CN110646171B - 一种测量光源平行性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量光源平行性的方法属于光电测量技术领域,对于具体的测量和计算方法进行优化和改进。该方法包括如下步骤:将待测光源、测量光栅和CCD相机从左至右依次设置在同一光轴上;将测量光栅的图形设置在在CCD相机上;待测光源发出的平行光平行于光轴,照射到测量光栅上,将测量光栅上面的条纹图形垂直投影到CCD相机上;通过CCD相机上的设置图形和测量光栅的投影图形比对,判断待测光源的光线是发散还是汇聚,再通过已知的测量光栅与CCD相机的距离,计算出光线的发散角度或者是汇聚角度。本发明测量更准确,观察更直观,测量精度更高。
Description
技术领域
本发明属于光电测量技术领域,具体涉及一种测量光源平行性的方法。
背景技术
在光电测量、光电仪器设备领域,很多时候都会用到平行光照明,有的情况下对于光源的平行性还有着很高的要求,需要测出平行光源的发散或者汇聚的角度,以此判断是否达到设计要求。
现有技术中测量光源平行性有很多方法,包括文献:“光电***光轴平行性检测方法研究”;专利:一种光轴平行性检测***及方法(CN201810084572.0)、一种光轴平行性检测***(CN201820146941.X)、一种检测和评价光源平行性的方法(CN201611224745.1)和一种精确测量光源平行性的方法和装置(CN201510967508.3)等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种测量光源平行性的方法,对于具体的测量和计算方法进行优化和改进。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种测量光源平行性的方法,测量设备包括:待测光源、测量光栅和CCD相机,该方法包括如下步骤:
步骤一:将待测光源、测量光栅和CCD相机沿光轴依次设置,所述测量光栅的图形为十字形,所述十字形由多个周期条纹组成;
步骤二:在所述CCD相机上设置十字形,所述CCD相机的十字形的宽度与测量光栅的十字形宽度相同,所述CCD相机的十字形的长度和高度小于测量光栅的十字形的长度和高度;
步骤三:待测光源发光照射到测量光栅上,将测量光栅上面的十字形投影到CCD相机上;调整所述测量光栅和CCD相机的位置,使所述CCD相机上设置的十字形的宽度与所述测量光栅投影到CCD相机上图像的宽度重合,完成待测光源、测量光栅和CCD相机位置的校准;
步骤四:在CCD相机上,当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘时,待测光源发出的光为平行光;当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的外部时,判断待测光源的光线是发散的;当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内部时,判断待测光源的光线是汇聚的;根据已知的测量光栅与CCD相机的距离,和通过CCD相机测量到第M个条纹距离所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的距离,计算出光线的发散角度或者是汇聚角度,实现了一种测量光源平行性的方法。
优选的,步骤一所述的周期条纹包括水平周期条纹和竖直周期条纹;两种条纹结构相同,所述水平周期条纹和竖直周期条纹都为明暗相间的周期条纹,黑白比为1:1,暗条纹为封闭的区域,明条纹为透光区域。
优选的,在所述CCD相机前设置一个放大倍率大于1的远心镜头。
优选的,所述步骤四中:在CCD相机上,当测量光栅水平方向有M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘和边缘内时,待测光源发出的光为平行光;当测量光栅水平方向有M-X个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内时,判断待测光源的光线是发散的;当测量光栅的投影在水平方向有M+X个条纹位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内时,判断待测光源的光线是汇聚的;根据二分之X个条纹的宽度比上已知的测量光栅与CCD相机的距离,得到发散角或者汇聚角的正切值。
优选的,所述发散角为θ=arctanMtX/2L(M-X),汇聚角为θ=arctanMtX/2L(M+X),其中t为测量光栅条纹的宽度,L为测量光栅与CCD相机的距离。
优选的,所述步骤四中:在CCD相机上,当测量光栅的投影在水平方向的距离为D,且D内有M个条纹时,待测光源发出的光为平行光;当测量光栅的投影在水平方向的距离为D1,且D1大于D时,判断待测光源的光线是发散的;当测量光栅的投影在水平方向的距离为D2,且D2小于D时,判断待测光源的光线是汇聚的;根据二分之D1减D的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离,得到发散角的正切值;根据二分之D减D2的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离,得到汇聚角的正切值。
优选的于,所述发散角为θ=arctan(D1-D)/2L,汇聚角为θ=arctan(D-D2)/2L,其中L为测量光栅与CCD相机的距离。
优选的,所述步骤四中,水平方向替换成垂直方向。
本发明的有益效果是:本发明提供了优于现有技术的一种测量光源平行性的方法,测量更准确,观察更直观,测量精度更高。不去计算单个周期内投影条纹宽度的变化,而是采用对比和测量多个周期投影的总宽度与CCD相机上的测量线的宽度,再利用几何关系判断光线是发散还是汇聚,并计算出光线发散或者汇聚的角度值。
附图说明
图1本发明一种测量光源平行性的方法原理图;
图2本发明一种测量光源平行性的方法中测量光栅图;
图3本发明一种测量光源平行性的方法中CCD相机图案;
图4本发明一种测量光源平行性的方法中测量光栅在CCD相机投影图。
图中:1、待测光源,2、测量光栅,21、水平周期条纹,211、暗条纹,212、明条纹,22、竖直周期条纹,3、CCD相机,33、十字图形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种测量光源平行性的方法,测量设备包括:待测光源1、测量光栅2和CCD相机3,该方法包括如下步骤:
步骤一:如图1所示,将待测光源1、测量光栅2和CCD相机3从左至右依次设置在同一光轴上,如图2所示,所述测量光栅2的图形为十字图形33;所述十字图形包括水平周期条纹21和竖直周期条纹22;两种条纹结构相同,所述水平周期条纹21和竖直周期条纹22都为明暗相间的周期条纹,条纹黑白比为1:1,暗条纹211为封闭的区域,明条纹212为透光区域;在本实施例中,明条纹212和暗条纹211宽度为t,t可根据测量结果精度的设置,每个方向上的条纹个数均为N。
步骤二:将所述测量光栅2的图形设置在所述CCD相机3上。如图3所示,CCD相机3上设置有与测量光栅2匹配的特定图形,包括水平测量线31A、水平测量线31B、竖直测量线32A、竖直测量线32B和十字图形33。水平测量线31A与水平测量线31B平行,两条水平测量线之间的距离小于测量光栅2水平周期条纹21的总长度Nt;竖直测量线32A与竖直测量线32B平行,两条竖直测量线之间距离小于测量光栅2竖直周期条纹22总长度Nt。十字图形33的宽度与测量光栅20条纹高度相同。
步骤三:待测光源1发出的光平行于光轴,照射到测量光栅2上,将测量光栅2上面的条纹图形垂直投影到CCD相机3上;调整所述测量光栅2和CCD相机3的相对位置,使所述CCD相机3上设置的十字图像33的宽度与投影到CCD相机3上图像的宽度重合,完成待测光源1、测量光栅2和CCD相机3位置的校准;
步骤四:在CCD相机3上,当测量光栅2水平方向的第M个条纹的投影位于所述CCD相机3上设置的十字图像33水平方向的边缘时,待测光源1发出的光为平行光;当测量光栅2水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机3上设置的十字图像33水平方向边缘的外部时,判断待测光源1的光线是发散的;当测量光栅2水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机3上设置的十字图像33水平方向边缘的内部时,判断待测光源1的光线是汇聚的;根据已知的测量光栅2与CCD相机3的距离,和通过CCD相机3测量到第M个条纹距离所述CCD相机3上设置的十字形水平方向边缘的距离,计算出光线的发散角度或者是汇聚角度,实现了一种测量光源平行性的方法。
本实施例中,步骤四有两种计算方法,一种为,如图4所示,观察测量光栅2的水平周期条纹21投影到CCD相机3的投影图形,此时如果CCD相机3上的水平测量线31A和水平测量线31B之间的测量光栅2的水平周期条纹21的投影正好为M个条纹,则说明待测光源1的平行性满足该测量方法设计精度要求;如果CCD相机3上的水平测量线31A和水平测量线31B之间之间的测量光栅2的水平周期条纹21的投影条纹为M-x个,则说明待测光源1光束在水平方向上发散,水平周期条纹21的投影条纹变宽,发散角通过几何关系计算为:θ=arctanMtx/2L(M-x),其中L为测量光栅2与CCD相机3之间的距离;如果CCD相机3上的水平测量线31A和水平测量线31B之间的测量光栅2的水平周期条纹21的投影条纹为M+x个,则说明待测光源光束在水平方向上汇聚,水平周期条纹21的投影条纹变窄宽,汇聚角通过几何关系计算为:θ=arctanMtx/2L(M+x)。
待测光源1光束在竖直方向测量方法也完全相同,使用竖直周期条纹22的投影的个数与竖直测量线32A和竖直测量线32B的关系测量计算。
待测光源1的光线平行性的测量精度主要取决于测量光栅2明暗条纹的宽度t和对于单个条纹宽度t的分辨程度。一般来说,通过人眼计算条纹个数多于M或者少于M的个数x,测量精度会高于1/4条纹宽度t;通过图像处理计算,精度会更高。可以在CCD相机3前安装放大倍率>1的远心镜头,提高对于单个条纹投影宽度t分辨,从而可以使得宽度t的值更小,提高测量精度。
步骤四中的另一种计算方法:观察测量光栅2的水平周期条纹21投影到CCD相机30的十字图形33的长度为D,如果D=Mt,则说明待测光源1光束在水平方向上平行性满足该测量方法设计精度要求;如果D1>Mt,则说明待测光源10光束在水平方向上发散,水平周期条纹21的投影条纹变宽,发散角通过几何关系计算为:θ=arctan(D1-D)/2L,其中L为测量光栅2与CCD相机3之间的距离;如果D2<Mt,则说明待测光源1光束在水平方向上汇聚,水平周期条纹21的投影条纹变窄,汇聚角通过几何关系计算为θ=arctan(D-D2)/2L。
待测光源1光束在竖直方向测量方法也完全相同,使用竖直周期条纹22的长度与竖直测量线32A和竖直测量线32B的关系测量计算。
Claims (8)
1.一种测量光源平行性的方法,测量设备包括:待测光源、测量光栅和CCD相机,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一:将待测光源、测量光栅和CCD相机沿光轴依次设置,所述测量光栅的图形为十字形,所述十字形由多个周期条纹组成;
步骤二:在所述CCD相机上设置十字形,所述CCD相机的十字形的宽度与测量光栅的十字形宽度相同,所述CCD相机的十字形的长度和高度小于测量光栅的十字形的长度和高度;
步骤三:待测光源发光照射到测量光栅上,将测量光栅上面的十字形投影到CCD相机上;调整所述测量光栅和CCD相机的位置,使所述CCD相机上设置的十字形的宽度与所述测量光栅投影到CCD相机上图像的宽度重合,完成待测光源、测量光栅和CCD相机位置的校准;
步骤四:在CCD相机上,当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘时,待测光源发出的光为平行光;当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的外部时,判断待测光源的光线是发散的;当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内部时,判断待测光源的光线是汇聚的;根据已知的测量光栅与CCD相机的距离,和通过CCD相机测量到第M个条纹距离所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的距离,计算出光线的发散角度或者是汇聚角度,实现了一种测量光源平行性的方法。
2.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,步骤一所述的周期条纹包括水平周期条纹和竖直周期条纹;两种条纹结构相同,所述水平周期条纹和竖直周期条纹都为明暗相间的周期条纹,黑白比为1:1,暗条纹为封闭的区域,明条纹为透光区域。
3.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,在所述CCD相机前设置一个放大倍率大于1的远心镜头。
4.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,所述步骤四中:在CCD相机上,当测量光栅水平方向有M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘和边缘内时,待测光源发出的光为平行光;当测量光栅水平方向有M-X个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘和边缘内时,判断待测光源的光线是发散的;当测量光栅的投影在水平方向有M+X个条纹位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘和边缘内时,判断待测光源的光线是汇聚的;根据二分之X个条纹的宽度比上已知的测量光栅与CCD相机的距离,得到发散角或者汇聚角的正切值。
5.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,所述发散角为θ=arctanMtX/2L(M-X),汇聚角为θ=arctanMtX/2L(M+X),其中t为测量光栅条纹的宽度,L为测量光栅与CCD相机的距离。
6.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,所述步骤四中:在CCD相机上,当测量光栅的投影在水平方向的距离为D,且D内有M个条纹时,待测光源发出的光为平行光;当测量光栅的投影在水平方向的距离为D1,且D1大于D时,判断待测光源的光线是发散的;当测量光栅的投影在水平方向的距离为D2,且D2小于D时,判断待测光源的光线是汇聚的;根据二分之D1减D的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离,得到发散角的正切值;根据二分之D减D2的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离,得到汇聚角的正切值。
7.根据权利要求5所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,所述发散角为θ=arctan(D1-D)/2L,汇聚角为θ=arctan(D-D2)/2L,其中L为测量光栅与CCD相机的距离。
8.根据权利要求1、4或6所述的一种测量光源平行性的方法,其特征在于,所述步骤四中,水平方向替换成垂直方向。
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