CN115638737B - 入射光调整装置及光力臂检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于光力控制技术领域，具体涉及一种入射光调整装置及光力臂检测装置。本申请公开的入射光调整装置包括透光元件，透光元件的入射面包括能够透过光线的透光区域和不能够透过光线的不透光区域，透光区域形成的图案的几何中心与透光元件的中心重合，光源模块，被配置为向透光元件发射入射光，成像模块，被配置为采集入射光经透光元件散射成像形成的第一图像，控制器，被配置为获取第一图像，并根据第一图像确定光斑的质心和透光元件的中心，若光斑的质心与透光元件的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件的中心的偏离程度，控制光源模块调节入射光的方向，以使调整后的入射光经透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合。

Description

入射光调整装置及光力臂检测装置

技术领域

本申请属于光力控制技术领域，具体涉及一种入射光调整装置及光力臂检测装置。

背景技术

随着深空探测技术的不断发展，航天器推进能量的需求也逐渐扩大，燃料的高额开支让人难以承受，这促使人们不得不去发展新的推进方式，光帆推进作为一种无需消耗燃料并能提供连续推力的技术，已成为当前深空探测研究的热点。著名天体物理学家史蒂芬·霍金于2016年提出“突破摄星”计划，建造利用激光进行推进的星际微型探测器，预计最快用20年抵达离机地球最近的恒星系统半人马座阿尔法星系。该计划的核心内容之一就包括光帆技术，借助光帆技术驱动航天器将微型探测器加速至接近光速的速度，以满足人类探索浩瀚太空的需求。

光帆探测器的轨道控制，从本质上来说是对光帆的姿态控制，光力的大小与光帆的姿态，又有着直接的关系。光力是十分微小的量，测量起来相当困难，可借助精密扭尘秤实现对弱力的高灵敏度测量。光力臂的测量精度决定了光力测量的准确度。可见光力臂的测量精度对航天器姿态的控制十分重要。

在目前已公开的相关技术资料中，光力臂检测一般为传统机械测量方式，或借助激光测距原理进行力臂测检测，传统测量方法的精度较低，因此，如何实现光力臂的高精度测量是一个亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种入射光调整装置，能够解决光束压心检测精度低的技术问题。

本申请实施例还提供一种光力臂检测装置，能够解决光力臂检测精度低的技术问题。

一方面，本申请实施例提供一种入射光调整装置，包括：

透光元件，透光元件的入射面包括能够透过光线的透光区域和不能够透过光线的不透光区域，透光区域形成的图案的几何中心与透光元件的中心重合，

光源模块，被配置为向透光元件发射入射光，

成像模块，被配置为采集入射光经透光元件散射成像形成的光斑的第一图像，

控制器，被配置为

获取第一图像，并根据第一图像确定光斑的质心和透光元件的中心，

若光斑的质心与透光元件的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件的中心的偏离程度，控制光源模块调节入射光的方向，以使调整后的入射光经透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合。

根据本申请第一方面的实施方式，透光区域包括偶数条能够透过光线的狭缝，偶数条狭缝排列成中心对称的狭缝图案，狭缝图案的几何中心与透光元件的中心重合。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，偶数条狭缝以狭缝图案的几何中心为中心呈放射状排列。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，偶数条狭缝沿着狭缝图案的周向均匀排列。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，每条狭缝的长度相等，和/或，每条狭缝的宽度相等。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，每条狭缝的近心端到狭缝图案的几何中心之间的距离相等，

和/或

每条狭缝的远心端到狭缝图案的几何中心之间的距离相等。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，透光区域的面积小于等于透光元件的入射面的面积的千分之一，

和/或

狭缝的宽度大于等于所选取的入射光波长的2倍。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，获取第一图像，并根据第一图像确定光斑的质心和透光元件的中心，包括：

获取成像模块采集的第一图像，

对第一图像进行灰度值拟合，得到灰度值拟合曲面，根据灰度值拟合曲面确定光斑的质心，

根据第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为透光元件的中心。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，对第一图像进行灰度值拟合，得到灰度值拟合曲面，根据灰度值拟合曲面确定光斑的质心，包括：

将第一图像上的透过每条狭缝形成的狭缝光斑拟合成一条第一线段，得到具有2N条第一线段的第二图像，

将第二图像上的具有相同斜率的第一线段拟合成以第一线段上各点到特定点的距离为横坐标值、第一线段上各点的灰度值为纵坐标值的第一曲线，

对第一曲线进行采样得到多个采样点，若与多个采样点对应的第二图像中的点的灰度值为零，则将对应的采样点的纵坐标值赋值给第二图像中对应的灰度值为零的点从而得到具有N条第二线段的第三图像，

取第三图像中的灰度值非零的点进行曲面拟合，

通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，将第二图像上的具有相同斜率的第一线段拟合成以第一线段上各点到特定点的距离为横坐标值、第一线段上各点的灰度值为纵坐标值的第一曲线，包括：

将第二图像上的2N条第一线段中具有相同斜率的第一线段视为一组，

将每组第一线段最左侧的灰度值非零点作为原点，每组第一线段上其余各点到原点的距离作为横坐标值，每组第一线段上每个点对应的第二图像上的灰度值作为纵坐标值，

利用非线性最小二乘法进行对每组第一线段进行二次曲线拟合，得到N条第一曲线。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，对第一曲线进行采样得到多个采样点，若与多个采样点对应的第二图像中的点的灰度值为零，则将对应的采样点的纵坐标值赋值给第二图像中对应的灰度值为零的点从而得到具有N条第二线段的第三图像，包括：

在第一曲线上每间隔m个数据点进行一次采样得到M个数据点，

逐一搜索第二图像中的与各个数据点对应的点P处的灰度值，

若第二图像中对应的点P处的灰度值为零，则将与点P对应的数据点的纵坐标值赋值给点P作为点P的灰度值，从而得到第三图像。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心，包括：

计算拟合曲面的中心点，将此中心点确定为光斑的质心，或

计算拟合曲面的中心点O₁，在每条第二线段上各取一点，每个点的灰度梯度值相同，求取各点所在圆的圆心O₂，将中心点O₁和圆心O₂的坐标求平均，得到新的中心点，将新的中心点确定为光斑的质心，或

计算拟合曲面的中心点O₁，在每条第二线段上各取H个点，以形成H个等灰度梯度值的圆，求各圆的圆心坐标平均值以得到圆心O₂，将中心点O₁和圆心O₂的坐标求平均，得到新的中心点，将新的中心点确定为光斑的质心。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，在每条第二线段上各取H个点，以形成H个等灰度梯度值的圆，求各圆的圆心坐标平均值以得到圆心O₂，包括：

选取一条第二线段，

计算所选取的第二线段上各点的灰度梯度值，

选取具有不同灰度梯度值的H个点，

在其余每条第二线段上搜索与所选取的H个不同的灰度梯度值分别相同的H个点，

连接各条第二线段上灰度梯度值相同的点，以形成H个等灰度梯度值的圆，

求H个圆的圆心坐标的平均值以得到圆心O₂。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，根据第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为透光元件的中心，包括：

将第一图像上的透过每条狭缝形成的狭缝光斑拟合成一条第一线段，得到具有2N条第一线段的第二图像，

计算第二图像的几何中心，将计算出的几何中心确定为透光元件的中心。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，计算第二图像的几何中心，将计算出的几何中心确定为透光元件的中心，包括：

取第二图像上的各条第一线段的近心端端点，

对2N个近心端端点进行曲线拟合，

求取拟合曲线的几何中心，将求取的几何中心确定为透光元件的中心。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，狭缝的近心端端点共圆，透光元件上还具有连接狭缝近心端的圆形狭缝，

根据第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为透光元件的中心，包括：

将第一图像上的透过圆形狭缝形成的圆形狭缝光斑拟合成圆，求取圆的圆心，将求取的圆心确定为透光元件的中心，

或，

检测第一图像上的透过圆形狭缝形成的圆形狭缝光斑，得到亚像素圆轮廓，求取圆轮廓的圆心，将求取的圆心确定为透光元件的中心。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，若光斑的质心与透光元件的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件的中心的偏离程度，控制光源模块调节入射光的方向，以使调整后的入射光经透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合，包括：

判断光斑的质心与透光元件的中心是否重合，若不重合则计算光斑的质心与透光元件的中心与之间的偏离距离，

根据偏离距离以及第一图像中的像素与实际物理尺寸间的换算关系确定光源模块的调节参数，以调节入射光的方向，使调整后的入射光经透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，光源模块包括

激光源，被配置为发射激光束，

光源模块还包括：

扩束组件，被配置为对激光源发射的激光束进行扩束，以使扩束后的激光束充分照射透光元件，和/或

与控制器通讯连接的光束调整组件，被配置为调节入射到透光元件的激光束的角度和位置。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，光束调整组件包括：

均与控制器通讯连接的第一反射元件和第二反射元件，

第一反射元件被配置为对激光源发射的激光束进行方向调节，第二反射元件被配置为对第一反射元件反射的激光束进行方向调节，经第二反射元件反射后的激光束入射到透光元件。

第二方面，本申请实施例提供了一种光力臂检测装置，包括

透光元件，透光元件的入射面包括能够透过光线的透光区域和不能够透过光线的不透光区域，透光区域形成的图案为中心对称图案，

扭秤组件，扭秤组件包括横梁和在横梁中点悬挂横梁的悬丝，在横梁的两端各设置一个透光元件，

光源模块，被配置为向透光元件发射入射光，

成像模块，被配置为采集入射光经透光元件散射成像形成的光斑的第一图像，

控制器，被配置为

获取第一图像，并根据第一图像确定光斑的质心，

根据第一图像中的像素与实际物理尺寸间的换算关系，计算光斑的质心与横梁中心间的距离。

本申请实施例的入射光调整装置，通过将透光元件的中心与透光元件上的透光区域形成的图案的几何中心设计成重合，实现能从一幅图像中同时确定光斑的质心和透光元件的中心，且精确度较高；可以实时跟踪激光光斑的质心和透光元件的中心，以调节入射光角度和位置，使入射光能够准确击中目标中心，为激光对准、激光跟踪等应用提供了技术支撑。

本申请实施例的光力臂检测装置，在高精度地确定光斑的质心的基础上，可以实现光力臂的高精度检测。

附图说明

图1是本申请一方面实施例提供的入射光调整装置的结构示意图；

图2是本申请一方面实施例提供的透光元件的结构示意图；

图3是本申请一方面实施例提供的第一图像的示意图；

图4是本申请一方面实施例提供的拟合曲面的示意图；

图5是本申请一方面实施例提供的第二图像的示意图；

图6是本申请一方面实施例提供的第一曲线的示意图；

图7是本申请一方面实施例提供的第三图像的示意图；

图8是本申请一方面实施例提供的第二图像的示意图；

图9是本申请一方面实施例提供的对第一线段拟合之前的数据图；

图10是本申请一方面实施例提供的透光元件的平面结构示意图；

图11是本申请又一方面实施例提供的光力臂检测装置的结构示意图；

图12是本申请又一方面实施例提供的计算光力臂的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

在需要利用发射光(例如，激光)产生光压以对目标物体产生作用力的场景下，人们往往希望光束投射到目标物体上后完全被反射，并且光束投射到目标物体中心，以对目标产生最大的作用力。但是，如果光束完全反射就无法检测光斑的质心位置是否击中目标物体的质心，进而就无法对光发射器进行调整，使光束击中目标物体的中心。

基于此，本申请的申请人创造性地设计出一种入射光调整装置100。

请参阅图1，本申请一方面实施例提供的入射光调整装置100包括透光元件1、光源模块2、成像模块3和控制器4。

请参阅图2，透光元件1包括入射面11和出射面(图中未示出)，入射面11包括能够透过光线的透光区域(图2中的白线部分)和不能够透过光线的不透光区域(图2中的黑色背景部分)，透光区域形成的图案的几何中心与透光元件1的中心重合；当入射光照射到透光元件1上时，光线从出射面射出，成像模块3就能捕获到出射光的光斑；

光源模块2，被配置为向透光元件1发射入射光；光源模块2发出的入射光照射到透光元件1上后，部分光线穿透透光区域，从透光元件1的出射面射出；

成像模块3，被配置为采集入射光经透光元件1散射成像形成的光斑的第一图像；成像模块3能够捕获从透光元件1出射的光线的光斑图像，并可将光斑图像传输控制器4进行进一步处理；

控制器4，被配置为从成像模块3获取第一图像(如图3所示)，并根据第一图像确定光斑的质心和透光元件1的中心，根据确定结果判断光斑的质心与透光元件1的中心是否重合，若光斑的质心与透光元件1的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件1的中心的偏离程度，控制光源模块2调节入射光的方向，以使调整后的入射光经透光元件1散射成像形成的光斑的质心与透光元件1的中心重合。

成像模块3采集到的第一图像呈现的是出射光的光斑图像，由于透光区域形成的图案的几何中心与透光元件1的中心重合，那么通过确定第一图像中的光斑图像的几何中心就可以确定出透光元件1的中心；同时，通过光斑图像的灰度值分布也可以确定出光斑的质心，光斑的质心即能反映出入射光的光压中心。因此，通过本实施例的入射光调整装置100就可以同时确定出光斑的质心和透光元件1的中心，从而判断入射光是否击中透光元件1的中心，实现光压作用力最大化；在判断出光斑的质心与透光元件1的中心不重合的时候，还能够通过控制器4控制光源模块2调节入射光的方向或者角度，使得调整后的入射光能够击中透光元件1的中心。

请继续参阅图2，在一些实施例中，透光区域包括偶数条(例如2N条)能够透过光线的狭缝12，偶数条狭缝12排列成中心对称的狭缝图案，狭缝图案的几何中心与透光元件1的中心重合。入射光照射到元件本体1的入射面11后，照射到狭缝12上的光透过元件本体1，可以被相机捕获，形成具有与狭缝图案形状相近的光斑的第一图像，通过该第一图像，可以计算出光斑的质心。

为了便于同时计算光斑的质心和目标物体(透光元件1)的中心，元件本体1优选为薄片状结构，薄片表面为中心对称结构(如正方形)，那么透光元件1的几何中心就与其质心重合；如上所述，狭缝图案结构为中心对称结构，且元件本体1的对称中心与狭缝图案的对称中心重合。如此，就可以利用成像模块3采集的第一图像同时确定出光斑的质心和透光元件1的中心，从而判断入射光是否恰好击中透光元件1的中心。

由于狭缝图案结构对称，那么透过狭缝11形成的光斑的结构也对称，对于这种结构对称的光斑，则便于通过控制器4计算其几何中心，同时也方便控制器4计算其光斑质心。并且，这种排布的狭缝12可以使各条狭缝12形成的狭缝光斑之间的一致性较高，进而使得计算出的光斑质心的精确度更高。例如，狭缝图案可以是半径均匀增加的同心圆环构成的图案，也可以是边长均匀增加、中心重合的正方形构成的图案，还可以是呈放射状排列的线条组合图案。

请继续参阅图2，在一些实施例中，偶数条狭缝12以狭缝图案的几何中心为中心呈放射状排列。每一条狭缝是直线形状，且从狭缝图案的几何中心附件沿着径向延伸。当入射光透过一条狭缝12后，会形成一条狭缝光线，一般情况下，该狭缝光线的能量分布分布呈高斯分布。这种形状的狭缝图案便于计算光斑的质心，并且，计算精确度较高。

请继续参阅图2，在一些实施例中，偶数条狭缝12沿着狭缝图案的周向均匀排列。入射光透过均匀排列的狭缝12形成的光线的能量分布均匀，可以进一步提高计算光斑的质心的精确度。

请继续参阅图2，在一些实施例中，为了进一步提高光斑质心的计算精确度，每条狭缝12的长度相等。

请继续参阅图2，在一些实施例中，为了进一步提高光斑质心的计算精确度，每条狭缝12的宽度相等。

狭缝12的长度、宽度相等，均是为了获得灰度值分布较均匀的光斑，通过这种光斑计算出的光斑的质心的精确度较高。

请继续参阅图2，在一些实施例中，为了进一步提高光斑质心的计算精确度以及透光元件1的中心的计算精确度，每条狭缝12的近心端到狭缝图案的几何中心之间的距离相等。透光元件1的中心，可以通过计算光斑的几何中心获得，因此，狭缝图案的形状越规则，越容易计算光斑的几何中心，且计算的精度也越高。

同理，在一些实施例中，为了进一步提高光斑质心的计算精确度以及透光元件1的中心的计算精确度，每条狭缝12的远心端到狭缝图案的几何中心之间的距离相等。

在一些实施例中，为了得到较清晰的光斑图像，以提高计算精度，并且尽量减小入射光照射到透光元件1上所产生的光压损失，透光区域的面积小于等于透光元件1的入射面11的面积的千分之一。

每条狭缝12可以是直线状，直线的宽度大于等于所选取的照射到透光元件1上的入射光波长的2倍，优选为狭缝12宽度为入射光波长的5倍或6倍或7倍或8倍或9倍或10倍或11倍等。这种宽度的狭缝12可以使出射光斑形成较好的高斯分布的效果。

在一些实施例中，控制器4获取第一图像，并根据第一图像确定光斑的质心和透光元件1的中心，具体包括：

获取成像模块3采集的第一图像(如图3所示)；

对第一图像进行灰度值拟合，得到灰度值拟合曲面(如图4所示)，根据灰度值拟合曲面确定光斑的质心；由于透光元件1只能使部分光线通过，那么成像模块3获取第一图像中的光斑的形状就与狭缝图案形状类似，光斑不能反映入射光的全部信息，在这一步中，利用灰度值拟合方法可以恢复入射光的全部信息，得到灰度值拟合曲面，从而通过灰度值拟合曲面确定出光斑的质心；

根据第一图像计算采集到的光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为透光元件1的中心，此处光斑的几何中心是第一图像中的光斑图的几何中心；由于透光元件1的中心与狭缝图案的几何中心重合，而狭缝图案的几何中心可以通过识别第一图像中的光斑的几何中心获取，那么就可以通过计算第一图像中的光斑的几何中心间接计算出透光元件1的中心。

以图2所示的透光元件1和图3所示的第一图像为例，在一些实施例中，对第一图像进行灰度值拟合，得到灰度值拟合曲面，根据灰度值拟合曲面确定光斑的质心，具体包括：

将第一图像上的透过每条狭缝12形成的狭缝光斑拟合成一条第一线段，得到具有2N条第一线段的第二图像；用拟合方法将狭缝光斑拟合成2N条第一线段后得到的第二图像(如图5所示)，该第一线段上的点携带两个信息，一个信息是在第二图像上的位置信息(即坐标值)，另一个信息是该点处图像的灰度值，该处理的目的是便于后续对狭缝光斑进行数据处理；

将第二图像上的具有相同斜率的第一线段拟合成以第一线段上各点到特定点的距离为横坐标值、第一线段上各点的灰度值为纵坐标值的第一曲线；被拟合成第一线段后，每条狭缝光斑对应的第一线段都有一个斜率；由于2N条狭缝12呈放射状均匀排列，那么两条相对的第一线段的斜率就应该相同，通过对该两条相对的第一线段上的数据进行拟合，可以得到N条如图6所示的第一曲线，该第一曲线一般为高斯分布曲线，第一曲线的纵坐标值为灰度值；

对第一曲线进行采样得到多个采样点，若与多个采样点对应的第二图像中的点的灰度值为零，则将对应的采样点的纵坐标值赋值给第二图像中对应的灰度值为零的点从而得到具有N条第二线段的第三图像(如图7所示)；第一曲线上每个点D_i携带两个信息，一个是与特定点之间的距离，另一个是该点D_i的灰度值，点D_i与特定点之间的距离信息可以转化为第二图像上的位置信息(即坐标值)，因此，第一曲线上每个点都对应第二图像上的某个点；由于拟合前的两条相对的第一线段之间连线上是没有光斑(即灰度值为零)的，通过拟合得到的第一曲线是一条连续的曲线，通过本步骤把两条相对的第一线段之间连线上的点进行灰度值赋值，就可以恢复出被挡住的光斑信息，从而得到如图7所示的第三图像；

取第三图像中的灰度值非零的点进行曲面拟合；进行曲面拟合后，可以得到如图4所示的结果，该图中，X、Y轴代表横纵坐标，Z轴代表灰度值，可以看出，如图4所示的曲面是高斯曲面，该高斯曲面恢复了没有经过遮挡的入射光的光斑信息；

通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心；通过计算该拟合曲面的中心点O₁坐标，就可以得到光斑的质心。

在一些实施例中，将第二图像上的具有相同斜率的第一线段拟合成以第一线段上各点到特定点的距离为横坐标值、第一线段上各点的灰度值为纵坐标值的第一曲线，具体包括：

将第二图像上的2N条第一线段中具有相同斜率的第一线段视为一组；选取斜率相同的第一线段组成一组，可以得到N组；

将每组第一线段最左侧的灰度值非零点作为原点，每组第一线段上其余各点到原点的距离作为横坐标值，每组第一线段上每个点对应的第二图像上的灰度值作为纵坐标值，利用非线性最小二乘法进行对每组第一线段进行二次曲线拟合，得到N条第一曲线。

如图8所示，点U即为该组第一线段中最左侧的灰度值非零点，在新建立的坐标系下，点U为原点，横坐标为该组第一线段以及连接该组第一线段之间的连线上各点到点U之间的距离，纵坐标为各点对应的图像灰度值；拟合之前的数据图如图9所示，拟合之后得到的第一曲线如图6所示，即两条相对的第一线段之间缺失的数据得到了恢复；由于点U在第二图像上有对应的位置信息(即坐标值)，那么第一曲线上的每一点都在第二图像上有对应的位置信息(即坐标值)，通过这种对应关系，可以把通过曲线拟合恢复的灰度值赋值给第二图像上对应的点，举例来说，如图5所示，在第二图像上，相对的两条第一线段的连线上的点E灰度值为零，那么就把第一曲线上的与点E对应的点的灰度值赋值给点E，使得相对的两条第一线段的连线上灰度值数据得到恢复。

本实施例中，将每组第一线段最左侧的灰度值非零点作为特定点，在其他实施例中，可以将每组第一线段最右侧的灰度值非零点作为特定点，或者将第一线段线外的某一点作为特定点，只要能够建立一个新的坐标系，并且在该新建立的坐标系下的每个点可以对应到第二图像上即可。

在一些实施例中，对第一曲线进行采样得到多个采样点，若与多个采样点对应的第二图像中的点的灰度值为零，则将对应的采样点的纵坐标值赋值给第二图像中对应的灰度值为零的点从而得到具有N条第二线段的第三图像，具体包括：

在第一曲线上每间隔m个数据点进行一次采样得到M个数据点；如图6所示，拟合得到的第一曲线是连续光滑的曲线，取第一曲线上的部分点进行图像恢复可以减小计算量；

逐一搜索第二图像中的与各个数据点对应的点P处的灰度值；判断第二图像中对应的点P处的灰度值是否为零；第一曲线上的各点在第二图像上都有对应的点，通过此步骤可以判断处第二图像上对应的点的灰度值是否为零，从而找出待恢复的目标点；

若第二图像中对应的点P处的灰度值为零，则将与点P对应的数据点的纵坐标值赋值给点P作为点P的灰度值，从而得到第三图像。

第二图像中对应的点P处的灰度值为零的原因是入射光被局部透光原件遮挡，没有形成光斑，通过此步骤，可以对光斑进行恢复，相当于将原两相对的第一线段连接起来形成第二线段，以此计算光斑的质心。

通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心的具体实现方式有多种。

在一些实施例中，通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心，具体包括：

计算拟合曲面的中心点，将此中心点确定为光斑的质心。在本实施例中，计算拟合曲面的中心点，直接将计算出的中心点确定为光斑的质心。

为了提高光斑质心的求取精度，在一些实施例中，通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心，具体包括：

计算拟合曲面的中心点O₁，在每条第二线段上各取一点，每个点的灰度梯度值相同，求取各点所在圆的圆心O₂，将中心点O₁和圆心O₂的坐标求平均，得到新的中心点，将新的中心点确定为光斑的质心。其中，第二线段上某点W₁的灰度梯度值的求取方法可以是：在第二线段上，取点W₁左右相同距离的两个点W₂、W₃，求点W₂、W₃的灰度值之差，该灰度值差即为点W₁的灰度梯度值；这个算法相当于通过第二线段求出圆心O₂，由于入射光形成的光斑的灰度值从光斑的中心向径向方向逐渐变化，那么灰度梯度值相同的像素点可以形成一个圆，这个步骤就是找到灰度值相同的点形成的圆的圆心，这个圆心也可以是光斑的质心；将通过两种方式求出的光斑质心取平均值得到新的光斑质心，可以提高光斑质心的求取精度。

当然还可以通过另一种方式求取光斑的质心，以进一步提高光斑质心的求取精度。在一些实施例中，通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心，具体包括：

计算拟合曲面的中心点O₁，在每条第二线段上各取H个点，以形成H个等灰度梯度值的圆，求各圆的圆心坐标平均值以得到圆心O₂，将中心点O₁和圆心O₂的坐标求平均，得到新的中心点，将新的中心点确定为光斑的质心。在本实施例中，不再是取一个等灰度值的圆，而是取H个等灰度梯度值的圆；通过求取多个圆的圆心，可以提高求取的圆心的精度。

在一些实施例中，在每条第二线段上各取H个点，以形成H个等灰度梯度值的圆，求各圆的圆心坐标平均值以得到圆心O₂，具体包括：

选取一条第二线段；即首先可以任意选取一条第二线段；

计算所选取的第二线段上各点的灰度梯度值；

选取具有不同灰度梯度值的H个点；在其余每条第二线段上搜索与所选取的H个不同的灰度梯度值分别相同的H个点；即在其余的每条第二线段上同样选取H个点，这H个点的灰度梯度值与首先选取的第二线断上选取的H个点的灰度梯度值分别相同；

连接各条第二线段上灰度梯度值相同的点，以形成H个等灰度梯度值的圆；通过将连接灰度梯度值相同的点，可以得到H个等灰度梯度值的圆，或者通过对灰度梯度值相同的点进行曲线拟合，可以得到H个圆；

求H个圆的圆心坐标的平均值以得到圆心O₂。

通过这种方式求取的圆心O₂的精度更高。

以图2所示的透光元件1和图3所示的第一图像为例，在一些实施例中，根据第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为透光元件1的中心，具体包括：

将第一图像上的透过每条狭缝形成的狭缝光斑拟合成一条第一线段，得到具有2N条第一线段的第二图像；

计算第二图像的几何中心，将计算出的几何中心确定为透光元件1的中心。

由于狭缝图案为中心对称图案，并且狭缝图案的几何中心与透光元件1的中心重合，那么就可以通过计算第二图像中的2N条线段构成的图案的几何中心，找到透光元件1的中心，从而判断光斑的质心是否与透光元件1的中心重合。

在一些实施例中，计算第二图像的几何中心，将计算出的几何中心确定为透光元件1的中心，具体包括：

取第二图像上的各条第一线段的近心端端点，

对2N个近心端端点进行曲线拟合，

求取拟合曲线的几何中心，将求取的几何中心确定为透光元件1的中心。

由于狭缝图案的几何中心与透光元件1的中心重合，通过求取拟合曲线的几何中心，就可以在第二图像上定位出透光元件1的中心。如图10所示，在透光元件1上，将狭缝12设计成狭缝12的近心端端点共圆，那么第二图像上的第一线段的近心端也共圆；对2N个近心端端点进行曲线拟合后可以得到一个连续的圆，求取该圆的圆心，相当于得到了透光元件1的中心。

在一些实施例中，狭缝的近心端端点共圆，透光元件1上还具有连接狭缝近心端的圆形狭缝13。根据第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为透光元件1的中心，具体包括：

将第一图像上的透过圆形狭缝13形成的圆形狭缝13光斑拟合成圆，求取圆的圆心，将求取的圆心确定为透光元件1的中心；

或者，

检测第一图像上的透过圆形狭缝13形成的圆形狭缝13光斑，得到亚像素圆轮廓，求取圆轮廓的圆心，将求取的圆心确定为透光元件1的中心。

在一些实施例中，若光斑的质心与透光元件1的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件1的中心的偏离程度，控制光源模块2调节入射光的方向，以使调整后的入射光经透光元件1散射成像形成的光斑的质心与透光元件1的中心重合，具体包括：

判断光斑的质心与透光元件1的中心是否重合，若不重合则计算光斑的质心与透光元件1的中心与之间的偏离距离；

根据偏离距离以及第一图像中的像素与实际物理尺寸间的换算关系确定光源模块2的调节参数，以调节入射光的方向，使调整后的入射光经透光元件1散射成像形成的光斑的质心与透光元件1的中心重合。

由于成像模块3采集的第一图像上两点之间的距离与实物尺寸之间有对应关系，因此，通过换算可以算出入射光偏离透光元件1中心的方向和距离。通过控制光源模块2，通过调解入射光各个方向的角度，可以使入射光击中透光元件1的中心。

请继续参阅图1，在一些实施例中，光源模块2包括激光源21，被配置为发射激光束；

光源模块2还包括：

扩束组件22，被配置为对激光源21发射的激光束进行扩束，以使扩束后的激光束充分照射透光元件1，和/或

与控制器4通讯连接的光束调整组件23，被配置为调节入射到透光元件1的激光束的角度和位置。

光束调整组件23可以包括一个或多个双压电反射镜。

在一些实施例中，光束调整组件23包括：

均与控制器4通讯连接的第一反射元件231和第二反射元件232，

第一反射元件231被配置为对激光源21发射的激光束进行方向调节，第二反射元件232被配置为对第一反射元件231反射的激光束进行方向调节，经第二反射元件232反射后的激光束入射到透光元件1。

通过第一反射元件231和第二反射元件232的配合，可以使从激光源21发出的光线与入射到透光元件1的光线平行，也即不改变入射到透光元件1的光线的角度，但是可以调整入射位置。

第二方面，本申请实施例提供一种光力臂检测装置。请参阅图1和图11，光力臂检测装置包括：

透光元件1，透光元件1的入射面11包括能够透过光线的透光区域和不能够透过光线的不透光区域，透光区域形成的图案为中心对称图案，

扭秤组件5，扭秤组件包括横梁51和在横梁51中点悬挂横梁51的悬丝52，在横梁51的两端各设置一个透光元件1，

光源模块2，被配置为向透光元件1发射入射光，

成像模块3，被配置为采集入射光经透光元件1散射成像形成的光斑的第一图像，控制器4，被配置为

获取第一图像，并根据第一图像确定光斑的质心，

根据第一图像中的像素与实际物理尺寸间的换算关系，计算光斑的质心与横梁51中心间的距离，该距离即为光力臂。

如图12所示，光力臂是光斑的质心与横梁51的中心之间的距离。本实施例中，光源模块2发出的入射光照射到透光元件1；成像模块3采集入射光经透光元件1散射成像形成的光斑，获得第一图像；控制器4获取第一图像，并根据第一图像中光斑的几何形状计算光斑的质心，由于透光元件1上的透光区域形成的图案为中心对称图案，那么，成像模块3采集到的光斑的图案也就是中心对称图案，对于这种图案，就便于利用计算机计算出其质心；计算出质心后，控制器4根据质心在第一图像上的位置和第一图像中的像素与实际无理尺寸的换算关系确定出光斑的质心在透光元件1上的位置，从而计算出入射光作用在透光元件1上的作用力中心，该作用力中心(光斑质心)与横梁51中心间的距离L即为光力臂。

Claims (20)

1.一种入射光调整装置，其特征在于：包括

透光元件，所述透光元件的入射面包括能够透过光线的透光区域和不能够透过光线的不透光区域，所述透光区域形成的图案的几何中心与所述透光元件的中心重合，

光源模块，被配置为向所述透光元件发射入射光，

成像模块，被配置为采集入射光经所述透光元件散射成像形成的光斑的第一图像，

控制器，被配置为

获取所述第一图像，并根据所述第一图像确定光斑的质心和透光元件的中心，

若光斑的质心与透光元件的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件的中心的偏离程度，控制所述光源模块调节入射光，以使调整后的入射光经所述透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合。

2.根据权利要求1所述的入射光调整装置，其特征在于：所述透光区域包括偶数条能够透过光线的狭缝，偶数条所述狭缝排列成中心对称的狭缝图案，所述狭缝图案的几何中心与所述透光元件的中心重合。

3.根据权利要求2所述的入射光调整装置，其特征在于：偶数条所述狭缝以所述狭缝图案的几何中心为中心呈放射状排列。

4.根据权利要求3所述的入射光调整装置，其特征在于：偶数条所述狭缝沿着所述狭缝图案的周向均匀排列。

5.根据权利要求3所述的入射光调整装置，其特征在于：每条所述狭缝的长度相等，和/或，

每条所述狭缝的宽度相等。

6.根据权利要求5所述的入射光调整装置，其特征在于：每条所述狭缝的近心端到所述狭缝图案的几何中心之间的距离相等，

和/或

每条所述狭缝的远心端到所述狭缝图案的几何中心之间的距离相等。

7.根据权利要求2所述的入射光调整装置，其特征在于：所述透光区域的面积小于等于所述透光元件的入射面的面积的千分之一，

和/或

所述狭缝的宽度大于等于所选取的入射光波长的2倍。

8.根据权利要求3至7中任一权利要求所述的入射光调整装置，其特征在于：所述获取所述第一图像，并根据所述第一图像确定光斑的质心和透光元件的中心，包括

获取所述成像模块采集的第一图像，

对所述第一图像进行灰度值拟合，得到灰度值拟合曲面，根据所述灰度值拟合曲面确定光斑的质心，

根据所述第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为所述透光元件的中心。

9.根据权利要求8所述的入射光调整装置，其特征在于：所述对所述第一图像进行灰度值拟合，得到灰度值拟合曲面，根据所述灰度值拟合曲面确定光斑的质心，包括

将所述第一图像上的透过每条所述狭缝形成的狭缝光斑拟合成一条第一线段，得到具有2N条第一线段的第二图像，

将所述第二图像上的具有相同斜率的所述第一线段拟合成以第一线段上各点到特定点的距离为横坐标值、第一线段上各点的灰度值为纵坐标值的第一曲线，

对所述第一曲线进行采样得到多个采样点，若与多个采样点对应的第二图像中的点的灰度值为零，则将对应的采样点的纵坐标值赋值给第二图像中对应的灰度值为零的点从而得到具有N条第二线段的第三图像，

取所述第三图像中的灰度值非零的点进行曲面拟合，

通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心。

10.根据权利要求9所述的入射光调整装置，其特征在于：所述将所述第二图像上的具有相同斜率的所述第一线段拟合成以第一线段上各点到特定点的距离为横坐标值、第一线段上各点的灰度值为纵坐标值的第一曲线，包括

将所述第二图像上的2N条第一线段中具有相同斜率的第一线段视为一组，

将每组第一线段最左侧的灰度值非零点作为原点，每组第一线段上其余各点到原点的距离作为横坐标值，每组第一线段上每个点对应的第二图像上的灰度值作为纵坐标值，

利用非线性最小二乘法进行对每组第一线段进行二次曲线拟合，得到N条第一曲线。

11.根据权利要求9所述的入射光调整装置，其特征在于：所述对所述第一曲线进行采样得到多个采样点，若与多个采样点对应的第二图像中的点的灰度值为零，则将对应的采样点的纵坐标值赋值给第二图像中对应的灰度值为零的点从而得到具有N条第二线段的第三图像，包括

在所述第一曲线上每间隔m个数据点进行一次采样得到M个数据点，

逐一搜索所述第二图像中的与各个所述数据点对应的点P处的灰度值，

若所述第二图像中对应的点P处的灰度值为零，则将与点P对应的所述数据点的纵坐标值赋值给点P作为点P的灰度值，从而得到第三图像。

12.根据权利要求9所述的入射光调整装置，其特征在于：所述通过计算拟合曲面的中心点确定光斑的质心，包括

计算拟合曲面的中心点，将此中心点确定为光斑的质心，或

计算拟合曲面的中心点O₁，在每条所述第二线段上各取一点，每个点的灰度梯度值相同，求取各点所在圆的圆心O₂，将中心点O₁和圆心O₂的坐标求平均，得到新的中心点，将新的中心点确定为光斑的质心，或

计算拟合曲面的中心点O₁，在每条所述第二线段上各取H个点，以形成H个等灰度梯度值的圆，求各圆的圆心坐标平均值以得到圆心O₂，将中心点O₁和圆心O₂的坐标求平均，得到新的中心点，将新的中心点确定为光斑的质心。

13.根据权利要求12所述的入射光调整装置，其特征在于：所述在每条所述第二线段上各取H个点，以形成H个等灰度梯度值的圆，求各圆的圆心坐标平均值以得到圆心O₂，包括

选取一条所述第二线段，

计算所选取的所述第二线段上各点的灰度梯度值，

选取具有不同灰度梯度值的H个点，

在其余每条所述第二线段上搜索与所选取的H个不同的灰度梯度值分别相同的H个点，

连接各条所述第二线段上灰度梯度值相同的点，以形成H个等灰度梯度值的圆，

求H个圆的圆心坐标的平均值以得到圆心O₂。

14.根据权利要求8所述的入射光调整装置，其特征在于：所述根据所述第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为所述透光元件的中心，包括

将所述第一图像上的透过每条所述狭缝形成的狭缝光斑拟合成一条第一线段，得到具有2N条第一线段的第二图像，

计算所述第二图像的几何中心，将计算出的几何中心确定为所述透光元件的中心。

15.根据权利要求14所述的入射光调整装置，其特征在于：所述计算所述第二图像的几何中心，将计算出的几何中心确定为所述透光元件的中心，包括

取所述第二图像上的各条第一线段的近心端端点，

对2N个所述近心端端点进行曲线拟合，

求取拟合曲线的几何中心，将求取的几何中心确定为所述透光元件的中心。

16.根据权利要求8所述的入射光调整装置，其特征在于：所述狭缝的近心端端点共圆，所述透光元件上还具有连接所述狭缝近心端的圆形狭缝，

根据所述第一图像计算光斑的几何中心，将计算出的光斑的几何中心确定为所述透光元件的中心，包括

将所述第一图像上的透过所述圆形狭缝形成的圆形狭缝光斑拟合成圆，求取所述圆的圆心，将求取的圆心确定为所述透光元件的中心，

或，

检测所述第一图像上的透过所述圆形狭缝形成的圆形狭缝光斑，得到亚像素圆轮廓，求取所述圆轮廓的圆心，将求取的圆心确定为所述透光元件的中心。

17.根据权利要求1所述的入射光调整装置，其特征在于：所述若光斑的质心与透光元件的中心不重合，则根据光斑的质心与透光元件的中心的偏离程度，控制所述光源模块调节入射光的方向，以使调整后的入射光经所述透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合，包括

判断光斑的质心与透光元件的中心是否重合，若不重合则计算光斑的质心与所述透光元件的中心与之间的偏离距离，

根据偏离距离以及第一图像中的像素与实际物理尺寸间的换算关系确定所述光源模块的调节参数，以调节入射光的方向，使调整后的入射光经所述透光元件散射成像形成的光斑的质心与透光元件的中心重合。

18.根据权利要求17所述的入射光调整装置，其特征在于，所述光源模块包括

激光源，被配置为发射激光束，

所述光源模块还包括：

扩束组件，被配置为对所述激光源发射的激光束进行扩束，以使扩束后的激光束充分照射所述透光元件，和/或

与所述控制器通讯连接的光束调整组件，被配置为调节入射到所述透光元件的激光束的角度和位置。

19.根据权利要求18所述的入射光调整装置，其特征在于，所述光束调整组件包括

均与所述控制器通讯连接的第一反射元件和第二反射元件，

所述第一反射元件被配置为对所述激光源发射的激光束进行方向调节，所述第二反射元件被配置为对所述第一反射元件反射的激光束进行方向调节，经所述第二反射元件反射后的激光束入射到所述透光元件。

20.一种光力臂检测装置，其特征在于：包括

透光元件，所述透光元件的入射面包括能够透过光线的透光区域和不能够透过光线的不透光区域，所述透光区域形成的图案为中心对称图案，

扭秤组件，所述扭秤组件包括横梁和在所述横梁中点悬挂所述横梁的悬丝，在所述横梁的两端各设置一个所述透光元件，

光源模块，被配置为向所述透光元件发射入射光，

成像模块，被配置为采集入射光经所述透光元件散射成像形成的光斑的第一图像，

控制器，被配置为

获取所述第一图像，并根据所述第一图像确定光斑的质心，

根据第一图像中的像素与实际物理尺寸间的换算关系，计算光斑的质心与横梁中心间的距离。