CN101272184A - 一种光学系统的光束校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光的测试与校准领域，提供了一种光学系统的光束校准方法及装置，所述方法包括步骤：将被检测的多光束投影到平面光靶上形成光斑；调整平面光靶与所述多光束之间的位置，使平面光靶与光束发射镜头的物理光轴保持空间垂直；采集平面光靶上的光投影信息；及将光投影信息中的光斑与标准坐标对比，并调整光束的发射直到各光斑的光斑中心与标准坐标的坐标原点一一对应，且调整各光斑的光斑尺寸至规定大小。本发明可实现校准多光束的对准度以及光斑大小的目的，技术简单、成本低廉、降低了对调试人员的技术要求、满足了批量调试的要求。

Description

一种光学系统的光束校准方法及装置

技术领域

本发明属于光的测试与校准领域，尤其涉及一种用于无线光通信领域中光学系统的光束校准方法及装置。

背景技术

无线光通信，又称自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)是一种以激光为载波、自由空间为传输介质的通信技术，主要的特点是能以较灵活的无线方式，在短距离内，以较低的资金投入，获得光纤传送的容量，具有高保密、无电磁干扰、无须频率许可、成本低廉、全天候工作、可以独立组网或作为光纤通信的补充和接入延伸、可用性可达99.9％等优点，在应急通信、战术通信、快速业务提供、密集商业区通信、高速本地网组建、现有光纤网络备份、宽带城域网和接入网等领域有广阔的应用前景。无线光通信设备通过同时存在的收发两个方向的空间光束实现双向通信。目前的FSO基本为点对点通信，一条链路包含2台设备(2点)。由于技术方案选择的不同，单光束FSO设备采用单束发送、单束接收技术；多光束FSO设备采用多束发送、多束接收技术。

校准无线光通信设备的光学系统是生产、安装、调试过程中不可缺少的工作，也是系统运行过程中消除误差时使用的方法。由于FSO设备适用距离一般在数公里以内，且发光功率一般较小(毫瓦级)，在小功率、长工作距离情况下，FSO设备激光发射光轴和接收光轴的对准度很重要，例如FSO光束偏移1mrad(0.057°)，则1km外的光斑偏移1m，对于8光束光轴之间需要有较高的平行度才能满足通信要求，因此，FSO设备的光学系统光轴平行度的调试是一项重要内容。

另外，FSO设备的建筑物、铁塔等安装点会存在一些轻微偏移或摆动，造成对端光斑的偏移，因此多数FSO发射光束须设计一定的发散角以弥补这一偏移带来的接收问题，确保接收和发送两端能够正常通信。FSO设备发射的光束以一个微小的角度扩散出去，距离越远，则光斑越大，更容易接收，然而在有效接收面积一定的情况下，发散角太大，造成光斑过大，光能量损耗加大，会降低信号的传输质量，导致缩短传输距离，因此发射光束的发散角需要设计的较小且精度较高。发散角的调试也是FSO设备光学系统的重要调试内容。

现有技术的光学系统调试设备为直接对光学系统发射的光束逐一观测的设备，适合对单一光束进行观测和研究，例如CCD光束分析仪、平行光管等，由于多光束FSO设备的镜头截面较大，对多光束的FSO设备的检测效果不理想，难以整体的、直观、便捷的判断FSO光学系统状况；且设备价格昂贵，技术复杂，对调试人员技术要求较高，不适应生产过程中批量调试设备的要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光学系统的光束校准方法，旨在解决现有技术中光学系统调试设备对多光束设备的调试效果不佳，且技术复杂、成本高，难以适应批量调试的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种光学系统的光束校准方法，所述方法包括步骤：

将被检测的多光束投影到平面光靶上形成光斑；

调整平面光靶与所述多光束之间的位置，使平面光靶与光束发射镜头的物理光轴保持空间垂直；

采集平面光靶上的光投影信息；及

将光投影信息中的光斑与标准坐标对比，并调整光束的发射直到各光斑的光斑中心与标准坐标的坐标原点一一对应，且调整各光斑的光斑尺寸至规定大小。

本发明实施例的另一目的在于提供一种光学系统的光束校准装置，所述装置包括：

带有标准坐标的平面光靶，所述平面光靶的平面与光学系统的镜头物理光轴保持空间垂直；

采集平面光靶上的光投影信息以及标准坐标的图像信息并输出视频信号的视频采集装置，所述输出的视频信号包括光斑信息以及标准坐标信息；以及

接收视频采集装置输出的视频信号并显示的视频显示装置。

本发明实施例的另一目的在于提供一种光学系统的光束校准装置，所述装置包括：

带有标准坐标孔的平面光靶，所述平面光靶的平面与光学系统的镜头物理光轴保持空间垂直；

照射平面光靶背面的光源；

采集平面光靶上的光投影信息以及标准坐标的图像信息，并输出视频信号的视频采集装置，所述输出的视频信号包括光斑信息以及标准坐标信息；以及

接收视频采集装置输出的视频信号并显示的视频显示装置。

本发明实施例将被检测的光学系统发射的多光束通过平面光靶接收，并将接收到的图像与标准坐标对比，边对比边校准，可实现准确校准多光束的对准度以及光斑大小的目的，本发明实施例适用于多光束光学系统的调试，技术简单、成本低廉、降低了对调试人员的技术要求、满足了批量调试的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光束校准的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的光束校准的原理图；

图3是本发明实施例提供的非可见光多光束校准装置的原理图；

图4是本发明实施例提供的无线光通信设备中光学系统的光束校准装置的结构图；

图5是本发明实施例提供的无线光通信设备中光学系统的光束校准装置的分解结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明将被检测的光学系统发射的多光束投影于平面光靶，并将投影的图像与标准坐标对比，边对比边校准，可实现准确校准多光束的对准度以及光斑大小的目的，本发明进一步通过在平面光靶上直接标注标准坐标，并采用背光照射标准坐标孔，使标准坐标在投影图像上可见，有利于同时对非可见光的多光束和标准坐标进行采集和对比。

图1示出了本发明实施例提供的光束校准的实现流程，包括以下步骤：

在步骤S101中，将被检测的多光束投影到平面光靶上形成光斑；

在步骤S102中，调整平面光靶与所述多光束之间的位置，使平面光靶与光束发射镜头的物理光轴保持空间垂直；

在步骤S103中，采集平面光靶上的光投影信息；

在步骤S104中，将光投影信息中的光斑与标准坐标对比，并调试光束的发射直到各光斑的光斑中心与标准坐标的坐标原点一一对应，且调整各光斑的光斑尺寸至规定大小。

在本发明实施例中，被检测的多光束至少是二个光束，可以为红外光、可见光、紫外光等光束。作为本发明的一个实施例，用于无线光通信领域中的光学系统发射的光束采用红外光。

在本发明实施例中，在平面光靶上可以标注标准坐标，标注的标准坐标可采用坐标孔形式，其中坐标孔可采用背光进行亮度补偿，以提高坐标的可视性。

在本发明实施例中，标准坐标是指作为衡量尺度的坐标，该坐标的坐标原点之间的相对位置与各标准光束的光轴之间的相对位置相同。作为本发明的一个实施例，标准坐标与实际光束对比，用于测量光束各光轴位置，或者测量各光束光斑的尺寸。

在本发明实施例中，调试光束的发射的步骤具体为：通过调整光束的发射镜头，调节发射光束的发散角大小以及发射光束的光轴方向。

图2示出了本发明实施例提供的光束校准的原理，详述如下：

光束校准装置包括带有标准坐标的平面光靶201、视频采集装置202以及视频显示装置203，其中标准坐标作为多光束校准的衡量标准，为一组带有刻度的二维坐标组成，各坐标原点与各标准光束光轴中心一一对应，且相临各坐标原点之间的距离为相临各光束光轴中心之间的标准距离。校准时被检测的光学系统产生相同工作波长、相同功率的多束光束，多光束投影到距被测光学系统一定距离的平面光靶201上形成多个光斑，调整平面光靶201与被检测的光学系统的镜头，使平面光靶201的平面与光学系统的镜头物理光轴保持空间垂直，并保持光斑的中心与标准坐标的坐标原点重合，视频采集装置202采集平面光靶上的光投影信息并输出视频信号，视频显示装置203接收视频采集装置202输出的视频信号并显示在显示屏上，根据显示屏显示的多光束投影情况，将投影图像上的光斑与标准坐标对比，并不断调试被检测的光学系统的镜头，包括调节发射光束的发散角大小以及发射光束的光轴方向，直到平面光靶上投影的各光斑光轴中心与标准坐标各坐标原点重合，且各光斑大小尺寸一致，此时表明被检测的光学系统发射的多光束相互平行且发散角相同。

在本发明实施例中，被检测的光学系统产生的多束光束，可以为红外光、可见光、紫外光等光束。作为本发明的一个实施例，用于无线光通信领域中的光学系统发射的光束采用红外光。

在本发明实施例中，标准坐标为直角二维坐标等带有刻度的各种二维坐标，作为本发明的一个实施例，该标准坐标与实际光束对比，用于测量光束各光轴位置，或者测量各光束光斑的尺寸。

在本发明实施例中，视频采集装置202可采用摄像头、照相机、摄像机等设备。

在本发明实施例中，视频采集装置202输出的视频信号包括光斑信息以及标准坐标信息。

FSO设备的光学系统与平面光靶201的距离越远，则光斑调试分辨率越高，调试精度越好。

FSO设备一般工作在红外光波段，图3示出了本发明实施例提供的非可见光多光束校准装置的原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中：

光束校准装置包括刻有标准坐标孔的平面光靶201、光线照射到平面光靶201背面的光源301、视频采集装置202以及视频显示装置203，其中标准坐标作为多光束校准的衡量标准，为一组带有刻度的二维坐标组成，各坐标原点与各标准光束光轴中心一一对应，且相临各坐标原点的相对位置与各相临标准光束光轴中心之间的相对位置一致。光源301产生的光线照射到平面光靶201的背面，光线穿过平面光靶201上的标准坐标孔，使得平面光靶201的正面标准坐标更亮，标准坐标的图像信息可被视频采集装置202采集到。

校准时被检测的光学系统产生相同工作波长、相同功率的多束光束，多光束投影到距被测光学系统一定距离的平面光靶201上形成多个光斑，调整平面光靶201与被检测的光学系统的镜头，使平面光靶201的平面与光学系统的镜头物理光轴保持空间垂直，并保持光斑的光轴中心与标准坐标的坐标原点重合，视频采集装置202采集平面光靶上的多光束投影的信息以及标准坐标的图像信息，并输出视频信号，视频显示装置203接收视频采集装置202输出的视频信号并显示在显示屏上，根据显示屏显示的多光束投影情况，将投影图像上的光斑与标准坐标对比，并不断调试被检测的光学系统的镜头，直到平面光靶上投影的各光斑光轴中心与标准坐标各坐标原点重合，且各光斑大小尺寸一致，此时表明被检测的光学系统发射的多光束相互平行且发散角相同。

在本发明实施例中，被检测的光学系统发射的光束为非可见光，即红外光或紫外光，视频采集装置202和视频显示装置203需要能采集非可见光束并能显示，且要保持标准坐标同时可见，于是增加一个光源301照射平面光靶201背面以增强标准坐标的可见性。本光束校准装置可用于无线光通信领域中发射的光束为红外光光学系统。

在本发明实施例中，由于被检测的光学系统发射的红外光束较弱，作为背景光的外界光过强会影响观测效果，为得到更佳观测效果，应尽量使背景光强度弱一些，但昏暗的环境又不利于坐标的读取等操作，平面光靶201上的标准坐标原点以及刻度尺寸会因为缺乏照明不便分辨，本发明实施例将平面光靶201的标准坐标设计成小尺寸通孔，平面光靶背面使用一定光强度的包含FSO设备工作波长的光源301进行背光补偿，对坐标的观测效果得到改善。

在本发明实施例中，对各光斑尺寸的调节需要根据用户的规定进行调节，即用户可根据实际情况计算得到该处光斑尺寸的大小，再以此为依据对各光斑的尺寸进行调节，保持各光斑尺寸一致。

以下均以4发4收镜头为例，即一台无线光通信设备中，存在4路发射镜头和4路接收镜头，共8束光束同时工作。

图4示出了本发明一个实施例提供的无线光通信设备中光学系统的光束校准装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，以四收四发的光学系统为例。检测时将光学系统的八个镜头均设置为发射光束状态，并产生相同工作波长、相同功率的多光束，平面光靶403采用标准坐标为八个坐标的平面光靶。光束校准装置包括密封箱401、作为密封箱401一个表面的刻有孔状标准坐标的平面光靶403、置于密封箱401内的光源402、以及靠近平面光靶403的一侧置有一视频采集装置404，其中视频采集装置404与视频显示装置203连接。

在本发明实施例中，光束校准装置进一步包括一个横梁406，该横梁406两端分别固定有视频采集装置404和密封箱401，视频采集装置404或密封箱401可沿横梁406前后滑动，以调整视频采集装置404与密封箱401之间的距离，横梁406可以以密封箱401的连接点为轴心左右摆动用以调整视频采集装置404与密封箱401之间的距离。

光源402置于密封箱401内，密封箱401的一个表面包括一刻有孔状标准坐标的平面光靶403，该平面光靶可拆卸，以便根据实际需要匹配标准坐标不同的光靶，密封箱401与平面光靶连成一体将光源402密封于密封箱401内，以防止光源402的光线从缝隙泄露影响采集效果，密封箱401外靠近平面光靶的一侧置有一视频采集装置404，视频采集装置404与密封箱401分别位于横梁406两端，视频采集装置404与视频显示装置203连接，视频采集装置404采集平面光靶上的光投影信息并输出视频信号，视频显示装置203接收视频采集装置404输出的视频信号并显示在显示屏上，根据显示屏显示的多光束投影情况，将投影图像上的光斑与标准坐标对比，并不断调试被检测的光学系统的镜头，直到平面光靶上投影的各光斑中心与标准坐标各坐标原点重合，且各光斑大小尺寸一致，此时表明被检测的光学系统发射的多光束相互平行且发散角相同。

作为本发明的一个实施例，用户根据实际情况计算得到该处光斑尺寸的大小后，再以此为依据对各光斑的尺寸进行调节，保持4发各光束的光斑尺寸大小一致，4收各光束的光斑尺寸大小一致。

在本发明实施例中，光源402发出的光包括能被视频采集装置404接收并被视频显示装置203显示的波段。作为本发明的一个实施例，光源402可采用宽光谱的光源402，如白炽灯。

在本发明实施例中，为保持光源402发射的光束亮度均匀，光源402可由多个光源402组成光源402设备，或者为平行光管等光源402设备以产生平行光。

FSO设备一般工作在红外光波段，人眼不可见，在本发明实施例中，视频采集装置404的摄像头感光范围包括FSO设备的工作波长。摄像头的分辨率也有一定要求，作为本发明的一个实施例，百万像素即能满足需求。

由于摄像头的感光范围较宽，而被检测的光学系统发射的红外光束较弱，在有一定背景光的情况下，FSO设备的红外光斑在屏幕中就无法清晰分辨，影响了调试精度。现有技术中的光学调试工作需要在暗室或晚上进行，但昏暗的环境又不利于坐标的读取等操作，对时间或环境的选择显然制约了批量生产的需求。在本发明实施例中，视频采集装置404进一步包括滤波片405，滤波片405紧贴于视频采集装置404的镜头上，使滤波片405与摄像头之间没有缝隙，确保没有杂散光线进入摄像头，用于将无线光通信设备中的光学系统工作波长以外的背景光滤除，提高了设备调试精度。

FSO设备的红外光较弱，使用滤光片后，平面光靶上的坐标点和尺寸由于缺乏照明无法分辨。本发明实施例中将标准坐标设计成小尺寸通孔，平面光靶背面使用一定光强度的光源402作为背景光照射通孔，形成坐标光点便于被视频采集装置404采集。在本发明实施例中，平面光靶403还可刻有用于调整望远镜对准度的孔状标准坐标。

图5示出了本发明实施例提供的无线光通信设备中光学系统的光束校准装置的分解结构。光源402置于密封箱401内，密封箱401的一表面包括一刻有孔状标准坐标的平面光靶403，该平面光靶可拆卸，以便根据实际需要匹配标准坐标不同的平面光靶，密封箱401与平面光靶403连成一体将光源402密封于密封箱401内，以防止光源402的光线从缝隙泄露，密封箱401外靠近平面光靶的一侧置有一视频采集装置404，视频采集装置404的摄像头紧贴有滤波片405，视频采集装置404与密封箱401分别固定在横梁406两端，视频采集装置404或密封箱401可以沿横梁406前后滑动，以调整视频采集装置404与密封箱401之间的距离，横梁406可以以密封箱401的连接点为轴心左右摆动用以调整视频采集装置404与密封箱401之间的距离，视频采集装置404与视频显示装置203连接。

在本发明实施例中，摄像头与平面光靶403之间的距离要求：

一是既要离平面光靶尽量近，以实现尽可能大的分辨率，又要能包含全部光斑进入摄像范围；

二是由于摄像头处于平面光靶403和光学系统的镜头之间，要保证摄像头不会遮挡光斑的投射路径。

在本发明实施例中，平面光靶还可刻有用于调整望远镜对准度的孔状标准坐标。

本发明实施例将被检测的光学系统发射的多光束投影于平面光靶，并将投影的图像与标准坐标对比，边对比边校准，可实现准确校准多光束的对准度以及光斑大小的目的，本发明进一步通过在平面光靶上标注标准坐标，并采用背光照射标准坐标孔，使标准坐标在投影图像上可见，有利于对非可见光的多光束和标准坐标进行采集和对比。本发明实施例对多光束的检测效果好，且技术简单、成本低廉、降低了对调试人员的技术要求、适应于批量调试光学系统，解决现有技术中光学系统调试设备直接对光学系统发射的光束逐一观测，不适合对多光束进行观测和研究，且技术复杂、成本高、难以适应产光学系统批量调试的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种光学系统的光束校准方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

将被检测的多光束投影到平面光靶上形成光斑；

调整平面光靶与所述多光束之间的位置，使平面光靶与光束发射镜头的物理光轴保持空间垂直；

采集平面光靶上的光投影信息；及

将光投影信息中的光斑与标准坐标对比，并调整光束的发射直到各光斑的光斑中心与标准坐标的坐标原点一一对应，且调整各光斑的光斑尺寸至规定大小。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平面光靶上标注有标准坐标，所述标准坐标采用坐标孔形式，所述坐标孔采用背光亮度补偿。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述标准坐标由一组带有刻度的二维坐标组成，各坐标原点与各标准光束光轴中心一一对应，且相临各坐标原点的相对位置与各相临标准光束光轴中心之间的相对位置一致。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整光束发射的步骤具体为：调节发射光束的发散角大小以及发射光束的光轴方向。

5、一种光学系统的光束校准装置，其特征在于，所述装置包括：

带有标准坐标的平面光靶，所述平面光靶的平面与光学系统的镜头物理光轴保持空间垂直；

采集平面光靶上的光投影信息以及标准坐标的图像信息并输出视频信号的视频采集装置，所述输出的视频信号包括光斑信息以及标准坐标信息；以及

接收视频采集装置输出的视频信号并显示的视频显示装置。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述标准坐标由一组带有刻度的二维坐标组成，各坐标原点与各标准光束光轴中心一一对应，且相临各坐标原点的相对位置与各相临标准光束光轴中心之间的相对位置一致。

7、一种光学系统的光束校准装置，其特征在于，所述装置包括：

带有标准坐标孔的平面光靶，所述平面光靶的平面与光学系统的镜头物理光轴保持空间垂直；

照射平面光靶背面的光源；

采集平面光靶上的光投影信息以及标准坐标的图像信息，并输出视频信号的视频采集装置，所述输出的视频信号包括光斑信息以及标准坐标信息；以及

接收视频采集装置输出的视频信号并显示的视频显示装置。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括密封箱，所述密封箱内部密封有所述光源，且一个表面为所述刻有孔状标准坐标的平面光靶。

9、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述视频采集装置进一步包括滤波片，所述滤波片紧贴于视频采集装置的镜头上，所述滤波片与所述镜头之间没有缝隙。

10、如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述标准坐标由一组带有刻度的二维坐标组成，各坐标原点与各标准光束光轴中心一一对应，且相临各坐标原点的相对位置与各相临标准光束光轴中心之间的相对位置一致。

Images