CN110530269B - 一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置 - Google Patents

一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了测量技术领域内的一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，包括底板，底板的上侧固定连接有连接架，连接架上可转动地连接有用于安装透镜的透镜支架和用于安装激光器的安装支架，透镜的中心线和激光器光源的轴线在一个平面内，远离安装支架的透镜支架所在一端朝外的连接架上固定连接有固定支架且可转动地连接有调节支架，调节支架上可滑动地连接有第一平面镜，固定支架上连接有可上下滑动的第二平面镜，第一平面镜的发射面和第二平面镜的发射面相对设置，第一平面镜上方的连接架上连接有朝向第二平面镜的照相设备；本发明结构简单，分辨率高，提高微位移测量精度。

Description

一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置。
背景技术
随着加工制造技术的不断发展，对微位移非接触的测量装置的需求不断提高。现有技术中，经常使用激光三角法非接触测量物体的微位移，使用该方法检测时，激光器发出光线照射在物体上侧，照射在物体上侧的光线经过透镜成像折射出去，折射出去的光线投影在一个投影板上形成光斑，照相设备拍下投影板上的光斑，得到光斑的位置坐标，但是光斑很小，当物体有微位移时，光斑位置坐标变化很小，光斑基本重叠在一起，根本无法辨别，分辨率不高，微位移的测量精度很低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中分辨率不高的技术问题，提供一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，此装置结构简单，分辨率高，提高微位移测量精度。
本发明的目的是这样实现的：一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，包括底板，所述底板的上侧固定连接有连接架，所述连接架上连接有用于安装透镜的透镜支架和可转动的用于安装激光器的安装支架，所述透镜的中心线和激光器光源的轴线在一个平面内，所述远离安装支架的透镜支架所在一端朝外的连接架上固定连接有固定支架且可转动地连接有调节支架，所述调节支架上可滑动地连接有第一平面镜，所述固定支架上连接有可上下滑动的第二平面镜，所述第一平面镜的发射面和第二平面镜的发射面相对设置，所述第一平面镜上方的连接架上连接有朝向第二平面镜的照相设备。
本发明中，在高度方向上，第一平面镜的上侧不低于第二平面镜的上侧，第一平面镜的上侧低于照相机的照相镜头的最高点所在位置；透镜支架可转动地连接在连接架上；转动安装支架，即调节激光器发射出去的光线角度，调节完安装支架的角度后，不再转动安装支架，转动透镜支架，使发射出去的光线垂直于透镜主平面，底板上没有用于反射光线的物体时，激光器发射出去的光线照射到底板上，底板将光线反射到透镜上，光线经透镜成像，转动调节支架，使成像点清晰的成像在第一平面镜上，停止转动调节支架，第一平面镜将清晰的成像点反射至第二平面镜，第二平面镜再将光线反射到第一平面镜上，成像点经过多次反射后被放大，放大后的成像点在第二平面镜上，此时，使用相机拍摄放大后的成像点，方便后期的图像处理；本发明结构简单，将激光三角与光杠杆测量结合起来，经过透镜在第一平面镜上清晰地成像，经过第一平面镜和第二平面镜的多次发射，放大成像点的位置坐标，使测量小位移时，成像点位置坐标能够以足够的精度区分，激光点能在照相设备中更加清晰地成像；可应用于光学测量的工作中，尤其适用于小位移光学测量。
为了实现成像面的角度调整，所述连接架的后侧固定连接有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与调节支架可转动地连接。
为了进一步提高成像的清晰度，所述输出轴的中心轴线与底板上表面之间的竖直距离为y，输出轴的中心轴线与激光器的发射中心之间的水平距离为x，其中，x＝u*sinα+f/sinα,y＝u*cosα,u为物距，从激光器发射出去的光线与底板上表面的交点为O，透镜轴的中心点为A，物距为交点O与透镜中心A之间的距离，α为激光器光轴与OA之间的夹角，光轴与竖直方向平行，光轴与O点相交；此设计中，意外的发现，通过第一平面镜旋转中心的具体设置，激光器发出的光点无论是发射到底板上还是发射到底板上侧的物体上，成像清晰的点始终是围绕该旋转中心转动所在的平面上，只需调整第一平面镜的转动角度就能使清晰的成像点成像在第一平面镜上，进一步提高找到清晰的成像点的效率。
为了准确的控制输出轴的转动角度以获得清晰的图像，所述底板上可放置有物体，以基平面为基准，激光器照射在基平面上后反射至透镜的光线刚好成像清晰，以此时的输出轴为参考基准；假设，物体上表面在基平面的上方时，物体上表面相对基平面的纵坐标为d，激光器照射在此时的物体上表面上时，输出轴相对参考基准的转动角度为：
θ1＝tan-1(f*d*sinα/(f2+fd cosα-2fu cos2α-du cosα+u2cos2α))；
物体上表面在基平面的下方时，物体上表面相对基平面的纵坐标为-d，输出轴相对参考基准的转动角度为：
θ2＝tan-1(-f*d*sinα/(f2-fd cosα-2fu cos2α+du cosα+u2cos2α))；
其中，-表示输出轴逆时针旋转，+表示输出轴顺时针旋转；
此设计中，物体上表面相对基平面的距离发生变化时，转动轴的转动角度不同，准确控制输出轴的转动角度，使透镜发出去的光线能在第一平面镜上清晰地成像。
为了限制第一平面镜向下滑动，还包括限位件一，所述限位件一包括水平部一，所述水平部一的两侧分别设有水平部二和水平部三，所述水平部一朝向第一平面镜的一侧连接有限位部一，第一平面镜的下侧抵触在限位部一的上侧，所述调节支架在前后方向上的两侧分别设有滑动轨一，水平部二可沿着调节支架前侧的滑动轨一滑动，水平部三可沿着调节支架后侧的滑动轨一滑动，水平部二和水平部三分别贴合在调节支架的前后两侧；所述水平部一上开有方便与调节支架连接的连接孔。
为了限制第二平面镜向下滑动，还包括限位件二，所述限位件二包括滑动部，所述滑动部朝向第二平面镜的一侧连接有限位部二，所述第二平面镜抵触在限位部的上侧，所述连接架的左侧设有滑动轨二，滑动部可沿着滑动轨二滑动，滑动部贴合在连接架的左侧，滑动轨二两侧朝外的滑动部上分别开有至少一个方便与连接架连接的固连孔。
为了进一步提高限位件二与连接架连接的可靠性，所述滑动部上固定连接有朝向第二平面镜的加强部，所述加强部上开有至少一个与连接架连接的加固孔。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的立体结构图一。
图3为本发明的立体结构图二。
图4为本发明的立体结构图三。
图5为本发明中激光点成像的原理图。
图6为图5中A处的局部放大图。
图7为图5中B处的局部放大图。
图8为本发明中入射角α＝10°时激光点成像的原理图。
图9为本发明中入射角α＝80°时激光点成像的原理图。
图10为本发明中入射角α＝45°时激光点成像的原理图。
图11为图10中C处的局部放大图。
其中，1连接架，2底板，3安装支架，4透镜支架，5限位件二，501滑动部，502限位部二，503固连孔，504加强部，505加固孔，6固定支架，7第二平面镜，8相机，9第一平面镜，10调节支架，11限位件一，1101连接孔，1102水平部二，1103滑动轨一，1104水平部一，1105限位部一，1106水平部三，12固定孔，13紧固孔，14滑动轨二，15激光器，16驱动电机，17输出轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1～图11所示的一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，包括底板，底板的上侧固定连接有连接架，连接架上连接有用于安装透镜的透镜支架和可转动的用于安装激光器的安装支架，连接架上开有固定孔和紧固孔，透镜的中心线和激光器光源的轴线在一个平面内，连接架的右方固定连接有固定支架且可转动地连接有调节支架，调节支架上可滑动地连接有第一平面镜，固定支架上连接有可上下滑动的第二平面镜，第一平面镜的发射面和第二平面镜的发射面相对设置，第一平面镜上方的连接架上连接有朝向第二平面镜的照相设备。
为了进一步准确的获得清晰的成像，连接架的后侧固定连接有驱动电机，驱动电机的输出轴与调节支架可转动地连接；(如图5所示，图5严格按照光线发射、反射及折射路线绘制)输出轴的中心轴线与底板上表面之间的竖直距离为y，输出轴的中心轴线与激光器的发射中心之间的水平距离为x，其中，x＝u*sinα+f/sinα,y＝u*cosα,u为物距，从激光器发射出去的光线与底板上表面的交点为O，透镜轴的中心点为A，物距为交点O与透镜中心A之间的距离，α为激光器光轴与OA之间的夹角，激光器光轴与竖直方向平行，光轴与O点相交；底板上可放置有物体，以基平面为基准，激光器发出的光线照射在基平面上后反射至透镜的光线刚好经过透镜中心且成像清晰，以此时的输出轴位置为参考基准；假设，物体上表面在基平面的上方时，物体上表面相对基平面的纵坐标为d，激光器光线照射在此时的物体上表面上时，输出轴相对参考基准的转动角度为：
θ1＝tan-1(+f*d*sinα/(f2+fd cosα-2fu cos2α+du cosα+u2cos2α))；
物体上表面在基平面的下方时，物体上表面相对基平面的纵坐标为-d，输出轴相对参考基准的转动角度为：
θ2＝tan-1(-f*d*sinα/(f2-fd cosα-2fu cos2α+du cosα+u2cos2α))；
其中，-表示输出轴逆时针旋转，+表示输出轴顺时针旋转；
此设计中，物体上表面相对基平面的距离发生变化时，转动轴的转动角度不同，准确控制输出轴的转动角度，使透镜发出去的光线能在第一平面镜上清晰地成像。
为了限制第一平面镜向下滑动，还包括限位件一，限位件一包括水平部一，水平部一的两侧分别设有水平部二和水平部三，水平部一朝向第一平面镜的一侧连接有限位部一，第一平面镜的下侧抵触在限位部一的上侧，调节支架在前后方向上的两侧分别设有滑动轨一，水平部二可沿着调节支架前侧的滑动轨一滑动，水平部三可沿着调节支架后侧的滑动轨一滑动，水平部二和水平部三分别贴合在调节支架的前后两侧；水平部一上开有方便与调节支架连接的连接孔。
为了限制第二平面镜向下滑动，还包括限位件二，限位件二包括滑动部，滑动部朝向第二平面镜的一侧连接有限位部二，第二平面镜抵触在限位部的上侧，连接架的左侧设有滑动轨二，滑动部可沿着滑动轨二滑动，滑动部贴合在连接架的左侧，滑动轨二两侧朝外的滑动部上分别开有两个方便与连接架连接的固连孔；滑动部上固定连接有朝向第二平面镜的加强部，加强部上开有两个与连接架连接的加固孔。
下面，验证光线成像的清晰点始终在围绕输出轴的轴向中心转动的平面上。
假设底板的上侧所在平面为基平面，透镜中心为A点，光线的光斑中心与基平面的交点为O点，物距OA为u，透镜的焦距AF为f，OA与激光器光轴之间的夹角为α，物距和焦距已设定；
如图5所示，光线的左边缘和右边缘与基平面的交点分标记为M点和B点，根据透镜成像原理，光线从透镜中心射入时不产生折射现象，所以光线不改变方向，经过透镜中心的光线MA、OA和BA不改变射入方向，当相交于M和B点的光线分别与透镜轴垂直射入时，与透镜轴的交点分别为N、C点，折射光线会经过焦距点F，延长MA、NF交于点L，延长BA、CF交于点H，根据斯凯普夫拉格条件：成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线，连接LH并延长交于基平面于E点，延长AF交HE于点I，则点H、I、L即为光线在基平面从不同角度射入时成像清晰的点，所以当光线在基平面无论以何种角度射入透镜，根据透镜成像规律，光线成像的清晰点都在HE及其延长线上；根据相同的原理，当在基平面上放一个高度为d的物体时，光线射在距离基平面为d的上平面上，按照上述的原理进行操作，会发现当光线从Z、R、V点射入时，各自的成像清晰点分别为TL、T、TH点，连接TLT、TTH发现两条直线平行，延长THT交上平面于点J，我们意外地发现EH、TJ两条直线交于点K，推论：当平面与激光器之间的距离发生变化时，激光光线从不同角度射入时成像清晰的点的连线都会经过K点；验证，当基平面下移距离d时，可以看出此时成像清晰的点的集合DH、D、DL三点的连线确实经过K点。
其中，10°≤α≤80°，实际使用时，优选为α＝45°。
下面验证，图6-图8所示的光线原理图是按照实际尺寸绘制，取α＝10°、α＝80°及α＝45°时，控制输出轴中心所在位置及输出轴相对转动的角度是否能在第一平面镜上得到清晰的成像，r为光斑的半径，其中，u＝50mm，f＝25mm，d＝1mm，r＝0.2mm；
如图6所示，入射角α＝10°时，
A点坐标为：(u sinα，u cosα)＝(8.6824，49.2404)；
F点(一倍焦距点)坐标为((u+f)sinα，(u+f)cosα)＝(13.0236，73.8606)；
B点(r，0)＝(0.2,0)
CX＝r+(u-r sinα)sinα＝r+u sinα-r sin2α＝u sinα+r cos2α
CY＝(u-r sinα)cosα
C点(u sinα+rcos2α，u cosα-r sinαcosα)＝(8.8764，49.2062)
E点
Figure BDA0002177142380000051
OG＝r sinα＝0.0347；GA＝u-r sinα＝49.9653；BC＝GA＝u-r sinα＝49.9653；
OA光轴方程：y＝(cotα)x＝cot(10°)x；
BA光心方程：
Figure BDA0002177142380000052
CF方程：
Figure BDA0002177142380000061
H点(BA与CF的交点)：
Figure BDA0002177142380000062
经化简得：(r sinα+f-u)x＝ur sin2α-u2sinα+fr
Figure BDA0002177142380000063
Figure BDA0002177142380000064
H点：
Figure BDA0002177142380000065
验证H点的坐标：
Figure BDA0002177142380000066
EH方程：令r sinα+f-u＝m，r-u cosα＝n
Figure BDA0002177142380000067
Figure BDA0002177142380000068
[xm-(ur sin2α-u2sinα+fr)][0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)c]sin2α
＝(mn cosαx+[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α]sinα)[(ur sin2α-u2sinα+fr)sinα-mu]
x{m[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)]sin2α-mn cosα[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]}
＝mx[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)]sin2α-n cosα[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]
＝[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α]sinα·[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]
+(ur sinα-u2sinα+fr)[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r2cosα(1+sin2α)]sin2α
＝[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α][(ur sinα-u2sinα+fr)sin2α-mu sinα-(ur sinα-u2sinα+fr)sin2α]
＝-mu sinα[u2r2cosα(1+sinα)-0.5u(u2+r2)sin2α]
Figure BDA0002177142380000071
y＝cotαx；光线中心呈像的点为I点
Figure BDA0002177142380000072
Figure BDA0002177142380000073
验证：
Figure BDA0002177142380000074
Figure BDA0002177142380000075
从图3中可以看出AI就是像距，I点并非光斑图像中心；
M点(-r，0)＝(-0.2,0)；
N点：
Figure BDA0002177142380000076
MA光心方程：
Figure BDA0002177142380000077
则
Figure BDA0002177142380000078
NF方程：
Figure BDA0002177142380000081
Figure BDA0002177142380000082
Figure BDA0002177142380000083
Figure BDA0002177142380000084
Figure BDA0002177142380000085
Figure BDA0002177142380000086
L点(MA与NF的交点)
Figure BDA0002177142380000087
验证：
Figure BDA0002177142380000088
Figure BDA0002177142380000089
P点图像成像光斑中心(L点与H点的中点)
Figure BDA0002177142380000091
Figure BDA0002177142380000092
验证：
Figure BDA0002177142380000093
Figure BDA0002177142380000094
但是xI＝17.3648(Δx＝0.0002mm)
yI＝98.4808(Δy＝0.0001mm)
图上标注误差为Δx＝0.0003mm，Δy＝0.0001mm
P点为实际的图像成像光斑中心，I点为理论的图像成像光斑中心，用I点代替P点时会产生误差，其误差为(0.0002，0.0001)mm，但该误差很小且远小于允许误差；
R点(0，1)
J点
Figure BDA0002177142380000097
S点 RS＝u-d cosα＝49.0152
则S点((u-d cosα)sinα，(u-d cosα+d)＝((u-d cosα)sinα，u cosα+d sin2α)＝(8.5114，49.2705)
Figure BDA0002177142380000095
x[u cosα+d sin2α-(u+f)cosα]-(u-d cosα)sinα[u cosα+d sin2α-(u+f)cosα]＝y[(u-d cosα)sinα-(u+f)cosα]-(u cosα+d sin2α)[(u-d cosα)sinα-(u+f)sinα]
Figure BDA0002177142380000096
T点(SF与RA的交点)：
Figure BDA0002177142380000101
验证：
Figure BDA0002177142380000102
Figure BDA0002177142380000103
K点：
EI方程：
Figure BDA0002177142380000104
则
Figure BDA0002177142380000105
Figure BDA0002177142380000106
则
Figure BDA0002177142380000107
JT方程：
Figure BDA0002177142380000108
由EI方程：
Figure BDA0002177142380000109
则
Figure BDA00021771423800001010
[u cosα-d)sinα·(u cos2α-f)u sinαcosα(f+d cos-u cosα]x
＝u2cosα(f+d cosα-u cos2α)-[fd+u(d-u cosα)](u cos2α-f)
fd sinα·x＝u2d cos2α-fdu cos2α+f2d-u2d cos2α+fud
f sinα·x＝fu sin2α+f2
x＝(f+u sin2α)/sinα＝u sinα+f/sinα
Figure BDA00021771423800001011
这就是不动点K，取决于u，f及α
JK方程：
Figure BDA0002177142380000111
也就是JT方程
V点(r，d)＝(0.2，1)；
VA方程
Figure BDA0002177142380000112
则
Figure BDA0002177142380000113
Figure BDA0002177142380000114
求TH点
Figure BDA0002177142380000115
(f-u+d cosα+r sinα)x＝r(f-u cos2α+d cosα)-(u-d cosα)(u sinα-r)
Figure BDA0002177142380000116
Figure BDA0002177142380000117
验证
Figure BDA0002177142380000118
Figure BDA0002177142380000119
Z点(-r，d)＝(-0.2，1)
ZA方程：
Figure BDA00021771423800001110
则
Figure BDA00021771423800001111
求TL点
JK方程：
Figure BDA00021771423800001112
Figure BDA00021771423800001113
Figure BDA00021771423800001114
(f-u cos2α+d cosα-u sin2α-r sinα)x＝-r(f-u cos2α+d cosα)-(u sinα+r)(u-d cosα)
Figure BDA00021771423800001115
Figure BDA00021771423800001116
验证：
Figure BDA00021771423800001117
Figure BDA00021771423800001118
T点：
Figure BDA0002177142380000121
Figure BDA0002177142380000122
Figure BDA0002177142380000123
Figure BDA0002177142380000124
Figure BDA0002177142380000125
Figure BDA0002177142380000126
Figure BDA0002177142380000127
验证：
Figure BDA0002177142380000128
Figure BDA0002177142380000129
Tx＝17.7209(Δx＝0.0003)
Ty＝99.4590(Δy＝0.0001)
EK方程就是EI方程
Figure BDA00021771423800001210
T点为理论的图像成像光斑中心，T点的坐标为(Tx,Ty)，Tp点为实际的图像成像光斑中心，T点与Tp点之间的误差为(0.0003，0.0001)mm，该误差很小，远小于允许误差。
如图7所示，入射角α＝80°时，
A点(透镜中心点)(u sinα，u cosα)＝(49.2404，8.6824)；
F点(一倍焦距点)((u+f)sinα，(u+f)cosα)＝(73.8606，13.0236)；
B点(r，0)＝(0.2,0)；
Figure BDA00021771423800001211
C点(u sinα+r cos2α，u cosα-r sinαcosα)＝(49.2464，8.6482)；
E点
Figure BDA0002177142380000131
OG＝r sinα＝0.1970；GA＝u-r sinα＝49.8030；BC＝GA＝u-r sinα＝49.8030；OA光轴方程：y＝(cotα)x＝cot(80°)x；
BA光心方程：
Figure BDA0002177142380000132
Figure BDA0002177142380000133
CF方程：
Figure BDA0002177142380000134
H点(BA与CF的交点)：
Figure BDA0002177142380000135
经化简得：(r sinα+f-u)x＝ur sin2α-u2sinα+fr
Figure BDA0002177142380000136
Figure BDA0002177142380000137
H点：
Figure BDA0002177142380000138
验证：
Figure BDA0002177142380000139
EH方程：令r sinα+f-u＝m，r-u cosα＝n；
Figure BDA0002177142380000141
[xm-(ur sin2α-u2sinα+fr)][0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)c]sin2α
＝(mn cosαx+[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α]sinα)[(ur sin2α-u2sinα+fr)sinα-mu]
x{m[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)]sin2α-mn cosα[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]}
＝mx[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)]sin2α-n cosα[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]
＝[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α]sinα·[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]
+(ur sinα-u2sinα+fr)[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r2cosα(1+sin2α)]sin2α
＝[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α][(ur sinα-u2sinα+fr)sin2α-mu sinα-(ur sinα-u2sinα+fr)sin2α]
＝-mu sinα[u2r2cosα(1+sinα)-0.5u(u2+r2)sin2α]
Figure BDA0002177142380000142
y＝cotαx；光线中心呈现的点为I点
Figure BDA0002177142380000143
验证：
Figure BDA0002177142380000144
Figure BDA0002177142380000145
Figure BDA0002177142380000146
从图中可以看出AI就是像距，I点并非光斑图像中心
M点(-r，0)＝(-0.2,0)
N点：
Figure BDA0002177142380000147
MA光心方程：
Figure BDA0002177142380000148
则
Figure BDA0002177142380000149
则
Figure BDA0002177142380000151
NF方程：
Figure BDA0002177142380000152
Figure BDA0002177142380000153
(-r cos2α-f sinα)y+(r cos2α+f sinα)(u cosα+r sinαcosα)
＝(r sinαcosα-f cosα)x-(u sinα-r cos2α)(r sinαcosα-f cosα)
Figure BDA0002177142380000154
Figure BDA0002177142380000155
Figure BDA0002177142380000156
Figure BDA0002177142380000157
L点(MA与NF的交点)
Figure BDA0002177142380000158
验证：
Figure BDA0002177142380000159
Figure BDA00021771423800001510
p点图像成像光斑中心(L点与H点的中点)
Figure BDA0002177142380000161
Figure BDA0002177142380000162
验证：
Figure BDA0002177142380000163
Figure BDA0002177142380000164
但是xI＝98.4808(Δx＝0.0015mm)
yI＝17.3648(μy＝0.0006mm)
图上标注的误差分别是Δx＝0.0015mm，Δy＝0.0005mm
P点为实际的图像成像光斑中心，I点为理论的图像成像光斑中心，用I点代替P点时会产生误差，其误差为(0.0015，0.0005)mm，但该误差很小且远小于允许误差；
Figure BDA0002177142380000165
RA方程：
Figure BDA0002177142380000166
SF方程：
Figure BDA0002177142380000167
x[u cosα+d sin2α-(u+f)cosα]-(u-d cosα)sinα[u cosα+d sin2α-(u+f)cosα]＝y[(u-d cosα)sinα-(u+f)cosα]-(u cosα+d sin2α)[(u-d cosα)sinα-(u+f)sinα]
Figure BDA0002177142380000168
T点(SF与RA的交点)：
Figure BDA0002177142380000171
Figure BDA0002177142380000172
Figure BDA0002177142380000173
验证：
Figure BDA0002177142380000174
Figure BDA0002177142380000175
K点
EI方程：
Figure BDA0002177142380000176
则
Figure BDA0002177142380000177
Figure BDA0002177142380000178
Figure BDA0002177142380000179
则
Figure BDA00021771423800001710
JT方程：
Figure BDA00021771423800001711
由EI方程：
Figure BDA00021771423800001712
则
Figure BDA00021771423800001713
Figure BDA00021771423800001714
这就是不动点K，取决于u，f及α
JK方程：
Figure BDA0002177142380000181
也就是JT方程
V点(r,d)＝(0.2,1)；
VA方程：
Figure BDA0002177142380000182
则
Figure BDA0002177142380000183
Figure BDA0002177142380000184
求TH点
Figure BDA0002177142380000185
[f-u cos2α+d cosα-u sin2α+r sinα]x＝r(f-u cos2α+d cosα)-(u-d cosα)(usinα-r)
(f-u+d cosα+r sinα)x＝r(f-u cos2α+d cosα)-(u-d cosα)(u sinα-r)
Figure BDA0002177142380000186
Figure BDA0002177142380000187
验证：
Figure BDA0002177142380000188
Figure BDA0002177142380000189
Z点(-r,d)＝(-0.2,1)
ZA方程：
Figure BDA00021771423800001810
则
Figure BDA00021771423800001811
求TL点
JK方程：
Figure BDA00021771423800001812
Figure BDA00021771423800001813
Figure BDA00021771423800001814
(f-u cos2α+dcosα-u sin2α-rsinα)x＝-r(f-u cos2α+dcosα)-(u sinα+r)(u-dcosα)
Figure BDA00021771423800001815
Figure BDA00021771423800001816
验证：
Figure BDA00021771423800001817
Figure BDA00021771423800001818
T点：
Figure BDA0002177142380000191
Figure BDA0002177142380000192
所以
Figure BDA0002177142380000193
Figure BDA0002177142380000194
Figure BDA0002177142380000195
验证：
Figure BDA0002177142380000196
Figure BDA0002177142380000197
Figure BDA0002177142380000198
Tx＝98.8252(Δx＝0.0015mm)
Ty＝16.4186Δy＝0.0004mm)
图上标注的误差分别为Δx＝0.0015mm，Δy＝0.0005mm
EK方程就是EI方程
Figure BDA0002177142380000199
T点为理论的图像成像光斑中心，T点的坐标为(Tx,Ty)，Tp点为实际的图像成像光斑中心，T点与Tp点之间的误差为(0.0015，0.0004)mm，该误差很小，远小于允许误差。
如图8所示，入射角α＝45°时，A点(透镜中心点)(u sinα，u cosα)＝(35.3553，35.3553)；
F点(一倍焦距点)((u+f)sinα，(u+f)cosα)＝(53.0330，53.0330)；
B点(r，0)＝(0.2,0)；
CX＝r+(u-r sinα)sinα＝r+u sinα-r sin2α＝u sinα+r cos2α
CY＝(u-r sinα)cosα；
C点(u sinα+r cos2α，u cosα-r sinαcosα)＝(35.4553,35.2553)；
E点
Figure BDA0002177142380000201
OG＝r sinα＝0.1414；GA＝u-rsinα＝49.8586；BC＝GA＝u-r sinα＝49.8586；OA光轴方程：y＝(cotα)x＝x；
BA光心方程：
Figure BDA0002177142380000202
CF方程：
Figure BDA0002177142380000203
H点(BA与CF的交点)：
Figure BDA0002177142380000204
经化简得：(r sinα+f-u)x＝ur sin2α-u2sinα+fr
Figure BDA0002177142380000205
Figure BDA0002177142380000206
H点：
Figure BDA0002177142380000207
验证：
Figure BDA0002177142380000211
Figure BDA0002177142380000212
EH方程：令r sinα+f-u＝m，r-u cosα＝n；
Figure BDA0002177142380000213
[xm-(ur sin2α-u2sinα+fr)][0.5u(u2+r2)sin2α-u2rcosα(1+sin2α)c]sin2α
＝(mn cosαx+[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α]sinα)[(ur sin2α-u2sinα+fr)sinα-mu]
x{m[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)]sin2α-mn cosα[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]}
＝mx[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r cosα(1+sin2α)]sin2α-n cosα[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]
＝[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α]sinα·[(ur sinα-u2sinα+fr)sinα-mu]
+(ur sinα-u2sinα+fr)[0.5u(u2+r2)sin2α-u2r2cosα(1+sin2α)]sin2α
＝[u2r cosα(1+sin2α)-0.5u(u2+r2)sin2α][(ur sinα-u2sinα+fr)sin2α-mu sinα-(ur sinα-u2sinα+fr)sin2α]
＝-mu sinα[u2r2cosα(1+sinα)-0.5u(u2+r2)sin2α]
Figure BDA0002177142380000214
y＝cotαx；光线中心呈现的点I点：
Figure BDA0002177142380000215
验证：
Figure BDA0002177142380000216
Figure BDA0002177142380000217
从图中可以看出AI就是像距，I点并非光斑图像中心；
M点(-r，0)＝(-0.2,0)；
N点：
Figure BDA0002177142380000221
MA光心方程：
Figure BDA0002177142380000222
则
Figure BDA0002177142380000223
NF方程：
Figure BDA0002177142380000224
Figure BDA0002177142380000225
(-r cos2α-f sinα)y+(r cos2α+f sinα)(u cosα+r sinαcosα)
＝(r sinαcosα-f cosα)x-(u sinα-r cos2α)(r sinαcosα-f cosα)
Figure BDA0002177142380000226
Figure BDA0002177142380000227
Figure BDA0002177142380000228
Figure BDA0002177142380000229
L点(MA与NF的交点)
Figure BDA00021771423800002210
验证：
Figure BDA00021771423800002211
Figure BDA00021771423800002212
P点图像成像光斑中心(L点与H点的中点)
Figure BDA0002177142380000231
Figure BDA0002177142380000232
验证：
Figure BDA0002177142380000233
Figure BDA0002177142380000234
但是xI＝70.7107(Δx＝0)
yI＝70.7107(Δy＝0.0011mm)；
证明用I点代替P点有微小误差，该误差远小于允许误差；
Figure BDA0002177142380000235
RA方程：
Figure BDA0002177142380000236
SF方程：
Figure BDA0002177142380000237
Figure BDA0002177142380000238
Figure BDA0002177142380000239
T点(SF与RA的交点)：
Figure BDA0002177142380000241
验证：
Figure BDA0002177142380000242
Figure BDA0002177142380000243
K点
EI方程：
Figure BDA0002177142380000244
则
Figure BDA0002177142380000245
Figure BDA0002177142380000246
Figure BDA0002177142380000247
则
Figure BDA0002177142380000248
JT方程：
Figure BDA0002177142380000249
由EI方程：
Figure BDA0002177142380000251
则
Figure BDA0002177142380000252
Figure BDA0002177142380000253
这就是不动点K，取决于u，f及α
验证：
Figure BDA0002177142380000254
y＝50×cos45°＝35.3553
JK方程：
斜率
Figure BDA0002177142380000255
Figure BDA0002177142380000256
Figure BDA0002177142380000257
也就是JT方程
V点(r,d)＝(0.2,1)
VA方程：
Figure BDA0002177142380000261
则
Figure BDA0002177142380000262
Figure BDA0002177142380000263
求TH点
Figure BDA0002177142380000264
[f-u cos2α+d cosα-u sin2α+r sinα]x＝r(f-u cos2α+d cosα)-(u-d cosα)(usinα-r)
(f-u+d cosα+r sinα)x＝r(f-u cos2α+d cosα)-(u-d cosα)(u sinα-r)
Figure BDA0002177142380000265
Figure BDA0002177142380000266
验证：
Figure BDA0002177142380000267
Figure BDA0002177142380000268
Z点(-r,d)＝(-0.2,1)
ZA方程：
Figure BDA0002177142380000269
则
Figure BDA00021771423800002610
求TL点
JK方程：
Figure BDA00021771423800002611
Figure BDA00021771423800002612
Figure BDA00021771423800002613
(f-u cos2α+d cosα-u sin2α-r sinα)x＝-r(f-u cos2α+d cosα)-(u sinα+r)(u-d cosα)
Figure BDA00021771423800002614
Figure BDA00021771423800002615
验证：
Figure BDA00021771423800002616
Figure BDA00021771423800002617
T点：
Figure BDA0002177142380000271
Figure BDA0002177142380000272
所以
Figure BDA0002177142380000273
Figure BDA0002177142380000274
Figure BDA0002177142380000275
验证：
Figure BDA0002177142380000276
Figure BDA0002177142380000277
Figure BDA0002177142380000278
Tx＝71.7398(Δx＝0)
Ty＝70.7107(Δy＝0.0012)
EK方程就是EI方程
Figure BDA0002177142380000279
T点为理论的图像成像光斑中心，T点的坐标为(Tx,Ty)，Tp点为实际的图像成像光斑中心，T点与Tp点之间的误差为(0，0.0012)mm，该误差很小，远小于允许误差。
综上所述，理论成像光斑中心与实际的光斑中心虽然有误差，但是该误差很小，远远小于允许误差，允许误差为1％，产生的误差基本可以忽略，将K点作为不动点有助于得到清晰的成像。
下面计算，物体上表面相对基平面的距离发生变化时，输出轴的转动角度的计算公式。
LF方程：
Figure BDA0002177142380000281
化简得：(f sinα-d sinαcosα)y＝(f cosα+d sin2α)x-d sinα(f+u)；
NA方程：
Figure BDA0002177142380000282
求D点坐标，具体为：
(f cosα+d sin2α)x+(d sinαcosα-f sinα)y＝df sinα+du sinα
(d+u cosα)x-u sinα·y＝du sinα
D点的x坐标和y坐标分别为：
Figure BDA0002177142380000283
K点
Figure BDA0002177142380000284
DK方程：
Figure BDA0002177142380000285
Figure BDA0002177142380000286
Q点，当y＝-d时，
Figure BDA0002177142380000291
Q点的坐标是
Figure BDA0002177142380000292
设直线EI的斜率为k1,那么
Figure BDA0002177142380000293
设直线JT的斜率为k2，那么
Figure BDA0002177142380000294
设直线QK的斜率为k3，那么
Figure BDA0002177142380000295
设直线EI和直线JT之间的夹角为θ1，直线EI和直线QK之间的夹角为θ2；
Figure BDA0002177142380000296
Figure BDA0002177142380000297
Figure BDA0002177142380000298
Figure BDA0002177142380000299
从上可以看出，输出轴的转动角度确定后，可以计算出物体的高度变化。
本发明中，固定孔与安装支架连通，紧固孔和透镜支架连通，激光器和透镜的安装角度调整结束后，分别使用两个紧固螺钉旋进固定孔和紧固孔，两个紧固螺钉分别抵触在安装支架和透镜支架上，使安装支架和透镜支架无法转动；在高度方向上，第一平面镜的上侧不低于第二平面镜的上侧，第一平面镜的上侧低于照相机的照相镜头的最高点所在位置；透镜支架可转动地连接在连接架上；转动安装支架，即调节激光器发射出去的光线角度，调节完安装支架的角度后，固定安装支架；转动透镜支架，使发射出去的光线垂直于透镜主平面，底板上没有用于反射光线的物体时，激光器发射出去的光线照射到底板上，底板将光线反射到透镜上，光线经透镜成像折射出去并经过焦距点F，转动调节支架，使成像点清晰的成像在第一平面镜上，停止转动调节支架，第一平面镜将清晰的成像点反射至第二平面镜，第二平面镜再将光线反射到第一平面镜上，成像点经过多次反射后被放大，放大后的成像点在第二平面镜上，此时，相机拍摄放大后的清晰的成像点，记录此时输出轴的位置，物体的位移很小时，仍然能清楚地辨别出两个光斑，获得光斑的位置；物体上表面相对于基平面的距离发生变化时，为了获得清晰的图像，输出轴转动，输出轴连续转动，相机拍摄输出轴不同转动角度下经过第一平面镜和第二平面镜反射放大后的图像，从拍摄的若干个成像中选取出最清晰的图像，最清晰的图像下对应的输出轴角度已知，从而计算出物体的高度变化，实现微位移测量，使用该方法测试更加方便，不需要分析出成像的每个光斑的位置坐标，提高测量速度，准确率更高；本发明结构简单，将激光三角与光杠杆测量结合起来，经过透镜能在第一平面上清晰地成像，经过第一平面镜和第二平面镜的多次反射，放大成像点的位置坐标，使激光点能在照相机中更加清晰地成像，测量小位移时，成像点位置坐标能够以足够的精度区分；特别是，通过第一平面镜旋转中心的具体设置，激光器发出的光点无论是发射到底板上还是发射到底板上侧的物体上，成像清晰的点始终是围绕该旋转中心转动所在的平面上，只需调整第一平面镜的转动角度就能使清晰的成像点成像在第一平面镜上，进一步提高找到清晰的成像点的效率；通过输出轴的转动角度，计算出物体的高度变化，实现微位移测量，测量更加方便快捷；可应用于光学测量的工作中，尤其适用于小位移光学测量。
本发明并不局限于上述实施例，照相设备不局限于以上实施例中给出的CCD相机，照相设备还可为CMOS等方便进行图像处理的相机，本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，其特征在于：包括底板，所述底板的上侧固定连接有连接架，所述连接架上可转动地连接有用于安装透镜的透镜支架和用于安装激光器的安装支架，所述透镜的中心线和激光器光源的轴线在一个平面内，远离安装支架的透镜支架所在一端朝外的连接架上固定连接有固定支架且可转动地连接有调节支架，所述调节支架上可滑动地连接有第一平面镜，所述固定支架上连接有可上下滑动的第二平面镜，所述第一平面镜的发射面和第二平面镜的发射面相对设置，所述第一平面镜上方的连接架上连接有朝向第二平面镜的照相设备，所述连接架的后侧固定连接有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与调节支架可转动地连接，所述输出轴的中心轴线与底板上表面之间的竖直距离为y，输出轴的中心轴线与激光器的发射中心之间的水平距离为x，其中，x=u*sinα+f/sinα,y=u*cosα,u为物距，从激光器发射出去的光线与基平面的交点为O，底板的上表面为基平面，透镜轴的中心点为A，激光器照射在基平面上后反射至透镜的光线刚好成像清晰，物距为交点O与透镜中心A之间的距离，α为激光器的光轴与OA之间的夹角，建立直角坐标系，激光器的光轴与竖直方向平行，光轴与O点相交，在底板上放置物体，以基平面为基准，以此时的输出轴为参考基准；假设，物体上表面在基平面的上方时，物体上表面相对基平面的纵坐标为d，激光器光线照射在此时的物体上表面上时，输出轴相对参考基准的转动角度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
物体上表面在基平面的下方时，物体上表面相对基平面的纵坐标为-d，输出轴相对参考基准的转动角度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，-表示输出轴逆时针旋转，+表示输出轴顺时针旋转。
2.根据权利要求1所述的一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，其特征在于：还包括限位件一，所述限位件一包括水平部一，所述水平部一的两侧分别设有水平部二和水平部三，所述水平部一朝向第一平面镜的一侧连接有限位部一，第一平面镜的下侧抵触在限位部一的上侧，所述调节支架在前后方向上的两侧分别设有滑动轨一，水平部二可沿着调节支架前侧的滑动轨一滑动，水平部三可沿着调节支架后侧的滑动轨一滑动，水平部二和水平部三分别贴合在调节支架的前后两侧；所述水平部一上开有方便与调节支架连接的连接孔。
3.根据权利要求1所述的一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，其特征在于：还包括限位件二，所述限位件二包括滑动部，所述滑动部朝向第二平面镜的一侧连接有限位部二，所述第二平面镜抵触在限位部的上侧，所述连接架的左侧设有滑动轨二，滑动部可沿着滑动轨二滑动，滑动部贴合在连接架的左侧，滑动轨二两侧朝外的滑动部上分别开有至少一个方便与连接架连接的固连孔。
4.根据权利要求3所述的一种激光三角与光杠杆复合式单目视觉测量装置，其特征在于：所述滑动部上固定连接有朝向第二平面镜的加强部，所述加强部上开有至少一个与连接架连接的加固孔。
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