CN110320024A - 一种适用于旋转关节的光学轴向测量系统及方法 - Google Patents

一种适用于旋转关节的光学轴向测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种适用于旋转关节的光学测量系统及方法，包括：光源、光学扩束透镜组、功率分光镜、聚焦透镜组、接收探测器、孔径光阑、角反射器和圆锥腔；光源发射的光经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过功率分光镜透射出去；透射光束经过圆锥腔表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔表面的光束成90度，角反射器接收圆环光束，并沿原光路反射回圆环光束，反射回的圆环光束到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到功率分光镜，再经功率分光镜反射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组汇聚的光束传输到接收探测器，在接收探测器前放置孔径光阑。

Description

一种适用于旋转关节的光学轴向测量系统及方法
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种适用于旋转关节的光学测量系统及方法。
背景技术
旋转关节之间的通信往往是利用滑环来实现，而没有轴向测量的能力。滑环实现功能：旋转端和固定端的电气连接如供电、信号均是通过导电滑环来传输的，但导电滑环触点与环体长期摩擦，会导致性能下降、可靠性低、抗电磁干扰能力差，对于高速的数字信号，传输衰减大，通信不可靠。
光纤滑环是在传统的机械式功率环中，加装光纤旋转连接器，通过机械拔插机构进行柔性连接，光纤旋转连接器选用单模光纤准直器、微型精密轴系、机械连接及调整机构组成。光纤滑环具有独特的优点。(1)用光纤传递信号，无泄密，无电磁干扰，可以远距离传输；(2)产生的灰尘少，寿命长，可达1亿转以上；(3)体积小、重量轻，不锈钢材料；(4)损耗小(<1.0dB)、旋转速率高(1000rpm)。这种光纤滑环只能是一维的光学通信，二维光学通信需要两个这样的光纤滑环，并且在旋转部件的具体使用受约束，同样没有轴向测量的能力。
在自由空间光通信或者激光测距中，常常使用库德光学实现光信息从伺服机构中传输出来。库德光路结构如图1所示，接收天线输出光束，经库德镜100后沿垂直轴回转轴线射向库德镜200，再经库德镜300后沿俯仰轴回转轴线射向库德镜400，再经库德镜400反射，最终由扩束系统射出。这种库德光路实际上是利用两组潜望镜匹配组合而成，同样在安装上比较复杂。这种光路只适用于光信息的传递，没有轴向测量的能力。现有技术中，没有关于旋转关节的光学轴向测量方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种旋转关节的光学轴向测量系统及方法，采用光学圆环波束的方式，实现发射光环与光学接收的无线空间光测量，轴向测量指的是旋转关节的旋转速度和轴向执行机构精度的测量，而不受转动机构的影响，对于内定子和外定子的两种伺服机构形式或者旋转关节都可以轴向测量，相比现有光学通信滑环可以实现内定子的信息的同时也可以增加了轴向测量能力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种适用于旋转关节的光学轴向测量系统，包括：光源、光学扩束透镜组、功率分光镜、聚焦透镜组、接收探测器、孔径光阑、角反射器和圆锥腔；其中，
光源发射的光经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过功率分光镜透射出去；透射光束经过圆锥腔表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔表面的光束成90度，角反射器接收圆环光束，并沿原光路反射回圆环光束，反射回的圆环光束到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到功率分光镜，再经功率分光镜反射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组汇聚的光束传输到接收探测器，在接收探测器前放置孔径光阑。
所述光源为可见光二极管或者为激光光源；光源发出的光通过光学扩束透镜组使得发散角减小，光束近似平行光束，波长为可见光波段或者激光光源波段。
所述孔径光阑，用于空间选取有限光束通过，并且与角反射器之间的位置空间映射一致，孔径光阑中心位置处于系统光轴的偏心位置，所述偏心距为通过光学扩束透镜组扩光束的半径。
还包括旋转关节；其中，光源、扩束透镜组、圆锥腔、功率分光镜、孔径光阑以及聚焦透镜组均设置于旋转关节的旋转壁腔上；与之对应的角反射器设置于旋转关节的不旋转壁腔上。
所述光学扩束透镜的焦距为17mm，准直后的光束的直径为30mm。
所述功率分光镜针对反射光与透射光的分光比例是5：5。
所述圆锥腔的圆锥角为90度。
接收探测器为四象限探测器。
一种适用于旋转关节的光学轴向测量方法，包括如下步骤：
1)光源发射的光源经过光学扩束透镜准直光束，准直后的光束经过收发分离的功率分光镜透射出去；透射光束经过圆锥腔表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔表面的光束成90度，角反射器反射一部分圆环光束；
2)反射光即为角反射器的回朔光，回朔光照射到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到功率分光镜，再经波长分光镜反射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组汇聚光束通过孔径光阑，孔径光阑空间选取部分光束透过，到达接收探测器；
3)进行位置计算，通过归一化计算公式和其中A，B，C和D分别代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限探测的光斑能量；δx和δy分别是在四象限探测器中计算的光斑重心的位置坐标；在机构转动的过程中，在四象限探测器上的检测根据光斑出现的时间测量机构转动速度，设第一个光斑出现时间为t0，第二次光斑出现的时间为t1，得到Δt＝t1-t0，1/Δt即为机构转动速度。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明仅仅采用一个光源实现光束的360°周向通信波束覆盖，将光学发射器的数量减至最少；
(2)本发明采用的单一光源，空间和光路方面设计简单，适应伺服机构狭小空间得需要；
(3)本发明采用圆锥腔对光束进行塑形，形成圆环光束，把这种圆锥腔放置在伺服机构的旋转(不旋转)壁，角反射器在伺服机构的不旋转(旋转)壁，这种光学测量的圆环适应定子内芯的机构，也适应定子外芯的机构形式，具有普适性的需求。
附图说明
图1是现有技术中的库德光路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的适用于旋转关节的光学轴向测量系统的结构示意图；
具体实施方式
图2是本发明实施例提供的适用于旋转关节的光学轴向测量系统的结构示意图。如图2所示，该适用于旋转关节的光学轴向测量系统包括：光源1、光学扩束透镜组2、功率分光镜3、聚焦透镜组4、接收探测器5、孔径光阑6、角反射器7和圆锥腔8。其中，
光源1发射的光源经过光学扩束透镜2准直光束，准直后的光束经过功率分光镜3透射出去；透射光束经过圆锥腔8表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔8表面的光束成90度，接收单元6接收圆环光束；
角反射器7沿原光路反射回光束，反射回光束到圆锥腔8表面，经圆锥腔8表面反射到功率分光镜3，再经功率分光镜3反射到聚焦透镜组4上，经聚焦透镜组4汇聚的光束传输到接收探测器5，在接收探测器5前放置孔径光阑6。
上述实施例中，光源1可以为可见光二极管(LED)或者为激光光源，光源是发射点光源，光源光束发散角没有约束，通过光学扩束透镜组2使得发散角减小，光束近似平行光束，波长为属于可见光波段，或者激光光源波段。
上述实施例中，反射器7包括反射光，沿原光路返回，反射光称为回朔光；其中，反射光只是镜面的反射原理，不改变光束其它物理属性。
如图2所示，适用于旋转关节的光学轴向测量系统还包括旋转关节9；其中，
光源1、扩束透镜组2、圆锥腔8、功率分光镜3、孔径光阑6、扩束透镜2以及聚焦透镜组4均设置于旋转关节9旋转壁(不旋转)；与之对应的角反射器7设置在旋转关节9的不旋转(旋转)的壁腔上。
具体的，本实施例提出一种旋转关节的光学轴向测量方法，仅仅采用一个激光发射器实现光束的360°周向通信波束覆盖，将光源发射器的数量减至最少，提出采用圆锥光通道对光束进行塑形，形成光束的圆环，把这种圆锥腔放置在伺服机构的内芯，角反射器在伺服机构的转子臂上，光束照射到圆锥腔表面上，不管圆锥腔与发射设备的怎么的相对旋转，都不会影响光束的发射与反射，继而不会影响对转子的测量。具体实施步骤如下：
1、光源1可以为可见光二极管(LED)或者为激光光源，光源是发射点光源，光源光束发散角没有约束，波长为属于可见光波段，或者激光光源波段。图2所示，通过光学扩束透镜组2使得发散角减小，扩束成近似平行光，平行光束的直径为30mm，所以透镜组的焦距30mm/tan60°，即就是17mm，近似平行光束经过分光镜，此分光镜是可以透射发射光，反射回朔光，分光比例5：5。光束再经过全锥角为90度的圆锥反射，圆锥表面机械加工粗糙度0.1，硬铝7050，表面镀铬高反射，反射光束被锥体反射为光束直径为25mm的环形光。锥体的入射光与反射光夹角90度，安装在旋转关节内壁上的角反射器反射此光束。
2、另外安装在空芯筒壁的角反射器镜面反射此光束，如图2所示。随着电机360度转动，始终可以保证回朔光可以照射到圆锥表面，由于与圆锥的全锥角90度，所以反射光可以沿着发射光路的反方向传输，传输到功率分光镜后，经过功率分光镜反射到聚焦透镜组，聚焦透镜组里面包含的滤光片是用来滤除杂光，滤光片波长与发射光波长相对应。汇聚光束通过孔径光阑，孔径光阑空间选取部分光束透过，孔径光阑为圆型小孔，孔径为3mm，孔径光阑中心的安装位置是光轴偏离7.5mm，到达接收探测器，接收探测器与孔径光阑共轴，接收探测器为四象限探测器，四象限探测器测得的信号，分别进行位置计算，通过归一化计算公式和其中A，B，C和D分别代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限探测的光斑能量。δx和δy分别是在四象限探测器中计算的光斑重心的位置坐标，利用光斑重心判断轴向的误差情况。在机构转动的过程中，在四象限探测器上的检测可以根据光斑出现的时间测量机构转动速度，假如第一个光斑出现时间为t0，第二次光斑出现的时间为t1，可以得到Δt＝t1-t0，1/Δt即为机构转动速度。
3、角反射器始终安装在旋转活动关节上，对于伺服机构存在定子内芯的情况，这种情况需要在定子内芯臂上等距离开孔，以保证接收光束不受定子固定内芯的影响或者保证发射光束不受固定内芯的影响。开孔的定子内芯是固定并且开孔没有特殊要求。
本实施例还提供了一种旋转关节的光学轴向测量方法，结合图2，该方法包括如下步骤：
光源1发射的光源经过光学扩束透镜2准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜3透射出去；透射光束经过圆锥腔8表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔8表面的光束成90度，接收单元6接收圆环光束；
反射光即为角反射器6的回朔光，回朔光照射到圆锥腔8表面，经圆锥腔8表面反射到功率分光镜3，再经波长分光镜3反射到聚焦透镜组4上，经聚焦透镜组4汇聚光束通过孔径光阑6，孔径光阑空间选取部分光束透过，到达接收探测器5。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于包括：光源(1)、光学扩束透镜组(2)、功率分光镜(3)、聚焦透镜组(4)、接收探测器(5)、孔径光阑(6)、角反射器(7)和圆锥腔(8)；其中，
光源(1)发射的光经过光学扩束透镜组(2)准直光束，准直后的光束经过功率分光镜(3)透射出去；透射光束经过圆锥腔(8)表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔(8)表面的光束成90度，角反射器(7)接收圆环光束，并沿原光路反射回圆环光束，反射回的圆环光束到圆锥腔(8)表面，经圆锥腔(8)表面反射到功率分光镜(3)，再经功率分光镜(3)反射到聚焦透镜组(4)上，经聚焦透镜组(4)汇聚的光束传输到接收探测器(5)，在接收探测器(5)前放置孔径光阑(6)。
2.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：所述光源(1)为可见光二极管或者为激光光源；光源(1)发出的光通过光学扩束透镜组(2)使得发散角减小，光束近似平行光束，波长为可见光波段或者激光光源波段。
3.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：所述孔径光阑(6)，用于空间选取有限光束通过，并且与角反射器(7)之间的位置空间映射一致，孔径光阑(6)中心位置处于系统光轴的偏心位置，所述偏心距为通过光学扩束透镜组(2)扩光束的半径。
4.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：还包括旋转关节(9)；其中，光源(1)、扩束透镜组(2)、圆锥腔(8)、功率分光镜(3)、孔径光阑(6)以及聚焦透镜组(4)均设置于旋转关节(9)的旋转壁腔上；与之对应的角反射器(7)设置于旋转关节(9)的不旋转壁腔上。
5.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：所述光学扩束透镜(2)的焦距为17mm，准直后的光束的直径为30mm。
6.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：所述功率分光镜(3)针对反射光与透射光的分光比例是5：5。
7.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：所述圆锥腔(8)的圆锥角为90度。
8.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光学轴向测量系统，其特征在于：接收探测器(5)为四象限探测器。
9.一种适用于旋转关节的光学轴向测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)光源(1)发射的光源经过光学扩束透镜(2)准直光束，准直后的光束经过收发分离的功率分光镜(3)透射出去；透射光束经过圆锥腔(8)表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔(8)表面的光束成90度，角反射器(6)反射一部分圆环光束；
2)反射光即为角反射器(6)的回朔光，回朔光照射到圆锥腔(8)表面，经圆锥腔(8)表面反射到功率分光镜(3)，再经波长分光镜(3)反射到聚焦透镜组(4)上，经聚焦透镜组(4)汇聚光束通过孔径光阑(6)，孔径光阑空间选取部分光束透过，到达接收探测器(5)；
3)进行位置计算，通过归一化计算公式和其中A，B，C和D分别代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ象限探测的光斑能量；δx和δy分别是在四象限探测器中计算的光斑重心的位置坐标；在机构转动的过程中，在四象限探测器上的检测根据光斑出现的时间测量机构转动速度，设第一个光斑出现时间为t0，第二次光斑出现的时间为t1，得到Δt＝t1-t0，1/Δt即为机构转动速度。
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