CN103471561A - 一种三维小角度测量装置及方法 - Google Patents

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CN103471561A CN201310399496XA CN201310399496A CN103471561A CN 103471561 A CN103471561 A CN 103471561A CN 201310399496X A CN201310399496X A CN 201310399496XA CN 201310399496 A CN201310399496 A CN 201310399496A CN 103471561 A CN103471561 A CN 103471561A
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Abstract

一种三维小角度测量装置及方法，该装置包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，扩束镜与分束镜光路之间设有平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。本发明还包括使用三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法：建立坐标系；获取激光像斑质心位置数据；求解角度。本发明采用非接触式的光学小角度精密测量技术，具有较高准确度和测量分辨率。与传统方法相比：能分辨滚动角的微小变动量，实现了对空间三维小角度的测量。

Description

一种三维小角度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光学测量领域中三维小角度测量装置及方法。
背景技术
角度测量是几何计量技术的重要组成部分，在光学工程、机械、航空、航天、军事等各个领域有着广泛的应用。对物体的小角度偏转进行高精度、连续和自动测量是角度测量的一个重要方面，有很强的应用需求。例如舰船在海上航行时，受到自身载荷、海浪冲击以及环境温度变化等外部应力和外部环境的影响，会产生不可忽视的扭曲变形，使得雷达天线、光测系统等外围设备相对中心基准的姿态发生小角度的偏转，引起测量误差。在实际使用中，如果能实时测量该角度偏转，就可以减小甚至消除上述影响。
准直法是一种具有测量准确度高和非接触测量以及灵敏度高等特点的光学小角度测量方法。该方法在光学上使物体和像分别位于共轭平面上，当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，通过测量像点的移动量获得物体转动角度。但是，光学准直法只适用于一维或二维角度测量，不能实现对滚转角的测量。为了实现对滚转角的测量，通常需采取其它的辅助设计。如已成功应用的大钢管基准法，该方法利用自准直测量作为基准的大钢管两端的转角实现对滚转角的测量（参考文献《船体变形测量的新技术》，光年发表于《学精密工程》第16卷）；基于莫尔条纹三维测角法，该方法通过测量莫尔条纹宽度实现对滚转角的测量，对光栅制作的精度以及光栅图像质量都有较高的精度要求（参考文献《光栅法在船体横扭角测量中的应用》，2005年发表于《光学精密工程》第13卷第3期）；菲涅耳双棱镜自准直法，该方法利用CCD接收经准直透镜焦平面上发光点射向双面反射镜的返回光点的成像位置变化，实现三维转角变化的测量（参考文献《Methods for determining the effect of flatness deviations, eccentricity, and pyramidal error on angle measurements》，2000年发表于《Metrologia》第37卷）。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种非接触式的三维小角度测量装置及方法，以实现待测点与基准之间三维小角度变化量的高精度（角秒级）测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种三维小角度测量装置，包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，所述扩束镜与分束镜光路之间设有一个与扩束镜光轴和分束镜光轴的夹角均为45°的平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，最后入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。
进一步，所述扩束镜包括两个单镜片即第一单镜片和第二单镜片，所述第一单镜片和第二单镜片的材料、球面形状和厚度参数为：
第一单镜片的第一曲面：曲率半径-7.476mm，厚度4mm，口径10mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；
第一单镜片的第二曲面：曲率半径-18.072mm，口径10mm；
第一单镜片和第二单镜片的间隔：40mm；
第二单镜片的第一曲面：曲率半径-140.047mm，厚度8mm，口径30mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；
第二单镜片的第二曲面：曲率半径-32.475mm，口径30mm。
所述测量相机包括镜片、光阑和图像传感器，所述测量相机的镜片为四片，包括两个双胶合镜片（即第一双胶合镜片和第二双胶合镜片）和两个单镜片（即第三单镜片和第四单镜片），第一双胶合镜片与第三单镜片构成一组，第二双胶合镜片和第四单镜片构成另一组，分布于光阑两侧，图像传感器位于测量相机焦面位置；所述第三单镜片、第一双胶合镜片、第二双胶合镜片和第四单镜片的材料、球面形状、厚度及图像传感器参数为：
第三单镜片的第一曲面：曲率半径326.497mm，厚度52.735mm，口径100mm，玻璃折射率1.61，玻璃阿贝系数56.7；
第三单镜片的第二曲面2：曲率半径-919.576mm，口径100mm；
第三单镜片与第一双胶合镜片的间隔：3.015mm；
第一双胶合镜片的第一曲面：曲率半径216.751mm，厚度84.408mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第一双胶合镜片的第二曲面：曲率半径∞，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；
第一双胶合镜片的第三曲面：曲率半径134.268mm，口径100mm；
第一双胶合镜片与光阑的间隔：85.934mm；
光阑：曲率半径∞，口径62mm；
光阑与第二双胶合镜片的间隔：74.931mm；
第二双胶合镜片的第一曲面：曲率半径-154.859mm，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；
第二双胶合镜片的第二曲面：曲率半径∞，厚度65.319mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第二双胶合镜片的第三曲面：曲率半径-222.959；
第二双胶合镜片与第四单镜片的间隔：3.015mm；
第四单镜片的第一曲面：曲率半径1184.227，厚度41.349mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第四单镜片的第二曲面：曲率半径-404.842；
第四单镜片与图像传感器的间隔：345.563mm；
图像传感器：像元尺寸：5.45μm，像元数1024×1024。
所述正四棱锥反射镜的四个锥面为反射面，锥面与底面的夹角为                                               
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 706221DEST_PATH_IMAGE002
的取值范围为0.5×10-3～5×10-3弧度，优选10-3弧度。
使用本发明之三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法，包括以下步骤：
（1）建立坐标系：
建立坐标系F和图像传感器成像面坐标系
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE004
；图像传感器成像面坐标系的坐标原点为图像传感器的像面左上角顶点，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE008
分别对应图像传感器的像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F为o-XYZ，Z轴为正四棱锥反射镜的轴线方向，X轴和Y轴分别与
Figure 220040DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 50462DEST_PATH_IMAGE008
平行，坐标系F的坐标原点o为正四棱锥反射镜的顶点；正四棱锥反射镜的四个反射面
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE016
的法线在坐标系F中的方向矢量分别为（0，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE020
），（0，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 590157DEST_PATH_IMAGE020
），（
Figure 506029DEST_PATH_IMAGE018
，0，
Figure 834111DEST_PATH_IMAGE020
），（
Figure 581356DEST_PATH_IMAGE022
，0，
Figure 664588DEST_PATH_IMAGE020
），
Figure 802177DEST_PATH_IMAGE002
为正四棱锥反射镜的锥面与底面的夹角；
（2）获取激光像斑质心位置数据：
利用图像传感器采集经正四棱锥反射镜反射的激光图像，利用公式（1）计算获得激光像斑质心位置，记为
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 432485DEST_PATH_IMAGE024
对应激光经正四棱锥反射镜反射面
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE028
反射的激光像斑；公式（1）的表达式为：
             (1)，
式（1）中：
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE034
为激光照射图像传感器像元的位置，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE036
为所述像元的信号强度，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE038
为图像噪声域值；
（3）求解角度：
将
Figure 241146DEST_PATH_IMAGE024
代入公式（2），采用最小二乘迭代算法得到测量相机依次绕Z、Y、X轴旋转的三维角度
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE040
。公式（2）的表达式为
                             (2)，
式（2）中，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE044
表示测量相机主点坐标；
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE046
表示测量相机X轴方向的等效焦距；
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE048
表示测量相机Y轴方向的等效焦距； 
Figure 741616DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE050
、、
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE054
含义分别为：
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE056
            (3)，
            (4)，
Figure 201310399496X100002DEST_PATH_IMAGE060
     (5)，
     (6)。
与菲涅耳双棱镜自准直法相比，本发明具有以下优点：利用正四棱锥反射镜代替菲涅耳双棱镜，测量点由原来的两个变为四个，提高了抑制噪声的能力，具有更高的精度；利用准直激光代替位于准直系统焦点处的白光点光源，提高了光在传输过程中抗干扰的能力，降低了系统的安装调试要求；针对平行光成像的特点，设计了专用的成像镜头。
本发明采用非接触式的光学小角度精密测量技术，具有较高的准确度和测量分辨率。使用本发明之三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法与传统的自准直系统的主要区别是：它能分辨滚动角的微小变动量，在原理上实现了对空间三维小角度的测量。
 
附图说明
图1是本发明三维小角度测量装置一实施例结构示意图；
图2是图1所示实施例扩束镜结构示意图；
图3是图1所示实施例测量相机结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
三维小角度测量装置包括激光器1、扩束镜2、分束镜4、测量相机5、正四棱锥反射镜6、数据处理计算机7，将激光器1、扩束镜2、平面反射镜3、分束镜4、测量相机5按测量基准固定；所述四棱锥反射镜6固定于待测点位置，四棱锥反射镜6的锥面与底面的夹角
Figure 49058DEST_PATH_IMAGE002
为10-3弧度；正四棱锥反射镜6轴线与测量相机5光轴重合，两者相距10m；所述扩束镜2与分束镜4光路之间设有一个与扩束镜2光轴和分束镜4光轴的夹角均为45°的平面反射镜3，分束镜4位于测量相机5与正四棱锥反射镜6的光路之间；激光器1发出波长为632.8nm的激光，激光经扩束镜2扩束后，再经平面反射镜3、分束镜4入射至正四棱锥反射镜6，经正四棱锥反射镜6反射后返回分束镜4，最后入射到测量相机5，数据处理计算机7与测量相机5相连。
所述扩束镜2包括包括两个单镜片即第一单镜片L1和第二单镜片L2，其材料、球面形状和厚度参数为：
第一单镜片L1的第一曲面S1：曲率半径-7.476mm，厚度4mm，口径10mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；
第一单镜片L1的第二曲面S2：曲率半径-18.072mm，；口径10mm，
第一单镜片L1和第二单镜片L2的间隔d1：40mm；
第二单镜片的第一曲面S3：曲率半径-140.047mm，厚度8mm，口径30mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；
第二单镜片的第二曲面S4：曲率半径-32.475mm，口径30mm。
所述测量相机5包括光阑8、图像传感器9和四个镜片（两个双胶合镜片和两个单镜片），两个双胶合镜片即指第一双胶合镜片L4和第二双胶合镜片L5，两个单镜片即指第三单镜片L3、第四单镜片L6，第三单镜片L3与第一双胶合镜片L4构成一组，第二双胶合镜片L5和第四单镜片L6构成另一组，分布于光阑8两侧，图像传感器9位于测量相机的焦面位置；各镜片的材料、球面形状、厚度及图像传感器参数为：
第三单镜片L3的第一曲面S5：曲率半径326.497mm，厚度52.735mm，口径100mm，玻璃折射率1.61，玻璃阿贝系数56.7；
第三单镜片L3的第二曲面S6：曲率半径-919.576mm，口径100mm；
第三单镜片L3与第一双胶合镜片L4的间隔d2：3.015mm；
第一双胶合镜片L4的第一曲面S7：曲率半径216.751mm，厚度84.408mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第一双胶合镜片L4的第二曲面S8：曲率半径∞，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；
第一双胶合镜片L4的第三曲面S9：曲率半径134.268mm，口径100mm；
第一双胶合镜片L4与光阑8的间隔d3：85.934mm；
光阑8：曲率半径∞，口径62mm；
光阑8与第二双胶合镜片L5的间隔d4：74.931mm；
第二双胶合镜片L5的第一曲面S10：曲率半径-154.859mm，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；
第二双胶合镜片L5的第二曲面S11：曲率半径∞，厚度65.319mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第二双胶合镜片L5的第三曲面S12：曲率半径-222.959；
第二双胶合镜片L5与第四单镜片L6的间隔d5：3.015mm；
第四单镜片L6的第一曲面S13：曲率半径1184.227，厚度41.349mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第四单镜片L6的第二曲面S14：曲率半径-404.842；
第四单镜片L6与图像传感器9的间隔d6：345.563mm；
图像传感器9：像元尺寸＝5.45μm，像元数
Figure DEST_PATH_IMAGE066
＝＝1024。
使用本发明之三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法，包括以下步骤： 
（1）建立坐标系：
建立坐标系F和图像传感器成像面坐标系
Figure 365549DEST_PATH_IMAGE004
；图像传感器成像面坐标系
Figure 149703DEST_PATH_IMAGE004
的坐标原点为图像传感器的像面左上角顶点，和
Figure 562285DEST_PATH_IMAGE008
分别对应图像传感器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F为o-XYZ，Z轴为此时的正四棱锥反射镜轴线方向，X轴和Y轴分别与
Figure 973543DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 221991DEST_PATH_IMAGE008
平行，坐标系F的坐标原点o为正四棱锥反射镜的顶点；正四棱锥反射镜四个反射面
Figure 755609DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 355087DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 570036DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 938569DEST_PATH_IMAGE016
的法线在坐标系F中的方向矢量分别为（0，
Figure 315193DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 464284DEST_PATH_IMAGE020
），（0，
Figure 217345DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 705964DEST_PATH_IMAGE020
），（
Figure 253489DEST_PATH_IMAGE018
，0，
Figure 827558DEST_PATH_IMAGE020
），（，0，
Figure 547611DEST_PATH_IMAGE020
）（
Figure 531617DEST_PATH_IMAGE002
为正四棱锥反射镜的锥面与底面的夹角）；
（2）获取激光像斑质心位置数据：
利用图像传感器采集经正四棱锥反射镜反射的激光图像，利用公式（1）计算获得激光像斑元质心位置，记为
Figure 327403DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 687846DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 885478DEST_PATH_IMAGE024
对应激光经正四棱锥反射镜反射面
Figure 102702DEST_PATH_IMAGE028
反射的激光像斑；公式（1）的表达式为：
Figure 385784DEST_PATH_IMAGE030
   
Figure 284339DEST_PATH_IMAGE032
          (1)，
式（1）中：
Figure 336478DEST_PATH_IMAGE034
为激光照射图像传感器像元的位置，为该像元的信号强度，为图像噪声域值；
（3）求解角度：
将
Figure 931648DEST_PATH_IMAGE024
代入式（2），采用最小二乘迭代算法得到测量相机依次绕Z、Y、X轴旋转的三维角度
Figure 103872DEST_PATH_IMAGE040
。
  
Figure 662898DEST_PATH_IMAGE042
                           (2)，
式（2）中，
Figure 920573DEST_PATH_IMAGE044
表示测量相机主点坐标；
Figure 160930DEST_PATH_IMAGE046
表示测量相机X轴方向的等效焦距；表示测量相机Y轴方向的等效焦距； ；
Figure 396980DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 441029DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 345703DEST_PATH_IMAGE054
含义分别为：
            (3)，
            (4)，
Figure 60959DEST_PATH_IMAGE060
     (5)，
Figure 796703DEST_PATH_IMAGE062
     (6)。 

Claims (5)

1.一种三维小角度测量装置，包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，其特征在于，所述扩束镜与分束镜光路之间设有一个与扩束镜光轴和分束镜光轴的夹角均为45°的平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，最后入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。
2.根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述扩束镜包括两个单镜片即第一单镜片和第二单镜片，所述第一单镜片和第二单镜片的材料、球面形状和厚度参数为：
第一单镜片的第一曲面：曲率半径-7.476mm，厚度4mm，口径10mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；
第一单镜片的第二曲面：曲率半径-18.072mm，口径10mm；
第一单镜片和第二单镜片的间隔：40mm；
第二单镜片的第一曲面：曲率半径-140.047mm，厚度8mm，口径30mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；
第二单镜片的第二曲面：曲率半径-32.475mm，口径30mm。
3.根据权利要求1或2所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述测量相机包括镜片、光阑和图像传感器，所述测量相机的镜片为四片，包括两个双胶合镜片和两个单镜片，两个双胶合镜片即为第一双胶合镜片和第二双胶合镜片，两个单镜片即为第三单镜片和第四单镜片，第一双胶合镜片与第三单镜片构成一组，第二双胶合镜片和第四单镜片构成另一组，分布于光阑两侧，图像传感器位于测量相机焦面位置；所述第三单镜片、第一双胶合镜片、第二双胶合镜片和第四单镜片的材料、球面形状、厚度及图像传感器参数为：
第三单镜片的第一曲面：曲率半径326.497mm，厚度52.735mm，口径100mm，玻璃折射率1.61，玻璃阿贝系数56.7；
第三单镜片的第二曲面2：曲率半径-919.576mm，口径100mm；
第三单镜片与第一双胶合镜片的间隔：3.015mm；
第一双胶合镜片的第一曲面：曲率半径216.751mm，厚度84.408mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第一双胶合镜片的第二曲面：曲率半径∞，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；
第一双胶合镜片的第三曲面：曲率半径134.268mm，口径100mm；
第一双胶合镜片与光阑的间隔：85.934mm；
光阑：曲率半径∞，口径62mm；
光阑与第二双胶合镜片的间隔：74.931mm；
第二双胶合镜片的第一曲面：曲率半径-154.859mm，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；
第二双胶合镜片的第二曲面：曲率半径∞，厚度65.319mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第二双胶合镜片的第三曲面：曲率半径-222.959；
第二双胶合镜片与第四单镜片的间隔：3.015mm；
第四单镜片的第一曲面：曲率半径1184.227，厚度41.349mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；
第四单镜片的第二曲面：曲率半径-404.842；
第四单镜片与图像传感器的间隔：345.563mm；
图像传感器：像元尺寸：5.45μm，像元数1024×1024。
4.根据权利要求1或2所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述正四棱锥反射镜的四个锥面为反射面，锥面与底面的夹角为                                               ，其中的取值范围为0.5×10-3～5×10-3弧度。
5.一种使用如权利要求1-4任一项所述三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）建立坐标系：
建立坐标系F和图像传感器成像面坐标系；图像传感器成像面坐标系
Figure 300758DEST_PATH_IMAGE004
的坐标原点为图像传感器的像面左上角顶点，和
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE008
分别对应图像传感器的像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F为o-XYZ，Z轴为正四棱锥反射镜的轴线方向，X轴和Y轴分别与和
Figure 371578DEST_PATH_IMAGE008
平行，坐标系F的坐标原点o为正四棱锥反射镜的顶点；正四棱锥反射镜的四个反射面
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE014
、的法线在坐标系F中的方向矢量分别为（0，
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE020
），（0，
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 868507DEST_PATH_IMAGE020
），（
Figure 877920DEST_PATH_IMAGE018
，0，
Figure 331904DEST_PATH_IMAGE020
），（
Figure 717755DEST_PATH_IMAGE022
，0，
Figure 573584DEST_PATH_IMAGE020
），
Figure 753899DEST_PATH_IMAGE002
为正四棱锥反射镜的锥面与底面的夹角；
（2）获取激光像斑质心位置数据：
利用图像传感器采集经正四棱锥反射镜反射的激光图像，利用如下公式计算获得激光像斑质心位置，记为
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 131397DEST_PATH_IMAGE024
对应激光经正四棱锥反射镜反射面
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE028
反射的激光像斑；计算获得激光像斑质心位置的公式的表达式为：
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE030
   
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE032
       ，
上式中：为激光照射图像传感器像元的位置，
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE036
为所述像元的信号强度，为图像噪声域值；
（3）求解角度：
将
Figure 262818DEST_PATH_IMAGE024
代入如下公式：
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE040
，
采用最小二乘迭代算法得到测量相机依次绕Z、Y、X轴旋转的三维角度
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE042
；上式中，表示测量相机主点坐标；
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE046
表示测量相机X轴方向的等效焦距；
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE048
表示测量相机Y轴方向的等效焦距； 
Figure 32541DEST_PATH_IMAGE026
； 
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE054
含义分别为：
Figure 201310399496X100001DEST_PATH_IMAGE056
           ，
           ，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，    
Figure DEST_PATH_IMAGE062
  。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103913126A (zh) * 2014-04-18 2014-07-09 中国人民解放军国防科学技术大学 用于角秒级三维变形的光学准直测量方法
CN106052631A (zh) * 2016-05-10 2016-10-26 哈尔滨理工大学 一种基于自准直原理测量三维小角度的方法
CN107102316A (zh) * 2017-06-20 2017-08-29 北醒（北京）光子科技有限公司 一种测量角分辨率的方法
CN107478195A (zh) * 2017-09-15 2017-12-15 哈尔滨工程大学 一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法
CN115500582A (zh) * 2022-08-17 2022-12-23 上海科技大学 足部三维轮廓采集系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2414387Y (zh) * 1999-12-30 2001-01-10 苏州市光电元件厂 准直聚光装置
CN1831469A (zh) * 2006-04-26 2006-09-13 中国科学院光电技术研究所 基于psd的动态光电自准直仪
JP2008249349A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Fujinon Corp 姿勢変化測定方法および装置
JP2009210280A (ja) * 2008-02-29 2009-09-17 Toyama Univ 方位センサ装置
CN101545761A (zh) * 2009-05-06 2009-09-30 湖北工业大学 一种多自由度光学测量系统
CN102565808A (zh) * 2010-12-17 2012-07-11 上海无线电设备研究所 一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法
CN103185545A (zh) * 2013-03-20 2013-07-03 重庆大学 空间矢量物三维旋转坐标测量方法
CN103234512A (zh) * 2013-04-03 2013-08-07 哈尔滨工业大学 三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2414387Y (zh) * 1999-12-30 2001-01-10 苏州市光电元件厂 准直聚光装置
CN1831469A (zh) * 2006-04-26 2006-09-13 中国科学院光电技术研究所 基于psd的动态光电自准直仪
JP2008249349A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Fujinon Corp 姿勢変化測定方法および装置
JP2009210280A (ja) * 2008-02-29 2009-09-17 Toyama Univ 方位センサ装置
CN101545761A (zh) * 2009-05-06 2009-09-30 湖北工业大学 一种多自由度光学测量系统
CN102565808A (zh) * 2010-12-17 2012-07-11 上海无线电设备研究所 一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法
CN103185545A (zh) * 2013-03-20 2013-07-03 重庆大学 空间矢量物三维旋转坐标测量方法
CN103234512A (zh) * 2013-04-03 2013-08-07 哈尔滨工业大学 三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王文亮: "角秒级小角度测量技术及其在航天器中的应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 03, 15 March 2012 (2012-03-15) *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103913126A (zh) * 2014-04-18 2014-07-09 中国人民解放军国防科学技术大学 用于角秒级三维变形的光学准直测量方法
CN103913126B (zh) * 2014-04-18 2016-08-17 中国人民解放军国防科学技术大学 用于角秒级三维变形的光学准直测量方法
CN106052631A (zh) * 2016-05-10 2016-10-26 哈尔滨理工大学 一种基于自准直原理测量三维小角度的方法
CN106052631B (zh) * 2016-05-10 2018-07-24 哈尔滨理工大学 一种基于自准直原理测量三维小角度的方法
CN107102316A (zh) * 2017-06-20 2017-08-29 北醒（北京）光子科技有限公司 一种测量角分辨率的方法
CN107478195A (zh) * 2017-09-15 2017-12-15 哈尔滨工程大学 一种基于光学的空间物体姿态测量装置及其测量方法
CN115500582A (zh) * 2022-08-17 2022-12-23 上海科技大学 足部三维轮廓采集系统
CN115500582B (zh) * 2022-08-17 2024-03-22 上海科技大学 足部三维轮廓采集系统

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