CN104316002A - 激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，包括套筒(12)、显微***(01)、光电探测器(17)以及成像***(19)，其中所述显微***(01)可以与成像***(19)配合将所述激光跟踪仪发射的激光相对于光轴的偏移量放大。以及一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法。本发明的检测装置和方法可对平移量进行高精度检测，测量的结果可用于激光跟踪仪光轴调整和误差修正，也可用于提高激光跟踪仪的角度测量误差精度。本发明的装置具有设计简洁、结构简单、测量精度高、成本低廉、便于携带等特点。
Description
技术领域
本发明涉及仪器测量和校准领域，尤其涉及一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置和方法。
背景技术
激光跟踪仪是国际上近十年发展起来的新型大尺寸空间三维坐标测量仪器，可对运动目标进行实时跟踪测量，具有安装操作简便、测量精度及效率高等优点，是大尺寸工业测量和科学测量的主要手段。激光跟踪测量***的基本工作原理是：首先在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光束经目标反射器反射后，平行于原路返回，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回的光束为检测***所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量***的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。
为了提高激光跟踪仪的测量和指向精度，首先要保证的是跟踪仪的光轴和机械转轴之间的同轴度要求，然而在现有的光学仪器设备当中，通常是依靠加工安装精度来保证光轴和机械转轴的同轴度，这种方式对加工和安装工艺要求较高；或者依靠人眼判断来调节，这种方式一般精度较低。由于跟踪仪的激光光束中心线难以实现直接测量，导致跟踪仪的光轴与机械转轴间的平移量也较难直接精确测量，从而无法实现精确的调节。因此迫切需要一种简单可行的方法来对激光跟踪仪进行光轴和机械转轴间的一致性检测。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置和方法，用于检测光轴与旋转轴之间的偏移结果，也可以用于机械装调和误差修正，以提高激光跟踪仪的测角精度和空间测量精度。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，包括：
套筒12，是中空的圆筒，一端设置有能够与激光跟踪仪机械转轴可拆卸的连接的套筒与激光跟踪仪机械转轴的接口07，另一端可拆卸地与光电探测器17连接；
显微***01，安装在套筒12靠近所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口07的一端，用于与成像***19配合将所述激光跟踪仪发射的激光相对于光轴的偏移量放大；
光电探测器17，用于探测所述激光跟踪仪发射的激光光斑的大小；以及
成像***19，安装在套筒12靠近所述光电探测器17的一端，用于将所述激光跟踪仪发射的激光汇聚到所述光电探测器17的靶面上。
其中，所述套筒12由刚性材料制成，其长度取决于所述成像***19的焦距。
其中所述成像***19包括成像透镜16，焦距小于500mm。
其中，所述显微***01和成像***19均包括衰减片09、14，用来降低激光光束在所述光电探测器17上形成的光斑的能量大小。
其中，所述显微***包括第一显微透镜11和第二显微透镜08。
其中，所述光电探测器17为CCD或CMOS探测器。
其中，所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口07为一个圆形凹形槽，在凹形槽的背部均匀圆周分布了三个沉头孔02，采用轴孔配合定位和螺纹固定的方式连接安装到激光跟踪仪机械转轴系上。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法，包括下列步骤：
步骤1：将如任意一项所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置安装到激光跟踪仪的机械转轴系上；
步骤2：将跟踪仪的机械转轴和检测装置旋转一周，通过计算机在均匀的N个位置采集出射激光束经过显微***后在CCD靶面上形成的N幅图像，提取图像中光斑的中心坐标，其中N为正整数；
步骤3：将步骤2获得的N个图像中心坐标拟合为平面圆，求得所述平面圆的半径为p个像素，由此得到旋转轴与激光光束的平移量d。
所述激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法还包括：
步骤4：采用透镜物距、套筒长度不同、而其他结构相同的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，按照步骤1-3再次进行检测。
其中，所述得到旋转轴与激光光束的平移量d的步骤进一步包括：设CCD的像元大小为aμm，则所述平面圆的半径为
x＝(a×p)μm
由此根据下式获得旋转轴与激光光束的平移量d：
d＝d1/k＝fx/k(v-f)
其中，d1为经过显微***01放大后的偏移量，k为显微***01的放大倍数，v为成像透镜16到光电探测器17距离，f为成像透镜16的焦距。
基于上述技术方案可知，本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置和方法通过显微***对激光跟踪仪光轴与机械转轴间的平移量放大，从而可对平移量进行高精度检测，测量的结果可以用于激光跟踪仪光轴调整和误差修正，也可以用于提高激光跟踪仪的角度测量误差精度。本发明的装置将所有零部件集成到套筒中，具有设计简洁、结构简单、测量精度高、成本低廉、便于携带等特点。
附图说明
图1是本发明的检测激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置的结构图；
图2a、2b是本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法的基本原理图，其中图2a表示激光光束22中心线与跟踪仪机械转轴21无夹角时的情形，图2b表示聚焦到光电探测器24光敏面上的光斑位置距中心存在偏移量d的情形；
图3是基于显微和成像***的平移检测原理图。
附图标记说明：
01-显微***；02-沉头孔；03-显微***的安装槽；04-第一镜片卡槽；05-第二镜片卡槽；06-第一压圈；07-套筒与激光跟踪仪机械转轴的接口；08-第二显微透镜；09-第一衰减片；10-第一塑料垫圈；11-第一显微透镜；12-套筒；13-第二压圈；14-第二衰减片；15-第二塑料垫圈；16-成像透镜；17-光电探测器；18-第三镜片卡槽；19-成像***；21-激光跟踪仪机械转轴；22-光轴；23-激光光束截面；24-光学透镜；25-光电探测器；31-激光跟踪仪机械转轴；32光轴；33-激光光束截面；34-显微***；35-成像***；36-光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置的具体结构如图1所示，其中包括：显微***01、沉头孔02、套筒与激光跟踪仪机械转轴的接口07、套筒12、光电探测器17和成像***19。显微***01又包括：显微***的安装槽03、第一镜片卡槽04、第二镜片卡槽05、第一压圈06、第二显微透镜08、第一衰减片09、第一塑料垫圈10和第一显微透镜11。成像***19又包括：第二压圈13、第二衰减片14、第二塑料垫圈15和成像透镜16。显微***主要由两片透镜组成，在靠近连接跟踪仪的机械旋转轴接口07一端设计圆柱形显微***的安装槽03把第一显微透镜11安装到显微***的安装槽03内，由第一镜片卡槽04通过外螺纹的形式压紧第一显微透镜11，第一显微透镜11与第一镜片卡槽04之间采用第一塑料垫圈10相隔。在第一镜片卡槽04内部安装了第一衰减片09，第一衰减片09通过第二镜片卡槽05采用外螺纹的形式压紧。第二镜片卡槽05结构与第一镜片卡槽04类似，其内部安装了第二显微透镜08，再由第一压圈06通过外螺纹的形式压紧。第一显微透镜11的焦距为第二显微透镜08的k倍，表征了显微***的放大倍数。第一镜片卡槽04和第二镜片卡槽05采用金属或刚性较强的塑料制成。套筒12的左端接口用于安装成像***19，采用外螺纹的形式与第三镜片卡槽18连接。套筒12右端设计成一个圆形凹形槽，然后在其凹形槽的背部均匀圆周分布了三个沉头孔02，作为安装到激光跟踪仪机械转轴的套筒与激光跟踪仪机械转轴的接口07，可采用轴孔配合定位和螺纹固定的方式与激光跟踪仪机械转轴连接。套筒12由刚性材料，例如金属或工程塑料制成，其长度主要取决于成像***19的焦距。光电探测器17可以是CCD或CMOS传感器，传感器的像素大小和像元尺寸大小影响检测***的分辨率。像素越大和像元尺寸越小，则***检测分辨率越高，可根据检测精度要求和成本选择分辨率和像元尺寸。成像***19的成像透镜16，具焦距的选择会直接影响到物距，由于检测装置不能过长，通常选择物距在500mm以内的透镜。滤光片主要用于去除激光光束以外的杂散光，避免其它光进入成像***而影响检测结果。衰减片主要用于降低激光的能量，避免造成光电探测器过于饱和，使得光斑尺寸过大，不利于光斑图像中心的提取，甚至会损坏探测器。衰减片的使用能够较大的提高***的成像质量。
基于上述结构，本发明的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法的基本原理图如图2所示。在激光跟踪仪机械转轴21上安装光学透镜24和光电探测器25，光学透镜24的光轴22与机械转轴21同轴。如图2a所示，当光轴22与机械转轴21同轴时，绕着轴线旋转光学透镜，激光光斑在光电探测器上的位置不变化。如图2b所示，当光轴22与机械转轴21存在一定的偏移量d时，绕着轴线旋转光学透镜24，激光光斑在光电探测器上的轨迹为圆形。当水平旋转跟踪转台时，光斑的轨迹在探测器上形成半径为x的轨迹圆。通过实时提取光斑在探测器上的轨迹，获得光斑轨迹圆的半径，则根据透镜的成像原理，可计算出光轴22与机械转轴21的偏移量d为：
d＝xu/v (1)
其中，u为所探测激光光斑到光学透镜24的距离，v为光学透镜24到光电探测器(25)距离。
又因为
1/f＝1/v+1/u (2)
其中，f为光学透镜24的焦距。
联立式(1)和(2)，可得：
d＝xu/v＝fx/(v-f) (3)
由公式可见，该检测方法的分辨率主要取决于光电探测器25的分辨率。
为了提高检测分辨率，本发明与光学显微***相结合，在成像***35前方设计显微***34，放大光轴与机械转轴的平移量。如图3所示，当光轴32与机械转轴31存在一定的偏移d时，经过显微***34，将偏移量d放大为d1，在此基础上，再进行成像，同时旋转成像***35和显微***34，记录此时的轨迹圆，计算圆半径x。d1可通过公式(3)计算求出。令显微***34的放大倍数为k，则光轴32与机械转轴31的实际平移量d由d1除以显微***34的放大倍数求得。
d＝d1/k＝fx/k(v-f) (4)
本发明的激光跟踪仪光轴和机械转轴的平移量的检测方法，其具体工作步骤如下：
步骤1：按照上述安装方式将装置安装完成后，通过套筒右端的接口与旋转轴进行过盈配合，保证装置中心轴与旋转轴同轴，再由三个固定螺纹与轴固定连接。
步骤2：打开成像***，连接至计算机，通过计算机采集旋转轴中出射激光束经过显微***后在CCD靶面上形成的图像，通过质心法图像处理提取图像中光斑的中心，获得图像坐标。将跟踪仪的机械转轴、检测装置旋转一周，在均匀的N个位置采集N幅图像，分别提取每幅图像中光斑中心的图像坐标。其中N越大，效果越好，例如可以选取N＝8、12、16……。
步骤3：将步骤2获得的N个图像坐标拟合为平面圆，即为激光光斑的轨迹圆，获得该圆的半径为p个像素。设CCD的像元大小为aμm，则该圆的半径为
x＝(a×p)μm
由公式(4)即可获得旋转轴与激光光束的平移量。
步骤4：为了检验测量结果，避免激光跟踪仪光轴与机械转轴存在夹角影响平移检测结果，采用透镜物距、套筒长度不同，其他结构相同的装置再按步骤1-3再次进行检测，若结果一致，则检测结果可信。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，包括：
套筒(12)，是中空的圆筒，一端设置有能够与激光跟踪仪机械转轴可拆卸的连接的套筒与激光跟踪仪机械转轴的接口(07)，另一端可拆卸地与光电探测器(17)连接；
显微***(01)，安装在套筒(12)靠近所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口(07)的一端，用于与成像***(19)配合将所述激光跟踪仪发射的激光相对于光轴的偏移量放大；
光电探测器(17)，用于探测所述激光跟踪仪发射的激光光斑的大小；以及
成像***(19)，安装在套筒(12)靠近所述光电探测器(17)的一端，用于将所述激光跟踪仪发射的激光汇聚到所述光电探测器(17)的靶面上。
2.如权利要求1所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，其中所述套筒(12)由刚性材料制成，其长度取决于所述成像***(19)的焦距。
3.如权利要求1所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，其中所述成像***(19)包括成像透镜(16)，焦距小于500mm。
4.如权利要求1所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，其中所述显微***(01)和成像***(19)均包括衰减片(09、14)，用来降低激光光束在所述光电探测器(17)上形成的光斑的能量大小。
5.如权利要求1所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，其中所述显微***包括第一显微透镜(11)和第二显微透镜(08)。
6.如权利要求1所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，其中所述光电探测器(17)为CCD或CMOS探测器。
7.如权利要求1所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，其中所述套筒与激光跟踪仪机械转轴接口(07)为一个圆形凹形槽，在凹形槽的背部均匀圆周分布了三个沉头孔(02)，采用轴孔配合定位和螺纹固定的方式连接安装到激光跟踪仪机械转轴系上。
8.一种激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法，包括下列步骤：
步骤1：将如权利要求1至7任意一项所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴夹角的检测装置安装到激光跟踪仪的机械转轴系上；
步骤2：将跟踪仪的机械转轴和检测装置旋转一周，通过计算机在均匀的N个位置采集出射激光束经过显微***后在CCD靶面上形成的N幅图像，提取图像中光斑的中心坐标，其中N为正整数；
步骤3：将步骤2获得的N个图像中心坐标拟合为平面圆，求得所述平面圆的半径为p个像素，由此得到旋转轴与激光光束的平移量d。
9.如权利要求8所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法，其中还包括：
步骤4：采用透镜物距、套筒长度不同、而其他结构相同的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测装置，按照步骤1-3再次进行检测。
10.如权利要求8所述的激光跟踪仪光轴与机械转轴平移量的检测方法，其中所述得到旋转轴与激光光束的平移量d的步骤进一步包括：设CCD的像元大小为aμm，则所述平面圆的半径为
x＝(a×p)μm
由此根据下式获得旋转轴与激光光束的平移量d：
d＝d1/k＝fx/k(v-f)
其中，d1为经过显微***(01)放大后的偏移量，k为显微***(01)的放大倍数，v为成像透镜(16)到光电探测器(17)距离，f为成像透镜(16)的焦距。
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