激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置和方法
【專利摘要】一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，包括套筒(12)、顯微系統(tǒng)(01)、光電探測器(17)以及成像系統(tǒng)(19)，其中所述顯微系統(tǒng)(01)可以與成像系統(tǒng)(19)配合將所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光相對于光軸的偏移量放大。以及一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法。本發(fā)明的檢測裝置和方法可對平移量進行高精度檢測，測量的結果可用于激光跟蹤儀光軸調整和誤差修正，也可用于提高激光跟蹤儀的角度測量誤差精度。本發(fā)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】激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)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平移量的檢測裝置和方法。

【背景技術】
[0002]激光跟蹤儀是國際上近十年發(fā)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(yōu)點，是大尺寸工業(yè)測量和科學測量的主要手段。激光跟蹤測量系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的所要解決的問題是靜態(tài)或動態(tài)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。
[0003]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(xiàn)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(jié)，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(xiàn)直接測量，導致跟蹤儀的光軸與機械轉軸間的平移量也較難直接精確測量，從而無法實現(xiàn)精確的調節(jié)。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(fā)明內容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置和方法，用于檢測光軸與旋轉軸之間的偏移結果，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。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，包括:
[0006]套筒12，是中空的圓筒，一端設置有能夠與激光跟蹤儀機械轉軸可拆卸的連接的套筒與激光跟蹤儀機械轉軸的接口 07，另一端可拆卸地與光電探測器17連接；
[0007]顯微系統(tǒng)01，安裝在套筒12靠近所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 07的一端，用于與成像系統(tǒng)19配合將所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光相對于光軸的偏移量放大；
[0008]光電探測器17，用于探測所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光光斑的大小；以及
[0009]成像系統(tǒng)19，安裝在套筒12靠近所述光電探測器17的一端，用于將所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光匯聚到所述光電探測器17的靶面上。
[0010]其中，所述套筒12由剛性材料制成，其長度取決于所述成像系統(tǒng)19的焦距。
[0011]其中所述成像系統(tǒng)19包括成像透鏡16，焦距小于500mm。
[0012]其中，所述顯微系統(tǒng)01和成像系統(tǒng)19均包括衰減片09、14，用來降低激光光束在所述光電探測器17上形成的光斑的能量大小。
[0013]其中，所述顯微系統(tǒng)包括第一顯微透鏡11和第二顯微透鏡08。
[0014]其中，所述光電探測器17為CXD或CMOS探測器。
[0015]其中，所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口 07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(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法，包括下列步驟:
[0017]步驟1:將如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安裝到激光跟S示僅的機械轉軸系上；
[0018]步驟2:將跟蹤儀的機械轉軸和檢測裝置旋轉一周，通過計算機在均勻的N個位置采集出射激光束經過顯微系統(tǒng)后在CXD靶面上形成的N幅圖像，提取圖像中光斑的中心坐標，其中N為正整數(shù)；
[0019]步驟3:將步驟2獲得的N個圖像中心坐標擬合為平面圓，求得所述平面圓的半徑為P個像素，由此得到旋轉軸與激光光束的平移量d。
[0020]所述激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法還包括:
[0021]步驟4:采用透鏡物距、套筒長度不同、而其他結構相同的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，按照步驟1-3再次進行檢測。
[0022]其中，所述得到旋轉軸與激光光束的平移量d的步驟進一步包括:設CCD的像元大小為ay m,則所述平面圓的半徑為
[0023]X= (a Xp) μ m
[0024]由此根據(jù)下式獲得旋轉軸與激光光束的平移量d:
[0025]d = d/k = fx/k (v-f)
[0026]其中，Cl1為經過顯微系統(tǒng)01放大后的偏移量，k為顯微系統(tǒng)01的放大倍數(shù)，V為成像透鏡16到光電探測器17距離，f為成像透鏡16的焦距。
[0027]基于上述技術方案可知，本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置和方法通過顯微系統(tǒng)對激光跟蹤儀光軸與機械轉軸間的平移量放大，從而可對平移量進行高精度檢測，測量的結果可以用于激光跟蹤儀光軸調整和誤差修正，也可以用于提高激光跟蹤儀的角度測量誤差精度。本發(fā)明的裝置將所有零部件集成到套筒中，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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的檢測激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置的結構圖；
[0029]圖2a、2b是本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法的基本原理圖，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d的情形；
[0030]圖3是基于顯微和成像系統(tǒng)的平移檢測原理圖。
[0031]附圖標記說明:
[0032]01-顯微系統(tǒng)；02_沉頭孔；03_顯微系統(tǒng)的安裝槽；04_第一鏡片卡槽；05_第二鏡片卡槽；06_第一壓圈；07_套筒與激光跟蹤儀機械轉軸的接口 ；08_第二顯微透鏡；09_第一衰減片；10-第一塑料墊圈；11_第一顯微透鏡；12_套筒；13_第二壓圈；14_第二衰減片；15-第二塑料墊圈；16-成像透鏡；17-光電探測器；18-第三鏡片卡槽；19-成像系統(tǒng)；21-激光跟蹤儀機械轉軸；22_光軸；23_激光光束截面；24_光學透鏡；25_光電探測器；31-激光跟蹤儀機械轉軸；32光軸；33_激光光束截面；34_顯微系統(tǒng)；35_成像系統(tǒng)；36_光電探測器。

【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0034]本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置的具體結構如圖1所示，其中包括:顯微系統(tǒng)01、沉頭孔02、套筒與激光跟蹤儀機械轉軸的接口 07、套筒12、光電探測器17和成像系統(tǒng)19。顯微系統(tǒng)01又包括:顯微系統(tǒng)的安裝槽03、第一鏡片卡槽04、第二鏡片卡槽05、第一壓圈06、第二顯微透鏡08、第一衰減片09、第一塑料墊圈10和第一顯微透鏡11。成像系統(tǒng)19又包括:第二壓圈13、第二衰減片14、第二塑料墊圈15和成像透鏡16。顯微系統(tǒng)主要由兩片透鏡組成，在靠近連接跟蹤儀的機械旋轉軸接口 07—端設計圓柱形顯微系統(tǒng)的安裝槽03把第一顯微透鏡11安裝到顯微系統(tǒng)的安裝槽03內，由第一鏡片卡槽04通過外螺紋的形式壓緊第一顯微透鏡11，第一顯微透鏡11與第一鏡片卡槽04之間采用第一塑料墊圈10相隔。在第一鏡片卡槽04內部安裝了第一衰減片09，第一衰減片09通過第二鏡片卡槽05采用外螺紋的形式壓緊。第二鏡片卡槽05結構與第一鏡片卡槽04類似，其內部安裝了第二顯微透鏡08，再由第一壓圈06通過外螺紋的形式壓緊。第一顯微透鏡11的焦距為第二顯微透鏡08的k倍，表征了顯微系統(tǒng)的放大倍數(shù)。第一鏡片卡槽04和第二鏡片卡槽05采用金屬或剛性較強的塑料制成。套筒12的左端接口用于安裝成像系統(tǒng)19，采用外螺紋的形式與第三鏡片卡槽18連接。套筒12右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的套筒與激光跟蹤儀機械轉軸的接口 07，可采用軸孔配合定位和螺紋固定的方式與激光跟蹤儀機械轉軸連接。套筒12由剛性材料，例如金屬或工程塑料制成，其長度主要取決于成像系統(tǒng)19的焦距。光電探測器17可以是CXD或CMOS傳感器，傳感器的像素大小和像元尺寸大小影響檢測系統(tǒng)的分辨率。像素越大和像元尺寸越小，則系統(tǒng)檢測分辨率越高，可根據(jù)檢測精度要求和成本選擇分辨率和像元尺寸。成像系統(tǒng)19的成像透鏡16，具焦距的選擇會直接影響到物距，由于檢測裝置不能過長，通常選擇物距在500mm以內的透鏡。濾光片主要用于去除激光光束以外的雜散光，避免其它光進入成像系統(tǒng)而影響檢測結果。衰減片主要用于降低激光的能量，避免造成光電探測器過于飽和，使得光斑尺寸過大，不利于光斑圖像中心的提取，甚至會損壞探測器。衰減片的使用能夠較大的提高系統(tǒng)的成像質量。
[0035]基于上述結構，本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法的基本原理圖如圖2所示。在激光跟蹤儀機械轉軸21上安裝光學透鏡24和光電探測器25，光學透鏡24的光軸22與機械轉軸21同軸。如圖2a所示，當光軸22與機械轉軸21同軸時，繞著軸線旋轉光學透鏡，激光光斑在光電探測器上的位置不變化。如圖2b所示，當光軸22與機械轉軸21存在一定的偏移量d時,繞著軸線旋轉光學透鏡24,激光光斑在光電探測器上的軌跡為圓形。當水平旋轉跟蹤轉臺時，光斑的軌跡在探測器上形成半徑為X的軌跡圓。通過實時提取光斑在探測器上的軌跡，獲得光斑軌跡圓的半徑，則根據(jù)透鏡的成像原理，可計算出光軸22與機械轉軸21的偏移量d為:
[0036]d = xu/v (1)
[0037]其中，u為所探測激光光斑到光學透鏡24的距離，v為光學透鏡24到光電探測器
(25)距離。
[0038]又因為
[0039]1/f = l/v+1/u (2)
[0040]其中，f為光學透鏡24的焦距。
[0041]聯(lián)立式⑴和(2)，可得:
[0042]d = xu/v = fx/ (v-f)(3)
[0043]由公式可見，該檢測方法的分辨率主要取決于光電探測器25的分辨率。
[0044]為了提高檢測分辨率，本發(fā)明與光學顯微系統(tǒng)相結合，在成像系統(tǒng)35前方設計顯微系統(tǒng)34,放大光軸與機械轉軸的平移量。如圖3所不，當光軸32與機械轉軸31存在一定的偏移d時，經過顯微系統(tǒng)34，將偏移量d放大為屯，在此基礎上，再進行成像，同時旋轉成像系統(tǒng)35和顯微系統(tǒng)34，記錄此時的軌跡圓，計算圓半徑X。屯可通過公式(3)計算求出。令顯微系統(tǒng)34的放大倍數(shù)為k，則光軸32與機械轉軸31的實際平移量d由屯除以顯微系統(tǒng)34的放大倍數(shù)求得。
[0045]d = d/k = fx/k(v-f)(4)
[0046]本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸和機械轉軸的平移量的檢測方法，其具體工作步驟如下:
[0047]步驟1:按照上述安裝方式將裝置安裝完成后，通過套筒右端的接口與旋轉軸進行過盈配合，保證裝置中心軸與旋轉軸同軸，再由三個固定螺紋與軸固定連接。
[0048]步驟2:打開成像系統(tǒng)，連接至計算機，通過計算機采集旋轉軸中出射激光束經過顯微系統(tǒng)后在(XD靶面上形成的圖像，通過質心法圖像處理提取圖像中光斑的中心，獲得圖像坐標。將跟蹤儀的機械轉軸、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越大，效果越好，例如可以選取N = 8、12、16......。
[0049]步驟3:將步驟2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P個像素。設CCD的像元大小為ay m，則該圓的半徑為
[0050]X = (aXp) μ m
[0051]由公式(4)即可獲得旋轉軸與激光光束的平移量。
[0052]步驟4:為了檢驗測量結果，避免激光跟蹤儀光軸與機械轉軸存在夾角影響平移檢測結果，采用透鏡物距、套筒長度不同，其他結構相同的裝置再按步驟1-3再次進行檢測，若結果一致，則檢測結果可信。
[0053]以上所述的具體實施例，對本發(fā)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(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)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(fā)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平移量的檢測裝置，包括: 套筒(12)，是中空的圓筒，一端設置有能夠與激光跟蹤儀機械轉軸可拆卸的連接的套筒與激光跟蹤儀機械轉軸的接口(07)，另一端可拆卸地與光電探測器(17)連接； 顯微系統(tǒng)(01)，安裝在套筒(12)靠近所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口(07)的一端，用于與成像系統(tǒng)(19)配合將所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光相對于光軸的偏移量放大； 光電探測器(17)，用于探測所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光光斑的大小；以及 成像系統(tǒng)(19)，安裝在套筒(12)靠近所述光電探測器(17)的一端，用于將所述激光跟蹤儀發(fā)射的激光匯聚到所述光電探測器(17)的靶面上。
2.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，其中所述套筒(12)由剛性材料制成，其長度取決于所述成像系統(tǒng)(19)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平移量的檢測裝置，其中所述成像系統(tǒng)(19)包括成像透鏡(16)，焦距小于500mm。
4.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，其中所述顯微系統(tǒng)(01)和成像系統(tǒng)(19)均包括衰減片(09、14)，用來降低激光光束在所述光電探測器(17)上形成的光斑的能量大小。
5.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，其中所述顯微系統(tǒng)包括第一顯微透鏡(11)和第二顯微透鏡(08)。
6.如權利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，其中所述光電探測器(17)為CCD或CMOS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平移量的檢測裝置，其中所述套筒與激光跟蹤儀機械轉軸接口(07)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。
8.一種激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法，包括下列步驟: 步驟1:將如權利要求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安裝到激光跟蹤儀的機械轉軸系上； 步驟2:將跟蹤儀的機械轉軸和檢測裝置旋轉一周，通過計算機在均勻的N個位置采集出射激光束經過顯微系統(tǒng)后在CXD靶面上形成的N幅圖像，提取圖像中光斑的中心坐標，其中N為正整數(shù)； 步驟3:將步驟2獲得的N個圖像中心坐標擬合為平面圓，求得所述平面圓的半徑為P個像素，由此得到旋轉軸與激光光束的平移量d。
9.如權利要求8所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法，其中還包括: 步驟4:采用透鏡物距、套筒長度不同、而其他結構相同的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測裝置，按照步驟1-3再次進行檢測。
10.如權利要求8所述的激光跟蹤儀光軸與機械轉軸平移量的檢測方法，其中所述得到旋轉軸與激光光束的平移量d的步驟進一步包括:設CCD的像元大小為ay m，則所述平面圓的半徑為
X= (a Xp) μ m 由此根據(jù)下式獲得旋轉軸與激光光束的平移量d:
d = d^k = fx/k (v-f) 其中，Cl1為經過顯微系統(tǒng)(Ol)放大后的偏移量，k為顯微系統(tǒng)(01)的放大倍數(shù)，V為成像透鏡(16)到光電探測器(17)距離，f為成像透鏡(16)的焦距。
【文檔編號】G01B11/27GK104316002SQ201410531483
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權日:2014年10月10日
【發(fā)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