CN103791860B - 基于视觉检测技术的微小角度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于视觉检测技术的微小角度测量装置及方法，属于光学领域，本发明为解决传统光电自准直仪存在的测角范围小、系统响应速度慢的问题。本发明方案：激光器发出的准直整形后的激光光束入射至被测反光镜的镜面上，经过被测反光镜反射后的反射光线投影至漫反射投影屏幕上，并形成漫反射光斑，所述漫反射光斑被高速CCD摄像机采集，并转换成电信号，高速CCD摄像机的电信号输出端与图像处理部的电信号输入端相连，由图像处理部根据漫反射光斑在漫反射投影屏幕上发生的线位移d来获取被测反光镜发生的微小角度α；所述线位移d为发生角度偏转时的漫反射光斑与无角度偏转时的基准光斑位置之间的距离。

Description

基于视觉检测技术的微小角度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微小角度的光学测量装置，属于光学领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，卫星间的激光通讯起着越来越重要的作用，其具有范围大、速度快、传输准确等一系列优点。由于两星际卫星相距较远，为保证激光束的对准和信息的精确传输，必须将两卫星的激光光轴对准误差控制在10μrad（2角秒）以内。为此需要对控制光轴方向的反光镜微小转角进行高精度的角度测量。

同时微小角位移检测技术在现代精密测量领域中意义重大。通过对微小角位移的高精度测量，结合空间布局的结构参数，可以完成对位移、速度、直线度、平面度等一系列重要参数的精密测量。

现有技术对微小角度测量主要分为3大类：机械式、电磁式和光电式。随着激光技术的发展，目前高精度的小角度测量主要采用光电式自准直仪完成。其测角原理如图1所示，包括反射镜101、物镜102、光电传感器103、分光棱镜104、分划板105、聚光镜106和点光源107，该传统的光电自准直仪测角原理为：点光源107发光经过聚光镜106形成平行光出射，出射光线依次通过各组件投射到反射镜101上，若反射镜101无偏转，则反射光线通过物镜102汇聚，并通过分光棱镜104将汇聚光斑投射至光电传感器103的中心O点处。若反光镜101发生转角为α的转角，则返回的汇聚光线会投射至光电传感器103的O′点处。根据光学原理，各变量之间满足关系式：

d=f·tan(2α)

式中f为物镜102的焦距，d为光斑在光电传感器103上的平面位移（O点与O′点之间的距离）。若反光镜101转角极为微小，则反射镜101转角α与其它变量间的关系变为：

α≈d/2f

若物镜102足够理想，则光学自准直仪可以将反射镜101的微小角位移转化为便于被光电传感器103测量的微小线位移，实现对微小角度的精准测量。目前国际上最先进的激光自准直仪的测角分辨率可以优于0.3″，测角不确定度优于2″。但其仍存在以下缺点，主要包括：

（1）测角范围较小。根据光电自准直仪的测角原理，可知其测角量程为±d_max/2f，设定典型值f=500mm，d_max=8mm，则其量程小于±0.45°，不足以完成对反射镜的大角度偏转测量。

（2）系统响应速度慢。根据光电自准直仪的结构组成，其涉及结构较为复杂，各个结构的工艺性缺陷均会引入较大的系统误差，为此大部分光电自准直仪均采用闭环反馈控制技术以补偿系统产生的测量误差，从而提高测角精度。因此光电自准直仪每次测量微小角度均需要较长的找准时间。无法完成快速响应，即无法对反射镜转角进行高速的动态跟踪。

发明内容

本发明目的是为了解决传统光电自准直仪存在的测角范围小、系统响应速度慢的问题，提供了一种基于视觉检测技术的微小角度测量装置及方法。

本发明所述基于视觉检测技术的微小角度测量装置，它包括激光器、被测反光镜、漫反射投影屏幕、高速CCD摄像机和图像处理部；

激光器发出的准直整形后的激光光束入射至被测反光镜的镜面上，经过被测反光镜反射后的反射光线投影至漫反射投影屏幕上，并形成漫反射光斑，所述漫反射光斑被高速CCD摄像机采集，并转换成电信号，高速CCD摄像机的电信号输出端与图像处理部的电信号输入端相连，由图像处理部根据漫反射光斑在漫反射投影屏幕上发生的线位移d来获取被测反光镜发生的微小角度α；所述线位移d为发生角度偏转时的漫反射光斑与无角度偏转时的基准光斑位置之间的距离。

实现所述基于视觉检测技术的微小角度测量装置的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化被测反光镜无角度偏转时的基准光斑位置A₁：

被测反光镜无角度偏转，被测反光镜的反射光线将以偏角γ出射，在漫反射投影屏幕上形成光斑A₁为基准光斑位置；此时的反射光线定义为基准反射光线；

步骤二、当被测反光镜的偏转角度为α时，此时的反射光线将在基准反射光线的基础上偏移2α角度出射，在漫反射投影屏幕上形成漫反射光斑A₂；

步骤三、步骤一的基准光斑位置A₁和步骤二的漫反射光斑A₂被高速CCD摄像机4采集，进而获取所述漫反射光斑A₂与基准光斑位置A₁之间的距离d；

步骤四、根据公式

d=l·tan(2α+γ)-l·tan(γ)

获取被测反光镜发生转角为α；

其中：l为被测反光镜的转轴中心到漫反射投影屏幕的距离。

本发明的优点：本发明同现有的技术相比，巧妙的解决了微小角度测量中高精度和大范围之间的矛盾，通过合理的图像处理算法可以对微小角位移进行高精度测量。同时采用漫反射投影屏幕和高速CCD摄像机的配合，可以实现大视场大范围的检测。

检测中，只要保证投影光斑不超出漫反射投影屏幕范围，不论光斑移动速度多快，均可对被测反光镜的转角进行高精度测量。采用上述各项数据参数，该装置的测角精度可以到达2″，测角范围可以达到±3°，动态跟踪速率为60帧每秒。

附图说明

图1是背景技术涉及的传统光电自准直仪的光学原理图；

图2是本发明所述基于视觉检测技术的微小角度测量装置的光学原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于视觉检测技术的微小角度测量装置，它包括激光器1、被测反光镜2、漫反射投影屏幕3、高速CCD摄像机4和图像处理部5；

激光器1发出的准直整形后的激光光束入射至被测反光镜2的镜面上，经过被测反光镜2反射后的反射光线投影至漫反射投影屏幕3上，并形成漫反射光斑，所述漫反射光斑被高速CCD摄像机4采集，并转换成电信号，高速CCD摄像机4的电信号输出端与图像处理部5的电信号输入端相连，由图像处理部5根据漫反射光斑在漫反射投影屏幕3上发生的线位移d来获取被测反光镜2发生的微小角度α；所述线位移d为发生角度偏转时的漫反射光斑与无角度偏转时的基准光斑位置之间的距离。

α=[-5°，+5°]。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，激光器1采用功率5mW～10mW，发散角不大于0.5mrad，波长为532nm的绿色激光器。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，漫反射投影屏幕3由30块1000mm×500mm×3mm的磨砂玻璃拼接而成，整体面积为10m×3m，后表面喷涂黑色漆料消除2次反光。单块玻璃平面度优于0.5mm，玻璃板间接缝小于1mm，整体玻璃幕墙平面度优于1mm，和地面垂直度优于0.2°。

l=50m。

本实施方式通过激光器1和漫反射投影屏幕3，将被测反光镜2的角度偏转，转化为光斑在漫反射投影屏幕3上的位移运动。高速CCD摄像机4和图像处理部5对光斑在投影屏幕3上的位移进行测算，进而反推出被测反光镜2的偏角。其特点在于：

1）本实施方式技术同现有的技术相比，巧妙的解决了反射镜微小角度测量中高精度和高速大量程之间的矛盾。

2）本发明被测反射镜2偏角的测量量程由漫反射投影屏幕3的尺寸决定，适当选取屏幕尺寸，即可获得更大的测角量程。采用本实施方式中的屏幕尺寸，可达到的测角量程为±3°。

3）检测中，只要保证投影光斑A₂的运动范围不超出漫反射投影屏幕3，不论光斑移动速度多快，测量装置均可完成对光斑位置的测算，进而实现对被测反光镜3偏角的高速动态跟踪。动态跟踪速率可以达到60帧每秒。

4）本实施方式中的测量装置在布局上占用的空间面积较大，并且需要保证良好的隔震性。适合在隔震性良好的大型精密车间内搭建此装置，用以完成对转动速度快、偏摆幅度大的反射镜偏角的高精度测量。实际中，选用恰当的高速CCD摄像机4和图像处理部分（或高精度的视觉检测仪器）对A₁与A₂间间距d进行测定，则装置的测角精度可以达到2″。

获取A₁与A₂间距离d的整个过程中，本实施方式中的高速CCD摄像机4和图像处理部5还可以使用目前已有的视觉测量仪器代替。如德国徕卡的单目视觉测量相机和青岛海克斯康的双目视觉测量系统；如果对测量的精度有更高要求，可以采用德国徕卡的激光跟踪仪对目标光斑A的位置进行实时监测。该类仪器自身拥有配套的图像处理算法和操作系统，便于实时对光斑A的位置进行定位，并计算出光斑A₁与A₂间的距离d。（即用已有的视觉测量仪器同时取代高速CCD摄像机4和图像处理部5，直接获得A₁与A₂间距离d）。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，高速CCD摄像机4的单像元尺寸为7μm×7μm，分辨率为2560像素×1920像素，像面尺寸为16.0mm×12.1mm，帧频1130帧每秒。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，图像处理部5采用计算机来实现。

具体实施方式六：实现实施方式一所述基于视觉检测技术的微小角度测量装置的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化被测反光镜2无角度偏转时的基准光斑位置A₁：

被测反光镜2无角度偏转，被测反光镜2的反射光线将以偏角γ出射，并调整激光器1与被测反光镜2的位置，令γ=0°，在漫反射投影屏幕3上形成光斑A₁为基准光斑位置；此时的反射光线定义为基准反射光线；

步骤二、当被测反光镜2的偏转角度为α时，此时的反射光线将在基准反射光线的基础上偏移2α角度出射，在漫反射投影屏幕3上形成漫反射光斑A₂；

步骤三、步骤一的基准光斑位置A₁和步骤二的漫反射光斑A₂被高速CCD摄像机4采集，进而获取所述漫反射光斑A₂与基准光斑位置A₁之间的距离d；

步骤四、根据公式

d=l·tan(2α+γ)-l·tan(γ)

获取被测反光镜2发生转角为α；

其中：l为被测反光镜2的转轴中心到漫反射投影屏幕3的距离。

γ为系统初始出射角，调整激光器1和被测反光镜2的位置关系，可以使系统初始出射角γ=0°，则当被测反光镜2转角较小时，上述各变量关系简化为：

$\mathrm{\α}=\frac{d}{2l}.$

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，被测反光镜2的转轴中心到漫反射投影屏幕3的距离l采用激光干涉仪测定，标定距离l的不确定度优于1mm。

Claims (8)

1.基于视觉检测技术的微小角度测量方法，该方法涉及的测量装置包括激光器(1)、被测反光镜(2)、漫反射投影屏幕(3)、高速CCD摄像机(4)和图像处理部(5)；

激光器(1)发出的准直整形后的激光光束入射至被测反光镜(2)的镜面上，经过被测反光镜(2)反射后的反射光线投影至漫反射投影屏幕(3)上，并形成漫反射光斑，所述漫反射光斑被高速CCD摄像机(4)采集，并转换成电信号，高速CCD摄像机(4)的电信号输出端与图像处理部(5)的电信号输入端相连，由图像处理部(5)根据漫反射光斑在漫反射投影屏幕(3)上发生的线位移d来获取被测反光镜(2)发生的微小角度α；所述线位移d为发生角度偏转时的漫反射光斑与无角度偏转时的基准光斑位置之间的距离；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化被测反光镜(2)无角度偏转时的基准光斑位置A₁：

被测反光镜(2)无角度偏转，被测反光镜(2)的反射光线将以偏角γ出射，并调整激光器(1)与被测反光镜(2)的位置，令γ＝0°，在漫反射投影屏幕(3)上形成光斑A₁为基准光斑位置；此时的反射光线定义为基准反射光线；

步骤二、当被测反光镜(2)的偏转角度为α时，此时的反射光线将在基准反射光线的基础上偏移2α角度出射，在漫反射投影屏幕(3)上形成漫反射光斑A₂；

步骤三、步骤一的基准光斑位置A₁和步骤二的漫反射光斑A₂被高速CCD摄像机(4)采集，进而获取所述漫反射光斑A₂与基准光斑位置A₁之间的距离d；

步骤四、根据公式

$\mathrm{\α}=\frac{d}{2l}$

获取被测反光镜(2)发生转角为α；

其中：l为被测反光镜(2)的转轴中心到漫反射投影屏幕(3)的距离。

2.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，被测反光镜(2)的转轴中心到漫反射投影屏幕(3)的距离l采用激光干涉仪测定，标定距离l的不确定度优于1mm。

3.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，l＝50m。

4.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，激光器(1)采用功率5mW～10mW，发散角不大于0.5mrad，波长为532nm的绿色激光器。

5.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，漫反射投影屏幕(3)由30块1000mm×500mm×3mm的磨砂玻璃拼接而成，整体面积为10m×3m，后表面喷涂黑色漆料消除2次反光；单块玻璃平面度优于0.5mm，玻璃板间接缝小于1mm，整体玻璃幕墙平面度优于1mm，和地面垂直度优于0.2°。

6.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，高速CCD摄像机(4)的单像元尺寸为7μm×7μm，分辨率为2560像素×1920像素，像面尺寸为16.0mm×12.1mm，帧频1130帧每秒。

7.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，图像处理部(5)采用计算机来实现。

8.根据权利要求1所述基于视觉检测技术的微小角度测量方法，其特征在于，α∈[-5°，+5°]。