一种组合式测距系统及其测距方法技术方案

本发明专利技术提供的一种组合式测距系统及其测距方法，包括激光测距单元和光谱共焦测距单元；激光测距单元包括激光器，激光器发射激光束到达被测物体表面后，部分激光束返回至探测器；光谱共焦测距单元包括宽光谱光源，宽光谱光源发射的光源到达被测物体表面后，部分波长光源沿原路返回，并到达光谱仪；本发明专利技术还提供了两种测距方法，实现了两种光学测量手段的有机结合，而且两种测量采用了不同的波长，并通过特殊的透镜设计以及光学滤波手段，两种测量可以并行工作，亦可异步工作，可以根据实际应用情况进行选择。用情况进行选择。用情况进行选择。

【技术实现步骤摘要】
一种组合式测距系统及其测距方法


[0001]本专利技术涉及激光测距
，具体涉及一种组合式测距系统及其测距方法。

技术介绍

[0002]光谱共焦作为近十多年来一种高精度的测距技术，可以实现微米乃至亚微米级的测量精度，广泛的应用到精密光学测量过程中。
[0003]光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如说明书附图图1所示，白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过色散物镜聚焦后发生光谱色散，在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体表面的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应的距离值。由于采用了共焦技术，因此该方法具有良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被测物特性和杂散光不敏感。
[0004]但是,作为一种测量手段，测量精度以及测量范围总是一对相互制约的测量参数；光谱共焦虽然可以达到微米级的测量精度，但是其测量范围一般在几个mm左右，在进行对起伏比较大的物体时，其高度起伏可能远超过光谱共焦的测量范围。在整个测量过程中，需要结合精密Z轴扫描平台沿Z轴逐点扫描，直到测量位置落入共焦探头的测量范围内完成一个点的高度测量，因而测量效率显著下降。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种实现了两种光学测量手段的有机结合的组合式测距系统。
[0006]技术方案：本专利技术提供的一种组合式测距系统，包括激光测距单元和光谱共焦测距单元；激光测距单元包括激光器，激光器的一侧设置有第一光纤分束/耦合器，第一光纤分束/耦合器的一侧设置有第三光纤分束/耦合器，第三光纤分束/耦合器的一侧设置有第一透镜，第一透镜的一侧设置有探测器；激光器发射激光束经光纤二到达第一光纤分束/耦合器，激光束经由第一光纤分束/耦合器出发通过光纤三到达第三光纤分束/耦合器，激光束经由第三光纤分束/耦合器出发到达出光点，并经由第一透镜准直到达被测物体表面，其中经过反射的激光束沿原路返回并依次经第一透镜、出光点、第三光纤分束/耦合器、光纤五、第二光纤分束/耦合器、光纤七到达探测器；
[0007]光谱共焦测距单元包括宽光谱光源、第二透镜、光谱仪；宽光谱光源的一侧设置有第一光纤分束/耦合器，第一透镜的一侧设置有第二透镜，第二光纤分束/耦合器的一侧设置有光谱仪；宽光谱光源发射可见光到达第一光纤分束/耦合器，可见光经由第一光纤分
束/耦合器出发通过光纤一到达第三光纤分束/耦合器，可见光经由第三光纤分束/耦合器出发到达出光点，并经由第二透镜汇聚到达被测物体，并因第二透镜的色散效应，不同波长的光在轴线上聚焦到位置不同，其中聚集到被测物体表面的波长光源反射光沿原路返回并依次经第二透镜、出光点、第三光纤分束/耦合器、光纤五、第二光纤分束/耦合器、光纤六到达光谱仪。
[0008]进一步地，第二透镜的直径大于第一透镜的直径。
[0009]进一步地，第二透镜为中空的环状结构。
[0010]进一步地，激光器1发射脉冲光源。
[0011]本专利技术还提供组合式测距系统的测距方法，包括激光测距单元的测距方法和光谱共焦测距单元的测距方法；
[0012]激光测距单元的测距方法具体的为：
[0013]步骤A、探测器5测量激光1发射的脉冲光源的反射信号，并记录发射和信号检测的时间差
△
t。
[0014]步骤B、将时间差
△
t代入测距公式：L＝c
△
t/2，其中c为光速，即可得到加工探头到达被测物体表面的距离。
[0015]光谱共焦测距单元的测距方法具体的为：
[0016]步骤1.将精密X轴平台I和精密Z轴平台II回到原位；
[0017]步骤2.将精密X轴平台I移动一点到测量位置X
i
；
[0018]步骤3.组合测距系统III采用TOF模式测量距离参数Z1；
[0019]步骤4.精密Z轴平台II控制组合测距系统III的探头下移距离Z1‑
Z
td
‑
Z
cf
，其中Z
td
为激光测距模式的分辨率；Zcf为光谱共焦测距方式的测量范围；
[0020]步骤5.根据光谱共焦信号判断被测物体IV是否落在测量范围内：如果落在测量范围内，共焦测量位置信息为Z2，则Z1‑
Z
td
‑
Z
cf
+Z2作为该位置点X
i
的相对高度信息；
[0021]步骤6.如果未落在测量范围，精密Z轴平台II控制组合测距系统III的探头进一步下移距离Zcf，直到移动n次后，光谱共焦信号判断被测物落在测量范围内，共焦测量位置信息为Z2，则Z1‑
Z
td
‑
n*Z
cf
+Z2作为该位置点X
i
的相对高度信息；
[0022]步骤7重复步骤2～6直到对被测物体IV位置完成扫描，得到相对高度信息；
[0023]步骤8.将步骤7得到的被测物体的扫描点的相对高度信息，取反向记得到其轮廓信息。
[0024]有益效果：(1)在本专利技术中实现了两种光学测量手段的有机结合，而且两种测量采用了不同的波长，并通过特殊的透镜设计以及光学滤波手段，两种测量可以并行工作，亦可异步工作，可以根据实际应用情况进行选择；(2)本专利技术结构紧凑，与精密Z轴平台配合良好；(3)本专利技术两种光学测量的原点位置(光纤四、出光点)相同，无需对两个光学系统的原点偏差进行校正；提高了效率；(4)本专利技术通过一个关键的双透镜设计，可以巧妙的实现两种检测原理的有机结合，使得测量探头更加紧凑；(5)本专利技术测量时可以兼顾高精度、大范围的测量。
附图说明
[0025]图1是本专利技术的结构示意图；
[0026]图2是本专利技术的测量示意图。
具体实施方式
[0027]下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。
[0028]实施例1
[0029]本专利技术提供一种组合式测距系统，包括激光测距单元和光谱共焦测距单元；激光测距单元包括激光器1，激光器1的一侧设置有第一光纤分束/耦合器2，第一光纤分束/耦合器2的一侧设置有第三光纤分束/耦合器3，第三光纤分束/耦合器3的一侧设置有第一透镜4，第一透镜4的一侧设置有探测器5；激光器1发射激光束经光纤二6到达第一光纤分束/耦合器2，激光束经由第一光纤分束/耦合器2出发通过光纤三7到达第三光纤分束/耦合器3，激光束经由第三光纤分束/耦合器3出发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合式测距系统，其特征在于：包括激光测距单元和光谱共焦测距单元；所述激光测距单元包括激光器(1)，所述激光器(1)的一侧设置有第一光纤分束/耦合器(2)，所述第一光纤分束/耦合器(2)的一侧设置有第三光纤分束/耦合器(3)，所述第三光纤分束/耦合器(3)的一侧设置有第一透镜(4)，所述第一透镜(4)的一侧设置有探测器(5)；所述激光器(1)发射激光束经光纤二(6)到达第一光纤分束/耦合器(2)，所述激光束经由第一光纤分束/耦合器(2)出发通过光纤三(7)到达第三光纤分束/耦合器(3)，激光束经由第三光纤分束/耦合器(3)出发到达出光点(8)，并经由第一透镜(4)准直到达被测物体表面，其中经过反射的激光束沿原路返回并依次经第一透镜(4)、出光点(8)、第三光纤分束/耦合器(3)、光纤五(9)、第二光纤分束/耦合器(10)、光纤七(11)到达探测器(5)；所述光谱共焦测距单元包括宽光谱光源(12)、第二透镜(13)、光谱仪(14)；所述宽光谱光源(12)的一侧设置有所述第一光纤分束/耦合器(2)，所述第一透镜(4)的一侧设置有第二透镜(13)，所述第二光纤分束/耦合器(10)的一侧设置有所述光谱仪(14)；所述宽光谱光源(12)发射可见光到达第一光纤分束/耦合器(2)，所述可见光经由第一光纤分束/耦合器(2)出发通过光纤一(16)到达第三光纤分束/耦合器(3)，可见光经由第三光纤分束/耦合器(3)出发到达出光点(8)，并经由第二透镜(13)汇聚到达被测物体，并因所述第二透镜(13)的色散效应，不同波长的光在轴线上聚焦到位置不同，其中聚集到被测物体表面的波长光源反射光沿原路返回并依次经第二透镜(13)、出光点(8)、第三光纤分束/耦合器(3)、光纤五(9)、第二光纤分束/耦合器(10)、光纤六(15)到达光谱仪(14)。2.根据权利要求2所述的一种组合式测距系统，其特征在于：所述第二透镜(13)的直径大于第一透镜(4)的直径。3.根据权利要求3所述的一种组合式测距系统，其特征在于：所述第二透镜(13)为中空的环状结构。4.根据权利要求1所述的一种组合式测距系统，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔兵，赵全忠，徐冰，
申请(专利权)人：南京萃智激光应用技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：