CN102072710B - 角度光学测量装置及角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了角度光学测量装置及角度测量方法，该角度光学测量装置包括沿角度光学测量装置光轴设置的两个光源、分光棱镜、半透半反射镜、光电探测器、图像处理器、安装了粗糙样板的被测对象和第一透镜；所述两个光源发射出的光束均通过分光棱镜，由分光棱镜合束产生相干光；所述分光棱镜、半透半反射镜和被测对象依次排列；所述分光棱镜产生的相干光透过半透半反射镜，并入射到安装在被测对象上的粗糙样板的表面上形成散射；所述散射光经半透半反射镜反射后改变传播方向通过第一透镜，经第一透镜聚焦的散射光由处在第一透镜焦平面上的光电探测器采集，所述光电探测器将采集的多色散斑场光强分布图像送至图像处理器进行图像处理。

Description

角度光学测量装置及角度测量方法

技术领域

本发明涉及角度的光学测量，尤其涉及一种角度光学测量装置及角度测量方法。

背景技术

在光学测试和光电测试中，经常涉及到被测对象或探测器运动量测量的问题。由于机械台本身固有误差及环境因素影响，被测对象或探测器的实际运动量除了位置运动和振动外还包括偏摆和俯仰等角度变化，在高精测量中，这些角度变化带来的误差不容忽略，因此，角度的精确测量对保证测试结果的准确性起非常重要的作用。

一种小角度测量方法是激光干涉测量法，其利用测量光束和参考光束的干涉现象，即将角度的变化转换成两束光的光程差变化，从而引起干涉条纹移动，通过测量干涉条纹的移动量，来实现对角度的高精度测量。激光干涉测量法能提供较高的测量精度，但是测量装置结构比较复杂。

另一种小角度测量方法是电子水平仪法，其主要原理有电感式和电容式两种。电感式原理：当水平仪的基座因待测工件倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化；电容式原理：一圆形摆锤自由悬挂在细在线，摆锤受地心重力所影响，且悬浮于无摩擦状况，摆锤的两边均设有电极且间隙相同时电容量是相等，若水平仪受待测工件所影响而造成，两间隙不同距离改变即产生电容不同，形成角度的差异。电子水平仪法的缺点是测量***结构比较复杂，操作和调试要求很高，易受环境因素影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种角度光学测量装置及角度测量方法，测量装置结构简单，操作简易、稳定性好。

为了达到上述的目的，本发明提供一种角度光学测量装置，其包括沿角度光学测量装置的光轴设置的两个光源、分光棱镜、半透半反射镜、光电探测器、图像处理器、安装了粗糙样板的被测对象和第一透镜；所述两个光源发射出的光束均通过分光棱镜，由分光棱镜合束产生相干光；所述分光棱镜、半透半反射镜和被测对象依次排列；所述分光棱镜产生的相干光透过半透半反射镜，并入射到安装在被测对象上的粗糙样板的表面上形成散射光；所述散射光经半透半反射镜反射后改变传播方向通过第一透镜，经第一透镜聚焦的散射光由处在第一透镜焦平面上的光电探测器采集，所述光电探测器将采集的多色散斑场光强分布图像送至图像处理器进行图像处理。

上述角度光学测量装置，其中，还包括沿角度光学测量装置的光轴依次设置在分光棱镜与半透半反射镜之间的第一光阑、显微物镜、针孔、第二透镜和第二光阑；所述两个光源发射出的光束通过分光棱镜产生相干光后，该相干光依次通过第一光阑、显微物镜、针孔、第二透镜、第二光阑和半透半反射镜，直至入射到粗糙样板的表面上形成散射光。

上述角度光学测量装置，其中，所述两个光源均为半导体准直激光器。

上述角度光学测量装置，其中，所述两个半导体准直激光器发射出的光束互成90°。

上述角度光学测量装置，其中，所述光电探测器为电荷耦合器件相机或CMOS传感器。

本发明的另一技术方案是提供一种使用上述角度光学测量装置测量角度的方法，其包括以下步骤：步骤1，利用多色散斑场光强分布图像的二阶统计特性确定多色散斑场的中心位置，具体包括：步骤1.1，将光电探测器采集到的多色散斑场光强分布图像分成N×N个子区域；步骤1.2，衡量单个子区域内散斑整体朝向，采用参量R衡量单个子区域内散斑整体朝向，R＝D1/D2，其中，D1为子区域内散斑横向统计尺寸，D2为子区域内散斑纵向统计尺寸D2；步骤1.3，根据R相对于各子区域中心位置的变化，拟合每一行纵横比曲线，由该纵横比曲线最大值对应位置得出每一行散斑场中心的横向坐标，N行得到N个横向坐标，对所述N个横向坐标取平均值作为整个散斑场中心的横向坐标，对各列进行相同处理得到整个散斑场中心的纵向坐标；步骤2，根据前后多色散斑场的中心位置的位移及几何光学原理计算角度改变量。

上述测量角度的方法，其中，所述步骤1.1中N×N个子区域为大小相同的方形子区域，相邻子区域的横向间距和纵向间距分别相等。

上述测量角度的方法，其中，所述步骤1.2中计算各子区域散斑大小纵横比R的方法是空间平均自相关法，该方法先以不同间距计算选定区域内光强自相关函数，一维归一化光强自相关函数的离散形式如下：

${\mathrm{\γ}}_s(i_{\mathrm{\α}},\mathrm{\Δi})=\frac{\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}\left(i\right)*I_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi})}{{(\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}\left(i\right)*I_{\mathrm{ac}}\left(i\right)\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi})*I_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi}))}^{1/2}}$

其中，γ_s为自相关系数，i_α为所选子区域的起始列像素位置，Δi为两自相关像素间距，I_ac为光强值的交流变量，w为子区域宽度；Δi为0时，自相关系数达到最大，随着Δi增大，自相关系数逐渐减小；将两者对应关系进行高斯拟合，所得高斯函数宽度即为散斑统计尺寸；将所选子区域不同行所得散斑统计尺寸进行平均则得到横向平均尺寸D1，纵向平均尺寸D2按相同方法获得，至此，所选子区域的散斑大小纵横比确定。

上述测量角度的方法，其中，所述步骤2具体为：假设光电探测器采集到的前后两幅多色散斑场光强分布图像的中心位置从P₁点移到P₂点，P₁点的坐标为P₁(x₁，y₁)，P₂点的坐标为P₂(x₂，y₂)，则根据横向位移Δx，即Δx＝x₂-x₁来计算散射光经半透半反射镜反射后反射光的x向的角度改变量Δθ_x，根据纵向位移Δy，即Δy＝y₂-y₁来计算散射光经半透半反射镜反射后反射光的y向的角度改变量Δθy，在小角度偏转下，角度改变量的值等于该角度改变量的正切值，即Δθ_x和Δθy分别为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_x=\frac{\mathrm{\Δx}}{f},$

${\mathrm{\Δ\θ}}_y=\frac{\mathrm{\Δy}}{f},$

其中f是第一透镜的焦距，这里得到是散射光经半透半反射镜反射后反射光的角度改变量，根据光线反射定律可知对应被测对象角度改变量为反射光角度改变量的一半，即被测对象x向角度改变量为 $\frac{1}{2}{\mathrm{\Δ\θ}}_x=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δx}}{f},$ 被测对象y向角度改变量为 $\frac{1}{2}{\mathrm{\Δ\θ}}_y=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δy}}{f}.$

上述测量角度的方法，其中，所述光电探测器为电荷耦合器件相机或CMOS传感器。

本发明角度光学测量装置及角度测量方法结合多色散斑场光强分布图像的二阶统计特性和数字图像处理方法，能测量二维小角度变化，测量精度高；角度光学测量装置结构简单，操作简易，稳定性好，分辨率高，可用于实际工业加工过程中的在线测量。

附图说明

本发明的角度光学测量装置及角度测量方法由以下的实施例及附图给出。

图1是本发明角度光学测量装置实施例一的结构示意图；

图2是本发明角度光学测量装置实施例二的结构示意图；

图3是典型的多色散斑场光强分布图像；

图4a～图4d分别是图3中a、b、c和d四个方形区域内散斑的形状的示意图；

图5是本发明角度测量方法中确定多色散斑场中心的位置时子区域划分方法的示意图；

图6a～图6c是本发明角度测量方法中多色散斑场中心的定位过程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的角度光学测量装置及角度测量方法作进一步的详细描述。

参见图1，角度光学测量装置包括沿角度光学测量装置的光轴设置的两个光源11和12、分光棱镜13、半透半反射镜14、光电探测器15、图像处理器16、安装了粗糙样板的被测对象(图1只显示出安装在该被测对象上的粗糙样板17)和第一透镜18；

所述两个光源11和12用于产生相干光，该两个光源11和12发射出的光束相互成一定角度；所述两个光源11和12发射出的光束均通过分光棱镜13，由分光棱镜13合束产生相干光；

所述分光棱镜13、半透半反射镜14和被测对象依次排列；所述分光棱镜13产生的相干光透过半透半反射镜14，并入射到粗糙样板17的表面上形成散射光；

所述散射光经半透半反射镜14反射后改变传播方向通过第一透镜18，经第一透镜18聚焦的散射光由处在第一透镜18焦平面上的光电探测器15采集(所述光电探测器15采集的是多色散斑场光强分布)，所述光电探测器15将采集的多色散斑场光强分布图像送至图像处理器16存盘，由所述图像处理器16进行图像处理。

本实施例中，所述两个光源11和12均选用半导体准直激光器，两个半导体准直激光器发射出的激光束相互垂直，即成90°夹角。

本实施例中，所述光电探测器15可采用电荷耦合器件(Charge CoupledDevice，CCD)相机，也可采用CMOS传感器。

通过半透半反射镜14的相干光垂直入射到粗糙样板17的表面时，假设此时被测对象偏转角度为零，在这种情形下，所述光电探测器15采集的多色散斑场的中心(经粗糙样板17表面反射的散射光的主反射轴与光电探测器15交点即为多色散斑场的中心)在第一透镜18的主轴上；当被测对象偏转角度不为零时，所述光电探测器15采集的多色散斑场的中心将偏离第一透镜18的主轴，因此，多色散斑场中心位置的变化反应出被测对象偏转角度的变化，只要计算出偏转前后多色散斑场中心位置的改变量就可以计算出被测对象偏转角度的改变量。

为了提高测量的精度，在所述分光棱镜13与半透半反射镜14之间可以沿角度光学测量装置的光轴依次设置第一光阑21、显微物镜22、针孔23、第二透镜24和第二光阑25，如图2所示，所述两个光源11和12发射出的光束通过分光棱镜13产生相干光后，该相干光依次通过第一光阑21、显微物镜22、针孔23、第二透镜24、第二光阑25和半透半反射镜14，直至入射到粗糙样板17的表面上形成散射光，所述散射光经半透半反射镜14反射后改变传播方向通过第一透镜18，经第一透镜18聚焦的散射光由处在第一透镜18焦平面上的光电探测器15采集，所述光电探测器15将采集的多色散斑场光强分布图像送至图像处理器16进行图像处理。

所述第一光阑21和第二光阑25的作用是在调试该装置过程中确定光路方向，所述显微物镜22、针孔23和第二透镜24的组合的作用是改善光斑形状，提高光斑亮度均匀性。

本实施例中，所述显微物镜22选用放大倍数为10倍的显微物镜。

本发明的角度光学测量装置结构简单、操作简易，稳定性好，可用于实际工业加工过程中的在线测量。

图3所示为一典型的多色散斑场光强分布图像，多色散斑场是两种波长的散斑场光强的叠加，在多色散斑场的中心，两种波长的散斑场重合，在远离中心的位置上，两种散斑场沿径向错位重叠，造成斑粒呈一定的延长状。从多色散斑场分布规律看，不同区域具有不同特征。如图4a～图4d所示，多色散斑场的a、b、c和d四个方形区域内散斑的形状(统计平均)互不相同：a区覆盖多色散斑场的中心，其斑粒统计形状接近圆形；b、c、d三个区域斑粒统计形状都呈椭圆状，而且三个椭圆的长轴方向按一定规律改变，且延长线相交于散斑场中心。基于这种规律，可以采用不同区域散斑斑粒的朝向来决定多色散斑场的中心的位置。

使用上述角度光学测量装置测量角度的方法包括以下步骤：

步骤1，利用多色散斑场光强分布图像的二阶统计特性确定多色散斑场中心的位置，其具体包括：

步骤1.1，将光电探测器15采集到的多色散斑场光强分布图像分成N×N个子区域，如图5所示；

所述N×N子区域为大小相同的方形子区域，相邻子区域的横向间距和纵向间距分别相等，N×N子区域尽量均匀覆盖整个多色散斑场光强分布图像；为保证计算精确度，所述子区域的边长大于等于整个散斑场内散斑平均尺寸的5倍，如，每个子区域单边包括5至10个散斑为宜；

步骤1.2，衡量单个子区域内散斑整体朝向；

这里引进一个参量R来衡量一个方形区域内散斑的分布规律，R＝D1/D2定义为散斑大小纵横比，所述参量R是子区域内散斑横向统计尺寸D1与纵向统计尺寸D2的比值(如图4a～图4d所示)，该参量R在一定程度上反映了该子区域内散斑的倾斜程度，R值越小，倾斜越大；

计算散斑统计尺寸最常用的方法是空间平均自相关法，这种方法先以不同间距计算选定区域内光强自相关函数，一维归一化光强自相关函数的离散形式如下：

${\mathrm{\γ}}_s(i_{\mathrm{\α}},\mathrm{\Δi})=\frac{\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}\left(i\right)*I_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi})}{{(\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}\left(i\right)*I_{\mathrm{ac}}\left(i\right)\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi})*I_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi}))}^{1/2}}$

其中，γ_s为自相关系数，i_α为所选子区域的起始列像素位置，Δi为两自相关像素间距，I_ac为光强值的交流变量，w为子区域宽度；Δi为0时，自相关系数达到最大，随着Δi增大，自相关系数逐渐减小；将两者对应关系进行高斯拟合，所得高斯函数宽度即为散斑统计尺寸；将所选子区域不同行所得散斑统计尺寸进行平均则得到横向平均尺寸D1，纵向平均尺寸D2也可按相同方法获得，至此，所选子区域散斑大小纵横比也已确定；

步骤1.3，根据R相对于各子区域中心位置的变化，拟合每一行纵横比曲线，由该纵横比曲线最大值对应位置得出每一行散斑场中心的横向坐标，N行得到N个横向坐标，对所述N个横向坐标取平均值作为整个散斑场中心的横向坐标，对各列进行相同处理得到整个散斑场中心的纵向坐标；

如图6a所示，选取图5中第1列的6个子区域，图6b所示为图6a中6个子区域对应的斑粒统计形状，根据R相对于各子区域中心位置的变化，拟合该列纵横比曲线，该纵横比曲线最大值对应位置为该列散斑场中心的纵向坐标(如图6c)，N列得到N个纵向坐标，对所述N个纵向坐标取平均值作为整个散斑场中心的纵向坐标，；

步骤2，利用几何光学原理计算角度改变量；

假设光电探测器15采集到的前后两幅多色散斑场光强分布图像的中心位置从P₁点移到P₂点，P₁点的坐标为P₁(x₁，y₁)，P₂点的坐标为P₂(x₂，y₂)，则根据横向位移Δx，即Δx＝x₂-x₁来计算散射光经半透半反射镜反射后反射光的x向的角度改变量Δθ_x，根据纵向位移Δy，即Δy＝y₂-y₁来计算散射光经半透半反射镜反射后反射光的y向的角度改变量Δθy，在小角度偏转下(即Δθ＜0.1°)，角度改变量的值等于该角度改变量的正切值(即tanΔθ≈Δθ)，即Δθ_x和Δθy分别为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_x=\frac{\mathrm{\Δx}}{f},$

${\mathrm{\Δ\θ}}_y=\frac{\mathrm{\Δy}}{f}$

其中f是第一透镜18的焦距，根据光线反射定律可知对应被测对象角度改变量为反射光角度改变量的一半，即被测对象x向角度改变量为 $\frac{1}{2}{\mathrm{\Δ\θ}}_x=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δx}}{f},$ 被测对象y向角度改变量为 $\frac{1}{2}{\mathrm{\Δ\θ}}_y=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δy}}{f}.$

可见，本发明角度光学测量装置能同时测量二维小角度变化，测量精度高。

本实验装置测试精度取决于散斑场中心定位算法精度，实验发现，在650nm和670nm激光照射下，被测对像表面粗糙度Ra在1um～0.8um时，中心定位重复性精度可控制在15um以内；若第一透镜的焦距f选为f＝400mm，其角度分辨率可达25urad，根据所选第一透镜的焦距不同，角分辨率可以调节。

本发明测量角度的方法在确定散斑场的中心位置时利用多色散斑场光强分布图像的二阶统计特性，算法精度高，分辨率高。

Claims (10)

1.一种角度光学测量装置，其特征在于，其包括沿角度光学测量装置的光轴设置的两个光源、分光棱镜、半透半反射镜、光电探测器、图像处理器、安装了粗糙样板的被测对象和第一透镜；

所述两个光源发射出的光束均通过分光棱镜，由分光棱镜合束产生相干光；

所述分光棱镜、半透半反射镜和被测对象依次排列；所述分光棱镜产生的相干光透过半透半反射镜，并入射到安装在被测对象上的粗糙样板的表面上形成散射光；

所述散射光经半透半反射镜反射后改变传播方向通过第一透镜，经第一透镜聚焦的散射光由处在第一透镜焦平面上的光电探测器采集，所述光电探测器将采集的多色散斑场光强分布图像送至图像处理器进行图像处理。

2.如权利要求1所述的角度光学测量装置，其特征在于，还包括沿角度光学测量装置的光轴依次设置在分光棱镜与半透半反射镜之间的第一光阑、显微物镜、针孔、第二透镜和第二光阑；

所述两个光源发射出的光束通过分光棱镜产生相干光后，该相干光依次通过第一光阑、显微物镜、针孔、第二透镜、第二光阑和半透半反射镜，直至入射到粗糙样板的表面上形成散射光。

3.如权利要求1或2所述的角度光学测量装置，其特征在于，所述两个光源均为半导体准直激光器。

4.如权利要求3所述的角度光学测量装置，其特征在于，所述两个半导体准直激光器发射出的光束互成90°。

5.如权利要求1或2或4中任一项所述的角度光学测量装置，其特征在于，所述光电探测器为电荷耦合器件相机或CMOS传感器。

6.一种使用权利要求1所述的角度光学测量装置测量角度的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1，利用多色散斑场光强分布图像的二阶统计特性确定多色散斑场的中心位置，具体包括：

步骤1.1，将光电探测器采集到的多色散斑场光强分布图像分成N×N个子区域；

步骤1.2，衡量单个子区域内散斑整体朝向，

采用参量R衡量单个子区域内散斑整体朝向，R＝D1/D2，其中，D1为子区域内散斑横向统计尺寸，D2为子区域内散斑纵向统计尺寸；

步骤1.3，根据R相对于各子区域中心位置的变化，拟合每一行纵横比曲线，由该纵横比曲线最大值对应位置得出每一行散斑场中心的横向坐标，N行得到N个横向坐标，对所述N个横向坐标取平均值作为整个散斑场中心的横向坐标，对各列进行相同处理得到整个散斑场中心的纵向坐标；

步骤2，根据步骤1测得的前后两次多色散斑场的中心位置的位移及几何光学原理计算角度改变量。

7.如权利要求6所述的测量角度的方法，其特征在于，所述步骤1.1中N×N个子区域为大小相同的方形子区域，相邻子区域的横向间距和纵向间距分别相等。

8.如权利要求7所述的测量角度的方法，其特征在于，所述步骤1.2中计算各子区域散斑大小纵横比R的方法是空间平均自相关法，该方法先以不同间距计算选定区域内光强自相关函数，一维归一化光强自相关函数的离散形式如下：

${\mathrm{\γ}}_s(i_{\mathrm{\α}},\mathrm{\Δi})=\frac{\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}\left(i\right)*I_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi})}{{(\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}\left(i\right)*I_{\mathrm{ac}}\left(i\right)\underset{i=i_{\mathrm{\α}}}{\overset{i_{\mathrm{\α}}+w-\mathrm{\Δi}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi})*I_{\mathrm{ac}}(i+\mathrm{\Δi}))}^{1/2}}$

其中，γ_s为自相关系数，i_α为所选子区域的起始列像素位置，Δi为两自相关像素间距，I_ac为光强值的交流变量，w为子区域宽度；Δi为0时，自相关系数达到最大，随着Δi增大，自相关系数逐渐减小；将两者对应关系进行高斯拟合，所得高斯函数宽度即为散斑统计尺寸；将所选子区域不同行所得散斑统计尺寸进行平均则得到横向平均尺寸D1，纵向平均尺寸D2按相同方法获得，至此，所选子区域的散斑大小纵横比确定。

9.如权利要求6所述的测量角度的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：假设光电探测器采集到的前后两幅多色散斑场光强分布图像的中心位置从P₁点移到P₂点，P₁点的坐标为P₁(x₁，y₁)，P₂点的坐标为P₂(x₂，y₂)，则根据横向位移Δx，即Δx＝x₂-x₁来计算散射光经半透半反射镜反射后反射光的x向的角度改变量Δθ_x，根据纵向位移Δy，即Δy＝y₂-y₁来计算散射光经半透半反射镜反射后反射光的y向的角度改变量Δθy，在小角度偏转下，角度改变量的值等于该角度改变量的正切值，即Δθ_x和Δθy分别为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_x=\frac{\mathrm{\Δx}}{f},$

${\mathrm{\Δ\θ}}_y=\frac{\mathrm{\Δy}}{f},$

其中f是第一透镜的焦距，这里得到是散射光经半透半反射镜反射后反射光的角度改变量，根据光线反射定律可知对应被测对象角度改变量为反射光角度改变量的一半，即被测对象x向角度改变量为

被测对象y向角度改变量为

10.如权利要求6至9任一项所述的测量角度的方法，其特征在于，所述光电探测器为电荷耦合器件相机或CMOS传感器。

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