激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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(jìn)行高精度檢測，測量的結(jié)果可用于激光跟蹤儀光軸調(diào)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(shè)計簡潔、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、成本低廉、便于攜帶等特點(diǎn)。
【專利說明】激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儀器測量和校準(zhǔn)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[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(biāo)測量儀器，可對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行實(shí)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(diǎn)，是大尺寸工業(yè)測量和科學(xué)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(biāo)點(diǎn)上安置一個反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光束經(jīng)目標(biāo)反射器反射后，平行于原路返回，當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時，返回的光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)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(yùn)動的點(diǎn)，同時確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。
[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(jī)械轉(zhuǎn)軸之間的同軸度要求，然而在現(xiàn)有的光學(xué)儀器設(shè)備當(dāng)中，通常是依靠加工安裝精度來保證光軸和機(jī)械轉(zhuǎn)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(diào)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(shí)現(xiàn)直接測量，導(dǎo)致跟蹤儀的光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸間的平移量也較難直接精確測量，從而無法實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)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(jìn)行光軸和機(jī)械轉(zhuǎn)軸間的一致性檢測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置和方法，用于檢測光軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的偏移結(jié)果，也可以用于機(jī)械裝調(diào)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(shí)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(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置，包括:
[0006]套筒12，是中空的圓筒，一端設(shè)置有能夠與激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)軸可拆卸的連接的套筒與激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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?。灰约?br> [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(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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(xiàng)所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸夾角的檢測裝置安裝到激光跟S示僅的機(jī)械轉(zhuǎn)軸系上；
[0018]步驟2:將跟蹤儀的機(jī)械轉(zhuǎn)軸和檢測裝置旋轉(zhuǎn)一周，通過計算機(jī)在均勻的N個位置采集出射激光束經(jīng)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(biāo)，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(biāo)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(zhuǎn)軸與激光光束的平移量d。
[0020]所述激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相同的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置，按照步驟1-3再次進(jìn)行檢測。
[0022]其中，所述得到旋轉(zhuǎn)軸與激光光束的平移量d的步驟進(jìn)一步包括:設(shè)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(zhuǎn)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(jīng)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(shù)方案可知，本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)軸間的平移量放大，從而可對平移量進(jìn)行高精度檢測，測量的結(jié)果可以用于激光跟蹤儀光軸調(diào)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(shè)計簡潔、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、成本低廉、便于攜帶等特點(diǎn)。

【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(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖2a、2b是本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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(biāo)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(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)軸；22_光軸；23_激光光束截面；24_光學(xué)透鏡；25_光電探測器；31-激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)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(shí)施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0034]本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置的具體結(jié)構(gòu)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(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械旋轉(zhuǎn)軸接口 07—端設(shè)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(nèi)，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(nèi)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(jié)構(gòu)與第一鏡片卡槽04類似，其內(nèi)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(qiáng)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(shè)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(jī)械轉(zhuǎn)軸的套筒與激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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(nèi)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(jìn)入成像系統(tǒng)而影響檢測結(jié)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?xí)p壞探測器。衰減片的使用能夠較大的提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
[0035]基于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)軸21上安裝光學(xué)透鏡24和光電探測器25，光學(xué)透鏡24的光軸22與機(jī)械轉(zhuǎn)軸21同軸。如圖2a所示，當(dāng)光軸22與機(jī)械轉(zhuǎn)軸21同軸時，繞著軸線旋轉(zhuǎn)光學(xué)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(dāng)光軸22與機(jī)械轉(zhuǎn)軸21存在一定的偏移量d時,繞著軸線旋轉(zhuǎn)光學(xué)透鏡24,激光光斑在光電探測器上的軌跡為圓形。當(dāng)水平旋轉(zhuǎn)跟蹤轉(zhuǎn)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(shí)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(jī)械轉(zhuǎn)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(xué)透鏡24的距離，v為光學(xué)透鏡24到光電探測器
(25)距離。
[0038]又因?yàn)?br> [0039]1/f = l/v+1/u (2)
[0040]其中，f為光學(xué)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(xué)顯微系統(tǒng)相結(jié)合，在成像系統(tǒng)35前方設(shè)計顯微系統(tǒng)34,放大光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸的平移量。如圖3所不，當(dāng)光軸32與機(jī)械轉(zhuǎn)軸31存在一定的偏移d時，經(jīng)過顯微系統(tǒng)34，將偏移量d放大為屯，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行成像，同時旋轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)軸31的實(shí)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(jī)械轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸進(jìn)行過盈配合，保證裝置中心軸與旋轉(zhuǎn)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(jī)，通過計算機(jī)采集旋轉(zhuǎn)軸中出射激光束經(jīng)過顯微系統(tǒng)后在(XD靶面上形成的圖像，通過質(zhì)心法圖像處理提取圖像中光斑的中心，獲得圖像坐標(biāo)。將跟蹤儀的機(jī)械轉(zhuǎn)軸、檢測裝置旋轉(zhuǎn)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(biāo)。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(biāo)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(shè)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(zhuǎn)軸與激光光束的平移量。
[0052]步驟4:為了檢驗(yàn)測量結(jié)果，避免激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸存在夾角影響平移檢測結(jié)果，采用透鏡物距、套筒長度不同，其他結(jié)構(gòu)相同的裝置再按步驟1-3再次進(jìn)行檢測，若結(jié)果一致，則檢測結(jié)果可信。
[0053]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置，包括: 套筒(12)，是中空的圓筒，一端設(shè)置有能夠與激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)軸可拆卸的連接的套筒與激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)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??；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(quán)利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(quán)利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(quán)利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(quán)利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(quán)利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(quán)利要求1所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置，其中所述套筒與激光跟蹤儀機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)軸系上。
8.一種激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測方法，包括下列步驟: 步驟1:將如權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸夾角的檢測裝置安裝到激光跟蹤儀的機(jī)械轉(zhuǎn)軸系上； 步驟2:將跟蹤儀的機(jī)械轉(zhuǎn)軸和檢測裝置旋轉(zhuǎn)一周，通過計算機(jī)在均勻的N個位置采集出射激光束經(jīng)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(biāo)，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(biāo)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(zhuǎn)軸與激光光束的平移量d。
9.如權(quán)利要求8所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相同的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測裝置，按照步驟1-3再次進(jìn)行檢測。
10.如權(quán)利要求8所述的激光跟蹤儀光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸平移量的檢測方法，其中所述得到旋轉(zhuǎn)軸與激光光束的平移量d的步驟進(jìn)一步包括:設(shè)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(zhuǎn)軸與激光光束的平移量d:
d = d^k = fx/k (v-f) 其中，Cl1為經(jīng)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(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】勞達(dá)寶, 周維虎, 紀(jì)榮祎, 張滋黎, 袁江, 劉鑫, 崔成君 申請人:中國科學(xué)院光電研究院