专利名称：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
技术领域：
本发明属于激光雷达光学装置技术领域，具体涉及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。用于激光雷达、激光测距等激光发射接收光学系统。
背景技术：
激光雷达光学系统在工作过程中，把激光束发射到目标处，同时接收目标对激光的反射信号，系统需要具备利用CCD相机对目标进行成像探测的能力。这其中的一个重要技术要求是需要确保激光发射光轴、激光信号接收光轴、目标成像瞄准光轴的一致性。现有的激光雷达光学系统确保光轴一致性的光轴校准工作，大多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检测激光雷达光学系统中各光轴的位置误差， 然后通过调整适当的光学元件进行校正；或者在外场通过远距离的靶标来检查各光轴之间的误差，并进行校正。上述方法均需要特殊的外部辅助装置，且通常需要经过特殊训练的专家来操作，给实际工作带来不便。
发明内容
为了克服现有技术中激光雷达光学系统光轴校准需要外部辅助装置、操作复杂的不足，本发明的目的是提供一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统；本发明的另一目的是提供一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统的光轴校准方法。所述激光雷达光学系统具有把激光束发射到目标处，并接收目标反射的激光信号，同时具有利用CCD相机对目标进行成像的能力；将具有光轴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。本发明的一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统，包括激光器、激光发射镜、 信号接收光学件、分光镜、CCD相机、视场光阑、中继镜组、光电探测器，其特点是，所述的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统还包括后向反射镜组、调整机构和照明光源；激光发射镜设置在俯仰角和方位角可调节并锁紧的调整机构上；在光学系统出口光路外侧设置后向反射镜组，在视场光阑和中继镜组之间的光路外侧设置照明光源；所述的后向反射镜组、 照明光源分别设置在移动机构上。所述的后向反射镜组，包括第一角锥棱镜、第二角锥棱镜和激光衰减器；其中第一角锥棱镜与第二角锥棱镜并列设置；激光衰减器设置在第二角锥棱镜通光面一侧，与第二角锥棱镜同轴设置。所述的激光衰减器包括衰减片和吸光板，衰减片与入射光轴成45°角设置，吸光板与入射光轴平行设置。所述的吸光板采用金属材料或其他耐激光材料制成，表面氧化发黑。所述的照明光源包括灯泡、透镜、滤光片、遮光筒，其中灯泡、透镜和滤光片依次同轴设置在遮光筒中。用于本发明所述的一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统的光轴校准方法， 包含以下步骤
a)将后向反射镜组和照明光源移动至所述激光雷达光学系统的光路中，照明光源发光方向对准视场光阑的中心，第一角锥棱镜对准信号接收光学件的信号接收区域，第二角锥棱镜和激光衰减器的通光面一半对准激光发射镜，一半对准信号接收光学件的信号接收区域；
b)打开照明光源，对视场光阑进行照明，照明光被后向反射镜组中的第一角锥棱镜反射回信号接收光学件，经分光镜部分反射进入到CCD相机中成像，得到视场光阑图像，记下 CCD相机中视场光阑图像中心位置，CCD相机中视场光阑图像中心位置即代表激光信号接收光轴位置，关闭照明光源；
c)打开激光器发出激光，部分激光经激光衰减器和第二角锥棱镜反射后，反射光线平行于发射光轴但传输方向相反，经信号接收光学件后，部分激光经分光镜反射进入CCD相机，在CCD相机中得到代表激光发射光轴的激光光斑图像；
d)调整激光发射镜，直到激光光斑图像与CXD相机中视场光阑图像中心位置重合；
e)锁紧激光发射镜，将后向反射镜组和照明光源移动到光路外，光轴校准完成。本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统及其光轴校准方法，其基本原理是角锥棱镜具有对入射光线后向反射的特点，即角锥棱镜反射的光线总是平行于入射光线但传输方向相反；在激光雷达光学系统中集成后向反射镜组和照明光源，利用后向反射镜组中角锥棱镜的后向反射特性，先后把代表激光信号接收光轴的视场光阑中心位置、代表激光发射光轴的激光远场光斑成像到用于探测目标图像的CCD相机中。在同一个CCD 相机中观察到各光轴的位置误差，调整激光发射镜使激光发射光轴与激光信号接收光轴一致，并记录激光发射光轴与激光信号接收光轴调整一致后的位置，设置作为CCD相机中的目标成像瞄准光轴位置，从而保证激光发射光轴、激光信号接收光轴、目标成像瞄准光轴的一致性。本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统及光轴校准方法的有益效果是， 激光雷达光学系统内部集成了后向反射镜组和照明光源，使得激光雷达的光轴校准精度高，操作简单，且不依靠外部辅助装置，使用方便。
图1是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统结构示意图。图2是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统中的后向反射镜组结构示意图。图3是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统中的激光衰减器结构示意图。图4是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统中的照明光源结构示意图。图5是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统光轴校准结构示意图。
图中，1.激光器 2.激光发射镜 3信号接收光学件 4.分光镜 5. CCD相机 6.视场光阑 7.中继镜组 8.光电探测器 9.后向反射镜组10.照明光源11.第一角锥棱镜 12.第二角锥棱镜 13激光衰减器 14衰减片 15吸光板 16.灯泡 17.透镜 18.滤光片19.遮光筒20.调整机构。
具体实施例方式下面结合附图给出的实施例对本发明的一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统作进一步说明。实施例1
图1是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统结构示意图。图2是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统中的后向反射镜组结构示意图。图3是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统中的激光衰减器结构示意图。图4是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统中的照明光源结构示意图。在图广4中，本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统包括激光器1、激光发射镜2、信号接收光学件3、分光镜4、CCD相机5、视场光阑6、中继镜组7、光电探测器8、 后向反射镜组9、照明光源10、调整机构20，激光发射镜2安装在俯仰角和方位角可调节并锁紧的调整机构20上，在光学系统出口光路外侧设置有后向反射镜组9，在视场光阑6和中继镜组7之间的光路外侧设置照明光源10，后向反射镜组9、照明光源10分别设置在移动机构上，进行光轴校准时移动到光路中，校准完毕后移动到光路外。后向反射镜组9，包括第一角锥棱镜11、第二角锥棱镜12和激光衰减器13 ；其中激光衰减器13在第二角锥棱镜12通光面一侧，并与第二角锥棱镜12同轴设置；第一角锥棱镜11与第二角锥棱镜12并排设置。当后向反射镜组9移动到光路中时，第一角锥棱镜 11对准信号接收光学件3的信号接收区域，第二角锥棱镜12和激光衰减器13对准激光发射镜2与信号接收光学件3的信号接收区域之间，即第二角锥棱镜12和激光衰减器13的通光面一半对准激光发射镜2，一半对准信号接收光学件3的信号接收区域。激光衰减器13包括衰减片14和吸光板15，衰减片14与入射光轴成45°角设置， 吸光板与入射光轴平行设置，使得衰减片反射的激光照射到吸光板15上并被吸收；吸光板 15采用铜制成，表面氧化发黑。照明光源10包括灯泡16、透镜17、滤光片18、遮光筒19，其中灯泡16、透镜17和滤光片18依次同轴设置，并安装在遮光筒19中。当照明光源10移动到光路中时，其发光方向对准视场光阑6 ；该照明光源10具有可控制发光的开关。图5是本发明的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统光轴校准时结构示意图。 本发明的光轴校准方法的步骤如下
a)将后向反射镜组9和照明光源10移动至激光雷达光学系统的光路中，照明光源10 发光方向对准视场光阑6的中心，第一角锥棱镜11对准信号接收光学件3的信号接收区域，第二角锥棱镜12和激光衰减器13的通光面一半对准激光发射镜2，一半对准信号接收光学件3的信号接收区域；
b)打开照明光源10，对视场光阑6进行照明。照明光被后向反射镜组9中的第一角锥棱镜11反射回信号接收光学件3，经分光镜4部分反射进入到CCD相机5中成像，得到视场光阑6图像，记下CXD相机5中视场光阑6图像中心位置，CXD相机5中视场光阑6图像中心位置即代表激光信号接收光轴位置。关闭照明光源10。c)打开激光器1发出激光，部分激光经激光衰减器13和第二角锥棱镜12反射后，反射光线平行于发射光轴但传输方向相反，经信号接收光学件3传输后，部分激光经分光镜4反射进入CCD相机5，在CCD相机5中得到代表激光发射光轴的激光光斑图像。d)调整激光发射镜2，直到激光光斑图像与CXD相机5中视场光阑6图像中心位
置重合；
e)锁紧激光发射镜2，将后向反射镜组9和照明光源10移动到光路外，光轴校准完成。本实施例中所述的移动机构为可载物移动的平台。实施例2
本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是所述激光衰减器13中设置的吸光板15采用石墨材料制成。实施例3
本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是所述激光衰减器13中设置的吸光板15采用陶瓷材料制成。
权利要求
1.一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统，包括激光器(1)、激光发射镜O)、信号接收光学件(3)、分光镜(4)、CCD相机(5)、视场光阑(6)、中继镜组(7)、光电探测器(8)， 其特征在于所述的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统还包括后向反射镜组(9)、调整机构00)和照明光源(10)；激光发射镜(2)设置在俯仰角和方位角可调节并锁紧的调整机构00)上；在光学系统出口光路外侧设置后向反射镜组(9)，在视场光阑(6)和中继镜组(7)之间的光路外侧设置照明光源(10)；所述的后向反射镜组(9)、照明光源(10)分别设置在移动机构上。
2.如权利要求1所述的一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统，其特征在于所述的后向反射镜组(9)包括第一角锥棱镜(11)、第二角锥棱镜(1 和激光衰减器(1 ；其中第一角锥棱镜(11)与第二角锥棱镜(1 并列设置；激光衰减器(1 设置在第二角锥棱镜(1 通光面一侧，并与第二角锥棱镜(1 同轴设置。
3.如权利要求2所述的一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统，其特征在于所述的激光衰减器(1 包括衰减片(14)和吸光板(15)，衰减片(14)与入射光轴成45°角设置，吸光板(1 与入射光轴平行设置。
4.如权利要求3所述的一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统，其特征在于所述的吸光板(15)采用金属材料或其他耐激光材料制成。
5.如权利要求1所述的一种有光轴校准功能的激光雷达光学系统，其特征在于所述的照明光源(10)包括灯泡(16)、透镜(17)、滤光片(18)、遮光筒(19)，其中灯泡(16)、透镜 (17)和滤光片(18)依次同轴设置在遮光筒(19)中。
6.用于权利要求1所述的具有光轴校准功能的激光雷达光学系统的光轴校准方法，依次包含以下步骤a)将后向反射镜组(9)和照明光源(10)移动至所述激光雷达光学系统的光路中，照明光源(10)发光方向对准视场光阑(6)的中心，第一角锥棱镜(11)对准信号接收光学件 (3)的信号接收区域，第二角锥棱镜(1 和激光衰减器(1 的通光面一半对准激光发射镜 O)，一半对准信号接收光学件(3)的信号接收区域；b)打开照明光源(10)，对视场光阑(6)进行照明，照明光被后向反射镜组(9)中的第一角锥棱镜(11)反射回信号接收光学件(3)，经分光镜(4)部分反射进入到CCD相机(5) 中成像，得到视场光阑(6)图像，记下C⑶相机(5)中视场光阑(6)图像中心位置，C⑶相机(5)中视场光阑(6)图像中心位置即代表激光信号接收光轴位置，关闭照明光源(10)；c)打开激光器(1)发出激光，部分激光经激光衰减器(1 和第二角锥棱镜(1 反射后，反射光线平行于发射光轴但传输方向相反，经信号接收光学件(3)后，部分激光经分光镜(4)反射进入CCD相机(5)，在CCD相机(5)中得到代表激光发射光轴的激光光斑图像；d)调整激光发射镜O)，直到激光光斑图像与CCD相机(5)中视场光阑(6)图像中心位置重合；e)锁紧激光发射镜O)，将后向反射镜组(9)和照明光源(10)移动到光路外，光轴校准完成。
全文摘要
本发明公开了一种有光轴校准功能的激光雷达光学系统及其光轴校准方法，所述光学系统中的激光发射镜安装在俯仰角和方位角可精确调节并锁紧的调整机构上；在激光发射镜和信号接收光学件外侧设置后向反射镜组，在视场光阑和中继镜组之间外侧设置照明光源。利用后向反射镜组中角锥棱镜的后向反射特性，先后把代表激光信号接收光轴的视场光阑中心位置、代表激光发射光轴的激光远场光斑位置成像到用于探测目标图像的CCD相机中。调整激光发射镜，使所述两个位置在CCD相机中重合来完成光轴校准。本发明的校准方法精度高，操作简单，且不依靠外部辅助装置，使用方便。
文档编号G01S7/497GK102353950SQ20111031470
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者叶一东, 王卫民, 田英华, 田飞, 罗佳, 胡大平, 马毅 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川中物科技集团有限公司