一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，包括半導(dǎo)體激光器、照明分劃板、分光鏡、準(zhǔn)直物鏡組、測量分劃板、CCD成像物鏡和CCD。其中CCD采用像素?cái)?shù)達(dá)到400萬來提供高清晰的圖像測量，精度可以滿足要求。準(zhǔn)直物鏡視場不小于8.5°，口徑不小于90mm。反射鏡反射回來的光束通過準(zhǔn)直物鏡和分光鏡后，反射成像到毛玻璃上。再利用CCD對毛玻璃上的光斑二次成像進(jìn)行測量。為了系統(tǒng)標(biāo)定的方便，毛玻璃分劃板上刻制固定間距的兩對線，為了測量和觀察毛玻璃上的刻線，周圍采用白光LED光源照亮。本發(fā)明分劃板采用毛玻璃可以避免自準(zhǔn)直儀中斜光束無法進(jìn)入CCD，同時(shí)消除了系統(tǒng)干涉衍射條紋的影響，系統(tǒng)誤差小。
【專利說明】一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密測試計(jì)量儀器領(lǐng)域，具體涉及一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀。

【背景技術(shù)】
[0002]自準(zhǔn)直儀是角度測量應(yīng)用最廣、最多的儀器之一。傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀存在人工讀數(shù)和跟蹤零位誤差的缺點(diǎn)，光電自準(zhǔn)直儀具有精度高、自動讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，成為自準(zhǔn)直儀發(fā)展的主流。光電自準(zhǔn)直儀的基本原理就是將反射鏡的角度變化轉(zhuǎn)個換為探測器上像的線量變化來進(jìn)行測量，光電自準(zhǔn)直儀的發(fā)展趨勢是要求同時(shí)滿足大量程、高分辨力以及動態(tài)測量。目前光電自準(zhǔn)直儀大多采用位置敏感探測器PSD、四象限探測器、線陣CCD以及面陣CCD等。由于探測器光敏面的尺寸及像元尺寸的限制，目前的光電自準(zhǔn)直儀不能同時(shí)滿足測量范圍大、測量精度高和動態(tài)測量的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0005]—種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，包括半導(dǎo)體激光器，其特征在于，還包括與半導(dǎo)體激光器出射方向呈45度角的分光鏡，半導(dǎo)體激光器出射的光束穿過照明分劃板上開設(shè)的十字刻線后依次經(jīng)過分光鏡和準(zhǔn)直物鏡組射出，外部光束穿過準(zhǔn)直物鏡組后經(jīng)過分光鏡反射到帶有刻度的測量分劃板上，并通過CXD成像物鏡成像在CXD上。
[0006]如上所述的準(zhǔn)直物鏡組包括鏡筒和依次設(shè)置在鏡筒內(nèi)的平凸透鏡、雙膠合凹透鏡和雙凸形透鏡。
[0007]如上所述的平凸透鏡、雙膠合凹透鏡和雙凸形透鏡均為BK7玻璃，且通過第一修切隔圈調(diào)整平凸透鏡的出射面頂點(diǎn)與雙膠合凹透鏡入射面頂點(diǎn)之間的距離L2 =57.3±0.05mm，通過第二修切隔圈調(diào)整雙膠合凹透鏡出射面頂點(diǎn)與雙凸形透鏡入射面頂點(diǎn)之間的距離L3 = 34.6±0.05mm，雙凸形透鏡出射面頂點(diǎn)與半導(dǎo)體激光器之間的距離LI =165±0.05mm。
[0008]如上所述的照明分劃板的中心刻線為寬為0.1臟，長為5mm的十字刻線，所述的分光鏡為50%的半透半反鏡，口徑為φ 107.28，入射角度45度。
[0009]如上所述的測量分劃板為毛玻璃。
[0010]如上所述的測量分劃板周圍均勻分布有LED。
[0011]基于二次成像原理的大視場高精度光電自準(zhǔn)直儀主要包含半導(dǎo)體激光器、分束器(半透半反鏡)、準(zhǔn)直物鏡、針孔光闌、分劃板、兩維成像位置傳感器、CCD成像物鏡。其中兩維成像位置傳感器采用像素?cái)?shù)達(dá)到400萬(2452X2056)的CXD來提供高清晰的圖像測量，精度可以滿足要求。準(zhǔn)直物鏡視場不小于8.5°，口徑不小于90_，利用多片大口徑透鏡組成前鏡組，充分考慮各種像差。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在傳統(tǒng)放置探測器的位置放置大面積的毛玻璃分劃板，反射鏡反射回來的光束通過準(zhǔn)直物鏡和分束鏡后，反射成像到毛玻璃上。再利用高精度面陣CCD對毛玻璃上的光斑二次成像進(jìn)行測量。分劃板采用毛玻璃可以避免自準(zhǔn)直儀中斜光束無法進(jìn)入CCD，同時(shí)消除了系統(tǒng)干涉衍射條紋的影響。為了系統(tǒng)標(biāo)定的方便，毛玻璃上刻制固定間距的兩對線，垂直方向一對，水平方向一對。由于毛玻璃分劃板封裝在光電自準(zhǔn)直儀光管中，為了測量和觀察毛玻璃上的刻線，周圍采用白光LED光源照亮測量分劃板。采用上述結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)測量范圍不小于±8.5°，系統(tǒng)測量精度±0.4'。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明原理示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明白光LED光源照亮測量分劃板。
[0015]圖3為本發(fā)明照明分劃板形狀構(gòu)造圖。
[0016]圖4為本發(fā)明的準(zhǔn)直物鏡組的剖視圖。
圖5為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:1-半導(dǎo)體激光器；2_照明分劃板；3_分光鏡；4_準(zhǔn)直物鏡組；5_外部反射鏡；6_測量分劃板；7-LED ;8-C⑶成像物鏡；9-(XD (高清晰度(XD400萬像素)；10-光欄組；11-第一修邊隔圈；12_第二修邊隔圈；13_壓圈；14_平凸透鏡；15-雙膠合凹透鏡；16-雙凸形透鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0019]如圖1所示，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括半導(dǎo)體激光器1、照明分劃板2、分光鏡3、準(zhǔn)直物鏡組4、測量分劃板6、白光LED7、(XD成像物鏡8、(XD9 (高清晰度(XD400萬像素)、光欄組10。由半導(dǎo)體激光器I發(fā)射出來的激光經(jīng)照明分劃板2的暗底亮線十字刻線出射細(xì)光束激光，透過分光鏡3經(jīng)由準(zhǔn)直物鏡組4入射到外部反射鏡5上，外部反射鏡5反射回來的光束通過準(zhǔn)直物鏡組4和分光鏡3后，反射成像到測量分劃板6上。當(dāng)外部反射鏡5發(fā)生傾斜時(shí)，從外部反射鏡5反射回來的光束發(fā)生偏移，其在測量分劃板6上的反射像點(diǎn)發(fā)生位移，通過其后的CXD成像物鏡8成像在高清晰度(XD9上，最后通過測量像點(diǎn)的位移可計(jì)算得出外部反射鏡5的傾斜角度。鏡筒上開有直線槽，CCD成像物鏡8和高清晰度的CCD9固定在移動座上，移動座可以沿直線槽直線移動從而調(diào)節(jié)CCD9和測量分劃板6之間的距離。由于毛玻璃制成的測量分劃板6封裝在光電自準(zhǔn)直儀光管中，為了測量和觀察毛玻璃上的刻線，周圍采用白光LED7照亮測量分劃板。
[0020]照明分劃板2通光口徑為φ 5，照明分劃板2放置于準(zhǔn)直物鏡組4 (準(zhǔn)直物鏡組的焦距指的是第二主點(diǎn)到象方焦點(diǎn)的距離，平行于系統(tǒng)主軸的平行光束，經(jīng)系統(tǒng)折射后與主軸的交點(diǎn)為象方焦點(diǎn))在分光鏡3透射方向的焦面上，中心刻線寬為0.1mm，長為5mm的十字刻線，暗底亮線，如圖3所示。分光鏡3為50%的半透半反鏡，口徑為φ 107.28，入射角度 45。。
[0021]如圖4所示，準(zhǔn)直物鏡組口徑為φ 90，焦距為364.9mm，包括平凸透鏡14、雙膠合凹透鏡15、雙凸形透鏡16，通過修切隔圈11來保證L2 = 57.3±0.05mm，通過修切隔圈12來保證L3 = 34.6±0.05mm,并通過壓圈13來固定。平凸透鏡14、雙膠合凹透鏡15、雙凸形透鏡16均采用BK7玻璃。
[0022]測量分劃板6通光口徑為Φ 110mm，刻線采用間距為80mm的兩對線，垂直方向一對，水平方向一對，且關(guān)于分劃板中心對稱，用于定標(biāo)校正，保證光軸通過分劃板中心，刻線寬度為0.1mm。測量分劃板采用BK7制作的毛玻璃，粒度#600。測量分劃板6周圍均勻分布LED7，由8個白光LED組成，LED7外套有絕緣墊，并通過膠粘于鏡筒上。
[0023]如圖5所示，分光鏡3通過四個調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)整其安裝角度和位置；通過調(diào)整準(zhǔn)直物鏡組鏡筒的連接螺紋，來保證圖5中LI尺寸為165±0.05mm，并通過兩個止螺來鎖緊；首先將分光鏡3按45°方位放置，然后修切隔圈調(diào)節(jié)照明分劃板2和測量分劃板6方位分別與分光鏡3成45°，調(diào)節(jié)好后通過兩個止螺和壓圈鎖緊。
[0024]為了達(dá)到系統(tǒng)測量精度±0.4'，降低系統(tǒng)畸變要求，系統(tǒng)采用精確定標(biāo)的方法，即利用高精度轉(zhuǎn)臺或高精度經(jīng)緯儀在±8°范圍內(nèi)標(biāo)定CCD像面上實(shí)際所對應(yīng)的角度。
[0025]步驟1:將本大視場高精度光電自準(zhǔn)直儀放置于調(diào)整平臺之上，通過水準(zhǔn)儀將調(diào)整平臺調(diào)至水平，調(diào)節(jié)高精度轉(zhuǎn)臺至水平，然后調(diào)節(jié)高精度轉(zhuǎn)臺上平面鏡與高精度轉(zhuǎn)臺臺面垂直，將本裝置準(zhǔn)直物鏡組4正對高精度轉(zhuǎn)臺上平面鏡。
[0026]步驟2:打開裝置電源，控制高精度轉(zhuǎn)臺按0.5°間隔轉(zhuǎn)動，在俯仰方向上下轉(zhuǎn)動8.5°，在水平方向左右轉(zhuǎn)動8.5°，激光器照明的照明分劃板2的十字刻線在測量分劃板6上成像，CCD9采集對十字刻線像。
[0027]步驟3:對十字刻線圖像進(jìn)行預(yù)處理，抑制噪聲，再進(jìn)行閾值切割，分離背景圖像和目標(biāo)圖像，利用Canny算子提取目標(biāo)輪廓，采用灰度重心法計(jì)算刻線中心位置。
[0028]步驟4:采用高斯二次曲線擬合的方法亞像素細(xì)分技術(shù)，計(jì)算刻線中心亞像素位置，計(jì)算出偏移的像素距離。
[0029]步驟5:將俯仰方向和水平方向每次轉(zhuǎn)動后的偏移像素距離與轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行線性擬合，獲取擬合關(guān)系式。實(shí)際測量中，計(jì)算出十字刻線偏移像素距離后，代入該擬合關(guān)系式即可獲得實(shí)際測量角度。
[0030]本系統(tǒng)采用精確定標(biāo)，光電讀數(shù)的方法，準(zhǔn)直系統(tǒng)瞄準(zhǔn)誤差主要是定標(biāo)時(shí)像面上讀數(shù)誤差和測量時(shí)像面上讀數(shù)誤差。其他誤差定標(biāo)和測量時(shí)都可以抵消，可以不用考慮。實(shí)際誤差來源包括高精度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動誤差、定標(biāo)時(shí)像面上讀數(shù)誤差和測量時(shí)像面上讀數(shù)誤差，反射鏡平行度誤差。
[0031]我們采用高精度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動誤差5"，即0.08'，整個系統(tǒng)的測量分辨率為0.1'，所以定標(biāo)時(shí)像面上讀數(shù)誤差為0.1'，測量時(shí)像面上讀數(shù)誤差為0.1'，因此系統(tǒng)總精度為
[0032]

【權(quán)利要求】
1.一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，包括半導(dǎo)體激光器(1)，其特征在于，還包括與半導(dǎo)體激光器(I)出射方向呈45度角的分光鏡(3)，半導(dǎo)體激光器(I)出射的光束穿過照明分劃板(2)上開設(shè)的十字刻線后依次經(jīng)過分光鏡(3)和準(zhǔn)直物鏡組(4)射出，外部光束穿過準(zhǔn)直物鏡組(4)后經(jīng)過分光鏡(3)反射到帶有刻度的測量分劃板(6)上，并通過CCD成像物鏡(8)成像在CXD (9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述的準(zhǔn)直物鏡組(4)包括鏡筒和依次設(shè)置在鏡筒內(nèi)的平凸透鏡(14)、雙膠合凹透鏡(15)和雙凸形透鏡(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述的平凸透鏡(14)、雙膠合凹透鏡(15)和雙凸形透鏡(16)均為BK7玻璃，且通過第一修切隔圈(11)調(diào)整平凸透鏡(14)的出射面頂點(diǎn)與雙膠合凹透鏡(15)入射面頂點(diǎn)之間的距離L2 =57.3±0.05mm，通過第二修切隔圈(12)調(diào)整雙膠合凹透鏡(15)出射面頂點(diǎn)與雙凸形透鏡(16)入射面頂點(diǎn)之間的距離L3 = 34.6±0.05mm，雙凸形透鏡(16)出射面頂點(diǎn)與半導(dǎo)體激光器(I)之間的距離LI = 165±0.05mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述的照明分劃板⑵的中心刻線為寬為0.1mm，長為5mm的十字刻線，所述的分光鏡(3)為50%的半透半反鏡，口徑為9 107.28，入射角度45度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述的測量分劃板(6)為毛玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種二次成像大視場光電自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述的測量分劃板(6)周圍均勻分布有LED (7)。
【文檔編號】G01B11/26GK104075671SQ201410326760
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】譚佐軍, 謝靜, 康競?cè)? 申請人:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)