專利名稱：一種空間三維角度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間角度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對三維空間大角度的測量裝置。
背景技術(shù)：
測角技術(shù)的主要測量方式有機械式、電磁式和光學(xué)測角方法。早期經(jīng)典的機械齒分度臺式與電磁圓磁柵式的測角精度局限，且難以實現(xiàn)自動化；光學(xué)測角方法具有非接觸、 高精確度和高靈敏度，尤其在使用穩(wěn)定的激光光源時其優(yōu)勢更加顯著。目前，光學(xué)測角方法除經(jīng)典光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，還有光電編碼器法、衍射法、自準(zhǔn)直法、光纖法、聲光調(diào)制法、圓光柵法、光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法、平行干涉圖法以及環(huán)形激光法等。雖然這些方法能提供較高的測量精度，但基于此設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)不但比較復(fù)雜，而且在基于光學(xué)成像測量基礎(chǔ)理論的測量系統(tǒng)中，因受環(huán)境光干擾、球差、和像差等影響測量精度，并且這些光學(xué)測角方法對空間角度測量時在保證測量精度的前提下大都局限在小角度范圍、空間一維或者二維角度，故而在工業(yè)實際的應(yīng)用中具有較大的局限性。因此，需要測角精度高、測角范圍較大能同時測量三維角度的測量裝置來滿足工程需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具較大測量范圍的三維空間角度測量裝置，具有強抗環(huán)境光干擾能力、高分辨率、高測量精度和結(jié)構(gòu)緊湊的特點。一種空間三維角度測量裝置，包括激光光源、偏振片、非偏振分光片、偏振分光片、 矩形光柵、圓錐透鏡、圖像傳感器、光電池和數(shù)字信息處理系統(tǒng)；激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過偏振片透射后入射非偏振分光片；經(jīng)非偏振分光片反射的激光經(jīng)過矩形光柵擴(kuò)大衍射級后穿過圓錐透鏡形成無衍射光斑，圖像傳感器捕獲無衍射光斑并傳送給數(shù)字信息處理系統(tǒng)，數(shù)字信息處理系統(tǒng)依據(jù)無衍射光斑計算得到測量對像的水平航角和俯仰角；經(jīng)非偏振分光片透射的激光入射第二偏振分光片，光電池捕獲經(jīng)第二偏振分光片反射的激光強度I1和透射的激光光強強度I2，并將其傳送給數(shù)字信息處理系統(tǒng)，數(shù)字信息處理系統(tǒng)對I1與I2的比值作反正弦計算得到測量對像的滾動角。進(jìn)一步地，非偏振分光片與偏振分光片成45度夾角；矩形光柵與非偏振分光片成 45度夾角；CCD圖像傳感器的光敏面、矩形光柵與圓錐透鏡的底平面相互平行；在偏振分光片的兩側(cè)對稱分布有兩光電池，兩光電池的接收平面成90度夾角。該方法具有以下的優(yōu)點1無衍射光優(yōu)良的定心特性和強的抗環(huán)境光干擾能力，提高了光斑中心的定心精度，光電池的光強線性度非常好，確保了裝置相對于水平面俯仰角、傾斜角與滾動角度的測
量精度。2由于滾動角的測量是時基于光的偏振性理論，滾動角度的測量理論范圍是 0° 90° ；利用矩形光柵將測量范圍擴(kuò)大至原來的至少3倍，俯仰角、傾斜角測量范圍至少可達(dá)士40°，本發(fā)明在保證測量精度的同時大大提高了空間角度的測量范圍。3通過全光學(xué)的方式實現(xiàn)了對空間各個角度的測量，且其結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，易于工程實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明的光學(xué)原理圖；圖3矩形光柵擴(kuò)大測量范圍原理示意具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明較佳實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，實現(xiàn)本實例的所需具體器件透射率為75%的非偏振分光片3、透光率為80%的偏振片2、透光率為50%的偏振片6、圓錐透鏡7、CXD圖像傳感器8、矩形光柵 9、兩塊大光敏面的光電池4與5，偏振片2固定在激光器1上；非偏振分光片3與偏振分光片6兩平面成45度夾角；矩形光柵9與非偏振分光片3也成45度的平面夾角；CCD圖像傳感器8光敏面、矩形光柵9與圓錐透鏡7的底平面相互平行；兩光電池4與5的接受平面成 90度夾角，對稱分布在偏振分光片6的兩側(cè)。本發(fā)明的空間三維角度測量原理如圖2所示。準(zhǔn)直后的激光束經(jīng)由偏振片2入射到透射率為75%分光片3分成兩路。由分光片3反射的形成的那束光強較弱，至矩形光柵 9擴(kuò)大衍射級后(圖3給出了矩形光柵擴(kuò)大測量范圍原理示意圖)，經(jīng)由圓錐透鏡7，產(chǎn)生無衍射光斑，由CCD圖像傳感器8捕獲，通過對無衍射光斑中心坐標(biāo)的計算(其中光斑中心的計算方法可參考“基于圓環(huán)濾波的無衍射光定中算法” 一文)，便可對應(yīng)到本發(fā)明裝置相對于激光光束的在水平面內(nèi)的夾角與傾斜角。透射過分光片3光強較強的那路平行激光透射至透光率為50%的偏振分光片6 后，一部分被光電池4接收，另一部分被光電池5接收；光電池4、5將照射其上的激光強度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電動勢，分別為I1U2 ；根據(jù)光強與滾動角θ對應(yīng)的關(guān)系I2A1 = sin θ，便可計算得出其滾動角。基于無衍射光斑中心坐標(biāo)是通過圖像處理的方法插值擬合計算而得，受CXD圖像傳感器光強線性度工作區(qū)間影響非常小，而且無衍射光其強的抗環(huán)境光的干擾能力，在矩形光柵的拓寬測角范圍時也能保證水平角與傾斜角度的測量精度；光電池的光敏面大，光強線性度工作范圍寬，滾動角測量對應(yīng)光強計算簡單，使得滾動角不但測量范圍大，而且測量精度高。上述實施例是本發(fā)明較佳實施例，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可測的各空間角度范圍高達(dá) 90度，測量精度達(dá)到毫伏度，但不可理解為該實例是本發(fā)明唯一選擇，在于本發(fā)明相同構(gòu)思下，通過改變不同組件的相對角度來實現(xiàn)本發(fā)明，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種空間三維角度測量裝置，包括激光光源、偏振片、非偏振分光片、偏振分光片、 矩形光柵、圓錐透鏡、圖像傳感器、光電池和數(shù)字信息處理系統(tǒng)；激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過偏振片透射后入射非偏振分光片；經(jīng)非偏振分光片反射的激光經(jīng)過矩形光柵擴(kuò)大衍射級后穿過圓錐透鏡形成無衍射光斑，圖像傳感器捕獲無衍射光斑并傳送給數(shù)字信息處理系統(tǒng)，數(shù)字信息處理系統(tǒng)依據(jù)無衍射光斑計算得到測量對像的水平航角和俯仰角；經(jīng)非偏振分光片透射的激光入射第二偏振分光片，光電池捕獲經(jīng)第二偏振分光片反射的激光強度I1和透射的激光光強強度12，并將其傳送給數(shù)字信息處理系統(tǒng)， 數(shù)字信息處理系統(tǒng)對I1與I2的比值作反正弦計算得到測量對像的滾動角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間三維角度測量裝置，其特征在于，非偏振分光片與偏振分光片成45度夾角；矩形光柵與非偏振分光片成45度夾角；CCD圖像傳感器的光敏面、矩形光柵與圓錐透鏡的底平面相互平行；在偏振分光片的兩側(cè)對稱分布有兩光電池，兩光電池的接收平面成90度夾角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間角度測量裝置，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過第一偏振片透射后入射非偏振分光片；經(jīng)非偏振分光片反射的激光經(jīng)過矩形光柵擴(kuò)大衍射級后穿過圓錐透鏡形成無衍射光斑，依據(jù)無衍射光斑計算得到測量對像的水平航角和傾斜角；經(jīng)非偏振分光片透射的激光入射第二偏振分光片，光電池捕獲經(jīng)第二偏振分光片反射的激光強度和透射的激光光強強度，對與的比值作反正弦計算得到測量對像的滾動角。本發(fā)明實現(xiàn)較大范圍的三維空間角度測量，具有強抗環(huán)境光干擾能力、高分辨率、高精度及結(jié)構(gòu)緊湊的特點，可廣泛應(yīng)用于需要空間各角度測量的裝備上。
文檔編號G01C1/00GK102269582SQ20111011529
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者趙斌, 馬國鷺 申請人:華中科技大學(xué)