CN104296694B - 一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置，包括套筒(09)，聚焦透镜(01)以及光电探测器(11)，其中聚焦透镜(01)的焦距在200～500mm范围之间。以及一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测力法。本发明的检测装置和方法可对激光跟踪仪的光轴与机械转轴间的夹角进行高精度检测，可提高激光跟踪仪的角度测量误差精度。本发明的装置具有设计简洁、结构简单、测量精度高、成本低廉、便于携带等特点。

Description

一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置和方法

技术领域

本发明涉及仪器测量和校准领域，尤其涉及一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置和方法。

背景技术

激光跟踪仪是国际上近十年发展起来的新型大尺寸空间三维坐标测量仪器，可对运动目标进行实时跟踪测量，具有安装操作简便、测量精度及效率高等优点，是大尺寸工业测量和科学测量的主要手段，近年来得到了迅速发展。

激光跟踪测量系统的基本工作原理是：首先在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光束经目标反射器反射后，平行于原路返回，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回的光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。

为了提高激光跟踪仪的测量和指向精度，首先要保证的是跟踪仪的光轴和机械转轴之间的同轴度要求，然而在现有的光学仪器设备当中，通常是依靠加工安装精度来保证光轴和机械转轴的同轴度，这种方式对加工和安装工艺要求较高；或者依靠人眼判断来调节，这种方式一般精度较低。由于跟踪仪的激光光束中心线难以实现直接测量，导致跟踪仪的光轴与机械转轴间的夹角也较难直接精确测量，从而无法实现精确的调节。因此迫切需要一种简单可行的方法来对激光跟踪仪进行光轴和机械转轴间的一致性检测。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供了一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置和方法，用于检测光轴与旋转轴之间的空间夹角，同时，该装置和方法也可以用于机械装调和误差修正，以提高激光跟踪仪的测角精度和空间测量精度。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置，包括：

套筒09，是一个中空的圆筒，一端设置有能与激光跟踪仪可拆卸的连接的套筒与激光跟踪仪机械转轴接口04，另一端设置有能与光电探测器可拆卸的连接的套筒与光电探测器接口10；

聚焦透镜01，安装在套筒09靠近所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口04的一端，用于将所述激光跟踪仪发射的激光汇聚到所述光电探测器11的靶面上；以及

光电探测器11，用于探测所述激光跟踪仪发射的激光光斑的大小。

其中，所述套筒09由刚性材料制成，其长度取决于所述聚焦透镜01的焦距。

其中，所述聚焦透镜01为平凸、双凸或双胶合结构的聚焦透镜，其焦距在200～500mm范围之间。

其中，在所述套筒09的中心光路上还安装有衰减片08，用来降低激光光束在所述光电探测器11上形成光斑的能量大小。

其中，在套筒09的中心光路上还安装有滤光片05，用来过滤所要调节的激光光束以外的杂散光，避免其它光干扰检测结果。

其中，所述光电探测器11为CCD、CMOS、PSD或四象限探测器等面阵探测器。

其中，所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口04为一个圆形凹形槽，在凹形槽的背部均匀圆周分布了三个沉头孔02，采用轴孔配合定位和螺纹固定的方式连接安装到激光跟踪仪机械转轴系上。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种使用如上任意一项所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置对激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角进行检测的方法，包括以下步骤：

步骤1：将所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置安装到激光跟踪仪的机械转轴系上；

步骤2：通过计算机采集所述激光跟踪仪发射的激光在光电探测器11上形成的光斑图像，提取图像中光斑的中心，获得图像坐标；

步骤3：将所述激光跟踪仪机械转轴、检测装置旋转一周，在均匀的N个位置采集N幅图像，分别提取每幅图像中光斑中心的图像坐标，其中N为自然数；

步骤4：将步骤3中获得的N个图像坐标拟合为平面圆，即为激光光斑的轨迹圆，获得该圆的半径为k个像素；

步骤5：计算获得激光跟踪仪机械转轴与激光光束的夹角α为：

α＝(4×k)μm/200mm≈k/50000rad。

其中，步骤1中所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口04与所述激光跟踪仪机械转轴系行过盈配合，保证装置中心轴与机械转轴同轴。

其中，N＝8。

通过上述技术方案可知，本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置和方法通过长焦距镜头对光线的偏折，可对激光跟踪仪的光轴与机械转轴间的夹角进行高精度检测，测量结果可用于激光跟踪仪光轴调整和误差修正，可提高激光跟踪仪的角度测量误差精度。由于所有零部件都集成到套筒中，可以根据需要随时拆装和携带，本发明的装置具有设计简洁、结构简单、测量精度高、成本低廉等特点。

附图说明

图1是本发明的检测激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的装置的结构图；

图2a、2b是本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测原理图，其中图2a表示激光光束22中心线与跟踪仪机械转轴21无夹角时的情形，图2b表示聚焦到光电探测器24光敏面上的光斑位置距中心存在偏移量x的情形；

图3是本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置的典型实施例的结构图。

附图标记说明：

01-聚焦透镜；02-沉头孔；03-光学零件安装槽；04-套筒与激光跟踪仪机械转轴接口；05-滤光片；06-压圈；07-垫圈；08-衰减片；09-套筒；10-套筒与光电探测器接口；11-光电探测器；12-中空部分；21-激光跟踪仪机械转轴；22-激光光束；23-光学透镜；24-光电探测器；301-双胶合凸透镜；302-安装槽；303-铝制套筒与激光跟踪仪机械转轴接口；304-塑料压圈；305-第一沉头孔；306-透过率为1％的第一衰减片；307-塑料垫圈；308-透过率为0.1％的第二衰减片；309-铝制套筒；310-铝制套筒与光电探测器接口；311-CCD探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置，其结构如图1所示。其中包括：聚焦透镜01、沉头孔02、光学零件安装槽03、套筒与激光跟踪仪机械转轴接口04、滤光片05、压圈06、垫圈07、衰减片08、套筒09、套筒与光电探测器接口10、光电探测器11和中空部分12。

聚焦透镜01的形式可以是平凸、双凸或双胶合等具有聚焦功能的结构形式，该聚焦透镜的焦距可根据实际使用需要选择，为了提高测量精度，优选为200～500mm，其透镜材料可采用玻璃或其他光学材料。把套筒的一端设计成一个圆形凹形槽，然后在其凹形槽的背部均匀圆周分布了三个沉头孔02，作为安装到激光跟踪仪机械转轴系上的接口04，可采用轴孔配合定位和螺纹固定的方式连接。光学零件安装槽03用于放置聚焦透镜01、衰减片08、滤光片05、垫圈07和压圈06。滤光片05用来过滤所要调节的激光光束以外的杂散光，避免其它光干扰检测结果。压圈06和垫圈07用来固定和隔离光学零件，避免光学零件之间、光学零件与机械零件之间发生磨损。衰减片08用来降低激光光束在光电探测器11上形成的光斑能量大小。由于聚焦透镜01将激光束聚焦到光电探测器11上，聚焦后光斑的单位面积能量很大，造成光斑过于饱和，使得光斑尺寸偏大，不利于中心的提取，甚至损坏光电探测器11，因此需要对激光进行大幅度的衰减。套筒09由金属或刚性较强的材料制成，其长度主要取决于聚焦透镜01的焦距，其他零部件安装后保证光电探测器11靶面精确位于透镜01的焦平面上。在套筒09的另一端与光电探测器11接口10部分，可根据光电探测器11的安装方式采用内螺纹或外螺纹的形式。光电探测器11，用于探测激光光斑的变化情况，可以是CCD、CMOS、PSD或四象限探测器等面阵探测器。套筒09的中空部分12主要是用于通光，在保证硬度使之不产生变形的情况下，可以适当的减小壁厚来减轻整个装备的重量。

本发明涉及的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测方法，其原理如图2所示。在激光跟踪仪光轴和机械转轴21上放置一个光学透镜23和光电探测器24，其中光学透镜23的光轴与机械转轴21同轴，光电探测器24的光敏面垂直于激光跟踪仪的机械转轴21，并放置在光学透镜23的焦平面上。当激光光束22中心线与跟踪仪机械转轴21无夹角时，如图2(a)所示，激光光束22聚焦于光电探测器24的中心或某一点，当跟踪仪的机械转轴21带着光电探测器24旋转时，在光电探测器24上的光斑位置不变。当激光光束22与跟踪仪机械转轴21存在微小夹角时，如图2(b)所示，此时聚焦到光电探测器24光敏面上的光斑位置距中心存在偏移量x，当水平旋转跟踪转台时，光斑的轨迹在光电探测器24形成半径为x的圆。通过实时提取光斑在光电探测器24上的轨迹，获得光斑轨迹圆的半径，则由图中几何关系，可计算光轴与旋转轴的夹角α为：

α＝tan(x/f)

由于该夹角一般较小，可以取

α≈x/f (1)

由公式可知，夹角α与光斑轨迹圆半径x成正比，与光学透镜23的焦距f成反比。因此，光电探测器24的分辨率越高，光斑提取精度越高，即所能提取的轨迹圆半径x越小，光学透镜23的焦距f越大，则所能检测夹角α的检测分辨率越高，例如优选为200～500mm。在调节过程中，所能检测夹角的分辨率越高，就能够将夹角调节得更小。

为了进一步对本发明的技术方案作出说明，本发明提供了一种激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置的典型实施例，如图3所示：该装置实施例包括CCD探测器311，其像素大小为1626×1236、靶面尺寸为12mm×12mm、像元大小4μm；焦距200mm的双胶合凸透镜301；透过率为0.1％的第二衰减片308和透过率为1％的第一衰减片306；镜片之间通过塑料垫圈307隔开。铝制套筒309采用铝制材料加工，左端为C卡口外螺纹，CCD探测器311与铝制套筒309之间采用C卡口的接口方式连接；铝制套筒309为中空结构；右端为铝制套筒与跟踪仪机械转轴连接的接口303，通过轴系配合和三个固定螺栓与轴系相连接；在铝制套筒309的镜片安装槽302内按如下顺序安装，在镜片安装槽302的底面放置透过率为0.1％的第二衰减片308，在透过率为0.1％的第二衰减片308右边放置塑料垫圈307，在塑料垫圈右边放置双胶合凸透镜301，在透镜右侧放置塑料垫圈307后，再放置透过率为1％的第一衰减片306，然后将塑料压圈304通过螺纹的形式压紧透过率为1％的第一衰减片306。

检测的流程如下：

按照上述安装方式将装置安装完成后，通过铝制套筒309右端的铝制套筒与跟踪仪机械转轴连接的接口303行过盈配合，保证装置中心轴与机械转轴同轴，再由三个固定螺纹与轴固定连接。

步骤1：打开CCD探测器311，连接至计算机，通过计算机采集旋转中出射光斑在CCD探测器311上的图像，通过图像处理提取图像中光斑的中心，获得图像坐标。

步骤2：将跟踪仪机械转轴、检测装置旋转一周，在均匀的8个位置采集8幅图像，分别提取每幅图像中光斑中心的图像坐标。

步骤3：将步骤2获得的8个图像坐标拟合为平面圆，即为激光光斑的轨迹圆，获得该圆的半径为k个像素。由于CCD的像元大小为4μm，则该圆的半径为(4×k)μm。

步骤4：由公式(1)即可获得激光跟踪仪机械转轴与激光光束的夹角α为：

α＝(4×k)μm/200mm≈k/50000rad

通过上述对本发明技术方案的具体描述可知，为了实现光轴与旋转轴夹角的高精度测量，本发明采用了长焦距的透镜构成望远系统及高分辨率光电探测器；为了保证激光光斑在光电探测器件上的成像质量，采用了特殊的光学系统设计和装调方式；为了保证激光光斑在光电探测器件上的成像质量和保护光电探测器，光路设计时也采取了相应的保护措施。由此，本发明可对激光跟踪仪的光轴与机械转轴间的夹角进行高精度检测，测量结果可用于激光跟踪仪光轴调整和误差修正，可提高激光跟踪仪的角度测量误差精度，且结构简单，便于制造和使用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置对激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角进行检测的方法，所述检测装置包括：

套筒(09)，是一个中空的圆筒，一端设置有能与激光跟踪仪可拆卸的连接的套筒与激光跟踪仪机械转轴接口(04)，另一端设置有能与光电探测器可拆卸的连接的套筒与光电探测器接口(10)；

聚焦透镜(01)，安装在套筒(09)靠近所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口(04)的一端，用于将所述激光跟踪仪发射的激光会聚到所述光电探测器(11)的靶面上；以及

光电探测器(11)，用于探测所述激光跟踪仪发射的激光光斑的大小及位置；

所述方法包括下列步骤：

步骤1：将所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置安装到激光跟踪仪的机械转轴系上；

步骤2：通过计算机采集所述激光跟踪仪发射的激光在光电探测器(11)上形成的光斑图像，提取图像中光斑的中心，获得图像坐标；

步骤3：将所述激光跟踪仪机械转轴、检测装置旋转一周，在均匀的N个位置采集N幅图像，分别提取每幅图像中光斑中心的图像坐标，其中N为自然数；

步骤4：将步骤3中获得的N个图像坐标拟合为平面圆，即为激光光斑的轨迹圆，获得该圆的半径为k个像素；

步骤5：计算获得激光跟踪仪机械转轴与激光光束的夹角α为：

α＝x/f，其中x为所述半径大小，f为聚焦透镜(01)的焦距。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述套筒(09)由刚性材料制成，其长度取决于所述聚焦透镜(01)的焦距。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述聚焦透镜(01)为平凸、双凸或双胶合结构的聚焦透镜，其焦距在200～500mm范围之间。

4.如权利要求1所述的方法，其中在所述套筒(09)的中心光路上还安装有衰减片(08)，用来降低激光光束在所述光电探测器(11)上形成光斑的能量大小。

5.如权利要求1所述的方法，其中在套筒(09)的中心光路上还安装有滤光片(05)，用来过滤所要调节的激光光束以外的杂散光，避免其它光干扰检测结果。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述光电探测器(11)为面阵探测器，选白CCD、CMOS、PSD或四象限探测器。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口(04)为一个圆形凹形槽，在凹形槽的背部均匀圆周分布了三个沉头孔(02)，采用轴孔配合定位和螺纹固定的方式连接安装到激光跟踪仪机械转轴系上。

8.如权利要求1所述的方法，其中步骤1中所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口(04)与所述激光跟踪仪机械转轴系行过盈配合，保证装置中心轴与机械转轴同轴。

9.如权利要求1所述的方法，其中N＝8。