基于锥形透镜的光线入射角度测量系统与方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

图1为本发明实施例提供的一种基于锥形透镜的光线入射角度测量系统的示意图；图中：1-待测光线，2-光阑，3-锥形透镜，4-图像接收装置，5-图像显示装置，6-图像处理装置；

图2为本发明实施例提供的锥形透镜的示意图；

图3为本发明实施例提供的光线在锥形透镜子午面内传播的光线轨迹图；

图4为本发明实施例提供的光线入射角度与像面长度关系图；

图5为本发明实施例提供的不同入射角度光线在图像接收装置上形成的光斑图像仿真图；

图6为本发明实施例提供的光线入射角度测量模型，其中β为光线入射的方位角，δ为光线入射的倾斜角。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于锥形透镜的光线入射角度测量系统，如图1所示，其主要包括：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。

下面针对系统中各个组成部分做详细介绍。

1、光阑。

本发明实施例中，光阑放置于锥形透镜大端表面或上方，并且与锥形透镜同轴放置；光阑形状为圆形或环形通孔，尺寸小于等于锥形透镜大端口径。

2、锥形透镜。

图2为锥形透镜的示意图。锥形透镜，其参数包括材料折射率、大端口径以及锥角。锥形透镜的材料可以是各种透明材料，应用的范围不限于可见光。锥形透镜放置的方向垂直于图像接收装置接收面且尖端接触或靠近图像接收装置接收面。

锥形透镜的参数、光阑位置和尺寸以及待测光线入射角度决定了图像接收装置接收面上光斑图像的尺寸；当待测光线平行于光轴入射时，光斑图像尺寸最小，当待测光线与光轴夹角增大时，由于子午光线在面内全反射状态和非子午面的斜全反射状态不同，使总体出射形成的光斑尺寸增大并具有不均匀性的对称结构，因此，可以提取出多种图像特征。

如图3所示为光线在锥形透镜子午面内传播的光线轨迹图。现假设光阑放置在锥形透镜的大端端面处，假设入射光线与锥形透镜壁法线方向的夹角为αk，其中k表示第k次全反射，当光线第一次入射子午面上侧壁时，反射角之间满足关系当光线第一次入射子午面下侧壁时，反射角之间满足关系其中θ0表示锥形透镜的半张角，α表示光线的入射角，n是锥形透镜材料的折射率。通过公式可以看出，光线每反射一次，入射角就减小一个锥角。

锥形透镜的全反射临界角当光线经过多次全反射后，光线的入射角逐次减小，当减小至小于全反射临界角时，光线在锥形透镜侧壁发生折射并射出锥形透镜。根据这一特性，可以先求出光线在锥形透镜内全反射次数。

假设光线第k次全反射时在锥形透镜内的高度为hk，此时其中，当光线入射锥形透镜上侧壁时，当光线入射锥形透镜下侧壁时，其中h0表示待测光线在锥形透镜大端端面入射的不同高度，h表示锥形透镜大端端面半径，则不同高度处入射的光线在图像接收装置上的高度为其中l表示锥形透镜的锥长。公式中涉及的参数，比如预先确立的锥形透镜的材料折射率、大端口径以及锥角都是确定的，经过理论计算可以求出在子午面处入射的光线照射到图像接收装置上的位置。

示例性的，假设光阑放置在锥形透镜的大端端面处，锥形透镜的参数为：材料折射率1.72，大端口径10mm，锥角28.1°，图4是子午面上的光线入射角度与出射光斑长度关系图(其中为负数的长度表示光斑位置仅在锥形透镜与图像传感器接触点的下方)，这在一定程度上可以反应图像的面积变化情况以及不同全反射次数光线对应的图像位置。

3、图像接收装置。

图像接收装置4主要用于获取待测光线经由锥形透镜所形成的光斑图像，待测光线在锥形透镜内经一次或多次全反射，最终会从锥形透镜侧壁出射并照射到图像接收装置的不同位置处，形成光斑图像。

在具体实现时，可根据系统需要选用适合的图像接收装置4，比如采用ccd电荷耦合器件，cmos互补金属氧化物半导体等，在本实施例中对此不做限定。

4、图像显示装置。

图像显示装置主要用于显示光斑图像，可采用常规显示屏实现。

5、图像处理装置。

图像处理装置主要用来计算待测光线入射角度，所述图像处理装置提取出光斑图像的特征信息后，结合锥形透镜光学参数和几何参数、光阑尺寸与位置、以及标定数据，计算待测光线入射角度。具体计算时，可以先通过标定将入射光线的角度与光斑图像的特征信息一一对应，接着通过图像处理方法求解图像接收装置获取的经由锥形透镜形成的光斑图像的特征信息。最后将图像的特征信息与标定数据比对或插值运算，从而精确地测出待测光线的入射角度。

本发明实施例中，标定数据为预先确定的数据，通过改变光线的入射角度，获取对应光斑图像，并求解每一光斑图像的特征信息，得到光斑图像的特征信息与入射光线角度之间的对应关系，从而得到多组标定数据。

光斑图像的特征信息包括：光斑图像分裂块数、边界夹角和图像的矩特征(零阶矩面积、一阶矩重心以及二阶矩转动惯量)，可以通过图像处理方法计算，比如采用主成分分析法、聚类法等，在本实施例中对此不做限定。

图5为不同入射角度光线在图像接收装置上形成的光斑图像仿真图，锥形透镜的材料折射率为1.72，大端口径为10mm，锥角为28.1°，不同入射角度的待测光线，具有不同的图像特征参数。其中，(a)部分光线入射角度为0°，(b)部分光线入射角度为5°，(c)部分光线入射角度为9°，(d)部分光线入射角度为10°，(e)部分光线入射角度为15°，(f)部分光线入射角度为17°，(g)部分光线入射角度为21°,(h)部分光线入射角度为22°，(i)部分光线入射角度为23°，(g)部分光线入射角度为25°，(k)部分光线入射角度为27°，(l)部分光线入射角度为30°，(m)部分光线入射角度为35°，(n)部分光线入射角度为40°，(o)部分光线入射角度为45°，(p)部分光线入射角度为47°，(q)部分光线入射角度为50°，(r)部分光线入射角度为60°，(s)部分光线入射角度为70°，(t)部分光线入射角度为80°。

图5中(a)部分、(r)部分所示光斑图像仅有一块，图5中(h)部分所示光斑图像有两块，图5中(o)部分所示光斑图像有三块；图像边界夹角可分为上边界夹角、下边界夹角以及扇形夹角，如图5中(e)部分所示为仅有下边界夹角，图5中(i)部分所示为有上、下边界夹角，图5中(q)部分所示为有扇形夹角；图像的矩特征包括光斑图像的零阶矩(面积)、一阶矩(重心)、二阶矩(转动惯量)。

对于不同入射角度的光线，可根据其图像特征信息不同划分为几类。如表1所示，将光线入射角度划分为四类，其中第一类为光线入射角度在0-10°范围内，整体光斑图像仅有一块，且图像特征包括零阶矩、一阶矩以及二阶矩；第二类为光线入射角度在10°-21°范围内，整体光斑图像仅有一块，且图像特征包括图像下分裂角度、图像零阶矩、一阶矩以及二阶矩；第三类为光线入射角度在21°-35°范围内，整体光斑图像分裂为两块，且图像特征包括图像上分裂角度、下分裂角度、图像零阶矩、一阶矩以及二阶矩；第四类为光线入射角度在35°-80°范围内，整体光斑图像仅有一块，且图像特征包括图像扇形区域角度、图像零阶矩、一阶矩以及二阶矩。根据表1的特征变化和特征值建立标定的数据库。

表1不同入射角度的光线具有的图像特征。

通过图像接收装置接收到的光斑图像具有对称性，图像对称轴的方向确定了图6中光线的方位角β角度。在具体实现时，首先以锥形透镜锥尖与图像传感器接触点为坐标原点o，采用图像处理方法计算图像对称轴方向，这样就确定了图6中的方位角β角度，然后将图像坐标系xoy通过坐标旋转转化到以光斑图像的对称轴为y轴，以垂直对称轴的直线为x轴的世界坐标系xoy中。

图像分布形式变化可以表达为一组图像特征，这组图像特征确定了图6中光线的倾斜角δ角度。其中，随光线入射角度的不同，会形成不同次数的光线全反射，所形成的图像特征变化具有分段单调特性。根据图像接收装置接收到的光斑图像，采用图像处理方法，计算出光斑的特征信息，结合标定数据确定图6中的倾斜角δ角度，采用图像处理算法求解光斑图像特征和对称轴方向，进而结合标定数据求解光线入射角度。

本发明另一实施例还提供一种基于锥形透镜的光线入射角度测量方法，该方法主要基于前述实施例提供的系统来实现，主要包括：

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。

进一步的，所述光阑放置于锥形透镜大端表面或上方，并且与锥形透镜同轴放置；

锥形透镜放置的方向垂直于图像接收装置接收面且尖端接触或靠近图像接收装置接收面。

进一步的，锥形透镜的参数、光阑位置和尺寸以及待测光线入射角度决定了图像接收装置接收面上光斑图像的尺寸；当待测光线平行于光轴入射时，光斑图像尺寸最小，当待测光线与光轴夹角增大时，由于子午光线在面内全反射状态和非子午面的斜全反射状态不同，使总体出射形成的光斑尺寸增大并具有不均匀性的对称结构。

进一步的，光斑图像的特征信息包括：光斑图像分裂块数、边界夹角和图像的矩特征。

进一步的，所述图像处理装置提取出光斑图像的特征信息后，结合锥形透镜光学参数和几何参数、光阑尺寸与位置、以及标定数据，计算待测光线入射角度；

标定数据为预先确定的数据，通过改变光线的入射角度，获取对应光斑图像，并求解每一光斑图像的特征信息，得到光斑图像的特征信息与入射光线角度之间的对应关系，从而得到多组标定数据。

需要说明的是，上述方法中所涉及的各个器件的具体形式与原理在之前的系统实施例中已经进行了详细的介绍，故不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。