激光扫描振镜系统的零位校准方法及零位校准系统

技术领域

本发明涉及一种激光扫描振镜系统，特别是一种激光扫描振镜系统的零位校准方法及零位校准系统。

背景技术

激光扫描振镜系统在工作时，振镜电机会根据输入信号按照一定的控制协议，将激光反射镜摆动一定的角度，控制激光束发生偏转。而激光扫描振镜系统的控制精度主要与振镜电机自身的扫描精度和振镜镜片的位置稳定性相关，前者由振镜电机驱动的闭环反馈控制系统保证，后者则由振镜的零位位置保证。但激光扫描振镜系统在工作过程中，经常会因振镜镜片的零位偏移导致照射目标上的激光扫描轨迹发生相对平移，从而偏离原先的画面中心。且由于该偏移无法通过振镜电机本身的监控来发现和校正，使得如何解决振镜镜片的零位偏移已成为了目前厂家亟需解决的问题。

为了应对这一问题，专利201410192548.0公开了一种基于工作面上定标网格的振镜位置感知与校正方法，其原理是利用工业相机对定标网络拍摄图像，然后将该图像与原有图像进行对比得到误差值，再根据误差值对振镜位置进行校正。这种方式虽然能够对振镜镜片的零位起到纠正效果，但由于其必须利用工作面上的定标网络，导致其只适用于激光投影类应用的扫描，而无法应用与激光雷达等对空扫描，通用性较差。另一方面，这种校正方法的校准精度还与工业相机的像素分辨率关联性较大；当选择低像素的工业相机时便会存在较大的校准误差，而选择高像素的工业相机则会大幅提高其校准成本，降低激光扫描振镜系统的性价比。

因此，现有对激光扫描振镜系统的振镜零位校准方法存在通用性差、校准精度低和校准成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种激光扫描振镜系统的零位校准方法及零位校准系统。它具有通用性好、校准精度高和校准成本低的特点。

本发明的技术方案：激光扫描振镜系统的零位校准方法，包括以下步骤：

①向振镜镜片发出校正光源，并探测校正光源经振镜镜片反射后的光源功率p；

②将光源功率p与预设的最大功率值P进行比较，当光源功率p1与最大功率值P相同时，完成校正工作；当光源功率p小于最大功率值P时，进入下一步骤；

③向振镜电机发出控制电压V，并使控制电压V的数值由最小值向最大值变化，使振镜镜片沿全程范围扫描一次；扫描过程中持续检测光源功率p和控制电压V；

④当光源功率p的数值与最大功率值P达到一致时，记录下当前状态的控制电压V，并将该控制电压V作为零位校准信号Vcal对振镜电机进行调节，完成校正工作。

实现激光扫描振镜系统的零位校准方法所用的零位校准系统，包括振镜主体，振镜主体包括振镜电机和振镜镜片，振镜镜片的外侧设有一组或多组校正系统，所述校正系统包括发射器和探测器，探测器外部连接有零位校准器，零位校准器外部连接有振镜控制单元和振镜驱动器，振镜驱动器分别连接振镜控制单元和振镜电机。

前述的零位校准系统中，多组校正系统分别设置在不同维度的振镜主体外侧。

前述的零位校准系统中，所述探测器为光电探测器。

前述的零位校准系统中，所述探测器为相互连接的准直器和光电探测器。

前述的零位校准系统中，所述探测器包括环形器，环形器外部依次连接有准直器、光电探测器和发射器。

前述的零位校准系统中，所述发射器为激光器。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明通过向振镜镜片发出校正光源，再对反射后的校正光源进行接收和功率检测的方式，使得整体检测流程能过单独完成，无需依靠外部设备辅助，从而有效提高本发明的通用性；

(2)通过将光源功率p与最大功率值P进行比较，并根据比较结果对振镜电机的控制电压V进行调整，还能够有效提高对激光扫描振镜系统的校准精度和校准时间，使得本发明的校准精度能够控制在±0.015°范围内，校准过程能够在4秒内完成；

(3)通过对零位校准系统的结构优化，使本发明相比现有技术还能够有效降低对检测件的精度需求，进而降低校准系统的设备成本，提高本发明的通用性和性价比；

(4)利用对校正光源进行接收和检测的方式，相比现有图像校准的方式还能够有效降低校准系统所需的容纳空间，进而缩小激光扫描振镜系统的整体体积，提高扫描振镜系统的集成性和通用性；

(5)本申请还针对校准效果进一步限定了零位校准系统的结构，通过将准直器和光电探测器相互连接后对校正光源进行接收，能够有效缩短探测器的接收面，进而提高本发明的校准精度；通过由环形器、准直器和光电探测器组成的探测器，不仅能够提高本发明的校准精度，还能够有效减小探测器所需的安装体积，使得校正系统加振镜系统的整体外形能够控制在90mm*70mm*15mm以内，从而进一步缩小带零位校准的振镜系统的安装体积；

所以，本发明具有通用性好、校准精度高和校准成本低的特点。

附图说明

图1是本发明在振镜镜片偏移时的检测效果图；

图2是本发明在振镜镜片校准后的检测效果图；

图3是零位校准系统的工作原理图；

图4是实施例1中探测器的结构示意图；

图5是实施例2中探测器的结构示意图；

图6是实施例3中探测器的结构示意图。

附图中的标记为：1-振镜电机，2-振镜镜片，3-发射器，4-探测器，5-零位校准器，6-振镜控制单元，7-振镜驱动器，401-光电探测器，402-准直器，403-环形器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。激光扫描振镜系统的零位校准方法，包括以下步骤：

①由发射器向振镜镜片发出校正光源，并由探测器探测校正光源经振镜镜片反射后的光源功率p；

②由零位校准器将光源功率p与预设的最大功率值P进行比较，最大功率值P为振镜镜片处于零位时探测器所接收到的光源功率；当光源功率p1与最大功率值P相同时，完成校正工作；当光源功率p小于最大功率值P时，进入下一步骤；

③零位校准器驱动振镜控制单元向振镜驱动器发出控制电压V，并使控制电压V的数值由最小值向最大值变化，然后由振镜驱动器根据控制电压V控制振镜电机进行转动，使振镜镜片沿全程范围扫描一次；扫描过程中零位校准器持续检测光源功率p和控制电压V；

④当光源功率p的数值与最大功率值P达到一致时，零位校准器记录下当前状态的控制电压V，并将该控制电压V作为零位校准信号Vcal输出至振镜控制单元；然后由振镜控制单元将该零位校准信号Vcal输出至振镜驱动器，由振镜驱动器带动振镜电机将振镜镜片转动至零位，完成校正工作。

实现激光扫描振镜系统的零位校准方法所用的零位校准系统，构成如图1-4所示，包括振镜主体，振镜主体包括振镜电机1和振镜镜片2，振镜镜片2的外侧设有一组或多组校正系统，所述校正系统包括发射器3和探测器4，探测器4外部连接有零位校准器5，零位校准器5外部连接有振镜控制单元6和振镜驱动器7，振镜驱动器7分别连接振镜控制单元6和振镜电机1。

图1中的标记A为激光扫描振镜系统的入射激光，图1中的标记B为入射激光经激光扫描振镜系统反射后的扫描线

多组校正系统分别设置在不同维度的振镜主体外侧。

所述探测器4为光电探测器401。

所述发射器3为激光器。

本发明的工作原理：本发明在校正时，分别由发射器3和探测器4对校正光源进行发送和接收，然后由零位校准器5根据接收到的光源功率p判断振镜镜片2是否处于零位。当振镜镜片2偏移时，零位校准器5将信号输出至振镜控制单元6，由振镜控制单元6向振镜驱动器7发出控制电压V，且控制电压V由最小值向最大值依次递进；振镜驱动器7基于该控制电压V控制振镜电机1旋转，使振镜镜片2完成整个旋转动作，并对校正光源在全程范围内扫描一次。振镜镜片2在扫描时，由零位校准器5实时检测探测器4接收到的光源功率p和控制电压V；当振镜镜片2转动至光源功率p与最大功率值P一致时，说明此时振镜镜片2处于零位位置，由零位校准器5将该状态下的控制电压V作为零位校准信号Vcal输出至振镜控制单元6。振镜控制单元6收到对应的零位校准信号Vcal后将对应的控制电压V输送至振镜驱动器7，由振镜驱动器7控制振镜电机1将振镜镜片2转动至零位，完成对振镜镜片2的校准。

以常规的10mm光斑的激光振镜为例，激光振镜的小步长响应时间为0.4ms，检测时间为0.4ms；以最小精度15微弧度、±2°的范围范围计算，本发明全范围扫描一次的时间为4秒。同时，常规10mm光斑的激光振镜的定位精度为15urad，以功率监测分辨精度为1％计算，本发明的角度控制精度为0.015°。

本实施例的校正系统+现有振镜系统的整体外形能够控制在90mm*70mm*15mm以内，而常规的振镜外壳的尺寸为105mm*115mm*90mm，进而使发明在引入激光扫描振镜系统后的空间代价并不明显，具有优异的适用性。

实施例2。激光扫描振镜系统的零位校准方法，包括以下步骤：

①由发射器向振镜镜片发出校正光源，并由探测器探测校正光源经振镜镜片反射后的光源功率p；

②由零位校准器将光源功率p与预设的最大功率值P进行比较，当光源功率p1与最大功率值P相同时，完成校正工作；当光源功率p小于最大功率值P时，进入下一步骤；

③零位校准器驱动振镜控制单元向振镜驱动器发出控制电压V，并使控制电压V的数值由最小值向最大值变化，然后由振镜驱动器根据控制电压V控制振镜电机进行转动，使振镜镜片沿全程范围扫描一次；扫描过程中零位校准器持续检测光源功率p和控制电压V；

④当光源功率p的数值与最大功率值P达到一致时，零位校准器记录下当前状态的控制电压V，并将该控制电压V作为零位校准信号Vcal输出至振镜控制单元；然后由振镜控制单元将该零位校准信号Vcal输出至振镜驱动器，由振镜驱动器带动振镜电机将振镜镜片转动至零位，完成校正工作。

实现激光扫描振镜系统的零位校准方法所用的零位校准系统，构成如图5所示，包括振镜主体，振镜主体包括振镜电机1和振镜镜片2，振镜镜片2的外侧设有一组或多组校正系统，所述校正系统包括发射器3和探测器4，探测器4外部连接有零位校准器5，零位校准器5外部连接有振镜控制单元6和振镜驱动器7，振镜驱动器7分别连接振镜控制单元6和振镜电机1。

多组校正系统分别设置在不同维度的振镜主体外侧。

所述探测器4为相互连接的准直器402和光电探测器401。

所述发射器3为激光器。

本实施例通过对探测器4的结构优化，能够由准直器402对反射后的校正光源进行接收，再由光电探测器401对准直器402接收到的校正光源进行检测；从而利用准直器402缩小对校正光源的收集范围，即提高本实施例的校准精度。

实施例3。激光扫描振镜系统的零位校准方法，包括以下步骤：

①由发射器向振镜镜片发出校正光源，并由探测器探测校正光源经振镜镜片反射后的光源功率p；

②由零位校准器将光源功率p与预设的最大功率值P进行比较，当光源功率p1与最大功率值P相同时，完成校正工作；当光源功率p小于最大功率值P时，进入下一步骤；

③零位校准器驱动振镜控制单元向振镜驱动器发出控制电压V，并使控制电压V的数值由最小值向最大值变化，然后由振镜驱动器根据控制电压V控制振镜电机进行转动，使振镜镜片沿全程范围扫描一次；扫描过程中零位校准器持续检测光源功率p和控制电压V；

④当光源功率p的数值与最大功率值P达到一致时，零位校准器记录下当前状态的控制电压V，并将该控制电压V作为零位校准信号Vcal输出至振镜控制单元；然后由振镜控制单元将该零位校准信号Vcal输出至振镜驱动器，由振镜驱动器带动振镜电机将振镜镜片转动至零位，完成校正工作。

实现激光扫描振镜系统的零位校准方法所用的零位校准系统，构成如图6所示，包括振镜主体，振镜主体包括振镜电机1和振镜镜片2，振镜镜片2的外侧设有一组或多组校正系统，所述校正系统包括发射器3和探测器4，探测器4外部连接有零位校准器5，零位校准器5外部连接有振镜控制单元6和振镜驱动器7，振镜驱动器7分别连接振镜控制单元6和振镜电机1。

多组校正系统分别设置在不同维度的振镜主体外侧。

所述探测器4包括环形器403，环形器403可选用三端口器件环形器，环形器403外部依次连接有准直器402、光电探测器401和校正光源3。

所述发射器3为激光器。

本实施例通过对探测器4的结构优化，使探测器4采用环形器结构收发一体的形成，工作时，由发射器3发射激光，激光经环形器403的1口输入后从2口输出并经过准直器402，由准直器402准直后直接射向振镜镜片2。激光经振镜镜片2反射后重新输入环形器403的2口，然后从3口输出并进入光电探测器401进行检测。在上述配合下，使探测器4不仅能够提高其校准精度，并能够进一步减小自身的安装体积，使其能够在实施例1的基础上进一步压缩50％的尺寸，满足现有激光振镜系统的集成空间需求。