一种量子关联自准直仪及测角方法，利用步进电机和脉冲调制控制实现的编码光场，利用工业相机和变焦镜头对光场拍摄一系列放大或缩小ω倍的图像，图像按时序存入存储单元留待使用。使用小孔光阑和单像素光电探测器替代经典自准直仪阵列相机部分，将采集到的光电探测信号与工业相机拍摄的一系列图像进行关联计算，计算结果将得到小孔光阑成像位置坐标。通过转动反射镜和重复测量，可得到两幅小孔光阑成像位置坐标相减，根据经典自准直仪理论可得到转角信息，即可完成测角。本发明专利技术克服现有经典自准直仪体积大、测角量程范围与测角精度相互制约的不足问题，可解决自准直仪小型化、测角量程大和测角精度高的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种量子关联自准直仪及测角方法，属于测量领域。
技术介绍
经典自准直仪产品一般采用线阵或面阵列工业相机和成像透镜组实现对反射镜转角的测量，从而达到对器件平整度或准直度的测量和标定。目前，经典自准直仪应用过程中小型化、便携化主要受到其基本原理的限制。一方面透镜组焦距f越大，测角精度越高，但对应最大测角量程范围变小。另一方面，透镜组焦距f越大要求自准直仪的体积越大。因此，经典自准直仪的测角精度和测角量程、设计体积相互制约。高测角精度的经典自准直仪理论上已经无法做到兼顾小体积、大量程。另外，线阵或面阵探测器使得经典自准直仪成本高，造价昂贵。因此实现小体积、大量程、高精度、低成本的自准直仪必然考虑用新的理论和技术进行改进和提高。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有经典自准直仪体积大、测角量程范围与测角精度相互制约的不足，提出了一种量子关联自准直仪及测角方法，解决了自准直仪小型化、测角量程大和测角精度高的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种量子关联自准直仪，包括：光源发射单元、光源记录单元、量子自准直仪测量单元；光源发射单元包括激光器(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、控制单元(8)、步进电机(7)、毛玻璃(6)和第一光阑(9)；光源记录单元包括：变焦镜头(10)、工业相机(11)和图像采集与存储单元(12)；>量子自准直仪测量单元包括：50：50分束器(13)、第三透镜(14)、第三反射镜(15)、第二光阑(16)、光电探测器(17)、数据采集卡(18)、数据处理与显示模块(19)；第一反射镜(2)、第二反射镜(3)成90度布置，第一透镜(4)、第二透镜(5)和第三透镜(14)、第一光阑(9)分别垂直于同一光轴，且在同一光轴上，第一透镜(4)和第二透镜(5)的距离为第一透镜(4)和第二透镜(5)的焦距之和；第三透镜(14)与毛玻璃(6)的距离等于第三透镜(14)的焦距；第二光阑(16)和毛玻璃(6)相对于50：50分束器的分束面放置在对称位置；激光器(1)连续发光束，该光束依次经过第一反射镜(2)、第二反射镜(3)反射后，经第二反射镜(3)反射后的光束再依次入射到第一透镜(4)和第二透镜(5)，形成平行光束出射至毛玻璃(6)，毛玻璃(6)由步进电机(7)带动，控制单元(8)控制步进电机步进，即控制单元(8)发射TTL电脉冲给步进电机，每个TTL电脉冲使得步进电机(7)带动毛玻璃(6)旋转或平移固定步长，经过毛玻璃(6)的平行光束形成散射的激光散斑场，调节第一光阑(9)的孔径，限制散射的激光散斑场的视场大小后，散射的激光散斑场被变焦镜头(10)成像至工业相机(11)的感光面，形成散射的激光散斑场图像，变焦镜头(10)能够将散射的激光散斑场放大和缩小一定的倍数；毛玻璃(6)由起始位置每转动或平移一次的同时，控制单元(8)发射一个TTL电脉冲送至工业相机(11)的(11a)触发接口，工业相机(11)拍摄并记录一次散射的激光散斑场；工业相机(11)将多次拍摄的散射的激光散斑场图像，即激光散斑场的图像矩阵，以数字信号格式发送至图像采集与存储单元(12)储存；每一次TTL电脉冲，毛玻璃(6)由起始位置转动或平移一次，则经过毛玻璃(6)的散射的激光散斑场变化一次，然后送至50：50分束器(13)的第一端口(13a)进行分光形成透射光束和反射光束，透射光束从分束器(13)的第二端口(13c)出射，反射光束从分束器(13)的反射端口(13d)反射，将反射光束舍弃，将50：50分束器(13)分光得到的透射光束入射至第三透镜(14)后，形成平行光束照射到第三反射镜(15)，由第三反射镜(15)反射的光束再次入射至第三透镜(14)恢复成汇聚光束，再次经过50：50分束器(13)的第二端口(13c)进行分光得到透射光束和反射光束，反射光束从端口(13b)射出，透射光束将从分束器(13)第一端口(13a)出射，舍弃第一端口(13a)透射光束，第三透镜(14)恢复成汇聚光束进行分光得到的从第二端口(13b)射出的反射光束进入第二光阑(16)，第二光阑(16)透过的光束送至光电探测器(17)，光电探测器(17)将光信号转化成电信号，送至数据采集卡(18)，数据采集卡(18)将模拟电信号转化为数字信号送至数据处理与显示模块(19)，数据处理与显示模块(19)按存储顺序调用图像采集与存储单元(12)储存的激光散斑场的图像矩阵，每一激光散斑场的图像矩阵与每一个光电探测器(17)探测到的信号分别进行强度关联运算，并将关联运算结果进行显示，得到关联后的图像和该图像上的一个斑点坐标。一种量子关联自准直仪的测角方法，包含步骤如下：1)激光器(1)连续发光束，该光束依次经过第一反射镜(2)、第二反射镜(3)反射后，再依次入射到第一透镜(4)和第二透镜(5)，形成平行光束出射至毛玻璃(6)；2)毛玻璃(6)由步进电机(7)带动，步进电机(7)受控制单元(8)控制，即控制单元发射TTL电脉冲给步进电机(7)，每个TTL电脉冲使得电动机带动毛玻璃(6)旋转或平移固定步长，毛玻璃(6)由起始位置转动或平移一次，散射的激光散斑场由经过毛玻璃(6)的平行光束形成，调节第一光阑(9)的孔径，限制散射的激光散斑场的视场大小后，散射的激光散斑场被变焦镜头(10)成像至工业相机(11)的感光面，形成散射的激光散斑场图像，变焦镜头能够将散射的激光散斑场放大和缩小一定的倍数ω，ω称为量子放缩系数；控制单元(8)发射一次TTL电脉冲至工业相机(11)的(11a)触发接口，工业相机(11)记录一次散射的激光散斑场；3)工业相机(11)将多次拍摄的散射的激光散斑场图像，即激光散斑场的图像矩阵，以数字信号格式发送至图像采集与存储单元(12)储存；4)毛玻璃(6)由起始位置每收到一次TTL电脉冲，转动或平移一次，则经过毛玻璃的散射的激光散斑场变化一次后，通过50：50分束器(13)的(13a)端口，透射光束从分束器(13)的端口(13c)出射，反射光束从分束器(13)的反射端口(13d)反射，将反射光束舍弃，将端口(13c)的透射光束入射至第三透镜(14)，形成平行光束照射到第三反射镜(15)；5)由第三反射镜(15)反射的光束再次入射至第三透镜(14)恢复成汇聚光束，再次经过50：50分束器(13)的端口(13c)反射至端口(13b)，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种量子关联自准直仪，其特征在于包括：光源发射单元、光源记录单元、量子自准直仪测量单元；光源发射单元包括激光器(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、控制单元(8)、步进电机(7)、毛玻璃(6)和第一光阑(9)；光源记录单元包括：变焦镜头(10)、工业相机(11)和图像采集与存储单元(12)；量子自准直仪测量单元包括：50：50分束器(13)、第三透镜(14)、第三反射镜(15)、第二光阑(16)、光电探测器(17)、数据采集卡(18)、数据处理与显示模块(19)；第一反射镜(2)、第二反射镜(3)成90度布置，第一透镜(4)、第二透镜(5)和第三透镜(14)、第一光阑(9)分别垂直于同一光轴，且在同一光轴上，第一透镜(4)和第二透镜(5)的距离为第一透镜(4)和第二透镜(5)的焦距之和；第三透镜(14)与毛玻璃(6)的距离等于第三透镜(14)的焦距；第二光阑(16)和毛玻璃(6)相对于50：50分束器的分束面放置在对称位置；激光器(1)连续发光束，该光束依次经过第一反射镜(2)、第二反射镜(3)反射后，经第二反射镜(3)反射后的光束再依次入射到第一透镜(4)和第二透镜(5)，形成平行光束出射至毛玻璃(6)，毛玻璃(6)由步进电机(7)带动，控制单元(8)控制步进电机步进，即控制单元(8)发射TTL电脉冲给步进电机，每个TTL电脉冲使得步进电机(7)带动毛玻璃(6)旋转或平移固定步长，经过毛玻璃(6)的平行光束形成散射的激光散斑场，调节第一光阑(9)的孔径，限制散射的激光散斑场的视场大小后，散射的激光散斑场被变焦镜头(10)成像至工业相机(11)的感光面，形成散射的激光散斑场图像，变焦镜头(10)能够将散射的激光散斑场放大和缩小一定的倍数；毛玻璃(6)由起始位置每转动或平移一次的同时，控制单元(8)发射一个TTL电脉冲送至工业相机(11)的(11a)触发接口，工业相机(11)拍摄并记录一次散射的激光散斑场；工业相机(11)将多次拍摄的散射的激光散斑场图像，即激光散斑场的图像矩阵，以数字信号格式发送至图像采集与存储单元(12)储存；每一次TTL电脉冲，毛玻璃(6)由起始位置转动或平移一次，则经过毛玻璃(6)的散射的激光散斑场变化一次，然后送至50：50分束器(13)的第一端口(13a)进行分光形成透射光束和反射光束，透射光束从分束器(13)的第二端口(13c)出射，反射光束从分束器(13)的反射端口(13d)反射，将反射光束舍弃，将50：50分束器(13)分光得到的透射光束入射至第三透镜(14)后，形成平行光束照射到第三反射镜(15)，由第三反射镜(15)反射的光束再次入射至第三透镜(14)恢复成汇聚光束，再次经过50：50分束器(13)的第二端口(13c)进行分光得到透射光束和反射光束，反射光束从端口(13b)射出，透射光束将从分束器(13)第一端口(13a)出射，舍弃第一端口(13a)透射光束，第三透镜(14)恢复成汇聚光束进行分光得到的从第二端口(13b)射出的反射光束进入第二光阑(16)，第二光阑(16)透过的光束送至光电探测器(17)，光电探测器(17)将光信号转化成电信号，送至数据采集卡(18)，数据采集卡(18)将模拟电信号转化为数字信号送至数据处理与显示模块(19)，数据处理与显示模块(19)按存储顺序调用图像采集与存储单元(12)储存的激光散斑场的图像矩阵，每一激光散斑场的图像矩阵与每一个光电探测器(17)探测到的信号分别进行强度关联运算，并将关联运算结果进行显示，得到关联后的图像和该图像上的一个斑点坐标。...
【技术特征摘要】
1.一种量子关联自准直仪，其特征在于包括：光源发射单元、光源记录单
元、量子自准直仪测量单元；
光源发射单元包括激光器(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第一
透镜(4)、第二透镜(5)、控制单元(8)、步进电机(7)、毛玻璃(6)和第
一光阑(9)；
光源记录单元包括：变焦镜头(10)、工业相机(11)和图像采集与存储
单元(12)；
量子自准直仪测量单元包括：50：50分束器(13)、第三透镜(14)、第
三反射镜(15)、第二光阑(16)、光电探测器(17)、数据采集卡(18)、数据
处理与显示模块(19)；
第一反射镜(2)、第二反射镜(3)成90度布置，第一透镜(4)、第二透
镜(5)和第三透镜(14)、第一光阑(9)分别垂直于同一光轴，且在同一光
轴上，第一透镜(4)和第二透镜(5)的距离为第一透镜(4)和第二透镜(5)
的焦距之和；第三透镜(14)与毛玻璃(6)的距离等于第三透镜(14)的焦
距；第二光阑(16)和毛玻璃(6)相对于50：50分束器的分束面放置在对称
位置；
激光器(1)连续发光束，该光束依次经过第一反射镜(2)、第二反射镜
(3)反射后，经第二反射镜(3)反射后的光束再依次入射到第一透镜(4)
和第二透镜(5)，形成平行光束出射至毛玻璃(6)，毛玻璃(6)由步进电机
(7)带动，控制单元(8)控制步进电机步进，即控制单元(8)发射TTL电
脉冲给步进电机，每个TTL电脉冲使得步进电机(7)带动毛玻璃(6)旋转或
平移固定步长，经过毛玻璃(6)的平行光束形成散射的激光散斑场，调节第一
光阑(9)的孔径，限制散射的激光散斑场的视场大小后，散射的激光散斑场被
变焦镜头(10)成像至工业相机(11)的感光面，形成散射的激光散斑场图像，
\t变焦镜头(10)能够将散射的激光散斑场放大和缩小一定的倍数；毛玻璃(6)
由起始位置每转动或平移一次的同时，控制单元(8)发射一个TTL电脉冲送
至工业相机(11)的(11a)触发接口，工业相机(11)拍摄并记录一次散射
的激光散斑场；
工业相机(11)将多次拍摄的散射的激光散斑场图像，即激光散斑场的图
像矩阵，以数字信号格式发送至图像采集与存储单元(12)储存；
每一次TTL电脉冲，毛玻璃(6)由起始位置转动或平移一次，则经过毛
玻璃(6)的散射的激光散斑场变化一次，然后送至50：50分束器(13)的第
一端口(13a)进行分光形成透射光束和反射光束，透射光束从分束器(13)
的第二端口(13c)出射，反射光束从分束器(13)的反射端口(13d)反射，
将反射光束舍弃，将50：50分束器(13)分光得到的透射光束入射至第三透
镜(14)后，形成平行光束照射到第三反射镜(15)，由第三反射镜(15)反
射的光束再次入射至第三透镜(14)恢复成汇聚光束，再次经过50：50分束
器(13)的第二端口(13c)进行分光得到透射光束和反射光束，反射光束从
端口(13b)射出，透射光束将从分束器(13)第一端口(13a)出射，舍弃第
一端口(13a)透射光束，第三透镜(14)恢复成汇聚光束进行分光得到的从
第二端口(13b)射出的反射光束进入第二光阑(16)，第二光阑(16)透过的
光束送至光电探测器(17)，光电探测器(17)将光信号转化成电信号，送至
数据采集卡(18)，数据采集卡(18)将模拟电信号转化为数字信号送至数据
处理与显示模块(19)，数据处理与显示模块(19)按存储顺序调用图像采集
与存储单元(12)储存的激光散斑场的图像矩阵，每一激光散斑场的图像矩阵
与每一个光电探测器(17)探测到的信号分别进行强度关...
【专利技术属性】
技术研发人员：李明飞，霍娟，杨然，张安宁，刘院省，莫小范，赵连洁，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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