CN109579782B - 一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置与方法；该装置由光源、分光镜、图像传感器、准直镜、固定平面反射镜以及合作靶标组成；该方法通过合作靶标，使测量光束分为两束相互垂直的测量光，分别经固定平面反射镜以及合作靶标反射后返回，分别在图像传感器上形成各自图像，利用该两图像位置解算出合作靶标相对于光轴的俯仰角、偏航角以及滚转角，从而具有对被测物空间三维转角的探测能力；由于本发明对于滚转角采用的是光杠杆放大原理，与俯仰角和偏航角的测量原理一致，因此对于三维角度测量均具有高精度大工作距的技术优势，进而具有在相同工作距离下增加测量精度，或在相同测量精度下增加工作距离的优势；此外，本发明所设计的合作靶标具有结构简单、制作成本低的技术优势。

Description

一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置与方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置与方法。

背景技术

在精密测量技术领域、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作距下进行大工作范围、高精度的自准直三维角度测量技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。

在精密测量技术与仪器领域，自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.001角秒。

在光学工程领域和尖端科学实验领域，自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路自准直仪组成位置基准，可以进行空间三维角度的测量。角度工作范围从几十角秒至几十角分。

在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。

自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。

传统自准直仪如图1所示，该装置包括光源1、透射式准直镜4、分光镜2以及图像传感器3；光源1出射的光束，经过透射式准直镜4准直成平行光束后，入射到被测物51的反射面；从被测物51反射面反射的光束，由图像传感器3采集成像。这种结构下，从被测物51表面反射的光束只携带了被测物两轴的空间角度信息。这个条件限制，使得该装置在测量被测物的空间角度信息时，不能测得被测物绕光轴方向转动的角度信息，只能测量到其它两轴的角度信息。

而基于光栅技术和图像处理技术的改进型自准直仪可以测得被测物空间三维角度信息，但存在以下两个问题：

第一、对于绕光轴方向的滚转角的测量原理与传统自准直仪对垂直于光轴的俯仰角和偏航角测量原理不一致，导致对被测物空间三维角度的测量精度不同，且基于图像处理技术的绕光轴方向滚转角测量精度与垂直于光轴的俯仰角和偏航角相比低了一个数量级；

第二、改进型自准直仪需利用光栅的衍射光来测量绕光轴方向旋转角角度信息，而衍射光存在较大的发散角。当仪器工作在大工作距的条件下时，测量光不能被图像传感器采集。使得改进型自准直仪在大工作距的工作条件下，不具备对被测物进行空间三维角度测量的能力。

因此传统自准直仪不能测量物体的空间三维角度信息。而以上两个问题，说明改进型自准直仪器具备测量物体的空间三维角度信息的能力，但绕轴方向滚转角的测量精度较低；并且不具备大工作距条件下三维角度测量能力。

发明内容

针对传统自准直角度测量装置所存在的不能测量被测物绕光轴方向的旋转角问题，本发明公开了一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置与方法，同传统自准直测量装置相比，具有在相同测量精度与工作距离的条件下同时测量被测物空间中绕三轴旋转角的三维角度的技术优势；而相较于其他自准直三维角度测量装置，在都具备同时测量被测物空间中绕三轴旋转角的三维角度的条件下，在绕光轴方向的旋转角测量中具有高精度、大工作距的技术优势。

本发明的目的是这样实现的：

一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置，包括光源、分光镜、图像传感器、透射式准直镜、固定平面反射镜、以及合作靶标；光源出射的光束，经过透射式准直镜准直成平行光束后。一路透过合作靶标中的分光镜，入射到合作靶标中的平面反射镜上，反射的光束再经过合作靶标中的分光镜透射后，由图像传感器采集成像；另一路被合作靶标中的分光镜反射，入射到固定平面反射镜上，反射的光束再经过合作靶标中的分光镜反射后，由图像传感器采集成像；

所述合作靶标包括分光镜和平面反射镜，其安装至被测物的测量表面上；而固定平面反射镜独立于合作靶标，其不与合作靶标和被测物相连，其固定于与光源、分光镜、图像传感器、透射式准直镜固定的相同测量基座上。当被测物发生空间三维角度转动时，合作靶标随被测物产生相同的空间三维角度转动，而固定平面反射镜和测量装置的其他部分固定于测量基座上不产生运动。

一种在上述高精度大工作距自准直三维角度测量装置上实现的高精度大工作距自准直三维角度测量方法，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标固定至被测物表面，放置固定平面反射镜使其镜面平行于分光镜的出射面；

步骤b、点亮光源，调整被测物以及固定平面反射镜的位置，使图像传感器接收的光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜的位置固定；

步骤c、组合靶标随被测物产生空间三维转动，图像传感器输出两个光斑的位移值，其中第一个光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，另外一个光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用第一个光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用另一个光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

有益效果：

同传统自准直角度测量装置相比，本发明将其中的平面镜靶标替换为合作靶标与固定平面反射镜作为物体空间三维转角探测单元。这种结构设置，将测量光束一分为二，一路经过合作靶标中的平面反射镜反射后携带了被测物俯仰角、偏航角的角度信息，另一路经过固定平面反射镜反射后携带了被测物绕光轴方向转动的滚转角角度信息。这两路测量光被传感器采集，因此不仅得到了物体俯仰角、偏航角的信息，而且还得到了物体滚转角的角度信息，使仪器装置具备了测量物体绕光轴滚转角及垂直光轴的俯仰角、偏航角角度的三维角度测量能力；滚转角的测量原理与传统自准直仪测量俯仰角、偏航角的原理一致，利用光杠杆的放大效应，使得本发明测量精度高于采用光栅和图像处理技术的装置；本发明装置不会产生光栅衍射效应带来的衍射光，测量回光与原光束角度偏差小，在相同的测量范围下，本发明装置具有较大的工作距离。因此，同传统自准直角度测量装置相比，本发明具有在相同工作距离、相同测量精度下增加角度测量维数的技术优势；同基于光栅技术与图像处理技术的改进型自准直仪相比，本发明具有在相同角度测量维数下的大工作距离、高精度的技术优势。

除此之外，本发明还具有以下几种技术优势：

第一、选择分光镜和平面反射镜组成组合靶标，体积重量小，安装至被测物表面不会影响被测物空间三维角度运动；且由平面反射镜作为固定平面反射镜，相较于其他自准直三维角度测量装置中的特殊靶标，结构简单，易于加工制造。

第二、选择固定平面反射镜作为第三维角度传感装置，结构简单且与另外绕垂直于光轴两轴的传感原理基本一致，使得本发明的绕光轴方向与垂直于光轴两轴的其他两轴方向的旋转角都保持相同量级的高测量精度；

第三、本发明中分光镜作为组合靶标的一部分与被测物共同产生空间三维角度的旋转，使得绕垂直于光轴的其中一轴的旋转角(偏航角)测量精度提高一倍。

附图说明

图1是传统自准直角度测量装置的结构示意图。

图2是本发明高精度大工作距自准直三维角度测量装置具体实施例一的结构示意图。

图3是具体实施例一中合作靶标安装的结构示意图。

图4是本发明高精度大工作距自准直三维角度测量装置具体实施例二的结构示意图。

图5是具体实施例二中合作靶标安装的结构示意图。

图中：1光源、2分光镜、3图像传感器、4透射式准直镜、5合作靶标、51平面反射镜、52分光镜、6固定平面反射镜、7被测物。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是高精度大工作距自准直三维角度测量装置实施例。

本实施例的高精度大工作距自准直三维角度测量装置，结构示意图如图2所示。该角度测量装置包括光源1、分光镜2、图像传感器3、透射式准直镜4、合作靶标5(其中包括分光镜52，平面反射镜51)，以及固定平面反射镜6。

光源1出射的光束，经过透射式准直镜4准直成平行光束后，入射到合作靶标5中的分光镜52上；透过分光镜52的一路光束，经合作靶标5中的平面反射镜51反射后，沿原路返回，并由图像传感器3采集成像；而另一路光束经分光镜52反射后，入射于固定平面反射镜6的表面上，再经固定平面反射镜6反射后，沿原路返回，并由图像传感器3采集成像。

所述分光镜2设置在光源1与透射式准直镜4之间，图像传感器3设置在透射式准直镜4焦平面处，与光源1的位置共轭；从合作靶标5返回的两路光束，先后经过透射式准直镜4透射、分光镜2反射、由图像传感器3采集成像；在固定合作靶标5的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，图像传感器3所成点像在像面中心位置。

测量原理如下：

若测量被测物7的空间三维转角，首先需定义被测物7三维转角的空间坐标系：如图3所示，设光轴方向为x轴、向下的方向为y轴、垂直被测物7表面向外的方向为z轴；且定义被测物7的空间三维转角分别为绕x轴、y轴、z轴顺时针方向旋转的ɑ、β、γ。

其次，所述合作靶标5，包括分光镜52和平面反射镜51，固定在被测物7的表面上，如图3，因此合作靶标5的空间三维角度变化即为被测物7的空间三维角度变化。而固定平面反射镜6则不与合作靶标5、被测物7连接，其固定于测量基座上。

当被测物7绕x轴、y轴、z轴顺时针方向分别旋转ɑ、β、γ角从而产生空间三维角度转动时，合作靶标5也绕x轴、y轴、z轴顺时针方向分别旋转了ɑ、β、γ角，而固定平面反射镜6空间位置不变。

经过分光镜52透射入射于合作靶标中平面反射镜51上的光束，由于平面镜51随被测物7产生空间三维角度转动，因此经平面反射镜51反射的光束与原光束产生2β、2γ角的偏转。与传统自准直仪测量的原理一致，此路光束汇聚于图像传感器3上，光束光斑与图像传感器中心位置分别产生位移S1与S2。

且满足以下关系，S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)，f为透射式准直镜4的焦距。

因此根据图像传感器3上光斑与图像传感器中心位置的位移S1与S2就可以计算出被测物7绕y轴、z轴旋转的角度β、γ角。

经过分光镜52反射入射于固定平面反射镜6的光束，由于分光镜52随被测物7产生空间三维角度转动，因此经固定平面反射镜6反射的光束，再经分光镜52反射与原光束产生θ角的偏转，此路光束汇聚于图像传感器3上，光束光斑与图像传感器中心位置产生位移S3。

且满足以下关系，S3＝f·tan(θ)，f为透射式准直镜4的焦距。

由空间几何关系得θ＝F(ɑ，β，γ)，同理可得ɑ＝G(θ，β，γ)，F、G分别表示两个函数。

因此根据图像传感器3上光斑与图像传感器中心位置的位移S3就可以计算出此路光束与原光束的空间夹角θ；再根据公式ɑ＝G(θ，β，γ)和之前求得的β、γ值，就可解算出ɑ角，从而得到被测物7绕x轴、y轴、z轴旋转的角度ɑ、β、γ角，获得被测物7的空间三维转角信息。

本实施例的高精度大工作距自准直三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标固定至被测物表面，放置固定平面反射镜使其镜面平行于分光镜的出射面；

步骤b、点亮光源，调整被测物以及固定平面反射镜的位置，使图像传感器接收的光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜的位置固定；

步骤c、组合靶标随被测物产生空间三维转动，图像传感器输出两个光斑的位移值，其中第一个光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，另外一个光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用第一个光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用另一个光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

具体实施例二

本实施例是高精度大工作距自准直三维角度测量装置实施例。

本实施例的高精度大工作距自准直三维角度测量装置，结构示意图如图4所示。在具体实施例一的基础上，本实施例的合作靶标5只包含分光镜52；合作靶标5中的分光镜52直接安装在被测物7的表面上，如图5所示。

本实施例的高精度大工作距自准直三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标固定至被测物表面，放置固定平面反射镜使其镜面平行于分光镜的出射面；

步骤b、点亮光源，调整被测物以及固定平面反射镜的位置，使图像传感器接收的光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜的位置固定；

步骤c、组合靶标随被测物产生空间三维转动，图像传感器输出两个光斑的位移值，其中第一个光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，另外一个光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用第一个光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用另一个光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

Claims (2)

1.一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置，其特征在于，包括光源(1)、分光镜(2)、图像传感器(3)、透射式准直镜(4)、合作靶标(5)以及固定平面反射镜(6)，所述合作靶标(5)由平面反射镜(51)与分光镜(52)组成；光源(1)出射的光束，经过透射式准直镜(4)准直成平行光束后，入射到合作靶标(5)中的分光镜(52)上；透过分光镜(52)的一路光束，经合作靶标(5)中的平面反射镜(51)反射后，沿原路返回，并由图像传感器(3)采集成像；而另一路光束经分光镜(52)反射后，入射于固定平面反射镜(6)的表面上，再经固定平面反射镜(6)反射后，沿原路返回，并由图像传感器(3)采集成像；

所述分光镜(2)设置在光源(1)与透射式准直镜(4)之间，图像传感器(3)设置在透射式准直镜(4)焦平面处，与光源(1)的位置共轭；从合作靶标(5)返回的两路光束，先后经过透射式准直镜(4)透射、分光镜(2)反射、由图像传感器(3)采集成像；在固定合作靶标(5)的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，图像传感器(3)所成点像在像面中心位置；

所述合作靶标(5)，包括分光镜(52)和平面反射镜(51)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化； 而固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；

或

所述合作靶标(5)，包括分光镜(52)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化； 而固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上； 此时被测物(7)的测量表面充当反射面，代替平面反射镜(51)。

2.在权利要求1所述一种高精度大工作距自准直三维角度测量装置上实现的一种高精度大工作距自准直三维角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标(5)固定至被测物表面，放置固定平面反射镜(6)使其镜面平行于分光镜(52)的出射面；

步骤b、点亮光源(1)，调整被测物(7)以及固定平面反射镜(6)的位置，使图像传感器(3)接收的光斑处于图像传感器(3)中心位置，使固定平面反射镜(6)的位置固定；

步骤c、组合靶标(5)随被测物(7)产生空间三维转动，图像传感器(3)输出两个光斑的位移值，其中第一个光斑距离图像传感器(3)中心位置分解为S1、S2，另外一个光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用第一个光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用另一个光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数； 最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

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