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一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置和方法
【專利摘要】一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，包括套筒(09)，聚焦透鏡(01)以及光電探測器(11)，其中聚焦透鏡(01)的焦距在200～500mm范圍之間。以及一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測力法。本發明的檢測裝置和方法可對激光跟蹤儀的光軸與機械轉軸間的夾角進行高精度檢測，可提高激光跟蹤儀的角度測量誤差精度。本發明的裝置具有設計簡潔、結構簡單、測量精度高、成本低廉、便于攜帶等特點。
【專利說明】一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置和方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及儀器測量和校準領域，尤其涉及一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置和方法。

【背景技術】
[0002]激光跟蹤儀是國際上近十年發展起來的新型大尺寸空間三維坐標測量儀器，可對運動目標進行實時跟蹤測量，具有安裝操作簡便、測量精度及效率高等優點，是大尺寸工業測量和科學測量的主要手段，近年來得到了迅速發展。
[0003]激光跟蹤測量系統的基本工作原理是:首先在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發出的激光束經目標反射器反射后，平行于原路返回，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回的光束為檢測系統所接收，用來測算目標的空間位置。簡單的說，激光跟蹤測量系統的所要解決的問題是靜態或動態地跟蹤一個在空間中運動的點，同時確定目標點的空間坐標。
[0004]為了提高激光跟蹤儀的測量和指向精度，首先要保證的是跟蹤儀的光軸和機械轉軸之間的同軸度要求，然而在現有的光學儀器設備當中，通常是依靠加工安裝精度來保證光軸和機械轉軸的同軸度，這種方式對加工和安裝工藝要求較高；或者依靠人眼判斷來調節，這種方式一般精度較低。由于跟蹤儀的激光光束中心線難以實現直接測量，導致跟蹤儀的光軸與機械轉軸間的夾角也較難直接精確測量，從而無法實現精確的調節。因此迫切需要一種簡單可行的方法來對激光跟蹤儀進行光軸和機械轉軸間的一致性檢測。


【發明內容】

[0005]基于上述技術問題，本發明提供了一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置和方法，用于檢測光軸與旋轉軸之間的空間夾角，同時，該裝置和方法也可以用于機械裝調和誤差修正，以提高激光跟蹤儀的測角精度和空間測量精度。
[0006]為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，本發明提供了一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，包括:
[0007]套筒09，是一個中空的圓筒，一端設置有能與激光跟蹤儀可拆卸的連接的套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 04，另一端設置有能與光電探測器可拆卸的連接的套筒與光電探測器接口 10 ；
[0008]聚焦透鏡01，安裝在套筒09靠近所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 04的一端，用于將所述激光跟蹤儀發射的激光匯聚到所述光電探測器11的靶面上；以及
[0009]光電探測器11，用于探測所述激光跟蹤儀發射的激光光斑的大小。
[0010]其中，所述套筒09由剛性材料制成，其長度取決于所述聚焦透鏡01的焦距。
[0011]其中，所述聚焦透鏡01為平凸、雙凸或雙膠合結構的聚焦透鏡，其焦距在200?500mm范圍之間。
[0012]其中，在所述套筒09的中心光路上還安裝有衰減片08，用來降低激光光束在所述光電探測器11上形成光斑的能量大小。
[0013]其中，在套筒09的中心光路上還安裝有濾光片05，用來過濾所要調節的激光光束以外的雜散光，避免其它光干擾檢測結果。
[0014]其中，所述光電探測器11為(XD、CMOS、PSD或四象限探測器等面陣探測器。
[0015]其中，所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 04為一個圓形凹形槽，在凹形槽的背部均勻圓周分布了三個沉頭孔02，采用軸孔配合定位和螺紋固定的方式連接安裝到激光跟足示僅機械轉軸系上。
[0016]作為本發明的另一個方面，本發明還提供了一種使用如上任意一項所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置對激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角進行檢測的方法，包括以下步驟:
[0017]步驟1:將所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置安裝到激光跟蹤儀的機械轉軸系上；
[0018]步驟2:通過計算機采集所述激光跟蹤儀發射的激光在光電探測器11上形成的光斑圖像，提取圖像中光斑的中心，獲得圖像坐標；
[0019]步驟3:將所述激光跟蹤儀機械轉軸、檢測裝置旋轉一周，在均勻的N個位置采集N幅圖像，分別提取每幅圖像中光斑中心的圖像坐標，其中N為自然數；
[0020]步驟4:將步驟3中獲得的N個圖像坐標擬合為平面圓，即為激光光斑的軌跡圓，獲得該圓的半徑為k個像素；
[0021]步驟5:計算獲得激光跟蹤儀機械轉軸與激光光束的夾角α為:
[0022]a = (4Xk) ym/200mm ?k/50000rad。
[0023]其中，步驟1中所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 04與所述激光跟蹤儀機械轉軸系行過盈配合，保證裝置中心軸與機械轉軸同軸。
[0024]其中，N= 8。
[0025]通過上述技術方案可知，本發明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置和方法通過長焦距鏡頭對光線的偏折，可對激光跟蹤儀的光軸與機械轉軸間的夾角進行高精度檢測，測量結果可用于激光跟蹤儀光軸調整和誤差修正，可提高激光跟蹤儀的角度測量誤差精度。由于所有零部件都集成到套筒中，可以根據需要隨時拆裝和攜帶，本發明的裝置具有設計簡潔、結構簡單、測量精度高、成本低廉等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的檢測激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的裝置的結構圖；
[0027]圖2a、2b是本發明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測原理圖，其中圖2a表示激光光束22中心線與跟蹤儀機械轉軸21無夾角時的情形，圖2b表示聚焦到光電探測器24光敏面上的光斑位置距中心存在偏移量X的情形；
[0028]圖3是本發明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置的典型實施例的結構圖。
[0029]附圖標記說明:
[0030]01-聚焦透鏡；02_沉頭孔；03_光學零件安裝槽；04_套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 ；05_濾光片；06_壓圈；07_墊圈；08_衰減片；09_套筒；10-套筒與光電探測器接口 ；11-光電探測器；12-中空部分；21_激光跟蹤儀機械轉軸；22_激光光束；23_光學透鏡；24-光電探測器；301_雙膠合凸透鏡；302_安裝槽；303_套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 ；304-塑料壓圈；305_沉頭孔；306_透過率為1 %的衰減片；307_塑料墊圈；308_透過率為0.1%的衰減片；309-套筒；310-套筒與光電探測器接口 ；311-C⑶探測器。

【具體實施方式】
[0031]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0032]本發明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其結構如圖1所示。其中包括:聚焦透鏡01、沉頭孔02、光學零件安裝槽03、套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 04、濾光片05、壓圈06、墊圈07、衰減片08、套筒09、套筒與光電探測器接口 10、光電探測器11和中空部分12。
[0033]聚焦透鏡01的形式可以是平凸、雙凸或雙膠合等具有聚焦功能的結構形式，該聚焦透鏡的焦距可根據實際使用需要選擇，為了提高測量精度，優選為200?500mm，其透鏡材料可采用玻璃或其他光學材料。把套筒的一端設計成一個圓形凹形槽，然后在其凹形槽的背部均勻圓周分布了三個沉頭孔02，作為安裝到激光跟蹤儀機械轉軸系上的接口 04，可采用軸孔配合定位和螺紋固定的方式連接。光學零件安裝槽03用于放置聚焦透鏡01、衰減片08、濾光片05、墊圈07和壓圈06。濾光片05用來過濾所要調節的激光光束以外的雜散光，避免其它光干擾檢測結果。壓圈06和墊圈07用來固定和隔離光學零件，避免光學零件之間、光學零件與機械零件之間發生磨損。衰減片08用來降低激光光束在光電探測器11上形成的光斑能量大小。由于聚焦透鏡01將激光束聚焦到光電探測器11上，聚焦后光斑的單位面積能量很大，造成光斑過于飽和，使得光斑尺寸偏大，不利于中心的提取，甚至損壞光電探測器11，因此需要對激光進行大幅度的衰減。套筒09由金屬或剛性較強的材料制成，其長度主要取決于聚焦透鏡01的焦距，其他零部件安裝后保證光電探測器11靶面精確位于透鏡01的焦平面上。在套筒09的另一端與光電探測器11接口 10部分，可根據光電探測器11的安裝方式采用內螺紋或外螺紋的形式。光電探測器11，用于探測激光光斑的變化情況，可以是(XD、CM0S、PSD或四象限探測器等面陣探測器。套筒09的中空部分12主要是用于通光，在保證硬度使之不產生變形的情況下，可以適當的減小壁厚來減輕整個裝備的重量。
[0034]本發明涉及的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測方法，其原理如圖2所示。在激光跟蹤儀光軸和機械轉軸21上放置一個光學透鏡23和光電探測器24，其中光學透鏡23的光軸與機械轉軸21同軸，光電探測器24的光敏面垂直于激光跟蹤儀的機械轉軸21，并放置在光學透鏡23的焦平面上。當激光光束22中心線與跟蹤儀機械轉軸21無夾角時，如圖2(a)所示，激光光束22聚焦于光電探測器24的中心或某一點，當跟蹤儀的機械轉軸21帶著光電探測器24旋轉時，在光電探測器24上的光斑位置不變。當激光光束22與跟蹤儀機械轉軸21存在微小夾角時，如圖2(b)所示，此時聚焦到光電探測器24光敏面上的光斑位置距中心存在偏移量X，當水平旋轉跟蹤轉臺時，光斑的軌跡在光電探測器24形成半徑為X的圓。通過實時提取光斑在光電探測器24上的軌跡，獲得光斑軌跡圓的半徑，則由圖中幾何關系，可計算光軸與旋轉軸的夾角α為:
[0035]α = tan (χ/f)
[0036]由于該夾角一般較小，可以取
[0037]α ~ χ/f (1)
[0038]由公式可知，夾角α與光斑軌跡圓半徑χ成正比，與光學透鏡23的焦距f成反t匕。因此，光電探測器24的分辨率越高，光斑提取精度越高，即所能提取的軌跡圓半徑χ越小，光學透鏡23的焦距f越大，則所能檢測夾角α的檢測分辨率越高，例如優選為200?500mm。在調節過程中，所能檢測夾角的分辨率越高，就能夠將夾角調節得更小。
[0039]為了進一步對本發明的技術方案作出說明，本發明提供了一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置的典型實施例，如圖3所示:該裝置實施例包括CCD探測器311，其像素大小為1626X1236、靶面尺寸為12mmX 12mm、像元大小4 μ m ;焦距200mm的雙膠合凸透鏡301 ;透過率為0.1 %的衰減片308和透過率為1 %的衰減片306 ;鏡片之間通過塑料墊圈307隔開。套筒309采用鋁制材料加工，左端為C卡口外螺紋，(XD探測器311與套筒309之間采用C卡口的接口方式連接；套筒309為中空結構；右端為與跟蹤儀機械轉軸連接的接口 303，通過軸系配合和三個固定螺栓與軸系相連接；在套筒309的鏡片安裝槽302內按如下順序安裝，在安裝槽302的底面放置透過率為0.1%的衰減片308，在衰減片308右邊放置塑料墊圈307，在塑料墊圈右邊放置雙膠合凸透鏡301，在透鏡右側放置塑料墊圈307后，再放置透過率為1 %的衰減片306，然后將塑料壓圈304通過螺紋的形式壓緊衰減片306。
[0040]檢測的流程如下:
[0041]按照上述安裝方式將裝置安裝完成后，通過套筒309右端的接口與跟蹤儀機械轉軸303行過盈配合，保證裝置中心軸與機械轉軸同軸，再由三個固定螺紋與軸固定連接。
[0042]步驟1:打開(XD探測器311，連接至計算機，通過計算機采集旋轉中出射光斑在(XD探測器311上的圖像，通過圖像處理提取圖像中光斑的中心，獲得圖像坐標。
[0043]步驟2:將跟蹤儀機械轉軸、檢測裝置旋轉一周，在均勻的8個位置采集8幅圖像，分別提取每幅圖像中光斑中心的圖像坐標。
[0044]步驟3:將步驟2獲得的8個圖像坐標擬合為平面圓，即為激光光斑的軌跡圓，獲得該圓的半徑為k個像素。由于(XD的像元大小為4 μ m，則該圓的半徑為(4Xk)ym。
[0045]步驟4:由公式(1)即可獲得激光跟蹤儀機械轉軸與激光光束的夾角α為:
[0046]a = (4Xk) μ m/200mm k/50000rad
[0047]通過上述對本發明技術方案的具體描述可知，為了實現光軸與旋轉軸夾角的高精度測量，本發明采用了長焦距的透鏡構成望遠系統及高分辨率光電探測器；為了保證激光光斑在光電探測器件上的成像質量，采用了特殊的光學系統設計和裝調方式；為了保證激光光斑在光電探測器件上的成像質量和保護光電探測器，光路設計時也采取了相應的保護措施。由此，本發明可對激光跟蹤儀的光軸與機械轉軸間的夾角進行高精度檢測，測量結果可用于激光跟蹤儀光軸調整和誤差修正，可提高激光跟蹤儀的角度測量誤差精度，且結構簡單，便于制造和使用。
[0048]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，包括: 套筒(09)，是一個中空的圓筒，一端設置有能與激光跟蹤儀可拆卸的連接的套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口(04)，另一端設置有能與光電探測器可拆卸的連接的套筒與光電探測器接口(10)； 聚焦透鏡(01)，安裝在套筒(09)靠近所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口(04)的一端，用于將所述激光跟蹤儀發射的激光匯聚到所述光電探測器(11)的靶面上；以及 光電探測器(11)，用于探測所述激光跟蹤儀發射的激光光斑的大小。
2.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其中所述套筒(09)由剛性材料制成，其長度取決于所述聚焦透鏡(01)的焦距。
3.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其中所述聚焦透鏡(01)為平凸、雙凸或雙膠合結構的聚焦透鏡，其焦距在200?500mm范圍之間。
4.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其中在所述套筒(09)的中心光路上還安裝有衰減片(08)，用來降低激光光束在所述光電探測器(11)上形成光斑的能量大小。
5.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其中在套筒(09)的中心光路上還安裝有濾光片(05)，用來過濾所要調節的激光光束以外的雜散光，避免其它光干擾檢測結果。
6.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其中所述光電探測器(11)為(XD、CMOS、PSD或四象限探測器等面陣探測器。
7.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置，其中所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口(04)為一個圓形凹形槽，在凹形槽的背部均勻圓周分布了三個沉頭孔(02)，采用軸孔配合定位和螺紋固定的方式連接安裝到激光跟蹤儀機械轉軸系上。
8.一種使用如權利要求1至7任意一項所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置對激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角進行檢測的方法，包括下列步驟: 步驟1:將所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測裝置安裝到激光跟蹤儀的機械轉軸系上； 步驟2:通過計算機采集所述激光跟蹤儀發射的激光在光電探測器(11)上形成的光斑圖像，提取圖像中光斑的中心，獲得圖像坐標； 步驟3:將所述激光跟蹤儀機械轉軸、檢測裝置旋轉一周，在均勻的N個位置采集N幅圖像，分別提取每幅圖像中光斑中心的圖像坐標，其中N為自然數； 步驟4:將步驟3中獲得的N個圖像坐標擬合為平面圓，即為激光光斑的軌跡圓，獲得該圓的半徑為k個像素； 步驟5:計算獲得激光跟蹤儀機械轉軸與激光光束的夾角α為:
α = (4 Xk) μ m/200mm k/50000rad。
9.如權利要求8所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測方法，其中步驟I中所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口(04)與所述激光跟蹤儀機械轉軸系行過盈配合，保證裝置中心軸與機械轉軸同軸。
10.如權利要求8所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸夾角的檢測方法，其中N= 8。
【文檔編號】G01B11/26GK104296694SQ201410508229
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月28日 優先權日:2014年9月28日
【發明者】勞達寶, 周維虎, 紀榮祎, 張滋黎, 袁江, 劉鑫, 崔成君 申請人:中國科學院光電研究院