CN103925890A - 一种基于光束畸变的三维角度测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光束畸变的三维角度测量系统，包括：基于自准直系统装置，连接到计算机或图像处理电路的固定端，包括激光光源，扩束镜，分光棱镜，CCD探测器；在分光棱镜和扩束镜之间设有方孔光阑；与待测物体相链接的移动端，其包括柱透镜组和四面体反射镜；所述CCD探测器、分光棱镜、柱透镜组和四面体反射镜位于第一光轴上，激光光源、扩束镜、方孔光阑、分光棱镜位于第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴垂直。本发明的基于光束畸变的三维角度测量系统仅用一个主光路就同时实现了三维角度的测量，具有结构简单，测量范围大，工作距离长的特点，适用于多种环境下的三维角度的测量。

Description

一种基于光束畸变的三维角度测量系统
技术领域
本发明属于光电测量领域，涉及一种通过柱透镜组和特殊四面体反射镜使激光束产生畸变的，基于光束畸变的三维角度测量系统。 
背景技术
三维角度测量是几何计量技术的重要组成部分，在光学工程、机械制造、航空航天、军工等领域有着广泛的应用。 
目前，角度测量中精度最高的方法是激光干涉法，但该方法原理上是非线性的，测量范围小，对环境因素要求很高，通常只在实验室中用作对其他仪器方法的标定。 
自准直系统是测量二维角度变形的常见方法，具有系统简单，测量精度高的特点，但无法测量扭转角是该方法的最大不足。 
也有通过其他方法测量扭转角，再和自准直系统整合进行测量三维角度的技术方案，例如：专利号为CN1570554A的中国专利公开了一种“物体三维角度变形的自准直干涉测量系统”，使用高精度光栅干涉产生莫尔条纹，通过条纹的宽度和倾角变化量测出扭转角。但随着工作距离增，光束能量发散，条纹清晰度、对比度下降，因此工作距离受到限制，难以应用于大型外场工作环境。此外，由于该方法是基于光栅干涉原理，测量范围比较小。 
发明内容
为了克服自准直测量方法的无法同时测量三维角度不足，本发明提供了一种基于光束畸变的三维角度测量系统。 
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下： 
一种基于光束畸变的三维角度测量系统，包括： 
基于自准直系统装置，连接到计算机或图像处理电路的固定端，包括激光光源，扩束镜，分光棱镜，CCD探测器；在分光棱镜和扩束镜之间设有方孔光阑； 
与待测物体相链接的移动端，其包括柱透镜组和四面体反射镜； 
所述CCD探测器、分光棱镜、柱透镜组和四面体反射镜位于第一光轴上，激光光源、扩束镜、方孔光阑、分光棱镜位于第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴垂直。 
上述技术方案中，所述柱透镜组由焦距为-f1的负柱透镜和焦距为f2的正柱透镜组成，采用伽利略式结构，在x方向上放大率0，在y方向上放大率为A=-f2/f1。 
上述技术方案中，所述四面体反射镜的入射面与底面垂直，两个侧面间夹角为120°，侧面与底面的夹角为60°；四面体由光学玻璃制成，入射面左半侧镀半透半反膜，右半侧镀增透膜，底面与两个侧面都镀金属反射膜。 
上述技术方案中，该系统可以根据所述CCD探测器探测到的光斑形变量X0和Y0来计算扭转角φ： 
本发明具有以下的有益效果： 
本发明利用柱透镜对光束进行一维方向上的缩放，以及特殊四面体反射镜对光束的90°扭转，使得CCD所探测到光斑的形状和位置随待测物体三维角度变形而改变。通过柱透镜与特殊四面体反射镜使光束发生畸变，可以同时测量三维角度。本发明的基于光束畸变的三维角度测量系统仅用一个主光路就同时实现了三维角度的测量，具有结构简单，测量范围大，工作距离长的特点，适 用于多种环境下的三维角度的测量。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 
图1是本发明基于光束畸变的三维角度测量系统的原理图。 
图2是特殊四面体反射镜结构图。 
图3是柱透镜组结构图。 
图4是光束畸变示意图。 
图5是缩放系数A=2时扭转角与CCD测得光斑形状的关系图。 
图6是扭转角测量原理图。 
图7是俯仰角与航偏角测量原理图。 
图中的附图标记表示为： 
1.准直激光器；2.扩束镜组；3.方孔光阑；4.分光棱镜；5.CCD；6.柱透镜组；7.特殊四面体反射镜。 
具体实施方式
本发明的发明思想为： 
本发明的基于光束畸变的三维角度测量系统，固定端基于自准直系统装置，包括激光光源，扩束镜，分光棱镜，CCD探测器等；在移动端使用柱透镜组和四面体反射镜作为角度测量的敏感装置；此外在分光棱镜和扩束镜之间加装方孔光阑，用于光束整形。 
使用柱透镜组对光束进行一维缩放。柱透镜组采用伽利略式结构以缩小外形尺寸，由焦距为-f1的负柱透镜和焦距为f2的正柱透镜组成，其放大比例满足A=-f2/f1。柱透镜组的优点在于不同于传统扩束镜，它只在y方向对光束进行放 大。 
使用特殊四面体棱镜作为反射镜，其中入射面与底面垂直，两个侧面间夹角为120°，侧面与底面的夹角为60°，入射面一半镀半透半反膜，另一半镀增透膜，底面与侧面都镀金属反射膜。四面体反射镜的优点在于，除了像平面镜一样将光束反射，还可以将光束绕光轴（z轴方向）扭转90°。 
图4显示了光束畸变过程，当方形光束正向通过柱透镜组时，在y方向放大A倍，经过四面体反棱镜反射，光束绕z轴扭转90°，此时光束x方向宽度为y方向宽度的A倍，然后逆向经过柱透镜组，在y轴方向被压缩至1/A，最后被CCD探测器接收。当移动端，即柱透镜组与四面体反射镜随待测物一起扭转时，如图5所示，CCD接收到的光斑形状也会随之改变，由此可以测得扭转角。 
下面结合附图和实施方法对本发明进一步说明。 
如图1-7所示，在应用时，如图1所示，准直激光器发出的光束经扩束镜扩束后，通过方孔光阑，经过分光棱镜，柱透镜组，到达四面体反射镜。在四面体反射镜镀有半透半反膜的表面发生透射和反射：反射光束原路返回，经过柱透镜组，分光棱镜，到达CCD靶面，根据该光斑的位置可测出俯仰角和航偏角；透射光束在四面体内经过三次内反射后出射，方向与入射光束相反，而且绕光轴扭转90o，该光束经过柱透镜组，分光棱镜，被CCD探测器接收，根据光斑形状的改变可以测得扭转角。 
特殊四面体反射镜结构如图2所示：四面体由ABC，ACD，ABD和BCD四个面组成，其中ABC与ABD垂直，ACD与BCD间夹角为120°，ACD与ABD间夹角为60°，BCD与ABD间夹角为60°。实际使用时，面ABC的一半AOC镀半透半反膜，作为入射面，另一半镀增透膜作为出射面；面ACD，ABD，BCD镀金 属反射膜，作为内反射面。光束到达面AOC时，一部分能量被反射，另一半入射，然后依次在ACD—ABD—BCD面上发生反射，最后从BOC出射。 
图3显示了柱透镜组的结构：由焦距不同的两块柱透镜组成，焦距为-f1的平凹柱透镜和焦距为f2的平凸柱透镜。不同于一般球面镜，柱透镜只在一维方向上有曲率，所以该镜组只在y方向上对光束有缩放作用，缩放系数A=L2/L1=f2/f1，而在x方向上没有影响。 
当系统移动端扭转角为φ时，光束在新坐标系X’OY’下发生畸变，沿X’轴方向拉伸A倍，沿Y’轴方向压缩A倍。如图6所示，以A=2为例，光束轮廓ABCD中的顶点A，在X’反向上放大2倍成为A’，在Y’方向上压缩2倍成为A’’。同理可知其他顶点的变化，光束轮廓由ABCD变成A‘’B’’C’’D’’。 
若AC=BD=d，记A’’与C’’在X方向上的距离为X0，B’’与D’’在X方向上的距离为Y0，由几何学可求得: 
消去d，有： 
所以扭转角为： 
表达式中没有参数d，说明扭转角测量结果与光斑大小无关，只与其边长比例，即形状有关。由此消除了激光在传播过程中光束发散导致的系统误差，使 得该方法更加适合远距离非接触测量。理论上该方法可测量周角，但由于传递函数非线性，所以存在最佳测量点，在改点附近测量分辨率最高。该函数线性度较好，当测量范围为最优点附近±15°时，分辨率最多下降16.5%，而常用的干涉法测量仅有角分级的测量范围，该方法具有较大的量程。 
传统光电自准直系统使用平面镜作为敏感元件，通过反射后的CCD接收到的自准直像的位置来测量角度，如果使用面阵CCD则可以同时测量二维角度。类似自准直原理，本发明在测量扭转角同时，还能测得另外二维角度：光束到达四面体反射镜AOC面时，一半透射，完成上述扭转角测量过程；另一半直接反射，逆向经过柱透镜组，光束恢复初始形状，不发生畸变。但随着俯仰角α与航偏角β的变化，CCD靶面上光斑的位置会随之改变。如图7所示：光斑在x和y方向上分别产生位移Δx和Δy，若系统固定端与移动端间距离（即工作距离）为L，则 
α=△y/L 
β=△x/L 
由此可根据光斑位置计算出俯仰角和航偏角，结合由光束畸变测得的扭转角数据，即可完成三维角度的同时测量。 
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 

Claims (4)

1.一种基于光束畸变的三维角度测量系统，其特征在于，包括： 
基于自准直系统装置，连接到计算机或图像处理电路的固定端，包括激光光源，扩束镜，分光棱镜，CCD探测器；在分光棱镜和扩束镜之间设有方孔光阑； 
与待测物体相链接的移动端，其包括柱透镜组和四面体反射镜； 
所述CCD探测器、分光棱镜、柱透镜组和四面体反射镜位于第一光轴上，激光光源、扩束镜、方孔光阑、分光棱镜位于第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴垂直。 
2.根据权利要求1所述的基于光束畸变的三维角度测量系统，其特征在于，所述柱透镜组由焦距为-f1的负柱透镜和焦距为f2的正柱透镜组成，采用伽利略式结构，在x方向上放大率0，在y方向上放大率为A=-f2/f1。 
3.根据权利要求1所述的基于光束畸变的三维角度测量系统，其特征在于，所述四面体反射镜的入射面与底面垂直，两个侧面间夹角为120°，侧面与底面的夹角为60°；四面体由光学玻璃制成，入射面左半侧镀半透半反膜，右半侧镀增透膜，底面与两个侧面都镀金属反射膜。 
4.根据权利要求1所述的基于光束畸变的三维角度测量系统，其特征在于，该系统可以根据所述CCD探测器探测到的光斑形变量X0和Y0来计算扭转角φ： 
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