CN105277125A - 一种测量倾角和位移的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量倾角和位移的系统及方法，其中，该系统包括：第一激光器、第二激光器、第一接收光学系统、第二接收光学系统、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第一光电探测器、第二光电探测器、视窗片、被测面、分光镜、反射镜、直角棱镜以及倾角计算电路和位移计算电路。采用该系统，可以实现对被测物的倾角变化和位移变化的单独测量，增加了系统的稳定性，同时减少了倾角和位移的相互影响，提高了测量精度。

Description

一种测量倾角和位移的系统及方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种测量倾角和位移的系统和方法。

背景技术

振动存在于生活、工业生产以及科学研究的各个领域中，对于振动的测量有着极大地需求。特别是振动的非接触测量，不会影响振动的原有状态，测量结果更为准确可靠。

当前，随着智能手机的不断普及发展，手机摄像头的要求也越来越高，而音圈马达(VoiceCoilMotor,VCM)是一种将电能转化为机械能的装置，并实现直线型及有限摆角的运动。因其占用电路板面积小，可靠性高，能支持大功率等特点，广泛应用于手机变焦中，成为摄像头模组中的重要组成部分，它不仅决定了摄像头模组的自动对焦能力，同时也是判断一个摄像头模组性能优异的关键部件，所以能够简单、方便、准确地测量VCM性能的系统和方法亟待解决。VCM在对焦过程中会存在振动，而VCM在振动过程中的倾角变化和位移变化决定了VCM的性能，因此，需要测量VCM在振动过程中的倾角变化和位移变化。

现有技术中，广泛测量VCM振动过程中的倾角变化和位移变化的测试功能是由一束光同时实现的，测量过程中的接收光信号一分为二，分别用于测量倾角变化和位移变化，由于两个被分开的接收光信号会随着马达运动同步变化，这就会造成倾角测量和位移测量的相互影响，使测量结果不准确，最终影响VCM的性能分析和评价。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种测量倾角和位移的系统及方法，以提高VCM振动过程中的倾角和位移的测量结果的准确度。

第一方面，本发明实施例提供了一种测量倾角和位移的系统，包括：

第一激光器、第二激光器、第一接收光学系统、第二接收光学系统、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第一光电探测器、第二光电探测器、视窗片、被测面、分光镜、反射镜、直角棱镜以及倾角计算电路和位移计算电路；

其中，所述视窗片位于所述被测面的上方，所述第一激光器位于所述视窗片的左上方；所述第二激光器和直角棱镜位于所述视窗片的上方，且所述第二激光器位于所述直角棱镜的左侧；

所述反射镜位于所述第二激光器和直角棱镜的上方，且与所述直角棱镜的斜面平行，所述第一接收光学系统位于所述反射镜的上方，所述第一窄带滤光片位于所述第一接收光学系统的上方，所述第一光电探测器位于所述第一窄带滤光片的上方，且所述反射镜的中心、第一接收光学系统中心、第一窄带滤光片的中心和第一光电探测器的中心位于同一条直线上；

所述分光镜位于所述视窗片的右上方、反射镜的右侧，且与所述反射镜平行，并且所述分光镜的中心和所述反射镜的中心组成的直线与所述视窗片平行，所述第二接收光学系统位于所述分光镜的右上方，所述第二窄带滤光片位于所述第二接收光学系统的右上方，所述第二光电探测器位于所述第二窄带滤光片的右上方，且所述分光镜的中心、所述第二接收光学系统的中心、第二窄带滤光片的中心和第二光电探测器的中心位于同一条直线上；

所述第一接收光学系统用于把第一激光器发射的激光束经被测面反射的反射激光束聚焦到处在焦平面处的第一光电探测器的感光面上，形成第一光斑；所述第二接收光学系统用于把第二激光器发射的激光束在被测面上形成的激光点成像到第二光电探测器的感光面上，形成第二光斑；

所述倾角计算电路与第一光电探测器电连接，用于处理所述第一光电探测器转换第一光斑得到的第一电流信号，得到测量的倾角；

所述位移计算电路与第二光电探测器电连接，用于处理所述第二光电探测器转换第二光斑得到的第二电流信号，得到测量的位移。

第二方面，本发明实施例还提供了一种测量倾角和位移的方法，包括：

第一激光器出射的准直激光，经过视窗片后光斑落在被测面的镜面反射区域上，并被镜面反射区域反射形成镜面反射光，镜面反射光经过分光镜反射到反射镜上，并被反射镜反射进入到第一接收光学系统中，在处于第一接收光学系统的焦平面处的第一光电探测器上形成第一光斑，第一光电探测器将所述第一光斑转换为第一电流信号，输入到倾角计算电路中，倾角计算电路对所述第一电流信号进行处理得到被测面的倾角；

第二激光器出射的准直激光，经过直角棱镜反射后，垂直入射到被测面的漫反射区域中，经过被测面的漫反射，漫反射光透过分光镜进入到第二接收光学系统中，并成像在第二光电探测器的感应面上形成第二光斑，所述第二光电探测器将所述第二光斑转换为第二电流信号，输入到位移计算电路中，位移计算电路对所述第二电流信号进行处理得到被测面在法线方向上的位移。

本发明实施例提供的测量倾角和位移的系统及方法，通过第一光学系统，即第一激光器、第一接收光学系统、第一窄带滤光片、第一光电探测器、视窗片、分光镜、反射镜、直角棱镜以及倾角计算电路，实现对VCM振动过程中的倾角变化进行测量；通过第二光学系统，即第二激光器、第二接收光学系统、第二窄带滤光片、第二光电探测器、视窗片、分光镜、反射镜、直角棱镜以及位移计算电路，实现对VCM振动过程中的位移变化进行测量。采用由上述第一光学系统和第二光学系统组成的双光束系统，可以实现被测物的倾角变化和位移变化的单独测量，增加了系统的稳定性，同时减少了倾角和位移的相互影响，提高了测量精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的一种测量倾角和位移的系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种测量倾角和位移的系统中的倾角计算电路的原理图；

图3是本发明实施例二提供的一种测量倾角和位移的系统中的位移计算电路的原理图；

图4是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的被测面上的镜面反射示意图；

图5是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的测量倾角时光线变化的示意图；

图6是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的被测面上的漫反射示意图；

图7是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的测量位移时光线变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种测量倾角和位移的系统的结构示意图。如图1所示，所述系统包括：第一激光器1、第二激光器9、第一接收光学系统6、第二接收光学系统11、第一窄带滤光片7、第二窄带滤光片12、第一光电探测器8、第二光电探测器13、视窗片2、被测面3、分光镜4、反射镜5、直角棱镜10以及倾角计算电路14和位移计算电路15；

其中，视窗片2位于被测面3的上方，第一激光器1位于视窗片2的左上方；第二激光器9和直角棱镜10位于视窗片2的上方，且第二激光器9位于直角棱镜10的左侧；

反射镜5位于第二激光器9和直角棱镜10的上方，且与直角棱镜10的斜面平行，第一接收光学系统6位于反射镜5的上方，第一窄带滤光片7位于第一接收光学系统6的上方，第一光电探测器8位于第一窄带滤光片7的上方，且反射镜5的中心、第一接收光学系统6的中心、第一窄带滤光片7的中心和第一光电探测器8的中心位于同一条直线上，且该直线与视窗片2垂直。第一接收光学系统6、第一窄带滤光片7和第一光电探测器8位于整个测量倾角和位移的系统的中部；

分光镜4位于视窗片2的右上方、反射镜5的右侧，且与反射镜5平行，并且分光镜4的中心和反射镜5的中心组成的直线与视窗片2平行，第二接收光学系统11位于分光镜2的右上方，第二窄带滤光片12位于第二接收光学系统11的右上方，第二光电探测器13位于第二窄带滤光片12的右上方，且分光镜4的中心、第二接收光学系统11的中心、第二窄带滤光片12的中心和第二光电探测器13的中心位于同一条直线上，且该直线与处于静止状态的视窗片2之间的夹角为第一设定角度。第二接收光学系统11、第二窄带滤光片12和第二光电探测器13位于系统的右侧，第二接收光学系统以与水平方向之间的夹角为第二设定角度倾斜放置；

第一接收光学系统6用于把第一激光器1发射的激光束经被测面3反射的反射激光束聚焦到处在焦平面处的第一光电探测器8的感光面上，形成第一光斑；第二接收光学系统11用于把第二激光器9发射的激光束在被测面3上形成的激光点成像到第二光电探测器13的感光面上，形成第二光斑；

倾角计算电路14与第一光电探测器8电连接，用于处理所述第一光电探测器8转换第一光斑得到的第一电流信号，得到测量的倾角；

位移计算电路15与第二光电探测器13电连接，用于处理所述第二光电探测器13转换第二光斑得到的第二电流信号，得到测量的位移。

其中，第一激光器1发射的激光束入射到被测面3上，且不被第一窄带滤光片7、第一接收光学系统6、反射镜5、第二激光器9阻挡，即第一窄带滤光片7、第一接收光学系统6、反射镜5、第二激光器9位于第一激光器发射的激光束的右侧位置。

上述对位置的限定与该测量倾角和位移的系统的放置有关，具体以被测面作为底面进行放置。

进一步的，第一激光器1和第二激光器9、第一接收光学系统6和第二接收光学系统11、第一窄带滤光片7和第二窄带滤光片12、第一光电探测器8和第二光电探测器13、分光镜4、反射镜5、直角棱镜10分别固定有底座，所述的底座固定在同一块光学平面底板上。

第一激光器1和第二激光器9可以选择任意可见光范围内不同波长的半导体激光器，优选的，第一激光器1为405纳米波长的半导体激光器，第二激光器9为650纳米波长的半导体激光器，其他波段的光截止；

相应的，分光镜4反射405纳米波长的蓝紫光，透射650纳米波长的红光；

相应的，第一窄带滤光片7透过405纳米波长的蓝紫光，第二窄带滤光片12透过650纳米波长的红光。

进一步的，第一接收光学系统6为会聚透镜，第二接收光学系统11为消像差透镜。其中，所述消像差透镜优选为两个透镜胶合使用的胶合透镜。

进一步的，第一光电探测器8为二维位置传感器，用于感应被测面3倾角变化引起的信号变化，第二光电探测器13为一维位置探测器，用于感应被测面3在法线方向位移变化引起的信号变化。

进一步的，被测面3覆盖在VCM摄像头镜面上，通过对被测面3的倾角和位移的测量来实现对VCM振动过程中产生的倾角和位移进行测量的目的。被测面3的中间设定位置为漫反射区域，被测面3的设定位置以外的区域为镜面反射区域。优选的，被测面3为一特制镜面，与VCM摄像头镜面贴合放置。该被测面3的形状可以为任意形状，只需满足中间设定位置为漫反射区域，设置位置以外的区域为镜面反射区域，这里被测面3的形状优选为圆形，这是因为VCM摄像头为圆形。需要注意的是，该被测面3的大小不能过大或者过小，形状过大超出镜头范围，形状过小的话可能接收不到入射激光。

进一步的，直角棱镜10为反射棱镜，用于把第二激光器9发射的激光转折90度。

本发明实施例一提供的测量倾角和位移的系统，通过第一光学系统，即第一激光器、第一接收光学系统、第一窄带滤光片、第一光电探测器、视窗片、分光镜、反射镜、直角棱镜以及倾角计算电路，实现对VCM振动过程中的倾角变化进行测量；通过第二光学系统，及第二激光器、第二接收光学系统、第二窄带滤光片、第二光电探测器、视窗片、分光镜、反射镜、直角棱镜以及位移计算电路，实现对VCM振动过程中的位移变化进行测量。采用由上述第一光学系统和第二光学系统组成的双光束系统，可以实现被测物的倾角变化和位移变化的单独测量，增加了系统的稳定性，同时减少了倾角和位移的相互影响，提高了测量精度。

实施例二

本实施例二提供了一种测量倾角和位移的系统，本实施例以上述实施例一为基础，在上述实施例一的基础上进行优化，具体为对上述实施例中的倾角计算电路和位移计算电路进行优化。

图2是本发明实施例二提供的一种测量倾角和位移的系统中的倾角计算电路的原理图，如图2所示，倾角计算电路14包括：第一电流电压转换模块1401，第二电流电压转换模块1402，第三电流电压转换模块1403，第四电流电压转换模1404，第一加法器1405，第一减法器1406，第二减法器1407，第一除法器1408，第二除法器1409，第一滤波模块1410，第二滤波模块1411，第一偏置增益调节模块1412，第二偏置增益调节模块1413，第一输出模块1414以及第二输出模块1415。

其中，第一电流电压转换模块1401、第二电流电压转换模块1402、第三电流电压转换模块1403和第四电流电压转换模块1404，分别与第一光电探测器8相连，用于将第一光电探测器8传输的电流信号转换为电压信号；第一加法器1405，输入端分别与第一电流电压转换模块1401、第二电流电压转换模块1402、第三电流电压转换模块1403和第四电流电压转换模块1404的输出端相连，用于对上述四个电流电压转换模块得到的电压信号进行加法运算；第一减法器1406，输入端分别与第一电流电压转换模块1401、第二电流电压转换模块1402、第三电流电压转换模块1403和第四电流电压转换模块1404的输出端相连，用于对上述四个电流电压转换模块得到的电压信号进行减法运算；第二减法器1407，输入端分别与第一电流电压转换模块1401、第二电流电压转换模块1402、第三电流电压转换模块1403和第四电流电压转换模块1404的输出端相连，用于对上述四个电流电压转换模块得到的电压信号进行减法运算；第一除法器1408，输入端分别与第一加法器1405的输出端和第一减法器1406的输出端相连，用于将通过加法运算和减法运算得到的电压信号进行除法运算；第二除法器1409，输入端分别与第一加法器1405的输出端和第二减法器1407的输出端相连，用于将通过加法运算和减法运算得到的电压信号进行除法运算；第一滤波模块1410，输入端与第一除法器1408的输出端相连，用于去除高频噪声和脉冲干扰；第二滤波模块1411，输入端与第二除法器1409的输出端相连，用于去除高频噪声和脉冲干扰；第一偏置增益调节模块1412，输入端与第一滤波模块1410的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行偏置和增益调节；第二偏置增益调节模块1413，输入端与所述第二滤波模块1411的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行偏置和增益调节；第一输出模块1414，输入端与第一偏置增益调节模块1412的输出端相连，输出为X轴模拟输出，用于输出由于倾角变化引起的电压变化在X轴上的分量，所述X轴为与被测面法线方向垂直的平面上的直角坐标系中的横轴；第二输出模块1415，输入端与第二偏置增益调节模块1413的输出端相连，输出为Y轴模拟输出，用于输出由于倾角变化引起的电压变化在Y轴上的分量，所述Y轴为与被测面法线方向垂直的平面上的直角坐标系中的纵轴。

示例性的，第一电流电压转换模块1401、第二电流电压转换模块1402、第三电流电压转换模块1403和第四电流电压转换模块1404，分别与第一光电探测器8相连，第一光电探测器8是一种基于横向光电效应的位置传感器件(PositionSensitiveDetector，PSD),它是一种非分割型器件，PSD的光敏面上接收到光信号时，它的不同电极之间将会有自电流流过，可将光敏面上的光点位置转化为电信号，并通过电压并联负反馈电路以及低噪声的运放，将PSD输出的电流源信号转化为电压源信号。具体的，二维PSD的光敏面上接收到光信号时，将光敏面上的光点位置转化为电流信号，由于被侧面3的倾角变化存在两个相互垂直的方向，所以转化后的电流信号也存在相互垂直的分量，可以将电流信号设定为Ix1、Ix2、Iy1、Iy2，Ix1经过第一电流电压转换模块1401后转换为Vx1，Ix2经过第二电流电压转换模块1402后转换为Vx2，Iy1经过第三电流电压转换模块1403后转换为Vy1，Iy2经过第四电流电压转换模块1404后转换为Vy2，该四路电压信号经过第一加法器1405的运算后得到Vsum＝(Vx1+Vy1)+(Vx2+Vy2)，经过第一减法器1406的运算后得到Vx＝(Vx2+Vy2)-(Vx1+Vy1)，经过第二减法器1407的运算后得到Vy＝(Vx2+Vy1)-(Vx1+Vy2)，Vsum和Vx经过第一除法器1408的运算后得到Vx0＝[(Vx2+Vy2)-(Vx1+Vy1)]/[(Vx1+Vy1)+(Vx2+Vy2)]，Vsum和Vy经过第二除法器1409的运算后得到Vy0＝[(Vx2+Vy1)-(Vx1+Vy2)]/[(Vx1+Vy1)+(Vx2+Vy2)]，Vx0分别经过第一滤波模块1410、第一偏置增益调节模块1412以及第一输出模块1414后，输出位置电压信号Vx0，所述位置电压信号Vx0与信号光斑在PSD上的位置线性对应，Vy0分别经过第二滤波模块1411、第二偏置增益调节模块1413以及第二输出模块1415后，输出位置电压信号Vy0，所述位置电压信号Vy0与信号光斑在PSD上的位置线性对应。Vx0和Vy0再除以第一接收光学系统6的焦距，然后做反正切变换，就能得到倾角在X轴和Y轴上的分量，所述X轴和Y轴为与被测面法线方向垂直的平面上的直角坐标系的横轴和纵轴。

图3是本发明实施例二提供的一种测量倾角和位移的系统中的位移计算电路的原理图，如图3所示，位移计算电路15包括：第五电流电压转换模块1501，第六电流电压转换模块1502，第二加法器1503，第三减法器1504，第三除法器1505，第三滤波模块1506，第三偏置增益调节模块1507以及第三输出模块1508。

其中，第五电流电压转换模块1501和第六电流电压转换模块1502，分别与第二光电探测器13相连，用于将第二光电探测器13传输的电流信号转换为电压信号；第二加法器1503，输入端分别与第五电流电压转换模块1501和第六电流电压转换模块1502的输出端相连，用于对上述两个电流电压转换模块得到的电压信号进行加法运算；第三减法器1504，输入端分别与第五电流电压转换模块1501和第六电流电压转换模块1502的输出端相连，用于对上述两个电流电压转换模块得到的电压信号进行减法运算；第三除法器1505，输入端分别与第二加法器1503和第三减法器1504的输出端相连，用于将通过加法运算和减法运算得到的电压信号进行除法运算；第三滤波模块1506，输入端与第三除法器1505的输出端相连，用于去除高频噪声和脉冲干扰；第三偏置增益调节模块1507，输入端与第三滤波模块1506的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行偏置和增益调节；第三输出模块1508，输入端与第三偏置增益调节模块1507相连，输出为Z轴模拟输出，用于输出位移变化在被测面3法线方向上对应的电压信号，所述Z轴为被测面法线。

具体的，一维PSD的光敏面上接收到光信号时，将光敏面上的光点位置转化为电流信号Ix1和Ix2，Ix1经过第五电流电压转换模块1501后转换为Vx1，Ix2经过第六电流电压转换模块1502后转换为Vx2，Vx1和Vx2经过第二加法器1503的运算得到Vx1+Vx2，经过第三减法器1504的运算得到Vx1-Vx2，Vx1+Vx2和Vx1-Vx2经过第三除法器1505的运算后，得到V0＝(Vx1-Vx2)/(Vx1+Vx2)，V0经过第三滤波模块1506、第三偏置增益调节模块1507以及第三输出模块1508后，输出位置电压信号V0，所述位置电压信号V0与信号光斑在PSD上的位置线性对应。进一步的，当被测面3发生法线方向的位移ΔX时，信号光斑在PSD上位置线性对应输出位置电压信号V1，则V1-V0＝K×ΔX，其中K为常数，即位移前后位移计算电路输出电压差值除以常数K可得到光斑发生的位移距离。

本发明实施例二提供的测量倾角和位移的系统，倾角计算电路包括第一电流电压转换模块、第二电流电压转换模块、第三电流电压转换模块、第四电流电压转换模块、第一加法器、第一减法器、第二减法器、第一除法器、第二除法器、第一滤波模块、第二滤波模块、第一偏置增益调节模块、第二偏置增益调节模块、第一输出模块以及第二输出模块；位移计算电路包括：第五电流电压转换模块、第六电流电压转换模块、第二加法器、第三减法器、第三除法器、第三滤波模块、第三偏置增益调节模块以及第三输出模块。通过倾角计算电路计算倾角，通过位移计算电路计算位移，简化工艺流程，减少了数据标定和补偿流程，提高了生产效率。

实施例三

本实施例是采用上述任一实施例所述的测量倾角和位移的系统测量倾角和位移的方法，该方法包括：

第一激光器1出射的准直激光，经过视窗片2后光斑落在被测面3的镜面反射区域上，并被镜面反射区域反射形成镜面反射光，镜面反射光经过分光镜4反射到反射镜5上，并被反射镜5反射进入到第一接收光学系统6中，在处于第一接收光学系统6的焦平面处的第一光电探测器8上形成第一光斑，第一光电探测器8将所述第一光斑转换为第一电流信号，输入到倾角计算电路14中，倾角计算电路14对所述第一电流信号进行处理得到被测面3的倾角。

示例性的，图4是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的被测面上的镜面反射示意图，如图4所示，当第一激光器1出射的准直激光入射到被测面3的镜面发射区域31时，发生镜面反射，反射角等于入射角。进一步的，图5是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的测量倾角时光线变化的示意图，如图5所示，当被测面3的倾角发生变化时，第一激光器1出射的准直激光入射到被测面3后相当于入射角发生变化，这样产生的反射角也会相应发生变化，反射光线也发生变化。当变化后的反射光线经过分光镜4以及反射镜5的反射后，再通过第一接收光学系统6以及第一窄带滤光片7后，最终在第一光电探测器8上的光斑也会发生位移。进一步的，当被测面3在设计的两个极限角之间倾斜时，镜面反射光束会以两倍于反射面倾斜角的角度发生摆动，第一光电探测器8上的光斑也会发生位移，第一光电探测器8将光斑转换为第一电流信号，输入到倾角计算电路14中，倾角计算电路14对第一电流信号进行处理，经过电流电压转换、电压信号运算、滤波以及偏置增益调节后输出电压信号，输出的电压值做线性运算，将线性运算后得到的电压差值除以第一接收光学系统6的焦距，然后对得到的结果做反正切变换，就能得到被测面的倾角。

进一步的，第二激光器9出射的准直激光，经过直角棱镜10反射后，垂直入射到被测面3的漫反射区域中，经过被测面3的漫反射，漫反射光透过分光镜4进入到第二接收光学系统11中，并成像在第二光电探测器13的感应面上形成第二光斑，所述第二光电探测器13将所述第二光斑转换为第二电流信号，输入到位移计算电路15中，位移计算电路15对所述第二电流信号进行处理得到被测面3在法线方向上的位移。

示例性的，图6是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的被测面上的漫反射示意图，如图6所示，当第二激光器9出射的准直激光入射到被测面3的漫发射区域32时，发生漫反射，反射角等于入射角。进一步的，图7是本发明实施例三提供的一种测量倾角和位移的方法中的测量位移时光线变化的示意图，如图7所示，当被测面3发生法线方向的位移时，第二激光器9出射的准直激光入射到被测面3后相当于入射角发生变化，这样产生的反射角也会相应发生变化，反射光线也发生变化。当变化后的反射光线经过分光镜4以及反射镜5的反射后，再通过第二接收光学系统11以及第二窄带滤光片12后，最终在第二光电探测器13上的光斑也会发生位移。进一步的，当被测面3在法线方向的两个极限位置之间发生位移时，第二光电探测器13上的光斑也会发生位移，第二光电探测器13将光斑转换为第二电流信号，输入到位移计算电路15中，位移计算电路15对第二电流信号进行处理，输出的电流信号经过电流电压转换、电压信号运算和滤波后得到的两次电压的差值与被测面3的位移值是一次函数关系，假设被测面上的光斑在初始位置时，光电探测器输出电压为U0，光斑发生位移ΔX时，输出电压为U1，则U1-U0＝K×ΔX，其中K为常数，即位移前后第二光电探测器13输出电压差值除以常数K可得到光斑发生的位移距离。

进一步的，所述被测面3中漫反射区域32近似为理想漫反射面，满足朗伯定律，由于被测面3的最大倾斜角为±1度，最大位移为±2mm，且漫反射区域32的红光光斑小于1mm，故被测面的倾角变化对第二光电探测器13上成像光斑位置影响基本没有。

本发明实施例三提供的测量倾角和位移的方法，第一激光器出射的激光，经过视窗片后光斑落在被测面的镜面反射区域上，经过分光镜、反射镜、第一接收光学系统以及第一窄带滤光片后，最后通过第一光电探测器将第一光斑转换为第一电流信号，输入到倾角计算电路中，计算倾角；第二激光器出射的激光，经过视窗片后第二光斑落在被测面的漫反射区域上，经过分光镜、反射镜、第二接收光学系统以及第二窄带滤光片后，最后通过第二光电探测器将第二光斑转换为第二电流信号，输入到位移计算电路中，计算位移。实现被测物的位移变化和倾角变化的同步、实时、准确测量，减少了位移和倾角的相互影响，提高了测试精度，由于采用双光束系统，可实现被测物倾角和位移的单独测量，增加了系统的可操作性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种测量倾角和位移的系统,其特征在于，包括：第一激光器、第二激光器、第一接收光学系统、第二接收光学系统、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第一光电探测器、第二光电探测器、视窗片、被测面、分光镜、反射镜、直角棱镜以及倾角计算电路和位移计算电路；

其中，所述视窗片位于所述被测面的上方，所述第一激光器位于所述视窗片的左上方；所述第二激光器和直角棱镜位于所述视窗片的上方，且所述第二激光器位于所述直角棱镜的左侧；

所述反射镜位于所述第二激光器和直角棱镜的上方，且与所述直角棱镜的斜面平行，所述第一接收光学系统位于所述反射镜的上方，所述第一窄带滤光片位于所述第一接收光学系统的上方，所述第一光电探测器位于所述第一窄带滤光片的上方，且所述反射镜的中心、第一接收光学系统中心、第一窄带滤光片的中心和第一光电探测器的中心位于同一条直线上；

所述分光镜位于所述视窗片的右上方、反射镜的右侧，且与所述反射镜平行，并且所述分光镜的中心和所述反射镜的中心组成的直线与所述视窗片平行，所述第二接收光学系统位于所述分光镜的右上方，所述第二窄带滤光片位于所述第二接收光学系统的右上方，所述第二光电探测器位于所述第二窄带滤光片的右上方，且所述分光镜的中心、所述第二接收光学系统的中心、第二窄带滤光片的中心和第二光电探测器的中心位于同一条直线上；

所述第一接收光学系统用于把第一激光器发射的激光束经被测面反射的反射激光束聚焦到处在焦平面处的第一光电探测器的感光面上，形成第一光斑；所述第二接收光学系统用于把第二激光器发射的激光束在被测面上形成的激光点成像到第二光电探测器的感光面上，形成第二光斑；

所述倾角计算电路与第一光电探测器电连接，用于处理所述第一光电探测器转换第一光斑得到的第一电流信号，得到测量的倾角；

所述位移计算电路与第二光电探测器电连接，用于处理所述第二光电探测器转换第二光斑得到的第二电流信号，得到测量的位移。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器、第一接收光学系统和第二接收光学系统、第一窄带滤光片和第二窄带滤光片、第一光电探测器和第二光电探测器、分光镜、反射镜以及直角棱镜分别固定有底座，所述的底座固定在同一块光学平面底板上。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光器为405纳米波长的半导体激光器，所述第二激光器为650纳米波长的半导体激光器；

所述分光镜反射405纳米波长的蓝紫光，透射650纳米波长的红光；

所述第一窄带滤光片透过405纳米波长的蓝紫光，所述第二窄带滤光片透过650纳米波长的红光。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一接收光学系统为会聚透镜，所述第二接收光学系统为消像差透镜。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一光电探测器为二维位置传感器，用于感应被测面倾角变化引起的信号变化，所述第二光电探测器为一维位置传感器，用于感应被测面在法线方向位移变化引起的信号变化。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被测面覆盖在摄像头镜面上，所述被测面的中间设定位置为漫反射区域，所述被测面的设定位置以外的区域为镜面反射区域。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直角棱镜为反射棱镜，用于把第二激光器发射的激光转折90度。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述倾角计算电路，包括：

第一电流电压转换模块、第二电流电压转换模块、第三电流电压转换模块和第四电流电压转换模块，分别与第一光电探测器相连，用于将第一光电探测器传输的电流信号转换为电压信号；

第一加法器，输入端分别与所述第一电流电压转换模块、第二电流电压转换模块、第三电流电压转换模块和第四电流电压转换模块的输出端相连，用于对上述四个电流电压转换模块得到的电压信号进行加法运算；

第一减法器，输入端分别与所述第一电流电压转换模块、第二电流电压转换模块、第三电流电压转换模块和第四电流电压转换模块的输出端相连，用于对上述四个电流电压转换模块得到的电压信号进行减法运算；

第二减法器，输入端分别与所述第一电流电压转换模块、第二电流电压转换模块、第三电流电压转换模块和第四电流电压转换模块的输出端相连，用于对上述四个电流电压转换模块得到的电压信号进行减法运算；

第一除法器，输入端分别与所述第一加法器的输出端和第一减法器的输出端相连，用于将通过加法运算和减法运算得到的电压信号进行除法运算；

第二除法器，输入端分别与所述第一加法器的输出端和第二减法器的输出端相连，用于将通过加法运算和减法运算得到的电压信号进行除法运算；

第一滤波模块，输入端与所述第一除法器的输出端相连，用于去除高频噪声和脉冲干扰；

第二滤波模块，输入端与所述第二除法器的输出端相连，用于去除高频噪声和脉冲干扰；

第一偏置增益调节模块，输入端与所述第一滤波模块的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行偏置和增益调节；

第二偏置增益调节模块，输入端与所述第二滤波模块的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行偏置和增益调节；

第一输出模块，输入端与所述第一偏置增益调节模块的输出端相连，输出为X轴模拟输出，用于输出由于倾角变化引起的电压变化在X轴上的分量，所述X轴为与被测面法线方向垂直的平面上的直角坐标系中的横轴；

第二输出模块，输入端与所述第二偏置增益调节模块的输出端相连，输出为Y轴模拟输出，用于输出由于倾角变化引起的电压变化在Y轴上的分量，所述Y轴为与被测面法线方向垂直的平面上的直角坐标系中的纵轴。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述位移计算电路，包括：

第五电流电压转换模块和第六电流电压转换模块，分别与第二光电探测器相连，用于将第二光电探测器传输的电流信号转换为电压信号；

第二加法器，输入端分别与所述第五电流电压转换模块和第六电流电压转换模块的输出端相连，用于对上述两个电流电压转换模块得到的电压信号进行加法运算；

第三减法器，输入端分别与所述第五电流电压转换模块和第六电流电压转换模块的输出端相连，用于对上述两个电流电压转换模块得到的电压信号进行减法运算；

第三除法器，输入端分别与所述第二加法器和第三减法器的输出端相连，用于将通过加法运算和减法运算得到的电压信号进行除法运算；

第三滤波模块，输入端与所述第三除法器的输出端相连，用于去除高频噪声和脉冲干扰；

第三偏置增益调节模块，输入端与所述第三滤波模块的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行偏置和增益调节；

第三输出模块，输入端与所述第三偏置增益调节模块相连，输出为Z轴模拟输出，用于输出位移变化在被测面法线方向上对应的电压信号，所述Z轴为被侧面法线。

10.一种测量倾角和位移的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的系统来执行，所述方法包括：

第一激光器出射的准直激光，经过视窗片后光斑落在被测面的镜面反射区域上，并被镜面反射区域反射形成镜面反射光，镜面反射光经过分光镜反射到反射镜上，并被反射镜反射进入到第一接收光学系统中，在处于第一接收光学系统的焦平面处的第一光电探测器上形成第一光斑，第一光电探测器将所述第一光斑转换为第一电流信号，输入到倾角计算电路中，倾角计算电路对所述第一电流信号进行处理得到被测面的倾角；

第二激光器出射的准直激光，经过直角棱镜反射后，垂直入射到被测面的漫反射区域中，经过被测面的漫反射，漫反射光透过分光镜进入到第二接收光学系统中，并成像在第二光电探测器的感应面上形成第二光斑，所述第二光电探测器将所述第二光斑转换为第二电流信号，输入到位移计算电路中，位移计算电路对所述第二电流信号进行处理得到被测面在法线方向上的位移。