CN106249222B - 一种飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置 - Google Patents

一种飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置，包括聚焦透镜、光电探测器和处理机构，所述聚焦透镜用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束聚焦到所述光电探测器上，所述处理机构用于计算激光光轴与机械轴的倾斜量和平移量。本发明提供的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置是基于旋转成像和图像处理法进行检测，从而实现激光光轴与机械轴偏移量(包括倾斜与平移)的高精度测量。而且，本发明可以采用同一套标定装置对激光光轴与机械轴的倾斜与平移量进行检测，从而减小了测量误差以及简化了标定装置的整体结构。另外，本发明实现方便、结构简单，具有较高的测量精度。

Description

一种飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置。
背景技术
随着光电技术的发展，集目标探测、跟踪扫描和激光测距为一体的光电检测系统在大尺寸工业测量领域中得到了广泛的应用，如激光测距机，光电经纬仪、激光跟踪仪等等。
飞秒激光跟踪仪是在传统激光跟踪仪的基础上，采用最先进的飞秒激光测距原理，使仪器测量范围更大、精度更高、测量速度更快，它突破了传统测距在测程、精度和测量速度方面难以协调的矛盾，从根本上解决长期困扰测距领域的技术瓶颈，是对传统测距技术的一次革命，是大型科学工程和大型高端装备制造中急需的测量装备。
飞秒激光跟踪仪的工作原理：首先在目标点上安置一个反射器，其目的是将入射的激光光束按原路返回。然后将跟踪仪发出的激光光束瞄准目标反射器中心，当目标带着反射器一起移动时，跟踪仪发出的激光光束始终对准目标反射器中心，保持实时跟踪。此时，返回的光束被检测系统所接收，用来实时测算目标的空间坐标，从而确定目标的空间位置。
飞秒激光跟踪仪光轴几何误差主要由激光光轴与机械轴倾斜误差和平移误差两个部分，为了提高仪器的指向精度和跟踪性能，需要保证仪器出射的激光光束和机械轴的重合，然而对现有的光学仪器设备当中，通常是依靠加工安装精度来进行保证，这种方式对加工和安装工艺要求较高，或者依靠人眼判断进行调节，这种方式一般精度较低。由于激光光束中心线难以实现直接测量，导致仪器的激光光轴与机械轴间的偏移量(包括倾斜与平移)也较难直接精确测量，从而无法实现精确的调节。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置，以实现对仪器的激光光轴和机械轴同轴度检测的精确性。
本发明提供的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置包括聚焦透镜、光电探测器和处理机构，所述聚焦透镜用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束聚焦到所述光电探测器上，所述处理机构用于计算激光光轴与机械轴的倾斜量和平移量。
在本发明的一些实施例中，还包括位于飞秒激光跟踪仪的出光口与聚焦透镜之间的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束反射至第二直角棱镜，所述第二直角棱镜用于将激光光束反射至聚焦透镜。
在本发明的一些实施例中，还包括位于光电探测器与聚焦透镜之间平面反射镜，所述平面反射镜用于将聚焦后的激光光束反射至光电探测器。
在本发明的一些实施例中，还包括位于光电探测器与平面反射镜之间衰减片。
在本发明的一些实施例中，所述处理机构包括倾斜量计算单元，
用于当所述光电探测器位于聚焦透镜的像方焦平面上、且所述标定装置随着机械轴一起旋转时，计算会聚在所述光电探测器上的激光光斑的移动轨迹的半径；其轨迹半径r1＝f'·tanθ，其中，θ为激光光束的中心轴与机械轴之间的夹角，f’为聚焦透镜的焦距。
在本发明的一些实施例中，所述处理机构还包括平移量计算单元，
用于当激光光轴与机械轴平行、且所述标定装置随着机械轴一起旋转时，计算会聚在所述光电探测器上的激光光斑的移动轨迹的半径，其轨迹半径其中，Δl为光电探测器与聚焦透镜像方焦平面的偏离距离，d为激光光束的中心轴与机械轴之间的平移量，。
在本发明的一些实施例中，还包括支撑底板，所述支撑底板用于支撑起第一直角棱镜、第二直角棱镜、聚焦透镜、平面反射镜、衰减片和光电探测器。
在本发明的一些实施例中，所述支撑底板上开设有凹槽，所述第一直角棱镜安装在该凹槽内，所述凹槽上开设有通孔，所述通孔用于导出飞秒激光跟踪仪发出的激光光束，从而使激光光束射入第一直角棱镜；
所述支撑底板上的凹槽的两侧分别设置有第二直角棱镜安装架和光电探测器底座支撑柱，所述第二直角棱镜安装架用于支撑第二直角棱镜、聚焦透镜、平面反射镜，所述光电探测器底座支撑柱用于支撑衰减片、光电探测器。
在本发明的一些实施例中，所述第二直角棱镜安装架上安装有聚焦透镜安装架，所述聚焦透镜安装架开设有凹槽，所述凹槽用于安装聚焦透镜；
所述聚焦透镜安装架上安装有平面反射镜支架底柱，所述平面反射镜支架底柱上安装有平面反射镜支架，所述平面反射镜支架用于安装平面反射镜。
在本发明的一些实施例中，所述标定装置还包括光电探测器底座、移动底板和光电探测器支撑底板，所述光电探测器底座作为光电探测器和光电探测器底座支撑柱的转接件，所述光电探测器支撑底板上连接移动底板，所述移动底板用于连接光电探测器底座支撑柱，从而固定光电探测器；
所述光电探测器支撑底板上开设有两条滑道，所述移动底板能够在所述滑道上滑动，并与所述光电探测器支撑底板进行固定，从而使移动底板带动所述光电探测器进行移动。
从上面的所述可以看出，本发明提供的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置是基于旋转成像和图像处理法进行检测，从而实现激光光轴与机械轴偏移量的高精度测量。而且，本发明可以采用同一套标定装置对激光光轴与机械轴的倾斜与平移量进行检测，从而减小了测量误差以及简化了标定装置的整体结构。另外，本发明实现方便、结构简单，具有较高的测量精度。
附图说明
图1为本发明一个实施例的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定原理图。
其中：11-第一直角棱镜；12-第二直角棱镜；13-聚焦透镜；14-平面反射镜；15-衰减片；16-光电探测器；17-处理机构；201-支撑底板；202-第二直角棱镜安装架；203-光电探测器底座支撑柱；204-聚焦透镜安装架；205-聚焦透镜压圈；206-平面反射镜支架底柱；207-平面反射镜支架；208-平面反射镜压圈；209-衰减片压圈；210-衰减片安装架；211-光电探测器底座；212-移动底板；213-光电探测器支撑底板；31-激光光束；33-光电探测面；34-机械轴。
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，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
参见图1，其为本发明一个实施例的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置的结构示意图。作为本发明的一个实施例，所述飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置包括聚焦透镜13、光电探测器16和处理机构17，所述聚焦透镜13用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束聚焦到所述光电探测器16上，所述处理机构17用于计算激光光轴与机械轴的倾斜量和平移量。继而可以根据所述倾斜量和平移量调整激光光轴和机械轴，使两者同轴。
进一步地，所述标定装置还包括位于飞秒激光跟踪仪的出光口与聚焦透镜12之间的第一直角棱镜11和第二直角棱镜12，如图1所示，所述第一直角棱镜11用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束反射至第二直角棱镜12，所述第二直角棱镜12用于将激光光束反射至聚焦透镜13。而且，所述标定装置还可以包括位于光电探测器16与聚焦透镜13之间平面反射镜14，所述平面反射镜14用于将聚焦后的激光光束反射至光电探测器16。在本发明的又一个实施例中，所述光电探测器16位于机械轴的一侧，所述第二直角棱镜12、平面反射镜14和聚焦透镜13位于机械轴的另一相对侧。可见，本发明通过设置所述第一直角棱镜11、第二直角棱镜12和平面反射镜14，使光路进行折转，可以减小该标定装置的结构体积。
在本发明的另一个实施例中，所述标定装置还包括位于光电探测器16与平面反射镜14之间衰减片15，所述衰减片15用于遮挡环境光，以提高激光光斑的探测精度，同时减小激光的光功率，以免功率过大而导致损坏光电探测器16。如图1所示，飞秒激光跟踪仪发出的激光光束经第一直角棱镜11和第二直角棱镜12后入射到聚焦透镜13上，经透镜聚焦13并由平面反射镜14反射后，最终由光电探测器16接收，所述聚焦透镜13用于成像，将激光光束聚焦到光电探测器16上，以便光电探测器16进行探测，所述处理机构17对光电探测器16的探测结果进行计算，计算得到激光光轴与机械轴的倾斜量和平移量。
飞秒激光跟踪仪的机械轴以其自身为中心轴转动，所述标定装置随着机械轴一起转动。优选地，所述标定装置以机械轴为中心轴，并随着机械轴一起转动。在本发明的又一个实施例中，所述处理机构17包括倾斜量计算单元，用于当所述标定装置随着机械轴一起旋转时，计算会聚在所述光电探测器16上的激光光斑的移动轨迹的半径。在本发明的另一个实施例中，所述处理机构17还包括平移量计算单元，用于当激光光轴与机械轴平行、且所述标定装置随着机械轴一起旋转时，计算会聚在所述光电探测器16上的激光光斑的移动轨迹的半径。
当光电探测器16位于聚焦透镜13的像方焦平面上时，如果激光光轴与机械轴存在夹角，随着跟踪仪的机械轴带着整个标定装置进行旋转，在光电探测器16上会聚的激光光斑的移动轨迹为圆，通过测量圆的半径即可算出激光光轴与机械轴的倾斜量。调节激光光轴的方位使在光电探测器16上会聚的激光光斑轨迹半径逐渐减小，直至为零，此时激光光轴与机械轴平行。在校正好激光光轴与机械轴倾斜误差的情况下，移动光电探测器16使其位于聚焦透镜13的像方焦平面左右一段距离(即不位于聚焦透镜13的像方焦平面上)，此时如果激光光轴与机械轴存在平移，随着仪器的机械轴带着整个标定装置进行旋转，在光电探测器16上会聚的激光光斑的移动轨迹为圆，通过测量圆的半径即可算出激光光轴与机械轴的平移量。调节激光光轴的方位使在光电探测器16上会聚的激光光斑轨迹半径逐渐减小，直至为零，此时激光光轴与机械轴重合。
参见图2，其为本发明另一个实施例的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置的结构示意图。在该实施例中，所述装置包括第一直角棱镜11、第二直角棱镜12、聚焦透镜13、平面反射镜14、衰减片15、光电探测器16和处理机构17，还包括支撑底板201，所述支撑底板201用于支撑起第一直角棱镜11、第二直角棱镜12、聚焦透镜13、平面反射镜14、衰减片15和光电探测器16。
所述支撑底板201上开设有凹槽，所述第一直角棱镜11安装在该凹槽内，所述凹槽上开设有通孔，所述通孔用于导出激光跟踪仪发出的激光光束，从而使激光光束射入第一直角棱镜11。优选地，所述支撑底板201的中心开设有一个正方形凹槽，所述第一直角棱镜11安装在该凹槽内，且所述凹槽的中心开设有一个直径为20mm的通孔。优选地，为了减小结构尺寸，可以采用胶粘方式将所述第一直角棱镜11固定在凹槽内。
进一步地，所述支撑底板201上的凹槽的两侧分别设置有第二直角棱镜安装架202和光电探测器底座支撑柱203，所述第二直角棱镜安装架202用于支撑第二直角棱镜12、聚焦透镜13、平面反射镜14，所述光电探测器底座支撑柱203用于支撑衰减片15、光电探测器16，从而使整个装置能够随着机械轴一起转动。优选地，所述第二直角棱镜安装架202上开设有凹槽，所述第二直角棱镜12安装在该凹槽内，所述凹槽上开设有通孔，所述通孔用于导出激光跟踪仪发出的激光光束，从而使激光光束射入第二直角棱镜12。优选地，所述第二直角棱镜安装架202的中心开设有一个正方形凹槽，所述第二直角棱镜12安装在该凹槽内，且所述凹槽的中心开设有一个直径为20mm的通孔。优选地，为了减小结构尺寸，可以采用胶粘方式将所述第二直角棱镜12固定在凹槽内。所述第二直角棱镜安装架202上安装有聚焦透镜安装架204，所述聚焦透镜安装架204上开设有凹槽，所述凹槽用于安装聚焦透镜13。进一地步，还可以采用聚焦透镜压圈205将聚焦透镜13固定在聚焦透镜安装架204上。
在本发明的又一个实施例中，所述聚焦透镜安装架204上安装有平面反射镜支架底柱206，所述平面反射镜支架底柱206上安装有平面反射镜支架207，所述平面反射镜支架207用于安装平面反射镜14。优选地，还可以采用平面反射镜压圈208将平面反射镜14固定在平面反射镜支架207上。较佳地，所述平面反射镜支架207的底面具有四个通孔，分别与四个平面反射镜支架底柱206的螺纹孔配合，以将其固定。
所述光电探测器底座支撑柱203上安装有光电探测器16，可选地，所述光电探测器16为CCD相机。所述光电探测器16上安装有衰减片安装架210，所述衰减片安装架210上开设有凹槽，所述凹槽用于安装衰减片15。优选地，可以采用衰减片压圈209将衰减片15固定在衰减片安装架210上。
在本发明的又一个实施例中，所述标定装置还包括光电探测器底座211，所述光电探测器底座211作为光电探测器16和光电探测器底座支撑柱203的转接件。在本发明的又一个实施例中，所述标定装置还包括移动底板212和光电探测器支撑底板213，所述光电探测器支撑底板213上连接移动底板212，所述移动底板212用于连接光电探测器底座支撑柱203，从而固定光电探测器16。优选地，所述光电探测器支撑底板213上开设有两条滑道，所述滑道可以是长60mm、宽3.5mm的通孔，所述移动底板212能够在所述滑道上滑动，并与所述光电探测器支撑底板213进行固定，从而使移动底板212带动所述光电探测器16进行移动。可以采用螺纹加螺帽固定的方式对移动底板212和光电探测器支撑底板213进行固定，可使移动底板212带着光电探测器16进行左右移动调节，从而使所述光电探测器16位于聚焦透镜13的像方焦平面上，或者偏离聚焦透镜13的像方焦平面。
使用该标定装置进行几何误差标定的方法包括以下步骤：
1.首先将第一直角棱镜11、第二直角棱镜12、聚焦透镜13、平面反射镜14和衰减片15各自安装到相应的支座上，并将装好的支座和CCD相机16固定到飞秒激光跟踪仪的跟踪头上，如图2所示。打开飞秒激光跟踪仪的光源和CCD相机16(光电探测器)，调节CCD相机16的位置使其刚好位于聚焦透镜13的像方焦平面上。
2.使飞秒激光跟踪仪的机械轴带动整个标定装置进行水平旋转，在CCD相机16上观察激光光斑的移动轨迹。如图3-(a)所示，当激光光束31的中心轴与机械轴34重合或平行时，经聚焦透镜13聚焦后在CCD探测面33上的聚焦点为A，而该点的位置不随机械轴34的旋转而发生改变，如果激光光束31的中心轴与机械轴34间存在微小夹角θ，则激光光束31经聚焦透镜13聚焦后，在CCD探测面33上的交点为B，且该点的位置随机械轴34的旋转形成圆形轨迹，其轨迹半径r1可表示为：
r1＝f'·tanθ (1)
其中，f’为聚焦透镜13的焦距。
通过处理机构17采集机械轴旋转过程中的多个位置处，在CCD探测面33上的会聚激光光斑图像，并对其进行相应的图像处理提取图像中激光光斑的中心，获得图像坐标算出激光光斑轨迹半径r1的大小，即可计算出仪器的激光光轴与机械轴的倾斜误差。由公式(1)可知，CCD相机16的分辨率越高，激光光斑提取精度越高，即所能提取的激光光斑轨迹圆半径r1越小，且聚焦透镜13的焦距f越大，则所能检测夹角θ的分辨率越高。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。
3.在调节好激光光束31和机械轴34倾斜角度的情况下，向左平移CCD相机16，使CCD探测面33与聚焦透镜13像方焦平面偏离Δl距离。需要说明的是，光电探测器可以位于聚焦透镜13像方焦平面的两侧，从而使探测面偏离于聚焦透镜13像方焦平面一段距离。如图3-(b)所示，当激光光束31的中心轴与机械轴34重合时，经聚焦透镜13聚焦后，在CCD探测面33上的会聚的激光光斑位置为A点，该点的位置不随机械轴34的旋转而发生改变，如果激光光束31的中心轴与机械轴34存在微小平移量d，则经聚焦透镜13聚焦后在CCD探测面33上会聚激光光斑位置会随机械轴34的旋转形成圆形轨迹，其轨迹半径r2可表示为：
与步骤2同理，通过处理机构17采集机械轴旋转过程中的多个位置处，在CCD探测面33上的会聚激光光斑图像，并对其进行相应的图像处理提取图像中激光光斑的中心，获得图像坐标算出激光光斑轨迹半径r2的大小，即可计算出仪器的激光光轴与机械轴的平移误差。由公式(2)可知，CCD相机16的分辨率越高，激光光斑提取精度越高，即所能提取的激光光斑轨迹圆半径r1越小，且聚焦透镜13的焦距f越小或离焦量Δl越大，则所能检测夹角θ的分辨率越高。同理，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。
由此可见，本发明提供的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置及方法基于旋转成像和图像处理法进行检测，从而实现仪器激光光轴与机械轴偏移量的高精度测量。而且，本发明可以采用同一套标定装置分别对激光光轴与机械轴的倾斜与平移量进行检测，从而减小了测量误差以及简化了标定装置的整体结构。另外，本发明实现方便、结构简单，具有较高的测量精度。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (2)

1.一种飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置，其特征在于，包括聚焦透镜、光电探测器和处理机构，所述聚焦透镜用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束聚焦到所述光电探测器上，所述处理机构用于计算激光光轴与机械轴的倾斜量和平移量；还包括位于飞秒激光跟踪仪的出光口与聚焦透镜之间的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜用于将飞秒激光跟踪仪发出的激光光束反射至第二直角棱镜，所述第二直角棱镜用于将激光光束反射至聚焦透镜；还包括位于光电探测器与聚焦透镜之间的平面反射镜，所述平面反射镜用于将聚焦后的激光光束反射至光电探测器；所述光电探测器位于飞秒激光跟踪仪的机械轴的一侧，所述第二直角棱镜、平面反射镜和聚焦透镜位于飞秒激光跟踪仪的机械轴的另一相对侧；还包括位于光电探测器与平面反射镜之间的衰减片，其中，
所述处理机构包括倾斜量计算单元，用于当所述光电探测器位于聚焦透镜的像方焦平面上、且所述标定装置随着机械轴一起旋转时，计算会聚在所述光电探测器上的激光光斑的移动轨迹的半径；其轨迹半径r1＝f′·tanθ，其中，θ为激光光束的中心轴与机械轴之间的夹角，f′为聚焦透镜的焦距；所述处理机构还包括平移量计算单元，用于当激光光轴与机械轴平行、且所述标定装置随着机械轴一起旋转时，计算会聚在所述光电探测器上的激光光斑的移动轨迹的半径，其轨迹半径其中，Δl为光电探测器与聚焦透镜像方焦平面的偏离距离，d为激光光束的中心轴与机械轴之间的平移量；
所述标定装置还包括支撑底板，所述支撑底板用于支撑起第一直角棱镜、第二直角棱镜、聚焦透镜、平面反射镜、衰减片和光电探测器；所述支撑底板上开设有凹槽，所述第一直角棱镜安装在该凹槽内，所述凹槽上开设有通孔，所述通孔用于导出激光跟踪仪发出的激光光束，从而使激光光束射入第一直角棱镜；所述支撑底板上的凹槽的两侧分别设置有第二直角棱镜安装架和光电探测器底座支撑柱，所述第二直角棱镜安装架用于支撑第二直角棱镜、聚焦透镜、平面反射镜，所述光电探测器底座支撑柱用于支撑衰减片、光电探测器；所述第二直角棱镜安装架上安装有聚焦透镜安装架，所述聚焦透镜安装架开设有凹槽，所述凹槽用于安装聚焦透镜；所述聚焦透镜安装架上安装有平面反射镜支架底柱，所述平面反射镜支架底柱上安装有平面反射镜支架，所述平面反射镜支架用于安装平面反射镜；
所述标定装置还包括光电探测器底座、移动底板和光电探测器支撑底板，所述光电探测器底座作为光电探测器和光电探测器底座支撑柱的转接件，所述光电探测器支撑底板上连接移动底板，所述移动底板用于连接光电探测器底座支撑柱，从而固定光电探测器；移动底板带动所述光电探测器进行移动。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光跟踪仪光轴几何误差标定装置，其特征在于，所述光电探测器支撑底板上开设有两条滑道，所述移动底板能够在所述滑道上滑动，并与所述光电探测器支撑底板进行固定。
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