基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距光束自動聚焦裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置，包括可調(diào)諧激光器、紅光激光器、液體透鏡單元、相機、計算機光斑判別單元、透鏡驅(qū)動電路；可調(diào)諧激光器提供了線性頻率調(diào)制激光用于待測目標點距離的測量，紅光激光器產(chǎn)生紅色可見激光用于待測目標點的引導定位，計算機光斑判別單元與透鏡驅(qū)動電路構(gòu)成反饋系統(tǒng)，計算機光斑判別單元通過對相機捕捉到的待測物體表面的光斑圖像進行識別并比較不同液體透鏡驅(qū)動電流下的光斑大小來尋找出最小光斑點所對應(yīng)的液體透鏡驅(qū)動電流值，實現(xiàn)光束的快速自動聚焦。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積小，響應(yīng)速度快，能夠基于光斑大小指標實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)測量光束與定位光束的全自動聚焦。
【專利說明】
基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距光束自動聚焦裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及調(diào)頻連續(xù)波激光測距領(lǐng)域，尤其涉及一種基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波光束自動聚焦裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]調(diào)頻連續(xù)波激光測距技術(shù)由于具有非接觸性和高精度等優(yōu)勢在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)解決了測距需要反射棱鏡或貓眼、靶球等合作目標進行輔助而現(xiàn)場無法實現(xiàn)的難題。調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)通過一束頻率連續(xù)調(diào)制的高頻激光進行測距，同時需要一束可見光對待測目標點進行引導定位。兩束激光經(jīng)耦合器耦合進同一光纖后出射，出射激光會有一定角度的發(fā)散角存在。隨著距離的增加，光束擴散會越來越嚴重，將無法對目標點進行精確的定位和測量。變焦技術(shù)是實現(xiàn)光束聚焦要求的關(guān)鍵。
[0003]傳統(tǒng)的機械變焦系統(tǒng)通常由多個透鏡組合而成，通過透鏡組中的一片或多片透鏡的前后移動來產(chǎn)生焦距的變化。機械調(diào)焦方法及其結(jié)構(gòu)具有明顯的不足。首先，機械調(diào)焦需要對光學元件的位置進行精確的控制，必須對元件或組件的移動軌跡進行精確的計算，并且原件或組件的移動需要同步進行，這些嚴苛的要求使得傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本高;其次，機械調(diào)焦需反復(fù)移動組件位置以實現(xiàn)焦距的變化，存在易磨損、壽命低等缺點;在此，傳統(tǒng)的機械調(diào)焦系統(tǒng)需要調(diào)整機械長度來滿足焦距的需要，無法適應(yīng)儀器微小型化的發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有聚焦技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、且能實現(xiàn)全自動快速聚焦的基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置。該聚焦裝置用電動液體透鏡取代傳統(tǒng)機械調(diào)焦透鏡組，并在此基礎(chǔ)上加入一枚補償平凸透鏡，使得裝置整體尺寸進一步減小。針對紅色引導定位激光與調(diào)頻連續(xù)波激光波長不同存在色差的問題，采取分時聚焦的方案，在定位階段聚焦紅色引導激光，在測量階段根據(jù)兩束激光波長值對透鏡驅(qū)動電流進行修正，使調(diào)頻連續(xù)波激光達到最佳聚焦狀態(tài)。該裝置能夠在lm-30m的范圍內(nèi)對測量光束和定位光束進行快速全自動聚焦，實現(xiàn)對待測目標點的精確定位，提高測距精度。
[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提出的一種基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置，包括可調(diào)諧激光器、紅光激光器、光纖耦合器、液體透鏡單元、半透半反鏡、相機和計算機光斑判別單元;所述可調(diào)諧激光器用于產(chǎn)生窄線寬調(diào)頻連續(xù)波激光;所述紅光激光器用于產(chǎn)生紅色引導激光;所述光纖耦合器用于將所述可調(diào)諧激光器產(chǎn)生的激光和所述紅光激光器產(chǎn)生的激光耦合進同一光纖，激光從光纖出射進入所述液體透鏡單元；所述液體透鏡單元包含殼體和透鏡驅(qū)動電路，所述殼體內(nèi)沿激光方向依次設(shè)置有孔徑光闌、補償平凸透鏡和液體透鏡;所述半透半反鏡設(shè)置在所述液體透鏡單元的出射光一側(cè)，所述相機布置在所述半透半反鏡的透射光一側(cè)，待測目標點設(shè)置在所述半透半反鏡的反射光一側(cè);所述半透半反鏡使一部分激光反射回測距系統(tǒng)并與可調(diào)諧激光器的發(fā)射信號形成拍頻用于待測目標點距離的計算，另一部分激光透射進入所述相機;所述相機用于捕捉紅色引導激光的聚焦光斑圖像，并將該聚焦光斑圖像傳入計算機光斑判別單元;所述計算機光斑判別單元通過數(shù)據(jù)接口與所述相機連接，所述計算機光斑判別單元通過USB接口連接至透鏡驅(qū)動電路;所述計算機光斑判別單元通過比較找出接收到的所有聚焦光斑圖像中聚焦光斑最小時的液體透鏡的驅(qū)動電流值;所述透鏡驅(qū)動電路保持輸出該驅(qū)動電流值，使液體透鏡保持恒定焦距。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0007]本發(fā)明聚焦裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，聚焦速度快且能夠根據(jù)光斑大小的判別實現(xiàn)全自動聚焦。對紅色引導定位激光和調(diào)頻連續(xù)波激光進行分時聚焦，保證了在定位階段和測量階段紅色引導定位激光和調(diào)頻連續(xù)波激光分別達到最佳聚焦狀態(tài)，使得待測目標點能夠得到精確定位，并保證調(diào)頻連續(xù)波激光回波功率較強。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明光束聚焦裝置結(jié)構(gòu)及光路示意圖；
[0009]圖2是本發(fā)明實施例紅色引導激光聚焦過程中光斑變化圖；
[0010]圖3是本發(fā)明中液體透鏡單元與光纖之間的連接結(jié)構(gòu)主視剖視圖；
[0011]圖4是圖3所示液體透鏡單元與光纖之間的連接結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0012]圖5是本發(fā)明實例調(diào)頻連續(xù)波測量激光達到最佳聚焦狀態(tài)時的聚焦光斑圖。
[0013]圖中:
[0014]1-可調(diào)諧激光器2-紅光激光器3-光纖耦合器
[0015]4-液體透鏡單元5-半透半反鏡6-相機
[0016]7-計算機光斑判別單元8-透鏡驅(qū)動電路9-待測物體表面
[0017]10-孔徑光闌11-補償平凸透鏡12-液體透鏡
[0018]13-FC/PC光纖轉(zhuǎn)接板 14-螺紋轉(zhuǎn)接件15、17_墊圈
[0019]16-C螺紋延長管18-殼體
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。
[0021 ]如圖1所示，本發(fā)明一種基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置，包括可調(diào)諧激光器1、紅光激光器2、光纖耦合器3、液體透鏡單元4、半透半反鏡5、相機6和計算機光斑判別單元7。
[0022]所述可調(diào)諧激光器I用于產(chǎn)生窄線寬調(diào)頻連續(xù)波激光;所述紅光激光器2用于產(chǎn)生紅色引導激光;所述光纖耦合器3用于將所述可調(diào)諧激光器I產(chǎn)生的激光和所述紅光激光器2產(chǎn)生的激光耦合為一路后進同一光纖，激光從光纖出射進入所述液體透鏡單元4。
[0023]所述液體透鏡單元4包含殼體18和透鏡驅(qū)動電路8，所述殼體18內(nèi)沿激光方向依次設(shè)置有孔徑光闌10、補償平凸透鏡11和液體透鏡12，所述透鏡驅(qū)動電路8可以帶動液體透鏡12沿軸向移動。
[0024]所述半透半反鏡5設(shè)置在所述液體透鏡單元4的出射光一側(cè)，所述相機6布置在所述半透半反鏡5的透射光一側(cè)，待測目標點9設(shè)置在所述半透半反鏡5的反射光一側(cè);所述半透半反鏡5使一部分激光反射回測距系統(tǒng)并與可調(diào)諧激光器I的發(fā)射信號形成拍頻用于待測目標點9距離的計算，另一部分激光透射進入所述相機6;
[0025]所述相機6用于捕捉紅色引導激光的聚焦光斑圖像，并將該聚焦光斑圖像傳入計算機光斑判別單元7 ；
[0026]所述計算機光斑判別單元7通過數(shù)據(jù)接口與所述相機6連接，所述計算機光斑判別單元7通過USB接口連接至透鏡驅(qū)動電路8;所述計算機光斑判別單元7通過比較找出接收到的所有聚焦光斑圖像中聚焦光斑最小時的液體透鏡12的驅(qū)動電流值;所述透鏡驅(qū)動電路8保持輸出該驅(qū)動電流值，使液體透鏡12保持恒定焦距。
[0027]圖3和圖4示出了本發(fā)明中液體透鏡單元與光纖耦合器3連接的光纖之間的連接結(jié)構(gòu)實施例，自光纖至殼體18的端部依次設(shè)有FC/PC光纖轉(zhuǎn)接板13、螺紋轉(zhuǎn)接件14、墊圈15、C螺紋延長管16、墊圈17，所述C螺紋延長管16的外螺紋與殼體18的內(nèi)螺紋連接。本發(fā)明中，所述光纖液體透鏡單元通過FC/PC光纖轉(zhuǎn)接板13、螺紋轉(zhuǎn)接件14、C螺紋延長管16、墊圈與液體透鏡單元進行連接，如圖4所示，F(xiàn)C/PC光纖轉(zhuǎn)接板13連接螺紋轉(zhuǎn)接件14，螺紋轉(zhuǎn)接件14連接C螺紋延長管16，C螺紋延長管連接液體透鏡18，墊圈15、墊圈17分別位于螺紋轉(zhuǎn)接件14與C螺紋延長管16、C螺紋延長管16與液體透鏡18之間，用于微調(diào)連接結(jié)構(gòu)長度。該連接結(jié)構(gòu)將光纖接頭與液體透鏡連接在一起，省去了光纖接頭與液體透鏡之間對準調(diào)節(jié)的繁雜過程，并增加了裝置的穩(wěn)定性，提高了裝置的抗震能力。在所述液體透鏡單元中加入了平凸補償透鏡11和孔徑光闌1，其中的平凸補償透鏡11減小了液體透鏡12的整體調(diào)焦范圍，孔徑光闌10將入射激光限制在近軸區(qū)域，減小了球差的影響。
[0028]利用上述基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置實現(xiàn)紅色引導激光和調(diào)頻連續(xù)波測量激光雙光束快速自動聚焦，是將紅色引導激光和調(diào)頻連續(xù)波測量激光耦合進同一光纖合成一束光，該光束進入一液體透鏡，在液體透鏡內(nèi)用孔徑光闌將光束限制在光學系統(tǒng)近軸區(qū)域，利用紅色引導激光和調(diào)頻連續(xù)波測量激光分時聚焦，最終實現(xiàn)自動聚焦。主要包括紅色引導激光自動聚焦實現(xiàn)待測目標點的定位、利用紅色引導激光達到最佳聚焦狀態(tài)時對應(yīng)的驅(qū)動電流值修正得到調(diào)頻連續(xù)波測量激光最佳聚焦時液體透鏡驅(qū)動電流、利用該液體透鏡驅(qū)動電流驅(qū)動液體透鏡從而實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波測量激光自動聚焦。
[0029]具體步驟如下:
[0030]步驟一、紅色引導激光自動聚焦實現(xiàn)待測目標點的定位:通過所述可調(diào)諧激光器I和紅光激光器2產(chǎn)生窄線寬調(diào)頻連續(xù)波測量激光和紅色引導激光;利用所述光纖耦合器3將調(diào)頻連續(xù)波激光和紅色引導定位激光耦合進同一光纖，耦合光束從光纖出射后進入所述液體透鏡單元4，分別通過孔徑光闌10、補償平凸透鏡11、液體透鏡12后會聚，；所述透鏡驅(qū)動電路8輸出初始驅(qū)動電流驅(qū)動液體透鏡12，光束通過液體透鏡12會聚后經(jīng)半透半反鏡5反射到待測目標表面9形成紅色光斑;所述相機6對光束入射到待測目標表面后形成的光斑圖像進行捕捉并將待測物體表面的光斑圖像傳輸?shù)接嬎銠C光斑判別單元7;所述計算機光斑判別單元7對捕捉圖像上光斑進行識別并對光斑大小進行量化存儲;所述透鏡驅(qū)動電路8逐步減小液體透鏡12的驅(qū)動電流值，所述計算機光斑判別單元7對不同驅(qū)動電流值下的光斑大小進行比較直到找到光斑最小值，找到光斑最小值后所述透鏡驅(qū)動電路8停止減小驅(qū)動電流的值并將驅(qū)動電流值穩(wěn)定在該值并輸出;包括如下步驟:
[0031 ] 1-1、液體透鏡驅(qū)動電流粗調(diào):
[0032 ]所述透鏡驅(qū)動電路8啟動后向所述液體透鏡單元4輸出初始驅(qū)動電流，該初始驅(qū)動電流為液體透鏡的允許最大電流值，液體透鏡驅(qū)動電流以步長Iraarse3遞減，設(shè)第η次驅(qū)動電流值為
[0033]In=In-1-1coarse (I)
[0034]式(I)中，1?為液體透鏡驅(qū)動電流調(diào)節(jié)過程中的第η次液體透鏡驅(qū)動電流值，Ih為液體透鏡驅(qū)動電流調(diào)節(jié)過程中的第η-1次液體透鏡驅(qū)動電流值，Iraarse3為液體透鏡驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)步長；
[0035]對不同液體透鏡驅(qū)動電流下相機捕捉到的圖像中的紅色引導激光聚焦光斑的大小3?進行比較，隨著液體透鏡驅(qū)動電流的減小紅色引導激光聚焦光斑的大小會出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當從某一點nl開始出現(xiàn)Snl-OSnl，Snl+1>Snd#，液體透鏡驅(qū)動電流停止減小，此時，透鏡驅(qū)動電流為Im，其中SnK，Sni，Snl+1*別為第nl-1次，第nl次，第nl+1次調(diào)節(jié)液體透鏡驅(qū)動電流值時紅色引導激光聚焦光斑的大小；
[0036]1-2、液體透鏡驅(qū)動電流中調(diào):
[0037]液體透鏡驅(qū)動電流以Inl-1cciarse為起點，以步長Imid遞減，Imidacrarse,當從某一點n2開始出現(xiàn)3?2-1>3?2，Sn2+1>Sndt，液體透鏡驅(qū)動電流停止減小，此時，透鏡驅(qū)動電流為In2 ；
[0038]1-3、液體透鏡驅(qū)動電流微調(diào):
[0039]液體透鏡驅(qū)動電流以In2-1mid為起點，以步長Ifine遞減，Ifine〈Imid，當從某一點n3開始出現(xiàn)Sn3-OSn3，sn3+1>sndt，液體透鏡驅(qū)動電流停止減小，此時，透鏡驅(qū)動電流為In3 ；將該液體透鏡驅(qū)動電流In3輸出給液體透鏡，紅色引導激光自動聚焦過程結(jié)束。
[0040]步驟二、根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波測量激光與紅色引導激光波長之間的關(guān)系對上述步驟一最終輸出給液體透鏡的驅(qū)動電流值進行參數(shù)修正，以保證調(diào)頻連續(xù)波激光達到最佳聚焦狀態(tài):
[0041]I，=In3+A (2)
[0042]式(2)中，A為一常數(shù)值，在紅色引導激光波長為658nm，調(diào)頻連續(xù)波測量激光波長為 1550nm 時，A = 32.4nm；
[0043]步驟三、將步驟二確定的液體透鏡驅(qū)動電流I’輸出給液體透鏡，實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波測量激光自動聚焦。
[0044]應(yīng)用實例:
[0045]紅色引導激光波長為658nm的紅光，調(diào)頻連續(xù)波測量激光中心波長為1550nm，按照圖1所示連接各部分結(jié)構(gòu)，并將光纖與液體透鏡單元按照圖3和圖4所示結(jié)構(gòu)進行連接，將本發(fā)明裝置轉(zhuǎn)向待測物體所在方向，待測物體距調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置7m左右的位置，啟動本發(fā)明裝置并按照上述步驟一、二、三進行自動聚焦，可以觀察到紅色引導激光照射到物體表面的光斑迅速由大變小并最終穩(wěn)定在最小光斑處，光斑變化過程如圖2所示，穩(wěn)定后的光斑直徑僅為0.917mm，完成步驟二，執(zhí)行步驟三后，用紅外光束分析儀觀察調(diào)頻連續(xù)波測量激光的聚焦情況，觀察到調(diào)頻連續(xù)波測量激光迅速聚焦為一點，聚焦光斑如圖5所示，聚焦光斑直徑為1.344mm。通過上述實例驗證了本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束的快速全自動聚焦。
[0046]盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于液體透鏡的調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)光束自動聚焦裝置，其特征在于，包括可調(diào)諧激光器(I)、紅光激光器(2)、光纖耦合器(3)、液體透鏡單元(4)、半透半反鏡(5)、相機(6)和計算機光斑判別單元(7); 所述可調(diào)諧激光器(I)用于產(chǎn)生窄線寬調(diào)頻連續(xù)波激光； 所述紅光激光器(2)用于產(chǎn)生紅色引導激光； 所述光纖耦合器(3)用于將所述可調(diào)諧激光器(I)產(chǎn)生的激光和所述紅光激光器(2)產(chǎn)生的激光耦合進同一光纖，激光從光纖出射進入所述液體透鏡單元(4); 所述液體透鏡單元(4)包含殼體和透鏡驅(qū)動電路(8)，所述殼體內(nèi)沿激光方向依次設(shè)置有孔徑光闌(10)、補償平凸透鏡(11)和液體透鏡(12); 所述半透半反鏡(5)設(shè)置在所述液體透鏡單元(4)的出射光一側(cè)，所述相機(6)布置在所述半透半反鏡(5)的透射光一側(cè)，待測目標點(9)設(shè)置在所述半透半反鏡(5)的反射光一側(cè);所述半透半反鏡(5)使一部分激光反射回測距系統(tǒng)并與可調(diào)諧激光器(I)的發(fā)射信號形成拍頻用于待測目標點(9)距離的計算，另一部分激光透射進入所述相機(6); 所述相機(6)用于捕捉紅色引導激光的聚焦光斑圖像，并將該聚焦光斑圖像傳入計算機光斑判別單元(7); 所述計算機光斑判別單元(7)通過數(shù)據(jù)接口與所述相機(6)連接，所述計算機光斑判別單元(7)通過USB接口連接至透鏡驅(qū)動電路(8);所述計算機光斑判別單元(7)通過比較找出接收到的所有聚焦光斑圖像中聚焦光斑最小時的液體透鏡(12)的驅(qū)動電流值;所述透鏡驅(qū)動電路(8)保持輸出該驅(qū)動電流值，使液體透鏡(12)保持恒定焦距。
【文檔編號】G01S17/32GK105911557SQ201610416330
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】張福民, 姚艷南, 曲興華, 張桐
【申請人】天津大學