CN108007394A - 一种远距离高精度的对中调试装置及其调试方法 - Google Patents

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    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes

Abstract

本发明公开了一种远距离高精度的对中调试装置及其调试方法，激光远距离传播后首先透过散射片发生漫反射形成散射场，再通过镜头成像对激光光束进行整形，形成光斑直径小、无衍射条纹、能量均匀稳定的圆形光斑。光斑位置检测采用高精度二维光电位置传感器PSD，光电流进过I/V转换和放大后通过数据采集卡得到电压信号，通过位置计算公式解算出光斑坐标信息，从而实现对中调试。本发明克服了激光远距离照射出现大光斑、衍射光纹等致使检测受限的问题，可直接实现激光光斑位置的高精度检测，实现长达200m远距离的对中调试。

Description

一种远距离高精度的对中调试装置及其调试方法
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体涉及一种远距离高精度对中调试装置及其调试方法。
背景技术
激光光束远距离过程中，随着照射距离的增大，由于其自身散射和衍射现象的存在以及大气扰动等环境因素的影响，将出现光斑直径显著增大，中心光斑周围产生明显的衍射光波，光斑不稳定及能量分布不均匀等问题，这些问题给激光光斑远距离位置的检测带来了困难，限制了激光光斑位置的检测距离和精度。
中国专利200710303430.0公开了一种利用双激光束在线监测多个活动部件中心的方法及装置，该方法由于没有考虑远距离下激光光束扩散带来的影响，其检测距离最大也仅有35米。
中国专利200420092325.9公开了一种激光光斑位置检测器，该装置检测电路测定黑白摄像机视频信号流从而获得光斑位置信息，但是该方法存在采集速慢，检测精度低，检测距离受限等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种远距离高精度的对中调试装置及其调试方法，解决了激光光束远距离照射时光斑尺寸大且产生多级衍射环的问题，利用镜头成像原理对激光光束整形，减小了光斑直径，增强了光斑质量，提高了光斑稳定性，突破了PSD传感器尺寸的制约，消除了背景光对PSD的影响，提高了PSD对光斑位置探测的精度，实现了远距离高精度的对中调试。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种长距离高精度的对中调试装置，包括激光平行管、三脚架、云台、数据采集卡和上位机，激光平行管固定在云台上，云台固定在三脚架上，共光轴依次间隔设置激光平行管和镜头成像装置，数据采集卡分别与镜头成像装置和上位机连接。
所述镜头成像装置包括压环、散射片、镜头、PSD、长套筒和转接件，转接件圆柱形，其中心设有一个二阶通孔，PSD固定在转接件一端，镜头设置在转接件另一端与所述二阶通孔的直径小的孔固连，转接件固定在长套筒的一端，镜头位于长套筒内，散射片设置在长套筒的另一端，通过压环压紧；其中散射片位于激光平行管的出射光路，PSD与数据采集卡连接。
所述激光平行管和散射片之间的距离为0～200m。
一种基于长距离高精度的对中调试装置的调试方法，步骤如下：
步骤1、搭建长距离高精度的对中调试装置；
步骤2、调试长距离高精度的对中调试装置；
步骤3、激光平行管发出的激光入射至散射片的前表面，激光光斑透过散射片发生漫反射，并在其后方形成激光散射场；
步骤4、经过镜头进行聚焦和整形，在PSD的光敏面形成一个倒立缩小的实像；
步骤5、光斑照射后PSD产生光电流，经过I/V转换并放大后，通过线缆传输到数据采集卡，在上位机上处理并显示出光斑的二维坐标位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用镜头成像原理对激光光束整形，减小了光斑直径，增强了光斑质量，提高了光斑稳定性，突破了PSD传感器尺寸的制约，消除了背景光对PSD的影响，提高了PSD对光斑位置探测的精度，实现了长距离高精度的对中调试；(2)平行激光管与三脚架和云台集成为一体，提高了激光束水平调节的简便性和安装稳定性。
附图说明
图1是本发明的长距离高精度的对中调试装置结构图。
图2是本发明的激光透过散射片成像示意图。
图3是本发明的镜头成像原理和激光光斑移动示意图。
图4是本发明的镜头成像装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提出了一种长距离高精度的对中调试装置，包括激光平行管3、三脚架1、云台2、数据采集卡8和上位机9，激光平行管3固定在云台2上，云台2固定在三脚架1上，共光轴依次间隔设置激光平行管3和镜头成像装置7，数据采集卡8分别与镜头成像装置7和上位机9连接。
结合图4，所述镜头成像装置7包括压环10、散射片4、镜头5、PSD6、长套筒11和转接件12，由于环境光的存在对PSD6的检测精度有一定的影响，所以整个装置设计为圆筒状暗室，有效避免了环境光带来的检测误差。转接件12圆柱形，其中心设有一个二阶通孔，PSD6通过螺钉固定在转接件12一端，镜头5设置在转接件12另一端，并通过螺纹与所述二阶通孔的直径小的孔固连，转接件12通过螺纹固定在长套筒11的一端，镜头5位于长套筒11内，散射片4设置在长套筒11的另一端，通过压环10压紧。其中散射片4位于激光平行管3的出射光路，PSD6与数据采集卡8连接，所述激光平行管3和散射片4之间的距离为0～200m。
所述激光平行管3采用半导体激光平行管作为光源，其准直性好，功率稳定，体积小易安装，激光光源在200米范围内形成稳定的准直光源。激光平行管3通过三脚架1和云台2进行安装，调节其水平，保证激光光束稳定水平射出。激光发出后，首先落在远处的散射片4的前表面，此时激光光斑直径大且存在衍射环。由于散射片4表面粗糙，激光光斑透过散射片4发生漫反射，并在其后方形成激光散射场，再经过镜头5进行聚焦和整形，在PSD6的光敏面形成一个倒立缩小的实像光斑。PSD6光敏面与镜头5主焦面重合，落在PSD6光敏面上的光斑直径小，能量均匀分布，稳定性好。光斑照射后PSD6产生光电流，经过I/V转换并放大后，通过线缆传输到数据采集卡8，在上位机9上处理并显示出光斑的二维坐标位置。其中入射在PSD6光敏面上的光斑位置与其输出电压信号的关系为：
式中，L为PSD6的尺寸，Ux1、Ux2、Uy1和Uy2分别为PSD6四个电极输出电压。
如图2所示，本发明利用镜头成像的原理实现对激光光束进行整形，改善光斑质量，提高光斑稳定性。散射片4表面粗糙，可以看作是大量无规则的面元组成。当激光入射到散射片4前表面上时，每一个面元都要散射光，形成无规则的漫反射。面元的散射光经过镜头5在同一点处叠加，形成均匀和稳定的光斑。利用镜头成像原理对光斑进行整形，能有效减小光斑直径，改善光斑质量，抑制衍射光纹，提高光斑稳定性和均匀性，从而提高PSD6的检测精度。
如图3所示，当激光照射在散射片4上的光斑移动时，入射在PSD6光敏面上的光斑也发生移动。当激光照射在散射片4上光斑移动的相对位移为S时，则入射在PSD6光敏面上的光斑移动的位移为s，根据透镜成像的放大倍率关系式可知：s＝k·S。其中放大倍率像距为l，物距为L，D为物的大小，d为像的大小。本发明成像系统需要选择合适的焦距f、像距l和物距L。根据PSD6光敏面尺寸和原始光斑的直径大小，选择合适放大倍率k＝0.2。考虑到装置的尺寸不宜过大，选择物距L＝60mm，则像距l＝10mm。由高斯公式则确定焦距f＝10mm。
一种基于长距离高精度的对中调试装置的调试方法，步骤如下：
步骤1、搭建长距离高精度的对中调试装置；
步骤2、调试长距离高精度的对中调试装置，具体步骤如下：
步骤2‐1、利用云台2调节激光平行管3的水平，使得激光水平射出；
步骤2‐2、调节镜头成像装置7的空间位置，使得激光束位于检测范围内；
步骤2‐3、给激光平行管3供电，PSD6上电并连接线缆，查看上位机9是否有信号输出；
步骤3、激光平行管3发出的激光入射至散射片4的前表面，激光光斑透过散射片4发生漫反射，并在其后方形成激光散射场；
步骤4、经过镜头5进行聚焦和整形，在PSD6的光敏面形成一个倒立缩小的实像；
步骤5、光斑照射后PSD6产生光电流，经过I/V转换并放大后，通过线缆传输到数据采集卡8，在上位机9上处理并显示出光斑的二维坐标位置。

Claims (6)

1.一种长距离高精度的对中调试装置，其特征在于：包括激光平行管（3）、三脚架（1）、云台（2）、数据采集卡（8）和上位机（9），激光平行管（3）固定在云台（2）上，云台（2）固定在三脚架（1）上，共光轴依次间隔设置激光平行管（3）和镜头成像装置（7），数据采集卡（8）分别与镜头成像装置（7）和上位机（9）连接。
2.根据权利要求1所述的长距离高精度的对中调试装置，其特征在于：所述镜头成像装置（7）包括压环（10）、散射片（4）、镜头（5）、PSD（6）、长套筒（11）和转接件（12），转接件（12）圆柱形，其中心设有一个二阶通孔，PSD（6）固定在转接件（12）一端，镜头（5）设置在转接件（12）另一端与所述二阶通孔的直径小的孔固连，转接件（12）固定在长套筒（11）的一端，镜头（5）位于长套筒（11）内，散射片（4）设置在长套筒（11）的另一端，通过压环（10）压紧；其中散射片（4）位于激光平行管（3）的出射光路，PSD（6）与数据采集卡（8）连接。
3.根据权利要求2所述的长距离高精度的对中调试装置，其特征在于：所述激光平行管（3）和散射片（4）之间的距离为0~200m。
4.根据权利要求1所述的长距离高精度的对中调试装置，其特征在于：所述PSD（6）光敏面与镜头（5）主焦面重合。
5.一种基于权利要求1所述的长距离高精度的对中调试装置的调试方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、搭建长距离高精度的对中调试装置；
步骤2、调试长距离高精度的对中调试装置；
步骤3、激光平行管（3）发出的激光入射至散射片（4）的前表面，激光光斑透过散射片（4）发生漫反射，并在其后方形成激光散射场；
步骤4、经过镜头（5）进行聚焦和整形，在PSD（6）的光敏面形成一个倒立缩小的实像；
步骤5、光斑照射后PSD（6）产生光电流，经过I/V转换并放大后，通过线缆传输到数据采集卡（8），在上位机（9）上处理并显示出光斑的二维坐标位置。
6.根据权利要求5所述的长距离高精度的对中调试装置的调试方法，其特征在于：上述步骤2、调试长距离高精度的对中调试装置，具体步骤如下：
步骤2-1、利用云台（2）调节激光平行管（3）的水平，使得激光水平射出；
步骤2-2、调节镜头成像装置（7）的空间位置，使得激光束位于检测范围内；
步骤2-3、给激光平行管（3）供电，PSD（6）上电并连接线缆，查看上位机（9）是否有信号输出。
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