一種以激光為光源的高精度長距離ccd雙軸自準(zhǔn)直儀的制作方法
【專利摘要】一種以激光為光源的高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀，包括底座，底座上安裝物鏡管，物鏡管前端設(shè)有反射鏡，所述物鏡管包括自準(zhǔn)直儀物鏡頭、分光棱鏡、透光小十字分劃板、聚光鏡、毛玻璃、激光光源、線路板燈源座、激光燈電源線、CCD數(shù)據(jù)處理電纜線、CCD圖像傳感器，CCD數(shù)據(jù)處理電纜線連接電腦。解決了長距離測量光能量不足、空氣折射率不一致、空氣擾動(dòng)不確定、環(huán)境溫漂帶來影響的問題，采用激光為光源，小十字分劃板成像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度0-20米距離的小角度位移測量，具有測量反射面小、精度高、穩(wěn)定性好、測量距離長、找像方便的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于精密光學(xué)、精密機(jī)械、航空航天、造船、軍工等眾多領(lǐng)域。
【專利說明】—種以激光為光源的高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種以激光為光源的高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀。

【背景技術(shù)】
[0002]自準(zhǔn)直儀最初發(fā)展在上世紀(jì)50年代，采用自準(zhǔn)直法為基本原理，用測微系統(tǒng)對被測件的角位移進(jìn)行精密測量的光學(xué)儀器，隨著科技的進(jìn)步和測量要求的提高，先后發(fā)展了光學(xué)自準(zhǔn)直儀，光學(xué)自準(zhǔn)直儀的分度值有約I分到數(shù)十秒，精度最低。光電自準(zhǔn)直儀，當(dāng)以光電瞄準(zhǔn)代替人工瞄準(zhǔn)時(shí)，就稱為光電自準(zhǔn)直儀，精度較傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀有所提高。數(shù)字自準(zhǔn)直儀，基于DSP，計(jì)算機(jī)及CCD或CMOS技術(shù)的新式自準(zhǔn)直儀。使用發(fā)光二極管(LED)作光源，其測量精度高，穩(wěn)定性好，但是測量距離都在10米以內(nèi)。對于10米以上的高精度長距離小角度位移測量，上述自準(zhǔn)直儀無法滿足測量要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型其目的就在于提供一種以激光為光源的高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀，解決了長距離測量光能量不足、空氣折射率不一致、空氣擾動(dòng)不確定、環(huán)境溫漂帶來影響的問題，采用激光為光源，小十字分劃板成像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度0-20米距離的小角度位移測量，具有測量反射面小、精度高、穩(wěn)定性好、測量距離長、找像方便的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于精密光學(xué)、精密機(jī)械、航空航天、造船、軍工等眾多領(lǐng)域。
[0004]實(shí)現(xiàn)上述目的而采取的技術(shù)方案，包括底座，底座上安裝物鏡管，物鏡管前端設(shè)有反射鏡，所述物鏡管包括自準(zhǔn)直儀物鏡頭、分光棱鏡、透光小十字分劃板、聚光鏡、毛玻璃、激光光源、線路板燈源座、激光燈電源線、CCD數(shù)據(jù)處理電纜線、CCD圖像傳感器，CCD數(shù)據(jù)處理電纜線連接電腦。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)。
[0006]I)采用激光器作CCD自準(zhǔn)直儀光源，激光器體積小、抗震性強(qiáng)、效率高、并且激光器光強(qiáng)容易調(diào)制，配合變阻器調(diào)制電壓，使得大尺寸范圍內(nèi)光強(qiáng)變化量可以通過改變變阻器阻值大小來調(diào)整光亮度，使得長距離與近距離測量時(shí)，CXD像面都能獲得一致的光亮度，使得近距離和長距離測量時(shí)圖像保持一致狀態(tài)，為數(shù)據(jù)處理提供了穩(wěn)定的圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)了近距離和遠(yuǎn)距離的高精度的穩(wěn)定測量；采用激光光源還有一個(gè)有利情況，就是在反射面很小時(shí)(例如:多面棱體反射面)，都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測量，可用筆記本電腦直接供電，簡化了激光器電源設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體激光器在長距離測量時(shí)，有足夠的光亮度，很好的解決了長距離測量時(shí)光能量不足的問題；
[0007]2)透光小十字分劃板成像，解決了近距離和遠(yuǎn)距離測量時(shí)圖像的不一致問題，國內(nèi)原有設(shè)計(jì)大部分是透光十字分劃板十字像充滿CCD像面，在5米以內(nèi)距離測量時(shí)，圖像變化不大，但是隨著距離的拉長，由于斜平行光原理，十字像邊緣的信號將會(huì)丟失，隨著測量距離的拉長，反射光在CCD像面上的十字像會(huì)越來越小，由于這種情況的存在，使得圖像處理變的非常復(fù)雜，導(dǎo)致只能近距離的測量，小十字分劃板的設(shè)計(jì)，很好的解決了這個(gè)問題，近距離和遠(yuǎn)距離測量時(shí)圖像都能保持一致，方便了數(shù)據(jù)處理；
[0008]3)裝配調(diào)試方便，生產(chǎn)周期短，光路系統(tǒng)調(diào)試完畢后，直接把調(diào)試好的完整程序安裝到筆記本電腦里，連接數(shù)據(jù)線，調(diào)整好相關(guān)參數(shù)，可以出廠使用，簡化了使用DSP及FPGA數(shù)字處理硬件系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)試，降低了生產(chǎn)成本，而且還具有體積小，重量輕，方便攜帶和使用等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。
[0010]圖1為本裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為本裝置自準(zhǔn)直光路不意圖；
[0012]圖3為本裝置中透光小十字分劃板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖4為本裝置中自準(zhǔn)直光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]包括底座15，底座15上安裝物鏡管4，物鏡管4前端設(shè)有反射鏡18，如圖1、圖4所不，所述物鏡管4包括自準(zhǔn)直儀物鏡頭2、分光棱鏡5、透光小十字分劃板6、聚光鏡7、毛玻璃8、激光光源9、線路板燈源座10、激光燈電源線11、(XD數(shù)據(jù)處理電纜線12、(XD圖像傳感器13，(XD數(shù)據(jù)處理電纜線12連接電腦14。
[0015]所述物鏡管4還包括通光光闌3,如圖4所示。
[0016]所述物鏡管4 一端設(shè)有物鏡蓋1，如圖4所示。
實(shí)施例
[0017]本裝置包括自準(zhǔn)直光路系統(tǒng)、透光小十字分劃板、陣型(XD圖像傳感器、激光光源、機(jī)械底座、圖像數(shù)據(jù)處理設(shè)備，采用激光為光源，小十字分劃板成像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度0-20米距離的小角度位移測量。
[0018]本裝置以激光為光源，采用激光照亮準(zhǔn)直物鏡焦平面上的透光小十字分劃板目標(biāo)，經(jīng)過分光棱鏡和準(zhǔn)直物鏡后，準(zhǔn)直為平行的準(zhǔn)直光束射出，經(jīng)過放置在被測物上的測量反射鏡反射后，由準(zhǔn)直物鏡匯聚，經(jīng)分光棱鏡成像于面陣型CCD圖像傳感器像面上。當(dāng)測量反射鏡產(chǎn)生小角度變化時(shí)，透光小十字分劃板在面陣型CCD圖像傳感器像面上所成的像將產(chǎn)生位移d，由此可計(jì)算出相應(yīng)的小角度變化，在被測角很小，約在±10'以內(nèi)時(shí)，測量公式可近似為a= d/2f，如圖2所示，其中d為通光小十字分劃板在C⑶像面上所成十字像的中心位置的變化量，而f為準(zhǔn)直物鏡的焦距，由公式可知，為了提高CCD雙軸自準(zhǔn)直儀的測量分辨率和測量精度，十字目標(biāo)光斑中心的位置變化量d必須被精確獲取，采用基于正交傅立葉-梅林矩的亞像素邊緣的定位算法，精確定位目標(biāo)光斑的邊緣到亞像素級，然后采用最小二乘法擬合方式實(shí)現(xiàn)高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀十字目標(biāo)光斑中心的精確定位。
[0019]1、結(jié)構(gòu)
[0020]包括自準(zhǔn)直光路系統(tǒng)、透光小十字分劃板、面陣型(XD圖像傳感器、激光光源、機(jī)械底座、圖像數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
[0021]光路系統(tǒng)包括光源、分劃板、分光棱鏡、物鏡，它主要功能是為了提供一定焦距的平行光束，該平行光束經(jīng)反射鏡反射后，成像在位于焦平面的CCD相機(jī)的探測器上，形成反射光束聚焦圖像，CCD相機(jī)主要功能是將成像在CCD光敏面上的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并按所需要的視頻格式輸出，圖像數(shù)據(jù)處理設(shè)備由圖像采集處理硬件和軟件兩部分組成，主要功能為實(shí)時(shí)處理通過CCD傳輸過的信號，計(jì)算出圖像中心點(diǎn)角度數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)上將結(jié)果頭時(shí)顯不
[0022]包括激光光源9、透光小十字分劃板6、分光棱鏡5、面陣型CXD圖像傳感器13、機(jī)械底座15、圖像數(shù)據(jù)處理設(shè)備(筆記本電腦)14，激光光源9發(fā)射的激光，經(jīng)由毛玻璃8充分散射后，再通過聚光鏡7匯聚到位于自準(zhǔn)直光路系統(tǒng)焦平面上的通光小十字分劃板6上，使得激光照亮通光小十字分劃板目標(biāo)，目標(biāo)經(jīng)過分光棱鏡5和準(zhǔn)直物鏡2后，準(zhǔn)直為平行的準(zhǔn)直光束射出，經(jīng)過放置在被測物上的測量反射鏡18反射后，由準(zhǔn)直物鏡2匯聚，經(jīng)分光棱鏡5成像于面陣型CXD圖像傳感器13像面上，采用基于正交傅立葉-梅林矩的亞像素邊緣的定位算法，精確定位目標(biāo)光斑的邊緣到亞像素級，然后采用最小二乘法擬合方式實(shí)現(xiàn)高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀十字目標(biāo)光斑中心的精確定位，帶入?yún)?shù)計(jì)算，得出小角度位移值。
[0023]I)光源
[0024]采用激光器作高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀光源，具有體積小、抗震性強(qiáng)、效率高、光強(qiáng)易調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，激光光源還有一個(gè)有利情況，就是在反射面很小時(shí)(例如:多面棱體反射面)，都有足夠的光強(qiáng)。
[0025]2)分劃板
[0026]采用小十字型透光分劃板為高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀的成像分劃板，如圖3所示，這種設(shè)計(jì)就能夠使得自準(zhǔn)直儀長距離與近距離測量時(shí)，C⑶表面成像的一致性，解決了長距離與近距離圖像不一致，數(shù)據(jù)難于處理的的矛盾。
[0027]3)光學(xué)系統(tǒng)
[0028]圖2、圖4所示，物鏡蓋I在自準(zhǔn)直儀不使用時(shí)，物鏡蓋I把自準(zhǔn)直儀物鏡罩住，防止灰塵和水汽對物鏡的污染，自準(zhǔn)直儀物鏡頭2，通光光闌3，其作用是進(jìn)一步調(diào)整光路，提高測量精度，物鏡管4，分光棱鏡5是一種半反半透透鏡，目標(biāo)分劃板的光經(jīng)過分光棱鏡反射出去，經(jīng)物鏡準(zhǔn)直成平行光射出，后由反射鏡反射回，再經(jīng)物鏡準(zhǔn)直后通過分光棱鏡成像在CCD像面上，透光小十字分劃板6，聚光鏡7，其功能是匯聚光源，毛玻璃8，其主要功能為光源發(fā)射的激光進(jìn)行充分的散射，激光光源9，線路板燈源座10，激光燈電源線11，CCD數(shù)據(jù)處理電纜線12連接筆記本電腦14，CXD圖像傳感器13。
[0029]2軟件設(shè)計(jì)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)
[0030]軟件設(shè)計(jì)開發(fā)是高精度長距離CXD雙軸自準(zhǔn)直儀的重要組成部分，采用基于正交傅立葉-梅林矩的亞像素邊緣的定位算法，精確定位目標(biāo)光斑的邊緣到亞像素級，主要運(yùn)用重心法和最小二乘法直線擬合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。
【權(quán)利要求】
1.一種以激光為光源的高精度長距離CXD雙軸自準(zhǔn)直儀，包括底座(15)，底座(15)上安裝物鏡管(4)，物鏡管(4)前端設(shè)有反射鏡(18)，其特征在于，所述物鏡管(4)包括自準(zhǔn)直儀物鏡頭(2)、分光棱鏡(5)、透光小十字分劃板(6)、聚光鏡(7)、毛玻璃(8)、激光光源(9)、線路板燈源座(10)、激光燈電源線(11)、C⑶數(shù)據(jù)處理電纜線(12)、CXD圖像傳感器(13)，CCD數(shù)據(jù)處理電纜線(12)連接電腦(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以激光為光源的高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述物鏡管(4 )還包括通光光闌(3 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以激光為光源的高精度長距離CCD雙軸自準(zhǔn)直儀，其特征在于，所述物鏡管(4) 一端設(shè)有物鏡蓋(I )。
【文檔編號】G01B11/26GK204101008SQ201420535332
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】謝小東, 龔海華, 賀楠, 余成伍 申請人:九江精密測試技術(shù)研究所