CN107063092B - 一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，涉及一种双光源同轴标定系统及调整方法，属于激光三维成像领域。本发明的标定系统包括激光器、第一凸透镜、液体透镜、非球面环形反射镜、半反半透镜、MEMS反射镜、第二凸透镜、反射镜、CCD照相机、数据采集卡的信号输入端、计算机MENS反射镜控制模块、计算机半反半透镜控制模块、控制电机、标定光源、外框。本发明还公开基于所述的标定系统的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定及调整方法。本发明提供一种用于激光三维成像发射系统的同轴标定系统及调整方法，实现激光在大视场的扫描过程中双光源的快速同轴标定及调整，具有校准速度快、自动化程度高、扫描视场大、适用范围广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种双光源同轴标定系统及调整方法，尤其涉及一种基于扫描式、快速双光源同轴标定系统及调整方法，属于激光三维成像领域。
背景技术
激光三维成像是传统成像技术与现代激光技术相结合的产物,是一种可工作在从红外到紫外光谱段的三维成像系统。由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等特点，激光三维成像技术在军事方面和民用方面都有着广泛地应用。根据不同的应用需求，通过改变激光的腔长等构造，激光器可发射各种不同波长的激光。通常来讲，人眼可见光波长范围是400～760nm，而当激光三维成像系统中激光器的发射波长不在可见光范围内时，人眼将无法在正常情况下观察到激光的走向。为了便于对激光三维成像系统中激光束的观察、调整和定位，用一可见光光源来标定不可见激光光源是激光三维成像技术中一个重要的手段，尤其是在大视场扫描过程中，同轴标定对于不可见光斑的指示尤为重要。
目前的同轴调整方法大多集中于激光三维成像的收发系统间的同轴调整，比如：哈尔滨工业大学的CN102230962号专利“激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法”提出一种实时激光雷达收发光路的同轴调整方法，能够实现激光雷达系统的收发光路同轴调整并缩短同轴调整周期的功能，但对于扫描大视场标定光源与激光束之间的同轴调整方法报道相对较少。比如：专利CN105423922A 号提出一种同轴标定传感器及其进行激光标定的方法，该方法适用于大型激光驱动器高精度激光打靶技术领域的甚多束激光靶面同轴标定，但对于大视场、扫描式双光源的同轴标定并没有很好的解决。
发明内容
本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，要解决的技术问题是提供一种用于激光三维成像发射系统的同轴标定系统及调整方法，实现激光在大视场的扫描过程中双光源的快速同轴标定及调整，此外，具有校准速度快、自动化程度高、扫描视场大、适用范围广的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统，包括激光器、第一凸透镜、液体透镜、非球面环形反射镜、半反半透镜、 MEMS反射镜、第二凸透镜、反射镜、CCD照相机、数据采集卡的信号输入端、计算机MENS反射镜控制模块、计算机半反半透镜控制模块、控制电机、标定光源、外框。所述非球面环形反射镜用于改变MEMS 反射镜反射的激光与标定光的叠加光的光路走向，使叠加光出射至第二凸透镜；非球面环形反射镜为碗状环形结构，将碗底中部镂空，并在碗底中部镂空部分安装液体透镜。光路为：待标定的激光器发射一束激光，经第一凸透镜与液体透镜的准直聚焦后透射出半反半透镜，出射后的光束投射至MEMS反射镜上，MEMS反射镜反射出的光束再经非球面环形反射镜改变光路方向后投射至第二凸透镜，经第二凸透镜会聚后趋近于平行光出射，经反射镜反射至CCD照相机感光面；标定光源发射出的标定光出射至半反半透镜，经半反半透镜的反射后投射至MEMS反射镜，从MEMS反射镜反射出的光束同样经非球面环形反射镜改变光路方向，最后经第二凸透镜的会聚后出射近似平行光，经反射镜反射至CCD照相机感光面。计算机MENS反射镜控制模块控制MENS反射镜进行激光束的大视场扫描。CCD照相机感光面上的待标定激光束光斑与标定光源光斑经数据采集卡的信号输入端输入计算机，由计算机对CCD照相机上获取的待标定激光束与标定光束光斑中心位置进行分析判断后，半反半透镜控制模块控制电机转动来对半反半透镜的俯仰和方位进行调整变化，使待标定激光束与标定光束光斑中心位置的偏差在允许误差范围内，从而实现同轴调整。
所述的激光器优选半导体激光器。
基于所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，包括如下步骤：
步骤一：搭建所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统；
步骤二：开启待标定激光器，在红外观察仪下调整激光器的激光束光轴与第一凸透镜的中心轴及液体透镜的中心轴在同一条直线上；
步骤三:调节液体透镜的曲率，使激光束聚焦在MEMS反射镜镜面上。经MEMS反射镜反射后的激光束能够用于进行大视场扫描；
步骤四：开启CCD照相机，MEMS反射镜反射出的待标定激光束经非球面环形反射镜改变光路方向后投射至第二凸透镜，经第二凸透镜会聚后趋近于平行光出射，经反射镜反射至CCD照相机感光面，记录CCD照相机感光面上的激光束光斑中心位置；
步骤五：开启标定光源，标定光源发射出的标定光出射至半反半透镜，经半反半透镜的反射后投射至MEMS反射镜，从MEMS反射镜反射出的光束同样经非球面环形反射镜改变光路方向，最后经第二凸透镜的会聚后出射近似平行光，经反射镜反射至CCD照相机感光面，记录CCD照相机感光面上的标定光源光斑中心位置；
步骤六：计算机MENS反射镜控制模块控制MENS反射镜进行激光束的大视场扫描。由计算机对CCD照相机上获取的待标定激光束与标定光源光束光斑中心位置进行分析判断后，半反半透镜控制模块控制电机转动来对半反半透镜的俯仰和方位进行调整变化，使待标定激光束与标定光束光斑中心位置的偏差在允许误差范围内，从而实现同轴调整。
有益效果：
1、本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，通过采集待测激光束光斑的中心位置与标定光源的光斑位置来判断两者间的偏差，通过计算机预置的程序实现自动控制，校准速度快。
2、本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，利用电机控制系统控制电机转动，从而带动半反半透镜在俯仰和方位上的转动，改变标定激光光束的光路方向，实现被标定激光光源与标定激光光源同轴的自动调整，自动化程度高。
3、本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，采用非球面环形反射镜与MEMS微镜相结合的方式实现大视场扫描。
4、本发明公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，采用第一凸透镜与液体透镜相结合的方式进行激光束的聚焦，方便根据不同发散角的激光束调整透镜所需参数，增大适用范围。
附图说明
图1：装置结构示意图；
图2：非球面环形反射镜俯视示意图；
图3：激光束与标定光源同轴调整流程图；
图1中：1-半导体激光器、2-第一凸透镜、3-液体透镜、4-非球面环形反射镜、5-半反半透镜、6-MEMS反射镜、7-第二凸透镜、8- 反射镜、9-CCD照相机、10-数据采集卡的信号输入端、11-计算机MENS 反射镜控制模块、12-半反半透镜控制模块、13-控制电机、14-标定光源、15-外框。
具体实施方式
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为一种激光三维成像发射系统中激光光源与标定光源的同轴调整方法。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统，包括波长905nm的半导体激光器1、第一凸透镜2、Optotune 公司的EL-16-40-TC液体透镜3、非球面环形反射镜4、半反半透镜 5、MEMS反射镜6、第二凸透镜7、反射镜8、CCD照相机9、数据采集卡的信号输入端10、计算机MENS反射镜控制模块11、半反半透镜控制模块12、控制电机13、波长为638nm的红光圆斑标定光源14、外框15。所述非球面环形反射镜4用于改变MEMS反射镜6反射出的激光与标定光的叠加光的光路走向，使叠加光出射至第二凸透镜7；非球面环形反射镜4为碗状环形结构，将碗底中部镂空，并在碗底中部镂空部分安装液体透镜3，其结构俯视图如图2所示。光路为：待标定的波长905nm的激光器1发射一束激光，经第一凸透镜2与液体透镜3的准直聚焦后透射出半反经半透镜5，出射后的光束投射至 MEMS反射镜6上，MEMS反射镜6反射出的光束再经非球面环形反射镜4改变光路方向后投射至第二凸透镜7，经第二凸透镜7会聚后趋近于平行光出射，经反射镜8反射至CCD照相机9感光面；标定光源14发射出的标定光出射至半反半透镜5，经半反半透镜5的反射后投射至MEMS反射镜6，从MEMS反射镜6反射出的光束同样经非球面环形反射镜4改变光路方向，最后经第二凸透镜7的会聚后出射近似平行光，经反射镜8反射至CCD照相机9感光面。计算机MENS反射镜控制模块11控制MENS反射镜6进行激光束的大视场扫描。CCD照相机9感光面上的待标定激光束光斑与标定光源光斑经数据采集卡的信号输入端10输入计算机，由计算机对CCD照相机9上获取的待标定激光束与标定光束光斑中心位置进行分析判断后，半反半透镜控制模块12控制电机13转动来对半反半透镜5的俯仰和方位进行调整变化，使标定激光束与标定光束光斑中心位置的偏差在允许误差范围内，从而实现同轴调整。
如图3所示，基于所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统及调整方法，包括如下步骤：
步骤一：搭建所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统。
步骤二：开启待标定的波长905nm的半导体激光器1，在红外观察仪下调整激光器的激光束光轴与第一凸透镜2的中心轴及液体透镜3的中心轴在同一条直线上；
步骤三:调节液体透镜3的曲率，使激光束聚焦在MEMS反射镜6 镜面上，经MEMS反射镜反射后的激光束能够用于进行大视场扫描；
步骤四：开启CCD照相机9，MEMS微镜反射出的待标定激光束经非球面环形反射镜4改变光路方向后投射至第二凸透镜7，经第二凸透镜7会聚后趋近于平行光出射，经反射镜8反射至CCD照相机9感光面，记录CCD照相机9感光面上的激光束光斑中心位置；
步骤五：开启波长为638nm的红光圆斑标定光源14，标定光源 14发射出的标定光出射至半反半透镜5，经半反半透镜5的反射后投射至MEMS反射镜6，从MEMS反射镜6反射出的光束同样经非球面环形反射镜4改变光路方向，最后经第二凸透镜7的会聚后出射近似平行光，经反射镜8反射至CCD照相机9感光面，记录CCD照相机9感光面上的标定光源光斑中心位置；
步骤六：计算机MENS反射镜控制模块11控制MENS反射镜6进行激光束的大视场扫描。由计算机对CCD照相机9上获取的待标定激光束与标定光源光束光斑中心位置进行分析判断后，半反半透镜控制模块12控制电机13转动来对半反半透镜5的俯仰和方位进行调整变化，使待标定激光束与标定光束光斑中心位置的偏差在允许误差范围内，从而实现同轴调整。
本实施方式中第一凸透镜2与液体透镜3对激光束进行准直聚焦，使激光束聚焦在MEMS反射镜6上；从波长905nm的半导体激光器1 发射出的激光束经半反半透镜5透射至MEMS反射镜6上，同时使波长638nm的红光圆斑标定光源14的标定光反射至MEMS反射镜6上；第二凸透镜7可使光束趋近于平行出射；光信号通过反射镜8反射给 CCD照相机，由计算机分析判断后，通过计算机的半反半透镜控制模块12输出，从而控制电机13转动来调整半反半透镜5的俯仰和方位。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统，其特征在于：包括激光器(1)、第一凸透镜(2)、液体透镜(3)、非球面环形反射镜(4)、半反半透镜(5)、MEMS反射镜(6)、第二凸透镜(7)、反射镜(8)、CCD照相机(9)、数据采集卡的信号输入端(10)、计算机MEMS反射镜控制模块(11)、计算机半反半透镜控制模块(12)、控制电机(13)、标定光源(14)、外框(15)；所述非球面环形反射镜(4)用于改变MEMS反射镜(6)反射的激光与标定光的叠加光的光路走向，使叠加光出射至第二凸透镜(7)；非球面环形反射镜(4)为碗状环形结构，将碗底中部镂空，并在碗底中部镂空部分安装液体透镜(3)；光路为：待标定的激光器(1)发射一束激光，经第一凸透镜(2)与液体透镜(3)的准直聚焦后透射出半反半透镜(5)，出射后的光束投射至MEMS反射镜(6)上，MEMS反射镜(6)反射出的光束再经非球面环形反射镜(4)改变光路方向后投射至第二凸透镜(7)，经第二凸透镜(7)会聚后趋近于平行光出射，经反射镜(8)反射至CCD照相机(9)感光面；标定光源(14)发射出的标定光出射至半反半透镜(5)，经半反半透镜(5)的反射后投射至MEMS反射镜(6)，从MEMS反射镜(6)反射出的光束同样经非球面环形反射镜(4)改变光路方向，最后经第二凸透镜(7)的会聚后出射近似平行光，经反射镜(8)反射至CCD照相机(9)感光面；计算机MEMS反射镜控制模块(11)控制MEMS反射镜(6)进行激光束的大视场扫描；CCD照相机(9)感光面上的待标定激光束光斑与标定光源光斑经数据采集卡的信号输入端(10)输入计算机，由计算机半反半透镜控制模块(12)对CCD照相机(9)上获取的待标定激光束与标定光束光斑中心位置进行分析判断后，从而控制电机(13)转动来对半反半透镜(5)的俯仰和方位进行调整变化，使标定激光束与标定光束光斑中心位置的偏差在允许误差范围内，从而实现同轴调整。
2.如权利要求1所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统，其特征在于：所述的激光器(1)选半导体激光器。
3.基于利要求1或2所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定及调整方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：搭建所述的一种大视场快速扫描的双光源同轴标定系统；
步骤二：开启待标定激光器(1)，在红外观察仪下调整激光器的激光束光轴与第一凸透镜(2)的中心轴及液体透镜(3)的中心轴在同一条直线上；
步骤三:调节液体透镜(3)的曲率，使激光束聚焦在MEMS反射镜(6)镜面上；经MEMS反射镜(6)反射后的激光束能够用于进行大视场扫描；
步骤四：开启CCD照相机(9)，MEMS反射镜(6)反射出的待标定激光束经非球面环形反射镜(4)改变光路方向后投射至第二凸透镜(7)，经第二凸透镜(7)会聚后趋近于平行光出射，经反射镜(8)反射至CCD照相机(9)感光面，记录CCD照相机(9)感光面上的激光束光斑中心位置；
步骤五：开启标定光源(14)，标定光源(14)发射出的标定光出射至半反半透镜(5)，经半反半透镜(5)的反射后投射至MEMS反射镜(6)，从MEMS反射镜(6)反射出的光束同样经非球面环形反射镜(4)改变光路方向，最后经第二凸透镜(7)的会聚后出射近似平行光，经反射镜(8)反射至CCD照相机(9)感光面，记录CCD照相机(9)感光面上的标定光源光斑中心位置；
步骤六：计算机MEMS反射镜控制模块(11)控制MEMS反射镜(6)进行激光束的大视场扫描；由计算机半反半透镜控制模块(12)对CCD照相机(9)上获取的待标定激光束与标定光源光束光斑中心位置进行分析判断后，从而控制电机(13)转动来对半反半透镜(5)的俯仰和方位进行调整变化，使标定激光束与标定光束光斑中心位置的偏差在允许误差范围内，从而实现同轴调整。
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