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与流程

本发明涉及光学，具体涉及光束方向校准技术。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、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；

4、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°。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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；

9、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；

10、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；

11、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。

12、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。

13、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。

14、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：

15、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；

16、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；

17、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；

18、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。

19、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：

20、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。

21、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。

22、本发明具有以下有益效果：

23、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。

技术特征：

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；

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；

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：

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：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：陈光华,刘国栋
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院流体物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15