CN105698684B - 基于多线阵ccd平行拼接的二维位置光学测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，包括光源合作目标、共用物镜、分光镜组和线阵CCD组；分光镜组包括依次设置在共用物镜输出光路上的多个分光镜；线阵CCD组包括与分光镜一一对应的多个线阵CCD，且每个线阵CCD通过各自光路分别与光源合作目标共轭；每个线阵CCD的光敏面位于直角坐标系的YOZ平面，光敏长度方向与OZ轴平行。测量时，将待测物体与在光源合作目标固连；光源合作目标经共用物镜、分光镜组后成像于线阵CCD组上，由第一线阵CCD、第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD共同完成光源合作目标的二维位置测量。本发明具有成本低、精度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，设计一种基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统。
背景技术
由于面阵CCD单维像元数较多，因此在高精度大范围内的二维位置测量中，常采用面阵CCD来进行测量，但这种光学系统价格较为昂贵。与面阵CCD相比，线阵CCD价位较为低廉，且其一维像元数可以做得很多，而总像元数较面阵CCD少，像元尺寸比较灵活，每秒的帧幅率高，因此线阵CCD常用于一维动态目标的位置测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、精度高的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统。
为实现二维位置测量，线阵CCD需要与特定的一维转二维的特殊光源合作目标相结合使用才能完成，并且线阵CCD的一维像元应足够完成对应维的测量。通过多个线阵CCD平行拼接，每个线阵CCD对相应的较小测量区域进行测量，从而由多个线阵CCD共同完成高精度大范围内的二维位置测量。
基于上述原理，本发明的技术方案是：
基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统包括光源合作目标、共用物镜、分光镜组和线阵CCD组；光源合作目标由光源经匀光系统照亮刻划板形成；线阵CCD组中每个线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量；其特殊之处在于：
上述共用物镜设置在能够接收光源合作目标所发出的光线的位置处；
上述分光镜组包括依次设置在共用物镜输出光路上的多个分光镜，依次记为第一分光镜，第二分光镜，第三分光镜，……，第N分光镜；
上述线阵CCD组包括与每个分光镜一一对应的多个线阵CCD，依次记为第一线阵CCD，第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD，且每个线阵CCD通过各自光路分别与光源合作目标共轭；每个线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面，光敏长度方向与空间直角坐标系的OZ轴平行。当线阵CCD的数量N为奇数时，第(N+1)/2线阵CCD的光敏长度方向相对于系统的各路输出光轴无Y向平移距离，且相邻两个线阵CCD之间的Y向间距为像方高度的1/N；当线阵CCD的数量N为偶数时，第N/2线阵CCD与第N/2+1线阵CCD的光敏长度方向相对于系统的各路输出光轴沿Y向的平移距离为像方高度的1/2N，且相邻两个线阵CCD之间的Y向间距均为像方高度的1/N。
上述光源合作目标的Y向尺寸大于系统在Y向测量范围的1/N；刻划板上的刻线不能交叉，刻线在像方的最小间距大于1个像元。
测量时，将待测物体固连在光源合作目标上；光源合作目标经共用物镜、分光镜组后分别成像于第一线阵CCD、第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD上，由第一线阵CCD、第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD共同完成光源合作目标的二维位置测量。
基于以上基本技术方案，本发明还作出了如下优化：
在分光镜组和线阵CCD组之间的光路上设置场镜组，以补偿各光路的光程，提高测量精度。
上述刻划板上的刻划目标为M形、V形或N形，刻线宽度在像方占3～5个像元大小。
为减小装配复杂度，上述分光镜组由N个分光镜胶合组成，其中第一分光镜为直角棱镜，其余分光镜均为斜方棱镜。
为使每个线阵CCD接收到的光能量基本相等，上述第一分光镜和第二分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为(1-1/N)：1/N，第二分光镜和第三分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为1-(1/(N-1))：1/(N-1)，第三分光镜和第四分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为1-(1/(N-2))：1/(N-2)，……，第N-2分光镜和第N-1分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为0.67：0.33，第N-1分光镜和第N分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为0.5：0.5。
上述分光镜组采用3个分光镜胶合组成。
上述共用物镜、分光镜组和场镜组为宽谱段光学组件或窄谱段光学组件。
为减小系统的能量损失，上述光源合作目标由激光、LED或者其他宽谱段照明光源经匀光系统照亮刻划板形成；或者由不同颜色的窄谱段光源分时点亮或与线阵CCD同步频闪照亮刻划板形成。同时，在第一分光镜和第二分光镜的胶合面、第二分光镜和第三分光镜的胶合面均镀颜色分光膜。
上述共用物镜由多个正负镜组合组成；在宽谱段的使用情况中，正镜采用冕牌玻璃，负镜采用火石玻璃。
本发明的优点是：本发明采用多个线阵CCD平行拼接，且各线阵CCD之间共面性和平行度充分可调，通过合理布局多个线阵CCD，将其各自放在独立的位置并分别相对于特殊设计的光源合作目标共轭成像，共同完成光源合作目标的二维位置测量，并且在大测量范围内能保证系统的测量精度。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的一个具体实施案例的结构示意图；
图2.1，图2.2，图2.3分别为图2中三路光学系统光线追迹图；
图3为本发明的光源合作目标的一个具体形式的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明所提供的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统包括光源合作目标1、共用物镜2、分光镜组3、场镜组4和线阵CCD组5。
共用物镜2用于收集各视场光束，分光镜组3用于对光束进行分光，场镜组4用于校正分光后各路不同视场光束的光程差。
光源合作目标1由激光或者LED光源或其他照明光源经匀光系统照亮刻划板组成，为减小测量过程的光能量损失，可采用宽谱段的激光或者LED光源或者其他宽谱段的照明光源；当系统所采用的线阵CCD的数量为N时，光源合作目标1的Y向尺寸大于系统在Y向测量范围的1/N；为防止系统出现测量盲区，刻划板上的刻线不能交叉，刻线在像方的最小间距大于1个像元。本发明刻划板上的刻划目标可采用M形、V形或N形。
图3为光源合作目标1的一个具体形式的结构示意图。系统的线阵CCD组由3个线阵CCD平行拼接，光源合作目标1的Y向尺寸Ny大于Y向测量范围的1/3，且光源合作目标1的刻线宽度在像方约占3-5个像元大小，为防止本发明的测量系统出现盲区，刻线不能交叉，即刻线在像方的最小间距大于1个像元。
共用物镜2设置在能够接收光源合作目标1所发出的光线的位置处。共用物镜2可由多个正负镜组合组成，在宽谱段的使用情况中，正镜采用冕牌玻璃，负镜采用火石玻璃以消除色差影响。
分光镜组3包括依次设置在共用物镜2输出光路上的多个分光镜，依次记为第一分光镜31，第二分光镜32，……，第N分光镜3N。
线阵CCD组5包括与分光镜组3中每个分光镜一一对应的多个线阵CCD，依次记为第一线阵CCD51，第二线阵CCD52，……，第N线阵CCD5N，且每个线阵CCD通过各自光路分别与光源合作目标共轭；每个线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面，光敏长度方向与空间直角坐标系的OZ轴平行；线阵CCD组5中每个线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量。
当线阵CCD的数量N为奇数时，第(N+1)/2线阵CCD的光敏长度方向相对于系统的输出光轴无Y向平移距离，且相邻两个线阵CCD之间的Y向间距为像方高度的1/N；当线阵CCD的数量N为偶数时，第N/2线阵CCD与第N/2+1线阵CCD的光敏长度方向相对于各自所在光路的光轴沿Y向的平移距离为像方高度的1/2N，且相邻两个线阵CCD之间的Y向间距均为像方高度的1/N。
光源合作目标1经共用物镜2、分光镜组3后分别成像于各线阵CCD上，由各线阵CCD共同完成光源合作目标1的二维位置测量。
作为优化，本发明在分光镜组3和线阵CCD组5之间的光路上设置有场镜组4，以补偿各光路的光程，提供系统的测量精度。
采用本发明所提供的测量系统对待测物体进行测量的具体过程是：
将光源合作目标1与被测物体固连，当光源合作目标1运动相对于二维测量光学系统在一定平面内进行运动时，通过对光源合作目1成像，完成光源合作目标的二维位置测量，即完成对被测物体的二维位置测量。
下面通过一个具体实施例对本发明作详细说明。
图2为本发明的一个具体实施例，图2.1，图2.2，图2.3分别为本实施例中三路光学系统的光线追迹图。
在该实施例中：
共用物镜2由至少两片正球透镜和负球透镜组成，其中正球透镜采用冕牌玻璃制成，负球透镜采用火石玻璃制成，以消除成像时的色差影响。
分光镜组3由第一分光镜31、第二分光镜32和第三分光镜33依次胶合组成，以降低系统装配复杂度。第一分光镜31采用直角棱镜，第二分光镜32和第三分光镜33均采用斜方棱镜；并且第一分光镜31和第二分光镜32的胶合面透射率与反射率之比为0.67:0.33，第二分光镜32和第三分光镜33的胶合面透射率与反射率之比为0.5:0.5。
相应的，线阵CCD组5由三个线阵CCD组成，即由第一线阵CCD51、第二线阵CCD52和第三线阵CCD53组成，并且第一线阵CCD51、第二线阵CCD52和第三线阵CCD53的光敏面均位于空间直角坐标系的YOZ平面上，光敏长度方向均与空间直角坐标系的OZ轴平行；同时，在每个分光镜和每个线阵CCD之间的光路上均设置场镜，相应地记为第一场镜41、第二场镜42和第三场镜43。
第一线阵CCD51位于第一场镜41的成像平面上(即光源合作目标1在该光路上的共轭成像面处)，其光敏长度方向相对于第一线阵CCD51所在光路的光轴有Y向的平移距离ΔY。
第二线阵CCD52设置在第二场镜42的成像平面上(即光源合作目标1在该光路上的共轭成像面处)，其光敏长度方向相对于第二线阵CCD52所在光路的光轴无Y向的平移距离。
第三线阵CCD53设置在第三场镜43的成像平面上(即光源合作目标1在该光路上的共轭成像面处)，其光敏长度方向相对于第三线阵CCD53所在光路的光轴有Y向的平移距离-ΔY。
上述ΔY等于1/3像方高度。
光源合作目标1经共用物镜2、分光镜组3和场镜组4后分别成像于第一线阵CCD51、第二线阵CCD52和第三线阵CCD53上，由第一线阵CCD51、第二线阵CCD52和第三线阵CCD53共同完成光源合作目标的二维位置测量。
当上述线阵CCD51、线阵CCD52和线阵CCD53的单个像元大小均为7μm，整个光学系统焦距为f＝300mm，工作距离(测量距离)为9.8m，测量范围为570mm×570mm。光源合作目标1为N型，当取图像处理算法精度约为0.1像素时，则X向探测精度约为0.04mm，Y向探测精度与α大小有关，当α＝45°时，Y向探测精度基本与X向探测精度相同。
本发明可广泛应用于高精度、大范围二维位置测量，该系统还可以与其他一维测量系统共同组合完成三维测量。
Claims (10)
1.基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，包括光源合作目标、共用物镜、分光镜组和线阵CCD组；所述光源合作目标由光源经匀光系统照亮刻划板形成；所述线阵CCD组中每个线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量；其特征在于：
所述共用物镜设置在能够接收光源合作目标所发出的光线的位置处；
所述分光镜组包括依次设置在共用物镜输出光路上的多个分光镜，依次记为第一分光镜，第二分光镜，第三分光镜，……，第N分光镜；
所述线阵CCD组包括与所述分光镜一一对应的多个线阵CCD，依次记为第一线阵CCD，第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD，且每个线阵CCD通过各自光路分别与光源合作目标共轭；每个线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面，光敏长度方向与空间直角坐标系的OZ轴平行；
当线阵CCD的数量N为奇数时，第(N+1)/2线阵CCD的光敏长度方向相对于系统的各路输出光轴无Y向平移距离，且相邻两个线阵CCD之间的Y向间距均为像方高度的1/N；
当线阵CCD的数量N为偶数时，第N/2线阵CCD的光敏长度方向相对于其所在光路的光轴沿Y向平移1/2N，第N/2+1线阵CCD的光敏长度方向相对其所在光路的光轴沿Y向平移-1/2N，且相邻两个线阵CCD之间的Y向间距均为像方高度的1/N；
所述光源合作目标的Y向尺寸大于系统在Y向测量范围的1/N；所述刻划板上的刻线不能交叉，刻线在像方的最小间距大于1个像元；
测量时，将待测物体与在光源合作目标固连；光源合作目标经共用物镜、分光镜组后分别成像于第一线阵CCD、第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD上，由第一线阵CCD、第二线阵CCD，第三线阵CCD，……，第N线阵CCD共同完成光源合作目标的二维位置测量。
2.根据权利要求1所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：在分光镜组和线阵CCD组之间的光路上设置有场镜组。
3.根据权利要求2所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述刻划板上的刻划目标为M形、V形或N形，刻线宽度在像方占3～5个像元大小。
4.根据权利要求3所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述分光镜组由第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜，……，第N分光镜胶合组成；所述第一分光镜为直角棱镜，其余分光镜均为斜方棱镜。
5.根据权利要求4所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述第一分光镜和第二分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为(1-1/N)：1/N，第二分光镜和第三分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为1-(1/(N-1))：1/(N-1)，第三分光镜和第四分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为1-(1/(N-2))：1/(N-2)，……，第N-2分光镜和第N-1分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为0.67：0.33，第N-1分光镜和第N分光镜的胶合面的透射率与反射率之比为0.5：0.5。
6.根据权利要求5所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述分光镜组由第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜胶合组成。
7.根据权利要求1或5或6所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述共用物镜、分光镜组和场镜组为宽谱段光学组件或窄谱段光学组件。
8.根据权利要求6所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述光源合作目标由激光、LED或者宽谱段照明光源经匀光系统照亮刻划板形成；所述第一分光镜和第二分光镜的胶合面、第二分光镜和第三分光镜的胶合面均镀有颜色分光膜。
9.根据权利要求6所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述光源合作目标由不同颜色的窄谱段光源分时点亮或者与线阵CCD同步频闪照亮刻划板形成；所述第一分光镜和第二分光镜的胶合面、第二分光镜和第三分光镜的胶合面均镀有颜色分光膜。
10.根据权利要求1所述的基于多线阵CCD平行拼接的二维位置光学测量系统，其特征在于：所述共用物镜由多个正负镜组合组成；在宽谱段的使用情况中，正镜采用冕牌玻璃，负镜采用火石玻璃。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |