CN216013655U - 用于激光测距机原位校准的光轴对准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，属于光学工程技术领域，解决了现有装置在外场原位校准时光轴对准慢的问题。所述装置包括直角立方分光棱镜组、聚焦成像组件、显控模块和光轴调整架，其中，直角立方分光棱镜组和聚焦成像组件依次沿主光轴设置于所述光轴调整架上；直角立方分光棱镜组包括沿主光轴依次设置的第一直角立方分光棱镜和第二直角立方分光棱镜；显控模块通过线缆与所述聚焦成像组件通信连接。实现了激光测距机快速原位校准，适用范围广、精度高。

Description

用于激光测距机原位校准的光轴对准装置

技术领域

本实用新型涉及光学工程技术领域，尤其涉及一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置。

背景技术

随着脉冲激光测距技术的快速发展，激光测距机已发展成为现代武器装备常用的光电系统之一。最大测程和测距精度是激光测距机最重要的性能参数，为了保证激光测距机的性能和可靠性，需要定期对激光测距机进行校准和维护。

在校准时，需将校准设备的光轴与激光测距机的光轴进行严格对准，对准精度直接影响校准的精度。目前常用的投影靶板法、激光光轴仪法、五棱镜法、大口径平行光管法和分光路投射法等光轴校准方法。

现有技术中，光轴对准装置不具备伸缩、旋转功能，只能针对具备特定光轴的激光测距机或激光雷达光学系统进行检测校准，通用性差，无法实现原为校准；有的检测仪需要借助平面反射镜，且平面反射镜与光轴成90°，这个要求在外场很难满足，平面反射镜与光轴的角度偏差直接影响光轴检测校准精度，导致校准精度低；有的采用消色差镜组作为聚焦镜，虽然进行了消色差设计，但仍受波长范围限制，适用范围小；有的采用大口径抛物面反射镜，存在体型笨重，不便于移动搬运等问题，仅适用于室内或实验室环境，适应性差，无法实现外场原位校准。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，用以解决现有装置在外场原位校准时光轴对准慢的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，包括直角立方分光棱镜组、聚焦成像组件、显控模块和光轴调整架，其中，

直角立方分光棱镜组和聚焦成像组件依次沿主光轴设置于光轴调整架上；

直角立方分光棱镜组包括沿主光轴依次设置的第一直角立方分光棱镜和第二直角立方分光棱镜；

显控模块通过线缆与聚焦成像组件通信连接。

基于上述方案的进一步改进，直角立方分光棱镜组和聚焦成像组件封装于箱体内，箱体置于光轴调整架上，箱体壁上对应直角立方分光棱镜组进出光的位置处设置有透光窗口。

基于上述方案的进一步改进，第一直角立方分光棱镜的分光面和第二直角立方分光棱镜的分光面相互垂直，两个分光面分别与主光轴成45°。

基于上述方案的进一步改进，第一直角立方分光棱镜和第二直角立方分光棱镜安装于导轨上，靠近聚焦成像组件的第二直角立方分光棱镜固定设置在导轨上，第一直角立方分光棱镜相对于第二直角立方分光棱镜在导轨上可移动的设置。

基于上述方案的进一步改进，直角立方分光棱镜组和聚焦成像组件能够沿垂直主光轴的轴YY’旋转，其中，轴YY’穿过第二直角立方分光棱镜的中心。

基于上述方案的进一步改进，聚焦成像组件包括聚焦镜、第三直角立方分光棱镜和光电探测器；

第三直角立方分光棱镜设置于聚焦镜的会聚光路中，将会聚光分为第一路会聚光和第二路会聚光；光电探测器设置于第一路会聚光的焦点位置，光电探测器的靶面垂直于主光轴。

基于上述方案的进一步改进，第二路会聚光通过光纤传导至校准设备的APD，光纤一端置于第二路会聚光的焦点处，另一端对准校准设备的APD。

基于上述方案的进一步改进，第一直角立方分光棱镜、第二直角立方分光棱镜和第三直角立方分光棱镜由两个相同的等腰直角棱镜组成。

基于上述方案的进一步改进，聚焦镜采用小口径离轴抛物面反射镜。

基于上述方案的进一步改进，光轴调整架是四维光学调整架。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、第一直角立方分光棱镜可移动，有效地扩大了在光轴方向的校准范围，装置的箱体部分可旋转，扩大了在垂直于光轴方向的校准范围，使整个光轴对准装置通用性强，可广泛应用于机载、舰载、车载等装备平台的激光测距机原位校准；

2、采用小口径离轴抛物面反射镜，体积小、宽光谱、无色差，更适合于外场原位校准；

3、通过2个直角立方分光棱镜且间距可调整，快捷地将校准设备的光轴与激光测距机的光轴进行校准，通用性强，精度高。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型实施例中光轴对准装置的结构和光路示意图；

图2为本实用新型实施例中激光测距机光轴对准覆盖范围示意图。

附图标记：

100-直角立方分光棱镜组；200-聚焦成像组件；300-显控模块；400-光轴调整架；101-第一直角立方分光棱镜；102-第二直角立方分光棱镜；201-聚焦镜；202-第三直角立方分光棱镜；203-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，如图1所示，包括直角立方分光棱镜组100、聚焦成像组件200、显控模块300和光轴调整架400，其中，

直角立方分光棱镜组100和聚焦成像组件200依次沿主光轴设置于光轴调整架400上；

直角立方分光棱镜组100包括沿主光轴依次设置的第一直角立方分光棱镜101和第二直角立方分光棱镜102；

显控模块300通过线缆与聚焦成像组件200通信连接。

实施时，本装置将激光测距机的发射轴和校准设备的发射轴分别与主光轴XX’调成重合，同时将激光测距机的发射轴与校准设备的接收端对准，校准设备的发射轴与激光测距机的接收端对准，从而实现校准设备与被测设备之间的光轴对准。

与现有技术相比，本实施例提供了一种可视化的光轴对准装置，可快捷地将校准设备的光轴与激光测距机的光轴进行校准，通用性强，精度高，可广泛应用于机载、舰载、车载等装备平台的激光测距机原位校准。

具体来说，直角立方分光棱镜组100和聚焦成像组件200封装于箱体内，箱体置于光轴调整架400上，箱体壁上对应直角立方分光棱镜组100进出光的位置处设置有透光窗口。

校准时，直角立方分光棱镜组100接收校准设备发射的回波模拟脉冲和被测激光测距机发射的激光测距脉冲，并反射至聚焦成像组件200；聚焦成像组件会聚回波模拟脉冲和激光测距脉冲，形成激光光斑，显控模块300显示激光光斑以得到激光光斑的质心位置。

需要说明的是，第一直角立方分光棱镜101和第二直角立方分光棱镜102安装于导轨上，靠近聚焦成像组件200的第二直角立方分光棱镜102固定设置在导轨上，第一直角立方分光棱镜101相对于第二直角立方分光棱镜102在导轨上可移动的设置，扩大在光轴方向的校准范围，更灵活地根据激光测距机调整距离，通用性高，实现了原位校准。

需要说明的是，光轴对准装置对激光测距机光轴对准空间范围由第一直角立方分光棱镜101和第二直角立方分光棱镜102之间的间隔L以及各自的边长a决定，如图2所示，本装置对激光测距机光轴对准范围为半径L+a+a/2覆盖的圆平面，其中L越长，则本装置覆盖的范围越大，考虑本装置的外形尺寸，L一般取200mm～400mm。

示例性的，假设L＝300mm，a＝50mm，则不管激光测距机的发射轴和接收轴在半径375mm的圆平面内如何分布，本装置都可以快速地将校准设备和激光测距机的光轴进行对准。

第一直角立方分光棱镜101的分光面和第二直角立方分光棱镜102的分光面相互垂直，两个分光面分别与主光轴XX’成45°。直角立方分光棱镜组100和聚焦成像组件200能够沿垂直主光轴XX’的轴YY’旋转，扩大了垂直于光轴方向的校准范围。其中，轴YY’穿过第二直角立方分光棱镜102的中心。

本实施例中，聚焦成像组件200包括聚焦镜201、第三直角立方分光棱镜202和光电探测器203；

第三直角立方分光棱镜202设置于聚焦镜201的会聚光路中，将会聚光分为第一路会聚光和第二路会聚光；光电探测器203设置于第一路会聚光的焦点位置，光电探测器203的靶面垂直于主光轴XX’。

需要说明的是，第一路会聚光与第二路会聚光互为共轭，第二路会聚光通过光纤传导至校准设备的APD，光纤一端置于第二路会聚光的焦点处，另一端对准校准设备的APD。

第一直角立方分光棱镜101、第二直角立方分光棱镜102和第三直角立方分光棱镜202由两个相同的等腰直角棱镜组成。

聚焦镜201采用小口径离轴抛物面反射镜，具有会聚光的作用，同时又具备体积小、宽光谱、无色差的优点，使整个光轴对准装置体积小，重量轻。

光轴调整架400采用四维光学调整架，具有高度、方位、俯仰、旋转四维调整功能，提高光轴对准的效率。

光电探测器203采用宽光谱CCD相机，波长覆盖400nm～1700mm，具有体积小、分辨率高、可视化的优点。

采用本实施例中提供的一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置进行光轴对准的操作步骤包括：

①架设校准设备，使其处于待工作状态；

②原位打开被测激光测距机，使其处于工作状态并发射激光测距脉冲；

③调整光轴调整架400，将第一直角立方分光棱镜101和第二直角立方分光棱镜102分别对准测距机接收端和发射端，将激光测距机发射的激光测距脉冲依次通过第二直角立方分光棱镜102、聚焦镜201、第三直角立方分光棱镜202，会聚到光电探测器203上；

④通过显控模块300计算出激光测距脉冲光斑的质心坐标(x₀,y₀)，此时坐标(x₀,y₀)代表激光测距机的发射光轴；基于光斑计算得到质心坐标，采用现有的激光光斑质心算法即可实现。

⑤微调光轴调整架400，使激光测距脉冲光斑的质心坐标位于光电探测器203的几何中心(0,0)，此时激光测距机的发射轴与主光轴XX’同轴；

⑥打开校准设备，使其处于工作状态并发射回波模拟脉冲；

⑦调整校准设备，将其发射轴对准第一直角立方分光棱镜101，使回波模拟脉冲依次通过第二直角立方分光棱镜102、聚焦镜201、第三直角立方分光棱镜202，会聚到光电探测器203上；

⑧利用显控模块300计算出回波模拟脉冲激光光斑的质心坐标(x₁,y₁)，此时坐标(x₁,y₁)代表校准设备的发射光轴；

⑨微调校准设备，使回波模拟脉冲激光光斑质心坐标位于光电探测器203的几何中心(0,0)，此时校准设备的发射光轴与主光轴XX’同轴；

由于校准设备的接收端APD的几何中心与光电探测器203靶面几何中心共轭，因此校准设备的接收轴与激光测距机的发射轴同轴；又由于激光测距机自身的发射轴与接收轴同轴，因此校准设备的发射轴与激光测距机的接收轴同轴。此时，完成了校准设备和激光测距机之间的光轴对准。

示例性地，假设光电探测器203的单像元尺寸p＝5um，聚焦镜的焦距f为500mm，坐标(x₀,y₀)、(x₁,y₁)分别为(2,2)、(-2,-2)，则校准设备的接收轴与激光测距机的发射轴之间的光轴误差为：28.3urad，校准设备的发射轴与激光测距机的接收轴之间的光轴误差为56.6urad。

一般情况下，质心位置测量精度在1～3像元，则校准设备与激光测距机之间的光轴对准误差＜60urad，能够满足工程对准要求。

与现有技术相比，本实施例提供的一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置中第一直角立方分光棱镜可移动，有效地扩大了在光轴方向的校准范围，装置的箱体部分可旋转，扩大了在垂直于光轴方向的校准范围，使整个光轴对准装置通用性强，可广泛应用于机载、舰载、车载等装备平台的激光测距机原位校准；采用小口径离轴抛物面反射镜，体积小、宽光谱、无色差，更适合于外场原位校准；通过2个直角立方分光棱镜，可快捷地将校准设备的光轴与激光测距机的光轴进行校准，通用性强，精度高。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中显控模块所涉及的程序/软件为现有技术常见的方法，实际中采用计算机和算法软件实现，本实用新型不涉及任何软件方面的改进。本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，包括直角立方分光棱镜组、聚焦成像组件、显控模块和光轴调整架，其中，

所述直角立方分光棱镜组和聚焦成像组件依次沿主光轴设置于所述光轴调整架上；

所述直角立方分光棱镜组包括沿主光轴依次设置的第一直角立方分光棱镜和第二直角立方分光棱镜；

所述显控模块通过线缆与所述聚焦成像组件通信连接。

2.根据权利要求1所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述直角立方分光棱镜组和所述聚焦成像组件封装于箱体内，所述箱体置于所述光轴调整架上，箱体壁上对应直角立方分光棱镜组进出光的位置处设置有透光窗口。

3.根据权利要求2所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述第一直角立方分光棱镜的分光面和所述第二直角立方分光棱镜的分光面相互垂直，两个所述分光面分别与所述主光轴成45°。

4.根据权利要求3所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述第一直角立方分光棱镜和所述第二直角立方分光棱镜安装于导轨上，靠近所述聚焦成像组件的所述第二直角立方分光棱镜固定设置在所述导轨上，所述第一直角立方分光棱镜相对于所述第二直角立方分光棱镜在所述导轨上可移动的设置。

5.根据权利要求3或4所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述直角立方分光棱镜组和所述聚焦成像组件能够沿垂直所述主光轴的轴YY’旋转，其中，所述轴YY’穿过所述第二直角立方分光棱镜的中心。

6.根据权利要求5所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述聚焦成像组件包括聚焦镜、第三直角立方分光棱镜和光电探测器；

所述第三直角立方分光棱镜设置于所述聚焦镜的会聚光路中，将所述会聚光分为第一路会聚光和第二路会聚光；所述光电探测器设置于所述第一路会聚光的焦点位置，所述光电探测器的靶面垂直于所述主光轴。

7.根据权利要求6所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述第二路会聚光通过光纤传导至校准设备的APD，所述光纤一端置于第二路会聚光的焦点处，另一端对准校准设备的APD。

8.根据权利要求6所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述第一直角立方分光棱镜、第二直角立方分光棱镜和第三直角立方分光棱镜由两个相同的等腰直角棱镜组成。

9.根据权利要求8所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述聚焦镜采用小口径离轴抛物面反射镜。

10.根据权利要求9所述的用于激光测距机原位校准的光轴对准装置，其特征在于，所述光轴调整架是四维光学调整架。

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