一种三轴光电自准直仪制造技术

本发明专利技术请求保护一种三轴光电自准直仪，该光电自准直仪使用满足特定几何结构的隅角镜作为反射镜，从而使得回路的反射光在光电传感器二维平面上的位移，拥有感应隅角镜自身旋转的信息。该隅角镜三个侧面的角度满足以下关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。该隅角镜的d面(垂直于入射光的表面)将等同于平面镜，用于测量隅角镜沿着OX，OY轴的偏转量；通过d面进入隅角镜内部的光束，将被隅角镜三个侧面切割成六束，根据光束沿隅角镜的三个侧面a、b、c的反射顺序可以标记为a‑b‑c、a‑c‑b、b‑a‑c、b‑c‑a、c‑b‑a、c‑a‑b。其中a‑b‑c和c‑b‑a两束准直反射光在光电传感器二维平面上的位移，将只和隅角镜沿OZ轴的转动量相关。通过该隅角镜的使用，使得光电自准直仪能够实现单机，实时地对被测物体的三维空间完整姿态进行测量。

【技术实现步骤摘要】
一种三轴光电自准直仪
本专利技术属于光学测量仪器领域，具体是一种基于二轴光电自准直仪的工作原理上研究的三轴光电自准直仪。
技术介绍
自准直仪是利用光学自准直原理，用于小角度测量的重要测量仪器。由于它具有较高的准确度和测量分辨力，因而被广泛应用于精密的测量工作中，如：在角度测量、平板的平面度测量、轴系的角晃动测量、导轨的直线度测量等方面自准直仪发挥着重要的作用。在70年代末，由北京计量仪器厂与天津大学精密仪器系联手推出702型一维光电自准直仪，在此基础上1995年天津大学与航天部成功研制出二轴光电自准直仪TJDX-93，但至今为止我国还没有研发成功成熟的三轴光电自准直仪技术。已知的二轴光电自准直仪，在对被检测物体测量三维角度的空间姿态变化时，需要两台二轴光电自准直仪器同时对被检测物体做不同方位上的二维角度测量。这种测量方法存在着明显的不足，1.由于是两台独立的仪器对被测物体同时进行测量，导致两台仪器各自的误差相互叠加，于此同时还会使得随机误差明显的放大。2.由于需要两台独立的二轴自准直仪器对被测物体的三维空间姿态变化角进行测量，所以在对测量狭窄暗道里物体的三维空间姿态角度的变化时，使用变得非常困难。3.由于两台二轴直准仪器必须成90度角摆放，所以对机器的装配精度要求很高。4.两台二轴自直准仪所需要的空间要求比本申请仪器要大得多。根据Д.В.ЖУКОВ(文献Д.В.ЖУКОВ,И.А.КОНЯХИН,А.А.УСИК.итерационныйалгоритмопределениякоординатизображенийточечныхизлучателей.Оптическийжурнал,2009,Коды(这里是俄语)110.2960,100,2000.6Tom76,NO1,2009)提出的对点光源的空间坐标向量分析，可以推导出每束光在隅角镜内的坐标变化，从而根据欧拉公式可以求出只包含隅角镜绕自身OZ轴转动，而在光电传感器上沿OY、OX轴移动的光束信息。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种克服了现有自准直仪不能实现单机测量空间被测物体的三维姿态角变化的方法。本专利技术的技术方案如下：一种三轴光电自准直仪，其包括自准直仪器和隅角镜(6)，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器(4)，隅角镜(6)充当自准仪的反射镜，所述准直仪器包括：光源(2)、分光镜(3)、透镜(1)、光电传感器(4)及平面反射镜(5)，所述光源(2)位于分光镜(3)一侧，所述光源(2)与分光镜(3)的距离为透镜(1)的半焦距；所述分光镜(3)位于透镜(1)的半焦距前面且分光镜(3)和透镜(1)的距离等于半焦距；所述光电传感器(4)位于透镜(1)的半焦距位置；所述反射镜(5)被固定在透镜(1)右方，所述反射镜(5)用于将入射光原路返回到准直仪，所述光源(2)产生的光束通过分光镜(3)，进入透镜(1)，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜(6)上，其中一部分光束被隅角镜(6)的表面所反射回原光路，该部分反射光束用于测量隅角镜(6)沿着OX、OY轴的偏转量；其中，OX、OY轴是以隅角镜(6)的一个顶点为坐标系原点建立的坐标系的两个坐标轴，剩余部分射入隅角镜(6)内，该剩余部分准直光束被隅角镜(6)的三个侧面分成了六束，分别成对的从隅角镜(6)的三面侧面反射出。进一步的，所述透镜(1)中心到反射镜(5)中心的垂直距离为H＝L·tgΔ，L为隅角镜(6)d面中心沿入射光轴的方向到透镜(1)中心的距离，Δ为隅角镜(6)的入射光束向量与从隅角镜(6)反射到平面镜(5)的光束向量之间夹角，其中：δ表示微小倾斜角，δ表示隅角镜(6)材料的折射率。进一步的，所述隅角镜(6)的三个侧面(总共有四面)分别成以下角度关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。进一步的，当隅角镜(6)的由c-b-a面反射顺序的反射光束(8)和由a-b-c面反射顺序的第一光束(7)，第一光束(7)在平面反射镜(5)上被反射，形成第二光束(9)返回隅角镜(6)，再经c-b-a三面顺序反射形成第三光束(10)回射入透镜(1)，被透镜(1)聚焦到光电传感器(4)上形成光斑，该光束用于测量隅角镜(6)沿着OZ轴的偏转量。进一步的，若隅角镜(6)若沿着OX、OY、OZ坐标轴转动，对应转动角标记为Ψ，K，那么这时在光电传感器上(4)光斑沿着光电传感器(4)的坐标轴OX、OY方向移动，该位移标记为B'表达为以下公式：B'＝Mr·M·Mr-1M3·Mr·M·Mr-1·A(1)其中A为入射光向量，Mr为隅角镜(6)的转动矩阵，可表示为：其中K为沿着坐标OY轴转动的向左右旋转角，Ψ为沿着坐标向量OZ轴转动的旋转角，为沿着坐标向量OX轴转动的上下旋转角。M3为反射镜片(5)在时的坐标矩阵，可表示为：M为光束(10)所对应的隅角镜(6)矩阵，可表示为：从公式(5)可以发现当隅角镜(6)绕着自身OZ轴转动时，光束(10)在光电传感器(4)坐标轴OX和OZ轴上几乎没有位移变化量，在坐标轴OY轴的变化量为:y＝B′y·f′＝-2Δ·Ψ·f′(6)这里隅角镜(4)沿OZ轴旋转角度可以表达为:其中y表示光斑沿光电传感器y轴的移动量，f'表示准直仪透镜(1)的焦距。进一步的，对隅角镜(6)的d面的射光，可用于隅角镜(6)沿OY、OX轴转动的信息分析：除了从隅角镜(6)内部按反射面顺序反射出的6束反射光束外，隅角镜(6)的前表面镜d也将部分光束反射回原光路，这个表面和二轴光电自准直仪的平面反光镜的作用一样，它的反射光束的矩阵可以写成:A'＝Mr·Map·Mr-1·A(8)其中Map为隅角镜(6)前表面镜的标准矩阵，可表示为：将公式(9)带入公式(8)中可得隅角镜(6)的前表面镜d的反射光束的矩阵：隅角镜(6)在沿自身坐标轴OY、OX轴转动的角度可写为：本专利技术的优点及有益效果如下：1.可以实现用一台自准直仪器检测物体空间姿态的三维角度变化。2.在测量被测物体沿OY轴和OX轴转动时，可以达到现有的二轴自准直仪同样的测量范围和精度。3.在测量被测物体沿OZ轴旋转角度时，其的测量范围大大高于现有的二轴自准仪的测量范围。本专利技术技术上的创新点主要在于用隅角镜代替光电准直仪的反射镜，并研究出了全新的计算方法，可用于计算出检测物体空间姿态的三维角度变化。附图说明图1a是本专利技术提供优选实施例三轴光电自直准仪的隅角镜6结构图；图1b为本专利技术所述的仪器的整体结构示意图。图2a为未转动隅角镜6时，光束10、11、12的光斑重叠在光电传感器4的坐标轴中。图2b为按顺时针方向沿OX、OY、OZ轴转动隅角镜6时，光束10、11、12的光斑在光电传感器4的坐标轴上的移动情况。图2c为按逆时针方向沿OX、OY、OZ轴转动隅角镜6时，光束10、11、12的光斑在光电传感器4的坐标轴上的移动情况。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：一种基于二轴光电自准直仪的工作原理上研究的三轴光电自准直仪，所述的仪器结构图展现在图1b中：是由自准直仪器和隅角镜6两部份构成，所述自准直仪器用于准直出射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三轴光电自准直仪，其特征在于，包括自准直仪器和隅角镜(6)，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器(4)，隅角镜(6)充当自准仪的反射镜，所述准直仪器包括：光源(2)、分光镜(3)、透镜(1)、光电传感器(4)及平面反射镜(5)，所述光源(2)位于分光镜(3)一侧，所述光源(2)与分光镜(3)的距离为透镜(1)的半焦距；所述分光镜(3)位于透镜(1)的半焦距前面且分光镜(3)和透镜(1)的距离等于半焦距；所述光电传感器(4)位于透镜(1)的半焦距位置；所述反射镜(5)被固定在透镜(1)右方，所述反射镜(5)用于将入射光原路返回到准直仪，所述光源(2)产生的光束通过分光镜(3)，进入透镜(1)，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜(6)上，其中一部分光束被隅角镜(6)的表面所反射回原光路，该部分反射光束用于测量隅角镜(6)沿着OX、OY轴的偏转量；其中OX、OY轴是以隅角镜(6)的一个顶点为坐标系原点建立的坐标系的两个轴，剩余部分射入隅角镜(6)内，该剩余部分准直光束被隅角镜(6)的三个侧面分成了六束，根据光束沿隅角镜(6)的三个侧面a、b、c的反射顺序可以标记为a‑b‑c、a‑c‑b、b‑a‑c、b‑c‑a、c‑b‑a、c‑a‑b，分别成对的从隅角镜(6)的三面侧面反射出。...

【技术特征摘要】
1.一种三轴光电自准直仪，其特征在于，包括自准直仪器和隅角镜(6)，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器(4)，隅角镜(6)充当自准仪的反射镜，所述准直仪器包括：光源(2)、分光镜(3)、透镜(1)、光电传感器(4)及平面反射镜(5)，所述光源(2)位于分光镜(3)一侧，所述光源(2)与分光镜(3)的距离为透镜(1)的半焦距；所述分光镜(3)位于透镜(1)的半焦距前面且分光镜(3)和透镜(1)的距离等于半焦距；所述光电传感器(4)位于透镜(1)的半焦距位置；所述反射镜(5)被固定在透镜(1)右方，所述反射镜(5)用于将入射光原路返回到准直仪，所述光源(2)产生的光束通过分光镜(3)，进入透镜(1)，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜(6)上，其中一部分光束被隅角镜(6)的表面所反射回原光路，该部分反射光束用于测量隅角镜(6)沿着OX、OY轴的偏转量；其中OX、OY轴是以隅角镜(6)的一个顶点为坐标系原点建立的坐标系的两个轴，剩余部分射入隅角镜(6)内，该剩余部分准直光束被隅角镜(6)的三个侧面分成了六束，根据光束沿隅角镜(6)的三个侧面a、b、c的反射顺序可以标记为a-b-c、a-c-b、b-a-c、b-c-a、c-b-a、c-a-b，分别成对的从隅角镜(6)的三面侧面反射出。2.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，所述透镜(1)中心到反射镜(5)中心的垂直距离为H＝L·tgΔ，其中L为隅角镜(6)d面中心沿入射光轴的方向到透镜(1)中心的距离，Δ为隅角镜(6)的入射光束向量与从隅角镜(6)反射到平面镜(5)的光束向量之间夹角，其中：δ表示微小倾斜角，n表示隅角镜(6)材料的折射率。3.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，所述隅角镜(6)的三个侧面(总共有四面)满足以下角度关系：δ2＝δ1＝90°±δ，δ3＝90°。4.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，当隅角镜(6)的由c-b-a面反射顺序的反射光束(8)和由a-b-c面反射顺序的第一光束(7)，第一光束(7)在平面反...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎人溥，刘宇，路永乐，文丹丹，郭俊启，邸克，周敏，夏冰清，杨慧慧，张泽欣，顾洪洋，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50