激光测距机的光轴校准系统、方法及激光参数测量方法

摘要

本发明公开了一种激光测距机的光轴校准系统、方法及激光参数测量方法，其特征在于：包括测试主系统及副系统，所述测试主系统包括白光光源、反射组件及CCD相机，副系统包括三维平台、激光测距机、方管前置镜及角锥棱镜，三维平台调节所述激光测距机及方管前置镜的X、Y、Z机械轴位置，所述白光光源射出的白光经过反射组件后反射出平行光源，到CCD相机形成点光源光斑，构成调节基准点坐标位置；所述方管前置镜观察调节基准点坐标位置，用于校准激光测距机的机械轴位置；所述激光测距机射出的激光经过调节基准点坐标位置对比，用于校准光轴位置。本发明提高了设备校准的精度及效率，也提高了参数测量的精确性，提高了设备后续测距的精确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光测距机，尤其涉及一种激光测距机的光轴校准系统、方法及激光参数测量方法。

背景技术

随着国内各个军种光电对抗装备研制需求的不断提出，实现对远距离(3km～20km)目标的识别、跟踪是所有光电侦察设备的基本功能之一，而实现该功能就需要采用适用于各个作战平台的激光测距机。

实现上述功能的激光测距机是基于直接飞行时间法，或者叫脉冲激光法的原理，通常是结合全固态激光器技术、光学技术、弱光信号探测技术和常规半导体电源驱动技术研制而成，通过探测出光和回光信号，触发控制系统中的时间数字转换器开始和停止计数，测得激光信号往返目标的时间，从而计算出目标距离。

为了实现对目标的精确和有效测距，激光测距机中涉及激光和光学的技术参数是核心技术指标。比如，激光器中的束散角、光轴稳定性和光强分布等，发射和接收光学系统中的有效调焦和光轴一致性等。如何确保上述技术指标在技术方案设计可保证的前提下，又能得到准确的测量和校准，是激光测距机产品工程化研制过程中的重要问题。

而实现上述指标的精确测量和校准，通常需要设计并搭建相应的测试系统，该系统的精度和可操作性决定了激光测距机产品的综合性能，尤其是精度和可靠性。

目前激光测距机的激光参数(束散角、发射光轴稳定性和光强分布)可以借助于常规的红外CCD进行测量，但是当激光测距机中的激光器发出的激光经过发射光学系统后，如果光学系统存在像差或者镜头内光学镜片未能严格同心共轴，或者激光出射光轴与发射镜头的光轴不平行，均会造成激光束散角测量误差增大，并且光强分布的中心与发射镜头的中心不一致，最终都会降低激光测距机的远程测距能力。从接收光学系统的角度分析，现有光学镜头的安装是靠设计和加工保证，对于回光信号的聚焦能力并没有统一或者明确的判断标准，通常是采用反复的实测实现尽可能的调焦，这不仅工作效率低，而且调焦误差较大，也会降低激光测距能力。另一方面，发射光轴和接收光轴通常只采用一个抛反镜反射后聚焦打在红外显示探卡，通过人眼观察寻找聚焦位置，以此来调整光轴同轴，这对于近距离的激光测距机，误差不足以影响其测距能力，但对于远距离的激光测距机，其劣势就变得很明显，由于人眼分辨率有限，且聚焦光斑在mm量级，人眼分辨不出μm量级的误差，这样就导致束散角测试误差加大，同轴校准也难以保证精度，这些都将造成测距能力的部分丧失，而且测距的精度也不高。

发明内容

本发明目的是提供一种激光测距机的光轴校准系统、方法及激光参数测量方法，通过使用该系统及方法，提高了激光参数测量精度及光轴的一致性，有效提高了激光测距能力，提高激光测距的精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光测距机的光轴校准系统，包括测试主系统及副系统，

所述测试主系统包括白光光源、反射组件及CCD相机，

所述副系统包括三维平台、激光测距机、方管前置镜及角锥棱镜，所述激光测距机及所述方管前置镜安装于所述三维平台上；

所述三维平台调节所述激光测距机及方管前置镜的X、Y、Z机械轴位置，

所述白光光源射出的白光经过反射组件后反射出平行光源，平行光源经过角锥棱镜反射回反射组件上，再经过反射组件将平行光源聚焦到CCD相机上面形成点光源光斑，调节所述CCD相机位置，使CCD相机的靶面处在测试主系统的焦平面位置，该点光源光斑构成调节基准点坐标位置；

所述方管前置镜观察调节基准点坐标位置，用于校准激光测距机在三维平台上面的机械轴位置；

所述激光测距机射出的激光经过调节基准点坐标位置对比，用于校准光轴位置。

上述技术方案中，所述反射组件包括大口径抛物面反光镜、分光棱镜、45°平面反射镜及小孔光阑，所述分光棱镜正对CCD相机设置，所述小孔光阑设置于所述分光棱镜的一个聚焦点处，所述白光光源设置于所述小孔光阑的后侧，所述白光光源射出的白光经过小孔光阑后，经所述分光棱镜射出至45°平面反射镜，所述45°平面反射镜将白光反射在大口径抛物面反光镜形成平行光源，所述平行光源经大口径抛物面反光镜反射至角锥棱镜上，由所述角锥棱镜原路径反射至大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜及分光棱镜上，经所述分光棱镜将平行光源聚焦到CCD相机靶面上，形成点光源光斑，调节CCD相机位置，使得CCD相机靶面与测试主系统的焦平面处在同一个位置，则点光源光斑构成所述调节基准点坐标位置。

上述技术方案中，所述副系统中设有45°高面形精度反射式强光衰减片，所述激光测距机射出的激光经所述45°高面形精度反射式强光衰减片反射大部分能量，使所述激光测距机射出的激光透过1％激光能量进入到测试主系统内，经所述反射组件射入到所述CCD相机内形成激光光斑，所述激光光斑与所述调节基准点坐标位置对比，对激光测距机的光轴位置进行校准。

上述技术方案中，所述激光测距机包括接收光学镜头、LED光源组件、激光器及发射光学镜头，所述发射光学镜头设置于所述激光器的前侧，所述接收光学镜头设置于所述LED光源组件的前侧，所述发射光学镜头用于调节发射光轴，所述接收光学镜头用于调节接收光轴。

上述技术方案中，调节所述方管前置镜的位置，使所述方管前置镜的十字叉与所述调节基准点坐标位置重合，实现所述激光测距机机械轴的校准；调节所述发射光学镜头及接收光学镜头的位置，使所述激光光斑与所述调节基准点坐标位置重合，使所述发射光轴、接收光轴与所述机械轴同轴。

为达到上述目的，本发明采用了一种激光测距机的光轴校准方法，其步骤为：

①白光光源打开射出白光，白光经过分光棱镜的小孔光阑射出点光源，经过分光棱镜、45°平面反射镜、大口径抛物面反光镜后产生平行的点光源；

②平行光源打在角锥棱镜上面，再沿着反方向摄入到大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜及分光棱镜，经过分光棱镜反射聚焦在CCD相机上；

③根据点光源在所述CCD相机上次所成的像，微调CCD相机位置，直至成像最小，此时CCD相机靶面处于系统的焦平面位置，记录点光源在CCD相机上面的点光源光斑的质心坐标，即调节基准点坐标位置；

④用方管前置镜观察CCD相机上面点光源光斑，调整三维平台的位置，直至方管前置镜的十字叉与调节基准点坐标位置重合，此时激光测距机的机械轴完成了校准；

⑤在激光测距机的前端安装45°高面形精度反射式强光衰减片，打开激光测机，射出的激光经过45°高面形精度反射式强光衰减片进行反射能量，使得通过的激光经过大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜及分光棱镜，再反射到CCD相机上；

⑥观察激光光束在CCD相机上面的位置，微调对发射光学镜头的安装方位，改变其发射光轴位置，使激光光束与调节基准点坐标位置重合，使发射光轴位置与机械轴保持同轴；

⑦根据激光光束在与调节基准点坐标位置的重合，微调接收光学镜头的安装位置，使接收光轴与机械轴保持同轴，完成三轴一致性的校准。

为达到上述目的，本发明采用了一种激光测距机的激光参数测量方法，其步骤为：

①将激光测距机发射光轴、接收光轴及机械轴三轴同轴校准之后的激光测距机打开，射出激光；

②射出的激光经过45°高面形精度反射式强光衰减片发射大部分能量，并且使得通过45°高面形精度反射式强光衰减片的激光会保持有激光原有的光束质量，激光进入到测试主系统内；

③激光经过大口径抛物面反光镜反射至45°平面反射镜上，经过45°平面反射镜将激光反射至分光棱镜上，再经过分光棱镜将激光反射至CCD相机的靶面上，在CCD相机的靶面上形成激光光斑；

④对激光测距机的发射光学镜头进行调焦，测得其激光束散角；

⑤根据激光光斑在CCD相机上面的激光光斑的分布，得出激光光束的参数。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明中通过测试主系统的设置，能够在测试主系统的CCD相机上面构成调节基准点坐标位置，通过调节基准点坐标位置能够对激光测距机进行机械轴、发射光轴及接收光轴的三轴连通调试，使得三轴合一，保证三轴的主光轴趋近合一，从而提高整机光轴的一致性，最大限度的发挥出激光测距机与理论设计相当的测距能力，同时，主光轴校准之后，其测试出的激光参数更接近真实的激光参数，使得激光束散角测试结果误差小，激光的光束质量检测更好，保证激光测距机测距更加精确。

附图说明

图1是本发明实施例一中的结构示意图；

图2是本发明实施例一中测试主系统的结构示意图；

图3是本发明实施例一中副系统的结构示意图。

其中：1、大口径抛物面反光镜；2、45°平面反射镜；3、分光棱镜；4、CCD相机；5、小孔光阑；6、白光光源；7、45°高面形精度反射式强光衰减片；8、角锥棱镜；9、三维平台；10、激光测距机；11、接收光学镜头；12、LED光源组件；13、激光器；14、发射光学镜头；15、方管前置镜；16、测试主系统；17、副系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1～3所示，一种激光测距机的光轴校准系统，包括测试主系统16及副系统17，

所述测试主系统包括白光光源6、反射组件及CCD相机4，

所述副系统包括三维平台9、激光测距机10、方管前置镜15及角锥棱镜8，所述激光测距机及所述方管前置镜安装于所述三维平台上；

所述三维平台调节所述激光测距机及方管前置镜的X、Y、Z机械轴位置，

所述白光光源射出的白光经过反射组件后反射出平行光源，平行光源经过角锥棱镜反射回反射组件上，再经过反射组件将平行光源聚焦到CCD相机上面形成点光源光斑，调节所述CCD相机位置，使CCD相机的靶面处在测试主系统的焦平面位置，该点光源光斑构成调节基准点坐标位置；

所述方管前置镜观察调节基准点坐标位置，用于校准激光测距机在三维平台上面的机械轴位置；

所述激光测距机射出的激光经过调节基准点坐标位置对比，用于校准光轴位置。

在本实施例中，测试主系统的白光光源能够通过反射组件射出平行光源，再经过副系统中角锥棱镜将平行的点光源反射回到CCD相机内形成点光源光斑，这样能够对CCD相机的位置进行调节，使的CCD相机的靶面处在测试主系统的焦平面上，这样点光源形成的光斑能够构成调节基准点坐标位置，这样副系统就能够通过调节基准点坐标位置进行激光测距机的机械轴、发射光轴及接收光轴的调整，使得机械轴、发射光轴及接收光轴同轴，提高激光测距机主光轴的一致性，这样在激光测距机后续使用的时候，其激光测距性能会更加接近利润设计的测距能力，提高测距的精度。

参见图1、2所示，所述反射组件包括大口径抛物面反光镜1、分光棱镜3、45°平面反射镜2及小孔光阑5，所述分光棱镜正对CCD相机设置，所述小孔光阑设置于所述分光棱镜的一个聚焦点处，所述白光光源设置于所述小孔光阑的后侧，所述白光光源射出的白光经过小孔光阑后，经所述分光棱镜射出至45°平面反射镜，所述45°平面反射镜将白光反射在大口径抛物面反光镜形成平行光源，所述平行光源经大口径抛物面反光镜反射至角锥棱镜上，由所述角锥棱镜原路径反射至大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜及分光棱镜上，经所述分光棱镜将平行光源聚焦到CCD相机靶面上，形成点光源光斑，调节CCD相机位置，使得CCD相机靶面与测试主系统的焦平面处在同一个位置，则点光源光斑构成所述调节基准点坐标位置。

在本实施例中，分光棱镜设置在CCD相机的旁侧，其一处出射角正对CCD相机设置，小孔光阑则处在分光棱镜的一个聚焦点处，45°平面反射镜设置的一侧正对分光棱镜的另一处出射角，正对小孔光阑，这样白光光源设置的白光进入到小孔光阑之后，能够直接通过分光棱镜将点光源摄入到45°平面反射镜上面。其中，大口径抛物面反光镜的反射面正对45°平面反射镜的另一侧，这样点光源会通过45°平面反射镜射在大口径抛物面反光镜上面，这样大口径抛物面反光镜再次反射的点光源会构成平行的点光源，平行的点光源则设入到角锥棱镜上。角锥棱镜会将该平行的点光源180°沿着反向反射到大口径抛物面反光镜上面，通过大口径抛物面反光镜另一个出射角将平行的点光源反射在45°平面反射镜上面，45°平面反射镜继续从另外一侧的出射角将平行光源反射到分光棱镜上面，通过分光棱镜将该平行的点光源聚焦到CCD相机的靶面上面，形成点光源光斑，但是，此时的点光源光斑还不是基准点，因为激光测距机摄入到测试主系统内的激光所形成的光斑是会处在测试主系统的焦平面上的，因此，点光源光斑形成之后，再微调一下CCD相机的位置，使得CCD相机的靶面，也就是点光源光斑与测试主系统的焦平面重合，这样该点光源光斑就能够形成调节基准点坐标位置。

在本实施例中，反射组件数量少，便于组装和位置的调节，保证调节基准点坐标位置的寻找速度块，便于后续光轴的校准。

参见图1、3所示，所述副系统中设有45°高面形精度反射式强光衰减片7，所述激光测距机射出的激光经所述45°高面形精度反射式强光衰减片反射大部分能量，使所述激光测距机射出的激光透过1％激光能量进入到测试主系统内，经所述反射组件射入到所述CCD相机内形成激光光斑，所述激光光斑与所述调节基准点坐标位置对比，对激光测距机的光轴位置进行校准。

在本实施例中，角锥棱镜及45°高面形精度反射式强光衰减片均为可拆卸设置，在对调节基准点坐标位置寻找的时候，45°高面形精度反射式强光衰减片暂时先不安装，先安装角锥棱镜，然后进行调节基准点坐标位置的定位，定位完成之后，将角锥棱镜拆除，再进行45°高面形精度反射式强光衰减片的安装，这样激光测距机射出的激光能够经过其进行衰减，将其99％的激光能够都衰减掉，但是又能够保证其原有光束的质量，然后激光经过大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜、分光棱镜进行反射，将激光反射在CCD相机的靶面上，操作人员再根据激光光束在CCD相机上面的位置，调节激光测机的接收光轴及发射光轴，使得光束与调节基准点坐标位置重合，这样即可将接收光轴、发射光轴与机械轴重合，实现激光测距机主光轴的合一，从而提高整机光轴的一致性，最大限度的发挥出激光测距机与理论设计相当的测距能力，提高设备后续测距的精确性。

其中，所述激光测距机包括接收光学镜头11、LED光源组件12、激光器13及发射光学镜头14，所述发射光学镜头设置于所述激光器的前侧，所述接收光学镜头设置于所述LED光源组件的前侧，所述发射光学镜头用于调节发射光轴，所述接收光学镜头用于调节接收光轴。

调节所述方管前置镜的位置，使所述方管前置镜的十字叉与所述调节基准点坐标位置重合，实现所述激光测距机机械轴的校准；调节所述发射光学镜头及接收光学镜头的位置，使所述激光光斑与所述调节基准点坐标位置重合，使所述发射光轴、接收光轴与所述机械轴同轴。

在本实施例中，方管前置镜的十字叉用于正对调节基准点坐标位置，这样能够利用三维平台调节激光测距机的机械轴位置，对其机械轴位置进行校准，以机械轴位置为基准之后，再进行发射光轴及接收光轴的校准，保证主光轴的一致性，提高设备的测距精度。

为达到上述目的，本发明采用了一种激光测距机的光轴校准方法，其步骤为：

①白光光源打开射出白光，白光经过分光棱镜的小孔光阑射出点光源，经过分光棱镜、45°平面反射镜、大口径抛物面反光镜后产生平行的点光源；

②平行光源打在角锥棱镜上面，再沿着反方向摄入到大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜及分光棱镜，经过分光棱镜反射聚焦在CCD相机上；

③根据点光源在所述CCD相机上次所成的像，微调CCD相机位置，直至成像最小，此时CCD相机靶面处于系统的焦平面位置，记录点光源在CCD相机上面的点光源光斑的质心坐标，即调节基准点坐标位置(x0，y0)；

④用方管前置镜观察CCD相机上面点光源光斑，调整三维平台的位置，直至方管前置镜的十字叉与调节基准点坐标位置重合，此时激光测距机的机械轴完成了校准；

⑤在激光测距机的前端安装45°高面形精度反射式强光衰减片，打开激光测机，射出的激光经过45°高面形精度反射式强光衰减片进行反射能量，使得通过的激光经过大口径抛物面反光镜、45°平面反射镜及分光棱镜，再反射到CCD相机上；

⑥观察激光光束在CCD相机上面的位置，微调对发射光学镜头的安装方位，改变其发射光轴位置，使激光光束与调节基准点坐标位置重合，使发射光轴位置与机械轴保持同轴；

⑦根据激光光束在与调节基准点坐标位置的重合，微调接收光学镜头的安装位置，使接收光轴与机械轴保持同轴，完成三轴一致性的校准。

为达到上述目的，本发明采用了一种激光测距机的激光参数测量方法，其步骤为：

①将激光测距机发射光轴、接收光轴及机械轴三轴同轴校准之后的激光测距机打开，射出激光；

②射出的激光经过45°高面形精度反射式强光衰减片发射大部分能量，并且使得通过45°高面形精度反射式强光衰减片的激光会保持有激光原有的光束质量，激光进入到测试主系统内；

③激光经过大口径抛物面反光镜反射至45°平面反射镜上，经过45°平面反射镜将激光反射至分光棱镜上，再经过分光棱镜将激光反射至CCD相机的靶面上，在CCD相机的靶面上形成激光光斑；

④对激光测距机的发射光学镜头进行调焦，测得其激光束散角；

⑤根据激光光斑在CCD相机上面的激光光斑的分布，得出激光光束的参数。

在本实施例中，进行激光参数测量的时候，如果说其三轴并未进行校准，可以省略步骤①，直接对其激光的参数进行测量，测量其激光束散角、激光光束分布的数据以及其主光轴的稳定性是否合格，如果说主光轴的稳定性就比较差，可以先对其主光轴进行校准之后，再测试激光参数，这样测出的激光参数更加精确，使得后续测距竖直更加精确。