一种三维小角度测量装置及其用于动态测量三维角度变化量的方法
【专利摘要】本发明涉及一种三维小角度测量装置及其用于动态测量三维角度变化量的方法。三维小角度测量装置包括发射/接收装置、反射装置和数据处理计算机，发射/接收装置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱镜A、测量镜头和光电探测器。LED光源发出的光，通过十字型通光、分光棱镜A后，再经测量镜头准直后入射至反射装置的反射面，然后反射回测量镜头，最后经分光棱镜A入射到光电探测器。本发明提出的装置能分辨滚动角的微小变动量，实现对空间三维小角度的测量；准直光发射和接收共用一个测量镜头，光学结构简单紧凑；利用多矢量姿态估计的算法计算姿态矩阵，获得三维角度的实时变化量，具有计算量小精度高的特点。
【专利说明】一种三维小角度测量装置及其用于动态测量三维角度变化量的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学精密测量领域，尤其涉及一种三维角度测量装置及其用于精确测量三维小角度变化量的方法。
【背景技术】
[0002]角度测量是工业生产、质量控制等环节中至关重要的一步，通常可以分为静态测量和动态测量两种。静态测量是指对加工或装配成的零组件角度以及仪器转动后恢复至静态等条件下的角位置的测量。动态角度测量是指对物体或系统在运动过程中，即设备在一定角速度和角加速度运动条件下的实时角度信号的测量，如卫星轨道对地球赤道面的夹角、精密设备主轴转动时的轴线角漂移。
[0003]小角度测量一般指10°以下甚至几十角秒的角度测量，其特点是测量范围小、测量精度高，测量误差一般为I"?r，甚至可达0.1"或更小。光学测量方法具有测量准确度高和非接触测量以及灵敏度高等特点，被广泛应用于小角度的测量，在某些场合下正在逐渐取代传统的机械式和电磁式测量方法。目前，常用的光学测角方法主要有光学分度头法、多面棱体法、光电编码法、自准直法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激光法等。其中，光学准直法(包括自准直法)是一种应用相对较多的高精度小角度的测量方法。其优点是，原理简单，应用较为方便，测量精度和测量灵敏度高。但是，上述的测角方法通常只适用于一维或二维角度测量，不能实现对滚转角的测量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种非接触式的三维小角度测量装置及其用于精确测量三维小角度变化量的方法，以实现待测点与基准之间三维小角度变化量的高精度(角秒级)动态测量。
[0005]本发明的三维小角度测量装置，包括发射/接收装置、反射装置和数据处理计算机。发射/接收装置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱镜A、测量镜头和光电探测器。LED光源发出的光，通过十字型通光、分光棱镜A后，再经测量镜头准直后入射至反射装置的反射面，然后反射回测量镜头，最后经分光棱镜A入射到光电探测器；数据处理计算机与光电探测器连通，实时采集图像数据并解算反射装置相对于发射/接收装置的三维角度变化量。
[0006]所述的L ED光源中心波长为632.8nm ；
所述的十字型通光孔位于测量镜头与分光棱镜A组合而成的光具组的焦点位置；
所述的分光棱镜A边长为20mm，玻璃材料为BK7，与测量镜头同轴安装，与测量镜头最后一个光学面相距35.5mm ；
所述的测量镜头包含6个普通球面镜透镜，所述6个球面镜透镜的球面形状、厚度、材料参数为:曲面1:曲率半径167.731mm，厚度20.468mm, 口径100mm，玻璃折射率1.43，玻璃阿贝系数95.0 ;
曲面2:曲率半径-286.907mm, 口径IOOmm ；
间隔 I:17.482mm ；
曲面3:曲率半径-247.520mm，厚度8.344mm, 口径100mm，玻璃折射率1.80，玻璃阿贝系数42.4 ；
曲面4:曲率半径1255.162mm, 口径IOOmm ；
间隔 2:11.083mm
曲面5:曲率半径137.666mm，厚度13.163mm, 口径85mm，玻璃折射率1.49，玻璃阿贝系数 70.4 ;
曲面6:曲率半径1571.168mm, 口径85mm ；
间隔 3:144.138mm ；
曲面7:曲率半径-94.840mm，厚度4.504mm, 口径40mm，玻璃折射率1.52，玻璃阿贝系数 64.1 ;
曲面8:曲率半径-135.891mm, 口径40mm ；
间隔 4:48.151mm ；
曲面9:曲率半径-69.725，厚度4.914mm, 口径40mm，玻璃折射率1.71，玻璃阿贝系数53.8 ；
曲面10:曲率半径126.670，口径40mm ；
间隔 5:3.589mm
曲面11:曲率半径109.210，厚度18.861mm, 口径40mm，玻璃折射率1.59，玻璃阿贝系数 35.5 ;
曲面12:曲率半径-123.015，口径40mm ；
所述的光电探测器的光敏面位于测量镜头与分光棱镜A组合而成的光具组的离焦面上，所述的离焦面在不同视场位置的弥散斑90%能量集中于5X5探测器像元的内，且不同视场位置点列图均方根半径值的差值小于Iym;
所述反射装置，包括四个平面反射镜和一个分光棱镜B，四个平面反射镜两个为一组，组成夹角为180° - 2Φ的组合反射镜A和组合反射镜B，分布于分光棱镜B的相邻两则；发射/接收装置发出的平行光经分光棱镜B后分成两束，分别入射至组合反射镜A和组合反射镜B，反射光再次经分光棱镜B后返回，返回发射/接收装置。
[0007]用本发明的装置动态测量三维小角度变化量的方法，其特征在于，包括以下步骤:
(I)建立坐标系:
建立基准坐标系F、光电探测器成像面坐标系MV、组合反射镜A和B对应的坐标系FA和FB如下:
成像面坐标系《V的坐标原点为光电探测器像面左上角顶点，u和V分别对应光电探测器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；
基准坐标系F记为XYZ，Z轴为此时的测量镜头光轴方向，Y轴垂直于探测器成像面背向分光棱镜A, X轴由左手定规确定；组合反射镜A对应的坐标系FA记为XaYaZa，Ya轴沿组合反射镜A两平面反射镜的交线，Za轴背向分光棱镜B，YaZa平面平分两平面反射镜的夹角，且Xa轴由左手定规
确定，因此，组合反射镜A的两个反射面巧、IV2的法线在坐标系FA中的方向矢量分别为B1 = [O sm炉-cospf和《2 = [0 -sm<p -cos;其中，上标j.表示向量或矩阵的转置；类似FA’建立组合反射镜B对应的坐标系FB，并记为XbYbZb，则组合反射镜B的两个反射面Ar3、M的法线在坐标系FB中的方向矢量分别为《3 = [O Sin^P -Mspf和
H4= [O ---?φ -COS^]* ；
(2)标定坐标系FA与坐标系FB的关系:
2.1图像采集
静态条件下，采集经反射装置反射回的十字光斑图像左。幅，毛)取值为10~100 ；
2.2十字光斑定位
根据文献《根据边缘梯度方向的十字丝目标快速自动检测》(2004年发表于《光学技术》第30卷第3期)提出的十字丝目标快速识别算法，提取十字光斑在光电探测器成像面坐标系MV中的位置；并将&幅图像十字光斑的位置的均值作为最终十字光斑位置，记为
(?,?),其中hi,2,3，4，分别对应经反射面巧发射回的准直光线成像的十字光斑；
2.3计算坐标系FA在坐标系F中的姿态矩阵Mil
入射方向向量为sO的准直光，经反射面Affc反射后,反射光方向为Wji:
【权利要求】
1.一种三维小角度测量装置，包括发射/接收装置、反射装置和数据处理计算机，发射/接收装置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱镜A、测量镜头和光电探测器，其特征在于，LED光源发出的光，通过十字型通光、分光棱镜A后，再经测量镜头准直后入射至反射装置的反射面，然后反射回测量镜头，最后经分光棱镜A入射到光电探测器；数据处理计算机与光电探测器连通，实时采集图像数据并解算反射装置相对于发射/接收装置的三维角度变化量； 所述的光电探测器的光敏面位于测量镜头与分光棱镜A组合而成的光具组的离焦面上； 所述反射装置，包括四个平面反射镜和一个分光棱镜B，四个平面反射镜两个为一组，组成夹角为180° - 2Φ的组合反射镜A和组合反射镜B，分布于分光棱镜B的相邻两则；发射/接收装置发出的平行光经分光棱镜B后分成两束，分别入射至组合反射镜A和B，反射光再次经分光棱镜B后返回，返回发射/接收装置。
2.根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述的LED光源中心波长为 632.8nm。
3.根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述的十字型通光孔位于测量镜头与分光棱镜A组合而成的光具组的焦点位置。
4.根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述的分光棱镜A与测量镜头同轴安装，与测量镜头最后一个光学面相距35.5mm。
5.根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述的测量镜头包含6个普通球面镜透镜。
6.根据权利要求1所述的三`维小角度测量装置，其特征在于，所述离焦面在不同视场位置的弥散斑90%能量集中于5X5探测器像元的内，且不同视场位置点列图均方根半径值的差值小于I μ m。
7.三维小角度测量装置应用于动态测量三维角度变化量的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)建立坐标系: 建立基准坐标系F、光电探测器成像面坐标系《V、组合反射镜A和B对应的坐标系FA和FB如下:坐标系MV的坐标原点为光电探测器像面左上角顶点，U和V分别对应光电探测器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F记为XYZ, Z轴为此时的测量镜头光轴方向，Y轴垂直于探测器成像面背向分光棱镜A, X轴由左手定规确定； (2)标定坐标系FA与坐标系FB的关系: ` 2.1图像采集 静态条件下，采集经反射装置反射回的十字光斑图像左。幅，毛)取值为10~100 ； ` 2.2十字光斑定位 根据十字丝目标快速识别算法，提取十字光斑在光电探测器成像面坐标系《V中的位置；并将A幅图像十字光斑的位置的均值作为最终十字光斑位置，记为(?,?),其中 t = l，2,3,4，分别对应经反射面Ffc发射回的准直光线成像的十字光斑；， 2.3计算坐标系FA在坐标系F中的姿态矩阵Aia 入射方向向量为sO的准直光，经反射面-?反射后,反射光方向为W1.:
wJfc= [wUfc W2Jfc >%fc] = so-2C?*.e%)%(I) 式(I)中，表示矢量％点乘矢量七； 在坐标系F中，%和tl勺表达式分别为
【文档编号】G01C1/00GK103630108SQ201310649534
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】刘海波, 张小虎, 于起峰, 张跃强, 苏昂 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学