CN103575239B - 光束平行度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光束平行度检测装置及方法，该方法充分利用光路特性，不需拆分改变待测光发射单元的原有构造，可用于测量光束平行度检测。该装置包括光学成像系统、光发射单元、基座和直线平移系统，光学成像系统包括相机、分光镜、白屏和计算机单元；直线平移系统设置在基座上，直线平移系统包括滑台、丝杠、滑块、固定座、步进电机及其驱动单元；滑台安装在基座上，滑块设置在滑台上，滑块套装在丝杠上，固定座安装在滑块上，步进电机与丝杠连接，步进电机经驱动单元与计算机单元连接；分光镜和光发射单元均安装在固定座上，相机镜头轴线与白屏垂直设置，光发射单元的光轴垂直于光学成像系统光轴，分光镜置于成像系统光轴上且与其成45⁰角。

Description

光束平行度检测装置及方法

技术领域：

本发明设计一种光束接收和测量装置，特别是一种能见度发射器光束的测量装置及方法，属于光束平行度参数测量装置。

背景技术：

根据气象学定义，能见度用气象光学视程表示，气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。其中，对光源发射光束的平行度提出了明确要求，能见度仪的探测光束应符合平行光束的要求。能见度的测量依据来源于Lambert-Beer定律，表示光波在探测通道上的衰减，为大气消光系数，其物理意义为，当一束平行单色光垂直通过某一均匀介质时，由于介质吸收和散射，使透射光的强度减弱。探测光束的平行度和均匀性是使用该定律的前提。对于透射式能见度仪当探测光束为平行光束时，变换Lambert-Beer定律得在探测通道内透过率，将积分区域内大气看作均匀介质得平均衰减系数。

目前采用较多的散射式能见度仪，要求接收端光电探测器的法线方向与发射器光轴成33⁰角放置。此要求是为保证接收器接收到的光强为探测光束在33⁰散射角时的散射光强以便计算散射系数，以散射系数作为大气消光系数，再利用能见度公式反演能见度。若光源为非平行光，则散射角无法保证处于33⁰位置，只有光轴处满足散射角要求，其它位置都大于或小于该角度；当探测光源为平行光束时，散射角为33⁰，才可满足散射式能见度仪的使用前提。无论透射式或散射式能见度仪，其散射系数、衰减系数的正确测量都需要探测光束有较高平行度的保证。为此，必须明确能见度仪探测光束的平行度，即发散角大小。在能见度仪发射器的设计中并没有对光源性质的严格限制，国内外能见度仪的光源有用激光器光源也有用LED光源，且LED的使用越来越广泛；但都未明确标识光源发散角。

目前国内外测量光束平行度光束发散角的主要方法针对激光光源，主要有基于CCD的远场焦斑法、可变光阑法、刀口扫描法；针对LED光源主要方法是将光源置于二维转台上高精度旋转按二维坐标测发光强度绘制空间光强分布图，或固定光源通过多角度测量估计发散角大小。这些方法都需要较为复杂的光学系统，或用CCD器件加透镜反复调整、或用可变光阑连续调整、或需各种耦合系统。

发明内容：

本发明提供了一种光束平行度检测方法，方法充分利用光路特性，不需拆分改变待测光发射单元的原有构造，可方便进行光路测量，以方便计算光束发散角实现平行度检测。

本发明另一目的是提供实现该方法的检测装置，该装置调整方便，测量速度快、误差小。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种光束平行度检测检测装置，该装置包括光学成像系统、光发射单元、基座和直线平移系统，所述光学成像系统包括相机、分光镜、白屏和计算机单元，所述相机和白屏分别安装在基座两侧，相机与计算机单元连接；

直线平移系统设置在基座上，直线平移系统包括滑台、丝杠、滑块、固定座、步进电机及其驱动单元；所述滑台安装在基座上，滑块设置在滑台上，滑块套装在丝杠上，固定座安装在滑块上，步进电机与丝杠连接，步进电机经驱动单元与计算机单元连接；

所述分光镜和光发射单元均安装在固定座上，相机镜头轴线与白屏垂直设置，光发射单元的光轴垂直于光学成像系统光轴，分光镜置于成像系统光轴上且与其成45⁰角。

所述光发射单元、基座和直线平移系统，以及光学成像系统的相机和分光镜和白屏均设置在暗室中。

所述相机采用数码相机。

所述相机通过固定杆安装在基座上，所述白屏通过支座安装在基座上。

利用上述装置进行的的光束平行度检测方法，该方法包括以下步骤：

1）开启光发射单元，调整相机焦距至光斑成像清晰，调整相机曝光度使成像不至饱和；

2）光发射单元发出光束，经分光镜部分反射投射到白屏上，启动步进电机，滑块带动分光镜和光发射单元移至与相机相邻，移至相机上光斑成像占整个相机像面区域的五分之四左右，不至滑块与相机支座接触，记住此时的位置坐标，作为初始坐标，相机拍摄白屏上的光斑；

3）再次启动步进电机，滑块带动分光镜和光发射单元移至与白屏相邻，相机上光斑成像占整个相机像面区域的五分之一左右，不至滑块与白屏支座接触，记住此时的位置坐标，作为末了坐标，相机再次拍摄白屏上的光斑；

4）拍摄的光斑图片数据输出给计算机单元。

5）计算机单元分别读取两次光斑图像，经滤波，做灰度图；

6）计算图像最大值点，并取出该行数据；

7）根据等高线数值将该行数据背景值去除，锐化；

8）提取边沿轮廓、细化；

9）根据细化廓线上像素点坐标分别计算像素点半径；

10）利用几何关系求得发散角。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明将待测光束置于定焦光学系统中，通过直线系统运动获取光源在不同位置的光斑，根据测量系统参数和光斑特性得出光束发散角；根据光学系统的成像结果得到光束接收平面各方向上发散角大小，即可得到水平、竖直或其他方向的发散角。

该装置不改变设备的原有结构，空间占用小、系统控制自动化，测量速度快、误差小。

附图说明:

图1为本发明光束平行度检测装置的结构图。

图2为图1的局部俯视图。

图3为光束平行度检测装置光学成像系统光路图。

图4为发散角示意图。

图5为光束平行度检测装置直线平移系统控制流程图。

图中：1-基座，2-数码照相机固定杆，3-数码照相机，31-相机透镜，32-相机成像器，4滑台，5-步进电机，6-丝杠，7-滑块，8-固定座，9-分光镜，9-分光镜’10-白屏支座，11-白屏，12-计算机单元，13-步进电机驱动单元，14-光发射单元，14’-光发射单元。A-位置1，B-位置2。

具体实施方式：

如图1、图2所示，本发明所述检测系统包括固定参数的光学成像系统、直线平移系统、基座和计算机单元，装置如图1所示。光学成像系统由数码照相机3、固定座8、分光镜9、白屏11组成。数码照相机3镜头轴线与白屏11垂直，光发射单元光轴方向垂直于成像系统光轴，分光镜9置于成像系统光轴上且与其成45⁰角。

直线平移系统平行于成像系统光轴，由滑台4、步进电机5、步进电机驱动单元13和计算机单元12组成，滑块7上有M6大小的固定孔位，用于固定座8，分光镜9和光发射单元安装在固定座8上，分光镜9和光发射单元在滑块7上作为整体移动，以实现光路调整，在白屏11上得到大小不同的光斑。

步进电机5安装在滑台4一侧，步进电机5经驱动电路接入计算机单元12。直线导轨的有效行程为600mm，有效定位精度0.04mm，重复定位精度0.01mm；以步进电机5驱动导轨运动，驱动信号由计算机单元给出，驱动单元可响应0～100KHz的脉冲信号。同时，计算机单元12与还数码照相机3连接，对白屏11上的成像采样。

本发明的工作过程：

固定好数码相机和白屏的位置，白屏垂直于数码相机光轴，两者间距离大于滑台长度，滑台平行于光轴放置；调整分光镜位于数码相机光轴上且与光轴成45度夹角；调整数码相机焦距使光斑成像清晰，调整曝光度使成像不至饱和，以后不再调整；启动步进电机，让滑块置于初始位置，即滑块处于靠近照相机的一侧，待测光发射单元发出光束，经分光镜部分反射投射到白屏上，数码相机对白屏上的光斑聚焦，白屏上的光斑经由分光镜成像到相机的CCD图像传感器上，通过计算机对光斑成像进行取样。再通过启动步进电机控制滑块位置，使滑块处于靠近白屏一侧，停稳后，对白屏上的光斑在相机传感器的成像再次取样。根据两次取样时，滑块移动的间隔和两次所取图像在水平或垂直方向上的几何参数，有计算机计算出光束的发散角。

通过计算机单元还可实现自动调整光发射单元位置，使滑块可处于滑台有效行成上的不同位置，保存运行轨迹，同时在不同位置上拍照，记录图像与位置，本发明可满足不同大小发射角测量的需要条件。

本发明的工作原理：

根据垂轴放大率公式，。其中，为物方焦距，为像方焦距，为物大小，为像大小，为物距，为像距，为物点到物方主点的距离，像点到像方主点的距离。垂轴放大率随物体位置而异，物体位置即屏的位置。固定好白屏、成像面和焦距时，确定且不变，如图3，各参数均为正值。

图3中，待测光发射单元与分光镜从位置1平行于成像系统光轴移到位置2，在位置1处，光斑半径为，位置2处光斑半径为。位置1处，光源中心点到屏的光程，其中为分光镜厚度，为分光镜折射率；位置2处，光源中心点到屏的光程。光源1/2发散角的正切值

，（1）

如图4所示。成像系统中焦距、物象间距离固定，垂轴放大率可知，1/2发散角正切值亦可表示为

，（2）

发散角为

。（3）

其中，、为光斑成像半径。可通过图像处理方式取得，为光源移动的距离。发散角越小，平行度越好。

在小角度上，、取10个像素点，、为所求光斑像素点半径；对(2)式取偏导得发散角相对误差

（4）

由于探测光束光斑非正圆形，在各方向上均应有发散角。图3、图4所示为发射光束垂直方向像上的发散角示意图，也可将其视为水平方向或过光轴的其他平面上的发散角示意。

本发明可以设计软件，实现自动控制，对光束平行度进行检测，其控制流程如图5所示。

Claims (5)

1.一种光束平行度检测装置，该装置包括光学成像系统、光发射单元、基座和直线平移系统，所述光学成像系统包括相机、分光镜、白屏和计算机单元，所述相机和白屏分别安装在基座两侧，相机与计算机单元连接；

直线平移系统设置在基座上，直线平移系统包括滑台、丝杠、滑块、固定座、步进电机及其驱动单元；所述滑台安装在基座上，滑块设置在滑台上，滑块套装在丝杠上，固定座安装在滑块上，步进电机与丝杠连接，步进电机经驱动单元与计算机单元连接；

所述分光镜和光发射单元均安装在固定座上，相机镜头轴线与白屏垂直设置，光发射单元的光轴垂直于光学成像系统光轴，分光镜置于成像系统光轴上且与其成45⁰角。

2.根据权利要求1所述的光束平行度检测装置，其特征是：所述光发射单元、基座和直线平移系统，以及光学成像系统的相机和分光镜和白屏均设置在暗室中。

3.根据权利要求1所述的光束平行度检测装置，其特征是：所述相机采用数码相机。

4.根据权利要求1所述的光束平行度检测装置，其特征是：所述相机通过固定杆安装在基座上，所述白屏通过支座安装在基座上。

5.权利要求1所述装置的光束平行度检测方法，该方法包括以下步骤：

1）开启光发射单元，调整相机焦距至光斑成像清晰，调整相机曝光度使成像至不饱和；

2）光发射单元发出光束，经分光镜部分反射投射到白屏上，启动步进电机，滑块带动分光镜和光发射单元移至与相机相邻，移至相机上光斑成像占整个相机像面区域的五分之四左右，记住此时的位置坐标，作为初始坐标，相机拍摄白屏上的光斑；

3）再次启动步进电机，滑块带动分光镜和光发射单元移至与白屏相邻，相机上光斑成像占整个相机像面区域的五分之一左右，不至滑块与白屏支座接触，记住此时的位置坐标，作为末了坐标，相机再次拍摄白屏上的光斑；

4）拍摄的光斑图片数据输出给计算机单元；

5）计算机单元分别读取两次光斑图像，经滤波，做灰度图；

6）计算图像最大值点，并取出图像最大值点对应行数据；

7）根据等高线数值将取出图像最大值点对应的行数据背景值去除，锐化；

8）提取边沿轮廓、细化；

9）根据细化廓线上像素点坐标分别计算像素点半径；

10）利用几何关系求得发散角。