CN114964060A - 一种回复反射单元直角误差检测方法及装置 - Google Patents

一种回复反射单元直角误差检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种回复反射单元直角误差检测装置及方法,该装置的光源发出的光经过调制结构进行调制,调制后的光源经过可调光阑改变光斑半径,之后经反射镜反射传输至半反半透镜,光源穿过半反半透镜后仍以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透镜反射至照度计;照度计收集逆反光场信息并将其转化为模拟电压信号,之后输出电压传输至放大电路进行倍数放大;再经过单片机将电压信息进行处理绘制出光斑分布图,最后根据半反半透镜与回复反射单元之间的距离计算得出二面直角误差值。本发明能提供回复反射单元功能面之间的二面直角误差,同时降低测试环境要求,快速便捷获得检测结果,用于加工补偿使用。

Description

一种回复反射单元直角误差检测方法及装置
技术领域
本发明涉及光学元件机械加工及测量技术领域,具体涉及一种回复反射单元直角误差检测方法及装置。
背景技术
回复反射器是一种被动光学元件,在光学领域中也被称为逆向反射器,又名反光片或反光晶格,它的材质主要是PMMA,PC,AS塑胶件,其主要功能是将入射光保持一定的发散角返回到原始光源处。回复反射器的应用主要与低光环境下的安全有关:如汽车照明、道路标志表面、自行车和安全服装,回复反射器也被用于光通信和雷达探测。
随着技术发展,回复反射器以立方角锥棱镜为主,其组成为立方体的两个或三个面共享一个公共顶点,如图1所示。为了满足功能,这些平面理想情况下相互正交是必要的。如果每个功能面之间的角度α、β、γ偏离90°时,则会造成回复反射器逆反光束发散,从而降低其在长距离上的有效性。因此,制造商必须坚持严格的角度公差,但因其几何形貌中的90°凹角和非对称连续的刀具路径,导致传统加工不能直接适用。
制造商在20世纪70年代末开发了拼针集束方法,用于生产回复反射器注塑成型所需的模具。每个拼针都有回复反光单元中的三个功能表面,可单独对其中任一功能面进行加工和研磨,该技术推动了回复反射器的大规模生产。
根据以上方法可知回复反射器是由多个回复反射单元阵列组成的,每一个回复单元是由三根拼针功能表面组成的。回复反射器可将入射光保持一定的发散角反射至原始光源处,各反射单元逆反光场叠加,通过积分效应在原始光源附近形成总体逆反光场。为实现以上逆反光场,在加工每根拼针功能面时,需保证拼针与刀具回转轴线保持一定的角度,如图2所示。若偏离此度数时,三根拼针组成的回复反射单元各功能面间存在二面直角误差,反射光线不再完全沿入射光的原始方向返回,而是分裂成六条发散光束。根据二面直角偏差值是否相等,六条逆反光束存在不同的对称效果,如图3(a)所示为二面角不存在直角误差时,在中心汇聚的光斑,如图3(b)所示为三个功能面间直角偏差都为0.5°时形成具有1.63°发散角的逆反光斑分布,关于中心对称。根据国家检测标准可知,回复反射器逆反光场发散角根据不同使用环境存在差异性,如0.33°和1.5°。由以上分析可知回复反射单元功能面间直角偏差值是固定的,且实际加工中同一批次加工的角误差值是一致的。
由于该类光学元件面型小,变化大,精度高,针对小平面空间二面角测量,现有的角度测量方法无法满足此类元件的检测需求,加工结果是否满足光学需求难以判断,同时无法对加工过程提供直角误差补偿的依据。现有的回复反射器检测技术只能检验回复反射器是否国家标准,并不能准确提供回复反射单元功能面之间的直角误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种回复反射单元直角误差检测方法及装置,能有效解决现有回复反射检测技术不能准确提供回复反射单元功能面之间的直角误差的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用了以下技术方案:
一种回复反射单元直角误差检测装置,包括光源、调制结构、可调光阑、反射镜、半反半透镜、回复反射单元、照度计、放大电路,单片机和显示屏;
光源发出的光经过调制结构进行调制,调制后的光源经过可调光阑改变光斑半径,之后经反射镜反射传输至半反半透镜,光源穿过半反半透镜后仍以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透镜反射至照度计;
所述照度计收集逆反光场信息并将其转化为模拟电压信号,之后输出电压传输至放大电路进行倍数放大;再经过单片机将电压信息进行处理绘制出光斑分布图,最后根据半反半透镜与回复反射单元之间的距离计算得出二面直角误差值。
进一步地方案为,所述半反半透镜与照度计之间设有用于避免环境光影响的光路屏蔽保护装置,经过半反半透镜反射至照度计的光源受光路屏蔽保护装置的保护。
更进一步地方案为,所述反射镜为两维旋转反射镜。
上述回复反射单元直角误差检测装置的检测方法,包括以下步骤:
S1.将回复反射单元直角误差检测装置放置在检测位置,光源发出的光经过调制结构,由调制结构处理成调制后的光信号;
S2.调制后的光信号经过可调光阑改变光斑半径,之后光信号经反射镜反射传输至半反半透镜,光信号穿过半反半透镜仍以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透镜反射至照度计;
S3.照度计收集逆反光场信息并将其转化为模拟电压信号,后经放大电路进行放大;
S4.单片机将电压信息进行处理,并绘制出光斑分布图,根据半反半透镜与回复反射单元件的距离,计算得出二面直角误差值。
另外,在确定误差值时:调节可调光阑通光孔径,使入射光线只照射到回复反射单元三个功能面中的其中任意一个,若形成逆反光斑与照射的功能面在光轴同侧即此时二面角误差小于90°,反之则大于90°。
上述技术方案中提供的回复反射单元直角误差检测方法及装置,其装置包括光源、调制结构、可调光阑、反射镜、半反半透镜、回复反射单元、照度计、放大电路,单片机和显示屏;利用调制结构对光源进行调制,经过软件调制后可以大大提高检测信号的抗干扰能力,防止测试过程中杂光对测试结果的影响,降低测试系统对环境的使用要求;利用可调光阑调节光源发出光斑大小,用来满足不同测试样品及测试过程的需求;利用反射镜改变光路方向,实现多角度测量需求;利用半反半透镜对入射光方向进行改变,使入射光可以原始光路传输至回复反射单元;之后为了便于后续电路处理,设置放大电路对输出电压进行放大;最终形成该检测装置,其有效提高了检测结果的分辨率和精度。
本发明提供的检测方法可以通过上述检测装置直接反馈出回复反射单元反射面间的直角误差,该方法误差精度可以通过改变光源与待检测工件间的距离进行调节,最终实现加工后的回复反射单元功能面间角度满足光学需求,同时降低测试环境要求,快速便捷获得检测结果,用于加工补偿使用。
附图说明
图1为回复反射单元及拼针阵列示意图;
图2为单个拼针功能面加工示意图;
图3为不同二面角光斑发散角分布图;
图4为回复反射单元坐标系;
图5为回复反射单元直角误差检测装置示意图;
图6为回复反射单元与照度计夹角状态示意图;
图7为回复反射单元直角误差检测方法流程图;
图8为二面角误差偏向判断示意图一;
图9为二面角误差偏向判断示意图二。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解,以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式,并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
本发明是根据回复反射单元的逆反光场光斑分布获得功能面间的二面角误差,从而为加工时调整工件角度提供依据。
本发明采取的技术方案如图5所示,一种回复反射单元直角误差检测装置,包括单色激光光源、调制结构、可调光阑、两维旋转反射镜、半反半透镜、回复反射单元、照度计、放大电路,单片机和液晶显示屏;单色激光光源发出的光经过调制结构进行调制,调制后的光源经过可调光阑改变光斑半径后传输至两维旋转反射镜,之后经反射传输至半反半透镜,入射光穿过半反半透镜后仍以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场作用后,光源被半反半透镜反射至照度计;半反半透镜与照度计之间设有用于避免环境光影响的光路屏蔽保护装置,经过半反半透镜反射至照度计的光源受光路屏蔽保护装置的保护;照度计收集逆反光场信息并将其转化为模拟电压信号,之后输出电压传输至放大电路进行倍数放大;再经过单片机将电压信息进行处理绘制出光斑分布图,最后根据半反半透镜与回复反射单元之间的距离计算得出二面直角误差值。
按照上述结构将其加工过程形成回复反射单元直角误差检测装置,将其放置在检测位置,单色激光光源发出的光经过调制机构,由调制机构输出的光信息已变成调制后的信号,经过软件调制后可以大大提高检测信号的抗干扰能力,防止测试过程中杂光对测试结果的影响,降低测试系统对环境的使用要求。再经过可变光阑,用来调节光源发出光斑大小,用来满足不同测试样品及测试过程的需求,光源经过可变光阑改变光斑半径后传输至两维旋转反射镜,两维旋转反射镜的作用在于改变光路方向,实现多角度测量需求。光信号经反射传输至半反半透镜,根据回复反射器光学作用是将入射光返回至原始光源处,即使功能面间存在两面角误差,逆反光场轴线仍然平行与入射光轴,不利于观察测试结果,因此该透镜的作用允许入射光以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透透镜反射至照度计,该过程中利用光路屏蔽保护装置避免环境光的影响。通过照度计收集逆反光场信息转化为模拟电压信号,输出电压值为0-200mv,为便于后续电路处理,将其传输至放大电路,放大至+5V,放大倍数为25倍。后经单片机将以上电压信息处理绘制出光斑分布图及根据液晶触摸显示屏上输入信息从而得出二面直角误差值,其中液晶触摸显示屏输入信息为半透半反透镜与回复反射单元间的距离,通过改变两者之间的距离不断放大因各面间直角误差导致的逆反光场光斑的空间分布,从而提高检测结果的分辨率及精度。
实施例2
参考图4至图9,本实施例提供实施例1回复反射单元直角误差检测装置的检测方法。如图4所示,采用直角座标系统,回复反射单元顶点位于坐标原点,当直角面之间夹角为90°时,I、II、III面分别位于座标的zox、yoz和xoy平面内。I、II、III面的法线单位矢量分别以V1、V2和V3来表示,此时则有:V1=j;V2=i;V3=k。
当存在直角误差时,设III-I面、I-II面、II-III面的直角误差分别为δ1、δ2和δ3;将坐标zox面绕x轴旋转δ1与I面重合,坐标yoz面绕z轴旋转δ2、xoy面绕y轴旋转δ3后分别与II面和III面重合。根据坐标旋变换规则,可得I面、II面和III面的法线单位矢量。
V1=jcos(δ1)+ksin(δ1)
V2=icos(δ2)+jsin(δ2)
V3=kcos(δ3)+isin(63)
根据全反射定理便可求得入射光线与反射光线间夹角,从而可以获知逆反光场发散角与回复反射单元两面角间直角误差值的数学关系。
参考图4所示,设入射光经I面入射,反射次序为I→II→III,根据反射公式可知入射光K0经I面反射后的光线K1-2,K2-3,Kout可表示为:
K0=-li-mj-nk
K1-2=K0-2(K0*V1)V1
K2-3=K1-2-2(K1-2*V2)V2
Kout=K2-3-2(K2-3*V3)V3
将各面法线单位矢量带入以上方程可得出射光的矢量表达式:
Kout=K0+i(2Bcos(δ2)-2Csin(δ3))+j(Acos(δ1)+2Bsin(δ2))+k(Asin(δ1)-2Ccos(δ3))
其中:
A=2(mcos(δ1)+nsin(δ1))
B=lcos(δ2)+msin(δ2)-2(mcos(δ1)+nsin(δ1))cos(δ1)sin(δ2)
C=-lsin(δ3)-ncos(δ3)+2Bcos(δ2)sin(δ3)+Asin(δ1)cos(δ3)
根据矢量夹角定义可推出:
Ko*Kout=l2+m2+n2-2l(Bcos(δ2)-Csin(δ3))-m(Acos(δ1)+2Bsin(δ2))-n(A sin(δ1)-2 Ccos(δ3))
根据前文所述,同一加工批次直角误差是相同的,因此以上方程可简化为:
K0*Kout=l2+m2+n2-(2lB+mA-3nC)cosδ+(2lC-2mB-nA)sinδ
将以上推导出的数学关系写入单片机,由单片机根据获取的逆反光场信息获取的光斑偏离距离D1及装置设定距离D2,通过反正切公式可求得入射光与出射光之间的夹角,同时输入射光入射矢量坐标(l,m,n),推算出回复反射单元二面直角误差值,方案流程如下图6和图7所示,用于补偿加工过程中工件的空间角度,以获得满足要求的回复反射单元。
例如假设入射光的矢量表达式为
Figure BDA0003711511780000061
即光线垂直回复反射单元底面入射时,且各面间的直角误差相等,以上推导的入射光线与出射光线夹角公式可以简化为:
K0*Kout=3.26δ
Figure BDA0003711511780000062
通过以上两个方程联立可求得各面间的直角误差值,用于加工补偿。
进行检测时将实施例1的装置放置在检测位置,单色激光光源发出的光经过调制机构,由调制机构输出的光信息已变成调制后的信号,经过软件调制后可以大大提高检测信号的抗干扰能力,防止测试过程中杂光对测试结果的影响,降低测试系统对环境的使用要求。再经过可变光阑,用来调节光源发出光斑大小,用来满足不同测试样品及测试过程的需求,光源经过可变光阑改变光斑半径后传输至两维旋转反射镜,两维旋转反射镜的作用在于改变光路方向,实现多角度测量需求。光信号经反射传输至半反半透镜,根据回复反射器光学作用是将入射光返回至原始光源处,即使功能面间存在两面角误差,逆反光场轴线仍然平行与入射光轴,不利于观察测试结果,因此该透镜的作用允许入射光以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透透镜反射至照度计,该过程中利用光路屏蔽保护装置避免环境光的影响。通过照度计收集逆反光场信息转化为模拟电压信号,输出电压值为0-200mv,为便于后续电路处理,将其传输至放大电路,放大至+5V,放大倍数为25倍。后经单片机将以上电压信息处理绘制出光斑分布图及根据液晶触摸显示屏上输入信息从而得出二面直角误差值,其中液晶触摸显示屏输入信息为半透半反透镜与回复反射单元间的距离,通过改变两者之间的距离不断放大因各面间直角误差导致的逆反光场光斑的空间分布,从而提高检测结果的分辨率及精度。
由于组成回复反射单元的三个功能面之间存在二面角误差时导致的逆反光场分布与误差值具有对称性,即以两面角90度为准,89.5°与99.5°的逆反光场是一致的,此时需要调节可变光阑通光孔径,形成入射光线只照射到三个功能面中的其中任意一个,此时形成逆反光斑与照射的功能面在光轴同侧即此时二面角误差小于90°,反之则大于90°,如图8和图9所示。根据以上方法获知两面角之间的误差值偏向,从而为加工校准工件轴线角度提供依据。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在获知本发明中记载内容后,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对其作出若干同等变换和替代,这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种回复反射单元直角误差检测装置,包括光源、调制结构、可调光阑、反射镜、半反半透镜、回复反射单元、照度计、放大电路,单片机和显示屏;
光源发出的光经过调制结构进行调制,调制后的光源经过可调光阑改变光斑半径,之后经反射镜反射传输至半反半透镜,光源穿过半反半透镜后仍以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透镜反射至照度计;
所述照度计收集逆反光场信息并将其转化为模拟电压信号,之后输出电压传输至放大电路进行倍数放大;再经过单片机将电压信息进行处理绘制出光斑分布图,最后根据半反半透镜与回复反射单元之间的距离计算得出二面直角误差值。
2.根据权利要求1所述的回复反射单元直角误差检测装置,其特征在于:所述半反半透镜与照度计之间设有用于避免环境光影响的光路屏蔽保护装置,经过半反半透镜反射至照度计的光源受光路屏蔽保护装置的保护。
3.根据权利要求1所述的回复反射单元直角误差检测装置,其特征在于:所述反射镜为两维旋转反射镜。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的回复反射单元直角误差检测装置的检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.将回复反射单元直角误差检测装置放置在检测位置,光源发出的光经过调制结构,由调制结构处理成调制后的光信号;
S2.调制后的光信号经过可调光阑改变光斑半径,之后光信号经反射镜反射传输至半反半透镜,光信号穿过半反半透镜仍以原始光路传输至回复反射单元,经回复反射单元形成的逆反光场被半反半透镜反射至照度计;
S3.照度计收集逆反光场信息并将其转化为模拟电压信号,后经放大电路进行放大;
S4.单片机将电压信息进行处理,并绘制出光斑分布图,根据半反半透镜与回复反射单元件的距离,计算得出二面直角误差值。
5.根据权利要求4所述的检测方法,其特征在于,确定误差值时:调节可调光阑通光孔径,使入射光线只照射到回复反射单元三个功能面中的其中任意一个,若形成逆反光斑与照射的功能面在光轴同侧即此时二面角误差小于90°,反之则大于90°。
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