CN212569122U - 自动校准光轴的激光测距机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自动校准光轴的激光测距机系统，包括激光器、探测器、指示光源、光轴调整装置和光轴检测装置；光轴检测装置检测接收光路指示光的位置信息、发射光路激光光束的位置信息，获取位置信息的偏差值；光轴调整装置根据偏差值对发射光路和/或接收光路的光轴进行校准。该系统还包括光纤耦合器，包括第一光纤端口、第二光纤端口和第三光纤端口，第一光纤端口用于接收回波光信号，第二光纤端口连接探测器，第三光纤端口连接指示光源。在进行光轴检测时，使指示光源发出的指示光沿接收光路路径出射；即本实用新型通过将指示光源与探测器通过光纤耦合器接入相同的光路，使指示光路的光轴与接收光路的光轴完全一致，从而达到真正的闭环反馈。

Description

自动校准光轴的激光测距机系统

技术领域

本实用新型涉及自动校准光轴的激光测距机系统，属于激光测距光轴校准领域。

背景技术

远距离激光测距系统以及激光雷达系统等，都是利用发射激光照射到目标表面，采取大口径接收镜头收集反射回来的光信号，并且会聚在高灵敏度的APD光电探测器上，进行光信号到电信号的转换，通过对发射和接收时间差的测量，进行测距、测速和目标的识别等，在投入正式使用之前，通常会进行高精度的同轴度检测，目的是让发射光轴与接收光轴保持高精度同轴，这也是激光测距系统以及激光雷达系统高精度的重要保障。

其中，对接收光轴和发射的光轴校准的方法，有激光打点法、CCD或其它光斑位置检测器件；上述方法中都是需要在专门的光学实验室中进行，借助于特殊的外部光轴检测辅助装置来校准，这使得整个检测要求操作人员专业性较强，且附加的辅助装置一般较大，不便于野外或者实时检测，在实际工程应用上难以满足需求。

而基于上述问题，授权公告号为CN 102353950 B的中国发明专利“一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统及光轴校准方法”，公开的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统，其是将具有校准功能的装置集成在激光雷达光学系统内部，不需要外部辅助装置即可完成激光发射光轴、激光信号接收光轴、目标成像瞄准光轴的一致性校准；具体的：包括激光发射镜、后向反射镜组，其中的激光发射镜安装在调整机构上，在接收光路的视场光阑和中继镜组之间外侧设置照明光源，在进行光轴校准时，将后向反射镜组和照明光源移动至光路中，分别打开照明光源和激光器，通过后向反射镜组将照明光源和激光器发出的光束经分光镜反射至CCD相机中，获得接收光轴、激光光轴的光斑位置的图像，并调整激光发射镜的位置，直至两光斑图像重合，光轴校准完成；但是，该专利存在如下问题：

1)对于后向反射镜组和照明光源，在移动过程中，由于振动、温度变化等原因，使照明光源光路与实际接收光路是否完全重合并不能保证，这样就无法保证光轴校准的准确性；

2)设置的后向反射镜组，无疑是增加了系统结构的复杂性以及成本；

3)在光轴校准时，后向反射镜组和照明光源需要分别设置移动机构，也会大大增加系统的成本以及结构的复杂性。

4)由于CCD的像元尺寸限制，光斑位置检测精度最高能达到几个微米；而对于四象限探测器，室内检测精度可以达到亚微米量级，装在系统中的检测装置接近室内环境。根据θ＝Δx/f，θ为检测精度，Δx为光斑位置检测精度，f为前端聚焦镜头焦距；可见，相同角检测精度下，CCD系统匹配的透镜组焦距是四象限所需光学镜头的10倍以上，这样必然导致系统结构的复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种自动校准光轴的激光测距机系统；用于解决现有技术中的带有光轴校准的激光测距机结构复杂，不是在线自动校轴，且在进行光轴校准时未能达到真正闭环反馈，进而导致不准确的问题。

为实现上述目的，本实用新型的一种自动校准光轴的激光测距机系统的技术方案，包括激光器、探测器、指示光源、光轴调整装置和光轴检测装置；

所述激光器用于发出激光光束，激光光束传输的路径形成发射光路；

所述探测器用于检测被测目标物体的回波光信号，其中回波光信号的传输路径形成接收光路；

所述指示光源向光轴检测装置发出指示光；

所述光轴检测装置用于检测接收光路中的指示光的位置信息、发射光路中的激光光束的位置信息，获取所述位置信息的偏差值；

所述光轴调整装置用于根据所述偏差值对发射光路和/或接收光路的光轴进行校准；

还包括光纤耦合器，包括第一光纤端口、第二光纤端口和第三光纤端口；

所述第一光纤端口具有光出入口，光出入口位于接收光路的光轴上，用于接收回波光信号，以使回波光信号沿接收光路输入第一光纤端口并在第一光纤端口及光纤耦合器的光纤内全反射的向第二光纤端口传输，光出入口还用于射出所述指示光；第二光纤端口连接探测器，使所述回波光信号进入探测器；第三光纤端口连接所述指示光源，用于接收指示光源发出的指示光，使指示光在第三光纤端口及光纤耦合器的光纤内全反射的向第一光纤端口传输，并从所述光出入口出射后沿接收光路的路径发射。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的自动校准光轴的激光测距机系统，通过将指示光源与接收光路上的探测器通过光纤耦合器接入一条光路中，无需指示光源的移动，指示光光轴与接收光轴严格一致，这样能够提高发射光轴与接收光轴的准确性。

进一步的，所述接收光路中设有透镜装置，透镜装置的焦点处于接收光路的光轴上，所述第一光纤端口的光出入口位于所述焦点，透镜装置用于使回波光信号聚焦到所述光出入口，透镜装置还用于使指示光沿着与接收光路的光轴平行的方向发射。

进一步的，所述光轴检测装置，设置在所述发射光路的出射端。

本实用新型中的光轴检测装置设置在发射光路的出射端，能够直接获取发射光路和指示光路的光信号，无需设置光束截止器，节省了整个系统的成本，简化了系统的结构。

进一步的，所述光轴检测装置包括四象限探测器，用于检测激光器发射的激光光束的位置信息和/或指示光的位置信息。

进一步的，所述光轴检测装置还包括侧向位移棱镜，用于将激光光束和/或指示光反射至四象限探测器。

进一步的，所述光轴调整装置包括调整机构和调整元件。

进一步的，所述调整元件为发射光路和/或接收光路上设置的反射镜。

进一步的，所述调整元件为发射光路上设置的激光器。

进一步的，还包括信号处理装置，信号处理装置的输入端连接所述光轴检测装置，输出端控制连接所述调整机构。

附图说明

图1是本实用新型的自动校准光轴的激光测距机系统的结构示意图；

附图标记：1-指示光源，2-探测器，3-光纤耦合器，4-光出入口，5-中继透镜，6-接收系统，7-发射系统，8-激光器，9-快速反射镜，10-扩束镜组，11-第一反射镜，12-第二反射镜，13-透镜组，14-侧向位移棱镜，15-聚焦透镜组，16-四象限探测器，17-光轴检测装置，18-信号处理装置，19-信号采集模块，20-A/D转换模块，21-数据处理模块，22-输出模块，23-控制系统，24-上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的方案进行进一步说明。

图1为本实用新型提供的自动校准光轴的激光测距机系统结构示意图，包括接收系统6、发射系统7、扩束镜组10、光轴检测装置17、信号处理装置18、控制系统23和上位机24。

其中的接收系统6，包括指示光源1、探测器2、光纤耦合器3和透镜装置。

本实施例中的探测器2用于检测被测目标物体的回波光信号，其中回波光信号的传输路径形成接收光路；指示光源1向光轴检测装置17发出指示光。

本实施例中的光纤耦合器3包括第一光纤端口、第二光纤端口和第三光纤端口；

其中第一光纤端口具有光出入口4，光出入口4位于接收光路的光轴上，用于接收回波光信号，以使回波光信号沿接收光路输入第一光纤端口并在光纤内全反射的向第二光纤端口传输，光出入口4还用于射出指示光；第二光纤端口连接带尾纤的探测器2，使回波光信号进入探测器2；第三光纤端口连接带尾纤的指示光源1，用于接收指示光源1发出的指示光，使指示光在光纤内全反射的向第一光纤端口传输，并从光出入口4出射后沿接收光路的路径发射，并进入光轴检测装置17，实现接收光路的光轴的位置检测。

本实施例中的接收光路中设的透镜装置为中继透镜5，中继透镜5的焦点处于接收光路的光轴上，第一光纤端口的光出入口4位于该中继透镜5的焦点处，中继透镜5用于使回波光信号聚焦到第一光纤端口的光出入口4，中继透镜5还用于使指示光沿着与接收光路的光轴平行的方向发射。

本实施例中的指示光源1为LD光源(LD为半导体激光器)或者其他光源。

需要说明的是，本实施例中的指示光源1是通过光纤耦合器3接入到接收光路中，这样能够保证指示光源1发出的指示光也可以通过中继透镜5发出，且与接收光路中的回波光信号完全重合，从而能够更准确地实现接收光轴的检测。

发射系统7，包括激光器8、光轴调整装置；其中激光器8用于发出激光光束，激光光束传输的路径形成发射光路。

本实施例中的光轴调整装置用于对发射光路的光轴进行校准；快速反射镜(FSM)9包括反射镜和驱动元件，在驱动元件(压电器件、静电微驱动器或音圈电机等，其中的压电器件为压电陶瓷驱动器)的作用下，实现反射镜的小角度偏转；在进行光轴校准时，根据光轴检测装置17获取的接收光路的光轴和发射光路的光轴的位置信息的偏差值，控制调整机构对快速反射镜进行调整。

当然作为其他实施方式，本实施例中的光轴调整装置还可以采用反射镜和调整机构组合的装置，其中反射镜安装在俯仰角和方位角可调节并锁紧的调整机构上，调整机构采用曲柄摇杆机构，该曲柄摇杆机构属于现有技术中常见的激光雷达系统中光学镜头的调节结构，此处不再过多介绍。

作为其他实施方式，上述实施例中的光轴调整装置还可以仅在接收系统中设置，即在扩束镜组10与中继镜组5之间设置可调整的反射镜；当然还可以在发射系统和接收系统中同时设置两套光轴调整装置。

另外，作为其他实施方式，光轴调整装置的对象还可以为光源，如对激光器8进行位置方位调节，改变光束的出射方向。

扩束镜组10，是发射系统7和接收系统6的共用光路上设置的镜组，用于向被测目标物体传输激光光束和接收被测目标物体的回波光信号；其包括第一反射镜11、第二反射镜12和透镜组13。

本实施例中的第一反射镜11为中心镀有相应偏振态的偏振膜，允许激光器发射的激光光束完全透过；其周围区域镀增反膜，用于将回波光信号全部反射至接收系统6。第二反射镜12则是将发射的激光光束经透镜组11向后出射。

同时，本实施例中的设置的第一反射镜11和第二反射镜12，与接收系统中的指示光源1的偏振状态垂直或者无偏振状态，这样指示光源1发出的光可以充满整个镜头，不会存在中心无光的状态。

光轴检测装置17，设置在发射光路的出射端，即扩束镜组10的后端，该光轴检测装置17包括侧向位移棱镜14、聚焦透镜组15和四象限探测器16。其中的四象限探测器16用于检测指示光源1与激光器8发出的光束位置。

本实施例中的侧向位移棱镜14为采用对发射激光高透的窗口镜，其能够将发射激光束覆盖区域的光极少量反射至聚焦透镜组15中，经聚焦透镜组15聚焦后，光斑落在四象限探测器16上。本实施例中的四象限探测器16根据光斑所在的位置，产生对应的电流或电压输出。

作为其他实施方式，本实施例中的光轴检测装置17还可以为CCD相机。

需要说明的是，本实施例中将光轴检测装置17设置在发射光路中的出口，也即被测目标物体与扩束镜组10的光路之间，在进行光轴校准时，无需光束截止器即可，简化了系统结构，降低了测距机系统的成本。

信号处理装置18，包括信号采集模块19、A/D转换模块20、数据处理模块21和输出模块22，其输入端与四象限探测器16连接，其输出端控制连接快速反射镜9的调整机构；信号处理装置18用于采集四象限探测器16输出的对应的光斑信号的位置，并进行分析处理，计算得到接收光轴和发射光轴的光轴偏差量，通过输出模块22输出，并控制调整机构进行快速反射镜9的角度的调节，实现双光轴的平行。

本实施例中的上位机24，用于发送相应的控制指令，该控制指令包括目标物体测距以及光轴校准；控制系统23分别控制连接指示光源1和激光器8，在进行光轴校准时，分别打开指示光源1和激光器8。

本实施例中的控制系统23负责光轴自动校准系统的总体控制。当控制系统23接收到上位机24发出的需要进行光轴自校准的控制指令时，首先给接收系统6中的指示光源1和光轴检测装置17发送指令，对接收光轴进行检测；再给激光器8发送指令，进行发射光轴的检测；根据光轴检测装置17检测的接收光轴和发生光轴的位置，实现光轴校准，校准完毕后返回信号给上位机24。

下面结合图1中的自动校准光轴的激光测距机系统，对本实用新型的光轴校准工作过程，进行具体的介绍，如下：

1)控制系统23接收上位机24发出的光轴自校准控制命令，控制指示光源1打开，指示光束经光纤耦合器3、中继透镜5、扩束镜组10，经侧向位移棱镜14折转入四象限探测器16上，四象限探测器16检测指示光束光斑的位置，并输出至信号处理装置18，同时关闭指示光源1；其中指示光束光斑位置代表接收光轴的位置。

2)打开激光器8，激光光束经快速反射镜9透射后，再经扩束镜组10，进入光轴检测装置17的四象限探测器16中，获取激光光斑位置，关闭激光器8；该激光光斑位置代表发射光轴的位置。

3)根据获取的指示光束光斑位置和激光光斑位置，计算出接收光轴与发射光轴的偏差量，判断偏差量与设定误差值，若偏差量大于设定误差值，则该偏差量作为输出信号驱动反射镜9角度调整的偏移量；反之，不进行校准。

本实施例中的偏差量是根据指示光的位置及激光光束的位置、镜头的焦距及离焦量计算出的；其中的每个光斑的位置是根据四象限探测器检测到的电流或电压值，通过光斑位置检测算法计算得到的。

本实施例中的设定误差值为系统出厂设定的误差值。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，已经用一般性说明、具体实施方式对本实用新型作了详尽的描述，但并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种修改或改进。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种自动校准光轴的激光测距机系统，包括激光器、探测器、指示光源、光轴调整装置和光轴检测装置；

所述激光器用于发出激光光束，激光光束传输的路径形成发射光路；

所述探测器用于检测被测目标物体的回波光信号，其中回波光信号的传输路径形成接收光路；

所述指示光源向光轴检测装置发出指示光；

所述光轴检测装置用于检测接收光路中的指示光的位置信息、发射光路中的激光光束的位置信息，获取所述位置信息的偏差值；

所述光轴调整装置用于根据所述偏差值对发射光路和/或接收光路的光轴进行校准；

其特征在于，还包括光纤耦合器，包括第一光纤端口、第二光纤端口和第三光纤端口；

所述第一光纤端口具有光出入口，光出入口位于接收光路的光轴上，用于接收所述回波光信号，以使回波光信号沿接收光路输入第一光纤端口并在光纤耦合器的光纤内全反射的向第二光纤端口传输，光出入口还用于射出所述指示光；第二光纤端口连接探测器，使所述回波光信号进入探测器；第三光纤端口连接所述指示光源，用于接收指示光源发出的指示光，使指示光在光纤耦合器的光纤内全反射的向第一光纤端口传输，并从所述光出入口出射后沿接收光路的路径发射。

2.根据权利要求1所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述接收光路中设有透镜装置，透镜装置的焦点处于接收光路的光轴上，所述第一光纤端口的光出入口位于所述焦点，透镜装置用于使回波光信号聚焦到所述光出入口，透镜装置还用于使指示光沿着与接收光路的光轴平行的方向发射。

3.根据权利要求1所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述光轴检测装置设置在所述发射光路的出射端。

4.根据权利要求3所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述光轴检测装置包括四象限探测器，用于检测激光器发射的激光光束的位置信息和/或指示光的位置信息。

5.根据权利要求4所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述光轴检测装置还包括侧向位移棱镜，用于将激光光束和/或指示光反射至四象限探测器。

6.根据权利要求1所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述光轴调整装置包括调整机构和调整元件。

7.根据权利要求6所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述调整元件为发射光路和/或接收光路上设置的反射镜。

8.根据权利要求6所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，所述调整元件为发射光路上设置的激光器。

9.根据权利要求6所述的自动校准光轴的激光测距机系统，其特征在于，还包括信号处理装置，信号处理装置的输入端连接所述光轴检测装置，输出端控制连接所述调整机构。

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