[发明专利]基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置及方法

说明书

本发明属于激光测距领域，并具体公开了基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置及方法，其利用激光器发射激光并照射至待测对象的表面产生散射光，散射光经准直镜准直后变成平行光，再经光栅产生至少两级衍射光束，最后经聚焦镜聚焦在CCD相机上以形成与衍射光束对应的一组成像点，光栅的刻线与水平面呈一定夹角，以使CCD相机上形成的各成像点错开一定距离。本发明利用多级衍射光接力成像，实现用有限像元数的CCD在扩大的量程上进行分段复用，保持精度不变且不需要借助运动机构，可实现大量程高精度高速绝对距离测量。

技术领域

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置及方法。

背景技术

激光测距是一种高精度的非接触式距离测量方法，其中激光三角测距法利用激光三角原理，通过入射光和散射光构成的三角形计算得到被测物体的距离。然而，如图1所示，激光三角测距技术在精度和量程方面存在矛盾，传统激光三角测量为了精度达到最高，其尽可能的使图1中AB的像A′B′覆盖CCD的最大范围，由于CCD的像素数n是有限的，精度大致为AB/n，因此，量程AB增大精度必然下降，两者成为一对矛盾。

为了克服这一矛盾，多年来人们进行了多种努力，主要集中在通过CCD亚像素分辨提高精度，相当于增加像素数。但是，亚像素分辨要求激光点像光斑覆盖多个像素，由于激光所存在的散斑效应导致光强随机分布性质，光斑重心的理论不确定度是光斑尺寸的量级，这是亚像素细分难以克服的原理障碍。于是，在现实中人们为了保持精度扩大量程，也有将激光三角测头安装在可以移动的导轨上，通过测头整体的精密运动扩大量程，但这带来另一个问题就是测量的速度受到导轨运动速度的限制，因此只能在低速场合实施，另外测量现场不能安装精密导轨时这种方法也不适用。

发明内容

为了解决传统激光三角测距的量程增大时精度必然下降的矛盾，本发明提出了基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置及方法，其利用光栅多级衍射光成像实现CCD复用，是一种全新的解决精度与量程矛盾的思路，具有测量量程大、精度高等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置，其包括激光器以及沿光轴依次布置的准直镜、光栅、聚焦镜和CCD相机，其中，所述激光器用于发射激光并照射至待测对象的表面以产生散射光，该散射光经所述准直镜准直后变成平行光，再经所述光栅产生至少两级衍射光束，最后经所述聚焦镜聚焦在所述CCD相机上形成与衍射光束一一对应的各级成像点；所述光栅的刻线与水平面呈预设夹角，以使CCD相机上形成的各级成像点依次错开，并使得待测距离在CCD相机上成像为多级线段，通过各级线段上对应成像点的坐标确定待测距离，以此完成激光三角测距。

作为进一步优选的，相邻两级衍射光束间的衍射角差Δβ满足如下条件：

Δβ≤H/F2

其中，Δβ为相邻两级衍射光束间的衍射角差，F2为聚焦镜的焦距，H为CCD相机的接收宽度。

作为进一步优选的，相邻两级衍射光束间的衍射角差Δβ采用如下公式计算：

Δβ＝λ/d

其中，d为光栅的刻线间距，λ为激光的波长。

作为进一步优选的，所述光栅的刻线与水平面间的夹角θ满足如下条件：

其中，θ为光栅刻线与水平面间的夹角，F2为聚焦镜的焦距，为衍射光束焦点的直径。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距方法，其包括如下步骤：

S1激光照射至待测对象的表面产生散射光，散射光经准直镜准直后变成平行光，再经光栅产生至少两级衍射光束，最后经聚焦镜聚焦在CCD相机上形成与衍射光束一一对应的一组成像点；