CN204101008U - 一种以激光为光源的高精度长距离ccd双轴自准直仪 - Google Patents

Abstract

一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪，包括底座，底座上安装物镜管，物镜管前端设有反射镜，所述物镜管包括自准直仪物镜头、分光棱镜、透光小十字分划板、聚光镜、毛玻璃、激光光源、线路板灯源座、激光灯电源线、CCD数据处理电缆线、CCD图像传感器，CCD数据处理电缆线连接电脑。解决了长距离测量光能量不足、空气折射率不一致、空气扰动不确定、环境温漂带来影响的问题，采用激光为光源，小十字分划板成像，利用数字图像处理技术，实现高精度0-20米距离的小角度位移测量，具有测量反射面小、精度高、稳定性好、测量距离长、找像方便的特点，广泛运用于精密光学、精密机械、航空航天、造船、军工等众多领域。

Description

一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪

技术领域

本实用新型涉及一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪。

背景技术

自准直仪最初发展在上世纪50年代，采用自准直法为基本原理，用测微系统对被测件的角位移进行精密测量的光学仪器，随着科技的进步和测量要求的提高，先后发展了光学自准直仪，光学自准直仪的分度值有约1分到数十秒，精度最低。光电自准直仪，当以光电瞄准代替人工瞄准时，就称为光电自准直仪，精度较传统自准直仪有所提高。数字自准直仪，基于DSP，计算机及CCD或CMOS技术的新式自准直仪。使用发光二极管（LED）作光源，其测量精度高，稳定性好，但是测量距离都在10米以内。对于10米以上的高精度长距离小角度位移测量，上述自准直仪无法满足测量要求。

实用新型内容

本实用新型其目的就在于提供一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪，解决了长距离测量光能量不足、空气折射率不一致、空气扰动不确定、环境温漂带来影响的问题，采用激光为光源，小十字分划板成像，利用数字图像处理技术，实现高精度0-20米距离的小角度位移测量，具有测量反射面小、精度高、稳定性好、测量距离长、找像方便的特点，广泛运用于精密光学、精密机械、航空航天、造船、军工等众多领域。

实现上述目的而采取的技术方案，包括底座，底座上安装物镜管，物镜管前端设有反射镜，所述物镜管包括自准直仪物镜头、分光棱镜、透光小十字分划板、聚光镜、毛玻璃、激光光源、线路板灯源座、激光灯电源线、CCD数据处理电缆线、CCD图像传感器，CCD数据处理电缆线连接电脑。

与现有技术相比本实用新型具有以下优点。

1）采用激光器作CCD自准直仪光源，激光器体积小、抗震性强、效率高、并且激光器光强容易调制，配合变阻器调制电压，使得大尺寸范围内光强变化量可以通过改变变阻器阻值大小来调整光亮度，使得长距离与近距离测量时，CCD像面都能获得一致的光亮度，使得近距离和长距离测量时图像保持一致状态，为数据处理提供了稳定的图像信息，从而实现了近距离和远距离的高精度的稳定测量；采用激光光源还有一个有利情况，就是在反射面很小时（例如：多面棱体反射面），都能实现稳定的测量，可用笔记本电脑直接供电，简化了激光器电源设计，半导体激光器在长距离测量时，有足够的光亮度，很好的解决了长距离测量时光能量不足的问题；

2）透光小十字分划板成像，解决了近距离和远距离测量时图像的不一致问题，国内原有设计大部分是透光十字分划板十字像充满CCD像面，在5米以内距离测量时，图像变化不大，但是随着距离的拉长，由于斜平行光原理，十字像边缘的信号将会丢失，随着测量距离的拉长，反射光在CCD像面上的十字像会越来越小，由于这种情况的存在，使得图像处理变的非常复杂，导致只能近距离的测量，小十字分划板的设计，很好的解决了这个问题，近距离和远距离测量时图像都能保持一致，方便了数据处理；

3）装配调试方便，生产周期短，光路系统调试完毕后，直接把调试好的完整程序安装到笔记本电脑里，连接数据线，调整好相关参数，可以出厂使用，简化了使用DSP及FPGA数字处理硬件系统的生产调试，降低了生产成本，而且还具有体积小，重量轻，方便携带和使用等优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

    图1为本装置结构示意图；

    图2为本装置自准直光路示意图；

    图3为本装置中透光小十字分划板结构示意图；

图4为本装置中自准直光路系统结构示意图。

具体实施方式

    包括底座15，底座15上安装物镜管4，物镜管4前端设有反射镜18，如图1、图4所示，所述物镜管4包括自准直仪物镜头2、分光棱镜5、透光小十字分划板6、聚光镜7、毛玻璃8、激光光源9、线路板灯源座10、激光灯电源线11、CCD数据处理电缆线12、CCD图像传感器13，CCD数据处理电缆线12连接电脑14。

    所述物镜管4还包括通光光阑3，如图4所示。

所述物镜管4一端设有物镜盖1，如图4所示。

实施例

本装置包括自准直光路系统、透光小十字分划板、阵型CCD图像传感器、激光光源、机械底座、图像数据处理设备，采用激光为光源，小十字分划板成像，利用数字图像处理技术，实现高精度0-20米距离的小角度位移测量。

本装置以激光为光源，采用激光照亮准直物镜焦平面上的透光小十字分划板目标，经过分光棱镜和准直物镜后，准直为平行的准直光束射出，经过放置在被测物上的测量反射镜反射后，由准直物镜汇聚，经分光棱镜成像于面阵型CCD图像传感器像面上。当测量反射镜产生小角度变化时，透光小十字分划板在面阵型CCD图像传感器像面上所成的像将产生位移d，由此可计算出相应的小角度变化，在被测角很小，约在±10′以内时，测量公式可近似为α= d/2f ，如图2所示，其中d为通光小十字分划板在CCD像面上所成十字像的中心位置的变化量，而f为准直物镜的焦距，由公式可知，为了提高CCD双轴自准直仪的测量分辨率和测量精度，十字目标光斑中心的位置变化量d必须被精确获取，采用基于正交傅立叶-梅林矩的亚像素边缘的定位算法，精确定位目标光斑的边缘到亚像素级，然后采用最小二乘法拟合方式实现高精度长距离CCD双轴自准直仪十字目标光斑中心的精确定位。

1、结构

包括自准直光路系统、透光小十字分划板、面阵型CCD图像传感器、激光光源、机械底座、图像数据处理设备。

光路系统包括光源、分划板、分光棱镜、物镜，它主要功能是为了提供一定焦距的平行光束，该平行光束经反射镜反射后，成像在位于焦平面的CCD相机的探测器上，形成反射光束聚焦图像，CCD相机主要功能是将成像在CCD光敏面上的光信号转换为电信号，并按所需要的视频格式输出，图像数据处理设备由图像采集处理硬件和软件两部分组成，主要功能为实时处理通过CCD传输过的信号，计算出图像中心点角度数据，并在上位机上将结果实时显示

包括激光光源9、透光小十字分划板6、分光棱镜5、面阵型CCD图像传感器13、机械底座15、图像数据处理设备（笔记本电脑）14，激光光源9发射的激光，经由毛玻璃8充分散射后，再通过聚光镜7汇聚到位于自准直光路系统焦平面上的通光小十字分划板6上，使得激光照亮通光小十字分划板目标，目标经过分光棱镜5和准直物镜2后，准直为平行的准直光束射出，经过放置在被测物上的测量反射镜18反射后，由准直物镜2汇聚，经分光棱镜5成像于面阵型CCD图像传感器13像面上，采用基于正交傅立叶-梅林矩的亚像素边缘的定位算法，精确定位目标光斑的边缘到亚像素级，然后采用最小二乘法拟合方式实现高精度长距离CCD双轴自准直仪十字目标光斑中心的精确定位，带入参数计算，得出小角度位移值。

1） 光源

采用激光器作高精度长距离CCD双轴自准直仪光源，具有体积小、抗震性强、效率高、光强易调制等优点，激光光源还有一个有利情况，就是在反射面很小时（例如：多面棱体反射面），都有足够的光强。

2） 分划板  

采用小十字型透光分划板为高精度长距离CCD双轴自准直仪的成像分划板，如图3所示，这种设计就能够使得自准直仪长距离与近距离测量时，CCD表面成像的一致性，解决了长距离与近距离图像不一致，数据难于处理的的矛盾。

3）光学系统

图2、图4所示，物镜盖1在自准直仪不使用时，物镜盖1把自准直仪物镜罩住，防止灰尘和水汽对物镜的污染，自准直仪物镜头2，通光光阑3，其作用是进一步调整光路，提高测量精度，物镜管4，分光棱镜5是一种半反半透透镜，目标分划板的光经过分光棱镜反射出去，经物镜准直成平行光射出，后由反射镜反射回，再经物镜准直后通过分光棱镜成像在CCD像面上，透光小十字分划板6，聚光镜7，其功能是汇聚光源，毛玻璃8，其主要功能为光源发射的激光进行充分的散射，激光光源9，线路板灯源座10，激光灯电源线11，CCD数据处理电缆线12连接笔记本电脑14，CCD图像传感器13。

2软件设计开发与实现

软件设计开发是高精度长距离CCD双轴自准直仪的重要组成部分，采用基于正交傅立叶-梅林矩的亚像素边缘的定位算法，精确定位目标光斑的边缘到亚像素级，主要运用重心法和最小二乘法直线拟合实现数据处理。

Claims (3)

1.一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪，包括底座（15），底座（15）上安装物镜管（4），物镜管（4）前端设有反射镜（18），其特征在于，所述物镜管（4）包括自准直仪物镜头（2）、分光棱镜（5）、透光小十字分划板（6）、聚光镜（7）、毛玻璃（8）、激光光源（9）、线路板灯源座（10）、激光灯电源线（11）、CCD数据处理电缆线（12）、CCD图像传感器（13），CCD数据处理电缆线（12）连接电脑（14）。

2.根据权利要求1所述的一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪，其特征在于，所述物镜管（4）还包括通光光阑（3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种以激光为光源的高精度长距离CCD双轴自准直仪，其特征在于，所述物镜管（4）一端设有物镜盖（1）。