[发明专利]基于锥形透镜的光线入射角度测量系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于锥形透镜的光线入射角度测量系统与方法，利用光阑、锥形透镜和图像接收装置，获取待测光线通过光阑射入锥形透镜后在图像接收装置上得到的光斑图像，通过图像处理装置可得到光斑图像特征信息，进而结合标定数据求解光线入射角度。采用锥形透镜的光线入射角度测量方案，结构简单、体积小且不需要进行繁琐的安装调试。与现有的单光点测量等方法相比，本方案中锥形透镜具有角度放大作用，可提高测量精度。本方案中图像接收装置自身的像素分辨率对测量结果影响较小，系统光通量大，容易获得较高的信噪比。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于锥形透镜的光线入射角度测量系统与方法。

背景技术

光线入射角度的测量在机械制造、测试计量和精密仪器等领域具有广泛的应用。例如主要由光电探测器、步进电机跟踪模块、电路模块等组成的可用来提高太阳能利用率的太阳光角度追踪器；主要由光学镜头、图像传感器以及图像处理系统组成的对卫星进行姿态测量的恒星敏感器以及应用于目标探测领域的目标跟踪系统等。目前，在光学测量领域，尤其是光线入射角度的测量，大多采用光电探测法来实现。光电探测法通常在特殊结构上布置一定数量的光敏元件，光线入射角不同时会导通不同的光敏元件组合，进而确定光线角度。但这种方法需要较多的光敏元件，调试工作量大。还有通过测量不同位置光电池的输出短路电流来计算入射光角度。这种方法虽然可减少光敏元件的数量，但光电池特性不一致或特性变化时则会导致较大的误差。此外还存在采用微透镜阵列来进行光线入射角度测量的方案，比如通过至少一组具有预先规划安装参数的微透镜阵列实现光线角度的测量，但此类方案也存在微透镜阵列较多，一致性难以保证，安装调试工作量较大的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于锥形透镜的光线入射角度测量系统与方法，利用光阑、锥形透镜和图像接收装置，获取待测光线通过光阑射入锥形透镜后在图像接收装置上得到的光斑图像，通过图像处理装置可得到光斑图像特征信息，进而结合标定数据求解光线入射角度。该方法具有精度高、成本低、结构简单、体积小、功耗低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于锥形透镜的光线入射角度测量系统，包括：光阑、锥形透镜、图像接收装置、图像显示装置、以及图像处理装置；

待测光线经过光阑至锥形透镜大端端面射入锥形透镜，以不同角度入射的待测光线，会在锥形透镜中发生不同次数的全反射，当入射锥形透镜侧壁的光线不满足全反射条件时，光线从锥形透镜侧壁射出，射出的光线被图像接收装置接收并形成光斑图像；光斑图像由图像显示装置显示，并由图像处理装置提取出光斑图像的特征信息，从而结合标定数据求解出待测光线的入射角度。

一种基于锥形透镜的光线入射角度测量方法，包括：

待测光线经过光阑至锥形透镜大端端面射入锥形透镜，以不同角度入射的待测光线，会在锥形透镜中发生不同次数的全反射，当入射锥形透镜侧壁的光线不满足全反射条件时，光线从锥形透镜侧壁射出，射出的光线被图像接收装置接收并形成光斑图像；

光斑图像由图像显示装置显示，由图像处理装置提取出光斑图像的特征信息，从而结合标定数据求解出待测光线的入射角度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用锥形透镜的光线入射角度测量方案，结构简单、体积小且不需要进行繁琐的安装调试。与现有的单光点测量等方法相比，本方案中锥形透镜具有角度放大作用，可提高测量精度。本方案中图像接收装置自身的像素分辨率对测量结果影响较小，系统光通量大，容易获得较高的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。