CN111427053A - 一种基于阵列镜标定的精确测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列镜标定的精确测距装置及方法，旨在解决现有技术中存在的阵列镜旋转中心到荧光屏的距离无法精确测量的技术问题。本发明的精确测距装置包括激光笔；激光笔的前端沿其光路依次设有阵列镜调节台、荧光屏、成像镜头以及CCD相机，激光笔的后端设有经纬仪；旋转调节台的工作端设有测距镜组，使得测距镜组可旋转；测距镜组的旋转轴线与测距镜组上的反射镜镜面中心线重合；荧光屏上设有基准刻线；成像镜头连接于CCD相机上；经纬仪自准直准直镜。基于上述的精确测距装置，本发明还提供了一种基于阵列镜标定的精确测距方法。

Description

一种基于阵列镜标定的精确测距装置及方法

技术领域

本发明涉及阵列镜旋转中心到荧光屏的距离测量，具体涉及一种基于阵列镜标定的精确测距装置及方法。

背景技术

阵列镜是一种具有特定角度与能点的反射镜，宽谱光线在反射时，当其入射角度为阵列镜的某一特定角度时，阵列镜的反射率最大，此时出射光就能变成一个准单能谱，所以通常要对阵列镜的反射特定角度进行精确标定。目前标定阵列镜的入射角度，通常采用几何标定法，在入射光与阵列镜成某一角度时测得此时反射率最大，借助荧光屏，测量出射光在荧光屏上的变化距离，然后测量阵列镜反射中心到荧光屏的距离，利用两个距离的正切值，计算入射角度。荧光屏上光斑的变化距离可精确获得，但是阵列镜旋转中心到荧光屏的距离无法精确测量，通常采用机械测量即用直尺测量或有设计模型直接获得，这两种测量方法的测量精度较差，直接影响了阵列镜的标定精度，所以亟需提出一种能够精确测量阵列镜旋转中心到荧光屏距离的测量装置及方法。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的阵列镜旋转中心到荧光屏的距离无法精确测量的技术问题，而提供一种基于阵列镜标定的精确测距装置及方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特殊之处在于：包括激光笔；所述激光笔的前端沿其光路依次设有阵列镜调节台、荧光屏、成像镜头以及CCD相机，激光笔的后端设有经纬仪；

所述阵列镜调节台包括升降调节台、连接于升降调节台工作端的平移调节台、连接于平移调节台工作端的旋转调节台；

所述旋转调节台的工作端设有测距镜组，使得测距镜组可旋转；

所述测距镜组包括相互垂直设置的反射镜和准直镜；

所述测距镜组的旋转轴线与反射镜的镜面中心线重合；

所述反射镜与准直镜所在面的交线与所述旋转轴线重合；

所述荧光屏上设有基准刻线；

所述成像镜头连接于CCD相机上；

所述经纬仪自准直准直镜。

进一步地，所述旋转调节台包括直线电机、竖直安装座、水平安装框架以及旋转台；

所述直线电机安装于竖直安装座的下端，其输出端向上；

所述水平安装框架的一端与竖直安装座的上端连接，其中部与平移调节台的工作端连接；

所述旋转台位于水平安装框架的框体内，其两侧与水平安装框架的两侧框架可旋转连接，旋转台一端位于直线电机的输出端顶部；

所述旋转台与安装座之间设有处于拉伸状态的拉簧；

所述测距镜组设置于旋转台上。

进一步地，所述水平安装框架的两侧分别设有固定座；

所述旋转台的两侧相应位置设有转轴座；

所述固定座与转轴座之间穿设有转轴。

进一步地，还包括经纬仪三维调节台和激光笔三维调节台；

所述经纬仪设置于经纬仪三维调节台上；

所述激光笔通过L型安装支架设置于激光笔三维调节台上。

进一步地，所述阵列镜调节台还包括L型连接件和Z型连接件；

所述L型连接件一端与升降调节台的工作端连接，另一端与Z型连接件一端连接，Z型连接件的另一端与平移调节台的底部连接。

进一步地，所述阵列镜调节台还包括连接支架；

所述连接支架底部与平移调节台的工作端连接，其顶部与水平安装框架固定连接。

进一步地，所述测距镜组还包括镜组支架；

所述镜组支架包括相互垂直连接的反射镜安装座和准直镜安装座；

所述旋转台上设有凹槽，所述凹槽内设有定位块和固定块；所述反射镜安装座一端紧靠定位块；另一端由穿过固定块的螺丝顶紧；

所述反射镜安装于反射镜安装座上，其镜面中心线与转轴的轴线重合。

基于上述的基于阵列镜标定的精确测距装置，本发明还提供了一种基于阵列镜标定的精确测距方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、制备如上所述的基于阵列镜标定的精确测距装置；

步骤2、打开激光笔，使其光线穿过准直镜下方入射至荧光屏上，通过成像镜头及CCD相机记录此时的光斑相对基准刻线的第一位置；

步骤3、反复微调测距镜组，直至调节升降调节台时，荧光屏上的光斑位置保持不变，则反射镜与光线达到平行，再次调节升降调节台，使反射镜的边缘遮挡光斑面积的一半；

步骤4、调节经纬仪，使其自准直准直镜并记录第一读数；

步骤5、调节旋转调节台，使测距镜组转动某一角度，则光斑位置发生改变，再次通过成像镜头及CCD相机记录改变后的光斑相对基准刻线的第二位置，调节经纬仪，使其自准直准直镜，并记录经纬仪上的第二读数；

步骤6、求第一读数和第二读数之差，即为测距镜组的旋转角度，通过第一位置和第二位置计算出光斑的移动距离，再通过旋转角度的正切值与光斑的移动距离获得旋转调节台的旋转中心至荧光屏的距离。

进一步地，还包括：

步骤7、重复步骤5和步骤6，对应获得第三位置和第三读数；通过第三位置、第三读数、第一位置以及第一读数再次获得一个旋转中心至荧光屏的距离；

步骤8、将步骤6获得的距离与步骤7获得的距离求平均值。

进一步地，为了减小误差，使得测量结果更精确，还包括：

步骤9、调节平移调节台，使其沿旋转中心的轴向平移一段距离，重复步骤2至步骤6，再获得一个旋转调节台的旋转中心至荧光屏(5)的距离；

步骤10、重复步骤9至少一次，取所有测距镜组的旋转中心至荧光屏距离的平均值。

本发明的有益效果是：

本发明利用光线的反射，通过改变入射光的角度，获得出射光光斑在荧光屏上位置的变化距离，利用几何的方法计算阵列镜旋转中心到荧光屏的距离，大大提高了测量精度，同时进行多点测量求其平均值，进一步提高测量精度，相比传统的机械测量，大大减少了误差。

附图说明

图1为本发明一种基于阵列镜标定的精确测距装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为阵列镜调节台的结构示意图；

图4为测距镜组的结构示意图；

图5为荧光屏的正视图；

图6为基于阵列镜标定的精确测距装置的测量状态示意图；

图7是计算旋转中心至荧光屏的距离的计算原理示意图。

图中，1-经纬仪，2-激光笔，3-阵列镜调节台，4-测距镜组，5-荧光屏，6-成像镜头，7-CCD相机，8-激光笔三维调节台，9-经纬仪三维调节台，10-L型安装支架，11-激光笔压环，12-光斑，13-升降调节台，14-固定座，15-转轴座，16-转轴，17-旋转台，18-拉簧，19-水平安装框架，20-竖直安装座，21-直线电机，22-连接支架，23-平移调节台，24-反射镜，25-准直镜安装座，26-准直镜压板，27-准直镜，28-固定块，30-反射镜安装座，31-定位块，35-L型连接件，36-Z型连接件，37-凹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于阵列镜标定的精确测距装置及方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

本发明一种基于阵列镜标定的精确测距装置，如图1、图2所示，包括依次设置的经纬仪1、激光笔2、阵列镜调节台3、荧光屏5、成像镜头6以及CCD相机7；

阵列镜调节台3、荧光屏5、成像镜头6以及CCD相机7均设置于激光笔2发射光线上；经纬仪1设置于激光笔2的后端，即激光笔2发射光线的反向延长线上；

经纬仪1设置于经纬仪三维调节台9上；

激光笔2通过激光笔压环11安装于L型安装支架10上，L型安装支架10设置于激光笔三维调节台8上；激光笔2发出入射光线经测距镜组4反射到荧光屏5上；

如图3所示，阵列镜调节台3包括升降调节台13、L型连接件35、Z型连接件36、平移调节台23和连接支架22，以及由直线电机21、竖直安装座20、水平安装框架19以及旋转台17组成的旋转调节台；如图3所示，阵列镜调节台3可实现Y、Z、θy三维调节，其中Y方向由平移调节台23实现，Z方向由升降调节台13，θy由旋转调节台实现。

升降调节台13的工作端与L型连接件35一端连接，L型连接件35的另一端与Z型连接件36一端连接，Z型连接件36的另一端与平移调节台23的底部连接，平移调节台23的工作端与连接支架22底部连接，连接支架22的顶部与水平安装框架19固定连接；水平安装框架19的两侧中部分别设有固定座14；旋转台17位于水平安装框架19的框体内，其两侧相应位置设有转轴座15；固定座14与转轴座15之间穿设有转轴16，使得旋转台17两侧与水平安装框架19的两侧框架实现可旋转连接，即旋转台17可绕转轴16旋转；转轴16与激光笔2的光线垂直；水平安装框架19远离Z型连接件36的一端固定安装于竖直安装座20的上端，竖直安装座20的底部安装直线电机21，直线电机21的输出端向上，刚好顶住旋转台17上远离Z型连接件36的一端底部；在旋转台17与安装座20之间设有始终处于拉伸状态的拉簧18；由此当直线电机21的输出端向上顶出时，旋转台17绕转轴16向一侧旋转，当直线电机21的输出端收回时，在始终处于拉伸状态的拉簧18的拉力作用下，旋转台17绕转轴16反向旋转，由此实现可旋转调节；

如图4所示，测距镜组4包括反射镜24和准直镜27，还包括由相互垂直连接的反射镜安装座30和准直镜安装座25组成的镜组支架；旋转台17上设有凹槽37，凹槽37内设有定位块31和固定块28，固定块28上设有紧定螺钉，通过紧定螺钉顶住反射镜安装座30的侧面，实现反射镜安装座30的定位；反射镜24安装于反射镜安装座30上，保证反射镜24镜面中心线与旋转中心(即转轴16的轴线)重合，准直镜27通过准直镜压板26安装于准直镜安装座25上。

荧光屏5上设有基准刻线；为测量入射至荧光屏5上的光斑位置提供一个基准。

成像镜头6连接于CCD相机7上，成像镜头6及CCD相机7精确测量光斑12移动的距离；

经纬仪1通过自准直测距镜组4获得激光反射的入射角旋转的角度，从而可计算出反射镜24旋转中心到荧光屏5的距离。

本发明一种基于阵列镜标定的精确测距方法，如图6所示，具体步骤如下：

步骤1、制备如上所述的基于阵列镜标定的精确测距装置；

步骤2、打开激光笔2，调节激光笔三维调节台8，使激光笔2的光线穿过准直镜27下方入射至荧光屏5上合适位置，通过成像镜头6及CCD相机7记录此时的光斑12相对基准刻线的第一位置；

步骤3、反复微调测距镜组4(包括上下调节以及旋转调节)，直至调节升降调节台13上下移动时时，荧光屏5上的光斑12位置保持不变，则说明反射镜24与激光光线达到了平行，再次调节升降调节台13，使反射镜24的边缘遮挡光斑12面积的一半，如图5所示；该面积可通过成像镜头6及CCD相机7不断收集信息并传输至计算机，通过软件分析计算得知；当光斑面积留有一半时，停止调节；则反射镜24旋转时，入射光线可准确入射至反射镜镜面中心线即旋转调节台旋转中心上，保证后面测量的距离为旋转中心至荧光屏的距离；

步骤4、调节经纬仪三维调节台9以及使经纬仪1的俯仰，使经纬仪1自准直准直镜27并记录第一读数；

步骤5、驱动直线电机21，使旋转台17转动某一角度，则光斑位置发生改变，再次通过成像镜头6及CCD相机7记录改变后的光斑相对基准刻线的第二位置，调节经纬仪三维调节台9以及经纬仪1的俯仰，使得经纬仪1再次自准直准直镜27，并记录经纬仪1的第二读数；

步骤6、如图7所示，求第一读数和第二读数之差，该差即为测距镜组4的旋转角度(a)，通过第一位置和第二位置计算出光斑的移动距离(L2-L1)，再通过旋转角度(a)的正切值与移动距离(L2-L1)获得测距镜组4的旋转中心至荧光屏5的距离(L)；此时只是旋转中心上某一点至荧光屏5的距离；

步骤7、重复步骤5和步骤6，对应获得第三位置和第三读数；通过第三位置、第三读数、第一位置以及第一读数再次获得一个旋转中心至荧光屏(5)的距离；

步骤8、将步骤6获得的距离与步骤7获得的距离求平均值；

步骤9、调节平移调节台23，使其沿旋转中心的轴向(即图3所示的Y轴)平移一段距离，重复步骤2至步骤6，再获得一个旋转调节台的旋转中心至荧光屏(5)的距离；

步骤10、重复步骤9至少一次，取所有测距镜组4的旋转中心至荧光屏5距离的平均值。该平均值即最终距离，这里重复次数越多，误差则越小。

Claims (10)

1.一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：包括激光笔(2)；所述激光笔(2)的前端沿其光路依次设有阵列镜调节台(3)、荧光屏(5)、成像镜头(6)以及CCD相机(7)，激光笔(2)的后端设有经纬仪(1)；

所述阵列镜调节台(3)包括升降调节台(13)、连接于升降调节台(13)工作端的平移调节台(23)、连接于平移调节台(23)工作端的旋转调节台；

所述旋转调节台的工作端设有测距镜组(4)，使得测距镜组(4)可旋转；

所述测距镜组(4)包括相互垂直设置的反射镜(24)和准直镜(27)；

所述测距镜组(4)的旋转轴线与反射镜(24)的镜面中心线重合；

所述反射镜(24)与准直镜(27)所在面的交线与所述旋转轴线重合；

所述荧光屏(5)上设有基准刻线；

所述成像镜头(6)连接于CCD相机(7)上；

所述经纬仪(1)自准直准直镜(27)。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：所述旋转调节台包括直线电机(21)、竖直安装座(20)、水平安装框架(19)以及旋转台(17)；

所述直线电机(21)安装于竖直安装座(20)的下端，其输出端向上；

所述水平安装框架(19)的一端与竖直安装座(20)的上端连接，其中部与平移调节台(23)的工作端连接；

所述旋转台(17)位于水平安装框架(19)的框体内，其两侧与水平安装框架(19)的两侧框架可旋转连接，旋转台(17)一端位于直线电机(21)的输出端顶部；

所述旋转台(17)与安装座(20)之间设有处于拉伸状态的拉簧(18)；

所述测距镜组(4)设置于旋转台(17)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：所述水平安装框架(19)的两侧分别设有固定座(14)；

所述旋转台(17)的两侧相应位置设有转轴座(15)；

所述固定座(14)与转轴座(15)之间穿设有转轴(16)。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：还包括经纬仪三维调节台(9)和激光笔三维调节台(8)；

所述经纬仪(1)设置于经纬仪三维调节台(9)上；

所述激光笔(2)通过L型安装支架(10)设置于激光笔三维调节台(8)上。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：所述阵列镜调节台(3)还包括L型连接件(35)和Z型连接件(36)；

所述L型连接件(35)一端与升降调节台(13)的工作端连接，另一端与Z型连接件(36)一端连接，Z型连接件(36)的另一端与平移调节台(23)的底部连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：所述阵列镜调节台(3)还包括连接支架(22)；

所述连接支架(22)底部与平移调节台(23)的工作端连接，其顶部与水平安装框架(19)固定连接。

7.根据权利要求3所述的一种基于阵列镜标定的精确测距装置，其特征在于：所述测距镜组(4)还包括镜组支架；

所述镜组支架包括相互垂直连接的反射镜安装座(30)和准直镜安装座(25)；

所述旋转台(17)上设有凹槽(37)，所述凹槽(37)内设有定位块(31)和固定块(28)；所述反射镜安装座(30)一端紧靠定位块(31)；另一端由穿过固定块(28)的螺丝顶紧；

所述反射镜(24)安装于反射镜安装座(30)上，其镜面中心线与转轴(16)的轴线重合。

8.一种基于阵列镜标定的精确测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备如权利要求1所述的基于阵列镜标定的精确测距装置；

步骤2、打开激光笔(2)，使其光线穿过准直镜(27)下方入射至荧光屏(5)上，通过成像镜头(6)及CCD相机(7)记录此时的光斑相对基准刻线的第一位置；

步骤3、反复微调测距镜组(4)，直至调节升降调节台(13)时，荧光屏(5)上的光斑位置保持不变，则反射镜(24)与光线达到平行，再次调节升降调节台(13)，使反射镜(24)的边缘遮挡光斑面积的一半；

步骤4、调节经纬仪(1)，使其自准直准直镜(27)并记录第一读数；

步骤5、调节旋转调节台，使测距镜组(4)转动某一角度，则光斑位置发生改变，再次通过成像镜头(6)及CCD相机(7)记录改变后的光斑相对基准刻线的第二位置，调节经纬仪(1)，使其自准直准直镜(27)，并记录经纬仪(1)上的第二读数；

步骤6、求第一读数和第二读数之差，即为测距镜组(4)的旋转角度，通过第一位置和第二位置计算出光斑的移动距离，再通过旋转角度的正切值与光斑的移动距离获得旋转调节台的旋转中心至荧光屏(5)的距离。

9.根据权利要求8所述的一种基于阵列镜标定的精确测距方法，其特征在于，还包括：

步骤7、重复步骤5和步骤6，对应获得第三位置和第三读数；通过第三位置、第三读数、第一位置以及第一读数再次获得一个旋转中心至荧光屏(5)的距离；

步骤8、将步骤6获得的距离与步骤7获得的距离求平均值。

10.根据权利要求9所述的一种基于阵列镜标定的精确测距方法，其特征在于，还包括：

步骤9、调节平移调节台(23)，使其沿旋转中心的轴向平移一段距离，重复步骤2至步骤6，再获得一个旋转调节台的旋转中心至荧光屏(5)的距离；

步骤10、重复步骤9至少一次，取所有测距镜组(4)的旋转中心至荧光屏(5)距离的平均值。

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