CN117170077A - 非正交结构的角锥回射器及发射光轴实时校准装置和方法 - Google Patents

非正交结构的角锥回射器及发射光轴实时校准装置和方法 Download PDF

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陈光华
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Abstract

本发明公开了角锥回射器及发射光轴实时校准装置和方法,属于光学技术领域。角锥回射器包括:两两相互接触的第一反射面、第二反射面和第三反射面;相邻的反射面形成的夹角至少一个不等于90°。本发明提供角锥回射器为非正交结构,进入角锥回射器的光束被分成多个互相不完全平行的子波束并形成多个不同光斑,该多点光斑几何中心点始终与发射光轴投影点重合。利用本发明的角锥回射器,通过实时获取图像传感器上的多点光斑几何中心点坐标就可以实时获得发射光轴在成像视场中的准确指向,不存在需要预先标定发射光轴与监测光斑的相对位置以及标定失效的问题。

Description

非正交结构的角锥回射器及发射光轴实时校准装置和方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域,具体涉及光束方向校准技术。
背景技术
在跟踪瞄准、空间激光通讯等应用中,需要将发射光束准确对准目标。通常采用观察光路和发射光路来共同完成这一操作,观察光路对目标成像,获得目标方位,调整发射光路与观察光路同轴,输出发射光束指向目标。为了使发射光束准确指向目标,发射光轴与观察轴必须精确同轴。根据工作原理,观察轴可以是成像光路的视轴,也可以是目标点与成像光路入瞳中心的连线。不论哪一种情况,都涉及到发射光轴与观察轴的指向校准问题。
一般这种校准采用离线校准或者准实时校准。离线校准是在使用之前预先校准好,在使用过程中不再校准,但是难以避免在使用过程中环境变化导致的发射光轴与观察轴的偏离。
准实时校准采用分光镜、光束反射器件和探测系统同时测量发射光轴和观察轴的指向,可以实时控制发射光轴和观察轴的指向不偏离,但是准实时校准的发射光轴的原点位置(即发射光轴指向目标时监测光斑相对目标像的位置)是预先标定好的,在使用过程中该原点位置随着环境的变化,如温度、加速度、冲击振动等的变化会发生相应的变化,从而导致标定失效,进而导致发射光轴和观察轴的偏离。
利用角锥回射器反射光与入射光反向平行的特点,可以实现实时获取和校准发射光轴的指向,但是当发射光轴指向或接近指向目标点时角锥回射光斑将与目标像相互重叠,造成光斑与目标的相对位置信息提取困难,从而导致发射光轴校准精度下降。
发明内容
本发明的目的在于提供非正交结构的角锥回射器及发射光轴实时校准装置和方法,以解决准实时校准技术需要预先标定发射光轴与监测光斑的相对位置或者发射光轴原点位置,由于该相对位置或原点位置在不同使用环境下可能发生改变,从而导致标定失效,使得计算得到的发射光轴指向偏离实际光轴指向的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
本发明一方面提供一种非正交结构的角锥回射器,包括:两两相互接触的第一反射面、第二反射面和第三反射面;
所述第一反射面与所述第二反射面的夹角、所述第一反射面与所述第三反射面的夹角以及所述第二反射面与所述第三反射面的夹角至少一个不等于90°。
进一步地,在所述的非正交结构的角锥回射器中,进入所述角锥回射器的光束回射形成2、4或6个光斑。
进一步地,在所述的非正交结构的角锥回射器中,在所述角锥回射器相邻反射面形成的夹角中,当任意一个夹角的角度不等于90°,光斑形成数量为2;当任意两个夹角的角度不等于90°,光斑形成数量为4;当三个夹角的角度均不等于90°,光斑形成数量为6。
进一步地,在所述的非正交结构的角锥回射器中,当三个夹角的角度相同且均不等于90°,形成的6个光斑呈正六边形分布。
本发明另一方面还提供一种发射光轴实时校准装置,包括:光束偏转器、分光元件、成像镜头、图像传感器以及上述的非正交结构的角锥回射器;
从光源发出的光束经过所述光束偏转器后被所述分光元件分成发射光和监测光;监测光进入所述角锥回射器被分成多个互相不完全平行的子波束,每一子波束返回到所述分光元件后,再经过所述成像镜头聚焦在位于镜头焦平面的所述图像传感器上以形成光斑,多个子波束在所述图像传感器形成多点光斑;
所述成像镜头对目标点成像并在所述图像传感器上形成目标像点,目标像点与多点光斑像同时出现在一个画面中;
提取多点光斑几何中心点与目标像点两者相对位置,实时调整所述光束偏转器,使多点光斑几何中心点与目标像点重合以实现及时校准。
进一步地,在所述的发射光轴实时校准装置中,所述分光元件包括:分光平板或分光棱镜。
进一步地,在所述的发射光轴实时校准装置中,所述发射光轴实时校准装置还包括衰减片,所述衰减片倾斜设置在所述分光元件和所述角锥回射器之间用于衰减角锥回射光。
本发明另一方面还提供一种发射光轴实时校准方法,采用上述的发射光轴实时校准装置,包括以下步骤:
光源发出光束,经过所述光束偏转器后被所述分光元件分成发射光和监测光;
监测光进入所述角锥回射器被分成多个互相不完全平行的子波束,每一子波束返回到所述分光元件后,再经过所述成像镜头聚焦在位于镜头焦平面的所述图像传感器上以形成光斑,多个子波束在所述图像传感器形成多点光斑;
所述成像镜头对目标点成像并在所述图像传感器上形成目标像点,目标像点与多点光斑像同时出现在一个画面中;
根据多点光斑几何中心点与目标像点的相对位置,实时调整光束偏转装置,以使多点光斑几何中心点与目标像点重合。
进一步地,在所述的发射光轴实时校准方法中,所述多点光斑几何中心点的坐标计算公式为:
式中,x、y为多点光斑几何中心点坐标,xi、yi为第i个光斑的中心点坐标,n为光斑数量。
进一步地,在所述的发射光轴实时校准方法中,多点光斑几何中心点与目标像点重合时,发射光轴与观察轴重合或平行。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供角锥回射器为非正交结构,不同于常规的角锥回射器,其三个反射面之间的夹角不处于严格的90°关系,而是略微偏离90°,进入角锥回射器的光束被分成多个互相不完全平行的子波束形成多个不同光斑,该多点光斑几何中心点始终与发射光轴投影点重合。本发明提供角锥回射器在接收角范围内的平移、摆动、旋转等姿态变化不会引起多点光斑几何中心位置的变化,只需要利用本发明的角锥回射器,通过实时获取图像传感器上的多点光斑几何中心点坐标就可以实时获得发射光轴在成像视场中的准确指向,不存在需要预先标定发射光轴与监测光斑的相对位置以及标定失效的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明实施例1中非正交结构的角锥回射器的俯视示意图;图中,α、β、γ-角锥回射器3个反射面之间的夹角。
图2为本发明实施例1中非正交结构的角锥回射器的侧视示意图;
图3为本发明实施例2中发射光轴实时校准装置的光路示意图一;
图4为本发明实施例2中发射光轴实时校准装置的光路示意图二;
图3和图4中,E-光源,O-目标点,S-多点光斑,O′-目标像点,EA-发射光轴,OA-观察轴;
图5为本发明实施例3中多点光斑图像示意图;图中S1~S6为多点光斑,(x1,y1)~(x6,y6)为多点光斑对应坐标;多点光斑几何中心点(发射光轴投影点)坐标(x,y);
图6为本发明实施例3中发射光轴接近目标点时多点光斑几何中心与目标像点相对位置示意图。
附图中标记及对应的零部件名称:
图中:1-角锥回射器,11-第一反射面,12-第二反射面,13-第三反射面,2-光束偏转器,3-分光元件,4-成像镜头,5-图像传感器,6-衰减片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参照图1和2,本发明实施例提供的一种非正交结构的角锥回射器,包括:两两相互接触的第一反射面1、第二反射面2和第三反射面3;所述第一反射面1与所述第二反射面2的夹角、所述第一反射面1与所述第三反射面3的夹角以及所述第二反射面2与所述第三反射面3的夹角至少一个不等于90°。
本发明的角锥回射器为非正交结构,不同于常规的角锥回射器,其三个反射面之间的夹角不处于严格的90°关系,而是略微偏离90°。当入射光束覆盖角锥回射器口径时,回射光束将被角锥回射器分割成2、4、6个子波束,每一个子波束均略微偏离入射光方向的反方向。此时从角锥回射器回射的光斑分解成若干具有不同空间位置的子光斑,光斑数量可以是2、4或6,取决于角锥回射器三个反射面的三个夹角之间的关系。
如图1所示,第一反射面1与第二反射面2的夹角γ、第一反射面1与第三反射面3的夹角β、第二反射面2与所述第三反射面3的夹角α,所述角锥回射器相邻反射面形成的夹角α、β、γ中,当任意一个夹角的角度不等于90°,光斑形成数量为2;当任意两个夹角的角度不等于90°,光斑形成数量为4;当三个夹角的角度均不等于90°,光斑形成数量为6。
进一步地,当三个夹角的角度相同且均不等于90°即,α=β=γ≠90°,形成的6个光斑呈正六边形分布。
全部回射光斑的几何中心点(即多点光斑几何中心点)坐标计算公式为:
式中,x、y为多点光斑几何中心点坐标,xi、yi为第i个光斑的中心点坐标,n为光斑数量。
本发明提供角锥回射器在接收角范围内的平移、摆动、旋转等姿态变化引起多点光斑几何中心位置的变化极其微小,可以忽略不计,例如假设α=β=γ=89.9°,当角锥旋转对称轴偏离入射光方向2°时,多点光斑几何中心轴线与发射光轴有0.2微弧度的差别;当角锥旋转对称轴偏离入射光方向10°时,该差别为1微弧度,无论是0.2微弧度还是1微弧度的差别,在绝大多数应用情况下都可以忽略不计,因此认为多点光斑几何中心点始终与发射光轴投影点重合。因此,只需要利用本发明的角锥回射器,通过实时获取图像传感器上的多点光斑几何中心点坐标就可以实时获得发射光轴在成像视场中的准确指向,不存在需要预先标定发射光轴与监测光斑的相对位置以及标定失效的问题。
实施例2
请参照图3和图4、本发明实施例提供一种发射光轴实时校准装置,包括:光束偏转器2、分光元件3、成像镜头4、图像传感器5以及实施例1中非正交结构的角锥回射器1;
从光源发出的光束经过所述光束偏转器后被所述分光元件分成发射光和监测光;监测光进入所述角锥回射器被分成多个互相不完全平行的子波束,每一子波束返回到所述分光元件后,再经过所述成像镜头聚焦在位于镜头焦平面的所述图像传感器上以形成光斑,多个子波束在所述图像传感器形成多点光斑;该多点光斑几何中心为发射光轴在图像传感器上的准确投影点位置。
所述成像镜头对目标点成像并在所述图像传感器上形成目标像点,目标像点与多点光斑像同时出现在一个画面中;
提取多点光斑几何中心点与目标像点两者相对位置,实时调整所述光束偏转器,使多点光斑几何中心点与目标像点重合以实现及时校准。
本发明提供的发射光轴实时校准装置,利用非正交结构的角锥回射器,通过实时计算多点光斑几何中心点坐标,就能在无需标定发射光轴原点位置的情况下在线实时完成发射光轴与观察轴的平行度校准。本发明很好解决了准实时校准技术需要预先标定发射光轴与监测光斑的相对位置或者发射光轴原点位置,由于该相对位置或原点位置在不同使用环境下可能发生改变,从而导致标定失效,使得计算得到的发射光轴指向偏离实际光轴指向的问题。
本发明提供的发射光轴实时校准装置,采用角锥回射器与其他元件组成,根据角锥回射器具有的非正交结构,从角锥回射器回射光在图像传感器上形成2个、4个或6个偶数光斑。全部光斑的几何中心(即多点光斑几何中心)就是发射光轴在图像传感器上的投影点位置,该特性不会随着环境因素(温度变化、受力变化等)导致的光路上的元件位置姿态的变化而变化,即多点光斑几何中心点始终与发射光轴投影点重合。因此无需标定发射光轴原点位置或者发射光轴与监测光斑的相对位置,也避免了因为发射光轴原点位置变化而导致标定失效的问题。
此外,多点光斑几何中心点与任意光斑均不重叠,即发射光轴投影点与任意光斑均不重叠,避免了发射光轴指向或接近指向目标点时角锥回射光斑与目标像重叠导致的相对位置信息提取困难。
进一步地,所述分光元件包括:分光平板或分光棱镜。
进一步地,所述发射光轴实时校准装置还包括衰减片6,所述衰减片倾斜设置在所述分光元件和所述角锥回射器之间用于衰减角锥回射光。这是考虑到角锥回射光汇聚焦点处光斑能量密度较高,为避免感光元件受损,必要时需对角锥回射光进行衰减,通过在非正交结构角锥回射器和分光元件之间加入衰减片来实现。衰减片倾斜一定角度以避免表面反射光直接进入图像传感器。
目标点O可以是固定视场点或特定物体上的点,取决于具体应用情况。当目标点O是固定视场点时(通常情况下是视场中心点),目标点O的坐标是设定好的。当目标点是特定物体上的点时,物体的辐射光、反射光或散射光与多点光斑同时成像在图像传感器上,通过对物体图像处理获得目标点坐标。
如果发射光轴EA与观察轴OA重合或平行,则多点光斑几何中心点与目标像点O′重合。如果发射光轴EA与观察轴OA不平行,则多点光斑几何中心点与目标像点O′不重合,这时根据多点光斑几何中心点与目标像点的相对位置实时调整光束偏转装置,使得多点光斑几何中心点与目标像点重合,即可完成发射光轴实时校准。
实施例3
请参照附图5和6,本发明实施例提供的一种发射光轴实时校准方法,采用上述的发射光轴实时校准装置,包括以下步骤:
光源E发出光束,经过所述光束偏转器后被所述分光元件分成发射光和监测光;其中大部分用作发射光,小部分用作监测光,分光元件其余面的反射光可以通过偏离光轴等方法来消除。
监测光进入所述角锥回射器被分成多个互相不完全平行的子波束,具体分为2、4、6个子波束;每一子波束返回到所述分光元件后,再经过所述成像镜头聚焦在位于镜头焦平面的所述图像传感器上以形成光斑,多个子波束在所述图像传感器形成多点光斑,具体可形成2、4、6个光斑;
所述成像镜头对目标点成像并在所述图像传感器上形成目标像点,目标像点与多点光斑像同时出现在一个画面中;
根据多点光斑几何中心点与目标像点的相对位置,实时调整光束偏转装置,以使多点光斑几何中心点与目标像点重合。
进一步地,在所述的发射光轴实时校准方法中,所述多点光斑几何中心点的坐标计算公式为:
式中,x、y为多点光斑几何中心点坐标,xi、yi为第i个光斑的中心点坐标,n为光斑数量。仅用多点光斑像自身信息计算发射光轴在图像传感器上的投影点位置,不需要预先标定发射光轴原点位置或者发射光轴与光斑的相对位置关系。计算步骤为:首先计算每个光斑的中心点坐标,再根据每个光斑的中心点坐标计算多点光斑几何中心点坐标,该几何中心点坐标即是发射光轴在图像传感器上的投影点坐标。
进一步地,在所述的发射光轴实时校准方法中,多点光斑几何中心点与目标像点重合时,发射光轴与观察轴重合或平行。如果发射光轴EA与观察轴OA不平行,则多点光斑几何中心点与目标像点不重合,这时根据多点光斑几何中心点与目标像点的相对位置实时调整光束偏转装置D,使得多点光斑几何中心点与目标像点重合,即可完成发射光轴实时校准。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非正交结构的角锥回射器,其特征在于,包括:两两相互接触的第一反射面、第二反射面和第三反射面;
所述第一反射面与所述第二反射面的夹角、所述第一反射面与所述第三反射面的夹角以及所述第二反射面与所述第三反射面的夹角至少一个不等于90°。
2.根据权利要求1所述的非正交结构的角锥回射器,其特征在于,进入所述角锥回射器的光束回射形成2、4或6个光斑。
3.根据权利要求2所述的非正交结构的角锥回射器,其特征在于,在所述角锥回射器相邻反射面形成的夹角中,当任意一个夹角的角度不等于90°,光斑形成数量为2;当任意两个夹角的角度不等于90°,光斑形成数量为4;当三个夹角的角度均不等于90°,光斑形成数量为6。
4.根据权利要求3所述的非正交结构的角锥回射器,其特征在于,当三个夹角的角度相同且均不等于90°,形成的6个光斑呈正六边形分布。
5.一种发射光轴实时校准装置,其特征在于,包括:光束偏转器、分光元件、成像镜头、图像传感器以及权利要求1-4任一项所述的非正交结构的角锥回射器;从光源发出的光束经过所述光束偏转器后被所述分光元件分成发射光和监测光;监测光进入所述角锥回射器被分成多个互相不完全平行的子波束,每一子波束返回到所述分光元件后,再经过所述成像镜头聚焦在位于镜头焦平面的所述图像传感器上以形成光斑,多个子波束在所述图像传感器形成多点光斑;
所述成像镜头对目标点成像并在所述图像传感器上形成目标像点,目标像点与多点光斑像同时出现在一个画面中;
提取多点光斑几何中心点与目标像点两者相对位置,实时调整所述光束偏转器,使多点光斑几何中心点与目标像点重合以实现及时校准。
6.根据权利要求5所述的发射光轴实时校准装置,其特征在于,所述分光元件包括:分光平板或分光棱镜。
7.根据权利要求5所述的发射光轴实时校准装置,其特征在于,所述发射光轴实时校准装置还包括衰减片,所述衰减片倾斜设置在所述分光元件和所述角锥回射器之间用于衰减角锥回射光。
8.一种发射光轴实时校准方法,其特征在于,采用如权利要求5-7任一项所述的发射光轴实时校准装置,包括以下步骤:
光源发出光束,经过所述光束偏转器后被所述分光元件分成发射光和监测光;
监测光进入所述角锥回射器被分成多个互相不完全平行的子波束,每一子波束返回到所述分光元件后,再经过所述成像镜头聚焦在位于镜头焦平面的所述图像传感器上以形成光斑,多个子波束在所述图像传感器形成多点光斑;
所述成像镜头对目标点成像并在所述图像传感器上形成目标像点,目标像点与多点光斑像同时出现在一个画面中;
根据多点光斑几何中心点与目标像点的相对位置,实时调整光束偏转装置,以使多点光斑几何中心点与目标像点重合。
9.根据权利要求8所述的发射光轴实时校准方法,其特征在于,所述多点光斑几何中心点的坐标计算公式为:
式中,x、y为多点光斑几何中心点坐标,xi、yi为第i个光斑的中心点坐标,n为光斑数量。
10.根据权利要求8所述的发射光轴实时校准方法,其特征在于,多点光斑几何中心点与目标像点重合时,发射光轴与观察轴重合或平行。
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