专利名称：一种空间三维角度测量装置的制作方法
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士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。
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具体实施例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、CXD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。透射过分光片3光强较强的那路平行激光透射至透光率为50%的偏振分光片6 后，一部分被光电池4接收，另一部分被光电池5接收；光电池4、5将照射其上的激光强度转换为相应的电动势，分别为I1U2 ；根据光强与滚动角θ对应的关系I2A1 = sin θ，便可计算得出其滚动角。基于无衍射光斑中心坐标是通过图像处理的方法插值拟合计算而得，受CXD图像传感器光强线性度工作区间影响非常小，而且无衍射光其强的抗环境光的干扰能力，在矩形光栅的拓宽测角范围时也能保证水平角与倾斜角度的测量精度；光电池的光敏面大，光强线性度工作范围宽，滚动角测量对应光强计算简单，使得滚动角不但测量范围大，而且测量精度高。上述实施例是本发明较佳实施例，该装置结构紧凑，可测的各空间角度范围高达 90度，测量精度达到毫伏度，但不可理解为该实例是本发明唯一选择，在于本发明相同构思下，通过改变不同组件的相对角度来实现本发明，均属于本发明的保护范畴。
权利要求
1.一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12，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。
2.根据权利要求1所述的空间三维角度测量装置，其特征在于，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。
全文摘要
本发明公开了一种空间角度测量装置，激光光源发出的激光经过第一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，依据无衍射光斑计算得到测量对像的水平航角和倾斜角；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和透射的激光光强强度，对与的比值作反正弦计算得到测量对像的滚动角。本发明实现较大范围的三维空间角度测量，具有强抗环境光干扰能力、高分辨率、高精度及结构紧凑的特点，可广泛应用于需要空间各角度测量的装备上。
文档编号G01C1/00GK102269582SQ20111011529
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者赵斌, 马国鹭 申请人:华中科技大学