CN110207588B - 一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电仪器研制领域，公开了一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置及其装调方法，该角锥棱镜光学顶点瞄准装置包括：沿同一光路依次设置的自准直仪、分光镜和反射镜；所述自准直仪用于发射测量光并检测测量光的出射和入射角度；所述分光镜的第一分光面相对所述自准直仪的透射光路上设有反射镜，所述分光镜的第二分光面相对所述反射镜的的反射光路上依次设有图像探测器和成像镜头。本发明为准确获取位置敏感器件上的参考坐标，在获取参考坐标前利用自准直仪代替激光器，并采用图像探测器和成像镜头代替位置敏感器件，以对角锥棱镜光学顶点瞄准装置进行装调，提高测量精度，满足角锥棱镜光学顶点高精度的定位需求。

Description

一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法

技术领域

本发明涉及光电仪器研制领域，特别涉及一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置及其装调方法。

背景技术

目前，对激光跟踪仪的校准通常采用角锥棱镜基准尺来完成。角锥棱镜是一个四面体，三个等腰互相垂直的直角三角形为反射面，底面是一个等边三角形。角锥棱镜的光学特性为从底面以任意方向入射于棱镜的光线，经三个反射镜顺序反射以后，出射光线以与入射光线平行的方向射出，即出射光线相对于入射光线旋转了180°。特别地，当入射光线垂直于底面入射至角锥棱镜光学顶点时，出射光与入射光重合，沿原路返回。此外，当棱镜以角顶点为中心向任意方向转动，且入射光线方向确定后，出射光线仍平行于入射光线方向射出，随棱镜绕角顶转动的方向和角位移不同，出射光线将发生不同的平移。

基于上述光学特性，角锥棱镜广泛应用于激光测距、激光跟踪等精密测量领域。利用角锥棱镜可以将入射至角锥棱镜光学顶点的光线沿原路反射这一特性，可用于角锥棱镜的精确瞄准。一个典型的角锥棱镜瞄准装置如图1所示。利用激光器发出连续准直测量激光，穿过分光棱镜后到达角锥棱镜，经过角锥棱镜反射后到达分光棱镜，经过分光棱镜反射后到达位置敏感器件，由位置敏感器件测量出光斑中心坐标。如果光斑中心坐标与参考坐标之间存在偏差，则说明测量激光没有入射到角锥棱镜顶点，需要调整角锥棱镜的位置，直到位置敏感器件上光斑中心坐标与参考坐标一致，则说明测量光束已经入射至角锥棱镜的光学顶点，完成了角锥棱镜光学顶点的瞄准。准确标定出位置敏感器件上光斑的参考坐标是实现角锥棱镜光学顶点瞄准的必要条件，但利用现有技术难以准确标定参考坐标，难以满足角锥棱镜光学顶点高精度的定位需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本申请提一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置及其装调方法，以满足角锥棱镜光学顶点高精度的定位需求。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置，包括：沿同一光路依次设置的自准直仪、分光镜和反射镜；所述自准直仪用于发射测量光并检测测量光的出射和入射角度；

所述分光镜的第一分光面相对所述自准直仪的透射光路上设有反射镜，所述分光镜的第二分光面相对所述反射镜的反射光路上依次设有图像探测器和成像镜头。

进一步地，所述分光镜与所述自准直仪发出的测量光夹角为45度，所述自准直仪发出的测量光通过所述分光镜的第一分光面的中心。

进一步地，所述反射镜垂直于照射在其反射面的测量光。

进一步地，所述自准直仪出射和入射的测量光的角度读数都为零。

进一步地，所述成像镜头的焦距为250mm-350mm。

进一步地，所述分光镜为立方体型分束镜，由两块45°直角三棱镜拼合而成，测量光在所述三棱镜斜面上发生分裂。

进一步地，所述分光镜的边长为20mm-30mm。

进一步地，所述分光镜与反射镜之间的距离为90mm-110mm。

为解决上述问题，本发明还提供一种利用上述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：启动自准直仪，使自准直仪发出的测量光由分光镜的第一分光面沿透射光路到达反射镜，通过反射镜反射的测量光经过分光镜的第二分光面后分成两部分；

步骤S2：第一部分测量光由分光镜的第二分光面沿透射光路到达自准直仪，自准直仪根据第一部分测量光测量出射与入射之间的角度；第二部分测量光由分光镜的第二分光面沿反射光路到达成像镜头汇聚成像，被图像探测器接收；调整反射镜的方位角度，使自准直仪出射和入射的测量光的角度读数都为零，记录下此时图像探测器上十字丝的位置；

步骤S3：保持反射镜、成像镜头、图像探测器和分光镜的相对位置不变，用激光器替换自准直仪，调整激光器射出的测量光的角度，使图像探测器上接收的光斑与之前记录下来的十字丝的位置重合；

步骤S4：保持反射镜、激光器和分光镜的相对位置不变，用位置敏感器件替换图像探测器和成像镜头，并使位置敏感器件的敏感面垂直于测量光，替换完成后，记录下此时位置敏感器件上光斑中心的坐标，以获取标定的参考坐标。

(三)有益效果

本发明为准确获取位置敏感器件上的参考坐标，提供一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置及其装调方法，该角锥棱镜光学顶点瞄准装置在获取参考坐标前利用自准直仪代替激光器，并采用图像探测器和成像镜头代替位置敏感器件，以对角锥棱镜光学顶点瞄准装置进行装调，提高测量精度，满足角锥棱镜光学顶点高精度的定位需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的角锥棱镜光学顶点瞄准装置装调方法的流程示意图；

其中，1：反射镜；2：分光镜；3：激光器；4：自准直仪；5：位置敏感器件；6：图像探测器；7：成像镜头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置，如图2所示，包括：沿同一光路依次设置的自准直仪4、分光镜2和反射镜1。自准直仪4 用于发射测量光并检测测量光的出射和入射角度。自准直仪4优选为光电自准仪。分光镜2的第一分光面相对自准直仪4的透射光路上设有反射镜 1，分光镜2的第二分光面相对反射镜1的反射光路上依次设有成像镜头7 和图像探测器6。

由于角锥棱镜的光学特性是其可以将入射至角锥棱镜的光偏移一段距离后沿原方向反射。当光线入射至角锥棱镜光学顶点时，反射光将没有偏移，直接沿原方向返回。因此，本实施例通过反射镜1来代替角锥棱镜进行反射。

利用该装置进行装调的过程中，先启动自准直仪4，使自准直仪4发出的测量光由分光镜2的第一分光面沿透射光路到达反射镜1，通过反射镜1反射的测量光经过分光镜2的第二分光面后分成两部分。

第一部分测量光继续沿原方向传播，由分光镜2的第二分光面沿透射光路到达自准直仪4，自准直仪4根据第一部分测量光测量出射与入射之间的角度。第二部分测量光由分光镜2的第二分光面沿反射光路到达成像镜头7汇聚成像，被图像探测器6接收。

调整反射镜1的方位角度，使自准直仪4出射和入射的测量光的角度读数都为零，即此时反射镜1垂直于照射在其反射面的测量光。记录下此时图像探测器6上十字丝的位置，这一十字丝由自准直仪4发出。

然后保持反射镜1、成像镜头7、图像探测器6和分光镜2的相对位置不变，用激光器3替换自准直仪4。激光器3发出的准直激光经过穿过分光镜2到达反射镜1，被反射镜1反射后经过第二分光面反射、成像镜头7汇聚后被图像探测器6接收。调整激光器3射出的测量光的角度，使图像探测器6上接收的光斑与之前记录下来的十字丝的位置重合。

然后再保持反射镜1、激光器3和分光镜2的相对位置不变，用位置敏感器件5替换图像探测器6和成像镜头7，并使位置敏感器件5的敏感面垂直于测量光，替换完成后，记录下此时位置敏感器件5上光斑中心的坐标，以获取标定的参考坐标。

至此，本实施例确定了角锥棱镜光学顶点瞄准装置中各主要部件间的位置关系，获取了参考坐标。角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调全部完成。

本发明实施例为准确获取位置敏感器件上的参考坐标，提供一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置，该角锥棱镜光学顶点瞄准装置在获取参考坐标前利用自准直仪代替激光器，并采用图像探测器和成像镜头代替位置敏感器件，以对角锥棱镜光学顶点瞄准装置进行装调，提高测量精度，满足角锥棱镜光学顶点高精度的定位需求。

在根据本发明的一个实施例中，如图2所示，分光镜2为立方体型分束镜，由两块45°直角三棱镜拼合而成，测量光在三棱镜斜面上发生分裂。分光镜2与自准直仪4发出的测量光夹角为45度，且自准直仪4发出的测量光通过分光镜2的第一分光面的中心。

其中，成像镜头7的焦距为250mm-350mm，优选为300mm。分光镜 2的边长为20mm-30mm，优选为25mm。分光镜2与反射镜1之间的距离为90mm-110mm，优选为100mm。

本发明还提供一种利用角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其中，如图2所示，角锥棱镜光学顶点瞄准装置包括：沿同一光路依次设置的自准直仪4、分光镜2和反射镜1。自准直仪4用于发射测量光并检测测量光的出射和入射角度。自准直仪4优选为光电自准仪。分光镜2的第一分光面相对自准直仪4的透射光路上设有反射镜1，分光镜2的第二分光面相对反射镜1的反射光路上依次设有成像镜头7和图像探测器6。更加具体的结构请参阅上述图2相关的文字描述，在此不再赘述。

如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1：启动自准直仪，使自准直仪发出的测量光由分光镜的第一分光面沿透射光路到达反射镜，通过反射镜反射的测量光经过分光镜的第二分光面后分成两部分。

步骤S2：第一部分测量光由分光镜的第二分光面沿透射光路到达自准直仪，自准直仪根据第一部分测量光测量出射与入射之间的角度；第二部分测量光由分光镜的第二分光面沿反射光路到达成像镜头汇聚成像，被图像探测器接收；调整反射镜的方位角度，使自准直仪出射和入射的测量光的角度读数都为零，记录下此时图像探测器上十字丝的位置。

步骤S3：保持反射镜、成像镜头、图像探测器和分光镜的相对位置不变，用激光器替换自准直仪，调整激光器射出的测量光的角度，使图像探测器上接收的光斑与之前记录下来的十字丝的位置重合。

步骤S4：保持反射镜、激光器和分光镜的相对位置不变，用位置敏感器件替换图像探测器和成像镜头，并使位置敏感器件的敏感面垂直于测量光，替换完成后，记录下此时位置敏感器件上光斑中心的坐标，以获取标定的参考坐标。

具体地，如图2所示，利用该装置进行装调的过程中，先启动自准直仪4，使自准直仪4发出的测量光由分光镜2的第一分光面沿透射光路到达反射镜1，通过反射镜1反射的测量光经过分光镜2的第二分光面后分成两部分。

第一部分测量光继续沿原方向传播，由分光镜2的第二分光面沿透射光路到达自准直仪4，自准直仪4根据第一部分测量光测量出射与入射之间的角度。第二部分测量光由分光镜2的第二分光面沿反射光路到达成像镜头7汇聚成像，被图像探测器6接收。

调整反射镜1的方位角度，使自准直仪4出射和入射的测量光的角度读数都为零，即此时反射镜1垂直于照射在其反射面的测量光。记录下此时图像探测器6上十字丝的位置，这一十字丝由自准直仪4发出。

然后保持反射镜1、成像镜头7、图像探测器6和分光镜2的相对位置不变，用激光器3替换自准直仪4。激光器3发出的准直激光经过穿过分光镜2到达反射镜1，被反射镜1反射后经过第二分光面反射、成像镜头7汇聚后被图像探测器6接收。调整激光器3射出的测量光的角度，使图像探测器6上接收的光斑与之前记录下来的十字丝的位置重合。

然后再保持反射镜1、激光器3和分光镜2的相对位置不变，用位置敏感器件5替换图像探测器6和成像镜头7，并使位置敏感器件5的敏感面垂直于测量光，替换完成后，记录下此时位置敏感器件5上光斑中心的坐标，以获取标定的参考坐标。

至此，本实施例确定了角锥棱镜光学顶点瞄准装置中各主要部件间的位置关系，获取了参考坐标。角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调全部完成。

本发明实施例提出的装调方法采用一种相对测量的手段，因此分光镜、平面反射镜本身的制造误差并不影响系统装调精度，降低了系统装调的难度，提高了装置的精度。装置的误差由图像探测器6的光斑质心提取误差决定，反射镜1产生的角度误差为：

其中：Δx为图像探测器6光斑质心提取误差；f表示成像镜头7的焦距。当已知角锥棱镜与分光镜2之间的距离D，分光镜2边长为25mm，则角锥棱镜光学顶点瞄准误差：

Δd＝Δθ·(D+50)mm

根据现有的光斑质心提取算法，图像探测器6光斑质心提取误差Δx约为0.5μm，选择焦距为300mm的成像镜头，角锥棱镜与分光镜2之间的距离D设定为100mm，则角锥棱镜光学顶点瞄准误差为：

通过上式可知，用这种方法对角锥棱镜光学顶点瞄准装置进行装调可以达到很高精度，能够满足角锥棱镜光学顶点高精度定位的需求。

综上所述，本发明提供的利用角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，在获取参考坐标前利用自准直仪代替激光器，并采用图像探测器和成像镜头代替位置敏感器件，以对角锥棱镜光学顶点瞄准装置进行装调，提高测量精度，满足角锥棱镜光学顶点高精度的定位需求。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述角锥棱镜光学顶点瞄准装置包括：沿同一光路依次设置的自准直仪、分光镜和反射镜；所述自准直仪用于发射测量光并检测测量光的出射和入射角度；

所述分光镜的第一分光面相对所述自准直仪的透射光路上设有所述反射镜，所述分光镜的第二分光面相对所述反射镜的反射光路上依次设有成像镜头和图像探测器；

所述角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法包括如下步骤：

步骤S1：启动所述自准直仪，使所述自准直仪发出的测量光由所述分光镜的第一分光面沿透射光路到达所述反射镜，通过所述反射镜反射的测量光经过所述分光镜的第二分光面后分成两部分；

步骤S2：第一部分测量光由所述分光镜的第二分光面沿透射光路到达所述自准直仪，所述自准直仪根据第一部分测量光测量出射与入射之间的角度；第二部分测量光由所述分光镜的第二分光面沿所述反射光路到达所述成像镜头汇聚成像，被所述图像探测器接收；调整所述反射镜的方位角度，使所述自准直仪出射和入射的测量光的角度读数都为零，记录下此时所述图像探测器上十字丝的位置；

步骤S3：保持所述反射镜、所述成像镜头、所述图像探测器和所述分光镜的相对位置不变，用激光器替换所述自准直仪，调整所述激光器射出的测量光的角度，使所述图像探测器上接收的光斑与之前记录下来的十字丝的位置重合；

步骤S4：保持所述反射镜、所述激光器和所述分光镜的相对位置不变，用位置敏感器件替换所述图像探测器和所述成像镜头，并使所述位置敏感器件的敏感面垂直于测量光，替换完成后，记录下此时所述位置敏感器件上光斑中心的坐标，以获取标定的参考坐标。

2.根据权利要求1所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述分光镜与所述自准直仪发出的测量光夹角为45度，所述自准直仪发出的测量光通过所述分光镜的第一分光面的中心。

3.根据权利要求1所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述反射镜垂直于照射在其反射面的测量光。

4.根据权利要求1所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述自准直仪出射和入射的测量光的角度读数都为零。

5.根据权利要求1所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述成像镜头的焦距为250mm-350mm。

6.根据权利要求1所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述分光镜为立方体型分束镜，由两块45°直角三棱镜拼合而成，测量光在所述三棱镜的斜面上发生分裂。

7.根据权利要求6所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述分光镜的边长为20mm-30mm。

8.根据权利要求6所述的角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调方法，其特征在于，所述分光镜与所述反射镜之间的距离为90mm-110mm。

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