伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，以解决现有光学系统在二维测量时长度尺寸易受限制的问题。本实用新型专利技术包括光源合作目标、伽利略望远镜组、分光镜组、柱面镜组、线阵CCD组；测量时，将被测物体与在光源合作目标固连；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，完成X向的测量；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，完成Y向的测量。本实用新型专利技术所提供的光学系统接近无焦，有效缩短了系统长度，使用方便。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光学测量
，涉及一种伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统。
技术介绍
线阵CCD广泛应用于高精度、大范围位置测量中，与面阵CCD相比，线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多，且价位较为低廉，而总像元数较面阵CCD少，且像元尺寸比较灵活，每秒的帧幅率高，特别适用于一维动态目标的位置测量。为实现二维位置测量，线阵CCD需与光源合作目标及柱面镜相结合使用才能完成。在合作光源目标为点光源或要求合作光源尺寸极小，且系统焦距较长时，光学系统长度尺寸将受到限制。当线阵CCD的一维像元足够完成对应维的测量，且要求使用线阵CCD完成高精度、大范围内的二维位置测量时，可选择球面与柱面镜组合型式的光学系统。已经报道的光学系统中，有先采用球面镜系统对光点进行一次成像，然后再采用柱面系统进行二次成像的结构形式，但是这种结构的光学系统长度较长，使用起来极不方便。
技术实现思路
为解决
技术介绍
中提出的使用线阵CCD进行二维位置测量时光学系统焦距较长致使光学系统长度尺寸受到限制的问题，本技术提供了一种光学长度较短的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统。本技术的技术方案是：伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统包括光源合作目标、分光镜组、第一线阵CCD和第二线阵CCD；所述光源合作目标为点光源或可等效为点光源的光源；所述第一线阵CCD和第二线阵CCD的像素长度
均能覆盖一维测量。其特殊之处在于：该光学系统还包括由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组。上述伽利略望远镜组设置在能够接收光源合作目标所发出光线的位置处，其角放大倍率的范围为1≤γ≤10，以保证经第一柱面镜组和第二柱面镜组变换所成的线像能分别与第一线阵CCD和第二线阵CCD正交。上述分光镜组设置在伽利略望远镜组的输出光路上，将伽利略望远镜组的输出光路分为两路。上述第一柱面镜组设置在分光镜组的反射光路上，第二柱面镜组设置在分光镜组的透射光路上。上述第一线阵CCD设置在第一柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭；第一线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面上，其感光单元的排列方向(即光敏长度方向)与空间直角坐标系的OZ轴平行且与第一柱面镜组的输出光路的光轴无Y向偏移量。上述第二线阵CCD设置在第二柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭；第二线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的XOY平面上，其感光单元的排列方向(即光敏长度方向)与空间直角坐标系的OY轴平行且与第二柱面镜组的输出光路的光轴无X向偏移量。测量时，将被测物体固连在光源合作目标上，当光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时，光源合作目标所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，从而完成X向的测量；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，从而完成Y向的测量；由第一线阵CCD和第二线阵CCD共同完成二维位置测量。上述光源合作目标由光源经匀光系统照亮刻划板组成。为减小系统的能量损失，上述光源采用宽谱段照明光源，或者采用不同颜色、分时点亮的LED光源，或者采用不同颜色、与线阵CCD同步频闪的
LED光源；同时，上述分光镜组上镀有颜色分光膜。上述光源合作目标为单点光源合作目标或者多点光源合作目标。为了使第一线阵CCD和第二线阵CCD所接收到的光能量基本一致，上述分光镜组的分束比为0.5:0.5。上述分光镜组为单片分光镜，或者由两个直角棱镜胶合组成一个整体，以减小系统的装配复杂度。上述伽利略望远镜组、分光镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组可采用宽谱段光学组件或窄谱段光学组件。上述组成伽利略望远镜组的正镜和负镜为透射式或反射式。上述技术方案中的第一线阵CCD和第二线阵CCD均可由线阵CMOS替代。上述伽利略望远镜组可由类伽利略望远镜组替代。本技术提出的伽利略望远镜组与柱面镜组合的长焦光学系统，无一次成像面，系统光学长度短，能有效解决光学系统长度尺寸受限的弊端，实现点光源合作目标在较大范围内的高精度二维位置测量。本技术的优点是：1、本技术所提供的光学系统，其前组为伽利略望远镜组，接近无焦，有效缩短了系统的长度，使用方便。前组伽利略望远镜组的角放大倍率为γ(1≤γ≤10)，口径为Dq，后组柱面镜系统焦距为fz′，那么整个光学系统的焦距变为f′＝γfz′，则点光源被变换为长度L为L＝Dq/γ的一条线像，在测量范围内，选择合理γ的大小，即可保证光源合作目标在不同位置点所成线像均与双线阵CCD正交，从而获得高精度二维位置测量。2、本技术所提供的光学系统可以独立取其中一路完成单维测量，也可与现有一维测量系统组合完成三维测量。附图说明图1为本技术的原理示意图；图2为本技术的一个具体实施例的结构示意图；图2.1，图2.2为图2中任意一路光学系统在两个正交方向光线追迹图；图3为本技术的一个点光源合作目标在不同视场或者不同测量位置时系统所成的线像与线阵CCD的交线示意图(图中A处为线阵CCD)；其中：1-光源合作目标；2-伽利略望远镜组；3-分光镜组；4-第一柱面镜组；5-第一线阵CCD；6-第二柱面镜组；7-第二线阵CCD。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的说明。如图1和图2所示，本技术所提供的伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统包括光源合作目标1、由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组2、分光镜组3、第一柱面镜组4、第一线阵CCD5、第二柱面镜组6和第二线阵CCD7。光源合作目标1为点光源或可等效为点光源的光源，第一线阵CCD5和第二线阵CCD7的像素长度均能覆盖一维测量。伽利略望远镜组2用于光束变换，缩短系统整体长度；分光镜组3用于将光束分为两路，实现两维独立测量；两个柱面镜组用于光束变形，将点目标变换为线像，可与线阵CCD组正交成像。光源合作目标1由光源经匀光系统照亮刻划板组成。为减小系统的光能量损失，光源可采用宽谱段照明光源，或者采用不同颜色、分时点亮的LED光源，亦可采用不同颜色、与线阵CCD同步频闪的LED光源；同时，在分光镜组3上镀颜色分光膜。伽利略望远镜组2设置在能够接收光源合作目标1在不同视场或者不同测量位置所发出光线的位置处，并且其角放大倍率的范围为1≤γ≤10，以保证经第一柱面镜组和第二柱面镜组变换所成的线像能分别与第一线阵CCD5和第二线阵CCD7正交。组成伽利略望远镜组2的正镜和负镜可采用透射式镜片或反射式镜片，采用反射式镜片可进一步缩小系统的纵向尺寸。分光镜组3设置在伽利略望远镜组2的输出光轴上。为使第一线阵CCD5和第二线阵CCD7接收到的光能量基本一致，进一步提高系统的测量精度，
本技术的分光镜组3的分束比为0.5:0.5。作为优化，分光镜组3可由两个直角棱镜胶合组成，以降低系统的装配复杂度。第一柱面镜组4设置在分光镜组3的反射光路上(即第一光路上)，第二柱面镜组6设置在分光镜组3的透射光路上(即第二光路上)。此外，为减少设计和加工复杂度，第一柱面镜组4和第一柱面镜组6的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，包括光源合作目标、分光镜组、第一线阵CCD和第二线阵CCD；所述光源合作目标为点光源或可等效为点光源的光源；所述第一线阵CCD和第二线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量；其特征在于：还包括均由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组；所述伽利略望远镜组设置在能够接收光源合作目标所发出光线的位置处，其角放大倍率的范围为1≤γ≤10；所述分光镜组设置在伽利略望远镜组的输出光路上；所述第一柱面镜组设置在分光镜组的反射光路上，第二柱面镜组设置在分光镜组的透射光路上；所述第一线阵CCD设置在第一柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭；第一线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面上，第一线阵CCD的感光单元的排列方向与空间直角坐标系的OZ轴平行且与第一柱面镜组的输出光路的光轴无Y向偏移量；所述第二线阵CCD设置在第二柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭；第二线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的XOY平面上，第二线阵CCD的感光单元的排列方向与空间直角坐标系的OY轴平行且与第二柱面镜组的输出光路的光轴无X向偏移量；测量时，将被测物体与在光源合作目标固连；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，完成X向的测量；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，完成Y向的测量；第一线阵CCD和第二线阵CCD共同完成二维位置测量。...

【技术特征摘要】
1.伽利略望远镜组与柱面镜组合式二维位置测量光学系统，包括光源合作目标、分光镜组、第一线阵CCD和第二线阵CCD；所述光源合作目标为点光源或可等效为点光源的光源；所述第一线阵CCD和第二线阵CCD的像素长度均能覆盖一维测量；其特征在于：还包括均由正镜和负镜组成的伽利略望远镜组、第一柱面镜组和第二柱面镜组；所述伽利略望远镜组设置在能够接收光源合作目标所发出光线的位置处，其角放大倍率的范围为1≤γ≤10；所述分光镜组设置在伽利略望远镜组的输出光路上；所述第一柱面镜组设置在分光镜组的反射光路上，第二柱面镜组设置在分光镜组的透射光路上；所述第一线阵CCD设置在第一柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭；第一线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的YOZ平面上，第一线阵CCD的感光单元的排列方向与空间直角坐标系的OZ轴平行且与第一柱面镜组的输出光路的光轴无Y向偏移量；所述第二线阵CCD设置在第二柱面镜组的输出光路上，且与光源合作目标共轭；第二线阵CCD的光敏面位于空间直角坐标系的XOY平面上，第二线阵CCD的感光单元的排列方向与空间直角坐标系的OY轴平行且与第二柱面镜组的输出光路的光轴无X向偏移量；测量时，将被测物体与在光源合作目标固连；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第一柱面镜组变换为正交于第一线阵CCD的线像，完成X向的测量；光源合作目标在测量范围内的不同工作区域运动时所发出的光线经伽利略望远镜组、分光镜组和第二柱面镜组变换为正交于第二线阵CCD的线像，完成Y向的测量；第一线阵CCD和第二线阵CCD共同完成二维位置测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘爱敏，肖茂森，高立民，陆卫国，王海霞，贾乃勋，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西;61