专利名称：基于面阵ccd图像传感器的便携式光电自准直仪及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量仪器，特别涉及一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪。
背景技术：
目前市场上的自准直仪包括机械式自准直仪和光电自准直仪。传统的机械式自准直仪存在人为的瞄准误差和估读误差；光电自准直仪中运用线阵CCD作为光电转换器件， 不能反映被测物二维方向上的角位移，即使两条线阵CCD垂直放置，来实现二维方向的角位移测量，但是要保证两列CCD绝对垂直，同样存在不确定性；对于采用微机控制数据的读取、存储和处理的光电自准直仪，测量系统则过于庞大，便携性差。
发明内容
本发明是针对目前市场上的自准直仪存在的问题，提出了一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪及工作方法，真正实现了光电自准直仪的数字化，二维化，便携化。本发明的技术方案为一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪，包括由反射镜、自准直平行光管组成的光学系统和由面阵CCD图像传感器、嵌入式系统硬件电路以及实时显示液晶组成的硬件电路系统，自准直平行光管包括光源、分划板、分光棱镜、准直透镜，光源发出的光通过分划板及分光棱镜，分划板位于光轴上的点透出的光线经过准直透镜后，出射一束平行光，平行光经平面反射镜反射后，成像于准直物镜的焦平面上，面阵CCD图像传感器置于物镜的等效焦平面处实现光电转换，面阵CCD图像传感器输出图像的数据经采集通道传输到嵌入式系统硬件电路进行数据的存储及处理，最后将计算所得角位移信息和采集的图像实时显示在液晶上。所述嵌入式系统硬件电路包括信号处理电路、数据缓冲电路、嵌入式内核处理器芯片及扩展存储器，面阵CCD图像传感器输出模拟视频信号经信号处理电路，对模拟信号进行放大，滤波和模数转换处理，输出数字信号，传输到数据缓冲电路，而后将整理后数据送入嵌入式内核处理器芯片，对数据进行一步的处理，转移和存储。一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪的工作方法，包括基于面阵 CCD图像传感器的便携式光电自准直仪，具体包括如下步骤
1)当反射镜(1)与光轴垂直，则光线反射后经棱镜(23)反射，自准直仪的十字成像点通过面阵CXD图像传感器(3)将数据送入嵌入式系统硬件电路(4)，成像点标定为理想零位像点，；
2)反射镜⑴面不与光轴垂直，与垂直方向成《角,SP么平行光线经反射镜⑴反射后会与原反射光线成2 角，再灘竟⑶聚焦成像后，在图像传麵3)接受面上实际像点与理想糊象点存在平面距离s ；3)将面阵CCD图像传感器实际采集到的图像数据传输到嵌入式的内核中进行存储、处理，计算，利用光路的几何关系计算出平面镜法线方向相对于准直光学系统主光轴的夹角，
即α = 4，式中为光学系统的像方焦距。 2/ 本发明的有益效果在于本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪及工作方法，简化了系统的结构，缩小了系统的体积，提高了测量效率，可视化的人机界面使得操作使用更加简单，真正实现了光电自准直仪的数字化，二维化，便携化。适用于各种需要高精度测量的场合，作为航空航天，机械制造，计量测试和科学研究等必备的校准测量仪器，广泛用于角度测量，导轨平直度和平行度测量，台面平整度测量以及精密定位等方
图1为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪结构框图2为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中光学系统构成简图； 图3为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中像点和标准零点的相对位置示意图4为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中硬件系统框图； 图5为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中面阵CCD驱动和信号处理电路硬件连接图6为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中DSP内部功能块连接示意图7为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中嵌入了操作系统流程
图8为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中跟踪十字光点位置实时显示在液晶屏示意图；图9为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中定时触发CCD采样流程图10为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中缓冲计数器流程
图11为本发明基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中LCD的显示线程流程图。
具体实施例方式如图1所示为基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪结构框图。该系统包括光学系统和硬件电路系统两大部分。光学系统由自准直平行光管2，反射镜1组成。光学系统的基本测量原理为，一个位于准直透镜后部焦平面上照亮的目标所发出的光线经过透镜后投射到无穷远，遇到反射镜后被反射回来，再由透镜聚焦成像。如果反射镜与光轴垂直，则光线反射后原路返回，像仍落在理想标准点处；若反射镜面不与光轴垂直，原平行光线经反射镜反射后会与原光线成一个角度，再经透镜聚焦成像后与理想标准点不重合，存在一个位移。根据像面上所产生的这一位移，根据光路的几何关系可计算出反射面与光轴的所成角度的变化量。详细原理见光学系统部分。硬件电路系统则包括，面阵CXD图像传感器3，嵌入式系统硬件电路4以及实时显示测量结果的液晶5。测量过程的原理如下定位CCD图像传感器3，确定理想标准像点在 CXD感光阵列的位置元，使得理想标准像点的位置元位于CXD感光窗口中心。当反射光线射到CXD图像传感器3的感光面上成像后，图像的数据经采集通道传输到嵌入式的内核4中进行数据的存储及处理，利用相应的算法函数找到像点在整幅图像的位置，再与理想标准像点的位置信息比较，计算出两个像元位置的距离，再利用几何关系计算出反射面的角位移。最后将计算所得角位移信息和采集的图像显示在液晶TFT屏幕5上，动态测量时，角位移会在IXD上跟踪所成像点实时刷新显示。图2即为基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪中光学系统构成简图。 光源21发出的光通过分划板22及分光棱镜23，分划板22位于光轴上的点透出的光线经过准直透镜M后，出射一束平行光，平行光经平面反射镜1反射后，成像于准直物镜的焦平面上，面阵CXD图像传感器3置于物镜的等效焦平面处实现光电转换。在面阵CXD的感光面上建立坐标系，当反射镜1与光轴垂直，则光线反射后经棱镜23反射，成像于点0，0定为坐标系的原点，标定为理想零位像点，即前所述的理想标准像点；若反射镜面不与光轴垂直，与该方向成《角，那么平行光线经反射镜1反射后会与原
反射光线成2 角，如图2所示，再经透镜M聚焦成像后与原理想零点不重合，在图像传
感器3接受面上像点与理想零位像点0存在距离位移5，<5是实际像点与理想零位像点在传感器平面上的平面距离S。图3中为面阵CXD图像传感器平面上像点和标准零点的相对位置示意图。根据几何光学的基本原理可以得出s = /tan2a|，式中力准直光学系统的像方焦距自准
直仪的应用中一般a角很小，故
权利要求
1.一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪，其特征在于，包括由反射镜 (1)、自准直平行光管(2)组成的光学系统和由面阵CCD图像传感器(3)、嵌入式系统硬件电路(4)以及实时显示液晶(5)组成的硬件电路系统，以及嵌入式系统与图像处理软件部分； 自准直平行光管(2)包括光源(21)、分划板(22)、分光棱镜(23)、准直透镜(M)，光源(21) 发出的光通过分划板(22)及分光棱镜(23)，分划板(22)位于光轴上的点透出的光线经过准直透镜04)后，出射一束平行光，平行光经平面反射镜(1)反射后，成像于准直物镜的焦平面上，面阵CCD图像传感器(3)置于物镜的等效焦平面处实现光电转换，面阵CCD图像传感器(3)输出图像的数据经采集通道传输到嵌入式系统硬件电路(4)进行数据的存储及处理，最后将计算所得角位移信息和采集的图像实时显示在液晶(5)上。
2.根据权利要求1所述基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪，其特征在于，所述嵌入式系统硬件电路(4)包括信号处理电路(41)、数据缓冲电路(42)、嵌入式内核处理器芯片(43)及扩展存储器，面阵CXD图像传感器(3)输出模拟视频信号经信号处理电路(41 )，对模拟信号进行放大，滤波和模数转换处理，输出数字信号，传输到数据缓冲电路 (42)，而后将整理后数据送入嵌入式内核处理器芯片(43)，对数据进行一步的处理，转移和存储。
3.一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪的工作方法，其特征在于，包括基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪，具体包括如下步骤1)当反射镜(1)与光轴垂直，则光线反射后经棱镜(23)反射，自准直仪的十字成像点通过面阵CXD图像传感器(3)将数据送入嵌入式系统硬件电路(4)，成像点标定为理想零位像点，；2)反射镜(1) 面不与光轴垂直，与垂直方向成 ‘角，那么平行光线经反射镜(1)反射后会与原反射光线成2 α角，再经透镜(聚焦成像后，在图像传感器(3)接受面上实际像点与理想零位像点存在平面距离s ；3)将面阵CCD图像传感器实际采集到的图像数据传输到嵌入式的内核中进行存储、处理，计算，利用光路的几何关系计算出平面镜法线方向相对于准直光学系统主光轴的夹角，即《 = A，式中为光学系统的像方焦距。
全文摘要
本发明涉及一种基于面阵CCD图像传感器的便携式光电自准直仪及工作方法，包括由反射镜、自准直平行光管组成的光学系统和由面阵CCD图像传感器、嵌入式系统硬件电路以及实时显示液晶组成的硬件电路系统，面阵CCD图像传感器接收光学系统图像后，输出图像的数据经采集通道传输到嵌入式系统硬件电路进行数据的存储及处理，最后将计算所得角位移信息和采集的图像实时显示在仪器的小面积液晶上。采用嵌入式内核芯片简化了系统的结构，缩小了系统的体积，屏幕实时显示测量结果提高测量效率，可视化的人机界面使得操作使用更加简单，真正实现了光电自准直仪的数字化，二维化，便携化。
文档编号G01B11/26GK102175186SQ20111002463
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者杨园园, 瑚琦, 郑遂, 高鹏飞 申请人:上海理工大学