CN113465551A - 一种基于ccd相机的二维空间激光测角方法 - Google Patents

一种基于ccd相机的二维空间激光测角方法 Download PDF

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张福民
郑继辉
曲兴华
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本申请公开了一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，采用半导体激光器和功率放大器，为系统提供光强稳定的光源。通过分光棱镜、聚焦透镜和CCD相机，来测量当目标角锥移动后，光斑在CCD相机上相对于垂直入射点的位移量。通过对于几何关系的推导，实现了通过CCD相机所记录的位移信息来得到激光光束偏转的角度；并且通过使用高分辨率的CCD相机，能够为实现高精度的角度测量提供保证；整套系统可集成度较高，可实现小型仪器化。本申请可以达到高精度测量激光光束偏转角度的需求，有广泛的应用场景。

Description

一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法
技术领域
本发明涉及二维空间精密测量领域，尤其涉及一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法。
背景技术
随着大尺寸工件和设备的制造加工以及装配的精度要求提高，对工件加工装配过程进行测量的测量系统精度要求也有所提高。激光因其有高精度的长度测量的特性，被广泛应用于精密测量领域。其中激光跟踪仪因其测量范围大、精度高等优势在多维空间精密测距中应用较为广泛。然而随着测量距离的增大，激光跟踪仪的测量精度将会受到测角误差的严重影响。目前市场中常用的激光跟踪仪大多数采用机械跟踪装置，通过两个角度编码器来实现角度测量，因此相较于其测距精度其角度测量误差较大。因此为了提高测量激光光束偏转角度的精度，提出了一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，能够实现高精度的角度测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于CCD相机的激光测角方法，克服了现有技术对激光光束偏转角度测量精度低的缺点，能够实现在二维空间中对激光光束的偏转角度进行高精度测量。
本发明所采用的技术方案是：一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，包括：
激光生成模块，所述激光生成模块用于产生较高功率的激光光源，包括半导体激光器和功率放大器；
激光测角模块，所述激光测角模块用于产生带有激光光束偏转角度的信号，包括激光发射镜头、一维转台、分光棱镜、角锥棱镜和聚焦透镜；
数据处理模块，所述数据处理模块包括CCD相机和计算机；
所述的半导体激光器与功率放大器连接，产生高功率的激光进入激光发射镜头，激光发射镜头出激光光束，经过分光棱镜照射到角锥棱镜上，角锥棱镜使光束沿原路返回再次经过分光棱镜，其中有一部分光被反射后经过聚焦透镜聚焦后，被CCD相机接收，转化为电信号传递给计算机，通过计算后得到角度偏转的结果。
进一步地，所述的功率放大器将半导体激光器的功率进行放大，以达到在激光发射镜头距离角锥棱镜距离较远时，角锥棱镜仍能够接收到通过激光发射镜头发射出的激光。
进一步地，所述的一维转台可以控制激光光束的偏转，当角锥棱镜的位置发生改变时，一维转台使激光发射镜头发出的激光光束沿回转中心改变方向，向角锥棱镜的位置对准。
进一步地，所述的激光测角模块中，角锥棱镜在二维空间内的任意位置时，在激光光束与其对准后所反射的回光，会经过分光棱镜，分光棱镜具有半反半透的功能，被反射的回光总会经过空间中的同一点。
进一步地，所述的聚焦透镜的光心需要放置在上述的反射光所经过空间中的同一点，因此，当平行光经过聚焦透镜的光心时其传播方向不会发生变化，并且都会在聚焦在一个焦平面上。
所述的数据处理模块中，CCD相机需要放在上述的焦平面上，便能够记录到当角锥棱镜的位置发生变化时，光斑位置的变化，然后把光斑位置的变化信息传递给计算机，通过运算得出激光光束的偏转角度。
首先要使用计算机记录经聚焦透镜垂直入射到CCD相机上的光斑位置并将该位置设置为原点，通过CCD相机得到位移前后两个光斑相对于原点的距离Δx1和Δx2来解算激光光束的偏转角度，设聚焦透镜的焦距为f，设激光光束向右偏转为正，偏转角度α为：
Figure BSA0000246507190000021
根据此公式便能得到激光光束的偏转角度。
本发明的有益效果是：本发明一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，使用的CCD相机测量光斑的移动位置来获取偏转角度，因此CCD相机的像素以及像元的大小也就与测角精度相关。当选取CCD相机的单个像元的尺寸为5μm，当聚焦透镜的焦距为0.2m时，其角度分辨率可达5.1566″；为二维空间测量提供了一种高精度的角度测量方式。
附图说明
图1：本发明一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法结构示意图：
附图标准：
1——激光生成模块； 11——半导体激光器；
12——功率放大器；
2——激光测角模块； 21——激光发射镜头；
22——一维转台； 23——分光棱镜；
24——角锥棱镜； 25——聚焦透镜；
3——数据处理模块； 31——CCD相机；
32——计算机。
图2：几何关系图。
具体实施方式：
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，包括：
激光生成模块1，所述激光生成模块1用于产生较高功率的激光光源，包括半导体激光器11和功率放大器12；
激光测角模块2，所述激光测角模块2用于产生激光光束偏转信号，包括激光发射镜头21、一维转台22、分光棱镜23、角锥棱镜24和聚焦透镜25；
数据处理模块3，所述数据处理模块3包括CCD相机31和计算机32；
所述的半导体激光器11与功率放大器12连接，产生高功率的激光进入激光发射镜头21，激光发射镜头出激光光束，经过分光棱镜23照射到角锥棱镜24上，角锥棱镜24使光原路返回再次经过分光棱镜23，其中有一部分光被反射后经过聚焦透镜25聚焦后，被CCD相机31接收，转化为电信号传递给计算机32，通过计算后得到角度偏转的结果。
所述的功率放大器12将半导体激光器11的功率进行放大，以达到在激光发射镜头21距离角锥棱镜24距离较远时，角锥棱镜24仍能够接收到通过激光发射镜头21发射出的激光。
所述的一维转台22可以控制激光光束的偏转，当角锥棱镜24的位置发生改变时，一维转台22使激光发射镜头21发出的激光光束沿回转中心改变方向，向角锥棱镜24的位置对准。
所述的激光测角模块2中，角锥棱镜24在二维空间内的任意位置时，在激光光束与其对准后所反射的回光，会经过分光棱镜23，分光棱镜具有半反半透的功能，被反射的回光总会经过空间中的同一点，其几何关系如图2所示，图中A点代表激光光束偏转的中心，A点与分光面中点O的连线与分光面成45°夹角，且当光沿着AO入射时，会产生一个垂直入射到CCD相机31上的光斑，并且将其记录为原点。其中B、C两点分别代表角锥移动前后的位置，假设角锥棱镜24在B、C两点反射的回光在空间中分别与OO1交于D1、D2两点，因此当D1、D2两点重合时就代表着被反射的回光总会经过空间中的同一点；
根据图中所显示光路图易得三角形E’OE与B’OE为全等三角形，因此有：
Figure BSA0000246507190000041
根据公式2可以及全等三角形判定条件可得，三角形AOB’与D1OE’全等，因此得到：
AO＝OD1 (3)
同理可以得到：
AO＝OD2 (4)
根据公式(3)-(4)可知D1、D2两点重合，被角锥棱镜24反射的回光总会经过空间中的同一点。
所述的聚焦透镜25的光心需要放置在上述的反射光所经过空间中的同一点，因此，当平行光经过聚焦透镜25的光心时其传播方向不会发生变化，并且都会在聚焦在一个焦平面上。
所述的数据处理模块3中，CCD相机31需要放在上述的焦平面上，便能够记录到当角锥棱镜24的位置发生变化时，光斑位置的变化，然后把光斑位置的变化信息传递给计算机32，通过运算得出激光光束的偏转角度。
首先要使用计算机32记录经聚焦透镜25垂直入射到CCD相机31上的光斑位置并将该位置设置为原点，通过CCD相机31得到位移前后两个光斑相对于原点的距离Δx1和Δx2来解算激光光束的偏转角度，设聚焦透镜25的焦距为f，设激光光束向右偏转为正，偏转角度α为：
Figure BSA0000246507190000051
根据此公式便能得到激光光束的偏转角度。
综上所述，本发明的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，可以实现高精度的角度测量，在大尺寸工件和设备的制造加工以及装配领域有广泛的应用前景。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，包括：
激光生成模块(1)，所述激光生成模块(1)用于产生较高功率的激光光源，包括半导体激光器(11)和功率放大器(12)；
激光测角模块(2)，所述激光测角模块(2)用于产生带有激光光束偏转角度的信号，包括激光发射镜头(21)、一维转台(22)、分光棱镜(23)、角锥棱镜(24)和聚焦透镜(25)；
数据处理模块(3)，所述数据处理模块(3)包括CCD相机(31)和计算机(32)；
所述的半导体激光器(11)与功率放大器(12)连接，产生高功率的激光进入激光发射镜头(21)，激光发射镜头发出激光光束，经过分光棱镜(23)照射到角锥棱镜(24)上，角锥棱镜(24)使光束沿原路返回再次经过分光棱镜(23)，其中有一部分光被反射经过聚焦透镜(25)聚焦后，被CCD相机(31)接收，转化为电信号传递给计算机(32)，通过计算后得到角度偏转的结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，所述的功率放大器(12)将半导体激光器(11)的功率进行放大，以达到在激光发射镜头(21)距离角锥棱镜(24)距离较远时，角锥棱镜(24)仍能够接收到通过激光发射镜头(21)发射出的激光。
3.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，所述的一维转台(22)可以控制激光光束的偏转，当角锥棱镜(24)的位置发生改变时，一维转台(22)使激光发射镜头(21)发出的激光光束沿回转中心改变方向，向角锥棱镜(24)的位置对准。
4.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，所述的激光测角模块(2)中，角锥棱镜(24)在二维空间内的任意位置时，在激光光束与其对准后所反射的回光，会经过分光棱镜(23)，分光棱镜具有半反半透的功能，被反射的回光总会经过空间中的同一点。
5.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，所述的聚焦透镜(25)的光心需要放置在权利要求4所述的反射光所经过空间中的同一点，因此，当平行光经过聚焦透镜(25)的光心时其传播方向不会发生变化，并且都会在聚焦在一个焦平面上。
6.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，所述的数据处理模块(3)中，CCD相机(31)需要放在权利要求5所述的焦平面上，便能够记录到当角锥棱镜(24)的位置发生变化时，光斑位置的变化，然后把光斑位置的变化信息传递给计算机(32)，通过运算得出激光光束的偏转角度。
7.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的二维空间激光测角方法，其特征在于，首先要使用计算机(32)记录经聚焦透镜(25)垂直入射到CCD相机(31)上的光斑位置并将该位置设置为原点，通过CCD相机(31)得到位移前后两个光斑相对于原点的距离Δx1和Δx2来解算激光光束的偏转角度，设聚焦透镜(25)的焦距为f，设激光光束向右偏转为正，偏转角度α为：
Figure FSA0000246507180000021
根据此公式便能得到激光光束的偏转角度。
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