[发明专利]一种空间三维角度测量装置

说明书

技术领域

本发明属于空间角度测量技术领域，具体涉及对三维空间大角度的测量装置。

背景技术

测角技术的主要测量方式有机械式、电磁式和光学测角方法。早期经典的机械齿分度台式与电磁圆磁栅式的测角精度局限，且难以实现自动化；光学测角方法具有非接触、高精确度和高灵敏度，尤其在使用稳定的激光光源时其优势更加显著。

目前，光学测角方法除经典光学分度头法和多面棱体法外，还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法、平行干涉图法以及环形激光法等。虽然这些方法能提供较高的测量精度，但基于此设计的光学系统、机械结构不但比较复杂，而且在基于光学成像测量基础理论的测量系统中，因受环境光干扰、球差、和像差等影响测量精度，并且这些光学测角方法对空间角度测量时在保证测量精度的前提下大都局限在小角度范围、空间一维或者二维角度，故而在工业实际的应用中具有较大的局限性。因此，需要测角精度高、测角范围较大能同时测量三维角度的测量装置来满足工程需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具较大测量范围的三维空间角度测量装置，具有强抗环境光干扰能力、高分辨率、高测量精度和结构紧凑的特点。

一种空间三维角度测量装置，包括激光光源、偏振片、非偏振分光片、偏振分光片、矩形光栅、圆锥透镜、图像传感器、光电池和数字信息处理系统；

激光光源发出的激光经过偏振片透射后入射非偏振分光片；经非偏振分光片反射的激光经过矩形光栅扩大衍射级后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑，图像传感器捕获无衍射光斑并传送给数字信息处理系统，数字信息处理系统依据无衍射光斑计算得到测量对像的水平航角和俯仰角；经非偏振分光片透射的激光入射第二偏振分光片，光电池捕获经第二偏振分光片反射的激光强度I₁和透射的激光光强强度I₂，并将其传送给数字信息处理系统，数字信息处理系统对I₁与I₂的比值作反正弦计算得到测量对像的滚动角。

进一步地，非偏振分光片与偏振分光片成45度夹角；矩形光栅与非偏振分光片成45度夹角；CCD图像传感器的光敏面、矩形光栅与圆锥透镜的底平面相互平行；在偏振分光片的两侧对称分布有两光电池，两光电池的接收平面成90度夹角。

该方法具有以下的优点：

1无衍射光优良的定心特性和强的抗环境光干扰能力，提高了光斑中心的定心精度，光电池的光强线性度非常好，确保了装置相对于水平面俯仰角、倾斜角与滚动角度的测量精度。

2由于滚动角的测量是时基于光的偏振性理论，滚动角度的测量理论范围是0°～90°；利用矩形光栅将测量范围扩大至原来的至少3倍，俯仰角、倾斜角测量范围至少可达±40°，本发明在保证测量精度的同时大大提高了空间角度的测量范围。

3通过全光学的方式实现了对空间各个角度的测量，且其结构紧凑、简单，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2本发明的光学原理图；

图3矩形光栅扩大测量范围原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明较佳实施例作进一步的详细说明。

如图1所示，实现本实例的所需具体器件：透射率为75％的非偏振分光片3、透光率为80％的偏振片2、透光率为50％的偏振片6、圆锥透镜7、CCD图像传感器8、矩形光栅9、两块大光敏面的光电池4与5，偏振片2固定在激光器1上；非偏振分光片3与偏振分光片6两平面成45度夹角；矩形光栅9与非偏振分光片3也成45度的平面夹角；CCD图像传感器8光敏面、矩形光栅9与圆锥透镜7的底平面相互平行；两光电池4与5的接受平面成90度夹角，对称分布在偏振分光片6的两侧。

本发明的空间三维角度测量原理如图2所示。准直后的激光束经由偏振片2入射到透射率为75％分光片3分成两路。由分光片3反射的形成的那束光强较弱，至矩形光栅9扩大衍射级后(图3给出了矩形光栅扩大测量范围原理示意图)，经由圆锥透镜7，产生无衍射光斑，由CCD图像传感器8捕获，通过对无衍射光斑中心坐标的计算(其中光斑中心的计算方法可参考“基于圆环滤波的无衍射光定中算法”一文)，便可对应到本发明装置相对于激光光束的在水平面内的夹角与倾斜角。