專利名稱：一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及光軸校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光雷達(dá)光學(xué)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及光軸校準(zhǔn)方法。用于激光雷達(dá)、激光測距等激光發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)在工作過程中，把激光束發(fā)射到目標(biāo)處，同時接收目標(biāo)對激光的反射信號，系統(tǒng)需要具備利用CCD相機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行成像探測的能力。這其中的一個重要技術(shù)要求是需要確保激光發(fā)射光軸、激光信號接收光軸、目標(biāo)成像瞄準(zhǔn)光軸的一致性。現(xiàn)有的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)確保光軸一致性的光軸校準(zhǔn)工作，大多需要在專門的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，借助于特殊的外部光軸檢測輔助裝置來檢測激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中各光軸的位置誤差， 然后通過調(diào)整適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件進(jìn)行校正；或者在外場通過遠(yuǎn)距離的靶標(biāo)來檢查各光軸之間的誤差，并進(jìn)行校正。上述方法均需要特殊的外部輔助裝置，且通常需要經(jīng)過特殊訓(xùn)練的專家來操作，給實(shí)際工作帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)光軸校準(zhǔn)需要外部輔助裝置、操作復(fù)雜的不足，本發(fā)明的目的是提供一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)；本發(fā)明的另一目的是提供一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的光軸校準(zhǔn)方法。所述激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)具有把激光束發(fā)射到目標(biāo)處，并接收目標(biāo)反射的激光信號，同時具有利用CCD相機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行成像的能力；將具有光軸校準(zhǔn)功能的裝置集成在激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，不需要外部輔助裝置即可完成激光發(fā)射光軸、激光信號接收光軸、目標(biāo)成像瞄準(zhǔn)光軸的一致性校準(zhǔn)。本發(fā)明的一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，包括激光器、激光發(fā)射鏡、 信號接收光學(xué)件、分光鏡、CCD相機(jī)、視場光闌、中繼鏡組、光電探測器，其特點(diǎn)是，所述的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)還包括后向反射鏡組、調(diào)整機(jī)構(gòu)和照明光源；激光發(fā)射鏡設(shè)置在俯仰角和方位角可調(diào)節(jié)并鎖緊的調(diào)整機(jī)構(gòu)上；在光學(xué)系統(tǒng)出口光路外側(cè)設(shè)置后向反射鏡組，在視場光闌和中繼鏡組之間的光路外側(cè)設(shè)置照明光源；所述的后向反射鏡組、 照明光源分別設(shè)置在移動機(jī)構(gòu)上。所述的后向反射鏡組，包括第一角錐棱鏡、第二角錐棱鏡和激光衰減器；其中第一角錐棱鏡與第二角錐棱鏡并列設(shè)置；激光衰減器設(shè)置在第二角錐棱鏡通光面一側(cè)，與第二角錐棱鏡同軸設(shè)置。所述的激光衰減器包括衰減片和吸光板，衰減片與入射光軸成45°角設(shè)置，吸光板與入射光軸平行設(shè)置。所述的吸光板采用金屬材料或其他耐激光材料制成，表面氧化發(fā)黑。所述的照明光源包括燈泡、透鏡、濾光片、遮光筒，其中燈泡、透鏡和濾光片依次同軸設(shè)置在遮光筒中。用于本發(fā)明所述的一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的光軸校準(zhǔn)方法， 包含以下步驟
a)將后向反射鏡組和照明光源移動至所述激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的光路中，照明光源發(fā)光方向?qū)?zhǔn)視場光闌的中心，第一角錐棱鏡對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件的信號接收區(qū)域，第二角錐棱鏡和激光衰減器的通光面一半對準(zhǔn)激光發(fā)射鏡，一半對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件的信號接收區(qū)域；
b)打開照明光源，對視場光闌進(jìn)行照明，照明光被后向反射鏡組中的第一角錐棱鏡反射回信號接收光學(xué)件，經(jīng)分光鏡部分反射進(jìn)入到CCD相機(jī)中成像，得到視場光闌圖像，記下 CCD相機(jī)中視場光闌圖像中心位置，CCD相機(jī)中視場光闌圖像中心位置即代表激光信號接收光軸位置，關(guān)閉照明光源；
c)打開激光器發(fā)出激光，部分激光經(jīng)激光衰減器和第二角錐棱鏡反射后，反射光線平行于發(fā)射光軸但傳輸方向相反，經(jīng)信號接收光學(xué)件后，部分激光經(jīng)分光鏡反射進(jìn)入CCD相機(jī)，在CCD相機(jī)中得到代表激光發(fā)射光軸的激光光斑圖像；
d)調(diào)整激光發(fā)射鏡，直到激光光斑圖像與CXD相機(jī)中視場光闌圖像中心位置重合；
e)鎖緊激光發(fā)射鏡，將后向反射鏡組和照明光源移動到光路外，光軸校準(zhǔn)完成。本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及其光軸校準(zhǔn)方法，其基本原理是角錐棱鏡具有對入射光線后向反射的特點(diǎn)，即角錐棱鏡反射的光線總是平行于入射光線但傳輸方向相反；在激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中集成后向反射鏡組和照明光源，利用后向反射鏡組中角錐棱鏡的后向反射特性，先后把代表激光信號接收光軸的視場光闌中心位置、代表激光發(fā)射光軸的激光遠(yuǎn)場光斑成像到用于探測目標(biāo)圖像的CCD相機(jī)中。在同一個CCD 相機(jī)中觀察到各光軸的位置誤差，調(diào)整激光發(fā)射鏡使激光發(fā)射光軸與激光信號接收光軸一致，并記錄激光發(fā)射光軸與激光信號接收光軸調(diào)整一致后的位置，設(shè)置作為CCD相機(jī)中的目標(biāo)成像瞄準(zhǔn)光軸位置，從而保證激光發(fā)射光軸、激光信號接收光軸、目標(biāo)成像瞄準(zhǔn)光軸的一致性。本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及光軸校準(zhǔn)方法的有益效果是， 激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部集成了后向反射鏡組和照明光源，使得激光雷達(dá)的光軸校準(zhǔn)精度高，操作簡單，且不依靠外部輔助裝置，使用方便。


圖1是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中的后向反射鏡組結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中的激光衰減器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中的照明光源結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)光軸校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.激光器 2.激光發(fā)射鏡 3信號接收光學(xué)件 4.分光鏡 5. CCD相機(jī) 6.視場光闌 7.中繼鏡組 8.光電探測器 9.后向反射鏡組10.照明光源11.第一角錐棱鏡 12.第二角錐棱鏡 13激光衰減器 14衰減片 15吸光板 16.燈泡 17.透鏡 18.濾光片19.遮光筒20.調(diào)整機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對本發(fā)明的一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1
圖1是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中的后向反射鏡組結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中的激光衰減器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中的照明光源結(jié)構(gòu)示意圖。在圖廣4中，本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)包括激光器1、激光發(fā)射鏡2、信號接收光學(xué)件3、分光鏡4、CCD相機(jī)5、視場光闌6、中繼鏡組7、光電探測器8、 后向反射鏡組9、照明光源10、調(diào)整機(jī)構(gòu)20，激光發(fā)射鏡2安裝在俯仰角和方位角可調(diào)節(jié)并鎖緊的調(diào)整機(jī)構(gòu)20上，在光學(xué)系統(tǒng)出口光路外側(cè)設(shè)置有后向反射鏡組9，在視場光闌6和中繼鏡組7之間的光路外側(cè)設(shè)置照明光源10，后向反射鏡組9、照明光源10分別設(shè)置在移動機(jī)構(gòu)上，進(jìn)行光軸校準(zhǔn)時移動到光路中，校準(zhǔn)完畢后移動到光路外。后向反射鏡組9，包括第一角錐棱鏡11、第二角錐棱鏡12和激光衰減器13 ；其中激光衰減器13在第二角錐棱鏡12通光面一側(cè)，并與第二角錐棱鏡12同軸設(shè)置；第一角錐棱鏡11與第二角錐棱鏡12并排設(shè)置。當(dāng)后向反射鏡組9移動到光路中時，第一角錐棱鏡 11對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件3的信號接收區(qū)域，第二角錐棱鏡12和激光衰減器13對準(zhǔn)激光發(fā)射鏡2與信號接收光學(xué)件3的信號接收區(qū)域之間，即第二角錐棱鏡12和激光衰減器13的通光面一半對準(zhǔn)激光發(fā)射鏡2，一半對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件3的信號接收區(qū)域。激光衰減器13包括衰減片14和吸光板15，衰減片14與入射光軸成45°角設(shè)置， 吸光板與入射光軸平行設(shè)置，使得衰減片反射的激光照射到吸光板15上并被吸收；吸光板 15采用銅制成，表面氧化發(fā)黑。照明光源10包括燈泡16、透鏡17、濾光片18、遮光筒19，其中燈泡16、透鏡17和濾光片18依次同軸設(shè)置，并安裝在遮光筒19中。當(dāng)照明光源10移動到光路中時，其發(fā)光方向?qū)?zhǔn)視場光闌6 ；該照明光源10具有可控制發(fā)光的開關(guān)。圖5是本發(fā)明的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)光軸校準(zhǔn)時結(jié)構(gòu)示意圖。 本發(fā)明的光軸校準(zhǔn)方法的步驟如下
a)將后向反射鏡組9和照明光源10移動至激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的光路中，照明光源10 發(fā)光方向?qū)?zhǔn)視場光闌6的中心，第一角錐棱鏡11對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件3的信號接收區(qū)域，第二角錐棱鏡12和激光衰減器13的通光面一半對準(zhǔn)激光發(fā)射鏡2，一半對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件3的信號接收區(qū)域；
b)打開照明光源10，對視場光闌6進(jìn)行照明。照明光被后向反射鏡組9中的第一角錐棱鏡11反射回信號接收光學(xué)件3，經(jīng)分光鏡4部分反射進(jìn)入到CCD相機(jī)5中成像，得到視場光闌6圖像，記下CXD相機(jī)5中視場光闌6圖像中心位置，CXD相機(jī)5中視場光闌6圖像中心位置即代表激光信號接收光軸位置。關(guān)閉照明光源10。c)打開激光器1發(fā)出激光，部分激光經(jīng)激光衰減器13和第二角錐棱鏡12反射后，反射光線平行于發(fā)射光軸但傳輸方向相反，經(jīng)信號接收光學(xué)件3傳輸后，部分激光經(jīng)分光鏡4反射進(jìn)入CCD相機(jī)5，在CCD相機(jī)5中得到代表激光發(fā)射光軸的激光光斑圖像。d)調(diào)整激光發(fā)射鏡2，直到激光光斑圖像與CXD相機(jī)5中視場光闌6圖像中心位
置重合；
e)鎖緊激光發(fā)射鏡2，將后向反射鏡組9和照明光源10移動到光路外，光軸校準(zhǔn)完成。本實(shí)施例中所述的移動機(jī)構(gòu)為可載物移動的平臺。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是所述激光衰減器13中設(shè)置的吸光板15采用石墨材料制成。實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是所述激光衰減器13中設(shè)置的吸光板15采用陶瓷材料制成。
權(quán)利要求
1.一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，包括激光器(1)、激光發(fā)射鏡O)、信號接收光學(xué)件(3)、分光鏡(4)、CCD相機(jī)(5)、視場光闌(6)、中繼鏡組(7)、光電探測器(8)， 其特征在于所述的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)還包括后向反射鏡組(9)、調(diào)整機(jī)構(gòu)00)和照明光源(10)；激光發(fā)射鏡(2)設(shè)置在俯仰角和方位角可調(diào)節(jié)并鎖緊的調(diào)整機(jī)構(gòu)00)上；在光學(xué)系統(tǒng)出口光路外側(cè)設(shè)置后向反射鏡組(9)，在視場光闌(6)和中繼鏡組(7)之間的光路外側(cè)設(shè)置照明光源(10)；所述的后向反射鏡組(9)、照明光源(10)分別設(shè)置在移動機(jī)構(gòu)上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的后向反射鏡組(9)包括第一角錐棱鏡(11)、第二角錐棱鏡(1 和激光衰減器(1 ；其中第一角錐棱鏡(11)與第二角錐棱鏡(1 并列設(shè)置；激光衰減器(1 設(shè)置在第二角錐棱鏡(1 通光面一側(cè)，并與第二角錐棱鏡(1 同軸設(shè)置。
3.如權(quán)利要求2所述的一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的激光衰減器(1 包括衰減片(14)和吸光板(15)，衰減片(14)與入射光軸成45°角設(shè)置，吸光板(1 與入射光軸平行設(shè)置。
4.如權(quán)利要求3所述的一種具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的吸光板(15)采用金屬材料或其他耐激光材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的照明光源(10)包括燈泡(16)、透鏡(17)、濾光片(18)、遮光筒(19)，其中燈泡(16)、透鏡 (17)和濾光片(18)依次同軸設(shè)置在遮光筒(19)中。
6.用于權(quán)利要求1所述的具有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的光軸校準(zhǔn)方法，依次包含以下步驟a)將后向反射鏡組(9)和照明光源(10)移動至所述激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的光路中，照明光源(10)發(fā)光方向?qū)?zhǔn)視場光闌(6)的中心，第一角錐棱鏡(11)對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件 (3)的信號接收區(qū)域，第二角錐棱鏡(1 和激光衰減器(1 的通光面一半對準(zhǔn)激光發(fā)射鏡 O)，一半對準(zhǔn)信號接收光學(xué)件(3)的信號接收區(qū)域；b)打開照明光源(10)，對視場光闌(6)進(jìn)行照明，照明光被后向反射鏡組(9)中的第一角錐棱鏡(11)反射回信號接收光學(xué)件(3)，經(jīng)分光鏡(4)部分反射進(jìn)入到CCD相機(jī)(5) 中成像，得到視場光闌(6)圖像，記下C⑶相機(jī)(5)中視場光闌(6)圖像中心位置，C⑶相機(jī)(5)中視場光闌(6)圖像中心位置即代表激光信號接收光軸位置，關(guān)閉照明光源(10)；c)打開激光器(1)發(fā)出激光，部分激光經(jīng)激光衰減器(1 和第二角錐棱鏡(1 反射后，反射光線平行于發(fā)射光軸但傳輸方向相反，經(jīng)信號接收光學(xué)件(3)后，部分激光經(jīng)分光鏡(4)反射進(jìn)入CCD相機(jī)(5)，在CCD相機(jī)(5)中得到代表激光發(fā)射光軸的激光光斑圖像；d)調(diào)整激光發(fā)射鏡O)，直到激光光斑圖像與CCD相機(jī)(5)中視場光闌(6)圖像中心位置重合；e)鎖緊激光發(fā)射鏡O)，將后向反射鏡組(9)和照明光源(10)移動到光路外，光軸校準(zhǔn)完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有光軸校準(zhǔn)功能的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及其光軸校準(zhǔn)方法，所述光學(xué)系統(tǒng)中的激光發(fā)射鏡安裝在俯仰角和方位角可精確調(diào)節(jié)并鎖緊的調(diào)整機(jī)構(gòu)上；在激光發(fā)射鏡和信號接收光學(xué)件外側(cè)設(shè)置后向反射鏡組，在視場光闌和中繼鏡組之間外側(cè)設(shè)置照明光源。利用后向反射鏡組中角錐棱鏡的后向反射特性，先后把代表激光信號接收光軸的視場光闌中心位置、代表激光發(fā)射光軸的激光遠(yuǎn)場光斑位置成像到用于探測目標(biāo)圖像的CCD相機(jī)中。調(diào)整激光發(fā)射鏡，使所述兩個位置在CCD相機(jī)中重合來完成光軸校準(zhǔn)。本發(fā)明的校準(zhǔn)方法精度高，操作簡單，且不依靠外部輔助裝置，使用方便。
文檔編號G01S7/497GK102353950SQ20111031470
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者葉一東, 王衛(wèi)民, 田英華, 田飛, 羅佳, 胡大平, 馬毅 申請人:中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所, 四川中物科技集團(tuán)有限公司