激光光路光轴校准方法和系统与流程

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种实现激光收发光路光轴平行或共光轴的校准方法及系统。

背景技术：

在激光探测领域中经常需要发射激光照射目标物并且接受从目标物返回的激光信号来对需要探测的目标进行探测。必须通过激光发射和接收光路的共光轴或光轴平行的校准才可以确保测距或者目标探测的足够精度。因此激光收发光路光轴平行或共光轴校准一直都是激光测距领域必须面对的难题之一。目前，传统共光轴校准是通过小孔光阑对比光斑中心进行校准，人眼观察判定引入不确定误差。而光轴平行校准需要使用多个平面发射镜调整光轴，以最终实现共光轴进行校准。多个镜片的使用更大可能地带来误差，复杂的结构也给校准工作带来极大的不方便，而且操作这些复杂的结构对光学系统进行光轴校准也要求相当程度的专业知识。普通的激光雷达用户可能缺少校准用的元件和执行校准的技能训练而无法自行完成校准工作，因此提供一种操作简便且直观易懂的光轴调节手段可以为用户提供更多的便利。

技术实现要素：

本公开的实施例关于一种激光光路光轴校准方法，包括将第一光束经过第一透镜在成像装置上形成第一图像，将来自第一光源的第二光束经过反射镜和第二透镜照射待测对象，经过第二透镜和第一透镜将待测对象在成像装置上形成第二图像，以及调整待测对象的方位和俯仰的至少之一直至第一图像和第二图像在成像装置的成像中心重合。

在一些实施例中，第一光源位于第二透镜的等效焦平面上，第二光束经过反射镜和第二透镜转换为平行光。

在一些实施例中，第一光束由第二光源发出，第二光源与第一光源相同或不同。

在一些实施例中，所述方法还包括调整第二光源的方位和俯仰的至少之一直至第一图像和第二图像在成像装置的成像中心重合。

在一些实施例中，所述方法还包括调整第二光源到第一透镜的距离。

在一些实施例中，所述方法还包括调整第一光源到第二透镜的距离。

在一些实施例中，第一光束在通过反射镜反射后入射到第一透镜。

在一些实施例中，来自第一光源的光在经过第一透镜后通过反射镜反射而入射到第二透镜。

本公开的实施例还包括一种激光光路光轴校准系统，包括第一光源，第一透镜，第二透镜，反射镜，成像装置以及调整装置，其中第一透镜用于将第一光束成像装置上形成第一图像，第一光源用于发射第二光束以经过反射镜和第二透镜照射待测对象，以及调整装置用于基于待测对象经过第二透镜和第一透镜在成像装置上形成的第二图像和第一图像是否在成像装置的成像中心重合来调整待测对象的方位和俯仰的至少之一。

在一些实施例中，第一光源位于第二透镜的等效焦平面上，第二光束经过反射镜和第二透镜转换为平行光。

本公开的实施例有助于解决至少一些现有技术中存在的问题，提供了可以用于快速装调激光收发光路的光轴平行或共光轴校准的方法及系统，相对于现有技术可同时解决激光收发光路光轴平行和共光轴的校准，而且校准方法更为简便、快速和直观，校准结果也因此更加准确可靠。

附图说明

本公开提供了附图以便于对所公开内容的进一步理解，附图构成本公开内容的一部分，但仅仅是用于图示出体现所涉及发明概念的一些方面的非限制性示例，而不是用于做出任何限制。

图1是根据本公开一些实施例的激光光路光轴平行校准系统的示意图。

图2是根据本公开一些实施例的激光光路共光轴校准系统的示意图。

图3是根据本公开一些实施例的激光光路光轴校准方法的流程图。

具体实施方式

下文将使用本领域的技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本文说明性实施例的各个方面。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可以仅使用所描述的多个方面中的一些来实践备选实施例。出于解释的目的，本文阐述了特定的数值、材料和配置，以便使说明性的实施例更容易被理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，在省略了特定细节的情况下也可以实践本文的备选实施例。在其它情况下，可以省略或简化众所周知的特征，以便不使本文的实施例难于理解。

此外，本文将以最有助于理解说明性实施例的方式将各种操作依次地描述为多个离散的操作。然而，所描述的顺序不应当被认为是意味着这些操作必须依赖于所述的顺序。尤其是，并不必以所描述的顺序来执行这些操作。

本领域技术人员将理解尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元素，但这些元素不应由这些术语限制。这些术语仅用于将元件彼此区分开。例如，第一元素可以称作第二元素，并且相似地，第二元素可以称作第一元素，而不偏离本发明的范围。如本文使用的，术语“和/或”包括关联的列出项目中的一个或多个中的任一个或全部组合。本文使用的术语仅是为了描述特定实施例目的并且不意在限制本发明。如本文使用的，单数形式“一”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外明确指示其他意思。本领域技术人员将进一步理解术语“包括”和/或“包含”当在本文使用时，规定了陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、部件和/或其的组合的存在或增加。

另外，术语“和/或”可表示“和”、“或”、“异或”、“一个”、“一些但不是全部”、“两者皆不”和/或“两者皆是”，但所述主题的范围并不限制在这些方面。在所附的说明书和/或权利要求中，可使用术语“包括”和“包含”及其衍生词，它们应视为相互的同义词。相似的附图标记在下文中用于指代相似的部件。

图1是根据本公开一些实施例的激光光路光轴平行校准系统100的示意图。系统100包括可选的第一透镜101、第二透镜103、可选的第一光源105、成像装置107、第二光源109、反射镜111、第三透镜113以及调整装置117。其中第一透镜101和第一光源105在利用外界入射光的情况下可以省略。系统100用于调整待测对象115所对应光路的光轴与第一光源105所对应的参考光路的光轴的平行。其中第一光源105位于第一透镜101的焦平面f1上。第一透镜101的焦距f1为已知，因此可以通过测量距离确定第一透镜101的焦平面f1的位置。第一光源105可作为参考光源来使用，以及可以包括任何发光元件，尤其是可以包括单波长、多波长或白光激光器。根据成像原理，在系统100中来自第一光源105的入射光经过第一透镜101和第二透镜103后将在成像装置107上成第一图像。在第一透镜101和第一光源105省略的一些实施例中，可以仅利用第二透镜103将第一光束在成像装置107上成像。该第一光束可以是来自激光光路光轴平行校准系统100以外的包括但不限于平行光的参考光线，系统100用于将待测对象115所对应的光路与该参考光线调整至平行。该第一光束可以经过调制以形成第一图像，并且如果成像不在焦平面上，也可以通过其自带的信息进行当前状态的判定。该第一光束可以通过光源或其他装置调节后来发射，同时它也可以自身携带各种信息，通过对所携带信息的处理，同样能够判定光轴平行或者共光轴的特性。在一些实施例中，第二光源109也可以同时作为第一光源105使用而仅需要对光路进行适应性修改。该成像装置107可以包括能够以视觉可见的方式对成像进行再现的多种装置和/或结构。成像装置107例如包括相机，电荷耦合器件(cdd)，互补金属氧化物半导体器件(cmos)、显示屏幕和投影屏幕等等。待测对象115所对应的待测光路中包括第二光源109、反射镜111、第三透镜113以及调整装置117。待测对象115可以是任何待调校的对象，包括但不限于其他光源和/或成像装置，其与第一光源105的角色可以相互替换，也就是说可以调节待测对象115和第一光源105中的任一个以使得待测对象115和第一光源105所分别对应的光轴相互平行。

在一个实施例中，待测对象115是例如ccd的光接收装置。第二光源109例如设置于第三透镜113的等效焦平面f`2上，等效焦平面f`2定义为从第二光源109中心经反射镜111反射到第三透镜113中心的距离值，即光轴线长度，等于第三透镜113的焦距值f2。第二光源109所发射的第二光束经过反射镜111反射后入射到第三透镜113之后平行出射，并照射位于第三透镜113焦平面f2上的待测对象115。第三透镜113的焦距f2为已知，因此通过测量距离确定要放置其焦平面和等效焦平面的位置。依据光路可逆的原理，从被照射的待测对象115所发出的光经第三透镜113以及第二透镜103在成像装置107上成第二图像。反射镜111可以为半透半反镜，或者镀半透半反膜，以便从待测对象115所发出的光可以通过反射镜111进入第二透镜103，并最终在成像装置107上成第二图像。

在一些实施例中，第一图像和第二图像包括但不限于光点、光点阵列或预先确定的其他图案。在一些实施例中，第一图像和第二图像包括像元。调整装置117用于调整待测对象115和第一光源105两者至少之一的方位和/或俯仰，直至第一图像和第二图像在成像装置上重合，其中，待测对象115方位和俯仰包括：待测对象115到第三透镜113的距离、待测对象115在水平方向的俯仰角以及在垂直方向上的俯仰角；第一光源105的方位和俯仰包括：第一光源105到第一透镜101的距离、第一光源105在水平方向的俯仰角以及在垂直方向上的俯仰角。在一些实施例中，调整装置117连接到待测对象115，并且包括本领域技术人员所熟知的机械部件以及电力结构来调整待测对象115的方位和俯仰的至少之一。调整装置117可以包括刻度尺、调节旋钮、可动平台、驱动马达和计时器等。调整装置117也可以是智能装置，即可以包括执行一个或多个用于驱动该调整装置117动作的软件或固件程序的专用集成电路(asic)、电子电路、处理器、存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的调节功能的其它合适的组件的，或连接到上述的专用集成电路(asic)、电子电路、处理器、存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其它合适的组件。本文中的方位可以包括在三维空间中平移的任何所选自由度，以及俯仰可以包括围绕着所选定轴的转动和相对于所选定平面的倾角的调整。

在一些实施例中，调整装置117还连接到第一光源105以调整其方位和俯仰的至少之一。调整装置117可选地还用于调节第一光源105距离第一透镜101的距离、待测对象115距离第三透镜113的距离、第一光源105的方位、第一光源105的俯仰、待测对象115的方位和待测对象115的俯仰之中的一个或多个，以便将第一图像和第二图像调整为光斑最小的清晰图像。在一些实施例中，在调整过程期间将第一光源105和其所成的第一图像所对应的参考光路保持不动，从而在成像装置107保持不动的情况下第一图像也将保持不变。当调整装置117调整待测对象115的方位或俯仰时第二图像将在成像装置107上出现位置变化。由此在调整过程中将第二图像与第一图像进行位置的比对，当第二图像与第一图像在成像装置107的中心，例如中心像元处重合时，可以确定第一图像与第二图像所分别对应的光路的光轴已经调整到相互平行。反之，也可以固定待测对象115从而使得第二图像固定不动，通过调节第一光源的方位或俯仰使得第一图像与第二图像重合来完成光轴平行调整。总之，只需调节待测对象115和第一光源205之中一个对象的相对位置即可实现光轴平行的调整。

图2是根据本公开另一些实施例的激光光路共光轴校准系统200的示意图。系统200与系统100类似地包括可选的第一透镜201、第二透镜203、可选的第一光源205、成像装置207、第二光源209、反射镜211、第三透镜213以及调整装置217。系统200用于调整待测对象光路与参考光路光轴的共轴。与系统100不同的是，系统200中来自第一光源205的光在经过第一透镜201后通过反射镜211反射而入射到第二透镜203，并且之后在成像装置207上形成第一图像。反射镜211可以是半透半反镜，或者镀半透半反膜。反射镜211同时用于参考光路和待测光路中以便于共光轴的调节。类似于系统100，系统200中的调整装置217基于待测对象115经过第三透镜213和第二透镜203在所述成像装置207上形成的第二图像和第一图像是否在成像装置的成像中心207重合来调整待测对象115的方位和俯仰的至少之一或者第一光源205的方位和俯仰的至少之一。在调整过程中将第二图像与第一图像进行位置的比对，当第二图像与第一图像在成像装置207的中心，例如中心像元处重合时，可以确定第一图像与第二图像所分别对应的光路的光轴已经调整到共光轴。通过增大第二透镜203的口径，系统100或200也可以设计成包括多个第一光源和多个待测对象以便以一发多收、多发一收或者多发多收等形式进行光轴的校准。例如，第二光源209可以包括多于一个的发光源，系统100或200均可用于对第二光源209中的任何一个发光源的光轴进行校准。

在一些实施例中，可以仅利用反射镜211使第一光束经第二透镜203在成像装置207上成像。该光束可以是来自激光光路光轴平行校准系统200以外的参考光线，该参考光线入射到反射镜211并反射到第二透镜203并随后成像，系统200用于将待测对象215所对应的光路与该参考光线调整至平行。该光束可以经过调制以形成第一图像，并且如果成像不在焦平面上，也可以通过其自带的信息进行当前状态的判定。该第一光束可以通过光源或其他装置调节后来发射，同时它也可以自身携带各种信息，通过对所携带信息的处理，同样能够判定光轴平行或者共光轴的特性。在一些实施例中，第二光源209也可以同时作为第一光源205使用而仅需要对光路进行适应性修改。

图3是根据本公开一些实施例的激光光路光轴校准方法的流程图。该校准方法使用类似图1或2所示的系统100或200执行，因所涉及的部件和执行的动作已在上文中描述，因此对方法步骤的描述不在赘述。在该校准方法的步骤301中，经过第二透镜103、203将包括但不限于平行光的第一光束在成像装置107、207上形成第一图像。例如，可以经过第一透镜101、201和第二透镜103、203将作为参考光源的第一光源105、205在成像装置107、207上形成第一图像。形成第一图像所使用的光路的光轴定义为第一光轴。在步骤303中，将来自第二光源109、209的第二光束经过反射镜111、211和第三透镜113、213照射待测对象115、215。在步骤305中，经过第三透镜113、213和第二透镜103、203将待测对象115、215在成像装置107、207上形成第二图像。形成第二图像所使用的光路的光轴定义为第二光轴。在步骤307中，调整待测对象的方位和俯仰的至少之一直至第一图像和第二图像在成像装置107、207的成像中心重合。在第一图像和第二图像为光斑最小的清晰图像，并在成像装置107、207的成像中心重合时，可确定第一光轴已经校准为与第二光轴平行或共轴。待测对象115、215和第一光源105、205可以互换，即只需调整两者之一。第一光源105、205以及待测对象115、215均可以是一个或多个以进行成批的校准，或者对该一个或多个之中任何一个的校准。

本发明的示例的上述具体实施方式无意穷举，也无意限制本发明为上面公开的明确形式。虽然为说明目的而在上文描述了本发明的特定示例，但相关领域的技术人中将认识到在本发明范围内可能实现各种相当的修改。虽然各种过程或框图可能在本申请中以给定顺序陈述，但在备选实施例中可以不同顺序执行这些步骤的例程，或者实施具有不同顺序的框图的系统。一些过程或框可以被删除，移动，添加，细分，组合和/或修改以提供备选或子组合。此外，虽然有些过程或框图可能显示为连续执行，但可反之并行执行或实现这些过程或框图，或者可在不同的时间执行或实现这些过程或框图。此外，本文中指出的任何特定数值只是示例。要理解备选实施例中可采用不同的值或范围。

如上所述，描述本发明某些特性或方面时使用的特殊术语不应视为暗示该术语在本文重新定义以被限制为与该术语相关联的本发明任何特定的特征、特性或方面。通常，在所附权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限制为说明书中公开的特定示例，但上述具体实施方式部分明确定义了此类术语时除外。相应地，本发明的实际范围不但包括公开的示例，而且包括根据权利要求书实践或实施本发明的所有等同方式。