CN117190865B - 一种光束检测定位仪 - Google Patents
一种光束检测定位仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117190865B CN117190865B CN202311361771.9A CN202311361771A CN117190865B CN 117190865 B CN117190865 B CN 117190865B CN 202311361771 A CN202311361771 A CN 202311361771A CN 117190865 B CN117190865 B CN 117190865B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- angle
- displacement
- light
- area array
- positioning instrument
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 64
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 17
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 6
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 4
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 4
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 claims description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 6
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012706 support-vector machine Methods 0.000 description 1
- 230000003245 working effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明属于光学检测仪器技术领域，公开了一种光束检测定位仪，光束透过准直物镜汇聚，准直物镜后安装的分光棱镜将汇聚光束一分为二，并在两个方向的焦平面位置汇聚成最小光斑；两个面阵探测器分别位于两个焦平面的焦前和焦后，接收其弥散斑光斑的能量，并测量两个弥散光斑的质心位置；当入射光束的角度或者位移发生改变时，两个面阵探测器接收到的光斑位置也会随之改变，通过两个光斑的位移量的规律，可以计算出入射光束的角度和位移量；机械加工件采用铝合金材料，铝合金低密度高强度，经过热处理之后具有良好的机械性能、物理性能及抗腐蚀性，在不影响稳定性的前提下对部分模块做了镂空处理减少了材料总重，保证了整机的稳定性与重量限制。
Description
技术领域
本发明属于光学检测仪器技术领域，尤其涉及一种光束检测定位仪。
背景技术
近些年，随着精密机械加工以及精密仪器研发技术的不断进步，精密机械加工和精密仪器研发过程中，对检测精度要求不断提高。光束检测被广泛应用于光学仪器装调、加工、精密仪器研发等领域，在国防光学计量、机械精加工等领域的需求也日益增加。随着光学检测、机械加工等领域的发展，高精度光束检测的需求也日渐增加。但一般的光束测量仪器大体分为无穷远共轭和有限远共轭***，无穷远共轭***对于光束的位置偏移不敏感，只能测量光束角度偏转，如望远镜、自准直仪等；有限远共轭***一般测量的是有限物距目标的位移量，对于其角度偏转不敏感，如显微***、远心***等。
通过上述分析，对于现有技术的缺陷，可以进一步解析如下：
1.无法同时测量光束的位置偏移和角度偏转:这是目前光束测量仪器的最大限制。这限制了在实际应用中对光束的全面分析和利用，对于那些需要同时了解光束位置和角度信息的领域，比如精密加工，激光器的研发等，这是一个巨大的阻碍。
2.对偏移和角度的敏感性不足:即使在仅关注光束位置或者光束角度的***中，当前的光束测量仪器对于微小的变化也不够敏感，这对于高精度的需求来说是不可接受的。
3.***复杂度和成本问题:要解决上述问题，需要同时部署无穷远共轭***和有限远共轭***，但这不仅增加了***的复杂度，也增加成本。
所以，迫切需要解决的技术问题包括如何开发出一种可以同时准确测量光束的位置偏移和角度偏转的光束测量仪器，以及如何提高对偏移和角度的检测精度，降低***的复杂度和成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光束检测定位仪。
本发明是这样实现的，一种光束检测定位仪，包括：光束透过准直物镜汇聚，准直物镜后安装的分光棱镜将汇聚光束一分为二，并在两个方向的焦平面位置汇聚成最小光斑；两个面阵探测器分别位于两个焦平面的焦前和焦后，接收弥散斑光斑的能量，并测量两个弥散光斑的质心位置；当入射光束的角度或者位移发生改变时，两个面阵探测器接收到的光斑位置也会随之改变，通过两个光斑的位移量的规律，计算出入射光束的角度和位移量。
进一步，所述光束检测定位仪采用双光路前后离焦光路测量激光光束的角度和位置偏移。
进一步，所述光束检测定位仪结构主要由两个结构件组成，整机组件与分光镜组件；整机组件固定准直物镜及两个面阵探测器，分光镜组件固定分光镜。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，针对现有的光束测量仪器中，无穷远共轭***对于光束的位置偏移不敏感，只能测量光束角度偏转；有限远共轭***一般测量的是有限物距目标的位移量，对于其角度偏转不敏感等问题，本发明提出的光束检测定位仪采用了一种新颖的双光路离焦***来同时测量激光光束的角度偏转和位置偏移，根据光线传输路径，在两个确定离焦量的像面上反算出光束的角度偏转量和位移量。
本发明提供的光束检测器的工作状态是可单独作为测量仪器来使用，同时也可以作为光束角度和位移传感器集成到其他***中。
第二，作为本发明的创造性辅助证据，还体现在以下2个重要方面：
(1)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：目前市面上只有具备单独测量光束角度偏转功能或者单独具备单独测量光束位置平移的设备，没有同时可以测量光束角度偏转和位置平移的设备。
(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：在光学***光路的装调过程中，单束光束与***基准轴，或者多束光束的同轴对于提升光学***的工作效果非常重要。以往装调中，都是首先调节光束的角度偏转之后再调节光束位置平移(或者相反顺序)，但调节光束位置平移之后，会引起光束角度偏转发生变化，所以这个过程需要多次反复，效率非常低下。本发明提供了一种手段，可以同时检测到光束的角度偏转和位置平移，一次性调节好光束的角度偏转和位置平移，很大程度上提升了装调的效率。
第三，这种光束检测定位仪的设计提供了一种精确、可靠和灵敏的方法来测量光束的角度和位移。通过将光束一分为二，并在两个方向上观察其聚焦光斑的位移，可以更准确地测量微小的角度变化或光束的微小位移。这种设计具有以下优点：
1.高精度：由于使用了两个探测器来接收光束的能量，并测量弥散光斑的质心位置，因此可以更准确地测量光束的角度和位移。这种方法比传统的单点测量方法更为精确。
2.高灵敏度：这种设计对光束的角度和位移变化非常敏感，因此可以检测到微小的变化。这对于需要高精度测量的应用非常重要。
3.抗干扰能力强：由于使用了分光棱镜将光束一分为二，因此减少了外界光噪声对测量结果的影响。这对于在恶劣环境下进行测量时非常重要。
4.可扩展性：这种设计可以根据需要添加更多的探测器，以实现更复杂的测量任务，例如同时测量多个光束的角度和位移。
总之，这种光束检测定位仪的设计提供了一种精确、可靠和灵敏的方法来测量光束的角度和位移，取得了显著的技术进步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光束检测定位仪光路图；
图2是本发明实施例提供的成像原理图；
图3是本发明实施例提供的整机结构图；
图4是本发明实施例提供的光束检测定位仪组件位置；
图5是本发明实施例提供的光束检测定位仪主视图；
图6是本发明实施例提供的光束检测定位仪俯视图；
图7是本发明实施例提供的光束检测定位仪侧视图；
图中：1、第一面阵探测器；2、第二面阵探测器；3、分光棱镜；4、准直物镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的成像原理图(图2)显示光束通过准直物镜4后，如何被分光棱镜3分成两部分，并在第一面阵探测器1和第二面阵探测器2上形成光斑。此外，它还包括如何计算光束的角度和位置变化的信息。
整机结构图(图3)显示了光束检测定位仪的所有组件以及它们的相对位置。这包括准直物镜、分光棱镜、以及两个面阵探测器的位置。
光束检测定位仪组件位置(图4)详细描述了每个组件的确切位置以及它们在设备中的位置关系。
光束检测定位仪主视图(图5)，光束检测定位仪俯视图(图6)，以及光束检测定位仪侧视图(图7)从不同的角度展示设备的外观，包括所有重要的组件，例如准直物镜、分光棱镜、以及两个面阵探测器的外部布局。
在设备中，准直物镜4是第一个遇到光束的组件。它的任务是将光束聚焦到一个特定的点。
然后，分光棱镜3将这个聚焦的光束一分为二，将其分散到两个不同的方向上。
接下来，有第一面阵探测器1和第二面阵探测器2。每一个面阵探测器都被放置在一个焦平面的位置，分别接收两个由分光棱镜分散出来的光束。它们都将各自的光斑的能量转换成电信号，并测量光斑的质心位置。
当光束的角度或者位置发生变化时，面阵探测器接收到的光斑位置也会随之变化。通过对比和分析两个面阵探测器接收到的信号，可以计算出光束的角度和位置偏移。
因此，在这种布局下，准直物镜4处于输入端，第一面阵探测器1和第二面阵探测器2处于输出端，分光棱镜3则处于这两者之间，负责将聚焦的光束分散到两个面阵探测器上。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种串联芯片间的数据同步优化方法、***、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
1、硬件整体方案
本发明实施例提供的光束检测定位仪采用双光路前后离焦光路测量激光光束的角度和位置偏移。
光束检测定位仪的光路如图1所示，光束透过准直物镜4汇聚，准直物镜4后安装的分光棱镜3将汇聚光束一分为二，并在两个方向的焦平面位置汇聚成最小光斑。两个面阵探测器分别位于两个焦平面的焦前和焦后，接收其弥散斑光斑的能量，并测量两个弥散光斑的质心位置。当入射光束的角度或者位移发生改变时，两个面阵探测器接收到的光斑位置也会随之改变，通过两个光斑的位移量的规律，可以计算出入射光束的角度和位移量。
机械加工件采用铝合金材料，铝合金低密度高强度，经过热处理之后具有良好的机械性能、物理性能及抗腐蚀性，在不影响稳定性的前提下对部分模块做了镂空处理减少了材料总重，保证了整机的稳定性与重量限制。同时仪器整机的底座采用了研磨处理，控制底面的平面度可以作为整机的安装基准面。
2、软件总体方案
本发明实施例提供的光束检测定位仪，软件方面采用C++作为编程语言，一方面原因是软件需要调用面阵探测器、直线模组驱动器等硬件模块的SDK动态链接库，使用C++调用最直接，不需要再次封装，并且调用的是原生接口，实现功能更灵活，且运行效率高；其次C++采用面向对象的结构化程序设计，用来实现程序层次分明，代码结构清晰容易维护；并且C++依赖的组件及静态/动态链接库更少，代码部署更方便。
软件核心模块采用面向接口的编程理念，在架构上做到前后端最大程度解耦，软件整体分为三层：底层硬件控制及数据采集、中层数据处理及传输、上层数据显示及交互性操作，合理的分层使每个模块的修改或更新不会影响其他模块的正常运行。同时软件底层采用插件式加载模式，在接口不变的情况下，升级或者更改硬件，只需对插件重新发布，其他部分不需要做任何改变。
针对光束检测定位仪的目标图像做数字处理，对原始图采用图像细分拟合手段提取到目标特征，得到目标的亚像素精确位置。
根据光束经过透镜的成像原理，如图2所示，推导具有角度和偏移的光束经过准直物镜4后的成像公式，并反推出入射光束的角度偏转和位置偏移量；根据图2所示成像光路，可得基础成像公式：
式中，h是阵探测器上测量的光斑位移量，d是探测器与焦面的距离，f是准直物镜的有效焦距，A是角度，H是位移。
角度与位移计算公式：
式中，d1为第一面阵探测器与焦面的距离，d2为第二面阵探测器与焦面的距离，h1是第一面阵探测器上测量的光斑位移量，h2是第二面阵探测器上测量的光斑位移量，f为准直物镜的有效焦距，A为角度，H为位移。
3、结构方案
本发明实施例提供的光束测量仪，如图3所示，整体结构采用铝合金材料，铝合金低密度高强度，经过热处理之后具有良好的机械性能、物理性能及抗腐蚀性，保证了整机的稳定性与重量限制。
仪器结构主要由两个结构件组成，整机组件与分光镜组件，如图4所示，整机组件固定准直物镜4及两个面阵探测器，分光镜组件固定分光棱镜3，分光镜组件通过螺孔及顶丝可以微调水平、垂直方向角度，装配过程中保证双光路的同轴性。
4、技术攻关的主要内容
(1)双光路离焦***算法
一般的光束测量仪器大体分为无穷远共轭和有限远共轭***，无穷远共轭***对于光束的位置偏移不敏感，只能测量光束角度偏转，如望远镜、自准直仪等；有限远共轭***一般测量的是有限物距目标的位移量，对于其角度偏转不敏感，如显微***、远心***等。本发明实施例提供的光束检测定位仪采用了一种新颖的双光路离焦***来同时测量激光光束的角度偏转和位置偏移，根据光线传输路径，在两个确定离焦量的像面上反算出光束的角度偏转量和位移量。
(2)光学目标提取的精确度
光束检测定位仪的测量精度与稳定性主要取决于其目标位置提取的精度，由于本方案采用的离焦的测量***，故激光光束在探测器上的成像并不是一个完美汇聚的小光斑，而是一个弥散斑，故这里需要对弥散斑进行图形处理，从而得到精确的目标位置。
(3)整机重量限制
由于光束检测器的工作状态是作为一个单独使用仪器，或者作为传感器集成在其他***中，故对整机的重量做出了限制。
5、关键技术及解决途径
准直的激光光束通过准直物镜4汇聚在物镜的焦平面上，焦平面上的汇聚点只会对光束的角度变化敏感，当光束角度偏转时汇聚光斑会按tan关系位移，当光束平移时光斑位置不发生变化。离焦的平面不仅对光束偏转角度敏感，对光束的平移也敏感，最终平面上的光斑位置是角度和平移变化量的综合值。但从一个离焦平面的光斑位移量并不能解析出光束的角度和平移变化量，所以在准直物镜4之后，通过分光镜，激光光束在两个不同离焦量的平面汇聚，由两个面阵探测器接收，并通过两组成像公式解析出激光光束的角度偏转与平移值，具体过程如图2所示。
根据以上成像光路，可得基础成像公式：
式中，h是阵探测器上测量的光斑位移量，d是探测器与焦面的距离，f是准直物镜的有效焦距，A是角度，H是位移。
两个探测器分别位于距离焦面d1和d2的位置，从上述公式推导光束的角度与位移计算公式，其中h1和h2分别是两个探测器上测量的光斑位移量，f是准直物镜4的有效焦距：
式中，d1为第一面阵探测器与焦面的距离，d2为第二面阵探测器与焦面的距离，h1是第一面阵探测器上测量的光斑位移量，h2是第二面阵探测器上测量的光斑位移量，f为准直物镜的有效焦距，A为角度，H为位移。
光束检测定位仪接收到的是两幅激光光束的在准直物镜4焦面±5mm的汇聚圆形光斑，最终成像的光斑直径在130μm～260μm。这里的目的是提取圆形光斑的圆心位置，常用的算法有质心法、霍夫圆形检测以及边缘拟合等方法，这里我们使用边缘拟合圆的方式，通过光斑边缘亮度的梯度信息，提取光斑亚像素的边缘信息，将这些边缘信息连接为一个完整的轮廓，对轮廓进行圆形拟合，最终提取拟合圆的圆心位置。这种算法受亮度变化以及光斑形状影响较小，实测最终精度可优于1/5像素，按目前面阵探测器的像元4.8微米计算即1微米。
通过前面推导的角度和位移量计算公式，即下列公式：
式中，d1为第一面阵探测器与焦面的距离，d2为第二面阵探测器与焦面的距离，h1是第一面阵探测器上测量的光斑位移量，h2是第二面阵探测器上测量的光斑位移量，f为准直物镜的有效焦距，A为角度，H为位移。
其中***参数d1＝5mm，d2＝-5mm，f＝50mm，代入上述公式计算可得测量精度为δA＝0.001°，δH＝0.001mm。
机械加工件采用铝合金材料，铝合金低密度高强度，经过热处理之后具有良好的机械性能、物理性能及抗腐蚀性。结构设计中，在不影响仪器稳定性的前提下，对非关键部件采用了镂空等方式，降低了材料的总体积，最终保证了整机的稳定性与重量限制。整机重量目前为0.8kg，满足1.5kg以下的要求。
6、关键工艺及解决途径
双探测器离焦量标定：用宽光束准直光束作为目标光源，通过测角法，标定两个面阵探测器的准确离焦量。
标定需要用到的仪器有：
(1)精度±1秒的转台
(2)口径大于35mm的平行光管
将光束检测定位仪入光口放置在转台工作台面中轴，将平行光管对准仪器入光口。打开平行光管的光源使其发出平行光，通过转台台面的俯仰调节旋钮调整光束检测定位仪的姿态使两个探测器接收到的目标分别位于其视场中央，并且当转台水平旋转时候，光束检测定位仪的y方向数据保持不动。记录当前的像素位置(x01,y01)和(x02,y02)以及转台的当前角度值R0，即第一面阵探测器1的x初始位置和y初始位置，第二面阵探测器2的x初始位置和y初始位置，旋转转台台面使成像位置到视场的左边缘，记录光束检测定位仪两个探测器的成像像素位置(x11,y11)和(x12,y12)以及转台的旋转角度位置R1；接着旋转转台台面使成像位置平移至视场右边缘，再次记录光束检测定位仪两个探测器的成像像素位置(x21,y21)和(x22,y22)以及转台的旋转角度位置R2，代入以下公式
式中，h是阵探测器上测量的光斑位移量，d是探测器与焦面的距离，f是准直物镜的有效焦距，A是角度。
h11＝x11-x01(左视场时第一面阵探测器1的偏移量)
h12＝x12-x01(右视场时第一面阵探测器1的偏移量)
h21＝x21-x02(左视场时第二面阵探测器2的偏移量)
h22＝x22-x02(右视场时第二面阵探测器2的偏移量)
A1＝R1-R0(左视场时转台的角度值)
A2＝R2-R0(右视场时转台的角度值)
f＝50mm为***的有效焦距
将实测值代入公式，即可计算出探测器距焦面的实际偏移量。
7、关键元器件
(1)准直物镜
准直物镜4采用最佳外形透镜，对于准直激光光束有最好的成像效果。对于球面透镜，给定的焦距可由前后表面的曲率半径的不同组合得到。每一种表面组合都会导致不同的球面误差。最佳外形透镜都会对每一个表面的曲率半径进行最优化选择以达到最小的球面误差，使其用于无限共轭。
(2)面阵探测器
面阵探测器用于接收***的光学目标像，上位机通过USB接口从面阵探测器将图像灰度矩阵采集到上位机内存中，从而可以在上位机做任意的图像处理算法。面阵探测器一般有CCD、CMOS和PSD等，本发明选用CMOS作为探测器。
CMOS称为互补式金属氧化物半导体
(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩写作CMOS)，
是一种集成电路的设计工艺，可以在硅质晶圆模板上制出NMOS(n-type MOSFET)和PMOS(p-type MOSFET)的基本元件，用来制作电脑电器的静态随机存取内存、微控制器、微处理器与其他数字逻辑电路***、以及除此之外比较特别的技术特性，使它可以用于光学仪器上，例如互补式金氧半图像传感装置在一些高级数码相机中变得很常见。
(3)分光棱镜
分光棱镜3为立方分光棱镜，包含一对精确高容差直角棱镜，相互胶合在一起，并且在各棱镜的斜边面上涂有金属介质，将一束水平方向的光分为水平和垂直两个方向，并可以根据不同的镀膜要求产生不同的分光比。
立方分光棱镜用于将一束激光等比分为两束光，分别在两个面阵探测器上成像。
尺寸为：20mm*20mm*20mm
材料：N-BK7
尺寸公差：﹢0/-0.1mm
厚度公差：±0.1mm
角度公差：＜30″
分光比：50/50
工作波段：350nm～1100nm。
在智能化改进上述技术方案及智能化方案的详细的信号和数据的处理过程中，可以应用先进的计算机视觉技术和机器学习算法。下面是一个优化的实现方案：
1)数据采集和预处理模块：当光束入射到两个面阵探测器上时，探测器将能量转化为电信号，这些信号被记录下来并转化为数字化数据。预处理包括噪声滤波和基线校正，以提高数据质量。
2)光斑定位模块：使用计算机视觉技术，如边缘检测和形态学操作，来检测和定位光斑的质心位置。这些操作可以在每个探测器接收到的图像上执行，以确定光斑的确切位置。
3)角度和位移计算模块：利用已知的几何关系和光学原理，计算出光束的角度和位移。这涉及到复杂的数学模型，包括三角计算和反向光线追踪。
4)机器学习优化模块：使用机器学习算法，如神经网络或支持向量机，来优化角度和位移的计算。这可以通过训练模型来识别特定的光斑模式和相应的角度和位移，然后在实际操作中使用这个模型来预测光束的角度和位移。
5)反馈和校正模块：将计算出的角度和位移与实际的角度和位移进行比较，然后根据差异进行校正。这涉及到调整探测器的位置或改变光束的方向。
6)智能决策模块：根据光束的角度和位移，***可以做出决策，例如调整光束的方向，改变***设置，或者发送警报。
这个过程需要大量的计算资源和精确的硬件，但可以提高光束定位的准确性和可靠性。
以下是两个具体的实施例以及其具体实施方案：
实施例一：
在一种光束检测定位仪中，光束首先通过一个准直物镜，将其汇聚。紧接着，汇聚后的光束通过分光棱镜分成两路，分别向两个方向传播，并在两个焦平面位置汇聚成最小的光斑。两个面阵探测器分别安置在这两个焦平面的前后，可以接收弥散光斑的能量，并测量两个弥散光斑的质心位置。当入射光束的角度或者位移发生变化时，两个面阵探测器接收到的光斑位置也会随之改变。通过分析这两个光斑的位移量的变化规律，就可以精确计算出入射光束的角度和位移量。
1.光源发出的光束先通过准直物镜汇聚；
2.准直物镜后的分光棱镜将汇聚后的光束一分为二；
3.在两个焦平面位置上，各有一个面阵探测器；
4.当入射光束的角度或者位移发生变化时，两个面阵探测器接收到的光斑位置也会随之改变；
5.通过分析两个光斑的位移量的变化规律，可以计算出入射光束的角度和位移量。
实施例二：
光束检测定位仪包括硬件和软件两部分。硬件部分使用铝合金材料，具有低密度、高强度、良好的机械性能和抗腐蚀性。热处理后的铝合金经镂空处理，既降低了总重，又保证了整机的稳定性。软件部分分为三层：底层硬件控制及数据采集，中层数据处理及传输，上层数据显示及交互性操作。软件底层采用插件式加载模式，易于硬件的升级或更改。在数据处理中，采用图像细分拟合手段对原始图像进行数字处理，提取目标特征，得到目标的亚像素精确位置。
1.选用铝合金材料进行机械加工，制作出硬件部分；
2.通过热处理和镂空处理，既降低了硬件部分的重量，又保证了整机的稳定性；
3.软件部分由三层构成：底层负责硬件控制和数据采集，中层负责数据处理和传输，上层负责数据显示和交互性操作；
4.在数据处理过程中，使用图像细分拟合的方法对原始图像进行处理，提取出目标的特征，进而得到目标的亚像素精确位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光束检测定位仪，其特征在于，包括：
光束透过准直物镜汇聚，准直物镜后安装的分光棱镜将汇聚光束一分为二，并在两个方向的焦平面位置汇聚成最小光斑；
两个面阵探测器分别位于两个焦平面的焦前和焦后，接收弥散斑光斑的能量，并测量两个弥散光斑的质心位置；当入射光束的角度或者位移发生改变时，两个面阵探测器接收到的光斑位置也会随之改变，通过两个光斑的位移量的规律，计算出入射光束的角度和位移量；
所述光束检测定位仪采用的机械加工件采用铝合金材料；定位仪整机的底座采用研磨处理，控制底面的平面度作为整机的安装基准面；
所述光束检测定位仪采用的光束检测定位软件整体分为三层：底层硬件控制及数据采集、中层数据处理及传输、上层数据显示及交互性操作；同时软件底层采用插件式加载模式；针对光束检测定位仪的目标图像做数字处理，对原始图采用图像细分拟合手段提取到目标特征，得到目标的亚像素精确位置；
包括：
1)数据采集和预处理模块：当光束入射到两个面阵探测器上时，探测器将能量转化为电信号，这些信号被记录下来并转化为数字化数据；预处理包括噪声滤波和基线校正；
2)光斑定位模块：使用计算机视觉技术，检测和定位光斑的质心位置；
3)角度和位移计算模块：利用已知的几何关系和光学原理，计算出光束的角度和位移；
4)机器学习优化模块：使用机器学习算法，通过训练模型来识别特定的光斑模式和相应的角度和位移，然后在实际操作中使用这个模型来预测光束的角度和位移；
5)反馈和校正模块：将计算出的角度和位移与实际的角度和位移进行比较，然后根据差异进行校正；
6)智能决策模块：根据光束的角度和位移，***做出决策，调整光束的方向，改变***设置，或者发送警报。
2.如权利要求1所述的光束检测定位仪，其特征在于，所述光束检测定位仪采用双光路前后离焦光路测量激光光束的角度和位置偏移。
3.如权利要求1所述的光束检测定位仪，其特征在于，所述光束检测定位仪结构主要由两个结构件组成，整机组件与分光镜组件；整机组件固定准直物镜及两个面阵探测器，分光镜组件固定分光镜；分光镜组件通过螺孔及顶丝微调水平、垂直方向角度，装配过程中保证双光路的同轴性。
4.如权利要求1所述的光束检测定位仪，其特征在于，所述分光棱镜安装在一个可调的模块中，通过3个顶丝及4个螺丝实现XYZ三个方向的调整和固定，螺孔留有间隙，整体绕Z轴调整旋转角度，通过3个顶丝孔调整绕X和Y方向的旋转，调整好分光棱镜的姿态之后，4个螺丝上厌氧胶固化。
5.如权利要求1所述的光束检测定位仪，其特征在于，所述面阵探测器采用连续可调的微调机构，探测器在安装方孔内滑动调节，每个探测器通过两个U形孔上厌氧胶锁紧。
6.如权利要求1所述的光束检测定位仪，其特征在于，所述光束检测定位仪整机底面经过研磨处理，平面度在2微米以内，作为安装基准，同时有六个螺纹孔位用于锁紧和调节。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311361771.9A CN117190865B (zh) | 2023-10-20 | 2023-10-20 | 一种光束检测定位仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311361771.9A CN117190865B (zh) | 2023-10-20 | 2023-10-20 | 一种光束检测定位仪 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117190865A CN117190865A (zh) | 2023-12-08 |
| CN117190865B true CN117190865B (zh) | 2024-06-18 |
Family
ID=89003585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311361771.9A Active CN117190865B (zh) | 2023-10-20 | 2023-10-20 | 一种光束检测定位仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117190865B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104154882A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-11-19 | 哈尔滨工业大学 | 基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置与方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2851053B2 (ja) * | 1989-03-07 | 1999-01-27 | 株式会社東芝 | 光ビーム入射角検出センサ |
| CH684656A5 (de) * | 1992-05-06 | 1994-11-15 | Baumer Electric Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen und Auswerten von Kanten an Gegenständen. |
| EP1992905A1 (en) * | 2007-05-16 | 2008-11-19 | Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO | Optical sensor with tilt error correction |
| JP5057962B2 (ja) * | 2007-12-25 | 2012-10-24 | 株式会社ミツトヨ | 光学式変位測定器 |
| CN105444878A (zh) * | 2014-09-24 | 2016-03-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种高精度氧碘化学激光远场光束质量测量装置和方法 |
| CN115826214A (zh) * | 2022-11-23 | 2023-03-21 | 之江实验室 | 一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置 |
-
2023
- 2023-10-20 CN CN202311361771.9A patent/CN117190865B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104154882A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-11-19 | 哈尔滨工业大学 | 基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置与方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 应用于激光超声检测的新型光偏转探测技术;白茂森;傅星;Dante Dorantes;金宝印;胡小唐;;传感器与微***;20111020(10);50-55 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117190865A (zh) | 2023-12-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109341546B (zh) | 一种点激光位移传感器在任意安装位姿下的光束标定方法 | |
| CN108050933B (zh) | 角锥棱镜回射光斑定位精度检测装置与方法 | |
| US5196900A (en) | Method and sensor for opto-electronic angle measurements | |
| CN110926364B (zh) | 基于线结构光的叶片检测方法 | |
| CN109556531B (zh) | 一种基于图像信息的点衍射干涉仪光路精确校准***及方法 | |
| CN111580072B (zh) | 测绘仪器和校准测绘仪器的方法 | |
| CN113820823B (zh) | 一种光学反射镜连接结构以及应用该结构的光学载荷批量化集成与检测***和方法 | |
| CN110926365B (zh) | 一种基于线结构光检测物标定方法 | |
| CN106767545A (zh) | 一种高精度高空间分辨角度测量仪及角度测量方法 | |
| CN113588082B (zh) | 一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法 | |
| CN109631827A (zh) | 基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法 | |
| CN109579779A (zh) | 高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法 | |
| CN115202061A (zh) | 一种大口径望远镜的主光学***装调对准方法 | |
| CN115290006A (zh) | 一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的***及方法 | |
| CN115166932A (zh) | 一种大口径长焦距离轴光学***的光轴调整方法 | |
| CN109141868B (zh) | 精密轴系误差运动的测量装置及测量方法 | |
| CN109002567B (zh) | 基于实际光学***装调检测光路的计算机辅助装调方法 | |
| CN112665532B (zh) | 一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置 | |
| CN109974579A (zh) | 光学旋转抛物面基准件阵列中心距离的标定装置 | |
| CN109579776A (zh) | 高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法 | |
| CN117190865B (zh) | 一种光束检测定位仪 | |
| USRE35350E (en) | Method and apparatus for measuring surface distances from a reference plane | |
| Sun et al. | Application of the laser displacement sensor in the large-diameter aspheric parabolic mirror detection | |
| CN111220097B (zh) | 轴孔的同轴度加工误差的光学检测装置及光学检测方法 | |
| Cai et al. | A Lens-Array-Based Measurement Technique for Spatial Angle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |