伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)在二維測量時長度尺寸易受限制的問題。本實用新型包括光源合作目標(biāo)、伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組、柱面鏡組、線陣CCD組；測量時，將被測物體與在光源合作目標(biāo)固連；光源合作目標(biāo)在測量范圍內(nèi)的不同工作區(qū)域運動時所發(fā)出的光線經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組和第一柱面鏡組變換為正交于第一線陣CCD的線像，完成X向的測量；光源合作目標(biāo)在測量范圍內(nèi)的不同工作區(qū)域運動時所發(fā)出的光線經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組和第二柱面鏡組變換為正交于第二線陣CCD的線像，完成Y向的測量。本實用新型所提供的光學(xué)系統(tǒng)接近無焦，有效縮短了系統(tǒng)長度，使用方便。
【專利說明】
伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]線陣CCD廣泛應(yīng)用于高精度、大范圍位置測量中，與面陣CCD相比，線陣CCD的優(yōu)點是一維像元數(shù)可以做得很多，且價位較為低廉，而總像元數(shù)較面陣CCD少，且像元尺寸比較靈活，每秒的幀幅率高，特別適用于一維動態(tài)目標(biāo)的位置測量。
[0003]為實現(xiàn)二維位置測量，線陣CCD需與光源合作目標(biāo)及柱面鏡相結(jié)合使用才能完成。在合作光源目標(biāo)為點光源或要求合作光源尺寸極小，且系統(tǒng)焦距較長時，光學(xué)系統(tǒng)長度尺寸將受到限制。
[0004]當(dāng)線陣CCD的一維像元足夠完成對應(yīng)維的測量，且要求使用線陣CCD完成高精度、大范圍內(nèi)的二維位置測量時，可選擇球面與柱面鏡組合型式的光學(xué)系統(tǒng)。已經(jīng)報道的光學(xué)系統(tǒng)中，有先采用球面鏡系統(tǒng)對光點進(jìn)行一次成像，然后再采用柱面系統(tǒng)進(jìn)行二次成像的結(jié)構(gòu)形式，但是這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)長度較長，使用起來極不方便。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為解決【背景技術(shù)】中提出的使用線陣CCD進(jìn)行二維位置測量時光學(xué)系統(tǒng)焦距較長致使光學(xué)系統(tǒng)長度尺寸受到限制的問題，本實用新型提供了一種光學(xué)長度較短的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)。
[0006]本實用新型的技術(shù)方案是:
[0007]伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)包括光源合作目標(biāo)、分光鏡組、第一線陣CCD和第二線陣CCD;所述光源合作目標(biāo)為點光源或可等效為點光源的光源；所述第一線陣CCD和第二線陣CCD的像素長度均能覆蓋一維測量。其特殊之處在于:該光學(xué)系統(tǒng)還包括由正鏡和負(fù)鏡組成的伽利略望遠(yuǎn)鏡組、第一柱面鏡組和第二柱面鏡組。
[0008]上述伽利略望遠(yuǎn)鏡組設(shè)置在能夠接收光源合作目標(biāo)所發(fā)出光線的位置處，其角放大倍率的范圍為^ γ <10，以保證經(jīng)第一柱面鏡組和第二柱面鏡組變換所成的線像能分別與第一線陣C⑶和第二線陣CXD正交。
[0009]上述分光鏡組設(shè)置在伽利略望遠(yuǎn)鏡組的輸出光路上，將伽利略望遠(yuǎn)鏡組的輸出光路分為兩路。
[0010]上述第一柱面鏡組設(shè)置在分光鏡組的反射光路上，第二柱面鏡組設(shè)置在分光鏡組的透射光路上。
[0011 ]上述第一線陣CXD設(shè)置在第一柱面鏡組的輸出光路上，且與光源合作目標(biāo)共軛;第一線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，其感光單元的排列方向(即光敏長度方向)與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行且與第一柱面鏡組的輸出光路的光軸無Y向偏移量。
[0012]上述第二線陣CXD設(shè)置在第二柱面鏡組的輸出光路上，且與光源合作目標(biāo)共軛;第二線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的XOY平面上，其感光單元的排列方向(即光敏長度方向)與空間直角坐標(biāo)系的OY軸平行且與第二柱面鏡組的輸出光路的光軸無X向偏移量。
[0013]測量時，將被測物體固連在光源合作目標(biāo)上，當(dāng)光源合作目標(biāo)在測量范圍內(nèi)的不同工作區(qū)域運動時，光源合作目標(biāo)所發(fā)出的光線經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組和第一柱面鏡組變換為正交于第一線陣CCD的線像，從而完成X向的測量;光源合作目標(biāo)在測量范圍內(nèi)的不同工作區(qū)域運動時所發(fā)出的光線經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組和第二柱面鏡組變換為正交于第二線陣CCD的線像，從而完成Y向的測量；由第一線陣CCD和第二線陣CCD共同完成二維位置測量。
[0014]上述光源合作目標(biāo)由光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板組成。
[0015]為減小系統(tǒng)的能量損失，上述光源采用寬譜段照明光源，或者采用不同顏色、分時點亮的LED光源，或者采用不同顏色、與線陣CCD同步頻閃的LED光源；同時，上述分光鏡組上鍍有顏色分光膜。
[0016]上述光源合作目標(biāo)為單點光源合作目標(biāo)或者多點光源合作目標(biāo)。
[0017]為了使第一線陣C⑶和第二線陣CCD所接收到的光能量基本一致，上述分光鏡組的分束比為0.5:0.5。
[0018]上述分光鏡組為單片分光鏡，或者由兩個直角棱鏡膠合組成一個整體，以減小系統(tǒng)的裝配復(fù)雜度。
[0019]上述伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組、第一柱面鏡組和第二柱面鏡組可采用寬譜段光學(xué)組件或窄譜段光學(xué)組件。
[0020]上述組成伽利略望遠(yuǎn)鏡組的正鏡和負(fù)鏡為透射式或反射式。
[0021]上述技術(shù)方案中的第一線陣C⑶和第二線陣C⑶均可由線陣CMOS替代。
[0022]上述伽利略望遠(yuǎn)鏡組可由類伽利略望遠(yuǎn)鏡組替代。
[0023]本實用新型提出的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合的長焦光學(xué)系統(tǒng)，無一次成像面，系統(tǒng)光學(xué)長度短，能有效解決光學(xué)系統(tǒng)長度尺寸受限的弊端，實現(xiàn)點光源合作目標(biāo)在較大范圍內(nèi)的高精度二維位置測量。
[0024]本實用新型的優(yōu)點是:
[0025]1、本實用新型所提供的光學(xué)系統(tǒng)，其前組為伽利略望遠(yuǎn)鏡組，接近無焦，有效縮短了系統(tǒng)的長度，使用方便。前組伽利略望遠(yuǎn)鏡組的角放大倍率為γ (I < γ <10)，口徑為09，后組柱面鏡系統(tǒng)焦距為fV，那么整個光學(xué)系統(tǒng)的焦距變?yōu)閒 = TfZ7，則點光源被變換為長度L為L = Dq/ γ的一條線像，在測量范圍內(nèi)，選擇合理γ的大小，即可保證光源合作目標(biāo)在不同位置點所成線像均與雙線陣CCD正交，從而獲得高精度二維位置測量。
[0026]2、本實用新型所提供的光學(xué)系統(tǒng)可以獨立取其中一路完成單維測量，也可與現(xiàn)有一維測量系統(tǒng)組合完成三維測量。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型的原理不意圖；
[0028]圖2為本實用新型的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2.1，圖2.2為圖2中任意一路光學(xué)系統(tǒng)在兩個正交方向光線追跡圖；
[0030]圖3為本實用新型的一個點光源合作目標(biāo)在不同視場或者不同測量位置時系統(tǒng)所成的線像與線陣CCD的交線示意圖(圖中A處為線陣CCD);
[0031 ]其中:1-光源合作目標(biāo);2-伽利略望遠(yuǎn)鏡組;3-分光鏡組;4-第一柱面鏡組;5-第一線陣CXD; 6-第二柱面鏡組;7-第二線陣CXD。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步的說明。
[0033]如圖1和圖2所示，本實用新型所提供的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)包括光源合作目標(biāo)1、由正鏡和負(fù)鏡組成的伽利略望遠(yuǎn)鏡組2、分光鏡組3、第一柱面鏡組4、第一線陣CCD5、第二柱面鏡組6和第二線陣CCD7。光源合作目標(biāo)I為點光源或可等效為點光源的光源，第一線陣CCD5和第二線陣CCD7的像素長度均能覆蓋一維測量。
[0034]伽利略望遠(yuǎn)鏡組2用于光束變換，縮短系統(tǒng)整體長度;分光鏡組3用于將光束分為兩路，實現(xiàn)兩維獨立測量;兩個柱面鏡組用于光束變形，將點目標(biāo)變換為線像，可與線陣CCD組正交成像。
[0035]光源合作目標(biāo)I由光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板組成。為減小系統(tǒng)的光能量損失，光源可采用寬譜段照明光源，或者采用不同顏色、分時點亮的LED光源，亦可采用不同顏色、與線陣CCD同步頻閃的LED光源;同時，在分光鏡組3上鍍顏色分光膜。
[0036]伽利略望遠(yuǎn)鏡組2設(shè)置在能夠接收光源合作目標(biāo)I在不同視場或者不同測量位置所發(fā)出光線的位置處，并且其角放大倍率的范圍為^ γ <10，以保證經(jīng)第一柱面鏡組和第二柱面鏡組變換所成的線像能分別與第一線陣(XD5和第二線陣CCD7正交。組成伽利略望遠(yuǎn)鏡組2的正鏡和負(fù)鏡可采用透射式鏡片或反射式鏡片，采用反射式鏡片可進(jìn)一步縮小系統(tǒng)的縱向尺寸。
[0037]分光鏡組3設(shè)置在伽利略望遠(yuǎn)鏡組2的輸出光軸上。為使第一線陣(XD5和第二線陣CCD7接收到的光能量基本一致，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度，本實用新型的分光鏡組3的分束比為0.5:0.5。作為優(yōu)化，分光鏡組3可由兩個直角棱鏡膠合組成，以降低系統(tǒng)的裝配復(fù)雜度。
[0038]第一柱面鏡組4設(shè)置在分光鏡組3的反射光路上(即第一光路上)，第二柱面鏡組6設(shè)置在分光鏡組3的透射光路上(即第二光路上)。此外，為減少設(shè)計和加工復(fù)雜度，第一柱面鏡組4和第一柱面鏡組6的結(jié)構(gòu)形式可完全相同，僅需保證兩者正交放置即可。
[0039]由于柱面鏡只在兩個方向具有對稱性，而伽利略望遠(yuǎn)鏡組具有徑向?qū)ΨQ性。為充分保證對應(yīng)維度的像質(zhì)，兩者均需要復(fù)雜化，即柱面鏡組和伽利略望遠(yuǎn)鏡組均由兩片或以上正負(fù)鏡組合組成，當(dāng)光源合作目標(biāo)I采用寬譜段光源時，正鏡一般用冕牌玻璃，負(fù)鏡一般用火石玻璃以消除色差影響。
[0040]第一線陣CCD5設(shè)置在第一柱面鏡組4的輸出光路上，與第一柱面鏡組4的母線正交，并位于光源合作目標(biāo)I的共軛成像面上;第一線陣CCD5的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，第一線陣CCD5的光敏長度方向與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行且相對于第一柱面鏡組的輸出光路的光軸無Y向偏移量。
[0041]第二線陣CCD7設(shè)置在第二柱面鏡組6的輸出光路上，與第二柱面鏡組6的母線正交，并位于光源合作目標(biāo)I的共軛成像面上;第二線陣CCD7的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的XOY平面上，第二線陣CCD7的光敏長度方向與空間直角坐標(biāo)系的OY軸平行且相對于第二柱面鏡組6的輸出光路的光軸無X向偏移量。
[0042]本實用新型的第一線陣(XD5和第二線陣(XD7均可由線陣CMOS替代。
[0043]為了獲得更高的測量精度，本實用新型采用的光源合作目標(biāo)I由激光或者LED光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板組成;為避免能量損失過多，本實用新型的光源合作目標(biāo)I可采用寬譜段照明光源或者采用不同顏色的LED分時點亮，并且分光鏡組3處可采用不同顏色的分色膜來實現(xiàn)第一線陣CCD5和第二線陣CCD7接收到的光能量一致。
[0044]圖3為一個點光源合作目標(biāo)在不同視場或者不同測量位置時系統(tǒng)所成的線像與線陣CCD的交線示意圖。由于使用了柱面鏡組，那么第一光路和第二光路均有兩個方向的參數(shù):柱面鏡組的有光焦度方向，即垂直于柱面鏡組的母線方向和柱面鏡組的無光焦度方向，也即柱面鏡組的母線方向。假設(shè)前組伽利略望遠(yuǎn)鏡組2的角放大率為γ =4，則1°入射光被放大為約4°，經(jīng)過伽利略望遠(yuǎn)鏡組2后，那么，柱面鏡組的有光焦度方向的入射角逐漸增大時，柱面鏡組的弱光焦度的工作面上光線的高度就會隨著入射角的增大而增大。雖然線長變化不大，但是由于各視場的主光線角度差異大，且伽利略望遠(yuǎn)鏡組2的后端還有較長的光路，而導(dǎo)致整個光學(xué)系統(tǒng)所成線像的中心離線陣CCD所設(shè)置的位置(光軸位置)越來越遠(yuǎn)。柱面鏡組的無光焦度方向主要用于變形，設(shè)計時合理控制前組伽利略望遠(yuǎn)鏡組2的角放大率為γ，保證點光源合作目標(biāo)變換成的線像在工作范圍內(nèi)始終與雙線陣CCD正交，才能保證測量無盲區(qū)。
[0045]采用本實用新型所提供的光學(xué)系統(tǒng)對被測物體進(jìn)行二維位置測量的具體過程是:將光源合作目標(biāo)I與被測物體固連，當(dāng)光源合作目標(biāo)I運動相對于二維測量光學(xué)系統(tǒng)在一定平面內(nèi)進(jìn)行運動時，通過對光源合作目I成像，完成光源合作目標(biāo)的二維位置測量，即完成對被測物體的二維位置測量。
[0046]本實用新型可廣泛應(yīng)用于高精度、較大范圍二維位置測量，可以獨立取其中一路完成單維測量，也可再增加一維測量系統(tǒng)組合完成三維測量。
[0047]下面通過具體實施例來進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)效果。
[0048]實施例:
[0049]圖2為本實用新型一具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2.1，圖2.2為圖2中任意一路光學(xué)系統(tǒng)在兩個正交方向光線追跡圖。
[0050]如圖2所示，伽利略望遠(yuǎn)鏡組2由三片正鏡和三片負(fù)鏡組合組成，第一柱面鏡組4和第二柱面鏡組6采用完全相同的結(jié)構(gòu)形式，均由兩片正鏡和兩片負(fù)鏡組合組成。第一線陣(XD5和第二線陣CCD7的單個像元大小均為7μπι，整個光學(xué)系統(tǒng)焦距為f = 220mm，工作距離為9.8m。前組伽利略望遠(yuǎn)鏡組2的角放大率為γ =2.5，則測量范圍為500mmX 500mm，當(dāng)取圖像處理算法精度約為0.1像素時，X向、￥向探測精度約為0.05mm。
【主權(quán)項】
1.伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，包括光源合作目標(biāo)、分光鏡組、第一線陣CCD和第二線陣CCD;所述光源合作目標(biāo)為點光源或可等效為點光源的光源；所述第一線陣CCD和第二線陣CCD的像素長度均能覆蓋一維測量;其特征在于:還包括均由正鏡和負(fù)鏡組成的伽利略望遠(yuǎn)鏡組、第一柱面鏡組和第二柱面鏡組； 所述伽利略望遠(yuǎn)鏡組設(shè)置在能夠接收光源合作目標(biāo)所發(fā)出光線的位置處，其角放大倍率的范圍為I < T <10； 所述分光鏡組設(shè)置在伽利略望遠(yuǎn)鏡組的輸出光路上； 所述第一柱面鏡組設(shè)置在分光鏡組的反射光路上，第二柱面鏡組設(shè)置在分光鏡組的透射光路上； 所述第一線陣CCD設(shè)置在第一柱面鏡組的輸出光路上，且與光源合作目標(biāo)共軛;第一線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，第一線陣CCD的感光單元的排列方向與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行且與第一柱面鏡組的輸出光路的光軸無Y向偏移量； 所述第二線陣CCD設(shè)置在第二柱面鏡組的輸出光路上，且與光源合作目標(biāo)共軛;第二線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的XOY平面上，第二線陣CCD的感光單元的排列方向與空間直角坐標(biāo)系的OY軸平行且與第二柱面鏡組的輸出光路的光軸無X向偏移量； 測量時，將被測物體與在光源合作目標(biāo)固連;光源合作目標(biāo)在測量范圍內(nèi)的不同工作區(qū)域運動時所發(fā)出的光線經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組和第一柱面鏡組變換為正交于第一線陣CCD的線像，完成X向的測量;光源合作目標(biāo)在測量范圍內(nèi)的不同工作區(qū)域運動時所發(fā)出的光線經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組和第二柱面鏡組變換為正交于第二線陣CCD的線像，完成Y向的測量;第一線陣CCD和第二線陣CCD共同完成二維位置測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述光源合作目標(biāo)由光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板形成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述光源采用寬譜段照明光源，或者采用不同顏色、分時點亮的LED光源，或者采用不同顏色、與線陣CCD同步頻閃的LED光源;所述分光鏡組上鍍有顏色分光膜。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述光源合作目標(biāo)為單點光源合作目標(biāo)或者多點光源合作目標(biāo)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述分光鏡組的分束比為0.5:0.5。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述分光鏡組為單片分光鏡或者由兩個直角棱鏡膠合組成。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述伽利略望遠(yuǎn)鏡組、分光鏡組、第一柱面鏡組和第二柱面鏡組為寬譜段光學(xué)組件或窄譜段光學(xué)組件。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:組成伽利略望遠(yuǎn)鏡組的正鏡和負(fù)鏡為透射式或反射式。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一線陣CCD和第二線陣CCD均可由線陣CMOS替代。10.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一所述的伽利略望遠(yuǎn)鏡組與柱面鏡組合式二維位置測量光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述伽利略望遠(yuǎn)鏡組可由類伽利略望遠(yuǎn)鏡組替代。
【文檔編號】G01B11/00GK205607328SQ201620232238
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】劉愛敏, 肖茂森, 高立民, 陸衛(wèi)國, 王海霞, 賈乃勛
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所