CN109443253B - 一种激光同轴度检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光同轴度检测装置及其方法，该激光同轴度检测装置包括：离轴抛物面反射镜、激光靶、物方远心镜头、CCD相机、图像处理计算机；离轴抛物面反射镜用于将入射光束进行汇聚以形成聚集光束，并将聚集光束射向激光靶，放置在离轴抛物面反射镜的焦点位置的激光靶用于接收聚集光束从而形成光斑，安装有物方远心镜头的CCD相机用于拍摄激光靶的靶面，以采集光斑图像，图像处理计算机用于处理光斑图像。借助于本发明的上述技术方案，其能够满足测量精度要求，还具有成本低廉和简单实用的优势。

Description

一种激光同轴度检测装置及其方法

技术领域

本公开涉及光电技术领域，具体涉及一种激光同轴度检测装置及其方法。

背景技术

光电对抗系统的一般特征是启动干扰或损伤类激光器，对目标进行特定波段的干扰或损伤性破坏，针对红外波段探测器或可见光波段电视进行全波段无选择性发射，一机多功能化，集成度高。多光谱激光合束后从出射窗输出，共孔径同轴发射，同时保证在远距离使用过程中各束激光仍能同时照射到同一目标。多光谱合束为该类系统研制工程中的关键技术之一，合束后各激光光轴的同轴度精度为决定系统可靠工作的必要参数之一。多光谱合束同轴度检测系统在系统调试完成验收时，及设备在用户使用过程中，定期维护时对激光发射轴进行标定检测时，发挥着重要作用。

在工程中，激光合束同轴度的检测主要采用远距离激光打靶的方式，将整套装置移动到较大的通视场地，需要能接收各个波段的探测器对照射到靶面上的不同波段激光光束进行探测，这种检测对外场环境有较高要求，同时需要较多的操作人员、显示器等各类检测装置，灵活度低，操作复杂。此外，在实验室内可采用平行光管法，不同光谱的光经过平行光管，聚焦于焦平面，使用相纸观察光斑位置，此方法主观误差较大，另外，还可将相纸用CCD相机等光电转换成像器件替代，通过测量光斑图像，可以消除主观误差，但对可见光至长波红外波段同时成像的传感器没有成熟产品，分别使用可见光、中波红外、长波红外三个波段的相机，成本需要增加了数十倍。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种激光同轴度检测装置及其方法，从而能够完成对可见光、近红外、中波红外和长波红外的不同激光波长的合束之后同轴度的检测。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种激光同轴度检测装置。

该激光同轴度检测装置包括测量装置，测量装置包括：离轴抛物面反射镜、激光靶、物方远心镜头、CCD相机、图像处理计算机；

离轴抛物面反射镜用于将入射光束进行汇聚以形成聚集光束，并将聚集光束射向激光靶，放置在离轴抛物面反射镜的焦点位置的激光靶用于接收聚集光束从而形成光斑，安装有物方远心镜头的CCD相机用于拍摄激光靶的靶面，以采集光斑图像，图像处理计算机用于处理光斑图像。

根据本发明的一个实施例，测量装置固定于光学平板上。

根据本发明的一个实施例，测量装置还包括：平面反射镜，平面反射镜用于调整入射光束的方向，以将入射光束射向离轴抛物面反射镜。

根据本发明的一个实施例，测量装置还包括：衰减片，衰减片安装在物方远心镜头的前端。

根据本发明的一个实施例，在激光靶的靶面上开设小孔，并在靶面的背面安装有LED可见光源。

根据本发明的一个实施例，CCD相机内集成有视频采集卡。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种激光同轴度检测方法。

该激光同轴度检测方法包括：分别采集第一入射光束的第一光斑图像和第二入射光束的第二光斑图像；获取第一光斑图像中的第一光斑的第一质心坐标和第二光斑图像中的第二光斑的第二质心坐标；根据第一质心坐标和第二质心坐标，获取光斑质心坐标差；根据光斑质心坐标差和像素单元尺寸，获取光斑质心差；根据光斑质心差和物方远心镜头的倍率，获取第一光斑的质心和第二光斑的质心的靶面位置差；根据靶面位置差和离轴抛物面反射镜的焦距，计算第一入射光束和第二入射光束的同轴度偏差。

根据本发明的一个实施例，获取第一光斑图像中的第一光斑的第一质心坐标和第二光斑图像中的第二光斑的第二质心坐标包括：在未加入衰减片前，获取第一光斑图像或第二光斑图像中的激光靶的靶面上的小孔的第三质心坐标；在加入衰减片后，获取第一光斑图像或第二光斑图像中的激光靶的靶面上的小孔的第四质心坐标，以及获取第一光斑图像中的第一入射光束形成的第一光斑的第五质心坐标，以及获取第二光斑图像中的第二入射光束形成的第二光斑的第六质心坐标；根据第三质心坐标和第四质心坐标，获取小孔在加入衰减片前后的位置偏差量；根据第五质心坐标、第六质心坐标和位置偏差量，获取第一质心坐标和第二质心坐标。

本发明的有益技术效果在于：

本发明公开的激光同轴度检测装置，其通过使用离轴抛物面反射镜使得检测装置的结构更加紧凑，同时长期检测大功率激光器难免对光学镜面造成损伤，小口径的离轴抛物面反射镜具有加工成本低和降低检测成本的优势，此外，其还通过成像和热靶法组合使用，仅使用白光CCD相机(可响应可见光到近红外波段)一个探测器完成数据获取，也便于计算机分析，同时，该CCD相机的成像镜头选用物方远心镜头，其具有景深范围内、清晰成像和减少测量误差的优点。

此外，该激光同轴度检测装置中的测量装置是固定于光学平板上的，待测量装置中的装置调试、标定完成后，封胶固化测量装置中所有装置的位置，同时，该光学平板还是可以随意移动的，使用十分方便。另外，本发明公开的激光同轴度检测方法设计简洁、结构简单，满足测量精度要求，还具有成本低廉和简单实用的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一实施例的激光同轴度检测装置的示意图；

图2是根据本发明一实施例的确定离轴抛物面反射镜的焦距的示意图；

图3是根据本发明一实施例的激光同轴度检测方法的流程图；

图4是根据本发明一实施例的光斑图像的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种激光同轴度检测装置。

如图1所示，根据本发明实施例的激光同轴度检测装置包括测量装置，该测量装置包括：离轴抛物面反射镜、激光靶、物方远心镜头、 CCD相机、图像处理计算机；离轴抛物面反射镜用于将入射光束进行汇聚以形成聚集光束，并将聚集光束射向激光靶，当然可以理解，该入射光束可为不平行的入射光束，放置在离轴抛物面反射镜的焦点位置的激光靶用于接收聚集光束从而形成光斑，安装有物方远心镜头的 CCD相机用于拍摄激光靶的靶面，以采集光斑图像，图像处理计算机用于处理光斑图像，从而通过上述调试完成后的激光同轴度检测装置能精准测量多个激光器输出的多光谱激光光轴的相对偏移角度，进而解决了由于光谱多、波段宽及激光器数量多造成的同轴度检测难的问题。

借助于本发明的上述技术方案，其通过使用离轴抛物面反射镜使得检测装置的结构更加紧凑，同时长期检测大功率激光器难免对光学镜面造成损伤，小口径的离轴抛物面反射镜具有加工成本低和降低检测成本的优势，此外，其还通过成像和热靶法组合使用，仅使用白光 CCD相机(可响应可见光到近红外波段)一个探测器完成数据获取，也便于计算机分析，同时，该CCD相机的成像镜头选用物方远心镜头，其具有景深范围内、清晰成像和减少测量误差的优点。

根据本发明的一个实施例，测量装置固定于光学平板上。

在该实施例中，如图1所示，平面反射镜、离轴抛物面反射镜和激光靶均通过三维位移台(或三维位移调整台)固定于光学平板上，此外，该CCD相机和图像处理计算机也固定于光学平板上，同时，该光学平板还是可以随意移动的，使用十分方便。

根据本发明的一个实施例，测量装置还包括：平面反射镜，平面反射镜用于调整入射光束的方向，以将入射光束射向离轴抛物面反射镜，需要说明的是，入射到离轴抛物面反射镜的光束可为不平行光束。

根据本发明的一个实施例，测量装置还包括：衰减片，衰减片安装在物方远心镜头的前端。

在该实施例中，在图像采集过程中，靶面上的光斑能量不同，能量过大可能造成CCD相机拍摄的图像饱和，影响测量精度，一般可以通过调控出射激光器功率的方法降低光斑能量，但是如果激光器功率不可调，如图1所示，需要在CCD镜头前加装衰减片(或衰减片镜组)，使光斑亮度适应图像处理的需要。

此外，当然可以理解，构成该测量装置的具体器件还可根据实际需求来进行添加，例如，根据本发明的一个实施例，如图1所示，该测量装置还可包括反射镜和合束镜，本发明对此不做限定。

根据本发明的一个实施例，在激光靶的靶面上开设小孔，并在靶面的背面安装有LED可见光源。

在该实施例中，光路中增加衰减片，由于加工楔角及安装误差等原因，光线产生偏折，造成光斑在靶面上偏移，因此，为降低测量误差，该检测装置采用在激光靶上开设小孔，后置LED可见光源，该具体过程会在后续描述激光同轴度检测方法的过程中进行详细描述，在此不再描述。

根据本发明的一个实施例，CCD相机内集成有视频采集卡。

此外，当然可以理解，构成上述测量装置中各个器件的具体材料也可根据实际需求进行选择，例如，根据本发明的一个实施例，该激光靶材料为钢板、铝板或其他非金属材料，本发明对此不做限定。

根据本发明的实施例，还提供了一种激光同轴度检测方法。

如图3所示，根据本发明实施例的激光同轴度检测方法包括：

步骤S1，分别采集第一入射光束的第一光斑图像和第二入射光束的第二光斑图像；

在该步骤S1之前，还需预先确定离轴抛物面反射镜的焦点位置，如图2所示，使用一辅助平行光光源，激光经过反射镜90°入射到测试装置，平行光入射到离轴抛物面反射镜汇聚到焦点位置，在最小成像点放置激光靶，并使靶面垂直光轴，固定位置。

步骤S2，获取第一光斑图像中的第一光斑的第一质心坐标和第二光斑图像中的第二光斑的第二质心坐标；

在该步骤S2中，需要说明的是，该第一入射光束和第二入射光束的具体光束类型可根据实际需求来进行选择，例如，根据本发明的一个实施例，该第一入射光束为中波长激光，该第二入射光束为长波长激光，本发明对此不做限定。为了便于理解本步骤的具体实施方式，下面以第一入射光束为可见光激光，第二入射光束为中波长激光为例进行描述。

可见光激光器发出可见光激光，CCD相机采集可见光激光形成的第一光斑图像，随后图像处理计算机采用图像处理方法计算第一光斑图像中的第一光斑的质心，并将其位置记为(x1，y1)，同时，该位置以所处像素坐标进行表示，即其位置表示为横坐标是第多少个像素，纵坐标是多少个像素，随后中波长激光器发出中波长激光，由于高功率激光聚焦在靶面上，靶面被烧灼，热致发光被CCD相机接收，从而采集第二光斑图像，随后图像处理计算机计算第二光斑图像中的第二光斑的质心(或形心，或峰值亮度)，并将其位置记为(x2，y2)，同时，该位置以所处像素坐标进行表示，即其位置表示为横坐标是第多少个像素，纵坐标是多少个像素。

此外，这里可见光激光器和中波长激光器可以同时开启，计算不受影响，然而，如果两个激光器发出的光束形成的光斑有很大重叠部分，图像提取坐标值困难，也可以先记录下可见光激光器发出的可见光激光形成的光斑的位置，关闭可见光激光器，再打开中波长激光器，记录中波长激光形成的光斑的位置，其开启方式可以灵活变动。

步骤S3，根据第一质心坐标和第二质心坐标，获取光斑质心坐标差；

在该步骤S3中，为了便于理解该步骤的方案，在步骤S2的基础上，下面仍然以第一入射光束为可见光激光，第二入射光束为中波长激光为例进行描述。

通过以下公式计算可见光激光与中波长激光的光斑质心坐标差：

Δx＝x₂-x₁

Δy＝y₂-y₁

其中，Δ表示光斑质心坐标差，并且参见图4，其还示出了Δx、Δy。

步骤S4，根据光斑质心坐标差和像素单元尺寸，获取光斑质心差；

在该步骤S4中，为了便于理解该步骤的方案，在步骤S3的基础上，下面仍然以第一入射光束为可见光激光，第二入射光束为中波长激光为例进行描述。

通过以下公式计算光斑质心差：

δ＝Δ*a(um)

其中，δ为光斑质心差，a为CCD相机的像素单元尺寸。

此外，由于前面的光斑的位置坐标用像素位置表示，即横坐标是第多少个像素，纵坐标是多少个像素，在该步骤S4中，该光斑质心坐标差应转换成长度单位，就跟像元大小有关，用像素的位置差值乘以像元大小a就是长度。

步骤S5，根据光斑质心差和物方远心镜头的倍率，获取第一光斑的质心和第二光斑的质心的靶面位置差；

在该步骤S5中，为了便于理解该步骤的方案，在步骤S4的基础上，下面仍然以第一入射光束为可见光激光，第二入射光束为中波长激光为例进行描述。

通过以下公式计算靶面位置差：

l＝δ*β

其中，l表示靶面位置差，β表示物方远心镜头的倍率。

此外，步骤S5之前计算的数值都是靶面通过物方远心镜头成像在 CCD相机上的，这里要计算出靶面上的实际尺寸，所以要乘以物方远心镜头的倍率β。

步骤S6，根据靶面位置差和离轴抛物面反射镜的焦距，计算第一入射光束和第二入射光束的同轴度偏差。

在该步骤S6中，为了便于理解该步骤的方案，在步骤S5的基础上，下面仍然以第一入射光束为可见光激光，第二入射光束为中波长激光为例进行描述。

通过以下公式计算同轴度偏差或光轴偏差：

其中，Δθ表示同轴度偏差，f'表示离轴抛物面反射镜的焦距。

从而通过上述步骤，其以可见光波长的激光光轴为基准，测量其他光谱激光器相对这一基准的偏移量，并通过成像与热靶法组合使用，使用一个白光CCD相机完成图像数据获取，对激光接收靶面上的光斑图像采用质心法(或形心法或峰值亮度法，根据光斑的形状进行选择) 测量光斑位置坐标，其测量精度可达到亚像素级。

根据本发明的一个实施例，获取第一光斑图像中的第一光斑的第一质心坐标和第二光斑图像中的第二光斑的第二质心坐标包括：在未加入衰减片前，获取第一光斑图像或第二光斑图像中的激光靶的靶面上的小孔的第三质心坐标；在加入衰减片后，获取第一光斑图像或第二光斑图像中的激光靶的靶面上的小孔的第四质心坐标，以及获取第一光斑图像中的第一入射光束形成的第一光斑的第五质心坐标，以及获取第二光斑图像中的第二入射光束形成的第二光斑的第六质心坐标；根据第三质心坐标和第四质心坐标，获取小孔在加入衰减片前后的位置偏差量；根据第五质心坐标、第六质心坐标和位置偏差量，获取第一质心坐标和第二质心坐标。

在该实施例中，为了便于理解该步骤的方案，在上述步骤的基础上，下面仍然以第一入射光束为可见光激光，第二入射光束为中波长激光为例进行描述。

首先，在图像采集过程中，靶面上的光斑能量不同，能量过大可能造成CCD图像饱和，影响测量精度，一般可以通过调控出射激光器功率的方法降低光斑能量，但是，如果激光器功率不可调，需要在CCD 相机的镜头前加装衰减片，使光斑亮度适应图像处理的需要。但是，光路中增加衰减片，由于加工楔角及安装误差等原因，光线产生偏折，造成光斑在CCD靶面上偏移，从而为降低测量误差，本装置采用在激光靶上开小孔，后置LED可见光源，以靶面小孔作为基准点，测量计算光斑质心的坐标位置，同时，由于光路中加入衰减片，小孔和光斑在靶面上共同偏移，相对位置不变，相对坐标法可消除光路中加入(或者移除)衰减片带来的影响，具体过程如下：

首先，CCD相机采集未加入衰减片前的光斑图像，采用图像处理方法计算光斑质心(或形心或者峰值亮度)位置，用像素坐标表征，依次记录小孔质心坐标(x0，y0)，在加入衰减片后，小孔质心坐标 (x0＇，y0＇)，可见光激光光斑质心坐标(x1＇，y1＇)，中波长激光光斑质心坐标(x2＇，y2＇)。

随后，通过计算得到小孔前后的位置偏差量，引入小孔加入衰减片前后的位置偏差量，得到加入衰减片前的，可见光激光光斑质心坐标(x1，y1)，中波长激光光斑质心坐标(x2，y2)，随后根据上述两个坐标和上述步骤S3至步骤S6的公式，计算两激光同轴度偏差或光轴偏差。

此外，同理求出长波红外与其他激光两光轴的偏差，其过程与上述描述内容类似在此不再重复描述。

另外，该激光同轴度检测为实时采集，以上计算过程，已经拟合到图像处理软件，在后台进行运算，可以实时显示图像光斑的实时位置及同轴度偏差，同时，此方法不仅可以用来检测，同时也可应用到激光合束调试过程中，实时监测显示光轴同轴度误差，极大得方便了激光合束同轴调试。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，其通过使用离轴抛物面反射镜使得检测装置的结构更加紧凑，同时长期检测大功率激光器难免对光学镜面造成损伤，小口径的离轴抛物面反射镜具有加工成本低和降低检测成本的优势，此外，其还通过成像和热靶法组合使用，仅使用白光CCD相机(可响应可见光到近红外波段)一个探测器完成数据获取，也便于计算机分析，同时，该CCD相机的成像镜头选用物方远心镜头，其具有景深范围内、清晰成像和减少测量误差的优点。此外，该激光同轴度检测装置中的测量装置是固定于光学平板上的，待测量装置中的装置调试、标定完成后，封胶固化测量装置中所有装置的位置，同时，该光学平板还是可以随意移动的，使用十分方便。另外，本发明公开的激光同轴度检测方法设计简洁、结构简单，满足测量精度要求，还具有成本低廉和简单实用的优势。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光同轴度检测装置，其特征在于，所述激光同轴度检测装置包括测量装置，所述测量装置包括：离轴抛物面反射镜、激光靶、物方远心镜头、CCD相机、图像处理计算机；

所述离轴抛物面反射镜用于将入射光束进行汇聚以形成聚集光束，并将所述聚集光束射向所述激光靶，放置在所述离轴抛物面反射镜的焦点位置的激光靶用于接收所述聚集光束从而形成光斑，安装有所述物方远心镜头的CCD相机用于拍摄所述激光靶的靶面，以采集光斑图像，所述图像处理计算机用于处理所述光斑图像；

其检测方法，包括：

分别采集第一入射光束的第一光斑图像和第二入射光束的第二光斑图像；

获取所述第一光斑图像中的第一光斑的第一质心坐标和所述第二光斑图像中的第二光斑的第二质心坐标；

其中，获取所述第一光斑图像中的第一光斑的第一质心坐标和所述第二光斑图像中的第二光斑的第二质心坐标包括：在未加入衰减片前，获取所述第一光斑图像或所述第二光斑图像中的激光靶的靶面上的小孔的第三质心坐标；

在加入所述衰减片后，获取所述第一光斑图像或所述第二光斑图像中的激光靶的靶面上的小孔的第四质心坐标，以及获取所述第一光斑图像中的第一入射光束形成的第一光斑的第五质心坐标，以及获取所述第二光斑图像中的第二入射光束形成的第二光斑的第六质心坐标；

根据所述第三质心坐标和所述第四质心坐标，获取所述小孔在加入所述衰减片前后的位置偏差量；

根据所述第五质心坐标、所述第六质心坐标和所述位置偏差量，获取所述第一质心坐标和所述第二质心坐标；

根据所述第一质心坐标和所述第二质心坐标，获取光斑质心坐标差；

根据所述光斑质心坐标差和像素单元尺寸，获取光斑质心差；

根据所述光斑质心差和物方远心镜头的倍率，获取所述第一光斑的质心和所述第二光斑的质心的靶面位置差；

根据所述靶面位置差和离轴抛物面反射镜的焦距，计算所述第一入射光束和所述第二入射光束的同轴度偏差。

2.根据权利要求1所述的激光同轴度检测装置，其特征在于，所述测量装置还包括：平面反射镜，所述平面反射镜用于调整所述入射光束的方向，以将所述入射光束射向所述离轴抛物面反射镜。

3.根据权利要求1所述的激光同轴度检测装置，其特征在于，所述测量装置还包括：衰减片，所述衰减片安装在所述物方远心镜头的前端。

4.根据权利要求3所述的激光同轴度检测装置，其特征在于，在所述激光靶的靶面上开设小孔，并在所述靶面的背面安装有LED可见光源。

5.根据权利要求1所述的激光同轴度检测装置，其特征在于，所述CCD相机内集成有视频采集卡。