一种三维小角度测量装置及方法
【专利摘要】一种三维小角度测量装置及方法，该装置包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，扩束镜与分束镜光路之间设有平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。本发明还包括使用三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法：建立坐标系；获取激光像斑质心位置数据；求解角度。本发明采用非接触式的光学小角度精密测量技术，具有较高准确度和测量分辨率。与传统方法相比：能分辨滚动角的微小变动量，实现了对空间三维小角度的测量。
【专利说明】一种三维小角度测量装置及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学测量领域中三维小角度测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]角度测量是几何计量技术的重要组成部分，在光学工程、机械、航空、航天、军事等各个领域有着广泛的应用。对物体的小角度偏转进行高精度、连续和自动测量是角度测量的一个重要方面，有很强的应用需求。例如舰船在海上航行时，受到自身载荷、海浪冲击以及环境温度变化等外部应力和外部环境的影响，会产生不可忽视的扭曲变形，使得雷达天线、光测系统等外围设备相对中心基准的姿态发生小角度的偏转，引起测量误差。在实际使用中，如果能实时测量该角度偏转，就可以减小甚至消除上述影响。
[0003]准直法是一种具有测量准确度高和非接触测量以及灵敏度高等特点的光学小角度测量方法。该方法在光学上使物体和像分别位于共轭平面上，当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，通过测量像点的移动量获得物体转动角度。但是，光学准直法只适用于一维或二维角度测量，不能实现对滚转角的测量。为了实现对滚转角的测量，通常需采取其它的辅助设计。如已成功应用的大钢管基准法，该方法利用自准直测量作为基准的大钢管两端的转角实现对滚转角的测量(参考文献《船体变形测量的新技术》，光年发表于《学精密工程》第16卷)；基于莫尔条纹三维测角法，该方法通过测量莫尔条纹宽度实现对滚转角的测量，对光栅制作的精度以及光栅图像质量都有较高的精度要求(参考文献《光栅法在船体横扭角测量中的应用》，2005年发表于《光学精密工程》第13卷第3期)；菲涅耳双棱镜自准直法，该方法利用CCD接收经准直透镜焦平面上发光点射向双面反射镜的返回光点的成像位置变化，实现三维转角变化的测量(参考文献《Methods fordetermining the effect o f flatness deviations, eccentricity, and pyramidalerror on angle measurements〉〉，2000 年发表于〈〈Metrologia〉〉第 37 卷X
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种非接触式的三维小角度测量装置及方法，以实现待测点与基准之间三维小角度变化量的高精度(角秒级)测量。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种三维小角度测量装置，包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，所述扩束镜与分束镜光路之间设有一个与扩束镜光轴和分束镜光轴的夹角均为45°的平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，最后入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。
[0006]进一步，所述扩束镜包括两个单镜片即第一单镜片和第二单镜片，所述第一单镜片和第二单镜片的材料、球面形状和厚度参数为: 第一单镜片的第一曲面:曲率半径-7.476mm，厚度4mm，口径10mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673 ；
第一单镜片的第二曲面:曲率半径-18.072mm, 口径IOmm;
第一单镜片和第二单镜片的间隔:40mm ；
第二单镜片的第一曲面:曲率半径-140.047mm，厚度8mm，口径30mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673 ；
第二单镜片的第二曲面:曲率半径-32.475mm, 口径30mm。
[0007]所述测量相机包括镜片、光阑和图像传感器，所述测量相机的镜片为四片，包括两个双胶合镜片(即第一双胶合镜片和第二双胶合镜片)和两个单镜片(即第三单镜片和第四单镜片)，第一双胶合镜片与第三单镜片构成一组，第二双胶合镜片和第四单镜片构成另一组，分布于光阑两侧，图像传感器位于测量相机焦面位置；所述第三单镜片、第一双胶合镜片、第二双胶合镜片和第四单镜片的材料、球面形状、厚度及图像传感器参数为:
第三单镜片的第一曲面:曲率半径326.497mm，厚度52.735mm, 口径100mm，玻璃折射率1.61，玻璃阿贝系数56.7 ;
第三单镜片的第二曲面2:曲率半径-919.576mm, 口径IOOmm ；
第三单镜片与第一双胶合镜片的间隔:3.015mm ；
第一双胶合镜片的第一曲面:曲率半径216.751mm，厚度84.408mm, 口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3 ；
第一双胶合镜片的第二曲面:曲率半径⑴，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0 ;
第一双胶合镜片的第三曲面:曲率半径134.268mm, 口径IOOmm ；
第一双胶合镜片与光阑的间隔:85.934mm ；
光阑:曲率半径⑴，口径62mm;
光阑与第二双胶合镜片的间隔:74.931mm ；
第二双胶合镜片的第一曲面:曲率半径-154.859mm，厚度22.772mm, 口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0 ；
第二双胶合镜片的第二曲面:曲率半径⑴，厚度65.319mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3 ;
第二双胶合镜片的第三曲面:曲率半径-222.959 ；
第二双胶合镜片与第四单镜片的间隔:3.015mm ；
第四单镜片的第一曲面:曲率半径1184.227，厚度41.349mm, 口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3 ;
第四单镜片的第二曲面:曲率半径-404.842 ；
第四单镜片与图像传感器的间隔:345.563mm ；
图像传感器:像元尺寸:5.45 μ m，像元数1024X1024。
[0008]所述正四棱锥反射镜的四个锥面为反射面，锥面与底面的夹角为笋，其中沪的取值范围为0.5X 10_3?5X 10_3弧度，优选10_3弧度。
[0009]使用本发明之三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法，包括以下步骤:(1)建立坐标系:
建立坐标系F和图像传感器成像面坐标系《V ;图像传感器成像面坐标系av的坐标原点为图像传感器的像面左上角顶点，?和V分别对应图像传感器的像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F为ο-ΧΥΖ, Z轴为正四棱锥反射镜的轴线方向，X轴和Y轴分别与u和V平行，坐标系F的坐标原点ο为正四棱锥反射镜的顶点；正四棱锥反射镜的四个反
射面F1、F2為為的法线在坐标系F中的方向矢量分别为(O，sm供，cos炉)，(O，-sm炉，cosiP), (sm炉，0, cos伊)，(-sm伊，0，cos炉)，伊为正四棱锥反射镜的锥面与底面的夹角；
(2)获取激光像斑质心位置数据:
利用图像传感器采集经正四棱锥反射镜反射的激光图像，利用公式(I)计算获得激光像斑质心位置，记为(?,?)，其中免=1,2，3，4 , (?,?)对应激光经正四棱锥反射镜反射面
凡反射的激光像斑；公式(I)的表达式为:
【权利要求】
1. 一种三维小角度测量装置，包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，其特征在于，所述扩束镜与分束镜光路之间设有一个与扩束镜光轴和分束镜光轴的夹角均为45°的平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，最后入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。
2. 根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述扩束镜包括两个单镜片即第一单镜片和第二单镜片，所述第一单镜片和第二单镜片的材料、球面形状和厚度参数为: 第一单镜片的第一曲面:曲率半径-7.476mm,厚度4mm，口径10mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673 ； 第一单镜片的第二曲面:曲率半径-18.072mm, 口径IOmm ； 第一单镜片和第二单镜片的间隔:40mm ； 第二单镜片的第一曲面:曲率半径-140.047mm，厚度8mm，口径30mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673 ； 第二单镜片的第二曲面:曲率半径-32.475mm, 口径30mm。
3. 根据权利要求1或2所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述测量相机包括镜片、光阑和图像传感器，所述测量相机的镜片为四片，包括两个双胶合镜片和两个单镜片，两个双胶合镜片即为第一双胶合镜片和第二双胶合镜片，两个单镜片即为第三单镜片和第四单镜片，第一双胶合镜片与第三单镜片构成一组，第二双胶合镜片和第四单镜片构成另一组，分布于光阑两侧，图像传感器位于测量相机焦面位置；所述第三单镜片、第一双胶合镜片、第二双胶合镜片和第四单镜片的材料、球面形状、厚度及图像传感器参数为: 第三单镜片的第一曲面:曲率半径326.497mm，厚度52.735mm, 口径100mm，玻璃折射率，1.61，玻璃阿贝系数56.7 ; 第三单镜片的第二曲面2:曲率半径-919.576mm, 口径IOOmm ； 第三单镜片与第一双胶合镜片的间隔:3.015mm ； 第一双胶合镜片的第一曲面:曲率半径216.751mm，厚度84.408mm, 口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3 ； 第一双胶合镜片的第二曲面:曲率半径⑴，厚度22.772mm, 口径100mm，玻璃折射率 ，1.60，玻璃阿贝系数38.0 ; 第一双胶合镜片的第三曲面:曲率半径134.268mm, 口径IOOmm ； 第一双胶合镜片与光阑的间隔:85.934mm ； 光阑:曲率半径⑴， 口径62mm ； 光阑与第二双胶合镜片的间隔:74.931mm ； 第二双胶合镜片的第一曲面:曲率半径-154.859mm，厚度22.772mm, 口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0 ; 第二双胶合镜片的第二曲面:曲率半径⑴，厚度65.319mm，口径100mm，玻璃折射率，1.62，玻璃阿贝系数60.3 ; 第二双胶合镜片的第三曲面:曲率半径-222.959 ；第二双胶合镜片与第四单镜片的间隔:3.015mm ； 第四单镜片的第一曲面:曲率半径1184.227，厚度41.349mm, 口径100_，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3 ; 第四单镜片的第二曲面:曲率半径-404.842 ； 第四单镜片与图像传感器的间隔:345.563mm ； 图像传感器:像元尺寸:5.45 μ m，像元数1024X1024。
4.根据权利要求1或2所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述正四棱锥反射镜的四个锥面为反射面，锥面与底面的夹角为 其中成的取值范围为0.5X10—3~5X10—3弧度。
5.一种使用如权利要求1-4任一项所述三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)建立坐标系: 建立坐标系F和图像传感器成像面坐标系w ;图像传感器成像面坐标系UV的坐标原点为图像传感器的像面左上角顶点，H和V分别对应图像传感器的像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F为ο-ΧΥΖ, Z轴为正四棱锥反射镜的轴线方向，X轴和Y轴分别与以和V平行，坐标系F的坐标原点ο为正四棱锥反射镜的顶点；正四棱锥反射镜的四个反射面F1、巧、H的法线在坐标系F中的方向矢量分别为(0，sm炉，cos屮)，(O,-Sin^，cos^P), (sm(65,0, cos(P), (-sm炉，0，cos炉),屮为正四棱锥反射镜的锥面与底面的夹角； (2)获取激光像斑质心位置数据: 利用图像传感器采集经正四棱锥反射镜反射的激光图像，利用如下公式计算获得激光像斑质心位置，记为(?,?),其中,t = lj，3,4 , (?,?)对应激光经正四棱锥反射镜反射面凡反射的激光像斑；计算获得激光像斑质心位置的公式的表达式为:
【文档编号】G01C1/00GK103471561SQ201310399496
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】刘新明, 赵文华, 王珏, 潘良, 冯小勇, 赵李健 申请人:中国人民解放军63680部队