CN109737893B - 一种增加自准直仪测量范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种增加光电自准直仪测量范围的方法,包括以下步骤:①运用具有特定几何结构的隅角镜作为光电自准直仪的反射镜,该隅角镜三个侧面的角度满足关系:∠1_2=90°‑δ12,∠2_3=90°‑δ23,∠1_3=90°‑δ13。②分析隅角镜内部结构及光的反射,根据反射顺序不同可分为六束光。③研究反射顺序与测量参数关系,求得反射光束所对应的隅角镜的坐标矩阵Mr、角敏感度K及从隅角镜反射回准直仪的反射光向量B。④分析六束反射光在自准直仪的光电传感器表面上的成像情况求得光斑位移量与隅角镜偏转角的关系ξx≈‑Δ·Θ1·f、ξy≈‑Δ·Θ2·f。⑤通过对隅角镜侧面连接角进行控制,给出δ的值便可轻易增加光电自准直仪的测量范围。本发明可被广泛应用于大型建筑、军舰、机翼等要求测量范围大的领域。
Description
技术领域
本发明属于光学测量仪器领域,具体是一种基于二维光电自准直仪的工作原理上,运用特定的隅角镜代替平面反射镜,从而实现增加光电自准直仪测量范围的方法研究。
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。自准直仪由于拥有较高的准确度和测量分辨率,所以被大量的运用在:角度测量、轴系的角晃动测量、导轨的直线度测量、角度测量等方面。由于自准直仪器的测量精度要求较高,再加上其测量范围的限制条件过于单一,所以近几年对自准直仪器的研究都主要集中在对其精度提高上。然而现在市面上所销售的光电自准直仪以德国MOLLER公司ELCOMATHR和ELCOMAT系列为代表,其产品都已经达到了很高的精度。然而自准直仪器的测量范围由于其自身结构的特点,一直无法有效的提高,从而大大的限制了其在工业测量领域的使用和发展。
已知的二维光电自准直仪的工作距离、测量范围与其物镜的口径的限制关系式为:
其中L表示光电准直仪的工作距离,β表示测量范围,D为物镜口径。
根据公式(15),现有的光电自准直仪在测量长距离的测量目标时必然将大大牺牲其测量范围,或者通过增大其物镜的口径的方法来增大自准直仪的测量范围。前者使得自准直仪的工作距离和测量范围无法兼顾,后者将增加自准直仪的成本和重量,同时物镜口径的增加使得一些像差的收敛变得困难,使得设计难度增加。
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 110.2960,100,2000.6Tom76,NO1,2009和Ильинский Р.Е.Распределение потока излучения,формируемое световым пучком,отражённым от световозвращателя/Р.Еильинский//-Прикладная физика,№3б 2007.С.18-25.)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隅角镜绕自身OX1或者OY1的轴转动量,从而可以得到在光电传感器上对应的沿光电准直仪的OX或者OY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。提出了一种增加自准直仪测量范围的方法。本发明的技术方案如下:
一种增加自准直仪测量范围的方法,其包括以下步骤:
1)、设计具有改进几何结构的隅角镜作为光电自准直仪的反射镜,所述隅角镜改进几何结构主要在于其三个侧面的角度改进,所述隅角镜包括三个侧面a(1)、b(2)、c(3),及一个反射镜孔径面(4),该改进几何结构的隅角镜三个侧面的角度满足关系:∠1_2=90°-δ12,∠2_3=90°-δ23,∠1_3=90°-δ13,其中δ12、δ23、δ13分别表示侧面a(1)和b(2)、b(2)和c(3)、a(1)和c(3)之间的有效结构角。在自准直仪保持初始状态时,隅角镜的反射镜孔径面(4)垂直于准直仪的OZ轴,隅角镜的等效口径(5)为一个六角星,包括入瞳(6)和出瞳(7);
2)、分析隅角镜内部结构及光的反射,根据准直光束沿着隅角镜三个侧面a(1)、b(2)、c(3)的反射顺序的不同,将反射光束分为六束光;
3)、研究反射顺序与测量参数关系,求得反射光束所对应的隅角镜的坐标矩阵Mr、角敏感度K及从隅角镜反射回准直仪的反射光向量B;
4)、分析六束反射光在自准直仪的光电传感器表面上的成像情况求得光斑位移量与隅角镜偏转角的关系ξx≈-△·Θ1·f、ξy≈-△·Θ2·f,其中Θ1为隅角镜OX1轴的角偏转量、Θ2为隅角镜OY1轴的角偏转量,f为光电准直仪物镜的焦距,δ为一微小角度;
5)、通过对隅角镜侧面连接角进行控制,给出δ的值增加光电自准直仪的测量范围。
进一步的,所述等效口径(5)由形状相同且面积相等的六部分(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)组成。
进一步的,所述等效口径的六部分都将接收到一部分准直光束,每一部分所接收到的准直光束都将按照固定的反射顺序,沿着隅角镜三个侧面a(1)、b(2)、c(3)面进行三次反射,然后平行于光轴反射回光电自准直仪并形成光回路;
进一步的,所述光束沿隅角镜内部的固定反射顺序与有效扇面的关系为:a-b-c→8-11;c-b-a→11-8;b-a-c→9-12;c-a-b→12-9;b-c-a→10-13;a-c-b→13-10;按照反射面的反射顺序标记,可把反射出的六束光源进行成对划分。
进一步的,当一对反射光束反射顺序为b-a-c,c-a-b时,根据两束准直反射光在光电传感器上沿自准直仪OX和OY轴的位移分别只与隅角镜沿OX1、OY1轴的转动量相关,得到反射光向量平行于隅角镜的准直入射光束;所述三对光束中的其中一对光束的不变轴U与隅角镜OX1、OY1垂直,即满足如下关系:
根据公式(1)可得到所述隅角镜三个反射面a(1)、b(2)、c(3)满足以下角度关系:
sin(δ23)·cos(δ12)·cos(δ13)+sin(δ13)=0 (2)
sin(δ23)·cos(δ12)·cos(δ13)-sin(δ13)+2sin(δ12)·cos(δ13)=0 (3)
根据上式求解可得所述隅角镜三个反射面a(1)、b(2)、c(3)之间的作用角度δ12,δ23,δ13为:
δ13=arctan(sin(δ12)) (4)
sin(δ23)=-tan(δ12) (5)
δ23=arcsin(-tan(δ12)) (6)
根据上式可知,沿b-a-c反射顺序反射的光束,其隅角镜的坐标矩阵满足欧拉旋转公式中对其OX和OY轴旋转角度的感应关系,求得所述隅角镜的角敏感度为:
所述光束b-a-c从隅角镜反射回准直仪的反射光向量为:
根据上式可得,反射光在自准直仪的光电传感器的二维面上沿OX和OY轴的位移信息只与隅角镜对应的OX1、OY1轴的转动情况相关;
沿b-a-c反射顺序反射的光束,相对应的另一束沿c-a-b反射顺序反射的光束,其反射光向量参数△为负数,其余参数相同。
进一步的,所述反射顺序不同的六束反射光在光电准直仪的光电传感器表面的成像情况为:反射顺序为b-a-c、c-a-b的光束在光电传感器表面成像分别为光斑(14)和(15),光斑(16)和(17)是由反射顺序为a-b-c、c-b-a的光束成像,光斑(18)和(19)是由反射顺序为b-c-a、a-c-b的光束成像,所述光斑(14)和(15),光斑(16)和(17),光斑(18)和(19)为隅角镜未发生偏转时光束的成像情况,光斑(14')和(15'),光斑(16')和(17'),光斑(18')和(19')表示隅角镜发生偏转时光束的成像情况,所述光斑(14)和(15)的位移量与隅角镜偏转角的关系为:
ξx≈-△·Θ1·f (13)
ξy≈-△·Θ2·f (14)
其中Θ1为隅角镜OX1轴的角偏转量、Θ2为隅角镜OY1轴的角偏转量,f为光电准直仪物镜的焦距。
本发明的优点及有益效果如下:
本发明公开了一种增加光电自准直仪测量范围的方法,运用具有特定几何结构的隅角镜作为光电自准直仪的反射镜,来减少回路反射光的角灵敏度,从而增加自准直仪的测量范围。通过对隅角镜侧面连接角进行控制,给出倾斜角的值便可轻易增加光电自准直仪的测量范围。克服了自准直仪测量范围只能通过增大物镜口径来增加所带来的问题。该方法可以在不增加准直仪物镜口径的条件下,可以有效显著增加测量范围。基于该方法的新型光电准直仪可被广泛应用于大型建筑、军舰、机翼等要求测量范围大的领域。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例光电自直准仪的隅角镜结构图。
图2为本发明隅角镜的等效口径。
图3为本发明隅角镜代替平面反射镜后,光束在光电传感器上的成像情况。
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:
一种增加自准直仪测量范围的方法,包括以下步骤:
步骤①,运用具有改进几何结构的隅角镜作为光电自准直仪的反射镜。如图1所示,所述隅角镜包括三个侧面a 1、b 2、c 3,及一个反射镜孔径面4。所述隅角镜的三个侧面a 1、b 2、c 3的角度满足以下关系:∠1_2=90°-δ12,∠2_3=90°-δ23,∠1_3=90°-δ13,其中δ12、δ23、δ13分别表示侧面a(1)和b(2)、b(2)和c(3)、a(1)和c(3)之间的有效结构角;在自准直仪保持初始状态时,隅角镜的反射镜孔径面4垂直于准直仪的OZ轴。如图2所示,所述隅角镜的等效口径5为一个六角星,包括入瞳6和出瞳7。所述等效口径5由形状相同且面积相等的六部分8、9、10、11、12、13组成;
步骤②,分析隅角镜内部结构及光的反射,根据准直光束沿着隅角镜三个侧面a(1)、b(2)、c(3)的反射顺序的不同,将反射光束分为六束光;
步骤③,研究反射顺序与测量参数关系,求得反射光束所对应的隅角镜的坐标矩阵Mr、角敏感度K及从隅角镜反射回准直仪的反射光向量B;
步骤④,分析六束反射光在自准直仪的光电传感器表面上的成像情况求得光斑位移量与隅角镜偏转角的关系ξx≈-△·Θ1·f、ξy≈-△·Θ2·f,其中Θ1为隅角镜OX1轴的角偏转量、Θ2为隅角镜OY1轴的角偏转量,f为光电准直仪物镜的焦距,δ为一微小角度;
步骤⑤,通过对隅角镜侧面连接角进行控制,给出δ的值便可轻易增加光电自准直仪的测量范围。
所述等效口径的六部分都将接收到一部分准直光束,每一部分所接收到的准直光束都将按照固定的反射顺序,沿着隅角镜三个侧面a 1、b 2、c 3面进行三次反射,然后平行于光轴反射回光电自准直仪并形成光回路。所述光束沿隅角镜内部的固定反射顺序与有效扇面的关系为:a-b-c→8-11;c-b-a→11-8;b-a-c→9-12;c-a-b→12-9;b-c-a→10-13;a-c-b→13-10。按照反射面的反射顺序标记,可把反射出的六束光源进行成对划分,如按照a-b-c,c-b-a的反射顺序可以分为一对反射顺序相反的光束。
当一对反射光束反射顺序为b-a-c,c-a-b时,根据两束准直反射光在光电传感器上沿自准直仪OX和OY轴的位移分别只与隅角镜沿OX1、OY1轴的转动量相关,得到反射光向量平行于隅角镜的准直入射光束;所述三对光束中的其中一对光束的不变轴U与隅角镜OX1、OY1垂直,即满足如下关系:
根据公式(1)可得到所述隅角镜三个反射面a(1)、b(2)、c(3)满足以下角度关系:
sin(δ23)·cos(δ12)·cos(δ13)+sin(δ13)=0 (2)
sin(δ23)·cos(δ12)·cos(δ13)-sin(δ13)+2sin(δ12)·cos(δ13)=0(3)
根据上式求解可得所述隅角镜三个反射面a(1)、b(2)、c(3)之间的作用角度δ12,δ23,δ13为:
δ13=arctan(sin(δ12)) (4)
sin(δ23)=-tan(δ12) (5)
δ23=arcsin(-tan(δ12)) (6)
所述光束对a-b-c,c-b-a的不变轴U在隅角镜的坐标轴OZ1轴上的分量为:
当δ≤5°,该运算的误差小于0.5%。
根据上式可知,沿b-a-c反射顺序反射的光束,其隅角镜的坐标矩阵满足欧拉旋转公式中对其OX和OY轴旋转角度的感应关系,求得所述隅角镜的角敏感度为:
所述光束b-a-c从隅角镜反射回准直仪的反射光向量为:
根据上式可得,反射光在自准直仪的光电传感器的二维面上沿OX和OY轴的位移信息只与隅角镜对应的OX1、OY1轴的转动情况相关。
沿b-a-c反射顺序反射的光束,相对应的另一束沿c-a-b反射顺序反射的光束,其反射光向量参数△为负数,其余参数相同。
所述反射顺序不同的六束反射光在光电准直仪的光电传感器表面的成像情况为:反射顺序为b-a-c、c-a-b的光束在光电传感器表面成像分别为光斑(14)和(15),光斑(16)和(17)是由反射顺序为a-b-c、c-b-a的光束成像,光斑(18)和(19)是由反射顺序为b-c-a、a-c-b的光束成像,所述光斑(14)和(15),光斑(16)和(17),光斑(18)和(19)为隅角镜未发生偏转时光束的成像情况,光斑(14')和(15'),光斑(16')和(17'),光斑(18')和(19')表示隅角镜发生偏转时光束的成像情况,所述光斑(14)和(15)的位移量与隅角镜偏转角的关系为:
ξx≈-△·Θ1·f (13)
ξy≈-△·Θ2·f (14)
其中Θ1为隅角镜OX1轴的角偏转量、Θ2为隅角镜OY1轴的角偏转量,f为光电准直仪物镜的焦距。
对于目前通用的二维光电自准直仪,其角敏感度为2,全程精度≤0.3”,测量范围约为700”,分辨率为0.01”,焦距为860mm,物镜口径为60mm,光电传感器选用高分辨面阵CCD,电子目镜,测量控制为笔记本软件触发,隅角镜与测量物体固定,其直径为62mm,由玻璃K8(n=1.5163)切割而成。
在本实例中,通过调整使得本发明所述的隅角镜三个侧面a 1、b 2、c 3的有效结构角分别为∠1_2=∠1_3=91°39',∠2_3=89°20'46”,给出δ=1°39',那么可求得所述隅角镜的角敏感度比目前二维光电准直仪的角敏感度K0=2减小了20倍,即光电准直仪的测量范围也提高了至少20倍。
终上所述,本发明所述的增加自准直仪测量范围的方法能够在保证工作距离的同时有效将测量范围增加20倍。
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)
1.一种增加自准直仪测量范围的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)、设计具有改进几何结构的隅角镜作为光电自准直仪的反射镜,所述隅角镜改进几何结构在于其三个侧面的角度改进,所述隅角镜包括三个侧面a(1)、b(2)、c(3),及一个反射镜孔径面(4),该改进几何结构的隅角镜三个侧面的角度满足关系:∠1_2=90°-δ12,∠2_3=90°-δ23,∠1_3=90°-δ13,其中δ12、δ23、δ13分别表示侧面a(1)和b(2)、b(2)和c(3)、a(1)和c(3)之间的有效结构角,在自准直仪保持初始状态时,隅角镜的反射镜孔径面(4)垂直于准直仪的OZ轴,隅角镜的等效口径(5)为一个六角星,包括入瞳(6)和出瞳(7);
2)、分析隅角镜内部结构及光的反射,根据准直光束沿着隅角镜三个侧面a(1)、b(2)、c(3)的反射顺序的不同,将反射光束分为六束光;
3)、研究反射顺序与测量参数关系,求得反射光束所对应的隅角镜的坐标矩阵Mr、角敏感度K及从隅角镜反射回准直仪的反射光向量B;
4)、分析六束反射光在自准直仪的光电传感器表面上的成像情况求得光斑位移量与隅角镜偏转角的关系ξx≈-△·Θ1·f、ξy≈-△·Θ2·f,其中Θ1为隅角镜OX1轴的角偏转量、Θ2为隅角镜OY1轴的角偏转量,f为光电准直仪物镜的焦距,δ为一微小角度;
5)、通过对隅角镜侧面连接角进行控制,给出δ的值增加光电自准直仪的测量范围。
2.根据权利要求1所述的一种增加自准直仪测量范围的方法,其特征在于,所述等效口径(5)由形状相同且面积相等的六部分第一扇面(8)、第二扇面(9)、第三扇面(10)、第四扇面(11)、第五扇面(12)、第六扇面(13)组成。
3.根据权利要求2所述的一种增加自准直仪测量范围的方法,其特征在于,所述等效口径的六部分都将接收到一部分准直光束,每一部分所接收到的准直光束都将按照固定的反射顺序,沿着隅角镜三个侧面a(1)、b(2)、c(3)面进行三次反射,然后平行于光轴反射回光电自准直仪并形成光回路。
4.根据权利要求3所述的一种增加自准直仪测量范围的方法,其特征在于,所述光束沿隅角镜内部的固定反射顺序与有效扇面的关系为:a-b-c→第一扇面(8)-第四扇面(11);c-b-a→第四扇面(11)-第一扇面(8);b-a-c→第二扇面(9)-第五扇面(12);c-a-b→第五扇面(12)-第二扇面(9);b-c-a→第三扇面(10)-第六扇面(13);a-c-b→第六扇面(13)-第三扇面(10);按照反射面的反射顺序标记,可把反射出的六束光源进行成对划分。
5.根据权利要求4所述的一种增加自准直仪测量范围的方法,其特征在于,当一对反射光束反射顺序为b-a-c,c-a-b时,根据两束准直反射光在光电传感器上沿自准直仪OX和OY轴的位移只分别与隅角镜沿OX1、OY1轴的转动量相关,得到反射光向量平行于隅角镜的准直入射光束;三对光束中的其中一对光束的不变轴U与隅角镜OX1、OY1轴垂直,即满足如下关系:
根据公式(1)可得到所述隅角镜三个反射面a(1)、b(2)、c(3)满足以下角度关系:
sin(δ23)·cos(δ12)·cos(δ13)+sin(δ13)=0 (2)
sin(δ23)·cos(δ12)·cos(δ13)-sin(δ13)+2sin(δ12)·cos(δ13)=0 (3)
根据上式求解可得所述隅角镜三个反射面a(1)、b(2)、c(3)之间的有效结构角δ12,δ23,δ13为:
δ13=arctan(sin(δ12)) (4)
sin(δ23)=-tan(δ12) (5)
δ23=arcsin(-tan(δ12)) (6)
根据上式可知,沿b-a-c反射顺序反射的光束,其隅角镜的坐标矩阵满足欧拉旋转公式中对其OX和OY轴旋转角度的感应关系,求得所述隅角镜的角敏感度为:
所述光束b-a-c从隅角镜反射回准直仪的反射光向量为:
根据上式可得,反射光在自准直仪的光电传感器的二维面上沿OX和OY轴的位移信息只与隅角镜对应的OX1、OY1轴的转动情况相关;
沿b-a-c反射顺序反射的光束,相对应的另一束沿c-a-b反射顺序反射的光束,其反射光向量参数△为负数,其余参数相同。
6.根据权利要求5所述的一种增加自准直仪测量范围的方法,其特征在于,所述反射顺序不同的六束反射光在光电准直仪的光电传感器表面的成像情况为:反射顺序为b-a-c、c-a-b的光束在光电传感器表面成像分别为第一光斑(14)和第二光斑(15),第三光斑(16)和第四光斑(17)是由反射顺序为a-b-c、c-b-a的光束成像,第五光斑(18)和第六光斑(19)是由反射顺序为b-c-a、a-c-b的光束成像,所述第一光斑(14)和第二光斑(15),第三光斑(16)和第四光斑(17),第五光斑(18)和第六光斑(19)为隅角镜未发生偏转时光束的成像情况,第七光斑(14')和第八光斑(15'),第九光斑(16')和第十光斑(17'),第十一光斑(18')和第十二光斑(19')表示隅角镜发生偏转时光束的成像情况,所述第一光斑(14)和第二光斑(15)的位移量与隅角镜偏转角的关系为:
ξx≈-△·Θ1·f (13)
ξy≈-△·Θ2·f (14)
其中Θ1为隅角镜OX1轴的角偏转量、Θ2为隅角镜OY1轴的角偏转量,f为光电准直仪物镜的焦距。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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