CN108445640A - 一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明*** - Google Patents

一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明*** Download PDF

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卢纯青
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王世新
郑岩
袁琦
高文文
邹月
张成龙
刘阳
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Abstract

一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，首先，选用适当光功率和发散角的多模半导体激光器，作为输入光源，并将该光源耦合输入光学匀化***；接着，在匀化***中，实现激光光路折转、匀化、整形、扩束，并将匀化后的光束会聚到自聚焦透镜一端，从另一端导出均匀出射；最后通过小型化的匀化***与整机的同轴装配，实现对合作目标的同轴均匀照明。本发明，组件小型化、整机可装配，实现了与相机镜头同轴安装、转换效率高、大发散角出射、光源均匀性好且空间分布稳定的照明光源，是相对位姿视觉测量敏感器的关键组件，为其高精度位姿测量，奠定了优质的成像基础。

Description

一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***
技术领域
本发明涉及一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，属于空间交会对接相对位姿视觉测量敏感器技术领域。
背景技术
相对位姿视觉测量敏感器，使用的照明光源***，有两种不同方案，即LED的环形照明***和LD的同轴照明***。前者设计和实现相对简单，以法国Sodern的VDM(是欧空局为ATV和国际空间站(ISS)对接研制的一种新型的导航敏感器)、日本的PXS为代表(日本的工程试验卫星ETS-VII进行交会对接试验时使用的导航敏感器)；后者设计和实现相对复杂，但在测量距离、测量精度上更胜一筹，以美国MSFC的AVGS、中国第二代交会测量子***和本文的相对位姿视觉测量敏感器为代表。AVGS，是NASA为近距离逼近阶段自主自动交会对接研究的一种基于视觉的导航敏感器，用于交会对接演示验证实验(DARTN)等。中国第二代交会测量子***，用于2013年中国SY7卫星空间抓捕等交会测量任务。
国内外的类似敏感器的同轴照明光源***，相对来说设计和构造都比较简单。比如，美国AVGS的同轴照明光源***，其因为在大功率LD器件上的优势，直接将多路LD合并后输出，作为照明***，其优点为设计简单、光功率强，但缺点为照明角度小、均匀性差、稳定性差、整机功耗大，直接影响整机测量精度，这也是其测量精度比相对位姿视觉测量敏感器差一个数量级的原因之一。
再比如，中国第二代交会测量子***的同轴照明光源***，其末端以大数值孔径光纤输出光源。由于大数值孔径光纤弯曲半径大、需要一定长度才能匀化光源，因此导致照明光源体积大、安装不便，且稳定性可靠性较差。
以上缺点：照明角度小、均匀性差、稳定性差、体积大、安装不便，正是高精度位姿测量敏感器同轴照明***的技术瓶颈。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明光源***，解决了照明角度小、均匀性差、稳定性差、体积大、安装不便的问题。
本发明的技术方案是：
一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，包括：激光光源耦合输入模块、光学匀化整形模块、同轴输出模块；
激光光源耦合输入模块：对外部输入的多束激光束进行耦合、准直化处理后，发送耦合准直激光束给光学匀化整形模块；
光学匀化整形模块：接收激光光源耦合输入模块发送的耦合准直激光束，将耦合准直激光束散斑匀化和整形扩束处理，将整形后的激光束发送给同轴输出模块；
同轴输出模块：接收光学匀化整形模块输入的整形后的激光束，向外部提供点光源形式的圆锥体照明光源。
所述激光光源耦合输入模块包括：耦合接口和准直镜；
所述耦合接口包括插芯体和SMA接口，插芯体一端插接有N根外部光纤，N为正整数，插芯体另一端采用SMA接口连接准直镜；
耦合接口将外部输入的N根激光束耦合，将耦合后的激光束发送给准直镜，准直镜将耦合后的激光束准直化处理并发送耦合准直激光束给光学匀化整形模块。
所述光学匀化整形模块包括：散斑匀化模块、整形扩束模块；
散斑匀化模块：接收激光光源耦合输入模块发送的耦合准直激光束，将呈高斯分布的耦合准直激光束，分割为若干束的匀化激光束出射给整形扩束模块；
整形扩束模块：接收散斑匀化模块发送的匀化激光束，对匀化激光束的发散角整形扩束，得到整形后的激光束，将整形后的激光束发送给同轴输出模块。
所述光学匀化整形模块还包括光路折转模块，光路折转模块接收散斑匀化模块发送的匀化激光束，将匀化激光束折转90°出射给整形扩束模块。
所述散斑匀化模块为微分器；
所述整形扩束模块为透镜组。
所述匀化激光束的发散角为18°。
所述透镜组的透镜材料为ZF6，透镜表面镀全谱段增透膜。
所述同轴输出模块为自聚焦镜。
所述自聚焦镜的出光端位于外部整机镜头光轴与外部反射镜的交点，且自聚焦镜的出射光光轴与外部整机镜头光轴垂直。
所述自聚焦镜的直径为1.8mm，长20mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采用整形扩束模块，对激光照明光源进行整形扩束，实现了全角36°的大角度的照明，解决了激光照明光源作用距离和照明角度的矛盾，为大范围的相对位姿测量奠定照明基础。
2)本发明采用散斑匀化模块，对激光照明光源进行重塑和匀化，实现照明光源空间分布高品质的均匀性和稳定性，解决了成像目标闪烁不均匀的问题，为高精度的相对位姿测量奠定成像基础。
3)本发明采用微小光学***，实现了在狭窄反射镜组件下的可靠安装，实现了与整机镜头光轴的同轴安装，最终实现体积小、重量轻、可靠性高的激光照明光源***，是高精度相对位姿测量敏感器工程应用的关键。
附图说明
图1是相对位姿视觉测量敏感器整机示意图；
图2是相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***示意图图；
图3是激光光源耦合输入模块示意图；
图4是相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***结构图；
图5是出射光半锥角与中心平均辐照度关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式如下所述。
相对位姿视觉测量敏感器工作原理简述：敏感器由视觉测量相机和合作目标组成，照明光源***是相机的关键部分。相机安装在追踪飞行器上，目标安装在目标飞行器上，通过相机对合作目标的成像，进行图像处理、目标识别、位姿计算，可以计算得到两飞行器6自由度的相对位置和相对姿态角。
合作目标由角反射器组成，是被动反射式光学部件，需要照明光源***对其照明，并反射回光进入相机形成目标图像。相机的照明光源***，以不小于±17°的发散角呈圆锥形均匀照射合作目标，照明光源的能量过弱、分布不均匀或可靠性不足都将影响敏感器的测量精度和正常工作。如图1所示。
如图3所示，激光光源耦合输入组件：将两路多模光纤激光二合一耦合后，形成输入光源传输给下一级准直镜，准直镜对输入激光的发散角进行调整，以便两种激光共用同一个光学匀化整形组件。
两路中心波长分别为850nm和808nm的、数值孔径0.22的多模光纤激光，进行二合一耦合输出，输出耦合接口满足光学匀化整形模块输入要求，具体来说如下：
将两根包层直径为125μm的光纤并行***具有一定长度且具有250μm孔径的插芯体内。插芯体属于高精密加工结构件，其恰当的长度和合理的孔径能完好的将两根光纤并行一起***插芯体内，并能使两根光纤成平行状态。利用环氧树脂进行固封，待固封完成后再进行研磨抛光。最后利用一个小的套环将插芯体和金属软管连接固定在一起，采用SMA接口通过内螺纹与后续装置准直镜进行对接固定。
此后，通过准直镜实现激光发散角的初步调整，保证入射光能被后续光学匀化整形组件全部接收，能量没有损耗。具体来说如下：
准直镜：入射激光光束的光学特性，由LD多模光纤性能决定。纤芯直径为105um，数值孔径NA＝0.22，决定光束发散角。因此设计工作波段为790nm～880nm(中心设计波长850nm)的光学透镜，将一定发散角内的光束准直约束，投射到散斑匀化模块的有效区域，避免光能量的损失，同时最大限度利用散斑匀化模块的有效区域，使得下一级匀化效果最佳。调整激光束的发散角为准直激光束，发送准直激光束给光学匀化整形组件的微分器。
按照光学镜头的设计要求，***结构首先满足对光学***的通光口径、光学间隔、光学同轴、光路折转等结构参数的要求，同时还要满足对空间环境适应性的要求。光学***是由玻璃镜片组成，要确保玻璃镜片不会因振动和冲击破损，在光学镜片的厚度上及光学镜片与镜筒之间的间隙上要设计合理，镜片厚度既满足光学性能要求，又满足空间力学和温度环境条件要求。
光学匀化整形组件，包括：微分器、透镜组和折转镜，如图4所示，光学匀化整形组件的微分器接收激光光源耦合输入组件发送的准直激光束，将呈高斯分布的准直激光束分割为若干束发散角约为18°的光束，得到匀化激光束，将匀化激光束发送给折转镜。匀化激光束为“无数”发散角约为18°的子光束。这“无数”子光束，彼此融合形成新的光斑，以达到光束空间分布均匀的效果。波面微分器需要注意以下两点：第一，其光学特性需与***设计相匹配，尤其子光束的发散角，过大将造成光源损失或整个***体积庞大，过小将达不到预期匀化效果；第二，波面微分器“无数”子孔存在“盲孔”现象，需要预先测试挑选满足需求的微分器。
为了避免整个光学***光路无限向着光轴方向发展，造成整个***的长度和体积的增大，以至于无法安装于反射镜后。设计制造45°折转镜，其材质为K9玻璃，表面镀反射膜和保护膜，通过精确加工和压接安装方式，保证其精确定位和无应力装配。通过折转镜，将匀化后的光束折转90°出射，以降低整个***的有效长度和体积；折转镜接收微分器发送的匀化激光束，将匀化激光束折转90°，发射给透镜组。
透镜组接收折转镜发送的匀化激光束，对激光发散角整形，得到整形后的激光束，将整形后的激光束发送给自聚焦镜。透镜组由三片光学透镜组合，材料为ZF6，透镜双面镀全谱段增透膜。通过多片光学透镜组合，在有限的物理空间内，进行了对子光束合成，以及光束发射角调整，大大弱化了激光散斑现象，形成相对平缓和均匀的被照面。最终将匀化后的光束发散角由半角6.5°，扩大调整为半角21°，实现了照明光源空间分布和发散角的调整。
以上被扩束和匀化的光源，通过自聚焦镜，长距离平移到反射镜中心，直径仅有2mm的圆孔通道，形成与整机镜头同轴的照明光源出射。自聚焦镜的出光端位于外部整机镜头光轴与外部反射镜的交点，与外部整机镜头光轴高度一致，且自聚焦镜的出射光光轴与镜头光轴垂直。自聚焦镜的直径为1.8mm，长20mm。利用其折射率梯度变化特点，将输入端接收到的完成匀化整形的光束，通过其细长的柱体，传递到另一端，实现狭小空间的光束传递和出射。细长自聚焦镜为玻璃易碎材料，其安装固定方式需重点关注。首先为自聚焦镜加了一层保护套，即将自聚焦镜用GD414硅胶与不锈钢套管通过内壁粘接，使自聚焦镜与不锈钢套筒成为一体。带保护套的自聚焦镜通过一个4爪包紧机构和辅助固定胶，精确安装的固定在***结构上。为避免安装应力引起反射镜面形形变，自聚焦镜安装方式需有顺序、力矩等要求；为实现自聚焦镜的出光端与整机镜头光轴的精确同轴，装配过程需要试配、测试、调整和固封等。
最终，相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明装置将输入的LD激光光束，均化整形后，形成的以下具体指标的均匀照明光源出射：
出射光在半锥角为α的圆锥内传输，α＝17°±1°；且在半锥角α处，出射光辐照度与中心平均辐照度的相对值不小于25％，如图5所示。
如图2所示，一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，包括：激光光源耦合输入模块、光学匀化整形模块、同轴输出模块；
激光光源耦合输入模块：对外部输入的多束激光束进行耦合、准直化处理后，发送耦合准直激光束给光学匀化整形模块；
光学匀化整形模块：接收激光光源耦合输入模块发送的耦合准直激光束，将耦合准直激光束散斑匀化和整形扩束处理，将整形后的激光束发送给同轴输出模块；
同轴输出模块：接收光学匀化整形模块输入的整形后的激光束，向外部提供点光源形式的圆锥体照明光源，同轴输出模块为自聚焦镜，自聚焦镜的出光端位于外部整机镜头光轴与外部反射镜的交点，且自聚焦镜的出射光光轴与外部整机镜头光轴垂直。自聚焦镜的直径为1.8mm，长20mm。
所述激光光源耦合输入模块包括：耦合接口和准直镜；
所述耦合接口包括插芯体和SMA接口，插芯体一端插接有N根外部光纤，N为正整数，插芯体另一端采用SMA接口连接准直镜；
耦合接口将外部输入的N根激光束耦合，将耦合后的激光束发送给准直镜，准直镜将耦合后的激光束准直化处理并发送耦合准直激光束给光学匀化整形模块。
所述光学匀化整形模块包括：散斑匀化模块、整形扩束模块；
散斑匀化模块：接收激光光源耦合输入模块发送的耦合准直激光束，将呈高斯分布的耦合准直激光束，分割为若干束发散角为18°的匀化激光束出射给整形扩束模块；散斑匀化模块为微分器。
整形扩束模块：接收散斑匀化模块发送的匀化激光束，对匀化激光束的发散角整形扩束，得到整形后的激光束，将整形后的激光束发送给同轴输出模块；整形扩束模块为透镜组，透镜组的透镜材料为ZF6，透镜表面镀全谱段增透膜。
所述光学匀化整形模块还包括光路折转模块，光路折转模块接收散斑匀化模块发送的匀化激光束，将匀化激光束折转90°出射给整形扩束模块。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于，包括：激光光源耦合输入模块、光学匀化整形模块、同轴输出模块；
激光光源耦合输入模块：对外部输入的多束激光束进行耦合、准直化处理后，发送耦合准直激光束给光学匀化整形模块；
光学匀化整形模块：接收激光光源耦合输入模块发送的耦合准直激光束，将耦合准直激光束散斑匀化和整形扩束处理，将整形后的激光束发送给同轴输出模块；
同轴输出模块：接收光学匀化整形模块输入的整形后的激光束，向外部提供点光源形式的圆锥体照明光源。
2.根据权利要求1所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于，所述激光光源耦合输入模块包括：耦合接口和准直镜；
所述耦合接口包括插芯体和SMA接口，插芯体一端插接有N根外部光纤，N为正整数，插芯体另一端采用SMA接口连接准直镜；
耦合接口将外部输入的N根激光束耦合，将耦合后的激光束发送给准直镜，准直镜将耦合后的激光束准直化处理并发送耦合准直激光束给光学匀化整形模块。
3.根据权利要求1所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于，所述光学匀化整形模块包括：散斑匀化模块、整形扩束模块；
散斑匀化模块：接收激光光源耦合输入模块发送的耦合准直激光束，将呈高斯分布的耦合准直激光束，分割为若干束的匀化激光束出射给整形扩束模块；
整形扩束模块：接收散斑匀化模块发送的匀化激光束，对匀化激光束的发散角整形扩束，得到整形后的激光束，将整形后的激光束发送给同轴输出模块。
4.根据权利要求3所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：所述光学匀化整形模块还包括光路折转模块，光路折转模块接收散斑匀化模块发送的匀化激光束，将匀化激光束折转90°出射给整形扩束模块。
5.根据权利要求3所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：
所述散斑匀化模块为微分器；
所述整形扩束模块为透镜组。
6.根据权利要求3所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：所述匀化激光束的发散角为18°。
7.根据权利要求5所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：所述透镜组的透镜材料为ZF6，透镜表面镀全谱段增透膜。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：
所述同轴输出模块为自聚焦镜。
9.根据权利要求8所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：所述自聚焦镜的出光端位于外部整机镜头光轴与外部反射镜的交点，且自聚焦镜的出射光光轴与外部整机镜头光轴垂直。
10.根据权利要求9所述的一种相对位姿视觉测量敏感器用同轴均匀照明***，其特征在于：所述自聚焦镜的直径为1.8mm，长20mm。
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