CN108317970A - 光线入射角度的测量***及方法 - Google Patents

光线入射角度的测量***及方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供的光线入射角度的测量***及方法，由预先规划安装参数的至少一组微透镜阵列、光学接收装置及计算装置组成光线入射角度测量***，通过测量***中的计算装置根据光学接收装置的安装参数及由光学接收装置测量到的待测光线经由微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息，计算出待测光线的入射角度以作为测量结果，也即可基于确定的信息计算得到待测光线的入射角度，以此可提高光线入射角度的测量精度。

Description

光线入射角度的测量***及方法
技术领域
本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种光线入射角度的测量***及方法。
背景技术
在光学测量领域，尤其是对于光线入射角度的测量，目前大多为采用光电自准直***来实现。其中，在光电自准直***中常用的光电接收器件，比如可包括CCD(Charge-coupled Device)电荷耦合元件、PSD(Positon Sensitive Detector)位置敏感器件、四象限光电探测器等，以根据光的自准直原理并结合光电接收器件获得的数据实现对光线入射角度的测量。但是，上述***测量数据单一，影响了测量精度，且还需要额外器件来进行校准。
另外，还存在采用微透镜阵列进行光学测量的方案，比如通过基于波前径向斜率测量原理的波前传感器(即Hartmann传感器)以用于波前检测。但是，在此方案中，利用微透镜阵列测量的是光学的物理特性，不适用于测量光线的入射角度。
发明内容
本发明提供了一种光线入射角度的测量***及方法，可提高光线入射角度的测量精度。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
一方面，提供一种光线入射角度的测量***，包括：光学接收装置、计算装置以及至少一组具有预置安装参数的微透镜阵列，
所述光学接收装置，用于获取待测光线经由所述至少一组微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息；
所述计算装置，用于根据所述预置安装参数及所述光斑信息计算得到待测光线的入射角度；
其中，所述安装参数包括微透镜阵列中相邻两微透镜中心之间的距离、微透镜阵列中各微透镜的焦距、微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
另一方面，提供一种光线入射角度的测量方法，所述方法基于上述测量***，包括：
通过光学接收装置获取待测光线经由所述至少一组具有预置安装参数的微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息；
通过计算装置根据所述预置安装参数及所述光斑信息计算得到待测光线的入射角度；
其中，所述安装参数包括微透镜阵列中相邻两微透镜中心之间的距离、微透镜阵列中各微透镜的焦距、微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
本发明提供的光线入射角度的测量***及方法，由预先规划安装参数的至少一组微透镜阵列、光学接收装置及计算装置组成光线入射角度测量***，通过测量***中的计算装置根据光学接收装置的安装参数及由光学接收装置测量到的待测光线经由微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息，计算出待测光线的入射角度以作为测量结果，也即可基于确定的信息(预先规划的安装参数、测量得到的光斑信息)计算得到待测光线的入射角度，以此可提高光线入射角度的测量精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中光线入射角度的测量***结构示意图；
图2为本发明实施例中光线入射角度的测量***场景示意图；
图3为本发明实施例中微透镜阵列结构示意图；
图4为本发明实施例中使用多个微透镜阵列的结构示意图；
图5-1及图5-2为本发明实施例中两种计算方式下的场景示意图；
图6为本发明实施例中光线入射角度的测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案。
在本实施例中，提供了一种光线入射角度的测量***及应用该测量***的测量方法，其技术原理在于，由预先规划安装参数的至少一组微透镜阵列、光学接收装置及计算装置组成光线入射角度测量***，通过测量***中的计算装置根据安装参数及由光学接收装置测量得到的待测光线经由微透镜阵列所形成的光斑信息，计算出待测光线的入射角度以作为测量结果，也就是说，可基于确定的信息(预先规划的安装参数、测量得到的光斑信息)计算得到待测光线的入射角度，以实现提高该测量***对光线入射角度的测量精度。
实施例一
如图1所示，其为本发明实施例一的光线入射角度的测量***结构示意图，测量***中包括：光学接收装置11、计算装置12以及至少一组具有预置安装参数的微透镜阵列13。如图2所示，在本实施例中，比如可设置两组微透镜阵列13，该两组微透镜阵列13可成预定角度设置，其中：
光学接收装置11，可用于获取待测光线经由该至少一组微透镜阵列13在光学接收器件11上所形成的光斑信息，比如光斑的位置坐标、相邻两光斑之间的距离等。
在具体实现时，可根据***需要选用适合的光学接收装置11，比如采用CCD(Charge-coupled Device)电荷耦合元件、CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)互补金属氧化物半导体等，在本实施例中不对此做限定。
计算装置12，可用于根据微透镜阵列13的预置安装参数及光学接收装置11获取到的光斑信息计算得到待测光线的入射角度。
可根据实际需要对微透镜阵列的安装参数进行设置，在本实施例中，安装参数可包括微透镜阵列13中相邻两微透镜中心之间的距离、微透镜阵列13中各微透镜的焦距、微透镜阵列13中各微透镜与垂直于光学接收装置11接收面的平面之间的角度等。
在具体实现时，可设置微透镜阵列13中各微透镜是共面的，且各微透镜与垂直于光学接收装置11接收面的平面之间的角度是相同的，以使微透镜阵列13中各微透镜与光学接收装置11接收面的距离可呈现梯度变化。
可参看图3所示，为一个微透镜阵列中的一列，该列微透镜中包括如图3所示设置方式的四个微透镜131、132、133、134(透镜中心分别以O1、O2、O3、O4表示)，零位光轴垂直于光学接收装置11的接收面，与光学接收装置11的交点分别为A1、A2、A3、A4，待测光线以β角入射时，光斑位于光学接收装置11上的C1、C2、C3、C4点，四个微透镜131、132、133、134的透镜中心到光学接收装置11的接收面之间的距离分别为x1、x2、x3、x4，四个微透镜与垂直于光学接收装置11接收面的平面之间的角度均为α，其中，O2D1垂直于O1A1，垂足是D1，则：
x2＝x1-lcosα，x3＝x2-lcosα，...，xn＝xn-1-lcosα。
以计算x1与x2之间的关系为例，具体的计算方式可为如下：
在直角三角形O1D1O2中，∠O2O1D1＝α，O1O2＝l，可得O1D1＝lcosα；
在长方形O2D1A1A2中，D1A1＝O2A2,则O2A2＝O1A1-O1D1，即x2＝x1-lcosα。
同理可计算得出x3，...，xn，在此不赘述。
为了便于计算多个方位光线的入射角度，且在采用尽量少的微透镜阵列组数的同时保证测量效果，在具体实现时，参看图4，可将微透镜阵列13设置为四组，其中，两组间隔设置的微透镜阵列13的测量方向为水平方向(比如图中所示X方向)，另两组间隔设置的微透镜阵列13的测量方向为垂直方向(比如图中所示的Y方向)，以此，可从水平和垂直方向分别进行测量，以实现从多个方位进行测量，以提高测量结果的全面性。
在本实施例中，在采用多组微透镜阵列的情况下，还可设置各组微透镜阵列与光学接收装置之间的相对角度相同，该相对角度可为微透镜阵列中的各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度，比如，上述四组微透镜阵列与光学接收装置之间的相对角度都形同，也即，四组微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度都是一样的。
由于在微透镜阵列存在倾斜设置的情况下，其中一部分微透镜阵列的焦点位置可能位于光学接收装置的前方或者后方，这部分微透镜形成的光斑不是最清晰的，因此，在光学接收装置上可能存在有若干光斑的过大而造成光斑重叠的现象，进而导致无法获得光斑位置信息。在将光线入射角度设置为0度至10度的情况下，基于改变微透镜焦距、阵列中各微透镜中心之间的距离等参数进行大量实验后，可得到将上述相对角度设置为76度至84度，以保证入射光线在光学接收装置上形成的光斑不重叠，进而保证获得更准确且有效的光斑信息参与后续计算。
在本实施例中，可通过计算装置12根据预置安装参数及光斑信息计算得到待测光线的入射角度，由于考虑到多个微透镜阵列相对角度一致，且各微透镜阵列中各微透镜与光学接收装置接收面所成的角度也一致，因此，可以只针对其中一组微透镜阵列(比如包括两个微透镜)与光学接收装置即可，针对计算过程，可参看图5-1及图5-2所示。
两个微透镜131、132的中心分别位于O1和O2，零位光轴垂直于光学接收装置11的接收面，与光学接收装置11的交点分别为A1、A2，待测光线以β角入射时，光斑位于光学接收装置11上的C1、C2点。假设，微透镜的焦平面位于A2F处，与光学接收装置11相交于A2点(参看图5-1)，那么，在这种情况下，待测光线经由微透镜132在光学接收装置11上所形成的光斑A2是最清晰的，但在实际应用中，也存在微透镜的焦平面与光斑不相交的情况(参看图5-2)。
其中，微透镜的安装参数是可以预先设置的，比如微透镜阵列13中相邻两微透镜中心之间的距离l、微透镜阵列13中各微透镜的焦距f、微透镜阵列13中各微透镜与垂直于光学接收装置11接收面的平面之间的角度α，此外，还可通过光学接收装置11的测量结果获得待测光线经由各微透镜所形成的光斑之间的距离h，因此，可以通过计算装置12基于上述可以确定的信息通过数学关系式来计算待测光线的入射角度β。
可针对上述两种情况，采用不同的计算方式，如下：
参看图5-1，针对第一种情况，即微透镜的焦平面与光斑相交的情况，待测光线的入射角的计算方式如下：
(1)在直角三角形O2FA2中，∠O2A2F＝α，O2F＝f，可得则
(2)在直角三角形O2A2C2中，∠C2O2A2＝β,得则
(3)在直角三角形A2B1A1中，∠A2B1A1＝α，A2B1＝O2O1＝l， 则A2A1＝lsinα，A1B1＝lcosα。
则
(4)在直角三角形O1A1C1中，则则A2A1＝A2C1+C1A1＝h+lcosαtanβ。
参看图5-2，针对第二种情况，即微透镜的焦平面与光斑不相交的情况，其中，微透镜的焦平面位于FB1处，与光学接收装置相交于一点，O2F垂直于FB1，垂足是F。其中，O2D1垂直于O1A1，垂足是D1，待测光线的入射角的计算方式如下：
(1)在直角三角形O2O1D1中，可得O2D1＝lsinα，O1D1＝lcosα。四边形O2D1A1A2是长方形，则A1A2＝O2D1＝lsinα。
(3)在直角三角形A2O2C2中，可得则A2C1＝A1A2-A1C1＝lsinα-a。
上述计算过程，为基于确定的信息(预先规划的微透镜的安装参数、光学接收装置测量得到的光斑信息等)，通过确定的数学关系式来计算得到待测光线的入射角度，也即待测光线的入射角度是基于确定信息及确定的计算方式得到的，以此可提高光线入射角度的测量精度。
本实施例提供的光线入射角度的测量***，可由预先规划安装参数的至少一组微透镜阵列、光学接收装置及计算装置组成，通过测量***中的计算装置根据安装参数及由光学接收装置测量得到的待测光线经由微透镜阵列所形成的光斑信息，计算出待测光线的入射角度以作为测量结果，也就是说，可基于确定的信息(预先规划的安装参数、测量得到的光斑信息)计算得到待测光线的入射角度，以实现提高该测量***对光线入射角度的测量精度。
实施例二
如图6所示，其为本发明实施例二的光线入射角度的测量方法的流程示意图。
该方法基于实施例一中的测量***，包括如下步骤：
S610，通过光学接收装置获取待测光线经由所述至少一组具有预置安装参数的微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息。
其中，光学接收装置，可根据***需要，采用CCD(Charge-coupled Device)电荷耦合元件、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)互补金属氧化物半导体等。
S620，通过计算装置根据该预置安装参数及光斑信息计算得到待测光线的入射角度；
其中，安装参数可包括微透镜阵列中相邻两微透镜中心之间的距离、微透镜阵列中各微透镜的焦距、微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
具体实现时，可设置微透镜阵列中各微透镜是共面的，且各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度是相同的，以使微透镜阵列中各微透镜与光学接收装置接收面的距离可呈现梯度变化。
为了便于计算多个方位光线的入射角度，且在采用尽量少的微透镜阵列组数的同时保证测量效果，在具体实现时，可将微透镜阵列设置为四组，其中，两组间隔设置的微透镜阵列的测量方向为水平方向，另两组间隔设置的微透镜阵列的测量方向为垂直方向。
在实际应用中，在采用多组微透镜阵列的情况下，在本实施例中，在采用多组微透镜阵列的情况下，还可设置各组微透镜阵列与光学接收装置之间的相对角度相同，该相对角度可为微透镜阵列中的各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。在本实施例中，可将上述相对角度为76度至84度。
本实施例提供的光线入射角度的测量方法，为基于由预先规划安装参数的至少一组微透镜阵列、光学接收装置及计算装置组成的测量***，通过测量***中的计算装置根据安装参数及由光学接收装置测量得到的待测光线经由微透镜阵列所形成的光斑信息，计算出待测光线的入射角度以作为测量结果，也就是说，可基于确定的信息(预先规划的安装参数、测量得到的光斑信息)计算得到待测光线的入射角度，以实现提高该测量***对光线入射角度的测量精度。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或内容单元步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光线入射角度的测量***，其特征在于，包括：光学接收装置、计算装置以及至少一组具有预置安装参数的微透镜阵列，
所述光学接收装置，用于获取待测光线经由所述至少一组微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息；
所述计算装置，用于根据所述预置安装参数及所述光斑信息计算得到待测光线的入射角度；
其中，所述安装参数包括微透镜阵列中相邻两微透镜中心之间的距离、微透镜阵列中各微透镜的焦距、微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度相同。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述微透镜阵列为四组，其中，两组间隔设置的微透镜阵列的测量方向为水平方向，另两组间隔设置的微透镜阵列的测量方向为垂直方向。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，各组微透镜阵列与光学接收装置之间的相对角度相同，所述相对角度为微透镜阵列中的各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述相对角度为76度至84度。
6.一种光线入射角度的测量方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述的***，所述方法包括：
通过光学接收装置获取待测光线经由所述至少一组具有预置安装参数的微透镜阵列在光学接收装置上所形成的光斑信息；
通过计算装置根据所述预置安装参数及所述光斑信息计算得到待测光线的入射角度；
其中，所述安装参数包括微透镜阵列中相邻两微透镜中心之间的距离、微透镜阵列中各微透镜的焦距、微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列中各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度相同。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列为四组，其中，两组间隔设置的微透镜阵列的测量方向为水平方向，另两组间隔设置的微透镜阵列的测量方向为垂直方向。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，各组微透镜阵列与光学接收装置之间的相对角度相同，所述相对角度为微透镜阵列中的各微透镜与垂直于光学接收装置接收面的平面之间的角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相对角度为76度至84度。
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