[发明专利]一种基于光束畸变的三维角度测量系统

说明书

技术领域

本发明属于光电测量领域，涉及一种通过柱透镜组和特殊四面体反射镜使激光束产生畸变的，基于光束畸变的三维角度测量系统。 

背景技术

三维角度测量是几何计量技术的重要组成部分，在光学工程、机械制造、航空航天、军工等领域有着广泛的应用。 

目前，角度测量中精度最高的方法是激光干涉法，但该方法原理上是非线性的，测量范围小，对环境因素要求很高，通常只在实验室中用作对其他仪器方法的标定。 

自准直系统是测量二维角度变形的常见方法，具有系统简单，测量精度高的特点，但无法测量扭转角是该方法的最大不足。 

也有通过其他方法测量扭转角，再和自准直系统整合进行测量三维角度的技术方案，例如：专利号为CN1570554A的中国专利公开了一种“物体三维角度变形的自准直干涉测量系统”，使用高精度光栅干涉产生莫尔条纹，通过条纹的宽度和倾角变化量测出扭转角。但随着工作距离增，光束能量发散，条纹清晰度、对比度下降，因此工作距离受到限制，难以应用于大型外场工作环境。此外，由于该方法是基于光栅干涉原理，测量范围比较小。 

发明内容

为了克服自准直测量方法的无法同时测量三维角度不足，本发明提供了一种基于光束畸变的三维角度测量系统。 

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下： 

一种基于光束畸变的三维角度测量系统，包括： 

基于自准直系统装置，连接到计算机或图像处理电路的固定端，包括激光光源，扩束镜，分光棱镜，CCD探测器；在分光棱镜和扩束镜之间设有方孔光阑； 

与待测物体相链接的移动端，其包括柱透镜组和四面体反射镜； 

所述CCD探测器、分光棱镜、柱透镜组和四面体反射镜位于第一光轴上，激光光源、扩束镜、方孔光阑、分光棱镜位于第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴垂直。 

上述技术方案中，所述柱透镜组由焦距为-f₁的负柱透镜和焦距为f₂的正柱透镜组成，采用伽利略式结构，在x方向上放大率0，在y方向上放大率为A=-f₂/f₁。 

上述技术方案中，所述四面体反射镜的入射面与底面垂直，两个侧面间夹角为120°，侧面与底面的夹角为60°；四面体由光学玻璃制成，入射面左半侧镀半透半反膜，右半侧镀增透膜，底面与两个侧面都镀金属反射膜。 

上述技术方案中，该系统可以根据所述CCD探测器探测到的光斑形变量X₀和Y₀来计算扭转角φ： 

本发明具有以下的有益效果： 

本发明利用柱透镜对光束进行一维方向上的缩放，以及特殊四面体反射镜对光束的90°扭转，使得CCD所探测到光斑的形状和位置随待测物体三维角度变形而改变。通过柱透镜与特殊四面体反射镜使光束发生畸变，可以同时测量三维角度。本发明的基于光束畸变的三维角度测量系统仅用一个主光路就同时实现了三维角度的测量，具有结构简单，测量范围大，工作距离长的特点，适 用于多种环境下的三维角度的测量。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 

图1是本发明基于光束畸变的三维角度测量系统的原理图。 

图2是特殊四面体反射镜结构图。 

图3是柱透镜组结构图。 

图4是光束畸变示意图。 

图5是缩放系数A=2时扭转角与CCD测得光斑形状的关系图。 

图6是扭转角测量原理图。 

图7是俯仰角与航偏角测量原理图。 

图中的附图标记表示为： 

1.准直激光器；2.扩束镜组；3.方孔光阑；4.分光棱镜；5.CCD；6.柱透镜组；7.特殊四面体反射镜。 

具体实施方式

本发明的发明思想为： 

本发明的基于光束畸变的三维角度测量系统，固定端基于自准直系统装置，包括激光光源，扩束镜，分光棱镜，CCD探测器等；在移动端使用柱透镜组和四面体反射镜作为角度测量的敏感装置；此外在分光棱镜和扩束镜之间加装方孔光阑，用于光束整形。