CN111458108B - 一种发射接收光轴平行度测量装置及测量方法 - Google Patents

一种发射接收光轴平行度测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种发射接收光轴平行度测量装置，包括载物台、离轴抛物面反射镜、二维调整台、五角棱镜、自准直望远镜、CCD图像采集系统、计算机、光纤输入耦合器和光纤；其测量方法为：将被测设备固定到载物台上，遮挡接收镜筒；激光脉冲在激光测试卡上形成明显光斑；采集激光光斑图像、获取光斑能量中心位置坐标；取下激光器测试卡，光纤输入耦合器对准激光发射镜筒，光纤安装；打开接收镜筒，调整被测仪器，发射激光脉冲，光纤端子在被测仪器的接收视场内；计算机控制二维调整台，直至回数为50%有效，50%无效；获取圆心坐标，计算平行度偏差△α。本发明通过特定选用高精度二维调整台，通过计算机控制并进行信息处理，简化操作方式，测量精度高。

Description

一种发射接收光轴平行度测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于光学测量领域，主要涉及一种发射接收光轴平行度测量装置及测量方法。
背景技术
在激光测距、激光雷达等相关设备中，发射及接收光轴的平行度是一个重要技术指标。在光电跟踪测量设备上，通常都同时配有可见、红外及激光测距中的一种或者几种光学系统，目的是使光电测量设备具备多谱段的探测能力，功能强大。为了完成对目标的探测和测量任务，关键的因素是使各类成像光学系统与激光测距系统的光轴严格平行，保持相同的指向，以保证光电跟踪测量设备各系统间测量结果的一致性与准确性。
常用的光轴平行度测量方法有大口径平行光管法、投影靶板法、激光光轴仪法和五棱镜法，这些方法中五棱镜法因设备简单，检测精度较高而应用广泛，但是在对检测结果的误差分析中往往忽视了五棱镜本身带来的误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种发射接收光轴平行度测量装置及测量方法，通过二维调整台的移动降低五棱镜的误差。
本发明通过以下技术方案来实现：一种发射接收光轴平行度测量装置，包括载物台、离轴抛物面反射镜、二维调整台、计算机；
发射轴标定时，还包括五角棱镜、自准直望远镜、CCD图像采集系统，所述载物台上放置有被测设备，所述被测设备上设置有接收镜筒和激光发射镜筒，载物台与所述离轴抛物面反射镜相对且平行设置，所述五角棱镜设置在离轴抛物面反射镜和载物台之间，用于接收离轴抛物面反射镜的反射光；离轴抛物面反射镜的焦平面上设有用于接收离轴抛物面反射镜上反射光的激光测试卡，所述计算机用于采集激光测试卡上的光斑图像，所述自准直望远镜、所述CCD图像采集系统和所述计算机依次连接并共同完成由五角棱镜折射后的图像采集及信息处理；
测量接收轴平行度时，还包括光纤输入耦合器和光纤，所述光纤输入耦合器的输入端与所述激光发射镜筒的输出端连接，所述光纤的输出端子固定在二维调整台上，光纤的端点在离轴抛物面反射镜的焦平面上；计算机控制二维调整台在垂直于离轴抛物面反射镜光轴的平面内进行二维平动，以提高平行度的测量精度。
进一步优化，所述载物台和二维调整台均位于离轴抛物面反射镜的入射光路上，所述五角棱镜位于离轴抛物面反射镜的反射光路上。
进一步优化，所述自准直望远镜设置在五角棱镜下方，并接受五角棱镜折射的光信号，并且将该光信号输入至自准直望远镜下方的CCD图像采集系统，并通过计算机处理所采集到的图像以及数据。
进一步优化，所述离轴抛物面反射镜焦距f≥2m。
一种发射接收光轴平行度测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、将被测设备固定到载物台上，遮挡接收镜筒；
S2、发射激光脉冲，在二维调整台焦平面的激光测试卡上形成明显光斑；
S3、计算机采集激光光斑图像，并获取光斑能量中心位置坐标；
S4、取下激光器测试卡，将光纤输入耦合器对准激光发射镜筒，光纤输出端子固定在二维调整台上，其端点在离轴抛物面反射镜的焦平面上；
S5、打开接收镜筒，被测仪器设置为单脉冲工作，发射激光脉冲，被测仪器显示距离值与光纤长一致，光纤端子在被测仪器的接收视场内；
S6、计算机控制二维调整台，在垂直于离轴抛物面镜光轴的平面内移动，直至被测仪器每次都显示无有效回数，反向移动微小距离，直至回数为50%有效，50%无效；
S7、获取圆心坐标（X接，Y接），并计算被测设备接收轴与发射轴平行度偏差△α。
进一步优化，所述步骤S7中被测设备接收轴与发射轴平行度偏差△α的计算方法为：
S71、计算被测设备接收轴与发射轴在X水平方向平行度偏差△αx，计算公式如下：
其中，△αx为接收轴与发射轴水平方向平行度偏差，″，X接为拟合圆心坐标与光斑中心在X方向的偏差，mm，f为离轴抛物面反射镜焦距，mm；
S72、计算被测设备接收轴与发射轴在Y水平方向平行度偏差△αy，计算公式如下：
其中，△αy：接收轴与发射轴竖直方向平行度偏差，″；Y接为拟合圆心坐标与光斑中心在Y方向的偏差，mm；f为离轴抛物面反射镜焦距，mm；
S73、计算被测设备接收轴与发射轴平行度偏差△α，计算公式如下：
其中，△α为接收轴与发射轴平行度总偏差。
本发明的有益效果在于：
本发明通过特定选用高精度二维调整台，通过计算机控制并进行信息处理，简化操作方式，测量精度高。
附图说明
图1为发射接收平行度测量装置发射轴标定原理图；
图2为发射接收平行度测量装置接收轴原理示意图；
附图说明：1、载物台，2、离轴抛物面反射镜，3、二维调整台，4、五角棱镜，5、自准直望远镜，6、CCD图像采集系统，7、计算机，8、光纤输入耦合器，9、光纤，10、接收镜筒，11、激光发射镜筒，12、被测设备，13、焦平面。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种发射接收光轴平行度测量装置，包括载物台1、离轴抛物面反射镜2、二维调整台3、计算机7；
发射轴标定时，还包括五角棱镜4、自准直望远镜5、CCD图像采集系统6，所述载物台1上放置有被测设备12，所述被测设备12上设置有接收镜筒10和激光发射镜筒11，载物台1与所述离轴抛物面反射镜2相对且平行设置，所述五角棱镜4设置在离轴抛物面反射镜2之间，用于接收离轴抛物面反射镜2的反射光；离轴抛物面反射镜2的焦平面13上设有用于接收离轴抛物面反射镜2上反射光的激光测试卡，所述计算机7用于采集激光测试卡上的光斑图像，所述自准直望远镜5、所述CCD图像采集系统6和所述计算机7依次连接并共同完成由五角棱镜4折射后的图像采集及信息处理；
测量接收轴平行度时，还包括光纤输入耦合器8和光纤9，所述光纤输入耦合器8的输入端与所述激光发射镜筒11的输出端连接，所述光纤9的输出端子固定在二维调整台3上，光纤9的端点在离轴抛物面反射镜2的焦平面13上；计算机7控制二维调整台3在垂直于离轴抛物面反射镜2光轴的平面内进行二维平动，以提高平行度的测量精度。
一种发射接收光轴平行度测量装置的测量方法，具体步骤如下：
S1、将被测设备固定到载物台1上，遮挡住接收镜筒10；
S2、发射镜筒10发射激光脉冲，经离轴抛物面反射镜2反射至二维调整台3焦平面的激光测试卡上，在激光测试卡上形成明显光斑并反射至离轴抛物面反射镜2；
S3、五角棱镜4接收再次从离轴抛物面反射镜2反射后的光源，经自准直望远镜5、CCD图像采集系统6和计算机7采集步骤S2激光光斑图像，并获取光斑能量中心位置坐标，从而完成发射轴标定；
S4、取下激光器测试卡，将光纤输入耦合器8对准激光发射镜筒11，光纤9输出端子固定在二维调整台3上，其端点在离轴抛物面反射镜2的焦平面13上；
S5、打开接收镜筒10，被测设备12设置为单脉冲工作，发射激光脉冲，被测设备12显示距离值与光纤9长一致，光纤9端子在被测设备12的接收视场内；
S6、计算机7控制二维调整3台在垂直于离轴抛物面反射镜光2轴的平面内移动，直至被测设备12每次都显示无有效回数，反向移动微小距离，直至回数为50%有效，50%无效，从而完成接收轴平行度的测量；
S7、以光斑中心为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，重复上述步骤S6，并改变移动方向，获取不小于四个接收视场的极限坐标，拟合各点，获取圆心坐标（X接，Y接），并计算被测设备接收轴与发射轴平行度偏差△α，具体计算方法为：
S71、计算被测设备12接收轴与发射轴在X水平方向平行度偏差△αx，计算公式如下：
其中，△αx为接收轴与发射轴水平方向平行度偏差，″，X接为拟合圆心坐标与光斑中心在X方向的偏差，mm，f为离轴抛物面反射镜焦距，mm；
S72、计算被测设备12接收轴与发射轴在Y水平方向平行度偏差△αy，计算公式如下：
其中，△αy：接收轴与发射轴竖直方向平行度偏差，″；Y接为拟合圆心坐标与光斑中心在Y方向的偏差，mm；
S73、计算被测设备12接收轴与发射轴平行度偏差△α，计算公式如下：
其中，△α为接收轴与发射轴平行度总偏差。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种发射接收光轴平行度测量装置的测量方法，其特征在于，该装置包括包括载物台（1）、离轴抛物面反射镜（2）、二维调整台（3）、计算机（7）；发射轴标定时，还包括五角棱镜（4）、自准直望远镜（5）、CCD图像采集系统（6），所述载物台（1）上放置有被测设备（12），所述被测设备（12）上设置有接收镜筒（10）和激光发射镜筒（11），载物台（1）与所述离轴抛物面反射镜（2）相对且平行设置，所述五角棱镜（4）设置在离轴抛物面反射镜（2）和载物台（1）之间，用于接收离轴抛物面反射镜（2）的反射光；离轴抛物面反射镜（2）的焦平面（13）上设有用于接收离轴抛物面反射镜（2）上反射光的激光测试卡，所述计算机（7）用于采集激光测试卡上的光斑图像，所述自准直望远镜（5）、所述CCD图像采集系统（6）和所述计算机（7）依次连接并共同完成由五角棱镜（4）折射后的图像采集及信息处理；测量接收轴平行度时，还包括光纤输入耦合器（8）和光纤（9），所述光纤输入耦合器（8）的输入端与所述激光发射镜筒（11）的输出端连接，所述光纤（9）的输出端子固定在二维调整台（3）上，光纤（9）的端点在离轴抛物面反射镜（2）的焦平面（13）上；计算机（7）控制二维调整台（3）在垂直于离轴抛物面反射镜（2）光轴的平面内进行二维平动，以提高平行度的测量精度；
具体测量步骤如下：
S1、将被测设备固定到载物台（1）上，遮挡接收镜筒（10）；
S2、发射激光脉冲，在二维调整台（3）焦平面（13）的激光测试卡上形成明显光斑；
S3、计算机（7）采集步骤S2中的激光光斑图像，并获取光斑能量中心位置坐标；
S4、取下激光器测试卡，将光纤输入耦合器（8）对准激光发射镜筒（11），光纤（9）输出端子固定在二维调整台（3）上，其端点在离轴抛物面反射镜（2）的焦平面（13）上；
S5、打开接收镜筒（10），被测设备（12）设置为单脉冲工作，发射激光脉冲，被测设备（12）显示距离值与光纤（9）长一致，光纤（9）端子在被测设备（12）的接收视场内；
S6、计算机（7）控制二维调整（3）台，在垂直于离轴抛物面反射镜光（2）轴的平面内移动，直至被测设备（12）每次都显示无有效回数，反向移动微小距离，直至回数为50%有效，50%无效；
S7、获取圆心坐标（X接，Y接），并计算被测设备接收轴与发射轴平行度偏差△α，其中被测设备（12）接收轴与发射轴平行度偏差△α的计算方法为：
S71、计算被测设备（12）接收轴与发射轴在X水平方向平行度偏差△αx，计算公式如下：
其中，△αx为接收轴与发射轴水平方向平行度偏差，X接为拟合圆心坐标与光斑中心在X方向的偏差，mm，f为离轴抛物面反射镜焦距，mm；
S72、计算被测设备（12）接收轴与发射轴在Y水平方向平行度偏差△αy，计算公式如下：
其中，△αy：接收轴与发射轴竖直方向平行度偏差；Y接为拟合圆心坐标与光斑中心在Y方向的偏差，mm；f为离轴抛物面反射镜焦距，mm；
S73、计算被测设备（12）接收轴与发射轴平行度偏差△α，计算公式如下：
其中，△α为接收轴与发射轴平行度总偏差。
2.根据权利要求1所述的一种发射接收光轴平行度测量装置的测量方法，其特征在于，所述载物台（1）和二维调整台（3）均位于离轴抛物面反射镜（2）的入射光路上，所述五角棱镜（4）位于离轴抛物面反射镜（2）的反射光路上。
3.根据权利要求1所述的一种发射接收光轴平行度测量装置的测量方法，其特征在于，所述自准直望远镜（5）设置在五角棱镜（4）下方，并接受五角棱镜（4）折射的光信号，并且将该光信号输入至自准直望远镜（5）下方的CCD图像采集系统（6），并通过计算机（7）处理所采集到的图像以及数据。
4.根据权利要求1所述的一种发射接收光轴平行度测量装置的测量方法，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜（2）焦距f≥2m。
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