CN104075671A - 一种二次成像大视场光电自准直仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次成像大视场光电自准直仪，包括半导体激光器、照明分划板、分光镜、准直物镜组、测量分划板、CCD成像物镜和CCD。其中CCD采用像素数达到400万来提供高清晰的图像测量，精度可以满足要求。准直物镜视场不小于8.5°，口径不小于90mm。反射镜反射回来的光束通过准直物镜和分光镜后，反射成像到毛玻璃上。再利用CCD对毛玻璃上的光斑二次成像进行测量。为了系统标定的方便，毛玻璃分划板上刻制固定间距的两对线，为了测量和观察毛玻璃上的刻线，周围采用白光LED光源照亮。本发明分划板采用毛玻璃可以避免自准直仪中斜光束无法进入CCD，同时消除了系统干涉衍射条纹的影响，系统误差小。

Description

一种二次成像大视场光电自准直仪

技术领域

本发明涉及精密测试计量仪器领域，具体涉及一种二次成像大视场光电自准直仪。 

背景技术

自准直仪是角度测量应用最广、最多的仪器之一。传统自准直仪存在人工读数和跟踪零位误差的缺点，光电自准直仪具有精度高、自动读数等优点，成为自准直仪发展的主流。光电自准直仪的基本原理就是将反射镜的角度变化转个换为探测器上像的线量变化来进行测量，光电自准直仪的发展趋势是要求同时满足大量程、高分辨力以及动态测量。目前光电自准直仪大多采用位置敏感探测器PSD、四象限探测器、线阵CCD以及面阵CCD等。由于探测器光敏面的尺寸及像元尺寸的限制，目前的光电自准直仪不能同时满足测量范围大、测量精度高和动态测量的要求。 

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术不足，提出一种二次成像大视场光电自准直仪。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种二次成像大视场光电自准直仪，包括半导体激光器，其特征在于，还包括与半导体激光器出射方向呈45度角的分光镜，半导体激光器出射的光束穿过照明分划板上开设的十字刻线后依次经过分光镜和准直物镜组射出，外部光束穿过准直物镜组后经过分光镜反射到带有刻度的测量分划板上，并通过CCD成像物镜成像在CCD上。 

如上所述的准直物镜组包括镜筒和依次设置在镜筒内的平凸透镜、双胶合凹透镜和双凸形透镜。 

如上所述的平凸透镜、双胶合凹透镜和双凸形透镜均为BK7玻璃，且通过第一修切隔圈调整平凸透镜的出射面顶点与双胶合凹透镜入射面顶点之间的距离L2＝57.3±0.05mm，通过第二修切隔圈调整双胶合凹透镜出射面顶点与双凸形透镜入射面顶点之间的距离L3＝34.6±0.05mm，双凸形透镜出射面顶点与半导体激光器之间的距离L1＝165±0.05mm。 

如上所述的照明分划板的中心刻线为宽为0.1mm，长为5mm的十字刻线，所述的分光镜为50％的半透半反镜，口径为107.28，入射角度45度。 

如上所述的测量分划板为毛玻璃。 

如上所述的测量分划板周围均匀分布有LED。 

基于二次成像原理的大视场高精度光电自准直仪主要包含半导体激光器、分束器(半透半反镜)、准直物镜、针孔光阑、分划板、两维成像位置传感器、CCD成像物镜。其中两维成像位置传感器采用像素数达到400万(2452×2056)的CCD来提供高清晰的图像测量，精度可以满足要求。准直物镜视场不小于8.5°，口径不小于90mm，利用多片大口径透镜组成前镜组，充分考虑各种像差。 

本发明的优点在于在传统放置探测器的位置放置大面积的毛玻璃分划板，反射镜反射回来的光束通过准直物镜和分束镜后，反射成像到毛玻璃上。再利用高精度面阵CCD对毛玻璃上的光斑二次成像进行测量。分划板采用毛玻璃可以避免自准直仪中斜光束无法进入CCD，同时消除了系统干涉衍射条纹的影响。为了系统标定的方便，毛玻璃上刻制固定间距的两对线，垂直方向一对，水平方向一对。由于毛玻璃分划板封装在光电自准直仪光管中，为了测量和观察毛玻璃上的刻线，周围采用白光LED光源照亮测量分划板。采用上述结构，系统测量范围不小于±8.5°，系统测量精度±0.4′。 

附图说明

图1为本发明原理示意图。 

图2为本发明白光LED光源照亮测量分划板。 

图3为本发明照明分划板形状构造图。 

图4为本发明的准直物镜组的剖视图。 

图5为本发明的剖面结构示意图。

图中：1-半导体激光器；2-照明分划板；3-分光镜；4-准直物镜组；5-外部反射镜；6-测量分划板；7-LED；8-CCD成像物镜；9-CCD(高清晰度CCD400万像素)；10-光栏组；11-第一修边隔圈；12-第二修边隔圈；13-压圈；14-平凸透镜；15-双胶合凹透镜；16-双凸形透镜。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明： 

如图1所示，整个系统的结构主要包括半导体激光器1、照明分划板2、分光镜3、准直物镜组4、测量分划板6、白光LED7、CCD成像物镜8、CCD9(高清晰度CCD400万像素)、光栏组10。由半导体激光器1发射出来的激光经照明分划板2的暗底亮线十字刻线出射细光束激光，透过分光镜3经由准直物镜组4入射到外部反射镜5上，外部反射镜5反射回来的光束通过准直物镜组4和分光镜3后，反射成像到测量分划板6上。当外部反射镜5发生倾斜时，从外部反射镜5反射回来的光束发生偏移，其在测量分划板6上的反射像点发生位移，通过其后的CCD成像物镜8成像在高清晰度CCD9上，最后通过测量像点的位移可计算得出外部反射镜5的倾斜角度。镜筒上开有直线槽，CCD成像物镜8和高清晰度的CCD9固定在移动座上，移动座可以沿直线槽直线移动从而调节CCD9和测量分划板6之间的距离。由于毛玻璃制成的测量分划板6封装在光电自准直仪光管中，为了测量和观察毛玻璃上的刻线，周围采用白光LED7照亮测量分划板。 

照明分划板2通光口径为5，照明分划板2放置于准直物镜组4(准直物镜组的焦距指的是第二主点到象方焦点的距离，平行于系统主轴的平行光束，经系统折射后与主轴的交点为象方焦点)在分 光镜3透射方向的焦面上，中心刻线宽为0.1mm，长为5mm的十字刻线，暗底亮线，如图3所示。分光镜3为50％的半透半反镜，口径为107.28，入射角度45°。 

如图4所示，准直物镜组口径为90，焦距为364.9mm，包括平凸透镜14、双胶合凹透镜15、双凸形透镜16，通过修切隔圈11来保证L2＝57.3±0.05mm，通过修切隔圈12来保证L3＝34.6±0.05mm，并通过压圈13来固定。平凸透镜14、双胶合凹透镜15、双凸形透镜16均采用BK7玻璃。 

测量分划板6通光口径为Φ110mm，刻线采用间距为80mm的两对线，垂直方向一对，水平方向一对，且关于分划板中心对称，用于定标校正，保证光轴通过分划板中心，刻线宽度为0.1mm。测量分划板采用BK7制作的毛玻璃，粒度#600。测量分划板6周围均匀分布LED7，由8个白光LED组成，LED7外套有绝缘垫，并通过胶粘于镜筒上。 

如图5所示，分光镜3通过四个调节螺钉来调整其安装角度和位置；通过调整准直物镜组镜筒的连接螺纹，来保证图5中L1尺寸为165±0.05mm，并通过两个止螺来锁紧；首先将分光镜3按45°方位放置，然后修切隔圈调节照明分划板2和测量分划板6方位分别与分光镜3成45°，调节好后通过两个止螺和压圈锁紧。 

为了达到系统测量精度±0.4′，降低系统畸变要求，系统采用精确定标的方法，即利用高精度转台或高精度经纬仪在±8°范围内标定CCD像面上实际所对应的角度。 

步骤1：将本大视场高精度光电自准直仪放置于调整平台之上，通过水准仪将调整平台调至水平，调节高精度转台至水平，然后调节高精度转台上平面镜与高精度转台台面垂直，将本装置准直物镜组4正对高精度转台上平面镜。 

步骤2：打开装置电源，控制高精度转台按0.5°间隔转动，在俯仰方向上下转动8.5°，在水平方向左右转动8.5°，激光器照明的照明分划板2的十字刻线在测量分划板6上成像，CCD9采集对十 字刻线像。 

步骤3：对十字刻线图像进行预处理，抑制噪声，再进行阈值切割，分离背景图像和目标图像，利用Canny算子提取目标轮廓，采用灰度重心法计算刻线中心位置。 

步骤4：采用高斯二次曲线拟合的方法亚像素细分技术，计算刻线中心亚像素位置，计算出偏移的像素距离。 

步骤5：将俯仰方向和水平方向每次转动后的偏移像素距离与转动角度进行线性拟合，获取拟合关系式。实际测量中，计算出十字刻线偏移像素距离后，代入该拟合关系式即可获得实际测量角度。 

本系统采用精确定标，光电读数的方法，准直系统瞄准误差主要是定标时像面上读数误差和测量时像面上读数误差。其他误差定标和测量时都可以抵消，可以不用考虑。实际误差来源包括高精度转台转动误差、定标时像面上读数误差和测量时像面上读数误差，反射镜平行度误差。 

我们采用高精度转台转动误差5″，即0.08′，整个系统的测量分辨率为0.1′，所以定标时像面上读数误差为0.1′，测量时像面上读数误差为0.1′，因此系统总精度为 

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{{\left({0.1}^{\′}\right)}^2+{\left({0.1}^{\′}\right)}^2+{\left({0.08}^{\′}\right)}^2}={0.16}^{\′}$

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 

Claims (6)

1.一种二次成像大视场光电自准直仪，包括半导体激光器(1)，其特征在于，还包括与半导体激光器(1)出射方向呈45度角的分光镜(3)，半导体激光器(1)出射的光束穿过照明分划板(2)上开设的十字刻线后依次经过分光镜(3)和准直物镜组(4)射出，外部光束穿过准直物镜组(4)后经过分光镜(3)反射到带有刻度的测量分划板(6)上，并通过CCD成像物镜(8)成像在CCD(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种二次成像大视场光电自准直仪，其特征在于，所述的准直物镜组(4)包括镜筒和依次设置在镜筒内的平凸透镜(14)、双胶合凹透镜(15)和双凸形透镜(16)。

3.根据权利要求2所述的一种二次成像大视场光电自准直仪，其特征在于，所述的平凸透镜(14)、双胶合凹透镜(15)和双凸形透镜(16)均为BK7玻璃，且通过第一修切隔圈(11)调整平凸透镜(14)的出射面顶点与双胶合凹透镜(15)入射面顶点之间的距离L2＝57.3±0.05mm，通过第二修切隔圈(12)调整双胶合凹透镜(15)出射面顶点与双凸形透镜(16)入射面顶点之间的距离L3＝34.6±0.05mm，双凸形透镜(16)出射面顶点与半导体激光器(1)之间的距离L1＝165±0.05mm。

4.根据权利要求1所述的一种二次成像大视场光电自准直仪，其特征在于，所述的照明分划板(2)的中心刻线为宽为0.1mm，长为5mm的十字刻线，所述的分光镜(3)为50％的半透半反镜，口径为107.28，入射角度45度。

5.根据权利要求1所述的一种二次成像大视场光电自准直仪，其特征在于，所述的测量分划板(6)为毛玻璃。

6.根据权利要求5所述的一种二次成像大视场光电自准直仪，其特征在于，所述的测量分划板(6)周围均匀分布有LED(7)。