CN109489691A - 光学标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案公开了一种光学标定系统及标定方法，其中标定系统包括：反射透射单元，接收光束，并将光束反射后进行透射形成透射光束；全反射单元，接收所述透射光束并反射出全反射光束或折返光束，所述全反射光束与所述透射光束之间具有夹角，所述折返光束沿所述透射光束路径折返；感光单元，接收所述全反射光束或所述折返光束，确定所述全反射光束或所述折返光束的光斑坐标。本发明的技术方案提高了测量效率，减少了测量时长，且提高了测量数据的可靠性、一致性。

Description

光学标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及光学标定系统及标定方法。

背景技术

激光光束由于方向性强，且发散角极小，波束窄，能量在空间和频谱上高度集中，因此被广泛的运用于测量领域。其中激光测角技术，作用距离远、精度高、抗干扰能力强。激光测角是使用激光目标指示器对准目标发射激光束，激光镜头接收由目标漫反射回来的激光至四象限探测器，从而获得目标角度信息。

现有卫星产品中，涉及指向类机构等各类高精度转动机构产品的，其转轴的标定在卫星产品的研制中占有非常重要的地位，且转轴的标定对机构产品自身精度的修正及与卫星基准的关系的建立也至关重要。

目前，尚没有开展自动标定激光测角仪的转轴方向研究设计，严重制约了卫星产品生产校准领域的装调质量和效率，基于需求的现状，现急需开展相关研究。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光学标定系统及标定方法，避免测量效率低，耗时长，数据可靠性、一致性差的问题。

本申请的一方面提出一种光学标定系统，包括：反射透射单元，接收光束，并将光束反射后进行透射形成透射光束；全反射单元，接收所述透射光束并反射出全反射光束接收所述全反射光束或所述折返光束，确定所述全反射光束或所述折返光束的光斑坐标或折返光束，所述全反射光束与所述透射光束之间具有夹角，所述折返光束沿所述透射光束路径折返；感光单元，接收所述全反射光束或所述折返光束，确定所述全反射光束或所述折返光束的光斑坐标。

其中，所述反射透射单元为包括透射面和反射面的镜片，所述透射面与所述反射面为相对面。

其中，所述反射透射单元为柱状棱镜。

其中，所述反射面呈30°～60°的斜面。

其中，所述全反射单元为全反射镜。

其中，所述感光单元包括第一感光器和第二感光器。

其中，所述第一感光器为四象限感光器或八象限感光器或十六象限感光器。

其中，所述第一感光器接收所述全反射光束，确定所述全反射光束的光斑坐标。

其中，所述第二感光器接收所述折返光束，确定所述折返光束的光斑坐标。

其中，所述光学标定系统还包括：光源，发射光束。

其中，所述光源为激光源。

其中，所述光学标定系统还包括：基准单元，所述基准单元具有直角坐标系，其中一坐标方向与所述第一感光单元法线平行。

其中，所述基准单元为棱镜。

本申请的另一方面还提供了一种光学标定的方法，包括：光束照射于反射透射单元，经所述反射透射单元反射后再透射形成透射光束；所述透射光束通过全反射单元反射后，出射全反射光束或折返光束，所述全反射光束与所述透射光束之间具有夹角，所述折返光束沿所述透射光束路径折返；所述全反射光束或所述折返光束进入感光单元后，所述感光单元确定所述全反射光束或所述折返光束的光斑坐标。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

本申请所述的光学标定系统及标定方法中，反射透射单元反射的透射光束经由全反射单元反射后进入感光单元，全反射光束或折返光束的光斑射到感光单元上，感光单元测量出光斑坐标，并依据光斑坐标数据等自动计算出全反射单元法线方向在基准坐标系中的方向向量，进行自动有效的机构转轴标定，提高了测量效率，减少了测量时长，且提高了测量数据的可靠性、一致性。

进一步，通过基准单元将经过反射透射单元、全反射单元，最后进入感光单元的光束在坐标系中的方向标定好；另外将感光单元的二维基准轴与基准单元坐标系中相应的方向关系标定好；后续作为参考量与全反射光束或折返光束光斑的坐标进行比较校正，自动标定机构转轴的位置，提高了测量效率。

本申请中另外的特征将部分地在下面的描述中阐述。通过该阐述，使以下附图和实施例叙述的内容对本领域普通技术人员来说变得显而易见。本申请中的发明点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段及其组合来得到充分阐释。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：

图1是本发明光学标定系统一实施例示意图；

图2是图1侧剖视图；

图2A是图2的局部放大图；

图3是图1俯视图；

图4是图3的局部放大图。

具体实施方式

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。

这里使用的术语仅用于描述特定示例实施例的目的，而不是限制性的。比如，除非上下文另有明确说明，这里所使用的单数形式“一”，“一个”和“该”也可以包括复数形式。当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”和/或“含有”意思是指所关联的整数，步骤、操作、元素和/或组件存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或组的存在或在该系统/方法中可以添加其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或。

考虑到以下描述，本公开的这些特征和其他特征、以及结构的相关元件的操作和功能、以及部件的组合和制造的经济性可以得到明显提高。参考附图，所有这些形成本公开的一部分。然而，应该清楚地理解，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围。

目前，在卫星产品中，指向类机构等各类高精度转动机构产品转轴的标定多采用高精度平行光管或者经纬仪测量机构，并通过这些机构上平面镜随机构运动的特性来标定机构轴的方向。

采用高精度平行光管或者经纬仪测量机构产品上平面镜随机构运动的特性来标定机构轴的方向的方法均为人工测量，效率低，耗时长，数据可靠性，一致性差。

后经过创造性研究发现：在光学系统中，设置反射透射单元，光束通过反射透射单元，部分反射至全反射单元上，再经全反射单元全反射后进入第一感光单元，第一感光单元测量光束的光斑坐标，再结合光束与全反射单元法线的夹角等数据，自动计算出全反射单元法线方向向量，进行机构转轴轴向标定，提高了机构轴向标定效率。

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。

图1是本发明光学标定系统一实施例示意图，图2是图1侧剖视图，图 2A是图2的局部放大图，图3是图1俯视图，图4是图3的局部放大图。

先参考图1和图2、图2A，所述光学标定系统包括：

光源20，用于提供光束。

反射透射单元70，接收所述光源20出射的光束，所述光束在所述反射透射单元70内先反射后再透射，形成透射光束410。

全反射单元30，接收所述透射光束410并进行全反射，形成全反射光束430 或折返光束；所述全反射单元30具有与其表面垂直的法线420，所述透射光束 410、所述全反射光束430分布于所述全反射单元30的法线420两侧；折返光束沿所述透射光束410的原路径返回。

第一感光器40，接收所述全反射光束430，并测量所述全反射光束430的光斑坐标。

第二感光器60，接收经过所述全反射单元30反射后沿所述透射光束410 路径返回所述反射透射单元70，并再经由所述反射透射单元70中的反射面出射的光束，并进行检测定位所述折返光束的光斑坐标。

本实施例中，所述光源20为激光光源。

本实施例中，所述反射透射单元70是包括透射面和反射面的镜片，所述透射面与所述反射面为相对面。具体可以是柱状棱镜。如图2A所示，当所述反射透射单元70为柱状棱镜时，所述柱状棱镜反射面为呈30°～60°斜面，优选为45°。

具体如图4所示，所述柱状棱镜接收光束面80(即：反射面)接收从所述光源20射来的光束，所述反射面呈45°角，斜面朝向所述第二感光器60，光束经过内平面反射后，从透射面透射出去，形成透射光束410；所述透射光束410 被全反射单元30反射后会出现两种情况：一种是所述透射光束410原路返回射到呈45°角的反射面，光束从反射面朝向所述第二感光器60的外平面，被反射到所述第二感光器60上，并被所述第二感光器60接收；另外一种情况是所述透射光束410经由所述全反射单元30反射形成全反射光束430，由第一感光器40上接收并检测定位。上述两种情况均可以通过反射光束的光斑坐标，进一步解算出所述全反射单元30的法线420方向向量。

本实施例中，经过所述反射透射单元70反射出的反光光束410与所述第一感光器40的光束接收面垂直。

本实施例中，所述全反射单元30可以是全反射镜。

本实施例中，所述第一感光器40可以是四象限或八象限或十六象限等可以采集激光光斑坐标的感光器。所述四象限感光器是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，其中每个光电探测器件为一个象限。当全反射光束430在四象限感光器上成像时，四个象限上光电探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小以确定全反射光束430的光斑位于哪个象限上，以相应的坐标位置。

本实施例中，所述第二感光器60为接收点光源的感光器，感光器大小根据激光光斑大小选择合适大小即可。

继续参考图1，光学标定系统还包括：基准单元50，具有XYZ三维坐标系，所述第一感光单元40的法线与基准单元50的其中一坐标平行。

本实施例中，所述第一感光器40的法线与基准单元50的Y坐标平行。

本实施例中，所述基准单元50为代表直角坐标系的镜面体，例如棱镜。

本实施例中，所述基准单元50用于标定透射光束410在所述基准单元50 坐标系中的方向；以及标定第一感光器40的XY基准轴与所述基准单元50三维坐标系的方向关系。

光学标定系统还包括：基座10，用于承载光学部件，便于调节光路及标定路径。例如：本实施例中，所述基座10上放置有光源20、第一感光器40、第二感光器60和基准单元50。

上述光学标定系统进行光学标定的方法如下：光源20发出光束。所述光束进入所述反射透射单元70后，通过斜面朝向所述第二感光器60的反射面的内平面反射后，从所述反射透射单元70的透射面透射，形成透射光束410。所述透射光束410进入全反射单元30后，出射全反射光束430或折返光束；其中所述全反射光束430与所述透射光束410分布于所述全反射单元30的法线420 两侧；而折返光束沿所述透射光束410的原路径返回所述当所述反射透射单元 70。全反射光束430进入所述第一感光器40，所述第一感光器40测量并确定所述全反射光束430的光斑坐标；依据所述全反射光束的光斑坐标数据自动计算出所述全反射单元30法线420方向在基准单元50坐标系中的方向向量；然后根据方向向量进行自动有效的机构转轴标定。或者折返光束沿所述透射光束 410路径返回所述反射透射单元70；通过所述反射透射单元70中倾斜设置的反射面，并经由反射面朝向所述第二感光器60的外平面出射所述折返光束，定位所述折返光束的光斑坐标；依据折返光束的光斑坐标数据自动计算出所述全反射单元30法线420方向在基准单元50坐标系中的方向向量。

本申请所述的光学标定系统及标定方法中，反射透射单元反射的透射光束经由全反射单元反射后进入感光单元，全反射光束或折返光束的光斑射到感光单元上，感光单元测量出光斑坐标，并依据光斑坐标数据等自动计算出全反射单元法线方向在基准坐标系中的方向向量，进行自动有效的机构转轴标定，提高了测量效率，减少了测量时长，且提高了测量数据的可靠性、一致性。

进一步，通过基准单元将经过反射透射单元、全反射单元，最后进入感光单元的光束在坐标系中的方向标定好；另外将感光单元的二维基准轴与基准单元坐标系中相应的方向关系标定好；后续作为参考量与全反射光束或折返光束光斑的坐标进行比较校正，自动标定机构转轴的位置，提高了测量效率。

综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。

此外，本申请中的某些术语已被用于描述本公开的实施例。例如，“一个实施例”，“实施例”和/或“一些实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征，结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。因此，可以强调并且应当理解，在本说明书的各个部分中对“实施例”或“一个实施例”或“替代实施例”的两个或更多个引用不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征，结构或特性可以在本公开的一个或多个实施例中适当地组合。

应当理解，在本公开的实施例的前述描述中，为了帮助理解一个特征，出于简化本公开的目的，本申请有时将各种特征组合在单个实施例、附图或其描述中。或者，本申请又是将各种特征分散在多个本发明的实施例中。然而，这并不是说这些特征的组合是必须的，本领域技术人员在阅读本申请的时候完全有可能将其中一部分特征提取出来作为单独的实施例来理解。也就是说，本申请中的实施例也可以理解为多个次级实施例的整合。而每个次级实施例的内容在于少于单个前述公开实施例的所有特征的时候也是成立的。

本文引用的每个专利，专利申请，专利申请的出版物和其他材料，例如文章，书籍，说明书，出版物，文件，物品等，可以通过引用结合于此。用于所有目的的全部内容，除了与其相关的任何起诉文件历史，可能与本文件不一致或相冲突的任何相同的，或者任何可能对权利要求的最宽范围具有限制性影响的任何相同的起诉文件历史。现在或以后与本文件相关联。举例来说，如果在与任何所包含的材料相关联的术语的描述、定义和/或使用与本文档相关的术语、描述、定义和/或之间存在任何不一致或冲突时，使用本文件中的术语为准。最后，应理解，本文公开的申请的实施方案是对本申请的实施方案的原理的说明。其他修改后的实施例也在本申请的范围内。因此，本申请披露的实施例仅仅作为示例而非限制。本领域技术人员可以根据本申请中的实施例采取替代配置来实现本申请中的发明。因此，本申请的实施例不限于申请中被精确地描述过的哪些实施例。

Claims (14)

1.一种光学标定系统，其特征在于，包括：

反射透射单元，接收光束，并将光束反射后进行透射形成透射光束；

全反射单元，接收所述透射光束并反射出全反射光束或折返光束，所述全反射光束与所述透射光束之间具有夹角，所述折返光束沿所述透射光束路径折返；

感光单元，接收所述全反射光束或所述折返光束，确定所述全反射光束或所述折返光束的光斑坐标。

2.如权利要求1所述光学标定系统，其特征在于，所述反射透射单元为包括透射面和反射面的镜片，所述透射面与所述反射面为相对面。

3.如权利要求2所述光学标定系统，其特征在于，所述反射透射单元为柱状棱镜。

4.如权利要求2所述光学标定系统，其特征在于，所述反射面呈30°～60°的斜面。

5.如权利要求1所述光学标定系统，其特征在于，所述全反射单元为全反射镜。

6.如权利要求1所述光学标定系统，其特征在于，所述感光单元包括第一感光器和第二感光器。

7.如权利要求6所述光学标定系统，其特征在于，所述第一感光器为四象限感光器或八象限感光器或十六象限感光器。

8.如权利要求7所述光学标定系统，其特征在于，所述第一感光器接收所述全反射光束，确定所述全反射光束的光斑坐标。

9.如权利要求6所述光学标定系统，其特征在于，所述第二感光器接收所述折返光束，确定所述折返光束的光斑坐标。

10.如权利要求1所述光学标定系统，其特征在于，还包括：光源，发射光束。

11.如权利要求10所述光学标定系统，其特征在于，所述光源为激光源。

12.如权利要求1所述光学标定系统，其特征在于，还包括：基准单元，所述基准单元具有直角坐标系，其中一坐标方向与所述第一感光单元法线平行。

13.如权利要求12所述光学标定系统，其特征在于，所述基准单元为棱镜。

14.一种采用权利要求1～13任一光学标定系统进行光学标定的方法，其特征在于，包括：

光束照射于反射透射单元，经所述反射透射单元反射后再透射形成透射光束；

所述透射光束通过全反射单元反射后，出射全反射光束或折返光束，所述全反射光束与所述透射光束之间具有夹角，所述折返光束沿所述透射光束路径折返；

所述全反射光束或所述折返光束进入感光单元后，所述感光单元确定所述全反射光束或所述折返光束的光斑坐标。