外媲美的高性能的产品，这正在我们努力去缩短这些差距方向。

专利申请号201210415818.0公开了一种适用于激光测距仪的光学系统，包括：入射光路系统、出射光路系统、用于进行光路切换的光路切换组件，上述出射光路系统包括：用于产生激光光源的激光管、用于将上述激光光源产生的激光转换为沿第一方向射出的直线激光束的准直透镜组，上述光路切换组件包括 ：能改变自身折射率的折变晶体；该发明采用的光折变晶体本身位置固定，切换通过加载的电压改变折射率实现，无活动件的机械切换结构，组件少，装配简单。然而，该发明不具备瞄准功能，限制了测量距离，同时由于对不同距离物体无法保证较高的图像对比度和清晰度，所以测量精度也不高。

专利申请号201210434066.2公开了一种激光测距与瞄准共轴光系统，它的物镜、别汉棱镜组、测距立方棱镜、投影立方棱镜和目镜组依次沿光轴分布；物镜用于光学系统成像和激光信号的接收，将目标的像通过后面的别汉棱镜和测距立方棱镜成像在分划板上，同时将激光的能量汇聚在光电探测器上；别汉棱镜用于瞄镜系统的转像，使整体瞄镜为正像系统；测距立方棱镜实现激光与白光的分光，将激光分到光电探测器上，实现产品的测距功能，同时将白光传送到分划板实现目标成像；分划板位于系统的焦平面上，带有瞄准刻线，用于目标的瞄准；投影立方棱镜实现对OLED显示屏的投影，OLED显示屏与分划板是关于目镜系统的共轭面，可使的目镜同时观察目标和OLED显示屏都为清晰的像。然而，该发明只是激光光源和切换方式，既不能减少光能的损失，也不能通过减少光学零件数量达到减轻重量的效果，同时该发明不能实现测、瞄功能整合的目的。

专利申请号201120465752.7公开了一种半导体激光测距机光学系统，具有单筒望远镜、发射物镜和接收物镜，其中：所述发射物镜由第一双胶合物镜组成，第一双胶合物镜表面具有可见光全部截掉的膜系，在中心波长800nm-1200nm 镀宽带膜系；所述接收物镜由第二双胶合物镜组成；所述单筒望远镜、发射物镜和接收物镜的光轴相互平行。与现有技术相比，结构紧凑，三轴平行性好，放大倍率适宜目视观察，薄膜光学与接受器件匹配好。同样的，该实用新型不具备瞄准功能，对不同距离物体无法保证较高的图像对比度和清晰度，从而影响测量精度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种半导体激光测距光学系统及测距仪，本激光测距光学系统大大提高了激光测距仪测量距离和测量精度，实现了测距和瞄准最不易处理的环节，采用本激光测距光学系统的测距仪能够在任何情况下，对不同距离物体依然具有较高的图像对比度和清晰度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种半导体激光测距光学系统，包括瞄准光路子系统、设置在所述瞄准光路子系统下侧的发射光路子系统和设置在所述瞄准光路子系统上侧的接收光路子系统，所述瞄准光路子系统自左向右沿入射方向分别设置有物镜组、别汉屋脊棱镜组、平板玻璃和目镜组，所述别汉屋脊棱镜组包括半五棱镜和屋脊棱镜，所述目镜组沿入射方向包括胶合透镜组和双凸透镜；所述发射光路子系统沿光轴方向依次包括胶合棱镜、准直透镜和半导体发射光源，所述胶合棱镜包括所述半五棱镜和楔形镜，所述楔形镜与所述半五棱镜用光敏胶胶合；所述接收光路子系统沿光轴方向依次包括接收镜组、双凹透镜和光信号接收器。

进一步的，所述物镜组与所述别汉屋脊棱镜组之间的空气间隔为53.5mm，所述别汉屋脊棱镜组与所述平板玻璃之间的空气间隔为6.6mm，所述平板玻璃与所述胶合透镜组之间的空气间隔为2.89mm，所述半五棱镜与所述屋脊棱镜之间的空气间隔为0.8mm，所述胶合透镜组与所述双凸透镜之间的空气间隔为0.5mm，所述胶合棱镜与所述准直透镜之间的空气间隔为6.2mm，所述准直透镜与所述半导体发射光源之间的空气间隔为11.2mm，所述接收镜组与所述双凹透镜之间的空气间隔为22.5mm。

进一步的，所述物镜组由H-K9L和H-F4两种光学材料胶合而成。

进一步的，所述别汉屋脊棱镜组由H-K9L光学材料制成。

进一步的，所述平板玻璃由YS1光学石英玻璃制成。

进一步的，所述胶合透镜组由H-ZF7LA和H-ZK9A两种光学材料胶合而成。

进一步的，所述双凸透镜由H-ZK9A光学材料制成。

进一步的，所述胶合棱镜和所述准直透镜均由H-K9L光学材料制成。

进一步的，所述接收镜组由HB16红色光学玻璃制成，所述双凹透镜由H-ZF1光学玻璃制成。

一种测距仪，包括一种半导体激光测距光学系统。

本发明的有益效果是：

本发明采用别汉屋脊棱镜组和胶合棱镜的组合来解决激光测距系统的测、瞄合一最不易处理的环节：一方面发射光路子系统采用偏歪光学发射方案即将发射光路子系统设置在所述瞄准光路子系统的下侧以解决激光器的发射，由于发射光路子系统和物镜组有一个设计的夹角，使激光器发射的激光脉冲或调制的连续激光光束在最短的途径，以最少的能量损失射向目标，所以能够减少光能损失，比普通的光学发射系统能量提高达到15%，同时由于发射光路子系统与瞄准光路子系统共用一个半五棱镜，不仅减少光学零件数量，大大降低了制造成本，减轻系统重量，而且更加便于安装调试；另一方面，充分利用激光器发射波长和接收器主波长，在光学系统中采用不同的膜系设计完全和发射器和接收器的光谱相吻合，消除杂散光，提高主波长分辨力，使高峰值功率激光稳定输出，并把波束角经光学系统压缩到几个毫弧度，以精确照射到目标点。以小功率激光器实现高精度大距离测量，使高清透雾稳定的半导体测距光学系统在任何情况下，对不同距离物体依然具有较高的图像对比度和清晰度。

附图说明

图1为本发明的激光测距光学系统的示意图。

图2为本发明的胶合棱镜的膜系设计示意图。

图3为本发明的传递函数图。

具体实施方式

下面结合附图1至3和实施例对本发明作进一步描述。

实施例：一种半导体激光测距光学系统，包括瞄准光路子系统、设置在所述瞄准光路子系统下侧的发射光路子系统和设置在所述瞄准光路子系统上侧的接收光路子系统，所述瞄准光路子系统自左向右沿入射方向分别设置有物镜组1、别汉屋脊棱镜组、平板玻璃4和目镜组，所述别汉屋脊棱镜组包括半五棱镜2和屋脊棱镜3，所述目镜组沿入射方向包括胶合透镜组5和双凸透镜6；

所述发射光路子系统沿光轴方向依次包括胶合棱镜、准直透镜8和半导体发射光源9，所述胶合棱镜包括所述半五棱镜2和楔形镜7，所述楔形镜7与所述半五棱镜2用光敏胶胶合；所述接收光路子系统沿光轴方向依次包括接收镜组10、双凹透镜11和光信号接收器12。

所述物镜组1与所述别汉屋脊棱镜组之间的空气间隔为53.5mm，所述别汉屋脊棱镜组与所述平板玻璃4之间的空气间隔为6.6mm，所述平板玻璃4与所述胶合透镜组5之间的空气间隔为2.89mm，所述半五棱镜2与所述屋脊棱镜3之间的空气间隔为0.8mm，所述胶合透镜组5与所述双凸透镜6之间的空气间隔为0.5mm，所述胶合棱镜与所述准直透镜8之间的空气间隔为6.2mm，所述准直透镜8与所述半导体发射光源9之间的空气间隔为11.2mm，所述接收镜组10与所述双凹透镜11之间的空气间隔为22.5mm。

所述物镜组1由H-K9L和H-F4两种光学材料胶合而成。

所述别汉屋脊棱镜组由H-K9L光学材料制成。

所述平板玻璃4由YS1光学石英玻璃制成。

所述胶合透镜组5由H-ZF7LA和H-ZK9A两种光学材料胶合而成。

所述双凸透镜6由H-ZK9A光学材料制成。

所述胶合棱镜和所述准直透镜8均由H-K9L光学材料制成。

所述接收镜组10由HB16红色光学玻璃制成，所述双凹透镜11由H-ZF1光学玻璃制成。

半导体激光测距的基本过程是通过测量接收激光脉冲相对发射激光脉冲之间的延时，计算出该时间内激光传播的距离，因此，起始脉冲与结束脉冲判定时间对于系统精度有着至关重要的作用，为了准确地判断起止时间，要求激光发射脉冲尽可能窄，受激光器及调制器件阻容的限制，目前激光脉冲宽度可做到10～20ns。

在半导体激光测距技术中，无论采用哪种测距原理，首先一点都要求能在测距机处能收到足够强度的激光回波信号，从而才能从中提取距离的信息。但是，由于激光在大气传输过程中的损耗以及目标的漫反射特性等，往往使得回波信号十分微弱，尤其是在室外复杂条件下的远距离探测情况，更为明显，所以要求光学系统要有抵抗干扰能力和很高的分辨力，并且可以不受到地面物体的干扰，利用半导体激光器发射波长和接收器主波长，在光学系统的零件表面的膜系设计中，完全和发射器和接收器的光谱相吻合，消除杂散光，提高主波长分辨力，使高峰值功率激光稳定输出，并把波束角经光学系统压缩到几个毫弧度，以精确照射到目标点。如图2所示，为本发明的胶合棱镜的膜系设计，具体如下：所述胶合棱镜包括半五棱镜2和楔形镜7，所述半五棱镜2的A面和E面均倒二面角，其余倒三面角，所述楔形镜7的C 和D面均倒二面角，其余倒三面角，所述楔形镜7与所述半五棱镜2采用光敏胶胶合，胶合层无油渍、灰尘和气泡；所述半五棱镜2的工作面与侧面的垂直差小于或等于18′,所述半五棱镜2的光轴长度为22.88mm,相当于空气层厚度15.09mm，所述胶合棱镜的A面对于800nm～1000nm波段内波长的反射比大于或等于98%，所述胶合棱镜的B面对于800nm～1000nm波段内的光波的透过率大于或等于98%且峰值波长为905nm；所述楔形镜7的光轴长度为6.33mm，相当于空气层厚度4.176mm，所述楔形镜7的C面和D面对于800nm～1000nm波段内的光波的反射比均小于或等于1.0%且峰值波长为870nm。

半导体激光发射光路子系统，输出激光质量取决于光学系统传递特性。几何光学是在空域研究光学系统成像规律，其实与空域相平行还可以在频域中分析光学系统成像质量，即用传递函数来研究系统空间频率传递特性，而且在系统中的高清晰度的两大重要指标包括分辨力和反差，而分辨力是指再现照射物体细节能力，而反差则是指再现被照物体低反差细节，所以，本系统的设计必须连同物镜组、胶合棱镜、准直透镜一起设计校正像差，如图3所示，运用ZEMAX光学设计软件设计发射系统并进行优化，而其优化的程度往往决定了其测量距离的量程和精度，使其光学传递函数在截止频率为60LP/mm达到0.3～0.5，传函完全与激光器发射主波长适配。

接收光路子系统的光学设计，由于光学系统对能量的衰减及接收系统的同轴存在一定程度上的偏差造成信号强度偏低，因此，光学系统直接影响了系统的信噪比，所以，对半导体激光测距光学系统进行优化设计，可以进一步提高系统的信噪比。在设计接收光学系统时必须考虑其视场角应该和半导体激光的发散角匹配，为了提高半导体激光测距机对背景杂散光的抑制能力和漫反射小目标的探测能力，采用了在接收系统中加入与视场匹配的视场光阑，即在接收光学系统中双凹透镜直径的端面上加入视场光阑。而接收镜组采用的HB16红色光学玻璃制成，其主波长正好在905nm，结果显示，在相同的背景和能见度下，对同一目标测距，加入视场光阑后采用HB16红色光学玻璃，在红色玻璃镀上与接收器光谱响应度完全适配的多层膜系，对抑制杂散光，降低噪声，提高探测灵敏度起到较好作用，半导体激光测距机接收光学系统加视场光阑能力能提高到原来的1.28倍，具有更好的测距能力。

本发明采用别汉屋脊棱镜组和胶合棱镜的组合来解决激光测距系统的测、瞄合一最不易处理的环节：一方面发射光路子系统采用偏歪光学发射方案即将发射光路子系统设置在所述瞄准光路子系统的下侧以解决激光器的发射，由于发射光路子系统和物镜组有一个设计的夹角，使激光器发射的激光脉冲或调制的连续激光光束在最短的途径，以最少的能量损失射向目标，所以能够减少光能损失，比普通的光学发射系统能量提高达到15%，同时由于发射光路子系统与瞄准光路子系统共用一个半五棱镜，不仅减少光学零件数量，大大降低了制造成本，减轻系统重量，而且更加便于安装调试；另一方面，充分利用激光器发射波长和接收器主波长，在光学系统中采用不同的膜系设计完全和发射器和接收器的光谱相吻合，消除杂散光，提高主波长分辨力，使高峰值功率激光稳定输出，并把波束角经光学系统压缩到几个毫弧度，以精确照射到目标点。以小功率激光器实现高精度大距离测量，使高清透雾稳定的半导体测距光学系统在任何情况下，对不同距离物体依然具有较高的图像对比度和清晰度。

相应的由于本发明实施例的激光测距光学系统应用于测距仪，因此，本发明实施例还提供了一种测距仪，包括如上所述的激光测距光学系统，其中，上述激光测距光学系统的实施例均适用于该测距仪的实施例中，也能达到相同的技术效果。

采用上述结构制备的测距仪的技术性能数据如下：

物镜焦距为99.08mm；

目镜组焦距为12.5mm；

放大率为8倍；

视场为8°；

瞄准光路子系统工作波段为0.55μm～0.6328μm；

分辨率为6〃；

所述的准直系统焦距为84.3mm，

瞄准光路子系统焦距为118.6mm；

测距范围为15m～1200m；

测量精度为±0.5m；

工作波长为905nm。

最后说明的是，以上仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。