CN105157618B - 一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法 - Google Patents

一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法 Download PDF

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一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法，包括：光源、数字微镜阵列DMD、控制器、分束器、透镜、待测件反光镜、CCD和强度关联计算模块；控制器的同步控制模块产生同步时钟信号作用到数字微镜阵列DMD和CCD上，强度关联计算模块同时记录光场调制模块产生的光场调制矩阵和CCD接收到的回波信号，并进行二阶强度关联计算，间接计算得到待测件的微小转动角度。本发明将量子成像技术中的计算关联成像方法引入自准直仪的设计中，可以有效减小空气扰动等因素引起的测量误差，提高系统的灵敏度和稳定性。

Description

一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法
技术领域
本发明涉及一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法，属于精密测试计量仪器领域。
背景技术
自准直仪(又称自准直测微平行光管)是应用自准直原理进行小角度测量的检测仪器。它将待测件上反光镜旋转角度量变换成自准直仪接收器件上的线量变化，通过测出线量变化间接检测出反射面微小角度变化。自准直仪主要应用在小角度测量、平直度与平行度测量等方面,是机械制造、航天工业、计量、科研等部门常用的测量仪器。
现阶段常用的自准直仪大多是精度较高的CCD光电自准直仪。目前市面上德国穆勒公司(Moller)生产的ELCOMAT系列光电自准直仪属常见的光电自准直仪中精度最高的，如ELCOMAT HR和ELCOMAT 3000两款，这两种型号的光电自准直仪均采用高分辨率的线阵CCD作为光电探测器。但无论是线阵CCD还是面阵CCD的光电自准直仪，其精度都受限于CCD像元数和像元尺寸等参数，尽管采用了求质心的近似处理方法，也不能从根本上显著提高测量精度，此外对于机器工作发热导致的大气扰动影响，传统自准直仪的示值稳定性也受到了严峻挑战。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法，能够间接计算得到待测件的微小转动角度，将量子成像技术中的计算关联成像方法引入自准直仪的设计中，可以有效减小空气扰动等因素引起的测量误差，提高系统的灵敏度和稳定性。
本发明的技术解决方案是：一种计算强度关联成像自准直仪，包括：光源(1)、数字微镜阵列DMD(2)、控制器(3)、分束器(4)、透镜(5)、待测件反光镜(6)、CCD(7)、强度关联计算模块(8)；控制器(3)包括光源调制模块和同步控制模块；
数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的微镜阵列上，控制器(3)的光源调制模块产生光场调制矩阵，将光场调制矩阵存至强度关联计算模块(8)，并将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下，入射至分束器(4)；
控制器(3)的同步控制模块用于发射同步时钟信号，作用到数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)上，控制数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)同时发射和采集信号；
分束器(4)将入射的调制光场分光成两路，分别是透射光束和反射光束，将调制光场分光得到的反射光束舍弃，将调制光场分光得到的透射光束入射到透镜(5)上形成平行光束后照射在待测件反光镜(6)，待测件反光镜(6)安装在待测件上，经待测件反光镜(6)反射的回波光束再次经过透镜(5)恢复成汇聚光束，并照射到分束器(4)上，分束器(4)将入射的汇聚光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的透射光束舍弃，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的反射光束照射到CCD(7)上，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下CCD(7)采集分束器(4)上分光得到的反射光束，形成回波信号，强度关联计算模块(8)记录该回波信号；
强度关联计算模块(8)将储存的光场调制矩阵和记录的回波信号进行二阶强度关联计算，得到关联结果。
所述光场调制矩阵为Hadamard矩阵，Hadamard矩阵编码原则为Hadamard矩阵行与行、列与列之间满足正交归一关系H*HT＝I，I为对角单位矩阵，其每一行(或列)元素之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
所述数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(5)的焦平面上。
一种计算强度关联成像自准直仪的测量方法，步骤如下：
(1)数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器(3)的光源调制模块产生光场调制矩阵，将光场调制矩阵存至强度关联计算模块(8)，并将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下，将该调制光场入射至分束器(4)；
(2)控制器(3)的同步控制模块用于发射同步时钟信号，作用到数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)上，控制数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)同时发射和采集信号；
(3)分束器(4)将入射的调制光场分成两路分别是透射光束和反射光束，将分束器(4)分光后的反射光束舍弃，将分束器(4)分光后的透射光束入射到透镜上形成平行光束后照射在待测件反光镜(6)，待测件反光镜(6)安装在待测件上；
(4)经待测件反光镜(6)反射的回波光束再次经过透镜(5)恢复成汇聚光束，并照射到分束器(4)上，分束器(4)将入射的汇聚光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的透射光束舍弃，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的反射光束反射后照射到CCD(7)上，形成第一回波信号，强度关联计算模块(8)记录该第一回波信号。
(5)将待测件反光镜(6)小角度转动一次，返回步骤(4)，照射到CCD(7)上的回波信号也会发生一定程度的移动，形成第二回波信号；
(6)强度关联计算模块(8)将储存的光场调制矩阵和步骤(4)记录的第一回波信号，进行二阶强度关联计算，得到第一关联结果。
(7)强度关联计算模块(8)将储存的光场调制矩阵和步骤(5)记录的第二回波信号，进行二阶强度关联计算，得到第二关联结果。
(8)通过步骤(6)第一关联结果和步骤(7)第二关联结果的差值，间接计算出待测件反光镜(6)的转动角度。
所述步骤(5)的小角度转动范围为-50角秒至50角秒。
与现有技术相比，总结归纳本发明具有以下几个优点：
(1)本发明在传统自准直仪基础上，用数字微镜阵列代替了传统自准直仪光源，在部件上没有大的改动，在最后数据采集和处理方面增加了二阶强度关联计算和图像处理，这两部分也可以集成到传统自准直仪数据处理里面，完全保持了原自准直仪的光学系统和整体外观，在工程实现上较为容易。
(2)本发明将量子成像技术中的计算强度关联成像方法引入自准直仪的设计中，强度关联成像方法计算的是强度涨落，跟传统自准直仪测量原理完全不同，能有效减小空气扰动等因素引起的测量误差，提高系统的灵敏度和稳定性。
(3)本发明与传统自准直仪相比，图像处理简单，控制电路少，可以在一定程度上降低电路引起的示值跳变；另一方面，成像算法是二阶强度关联计算，算法本身也能有效降低大气扰动影响，因此误差更小且示值更稳定。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法做进一步详细的说明。
如图1所示，图中：1、光源；2、DMD；3、控制器；4、分束器；5、透镜；6、待测件反光镜；7、CCD；8、强度关联计算模块。
一种计算强度关联成像自准直仪，包括：光源1、数字微镜阵列DMD2、控制器3、分束器4、透镜5、待测件反光镜6、CCD7、强度关联计算模块8；控制器3包括光源调制模块和同步控制模块；
数字微镜阵列DMD2包括多个微镜阵列，每一个微镜阵列都可以向+12°和-12°两个方向任意翻转，光源1照射在数字微镜阵列DMD2的微镜阵列上，控制器3的光源调制模块产生光场调制矩阵，将光场调制矩阵存至强度关联计算模块8，并将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD2上，控制多个微镜阵列各自按+12°和-12°两个方向发生翻转，多个微镜阵列反射光源1照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至分束器4；
控制器3的同步控制模块用于发射同步时钟信号，作用到数字微镜阵列DMD2和CCD7上，控制数字微镜阵列DMD2和CCD7同时发射和采集信号；由于CCD7积分时间远远大于光场传播时间，且同步触发信号时间间隔要远远大于CCD7积分时间，因此可以认为强度关联计算模块8记录的光场调制矩阵和CCD7接收到的回波信号是同一光场调制信号；
分束器4将入射的调制光场分光成两路，分别是透射光束和反射光束，将分束器4分光后的反射光束舍弃，将分束器4分光后的透射光束入射到透镜5上，数字微镜阵列DMD2放置于透镜5的焦平面上，经过透镜5的透射光束形成平行光束，照射在待测件反光镜6，待测件反光镜6安装在待测件上，如果待测件发生翻转，待测件反光镜就会跟着翻转；经待测件反光镜6反射的回波光束再次经过透镜5恢复成汇聚光束，并照射到分束器4上，分束器4将入射的汇聚光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将透镜5恢复成汇聚光束后照射到分束器4上分光得到的透射光束舍弃，将透镜5恢复成汇聚光束后照射到分束器4上分光得到的反射光束反射后照射到CCD7上，形成回波信号，强度关联计算模块8记录该回波信号；
强度关联计算模块8将储存的光场调制矩阵和记录的回波信号进行强度关联计算，得到关联结果。
所述光场调制矩阵为Hadamard矩阵(哈达玛矩阵，是由+1和-1元素构成的正交方阵，正交方阵指它的任意两行(或者两列)都是正交的，把行(或列)看做一个函数，任意两行(或两列)都是正交的。)，Hadamard矩阵不同于传统关联成像光源性质，其成像效率更高，Hadamard矩阵编码原则为Hadamard矩阵行与行、列与列之间满足正交归一关系H*HT＝I，I为对角单位矩阵，其每一行(或列)元素之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD2上，通过将Hadamard矩阵元素值分别加载到微镜阵列上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源1照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
一种计算强度关联成像自准直仪的测量方法，步骤如下：
(1)数字微镜阵列DMD2包括多个微镜阵列，每一个微镜阵列都可以向+12°和-12°两个方向任意翻转，光源1照射在数字微镜阵列DMD2的微镜阵列上，控制器3的光源调制模块产生光场调制矩阵，将光场调制矩阵存至强度关联计算模块8，并将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD2上，控制多个微镜阵列各自按+12°和-12°两个方向发生翻转，多个微镜阵列反射光源1照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至分束器4；
(2)控制器3的同步控制模块用于发射同步时钟信号，作用到数字微镜阵列DMD2和CCD7上，控制数字微镜阵列DMD2和CCD7同时发射和采集信号；由于CCD7积分时间远远大于光场传播时间，且同步触发信号时间间隔要远远大于CCD7积分时间，因此可以认为强度关联计算模块8记录的光场调制矩阵和CCD7接收到的回波信号是同一光场调制信号；
(3)分束器4将入射的调制光场分光成两路，分别是透射光束和反射光束，将分束器4分光后的反射光束舍弃，将分束器4分光后的透射光束入射到透镜5上，数字微镜阵列DMD2放置于透镜5的焦平面上，经过透镜5的透射光束形成平行光束，照射在待测件反光镜6，待测件反光镜6安装在待测件上，如果待测件发生翻转，待测件反光镜就会跟着翻转，这样就可以通过测量待测件反光镜6的翻转角度来间接测量待测件的翻转角度；
(4)经待测件反光镜6反射的回波光束再次经过透镜5恢复成汇聚光束，并照射到分束器4上，分束器4将入射的汇聚光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将透镜5恢复成汇聚光束后照射到分束器4上分光得到的透射光束舍弃，将透镜5恢复成汇聚光束后照射到分束器4上分光得到的反射光束反射后照射到CCD7上，形成第一回波信号，强度关联计算模块8记录该第一回波信号。
(5)将待测件反光镜6小角度转动一次，返回步骤4，照射到CCD7上的回波信号也会发生一定程度的移动，形成第二回波信号；
(6)强度关联计算模块8将储存的光场调制矩阵和步骤(4)记录的第一回波信号，进行二阶强度关联计算，得到第一关联结果。
(7)强度关联计算模块8将储存的光场调制矩阵和步骤(5)记录的第二回波信号，进行二阶强度关联计算，得到第二关联结果。
(8)通过步骤(6)第一关联结果和步骤(7)第二关联结果的差值，间接计算出待测件反光镜6的转动角度α。
所述步骤(5)的小角度转动范围为-50角秒至50角秒。
所述的一种计算强度关联成像自准直仪及测量方法应用于微小角度测量，主要部件为数字微镜阵列DMD2和透镜5，数字微镜阵列DMD2用于产生调制光场，透镜5用于产生平行光束。
在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种计算强度关联成像自准直仪，其特征在于：包括：光源(1)、数字微镜阵列DMD(2)、控制器(3)、分束器(4)、透镜(5)、待测件反光镜(6)、CCD(7)、强度关联计算模块(8)；控制器(3)包括光源调制模块和同步控制模块；
数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的微镜阵列上，控制器(3)的光源调制模块产生光场调制矩阵，将光场调制矩阵存至强度关联计算模块(8)，并将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的微镜阵列上的光束，形成调制光场，将该调制光场，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下，入射至分束器(4)；
控制器(3)的同步控制模块用于发射同步时钟信号，作用到数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)上，控制数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)同时发射和采集信号；
分束器(4)将入射的调制光场分光成两路，分别是透射光束和反射光束，将调制光场分光得到的反射光束舍弃，将调制光场分光得到的透射光束入射到透镜(5)上形成平行光束后照射到待测件反光镜(6)，待测件反光镜(6)安装在待测件上，经待测件反光镜(6)反射的回波光束再次经过透镜(5)恢复成汇聚光束，并照射到分束器(4)上，分束器(4)将入射的汇聚光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的透射光束舍弃，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的反射光束照射到CCD(7)上，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下CCD(7)采集分束器(4)上分光得到的反射光束，形成回波信号，强度关联计算模块(8)记录该回波信号；
强度关联计算模块(8)将储存的光场调制矩阵和记录的回波信号进行二阶强度关联计算，得到关联结果。
2.根据权利要求1所述的一种计算强度关联成像自准直仪，其特征在于：所述光场调制矩阵为Hadamard矩阵，Hadamard矩阵编码原则为Hadamard矩阵行与行、列与列之间满足正交归一关系H*HT＝I，I为对角单位矩阵，该对角单位矩阵每一行或列元素之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
3.根据权利要求1所述的一种计算强度关联成像自准直仪，其特征在于：所述数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(5)的焦平面上。
4.一种计算强度关联成像自准直仪的测量方法，其特征在于步骤如下：
(1)数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器(3)的光源调制模块产生光场调制矩阵，将光场调制矩阵存至强度关联计算模块(8)，并将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的翻转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下，将该调制光场入射至分束器(4)；
(2)控制器(3)的同步控制模块用于发射同步时钟信号，作用到数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)上，控制数字微镜阵列DMD(2)和CCD(7)同时发射和采集信号；
(3)分束器(4)将入射的调制光场分成两路分别是透射光束和反射光束，将分束器(4)分光后的反射光束舍弃，将分束器(4)分光后的透射光束入射到透镜上形成平行光束后照射在待测件反光镜(6)，待测件反光镜(6)安装在待测件上；
(4)经待测件反光镜(6)反射的回波光束再次经过透镜(5)恢复成汇聚光束，并照射到分束器(4)上，分束器(4)将入射的汇聚光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的透射光束舍弃，将透镜(5)恢复成汇聚光束后照射到分束器(4)上分光得到的反射光束照射到CCD(7)上，在控制器(3)的同步控制模块发射的同步时钟信号控制下CCD(7)采集分束器(4)上分光得到的反射光束，形成第一回波信号，强度关联计算模块(8)记录该第一回波信号；
(5)将待测件反光镜(6)小角度转动一次，返回步骤(4)，照射到CCD(7)上的回波信号也会发生一定程度的移动，形成第二回波信号；
(6)强度关联计算模块(8)将储存的光场调制矩阵和步骤(4)记录的第一回波信号，进行二阶强度关联计算，得到第一关联结果；
(7)强度关联计算模块(8)将储存的光场调制矩阵和步骤(5)记录的第二回波信号，进行二阶强度关联计算，得到第二关联结果；
(8)通过步骤(6)第一关联结果和步骤(7)第二关联结果的差值，间接计算出待测件反光镜(6)的转动角度。
5.根据权利要求4所述的一种计算强度关联成像自准直仪的测量方法，其特征在于：所述步骤(5)的小角度转动范围为-50角秒至50角秒。
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