大型仪器设备的3d辅助装校方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明属于大型仪器设备辅助装校测量领域，涉及一种在线高精度定位安装的辅助测量技术方法和装置。本发明利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至大型仪器设备表面，测量获得变形光栅条纹，辅以计算机内置标准变形光栅图像比较，指导大型精密仪器设备的精确定位安装过程；在大曲率位置，可灵活利用2级或3级的高密度光谱正弦条纹，提高辅助装调精度；高速动态测量过程，可用高清高速镜头辅助实现。
【专利说明】大型仪器设备的3D辅助装校方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于大型仪器设备辅助装校测量领域，涉及一种对大型精密仪器设备的精确定位安装过程，实现在线高精度定位安装的辅助测量方法和装置。
【背景技术】
[0002]飞机、舰船、高铁(动车)车厢、汽车等大型设备的组装、调试均需要辅助装调的测量设备，常用经纬仪等设备对定位方向及定位角度测量，以确定设备的正确安装位置。在汽车等设备装调过程中，使用激光束点扫描技术比较多。涉及到大型设备的动态工作过程，其安装、调试的复杂程度、难度继续增加。甚至为了某个专用设备，而专门设计、制造装校平台及专用的装校辅助测量设备。这类设备主要是由确定方向及角度的激光准直光束、光电码盘及位置、角度传感器及计算机相关软件辅助配合，进行设备的安装、调试。
[0003]专利号200510016796.0专利是相近专利。该专利中，有四项关键技术未能解决。第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；第二，占有输入能量70%以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦靶标图像的对比度；第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性设计，输出的正弦靶标图像像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；第四，平行光输出，限制了测量的视场范围，不利于大面积测量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:提供一种能够有效提高在线测量精度的大型仪器设备的3D辅助装校装置。
[0005]另外，本发明还提供大型仪器设备的3D辅助装校方法。
[0006]本发明的技术方案是:大型仪器设备的3D辅助装校装置，其包括激光器1、光束整形系统2、光栅、单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一 81、精密导轨一 82、全反射镜一 91、全反射镜二 92、精密丝杠二 83、精密导轨二 84、待装校系统10、高清镜头11、计算机及软件处理系统12，其中，光束整形系统2位于激光器I的后面，对激光束扩束、准直、整形；光栅位于光束整形系统2的后面，并使光栅定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上。
[0007]若采用平行光输出，则后续光路设置2块全反射镜，全反射镜一 91位于单色变倍率镜头7后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二 92位于全反射镜一 91后面；全反射镜一 91和全反射镜二 92，均位于精密丝杠二 83和精密导轨二 84上。
[0008]所述光栅为矩形光栅(3)，波片与单色傅立叶变换透镜之间还设置有频谱选择器
(5)。
[0009]所述光栅为正弦光栅。
[0010]小视场直接测量，由全反射镜二 92直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二 92在精密丝杠二 83和精密导轨二 84上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
[0011]若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
[0012]大型仪器设备的3D辅助装校方法，其利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至大型仪器设备表面，使用占空比精确控制制造的光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，测量获得变形光栅条纹，辅以计算机内置标准变形光栅图像比较，指导大型精密仪器设备的精确定位安装过程，实现在线高精度定位安装。
[0013]所述的大型仪器设备的3D辅助装校方法，其具体过程如下:
[0014]a.首先调整激光器1、光束整形系统2、光栅、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件置于精密丝杠一 81和精密导轨一 82上；全反射镜一
91、全反射镜二 92置于精密丝杠二 83和精密导轨二 84上；整个光路系统均按照同轴等高原则；
[0015]b.激光器I选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7 ；
[0016]c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0017]d.光栅，要求占空比不等于1:1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率，便于大曲率位置的比较测量；
[0018]e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器I的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0019]g.波片6，配合激光器I的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片,将零级频谱稱合进I级、2级或3级频谱,提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0020]h.精密丝杠一81、精密导轨一82，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件；
[0021]1.全反射镜一 91、全反射镜二 92，折转光路，通过移动全反射镜二 92，实现大视场扫描;
[0022]j.精密丝杠二83、精密导轨二84，调整及固定全反射镜一91、全反射镜二92，便于实现稳定的大视场扫描；
[0023]k.固定好待装校系统10，计算机及软件处理系统12内置待装校系统的数字光栅投影模型；
[0024]1.高清高速镜头11采集经定待装校系统10输出的变形光栅投影图像，并传输至计算机及软件处理系统12，同内置待装校系统10的数字光栅投影模型的标准变形光栅图像比较，根据比较的误差结果，指导装校进程，并完成设备装校。
[0025]所述光栅为矩形光栅或正弦光栅。
[0026]本发明的优点:本发明针对【背景技术】中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明辅助装校装置示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明:
[0029]请参阅图1，本发明大型仪器设备的3D辅助装校装置包括激光器1、光束整形系统
2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一81、精密导轨一 82、全反射镜一 91、全反射镜二 92、精密丝杠二 83、精密导轨二 84、待装校系统10、高清高速镜头11、计算机及软件处理系统12。其中，光束整形系统2位于激光器I的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上。而且上述激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7全部位于精密丝杠一 81和精密导轨一 82上，以实现精确的位移调节，保证测量精度。另外，所述全反射镜一 91和全反射镜二 92反射面相互对应，且二者相对设置在精密丝杠二 83和精密导轨二 84上。同时全反射镜一 91入射面正对单色变倍率镜头7输出面，全反射镜二 92出射方向对准待装校系统10，本实施方式中，指代的是飞机。另外，计算机及软件处理系统12与高清高速镜头11连接，而高清高速镜头11对准待装校系统10，以捕捉目标。
[0030]当采用本发明对大型设备进行辅助装校装时:
[0031]a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件置于精密丝杠一 81和精密导轨一 82上；全反射镜一 91、全反射镜二 92置于精密丝杠二 83和精密导轨二 84上；待装校系统10、高清高速镜头11置于外部精密丝杠和精密导轨上；整个光路系统均按照同轴等高原则，如图1位置配置，安装调试计算机及软件处理系统12 ；
[0032]b.激光器I选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7 ；
[0033]c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0034]d.矩形光栅3，要求占空比不等于1:1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率，便于大曲率位置的比较测量；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器5即可；
[0035]e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器I的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0036]f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)、数字式微反射镜器件DMD、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
[0037]g.波片6，配合激光器I的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片,将零级频谱稱合进I级、2级或3级频谱,提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0038]h.精密丝杠一81、精密导轨一82，调整及固定激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件；
[0039]1.全反射镜一 91、全反射镜二 92，折转光路，通过移动全反射镜二 92，实现大视场扫描;
[0040]j.精密丝杠二83、精密导轨二84，调整及固定全反射镜一91、全反射镜二92，便于实现稳定的大视场扫描；
[0041]k.固定好待装校系统10，计算机及软件处理系统12内置待装校系统的数字光栅投影模型；
[0042]1.高清高速镜头11采集经定待装校系统10输出的变形光栅投影图像，并传输至计算机及软件处理系统12，同内置待装校系统10的数字光栅投影模型的标准变形光栅图像比较，根据比较的误差结果，指导装校进程，并完成设备装校。
[0043]本发明使用占空比精确控制的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可。本发明主要应用于航天、航空、军事及民用领域，大型设备的辅助装校、调试等工作。
【权利要求】
1.大型仪器设备的3D辅助装校装置，其特征在于包括:激光器(I)、光束整形系统(2)、光栅、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片￠)、单色变倍率镜头(7)、精密丝杠一(81)、精密导轨一(82)，所述激光器(I)、光束整形系统(2)、光栅、单色傅立叶变换透镜(4)、波片￠)、单色变倍率镜头(7)均位于精密丝杠一(81)和精密导轨一(82)上，光束整形系统(2)位于激光器(I)的后面；光栅位于光束整形系统(2)的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜(4)的前焦平面上；波片(6)位于单色傅立叶变换透镜(4)的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头(7)的前焦平面上。
2.根据权利要求1所述的大型仪器设备的3D辅助装校装置，其特征在于，还包括:若采用平行光输出，则后续光路设置2块全反射镜，全反射镜一(91)位于单色变倍率镜头(7)后面，改变光束以垂直方向输出；全反射镜二(92)位于全反射镜一(91)后面；全反射镜一(91)和全反射镜二(92)，均位于精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上。
3.根据权利要求2所述的大型仪器设备的3D辅助装校装置，其特征在于，所述光栅为矩形光栅(3)，波片与单色傅立叶变换透镜之间还设置有频谱选择器(5)。
4.根据权利要求2所述的大型仪器设备的3D辅助装校装置，其特征在于，所述光栅为正弦光栅。
5.根据权利要求2所述的大型仪器设备的3D辅助装校装置，其特征在于，小视场直接测量，由全反射镜二(92)直接输出正弦光强靶标图像即可；大视场测量，需要利用全反射镜二(92)在精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上进行视场扫描，并对输出的变形条纹进行视场拼接，扫描结果综合整体分析。
6.根据权利要求2所述的大型仪器设备的3D辅助装校装置，其特征在于，若采用非平行光输出，则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面，根据视场的范围，确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置，输入系统测量，并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置，对输出数据进行修正。
7.大型仪器设备的3D辅助装校方法，其特征在于，利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至大型仪器设备表面，使用占空比精确控制制造的光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，测量获得变形光栅条纹，辅以计算机内置标准变形光栅图像比较，指导大型精密仪器设备的精确定位安装过程，实现在线高精度定位安装。
8.根据权利要求7所述的大型仪器设备的3D辅助装校方法，其特征在于，具体过程如下: a.首先调整激光器(I)、光束整形系统(2)、光栅、单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)等器件置于精密丝杠一(81)和精密导轨一(82)上；全反射镜一(91)、全反射镜二(92)置于精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上； b.激光器(I)选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量，及单色傅立叶变换透镜(4)、波片￠)、单色变倍率镜头(7)的单色匹配设计，当选择不同波长的激光器时，配备相匹配的单色傅立叶变换透镜(4)、波片￠)、单色变倍率镜头(7)； c.光束整形系统(2)，采用激光扩束器设计方式，降低入射到光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器(I)的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺； d.光栅，要求占空比不等于1:1; e.单色傅立叶变换透镜(4)和单色变倍率镜头(7)，均需配合激光器(I)的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求； g.波片￠)，配合激光器(I)的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片,将零级频谱稱合进I级、2级或3级频谱,提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量； h.精密丝杠一(81)、精密导轨一(82)，调整及固定激光器(I)、光束整形系统(2)、光栅、单色傅立叶变换透镜(4)、波片￠)、单色变倍率镜头(7)； 1.全反射镜一(91)、全反射镜二(92)，折转光路，通过移动全反射镜二(92)，实现大视场扫描； j.精密丝杠二(83)、精密导轨二(84)，调整及固定全反射镜一(91)、全反射镜二(92)，便于实现稳定的大视场扫描； k.固定好待装校系统(10)，计算机及软件处理系统(12)内置待装校系统的数字光栅投影模型； 1.高清高速镜头(11)采集经定待装校系统(10)输出的变形光栅投影图像，并传输至计算机及软件处理系统(12)，同内置待装校系统(10)的数字光栅投影模型的标准变形光栅图像比较，根据比较的误差结果，指导装校进程，并完成设备装校。
9.根据权利要求8所述的大型仪器设备的3D辅助装校方法，其特征在于，所述光栅为矩形光栅或正弦光栅。
【文档编号】G01C15/00GK104374380SQ201410654117
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】任旭升, 李县洛, 腾霖, 陈勇 申请人:中国航空工业第六一八研究所