CN109341600A - 一种三轴光电自准直仪 - Google Patents

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邸克
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夏冰清
杨慧慧
张泽欣
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Abstract

本发明请求保护一种三轴光电自准直仪，该光电自准直仪使用满足特定几何结构的隅角镜作为反射镜，从而使得回路的反射光在光电传感器二维平面上的位移，拥有感应隅角镜自身旋转的信息。该隅角镜三个侧面的角度满足以下关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。该隅角镜的d面(垂直于入射光的表面)将等同于平面镜，用于测量隅角镜沿着OX，OY轴的偏转量；通过d面进入隅角镜内部的光束，将被隅角镜三个侧面切割成六束，根据光束沿隅角镜的三个侧面a、b、c的反射顺序可以标记为a‑b‑c、a‑c‑b、b‑a‑c、b‑c‑a、c‑b‑a、c‑a‑b。其中a‑b‑c和c‑b‑a两束准直反射光在光电传感器二维平面上的位移，将只和隅角镜沿OZ轴的转动量相关。通过该隅角镜的使用，使得光电自准直仪能够实现单机，实时地对被测物体的三维空间完整姿态进行测量。

Description

一种三轴光电自准直仪
技术领域
本发明属于光学测量仪器领域，具体是一种基于二轴光电自准直仪的工作原理上研究的三轴光电自准直仪。
背景技术
自准直仪是利用光学自准直原理，用于小角度测量的重要测量仪器。由于它具有较高的准确度和测量分辨力，因而被广泛应用于精密的测量工作中，如：在角度测量、平板的平面度测量、轴系的角晃动测量、导轨的直线度测量等方面自准直仪发挥着重要的作用。在70年代末，由北京计量仪器厂与天津大学精密仪器系联手推出702型一维光电自准直仪，在此基础上1995年天津大学与航天部成功研制出二轴光电自准直仪TJDX-93，但至今为止我国还没有研发成功成熟的三轴光电自准直仪技术。
已知的二轴光电自准直仪，在对被检测物体测量三维角度的空间姿态变化时，需要两台二轴光电自准直仪器同时对被检测物体做不同方位上的二维角度测量。这种测量方法存在着明显的不足，1.由于是两***立的仪器对被测物体同时进行测量，导致两台仪器各自的误差相互叠加，于此同时还会使得随机误差明显的放大。2.由于需要两***立的二轴自准直仪器对被测物体的三维空间姿态变化角进行测量，所以在对测量狭窄暗道里物体的三维空间姿态角度的变化时，使用变得非常困难。3.由于两台二轴直准仪器必须成90度角摆放，所以对机器的装配精度要求很高。4.两台二轴自直准仪所需要的空间要求比本申请仪器要大得多。
根据Д.В.ЖУКОВ(文献Д.В.ЖУКОВ,И.А.КОНЯХИН,А.А.УСИК. итерационный алгоритм определения координат изображений точечных излучателей.Оптический журнал,2009,Коды(这里是俄语) 110.2960,100,2000.6Tom76,NO1,2009)提出的对点光源的空间坐标向量分析，可以推导出每束光在隅角镜内的坐标变化，从而根据欧拉公式可以求出只包含隅角镜绕自身OZ轴转动，而在光电传感器上沿OY、OX轴移动的光束信息。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种克服了现有自准直仪不能实现单机测量空间被测物体的三维姿态角变化的方法。本发明的技术方案如下：
一种三轴光电自准直仪，其包括自准直仪器和隅角镜(6)，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器(4)，隅角镜(6)充当自准仪的反射镜，所述准直仪器包括：光源(2)、分光镜(3)、透镜(1)、光电传感器(4)及平面反射镜(5)，所述光源(2)位于分光镜(3)一侧，所述光源(2)与分光镜(3)的距离为透镜(1)的半焦距；所述分光镜(3)位于透镜(1)的半焦距前面且分光镜(3)和透镜(1)的距离等于半焦距；所述光电传感器(4)位于透镜(1)的半焦距位置；所述反射镜(5)被固定在透镜(1)右方，所述反射镜(5)用于将入射光原路返回到准直仪，所述光源(2)产生的光束通过分光镜(3)，进入透镜(1)，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜(6)上，其中一部分光束被隅角镜(6)的表面所反射回原光路，该部分反射光束用于测量隅角镜(6)沿着OX、OY轴的偏转量；其中，OX、OY轴是以隅角镜(6)的一个顶点为坐标系原点建立的坐标系的两个坐标轴，剩余部分射入隅角镜(6)内，该剩余部分准直光束被隅角镜(6)的三个侧面分成了六束，分别成对的从隅角镜(6)的三面侧面反射出。
进一步的，所述透镜(1)中心到反射镜(5)中心的垂直距离为H＝L·tgΔ，L为隅角镜(6)d面中心沿入射光轴的方向到透镜(1)中心的距离，Δ为隅角镜(6)的入射光束向量与从隅角镜(6)反射到平面镜(5)的光束向量之间夹角，其中：δ表示微小倾斜角，δ表示隅角镜(6)材料的折射率。
进一步的，所述隅角镜(6)的三个侧面(总共有四面)分别成以下角度关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。
进一步的，当隅角镜(6)的由c-b-a面反射顺序的反射光束(8)和由a-b-c 面反射顺序的第一光束(7)，第一光束(7)在平面反射镜(5)上被反射，形成第二光束(9)返回隅角镜(6)，再经c-b-a三面顺序反射形成第三光束(10)回射入透镜(1)，被透镜(1)聚焦到光电传感器(4)上形成光斑，该光束用于测量隅角镜(6)沿着OZ 轴的偏转量。
进一步的，若隅角镜(6)若沿着OX、OY、OZ坐标轴转动，对应转动角标记为Ψ，K，那么这时在光电传感器上(4)光斑沿着光电传感器(4)的坐标轴 OX、OY方向移动，该位移标记为B'表达为以下公式：
B'＝Mr·M·Mr -1M3·Mr·M·Mr -1·A (1)
其中A为入射光向量，Mr为隅角镜(6)的转动矩阵，可表示为：
其中K为沿着坐标OY轴转动的向左右旋转角，Ψ为沿着坐标向量OZ轴转动的旋转角，为沿着坐标向量OX轴转动的上下旋转角。M3为反射镜片(5)在时的坐标矩阵，可表示为：
M为光束(10)所对应的隅角镜(6)矩阵，可表示为：
从公式(5)可以发现当隅角镜(6)绕着自身OZ轴转动时，光束(10)在光电传感器(4)坐标轴OX和OZ轴上几乎没有位移变化量，在坐标轴OY轴的变化量为:
y＝B′y·f′＝-2Δ·Ψ·f′ (6)
这里隅角镜(4)沿OZ轴旋转角度可以表达为:
其中y表示光斑沿光电传感器y轴的移动量，f'表示准直仪透镜(1)的焦距。
进一步的，对隅角镜(6)的d面的射光，可用于隅角镜(6)沿OY、OX轴转动的信息分析：除了从隅角镜(6)内部按反射面顺序反射出的6束反射光束外，隅角镜(6)的前表面镜d也将部分光束反射回原光路，这个表面和二轴光电自准直仪的平面反光镜的作用一样，它的反射光束的矩阵可以写成:
A'＝Mr·Map·Mr -1·A (8)
其中Map为隅角镜(6)前表面镜的标准矩阵，可表示为：
将公式(9)带入公式(8)中可得隅角镜(6)的前表面镜d的反射光束的矩阵：
隅角镜(6)在沿自身坐标轴OY、OX轴转动的角度可写为：
本发明的优点及有益效果如下：
1.可以实现用一台自准直仪器检测物体空间姿态的三维角度变化。2.在测量被测物体沿OY轴和OX轴转动时，可以达到现有的二轴自准直仪同样的测量范围和精度。3.在测量被测物体沿OZ轴旋转角度时，其的测量范围大大高于现有的二轴自准仪的测量范围。
本发明技术上的创新点主要在于用隅角镜代替光电准直仪的反射镜，并研究出了全新的计算方法，可用于计算出检测物体空间姿态的三维角度变化。
附图说明
图1a是本发明提供优选实施例三轴光电自直准仪的隅角镜6结构图；图1b 为本发明所述的仪器的整体结构示意图。
图2a为未转动隅角镜6时，光束10、11、12的光斑重叠在光电传感器4 的坐标轴中。图2b为按顺时针方向沿OX、OY、OZ轴转动隅角镜6时，光束 10、11、12的光斑在光电传感器4的坐标轴上的移动情况。图2c为按逆时针方向沿OX、OY、OZ轴转动隅角镜6时，光束10、11、12的光斑在光电传感器4 的坐标轴上的移动情况。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种基于二轴光电自准直仪的工作原理上研究的三轴光电自准直仪，所述的仪器结构图展现在图1b中：是由自准直仪器和隅角镜6两部份构成，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器4，隅角镜6充当自准仪的反射镜。准直仪器的光学结构为：光源2，分光镜3，透镜1，光电传感器4，平面反射镜5。光源2位于分光镜3的一侧，距离为透镜1的半焦距；分光镜3 位于透镜1的半焦距前且分光镜3和透镜1的距离等于半焦距；光电传感器4 位于分光镜6前透镜的半焦距位置；反射镜5被固定在透镜1右方，透镜1中心到平面反射镜5中心的垂直距离为H＝L·tgΔ，其中L为隅角镜6的d面中心沿入射光轴的方向到透镜1中心的距离，Δ为隅角镜6的入射光束向量与从隅角镜 6反射到平面镜5的光束向量之间夹角，其中：δ表示微小倾斜角， n表示隅角镜6材料的折射率。
2.隅角镜的三面分别成以下角度关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。
3.整个仪器的工作原理为：光源2所产生的光束通过分光镜3，进入透镜1，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜6上，其中一部分光束被隅角镜6的表面所反射回原光路，该部分光束用于测量隅角镜6沿着OX、OY轴的偏转量；其余部分射入隅角镜6内，该部分准直光束被隅角镜6的三个侧面分成了六束，分别成对的从隅角镜6的三面侧面反射出。在图1b中展现了其中一对光束路径情况；由c-b-a面反射顺序的反射光束8(舍弃光束)和由a-b-c面反射顺序的光束7，光束7在平面反射镜5上被反射，形成光束9返回隅角镜6，再经c-b-a 顺序反射形成光束10回射入透镜1，被其聚焦到光电传感器4上形成光斑，该光束用于测量隅角镜6沿着OZ轴的偏转量。
4.对于图1b反射光束10进行信号的解析计算。隅角镜6若沿着OX、OY、 OZ坐标轴转动，对应转动角标记为Ψ，K。那么这时在光电传感器4上光斑沿着光电传感器4的坐标轴OX、OY方向移动，该位移标记为B'表达为以下公式：
B'＝Mr·M·Mr -1M3·Mr·M·Mr -1·A (1)
其中A为入射光向量，Mr为隅角镜6的转动矩阵，可表示为：
其中K为沿着坐标OY轴转动的向左右旋转角，Ψ为沿着坐标向量OZ轴转动的旋转角，为沿着坐标向量OX轴转动的上下旋转角。M3为反射镜片5在时的坐标矩阵，可表示为：
M为光束10所对应的隅角镜6矩阵，可表示为：
把以公式(2)、(3)、(4)带入公式(1)可求得第三光束10的向量坐标为:
从公式(5)可以发现当隅角镜6绕着自身OZ轴转动时，光束10在光电传感器4坐标轴OX和OZ轴上几乎没有位移变化量，在坐标轴OY轴的变化量为:
y＝B′y·f′＝-2Δ·Ψ·f′ (6)
这里隅角镜沿OZ轴旋转角度可以表达为:
其中y表示光斑沿光电传感器4的y轴的移动量，f'表示准直仪透镜1的焦距。
5.光束11是从隅角镜6反射面按a-b-c面的反射顺序反射出的光束，它没有进入自准直仪内部，所以对测量没有贡献。但是当反射镜5位于图1b中透镜 1左边时，光束11代替光束10参与测量。在这种情况下，当旋转隅角镜6时，光速11在光电传感器4上的像，将沿着坐标轴OY移动，对应的变化量为值得注意的是，如果仪器同时使用10和11光束，是不恰当的一种设计。因为这会使得光电传感器4上对相应光斑的标记变得非常困难。
6.对隅角镜6的d面反射光，用于隅角镜6沿OY、OX轴转动的信息分析：除了从隅角镜6内部按反射面顺序反射出的6束反射光束外，隅角镜6的前表面镜d也将部分光束反射回原光路。这个表面和二轴光电自准直仪的平面反光镜的作用一样，它的反射光束12的矩阵可以写成为:
A'＝Mr·Map·Mr -1·A (8)
其中Map为隅角镜6前表面镜的标准矩阵，可表示为：
将公式(9)带入公式(8)中可得隅角镜6的前表面镜d的反射光束的矩阵：
隅角镜6在沿自身坐标轴OY、OX轴转动的角度可写为：
由以上可知隅角镜6未发生旋转时，像点10'，12'在光电传感器4上成像于一点位于光电传感器4坐标轴中心。当隅角镜沿着OX、OY、OZ轴同时发生旋转时，像点10'几乎只沿着光电传感器4的OY轴移动，12'在光电传感器4的坐标轴上沿着OX轴和OY轴移动。
7.根据图1b的结构，经过隅角镜6内部三侧面反射的光束中，只有按照 a-b-c和b-c-a顺序反射的两束光能最终回到光电传感器4上，其中由于按 b-c-a反射顺序的反射光在沿光电传感器4的OX、OY轴上的位移信息，同时包含了隅角镜6沿其自身坐标轴OX、OY、OZ轴的转动信息，无法根据其位移信息判断其隅角镜6的姿态情况。
光源2与光电传感器4被固定在自准直仪的同一装置里，分光元件为一个方块分光器，位于透镜1、光源2和接受器4之间。自准直仪的透镜1的入瞳直径为Dвх＝68MM，焦距为f'＝260MM，视场为2ω＝12'。光电传感器4选用COMS，其尺寸为2592х1944像数，每个像数尺寸为2775MKM×2775MKM。光电传感器4 后端连接计算机，隅角镜6与测量物体固定，其直径为64MM，由玻璃K8 (n＝1.5163)切割而成。通过计算隅角镜6的δ2＝δ1＝90°±20'20”，δ3＝90°。那么弧度。反射镜面5的直径为85MM。L＝2000MM，H＝2000×0.1＝20。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种三轴光电自准直仪，其特征在于，包括自准直仪器和隅角镜(6)，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器(4)，隅角镜(6)充当自准仪的反射镜，所述准直仪器包括：光源(2)、分光镜(3)、透镜(1)、光电传感器(4)及平面反射镜(5)，所述光源(2)位于分光镜(3)一侧，所述光源(2)与分光镜(3)的距离为透镜(1)的半焦距；所述分光镜(3)位于透镜(1)的半焦距前面且分光镜(3)和透镜(1)的距离等于半焦距；所述光电传感器(4)位于透镜(1)的半焦距位置；所述反射镜(5)被固定在透镜(1)右方，所述反射镜(5)用于将入射光原路返回到准直仪，所述光源(2)产生的光束通过分光镜(3)，进入透镜(1)，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜(6)上，其中一部分光束被隅角镜(6)的表面所反射回原光路，该部分反射光束用于测量隅角镜(6)沿着OX、OY轴的偏转量；其中OX、OY轴是以隅角镜(6)的一个顶点为坐标系原点建立的坐标系的两个轴，剩余部分射入隅角镜(6)内，该剩余部分准直光束被隅角镜(6)的三个侧面分成了六束，根据光束沿隅角镜(6)的三个侧面a、b、c的反射顺序可以标记为a-b-c、a-c-b、b-a-c、b-c-a、c-b-a、c-a-b，分别成对的从隅角镜(6)的三面侧面反射出。
2.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，所述透镜(1)中心到反射镜(5)中心的垂直距离为H＝L·tgΔ，其中L为隅角镜(6)d面中心沿入射光轴的方向到透镜(1)中心的距离，Δ为隅角镜(6)的入射光束向量与从隅角镜(6)反射到平面镜(5)的光束向量之间夹角，其中：δ表示微小倾斜角，n表示隅角镜(6)材料的折射率。
3.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，所述隅角镜(6)的三个侧面(总共有四面)满足以下角度关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。
4.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，当隅角镜(6)的由c-b-a面反射顺序的反射光束(8)和由a-b-c面反射顺序的第一光束(7)，第一光束(7)在平面反射镜(5)上被反射，形成第二光束(9)返回隅角镜(6)，再经c-b-a的反射顺序形成第三光束(10)回射入透镜(1)，被透镜(1)聚焦到光电传感器(4)上形成光斑，该光束用于测量隅角镜(6)沿着OZ轴的偏转量。
5.根据权利要求4所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，若隅角镜(6)若沿着OX、OY、OZ坐标轴转动，对应转动角标记为Ψ，K，那么此时在光电传感器上(4)光斑沿着光电传感器(4)的坐标轴OX、OY方向移动，该位移可表示为B'，其表达为：
B'＝Mr·M·Mr -1M3·Mr·M·Mr -1·A (1)
其中A为入射光向量，Mr为隅角镜(6)的转动矩阵，可表示为：
其中K为沿着坐标OY轴转动的向左右旋转角，Ψ为沿着坐标向量OZ轴转动的旋转角，为沿着坐标向量OX轴转动的上下旋转角。M3为反射镜片(5)在时的坐标矩阵，可表示为：
M为光束(10)所对应的隅角镜(6)矩阵，可表示为：
6.根据权利要求5所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，把以公式(2)、(3)、(4)带入公式(1)可求得第三光束(10)的向量坐标为:
从公式(5)可以发现当隅角镜(6)绕着自身OZ轴转动时，光束(10)在光电传感器(4)坐标轴OX和OZ轴上几乎没有位移变化量，在坐标轴OY轴的变化量为:
y＝B′y·f′＝-2Δ·Ψ·f′ (6)
这里隅角镜(6)沿OZ轴旋转角度可以表达为:
其中y表示光斑沿光电传感器(4)y轴的移动量，f'表示准直仪透镜(1)的焦距。
7.根据权利要求5所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，对隅角镜(6)的d面的射光，用于隅角镜(6)沿OY、OX轴转动的信息分析：除了从隅角镜(6)内部按反射面顺序反射出的6束反射光束外，隅角镜(6)的前表面镜d也将部分光束反射回原光路，这个表面和二轴光电自准直仪的平面反光镜的作用一样，它的反射光束的矩阵可以写成:
A'＝Mr·Map·Mr -1·A (8)
其中Map为隅角镜(6)前表面镜的标准矩阵，可表示为：
将公式(9)带入公式(8)中可得隅角镜(6)的前表面镜d的反射光束的矩阵：
隅角镜(6)在沿自身坐标轴OY、OX轴转动的角度可写为：
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