本發(fā)明涉及光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置。

背景技術(shù)：

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，集目標(biāo)探測、跟蹤掃描和激光測距為一體的光電檢測系統(tǒng)在大尺寸工業(yè)測量領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如激光測距機(jī)，光電經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀等等。

飛秒激光跟蹤儀是在傳統(tǒng)激光跟蹤儀的基礎(chǔ)上，采用最先進(jìn)的飛秒激光測距原理，使儀器測量范圍更大、精度更高、測量速度更快，它突破了傳統(tǒng)測距在測程、精度和測量速度方面難以協(xié)調(diào)的矛盾，從根本上解決長期困擾測距領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，是對傳統(tǒng)測距技術(shù)的一次革命，是大型科學(xué)工程和大型高端裝備制造中急需的測量裝備。

飛秒激光跟蹤儀的工作原理：首先在目標(biāo)點上安置一個反射器，其目的是將入射的激光光束按原路返回。然后將跟蹤儀發(fā)出的激光光束瞄準(zhǔn)目標(biāo)反射器中心，當(dāng)目標(biāo)帶著反射器一起移動時，跟蹤儀發(fā)出的激光光束始終對準(zhǔn)目標(biāo)反射器中心，保持實時跟蹤。此時，返回的光束被檢測系統(tǒng)所接收，用來實時測算目標(biāo)的空間坐標(biāo)，從而確定目標(biāo)的空間位置。

飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差主要由激光光軸與機(jī)械軸傾斜誤差和平移誤差兩個部分，為了提高儀器的指向精度和跟蹤性能，需要保證儀器出射的激光光束和機(jī)械軸的重合，然而對現(xiàn)有的光學(xué)儀器設(shè)備當(dāng)中，通常是依靠加工安裝精度來進(jìn)行保證，這種方式對加工和安裝工藝要求較高，或者依靠人眼判斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式一般精度較低。由于激光光束中心線難以實現(xiàn)直接測量，導(dǎo)致儀器的激光光軸與機(jī)械軸間的偏移量(包括傾斜與平移)也較難直接精確測量，從而無法實現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置，以實現(xiàn)對儀器的激光光軸和機(jī)械軸同軸度檢測的精確性。

本發(fā)明提供的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置包括聚焦透鏡、光電探測器和處理機(jī)構(gòu)，所述聚焦透鏡用于將飛秒激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束聚焦到所述光電探測器上，所述處理機(jī)構(gòu)用于計算激光光軸與機(jī)械軸的傾斜量和平移量。

在本發(fā)明的一些實施例中，還包括位于飛秒激光跟蹤儀的出光口與聚焦透鏡之間的第一直角棱鏡和第二直角棱鏡，所述第一直角棱鏡用于將飛秒激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束反射至第二直角棱鏡，所述第二直角棱鏡用于將激光光束反射至聚焦透鏡。

在本發(fā)明的一些實施例中，還包括位于光電探測器與聚焦透鏡之間平面反射鏡，所述平面反射鏡用于將聚焦后的激光光束反射至光電探測器。

在本發(fā)明的一些實施例中，還包括位于光電探測器與平面反射鏡之間衰減片。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述處理機(jī)構(gòu)包括傾斜量計算單元，

用于當(dāng)所述光電探測器位于聚焦透鏡的像方焦平面上、且所述標(biāo)定裝置隨著機(jī)械軸一起旋轉(zhuǎn)時，計算會聚在所述光電探測器上的激光光斑的移動軌跡的半徑；其軌跡半徑r₁＝f'·tanθ，其中，θ為激光光束的中心軸與機(jī)械軸之間的夾角，f’為聚焦透鏡的焦距。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述處理機(jī)構(gòu)還包括平移量計算單元，

用于當(dāng)激光光軸與機(jī)械軸平行、且所述標(biāo)定裝置隨著機(jī)械軸一起旋轉(zhuǎn)時，計算會聚在所述光電探測器上的激光光斑的移動軌跡的半徑，其軌跡半徑其中，Δl為光電探測器與聚焦透鏡像方焦平面的偏離距離，d為激光光束的中心軸與機(jī)械軸之間的平移量，。

在本發(fā)明的一些實施例中，還包括支撐底板，所述支撐底板用于支撐起第一直角棱鏡、第二直角棱鏡、聚焦透鏡、平面反射鏡、衰減片和光電探測器。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述支撐底板上開設(shè)有凹槽，所述第一直角棱鏡安裝在該凹槽內(nèi)，所述凹槽上開設(shè)有通孔，所述通孔用于導(dǎo)出飛秒激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束，從而使激光光束射入第一直角棱鏡；

所述支撐底板上的凹槽的兩側(cè)分別設(shè)置有第二直角棱鏡安裝架和光電探測器底座支撐柱，所述第二直角棱鏡安裝架用于支撐第二直角棱鏡、聚焦透鏡、平面反射鏡，所述光電探測器底座支撐柱用于支撐衰減片、光電探測器。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述第二直角棱鏡安裝架上安裝有聚焦透鏡安裝架，所述聚焦透鏡安裝架開設(shè)有凹槽，所述凹槽用于安裝聚焦透鏡；

所述聚焦透鏡安裝架上安裝有平面反射鏡支架底柱，所述平面反射鏡支架底柱上安裝有平面反射鏡支架，所述平面反射鏡支架用于安裝平面反射鏡。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述標(biāo)定裝置還包括光電探測器底座、移動底板和光電探測器支撐底板，所述光電探測器底座作為光電探測器和光電探測器底座支撐柱的轉(zhuǎn)接件，所述光電探測器支撐底板上連接移動底板，所述移動底板用于連接光電探測器底座支撐柱，從而固定光電探測器；

所述光電探測器支撐底板上開設(shè)有兩條滑道，所述移動底板能夠在所述滑道上滑動，并與所述光電探測器支撐底板進(jìn)行固定，從而使移動底板帶動所述光電探測器進(jìn)行移動。

從上面的所述可以看出，本發(fā)明提供的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置是基于旋轉(zhuǎn)成像和圖像處理法進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)激光光軸與機(jī)械軸偏移量的高精度測量。而且，本發(fā)明可以采用同一套標(biāo)定裝置對激光光軸與機(jī)械軸的傾斜與平移量進(jìn)行檢測，從而減小了測量誤差以及簡化了標(biāo)定裝置的整體結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明實現(xiàn)方便、結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一個實施例的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定原理圖。

其中：11-第一直角棱鏡；12-第二直角棱鏡；13-聚焦透鏡；14-平面反射鏡；15-衰減片；16-光電探測器；17-處理機(jī)構(gòu)；201-支撐底板；202-第二直角棱鏡安裝架；203-光電探測器底座支撐柱；204-聚焦透鏡安裝架；205-聚焦透鏡壓圈；206-平面反射鏡支架底柱；207-平面反射鏡支架；208-平面反射鏡壓圈；209-衰減片壓圈；210-衰減片安裝架；211-光電探測器底座；212-移動底板；213-光電探測器支撐底板；31-激光光束；33-光電探測面；34-機(jī)械軸。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

需要說明的是，發(fā)明實施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對發(fā)明實施例的限定，后續(xù)實施例對此不再一一說明。

參見圖1，其為本發(fā)明一個實施例的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。作為本發(fā)明的一個實施例，所述飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置包括聚焦透鏡13、光電探測器16和處理機(jī)構(gòu)17，所述聚焦透鏡13用于將飛秒激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束聚焦到所述光電探測器16上，所述處理機(jī)構(gòu)17用于計算激光光軸與機(jī)械軸的傾斜量和平移量。繼而可以根據(jù)所述傾斜量和平移量調(diào)整激光光軸和機(jī)械軸，使兩者同軸。

進(jìn)一步地，所述標(biāo)定裝置還包括位于飛秒激光跟蹤儀的出光口與聚焦透鏡12之間的第一直角棱鏡11和第二直角棱鏡12，如圖1所示，所述第一直角棱鏡11用于將飛秒激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束反射至第二直角棱鏡12，所述第二直角棱鏡12用于將激光光束反射至聚焦透鏡13。而且，所述標(biāo)定裝置還可以包括位于光電探測器16與聚焦透鏡13之間平面反射鏡14，所述平面反射鏡14用于將聚焦后的激光光束反射至光電探測器16。在本發(fā)明的又一個實施例中，所述光電探測器16位于機(jī)械軸的一側(cè)，所述第二直角棱鏡12、平面反射鏡14和聚焦透鏡13位于機(jī)械軸的另一相對側(cè)?？梢姡景l(fā)明通過設(shè)置所述第一直角棱鏡11、第二直角棱鏡12和平面反射鏡14，使光路進(jìn)行折轉(zhuǎn)，可以減小該標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)體積。

在本發(fā)明的另一個實施例中，所述標(biāo)定裝置還包括位于光電探測器16與平面反射鏡14之間衰減片15，所述衰減片15用于遮擋環(huán)境光，以提高激光光斑的探測精度，同時減小激光的光功率，以免功率過大而導(dǎo)致?lián)p壞光電探測器16。如圖1所示，飛秒激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束經(jīng)第一直角棱鏡11和第二直角棱鏡12后入射到聚焦透鏡13上，經(jīng)透鏡聚焦13并由平面反射鏡14反射后，最終由光電探測器16接收，所述聚焦透鏡13用于成像，將激光光束聚焦到光電探測器16上，以便光電探測器16進(jìn)行探測，所述處理機(jī)構(gòu)17對光電探測器16的探測結(jié)果進(jìn)行計算，計算得到激光光軸與機(jī)械軸的傾斜量和平移量。

飛秒激光跟蹤儀的機(jī)械軸以其自身為中心軸轉(zhuǎn)動，所述標(biāo)定裝置隨著機(jī)械軸一起轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，所述標(biāo)定裝置以機(jī)械軸為中心軸，并隨著機(jī)械軸一起轉(zhuǎn)動。在本發(fā)明的又一個實施例中，所述處理機(jī)構(gòu)17包括傾斜量計算單元，用于當(dāng)所述標(biāo)定裝置隨著機(jī)械軸一起旋轉(zhuǎn)時，計算會聚在所述光電探測器16上的激光光斑的移動軌跡的半徑。在本發(fā)明的另一個實施例中，所述處理機(jī)構(gòu)17還包括平移量計算單元，用于當(dāng)激光光軸與機(jī)械軸平行、且所述標(biāo)定裝置隨著機(jī)械軸一起旋轉(zhuǎn)時，計算會聚在所述光電探測器16上的激光光斑的移動軌跡的半徑。

當(dāng)光電探測器16位于聚焦透鏡13的像方焦平面上時，如果激光光軸與機(jī)械軸存在夾角，隨著跟蹤儀的機(jī)械軸帶著整個標(biāo)定裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在光電探測器16上會聚的激光光斑的移動軌跡為圓，通過測量圓的半徑即可算出激光光軸與機(jī)械軸的傾斜量。調(diào)節(jié)激光光軸的方位使在光電探測器16上會聚的激光光斑軌跡半徑逐漸減小，直至為零，此時激光光軸與機(jī)械軸平行。在校正好激光光軸與機(jī)械軸傾斜誤差的情況下，移動光電探測器16使其位于聚焦透鏡13的像方焦平面左右一段距離(即不位于聚焦透鏡13的像方焦平面上)，此時如果激光光軸與機(jī)械軸存在平移，隨著儀器的機(jī)械軸帶著整個標(biāo)定裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在光電探測器16上會聚的激光光斑的移動軌跡為圓，通過測量圓的半徑即可算出激光光軸與機(jī)械軸的平移量。調(diào)節(jié)激光光軸的方位使在光電探測器16上會聚的激光光斑軌跡半徑逐漸減小，直至為零，此時激光光軸與機(jī)械軸重合。

參見圖2，其為本發(fā)明另一個實施例的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在該實施例中，所述裝置包括第一直角棱鏡11、第二直角棱鏡12、聚焦透鏡13、平面反射鏡14、衰減片15、光電探測器16和處理機(jī)構(gòu)17，還包括支撐底板201，所述支撐底板201用于支撐起第一直角棱鏡11、第二直角棱鏡12、聚焦透鏡13、平面反射鏡14、衰減片15和光電探測器16。

所述支撐底板201上開設(shè)有凹槽，所述第一直角棱鏡11安裝在該凹槽內(nèi)，所述凹槽上開設(shè)有通孔，所述通孔用于導(dǎo)出激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束，從而使激光光束射入第一直角棱鏡11。優(yōu)選地，所述支撐底板201的中心開設(shè)有一個正方形凹槽，所述第一直角棱鏡11安裝在該凹槽內(nèi)，且所述凹槽的中心開設(shè)有一個直徑為20mm的通孔。優(yōu)選地，為了減小結(jié)構(gòu)尺寸，可以采用膠粘方式將所述第一直角棱鏡11固定在凹槽內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述支撐底板201上的凹槽的兩側(cè)分別設(shè)置有第二直角棱鏡安裝架202和光電探測器底座支撐柱203，所述第二直角棱鏡安裝架202用于支撐第二直角棱鏡12、聚焦透鏡13、平面反射鏡14，所述光電探測器底座支撐柱203用于支撐衰減片15、光電探測器16，從而使整個裝置能夠隨著機(jī)械軸一起轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，所述第二直角棱鏡安裝架202上開設(shè)有凹槽，所述第二直角棱鏡12安裝在該凹槽內(nèi)，所述凹槽上開設(shè)有通孔，所述通孔用于導(dǎo)出激光跟蹤儀發(fā)出的激光光束，從而使激光光束射入第二直角棱鏡12。優(yōu)選地，所述第二直角棱鏡安裝架202的中心開設(shè)有一個正方形凹槽，所述第二直角棱鏡12安裝在該凹槽內(nèi)，且所述凹槽的中心開設(shè)有一個直徑為20mm的通孔。優(yōu)選地，為了減小結(jié)構(gòu)尺寸，可以采用膠粘方式將所述第二直角棱鏡12固定在凹槽內(nèi)。所述第二直角棱鏡安裝架202上安裝有聚焦透鏡安裝架204，所述聚焦透鏡安裝架204上開設(shè)有凹槽，所述凹槽用于安裝聚焦透鏡13。進(jìn)一地步，還可以采用聚焦透鏡壓圈205將聚焦透鏡13固定在聚焦透鏡安裝架204上。

在本發(fā)明的又一個實施例中，所述聚焦透鏡安裝架204上安裝有平面反射鏡支架底柱206，所述平面反射鏡支架底柱206上安裝有平面反射鏡支架207，所述平面反射鏡支架207用于安裝平面反射鏡14。優(yōu)選地，還可以采用平面反射鏡壓圈208將平面反射鏡14固定在平面反射鏡支架207上。較佳地，所述平面反射鏡支架207的底面具有四個通孔，分別與四個平面反射鏡支架底柱206的螺紋孔配合，以將其固定。

所述光電探測器底座支撐柱203上安裝有光電探測器16，可選地，所述光電探測器16為CCD相機(jī)。所述光電探測器16上安裝有衰減片安裝架210，所述衰減片安裝架210上開設(shè)有凹槽，所述凹槽用于安裝衰減片15。優(yōu)選地，可以采用衰減片壓圈209將衰減片15固定在衰減片安裝架210上。

在本發(fā)明的又一個實施例中，所述標(biāo)定裝置還包括光電探測器底座211，所述光電探測器底座211作為光電探測器16和光電探測器底座支撐柱203的轉(zhuǎn)接件。在本發(fā)明的又一個實施例中，所述標(biāo)定裝置還包括移動底板212和光電探測器支撐底板213，所述光電探測器支撐底板213上連接移動底板212，所述移動底板212用于連接光電探測器底座支撐柱203，從而固定光電探測器16。優(yōu)選地，所述光電探測器支撐底板213上開設(shè)有兩條滑道，所述滑道可以是長60mm、寬3.5mm的通孔，所述移動底板212能夠在所述滑道上滑動，并與所述光電探測器支撐底板213進(jìn)行固定，從而使移動底板212帶動所述光電探測器16進(jìn)行移動?？梢圆捎寐菁y加螺帽固定的方式對移動底板212和光電探測器支撐底板213進(jìn)行固定，可使移動底板212帶著光電探測器16進(jìn)行左右移動調(diào)節(jié)，從而使所述光電探測器16位于聚焦透鏡13的像方焦平面上，或者偏離聚焦透鏡13的像方焦平面。

使用該標(biāo)定裝置進(jìn)行幾何誤差標(biāo)定的方法包括以下步驟：

1.首先將第一直角棱鏡11、第二直角棱鏡12、聚焦透鏡13、平面反射鏡14和衰減片15各自安裝到相應(yīng)的支座上，并將裝好的支座和CCD相機(jī)16固定到飛秒激光跟蹤儀的跟蹤頭上，如圖2所示。打開飛秒激光跟蹤儀的光源和CCD相機(jī)16(光電探測器)，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)16的位置使其剛好位于聚焦透鏡13的像方焦平面上。

2.使飛秒激光跟蹤儀的機(jī)械軸帶動整個標(biāo)定裝置進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，在CCD相機(jī)16上觀察激光光斑的移動軌跡。如圖3-(a)所示，當(dāng)激光光束31的中心軸與機(jī)械軸34重合或平行時，經(jīng)聚焦透鏡13聚焦后在CCD探測面33上的聚焦點為A，而該點的位置不隨機(jī)械軸34的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，如果激光光束31的中心軸與機(jī)械軸34間存在微小夾角θ，則激光光束31經(jīng)聚焦透鏡13聚焦后，在CCD探測面33上的交點為B，且該點的位置隨機(jī)械軸34的旋轉(zhuǎn)形成圓形軌跡，其軌跡半徑r₁可表示為：

r₁＝f'·tanθ (1)

其中，f’為聚焦透鏡13的焦距。

通過處理機(jī)構(gòu)17采集機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)過程中的多個位置處，在CCD探測面33上的會聚激光光斑圖像，并對其進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理提取圖像中激光光斑的中心，獲得圖像坐標(biāo)算出激光光斑軌跡半徑r₁的大小，即可計算出儀器的激光光軸與機(jī)械軸的傾斜誤差。由公式(1)可知，CCD相機(jī)16的分辨率越高，激光光斑提取精度越高，即所能提取的激光光斑軌跡圓半徑r₁越小，且聚焦透鏡13的焦距f越大，則所能檢測夾角θ的分辨率越高。在調(diào)節(jié)過程中，所能檢測夾角的分辨率越高，就能夠?qū)A角調(diào)節(jié)得更小。

3.在調(diào)節(jié)好激光光束31和機(jī)械軸34傾斜角度的情況下，向左平移CCD相機(jī)16，使CCD探測面33與聚焦透鏡13像方焦平面偏離Δl距離。需要說明的是，光電探測器可以位于聚焦透鏡13像方焦平面的兩側(cè)，從而使探測面偏離于聚焦透鏡13像方焦平面一段距離。如圖3-(b)所示，當(dāng)激光光束31的中心軸與機(jī)械軸34重合時，經(jīng)聚焦透鏡13聚焦后，在CCD探測面33上的會聚的激光光斑位置為A點，該點的位置不隨機(jī)械軸34的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，如果激光光束31的中心軸與機(jī)械軸34存在微小平移量d，則經(jīng)聚焦透鏡13聚焦后在CCD探測面33上會聚激光光斑位置會隨機(jī)械軸34的旋轉(zhuǎn)形成圓形軌跡，其軌跡半徑r₂可表示為：

$r_2=\frac{\mathrm{\Δ}l}{f^{\′}}\·d---\left(2\right)$

與步驟2同理，通過處理機(jī)構(gòu)17采集機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)過程中的多個位置處，在CCD探測面33上的會聚激光光斑圖像，并對其進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理提取圖像中激光光斑的中心，獲得圖像坐標(biāo)算出激光光斑軌跡半徑r₂的大小，即可計算出儀器的激光光軸與機(jī)械軸的平移誤差。由公式(2)可知，CCD相機(jī)16的分辨率越高，激光光斑提取精度越高，即所能提取的激光光斑軌跡圓半徑r₁越小，且聚焦透鏡13的焦距f越小或離焦量Δl越大，則所能檢測夾角θ的分辨率越高。同理，在調(diào)節(jié)過程中，所能檢測夾角的分辨率越高，就能夠?qū)A角調(diào)節(jié)得更小。

由此可見，本發(fā)明提供的飛秒激光跟蹤儀光軸幾何誤差標(biāo)定裝置及方法基于旋轉(zhuǎn)成像和圖像處理法進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)儀器激光光軸與機(jī)械軸偏移量的高精度測量。而且，本發(fā)明可以采用同一套標(biāo)定裝置分別對激光光軸與機(jī)械軸的傾斜與平移量進(jìn)行檢測，從而減小了測量誤差以及簡化了標(biāo)定裝置的整體結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明實現(xiàn)方便、結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的測量精度。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實施例或者不同實施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，步驟可以以任意順序?qū)崿F(xiàn)，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。