伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型涉及一种伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，以解决现有光学系统在二维测量时长度尺寸易受限制的问题。本实用新型包括光源合作目标、伽利略望远镜组、分光镜组、柱面镜组、线阵CCD组；测量时，将被测物体与在光源合作目标固连；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，完成X向的测量；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，完成Y向的测量。本实用新型所提供的光学系统接近无焦，有效缩短了系统长度，使用方便。
【专利说明】
伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统
技术领域
[0001]本实用新型属于光学测量技术领域，涉及一种伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统。
【背景技术】
[0002]线阵CCD广泛应用于高精度、大范围位置测量中，与面阵CCD相比，线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多，且价位较为低廉，而总像元数较面阵CCD少，且像元尺寸比较灵活，每秒的帧幅率高，特别适用于一维动态目标的位置测量。
[0003]为实现二维位置测量，线阵CCD需与光源合作目标及柱面镜相结合使用才能完成。在合作光源目标为点光源或要求合作光源尺寸极小，且系统焦距较长时，光学系统长度尺寸将受到限制。
[0004]当线阵CCD的一维像元足够完成对应维的测量，且要求使用线阵CCD完成高精度、大范围内的二维位置测量时，可选择球面与柱面镜组合型式的光学系统。已经报道的光学系统中，有先采用球面镜系统对光点进行一次成像，然后再采用柱面系统进行二次成像的结构形式，但是这种结构的光学系统长度较长，使用起来极不方便。
【实用新型内容】
[0005]为解决【背景技术】中提出的使用线阵CCD进行二维位置测量时光学系统焦距较长致使光学系统长度尺寸受到限制的问题，本实用新型提供了一种光学长度较短的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统。
[0006]本实用新型的技术方案是:
[0007]伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统包括光源合作目标、分光镜组、第一线阵CCD和第二线阵CCD;所述光源合作目标为点光源或可等效为点光源的光源；所述第一线阵CCD和第二线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量。其特殊之处在于:该光学系统还包括由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组。
[0008]上述伽利略望远镜组设置在能够接收光源合作目标所发出光线的位置处，其角放大倍率的范围为^ γ <10，以保证经第一柱面镜组和第二柱面镜组变换所成的线像能分别与第一线阵C⑶和第二线阵CXD正交。
[0009]上述分光镜组设置在伽利略望远镜组的输出光路上，将伽利略望远镜组的输出光路分为两路。
[0010]上述第一柱面镜组设置在分光镜组的反射光路上，第二柱面镜组设置在分光镜组的透射光路上。
[0011 ]上述第一线阵CXD设置在第一柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭;第一线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面上，其感光单元的排列方向(即光敏长度方向)与空间直角坐标系的OZ轴平行且与第一柱面镜组的输出光路的光轴无Y向偏移量。
[0012]上述第二线阵CXD设置在第二柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭;第二线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的XOY平面上，其感光单元的排列方向(即光敏长度方向)与空间直角坐标系的OY轴平行且与第二柱面镜组的输出光路的光轴无X向偏移量。
[0013]测量时，将被测物体固连在光源合作目标上，当光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时，光源合作目标所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，从而完成X向的测量;光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，从而完成Y向的测量；由第一线阵CCD和第二线阵CCD共同完成二维位置测量。
[0014]上述光源合作目标由光源经匀光系统照亮刻划板组成。
[0015]为减小系统的能量损失，上述光源采用宽谱段照明光源，或者采用不同颜色、分时点亮的LED光源，或者采用不同颜色、与线阵CCD同步频闪的LED光源；同时，上述分光镜组上镀有颜色分光膜。
[0016]上述光源合作目标为单点光源合作目标或者多点光源合作目标。
[0017]为了使第一线阵C⑶和第二线阵CCD所接收到的光能量基本一致，上述分光镜组的分束比为0.5:0.5。
[0018]上述分光镜组为单片分光镜，或者由两个直角棱镜胶合组成一个整体，以减小系统的装配复杂度。
[0019]上述伽利略望远镜组、分光镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组可采用宽谱段光学组件或窄谱段光学组件。
[0020]上述组成伽利略望远镜组的正镜和负镜为透射式或反射式。
[0021]上述技术方案中的第一线阵C⑶和第二线阵C⑶均可由线阵CMOS替代。
[0022]上述伽利略望远镜组可由类伽利略望远镜组替代。
[0023]本实用新型提出的伽利略望远镜组与柱面镜组合的长焦光学系统，无一次成像面，系统光学长度短，能有效解决光学系统长度尺寸受限的弊端，实现点光源合作目标在较大范围内的高精度二维位置测量。
[0024]本实用新型的优点是:
[0025]1、本实用新型所提供的光学系统，其前组为伽利略望远镜组，接近无焦，有效缩短了系统的长度，使用方便。前组伽利略望远镜组的角放大倍率为γ (I < γ <10)，口径为09，后组柱面镜系统焦距为fV，那么整个光学系统的焦距变为f = TfZ7，则点光源被变换为长度L为L = Dq/ γ的一条线像，在测量范围内，选择合理γ的大小，即可保证光源合作目标在不同位置点所成线像均与双线阵CCD正交，从而获得高精度二维位置测量。
[0026]2、本实用新型所提供的光学系统可以独立取其中一路完成单维测量，也可与现有一维测量系统组合完成三维测量。
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型的原理不意图；
[0028]图2为本实用新型的一个具体实施例的结构示意图；
[0029]图2.1，图2.2为图2中任意一路光学系统在两个正交方向光线追迹图；
[0030]图3为本实用新型的一个点光源合作目标在不同视场或者不同测量位置时系统所成的线像与线阵CCD的交线示意图(图中A处为线阵CCD);
[0031 ]其中:1-光源合作目标;2-伽利略望远镜组;3-分光镜组;4-第一柱面镜组;5-第一线阵CXD; 6-第二柱面镜组;7-第二线阵CXD。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的说明。
[0033]如图1和图2所示，本实用新型所提供的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统包括光源合作目标1、由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组2、分光镜组3、第一柱面镜组4、第一线阵CCD5、第二柱面镜组6和第二线阵CCD7。光源合作目标I为点光源或可等效为点光源的光源，第一线阵CCD5和第二线阵CCD7的像素长度均能覆盖一维测量。
[0034]伽利略望远镜组2用于光束变换，缩短系统整体长度;分光镜组3用于将光束分为两路，实现两维独立测量;两个柱面镜组用于光束变形，将点目标变换为线像，可与线阵CCD组正交成像。
[0035]光源合作目标I由光源经匀光系统照亮刻划板组成。为减小系统的光能量损失，光源可采用宽谱段照明光源，或者采用不同颜色、分时点亮的LED光源，亦可采用不同颜色、与线阵CCD同步频闪的LED光源;同时，在分光镜组3上镀颜色分光膜。
[0036]伽利略望远镜组2设置在能够接收光源合作目标I在不同视场或者不同测量位置所发出光线的位置处，并且其角放大倍率的范围为^ γ <10，以保证经第一柱面镜组和第二柱面镜组变换所成的线像能分别与第一线阵(XD5和第二线阵CCD7正交。组成伽利略望远镜组2的正镜和负镜可采用透射式镜片或反射式镜片，采用反射式镜片可进一步缩小系统的纵向尺寸。
[0037]分光镜组3设置在伽利略望远镜组2的输出光轴上。为使第一线阵(XD5和第二线阵CCD7接收到的光能量基本一致，进一步提高系统的测量精度，本实用新型的分光镜组3的分束比为0.5:0.5。作为优化，分光镜组3可由两个直角棱镜胶合组成，以降低系统的装配复杂度。
[0038]第一柱面镜组4设置在分光镜组3的反射光路上(即第一光路上)，第二柱面镜组6设置在分光镜组3的透射光路上(即第二光路上)。此外，为减少设计和加工复杂度，第一柱面镜组4和第一柱面镜组6的结构形式可完全相同，仅需保证两者正交放置即可。
[0039]由于柱面镜只在两个方向具有对称性，而伽利略望远镜组具有径向对称性。为充分保证对应维度的像质，两者均需要复杂化，即柱面镜组和伽利略望远镜组均由两片或以上正负镜组合组成，当光源合作目标I采用宽谱段光源时，正镜一般用冕牌玻璃，负镜一般用火石玻璃以消除色差影响。
[0040]第一线阵CCD5设置在第一柱面镜组4的输出光路上，与第一柱面镜组4的母线正交，并位于光源合作目标I的共轭成像面上;第一线阵CCD5的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面上，第一线阵CCD5的光敏长度方向与空间直角坐标系的OZ轴平行且相对于第一柱面镜组的输出光路的光轴无Y向偏移量。
[0041]第二线阵CCD7设置在第二柱面镜组6的输出光路上，与第二柱面镜组6的母线正交，并位于光源合作目标I的共轭成像面上;第二线阵CCD7的光敏面位于空间直角坐标系的XOY平面上，第二线阵CCD7的光敏长度方向与空间直角坐标系的OY轴平行且相对于第二柱面镜组6的输出光路的光轴无X向偏移量。
[0042]本实用新型的第一线阵(XD5和第二线阵(XD7均可由线阵CMOS替代。
[0043]为了获得更高的测量精度，本实用新型采用的光源合作目标I由激光或者LED光源经匀光系统照亮刻划板组成;为避免能量损失过多，本实用新型的光源合作目标I可采用宽谱段照明光源或者采用不同颜色的LED分时点亮，并且分光镜组3处可采用不同颜色的分色膜来实现第一线阵CCD5和第二线阵CCD7接收到的光能量一致。
[0044]图3为一个点光源合作目标在不同视场或者不同测量位置时系统所成的线像与线阵CCD的交线示意图。由于使用了柱面镜组，那么第一光路和第二光路均有两个方向的参数:柱面镜组的有光焦度方向，即垂直于柱面镜组的母线方向和柱面镜组的无光焦度方向，也即柱面镜组的母线方向。假设前组伽利略望远镜组2的角放大率为γ =4，则1°入射光被放大为约4°，经过伽利略望远镜组2后，那么，柱面镜组的有光焦度方向的入射角逐渐增大时，柱面镜组的弱光焦度的工作面上光线的高度就会随着入射角的增大而增大。虽然线长变化不大，但是由于各视场的主光线角度差异大，且伽利略望远镜组2的后端还有较长的光路，而导致整个光学系统所成线像的中心离线阵CCD所设置的位置(光轴位置)越来越远。柱面镜组的无光焦度方向主要用于变形，设计时合理控制前组伽利略望远镜组2的角放大率为γ，保证点光源合作目标变换成的线像在工作范围内始终与双线阵CCD正交，才能保证测量无盲区。
[0045]采用本实用新型所提供的光学系统对被测物体进行二维位置测量的具体过程是:将光源合作目标I与被测物体固连，当光源合作目标I运动相对于二维测量光学系统在一定平面内进行运动时，通过对光源合作目I成像，完成光源合作目标的二维位置测量，即完成对被测物体的二维位置测量。
[0046]本实用新型可广泛应用于高精度、较大范围二维位置测量，可以独立取其中一路完成单维测量，也可再增加一维测量系统组合完成三维测量。
[0047]下面通过具体实施例来进一步说明本实用新型的技术效果。
[0048]实施例:
[0049]图2为本实用新型一具体实施例的结构示意图，图2.1，图2.2为图2中任意一路光学系统在两个正交方向光线追迹图。
[0050]如图2所示，伽利略望远镜组2由三片正镜和三片负镜组合组成，第一柱面镜组4和第二柱面镜组6采用完全相同的结构形式，均由两片正镜和两片负镜组合组成。第一线阵(XD5和第二线阵CCD7的单个像元大小均为7μπι，整个光学系统焦距为f = 220mm，工作距离为9.8m。前组伽利略望远镜组2的角放大率为γ =2.5，则测量范围为500mmX 500mm，当取图像处理算法精度约为0.1像素时，X向、￥向探测精度约为0.05mm。
【主权项】
1.伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，包括光源合作目标、分光镜组、第一线阵CCD和第二线阵CCD;所述光源合作目标为点光源或可等效为点光源的光源；所述第一线阵CCD和第二线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量;其特征在于:还包括均由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组； 所述伽利略望远镜组设置在能够接收光源合作目标所发出光线的位置处，其角放大倍率的范围为I < T <10； 所述分光镜组设置在伽利略望远镜组的输出光路上； 所述第一柱面镜组设置在分光镜组的反射光路上，第二柱面镜组设置在分光镜组的透射光路上； 所述第一线阵CCD设置在第一柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭;第一线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面上，第一线阵CCD的感光单元的排列方向与空间直角坐标系的OZ轴平行且与第一柱面镜组的输出光路的光轴无Y向偏移量； 所述第二线阵CCD设置在第二柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭;第二线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的XOY平面上，第二线阵CCD的感光单元的排列方向与空间直角坐标系的OY轴平行且与第二柱面镜组的输出光路的光轴无X向偏移量； 测量时，将被测物体与在光源合作目标固连;光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，完成X向的测量;光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，完成Y向的测量;第一线阵CCD和第二线阵CCD共同完成二维位置测量。2.根据权利要求1所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述光源合作目标由光源经匀光系统照亮刻划板形成。3.根据权利要求2所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述光源采用宽谱段照明光源，或者采用不同颜色、分时点亮的LED光源，或者采用不同颜色、与线阵CCD同步频闪的LED光源;所述分光镜组上镀有颜色分光膜。4.根据权利要求2所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述光源合作目标为单点光源合作目标或者多点光源合作目标。5.根据权利要求4所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述分光镜组的分束比为0.5:0.5。6.根据权利要求5所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述分光镜组为单片分光镜或者由两个直角棱镜胶合组成。7.根据权利要求1所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述伽利略望远镜组、分光镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组为宽谱段光学组件或窄谱段光学组件。8.根据权利要求1所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:组成伽利略望远镜组的正镜和负镜为透射式或反射式。9.根据权利要求1至8任一所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述第一线阵CCD和第二线阵CCD均可由线阵CMOS替代。10.根据权利要求1至8任一所述的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，其特征在于:所述伽利略望远镜组可由类伽利略望远镜组替代。
【文档编号】G01B11/00GK205607328SQ201620232238
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】刘爱敏, 肖茂森, 高立民, 陆卫国, 王海霞, 贾乃勋
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所