一种结合激光三角法的紧凑型四光斑二维转角检测装置

1.本发明涉及光学测量以及机械量测量技术领域，具体涉及一种结合激光三角法的紧凑型四光斑二维转角检测装置。


背景技术：

2.二维转角在测量中是一个非常重要的几何参数。随着当今社会科技的不断发展，二维转角的测量方法也在不断更进。与传统机械式测角法相比，光学测量的方法具有非接触式测量，精度高等特点，如圆光栅法，激光干涉法，激光准直法和激光三角法。光学测量方法中，圆光栅法通过测量光栅转过的栅距数测得转角，稳定性好，精度高，但对设备安装和光栅精度要求高，难以保证分辨率；激光干涉法将物体转角测量转化为相干光波的光程差，测量精度高，但测量结果易受环境振动和气流影响，只适用用于小角度测量，测量范围小；激光准直法基于光学自准直原理，需要在物体上安装反射镜，准直光束经被测物体反射后光束的偏转来测量转角，同样适用于小角度测量，测量范围有限；激光三角法是将一束激光入射在被测物体表面，然后使用ccd相机从另一角度对物体表面上的光斑进行成像，通过计算光斑位移获得转角参量，因激光器光轴与相机光轴存在一定角度，故称激光三角法，该技术具有结构简单，易于操作，适应性好等特点。为避免被测物体振动的影响，实际应用时一般至少需要两束平行光束来产生两个光斑，这种情况下只能测量一维转角，进一步地，通过四束平行光产生四光斑的方法可以测量二维转角，例如目前的基于激光三角法的倾斜角测量系统，利用双楔镜形成近似平行的四束光束来检测倾斜角度和方向，由于该系统形成的四束光束并非严格平行，因此被测物体与测量系统之间的距离发生变化时便会影响倾角或转角的测量结果。为此，设计一种应用灵活、拥有较大测量范围、无需安装反射镜、测量灵敏度可调且不受物体振动影响的二维转角非接触光学测量装置显得尤为必要，也为平面物体二维转角测量提供可靠的技术保障。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种结合激光三角法的紧凑型四光斑二维转角检测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种结合激光三角法的紧凑型四光斑二维转角检测装置，包括激光器、一分二分束单元、二分四分束单元和光电探测单元，所述一分二分束单元包括二分之一波片ⅰ、偏振分束棱镜ⅰ、四分之一波片ⅰ、四分之一波片ⅱ、等腰直角棱镜ⅰ和等腰直角棱镜ⅱ，所述二分之一波片ⅰ置于所述偏振分束棱镜ⅰ下方，所述激光器置于所述二分之一波片ⅰ下方，所述四分之一波片ⅰ和等腰直角棱镜ⅰ依次置于所述偏振分束棱镜ⅰ一侧，所述四分之一波片ⅱ和等腰直角棱镜ⅱ依次置于所述偏振分束棱镜ⅰ上方；
6.所述二分四分束单元包括二分之一波片ⅱ、偏振分束棱镜ⅱ、四分之一波片ⅲ、四分之一波片ⅳ、等腰直角棱镜ⅲ和等腰直角棱镜ⅳ，所述二分之一波片ⅱ置于所述偏振分
束棱镜ⅱ靠近所述一分二分束单元一侧，所述四分之一波片ⅲ和等腰直角棱镜ⅲ依次置于所述偏振分束棱镜ⅱ上方，所述四分之一波片ⅳ和等腰直角棱镜ⅳ依次置于所述偏振分束棱镜ⅱ另一侧，所述等腰直角棱镜ⅲ相对于所述等腰直角棱镜ⅱ绕竖直方向的轴线旋转90
°
，所述等腰直角棱镜ⅳ相对于所述等腰直角棱镜ⅰ沿水平方向的轴线旋转90
°
；
7.所述光电探测单元包括被测平面、成像透镜、ccd相机和计算机，所述被测平面位于所述二分四分束单元正下方，所述成像透镜和ccd相机依次位于所述被测平面斜上方，所述ccd相机与计算机通过数据线相连。
8.优选的，旋转所述二分之一波片ⅰ让所述激光器发出的线偏振光经过所述二分之一波片ⅰ后其振动方向与所述偏振分束棱镜ⅰ快轴方向呈45
°
，所述四分之一波片ⅰ和四分之一波片ⅱ的快轴方向与所述偏振分束棱镜ⅰ的快轴方向呈45
°
，所述激光器发出的线偏振光束经过所述一分二分束单元后形成两束强度相等、出射方向相互平行、振动方向相互正交的线偏振光束a和光束b。
9.优选的，所述二分之一波片ⅱ、四分之一波片ⅲ和四分之一波片ⅳ与所述二分之一波片ⅰ、四分之一波片ⅰ和四分之一波片ⅱ的功能相同；光束a和光束b经过所述二分四分束单元后形成光束a1、光束a2和光束b1、光束b2，所述光束a1、光束a2和光束b1、光束b2为四束平行光束。
10.优选的，所述成像透镜的光轴与所述光束a1、光束a2和光束b1、光束b2的传播方向的夹角为锐角，所述成像透镜将入射在所述被测平面上的四个光斑会聚成像在所述ccd相机的靶面上形成四光斑图像。
11.优选的，所述等腰直角棱镜ⅰ和等腰直角棱镜ⅱ可以分别沿着竖直和水平方向在一定范围内移动；所述等腰直角棱镜ⅲ和等腰直角棱镜ⅳ可以分别沿着与视图垂直方向在一定范围内移动。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
13.本发明应用了偏振分束原理和等腰直角棱镜的性质，产生了四束强度相等、相互平行的光束，入射在被测平面上形成四个光斑；采用激光三角法原理，利用光斑中心位置的变化量获得被测物体的二维转角，同时由于采用了漫反射成像方式而非镜面反射，从而提高了装置的测量范围。对于小角度测量时，通过等腰直角棱镜的平移来增大四个光斑之间的相对距离，提高了装置的测量灵敏度，改善了测量精度。本发明解决了现有部分技术存在的应用灵活性差、测量范围有限等缺陷，具有同时检测二维转角且检测结果不受被测物体振动影响等优势。
14.1.与单光斑、或两光斑检测技术相比，本发明由一束光束形成四束平行光束，是一种紧凑型四光斑装置，能够实现二维转角实时检测，能够克服振动影响，检测精度高、检测结果可靠。
15.2.与激光准直法相比，本发明利用激光三角法原理，通过四光斑相对位置的变化来计算二维转角，无需在被测平面上安装参考镜，应用便捷，并且转角测量范围更大，是一种理想的非接触测量技术。
16.3.与现有的倾斜角测量系统相比，本发明产生的四光束严格平行从而保证测量结果的准确性；本发明形成的四光斑形态一致且与入射光束光斑形状一样，四光斑重心坐标既容易检测又可保证检测精度；本发明可调整四光斑之间的距离，从而可便捷地调整测量
灵敏度；
17.4.与激光干涉法相比，本发明装置结构简单，使用常规光学元件搭建，调试容易、且成本低。
附图说明
18.图1是本发明的示意图；
19.图2是本发明中四分之一波片的工作原理示意图；
20.图3是本发明中等腰直角棱镜工作原理及光斑间距调整原理示意图；
21.图4是本发明可检测的二维转角状态示意图。
22.图中：1、激光器、2-1、二分之一波片ⅰ，2-2、二分之一波片ⅱ，3、偏振分束棱镜ⅰ，4-1、四分之一波片ⅰ，4-2、四分之一波片ⅱ，5-1、等腰直角棱镜ⅰ，5-2、等腰直角棱镜ⅱ，6、偏振分束棱镜ⅱ，7-1、四分之一波片ⅲ，7-2、四分之一波片ⅳ，8-1、等腰直角棱镜ⅲ，8-2、等腰直角棱镜ⅳ，9、被测平面，10、成像透镜，11、ccd相机，12、计算机。
具体实施方式
23.下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：
25.一种结合激光三角法的紧凑型四光斑二维转角检测装置，包括激光器1、一分二分束单元、二分四分束单元和光电探测单元；
26.一分二分束单元包括二分之一波片ⅰ2-1、偏振分束棱镜ⅰ3、四分之一波片ⅰ4-1、四分之一波片ⅱ4-2、等腰直角棱镜ⅰ5-1和等腰直角棱镜ⅱ5-2，二分之一波片ⅰ2-1置于偏振分束棱镜ⅰ3的正下方，激光器1置于二分之一波片ⅰ2-1的正下方，四分之一波片ⅰ4-1和等腰直角棱镜ⅰ5-1由内到外依次置于偏振分束棱镜ⅰ3一侧，四分之一波片ⅱ4-2和等腰直角棱镜ⅱ5-2由下至上依次置于偏振分束棱镜ⅰ3的上方；
27.旋转二分之一波片ⅰ2-1让激光器1发出的线偏振光经过二分之一波片ⅰ2-1后的振动方向与偏振分束棱镜ⅰ3的快轴方向呈45
°
角，由于四分之一波片ⅰ4-1和四分之一波片ⅱ4-2的快轴方向与偏振分束棱镜ⅰ3的快轴方向呈45
°
角，激光器1发出的光束通过二分之一波片ⅰ2-1后，形成振动方向与偏振分束棱镜ⅰ3的快轴方向呈45
°
角的线偏振光束，入射至偏振分束棱镜ⅰ3后，形成两束正交偏振的线偏振光束，由偏振分束棱镜ⅰ3反射的光束通过四分之一波片ⅰ4-1后被等腰直角棱镜ⅰ5-1反射，再次通过四分之一波片ⅰ4-1后经偏振分束棱镜ⅰ3完全透射形成光束a；由偏振分束棱镜ⅰ3透射的光束通过四分之一波片ⅱ4-2后被等腰直角棱镜ⅱ5-2反射，再次通过四分之一波片ⅱ4-2后经偏振分束棱镜ⅰ3完全反射形成光束b；线偏振光束a和线偏振光束b的强度相等、出射方向相互平行、振动方向相互正交。
28.二分四分束单元包括二分之一波片ⅱ2-2、偏振分束棱镜ⅱ6、四分之一波片ⅲ7-1、四分之一波片ⅳ7-2、等腰直角棱镜ⅲ8-1和等腰直角棱镜ⅳ8-2，二分之一波片ⅱ2-2置于偏振分束棱镜ⅱ6靠近一分二分束单元一侧，四分之一波片ⅲ7-1和等腰直角棱镜ⅲ8-1
由下至上依次置于偏振分束棱镜ⅱ6上方，四分之一波片ⅳ7-2和等腰直角棱镜ⅳ8-2由内到外依次置于偏振分束棱镜ⅱ6的另一侧，等腰直角棱镜ⅲ8-1相对于等腰直角棱镜ⅱ5-2绕竖直方向轴线旋转90
°
，等腰直角棱镜ⅳ8-2相对于等腰直角棱镜ⅰ5-1绕水平方向轴线旋转90
°
；
29.二分之一波片ⅱ2-2、四分之一波片ⅲ7-1和四分之一波片ⅳ7-2与二分之一波片ⅰ2-1、四分之一波片ⅰ4-1和四分之一波片ⅱ4-2的功能相同；旋转二分之一波片ⅱ2-2让光束a和光束b经过二分之一波片ⅱ2-2后其振动方向与偏振分束棱镜ⅱ6的快轴方向呈45
°
角；类似一分二分束单元的分光原理，光束a将分为光束a1和a2，光束b将分为b1和b2，四束光束的强度相等、传播方向相互平行，并在空间呈矩形分布。
30.光电探测单元包括被测平面9、成像透镜10、ccd相机11和计算机12，被测平面9位于二分四分束单元的正下方，四束平行光束入射至被测平面9上，成像透镜10和ccd相机11由下至上依次位于被测平面9斜上方，成像透镜10的光轴与光束a1、光束a2、光束b1和光束b2的传播方向的夹角为锐角，成像透镜10将入射在被测平面9上的四个光斑会聚成像在ccd相机11的靶面上，并形成四光斑图像，ccd相机11与计算机12通过数据线相连。
31.如图2所示，入射线偏振光束的振动方向与偏振分束棱镜ⅰ3的快轴方向成45
°
角，光束经偏振分束棱镜ⅰ3后分为强度相等的两束线偏振光，其中由偏振分束棱镜ⅰ3透射后的光束穿过四分之一波片ⅱ4-2后变为左旋(或右旋)圆偏振光，然后由等腰直角棱镜ⅱ5-2反射回来后，再次穿过四分之一波片ⅱ4-2后变为线偏振光，其振动方向相对入射时光束转过90
°
，从而经过偏振分束棱镜3后全部反射。
32.如图3所示，等腰直角棱镜ⅰ5-1和等腰直角棱镜ⅱ5-2可以分别沿着竖直和水平方向在一定范围内移动，等腰直角棱镜ⅲ8-1和等腰直角棱镜ⅳ8-2可以分别沿着与视图垂直方向在一定范围内移动，从而调节四光斑相对距离；激光器1发出的光束经过一分二分束单元后形成两束平行光束a和光束b，此时间距设为x1。若等腰直角棱镜ⅱ5-2沿竖直方向向下移动某一距离h后，两平行光束之间的间距变为x2，通过等腰直角棱镜在一定范围内平移可以改变光斑之间的间距。
33.如图4所示，三维坐标系中z轴表示四个光束的传播方向，被测平面9初始位置假设位于x-y平面，当被测平面9绕x轴旋转时产生的转角表示为θ
x
，绕y轴旋转时产生的转角表示为θy，因此本发明可以检测的二维转角即为θ
x
和θy。
34.实施例：
35.以下所述仅为本发明的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
36.按照图1所示布置好各元件，激光器1发出线偏振光束，入射至一分二分束单元，形成两束强度相等、传播方向相互平行的正交线偏振光束a和b；然后入射至二分四分束单元，形成四束相互平行的光束a1、光束a2和光束b1、光束b2，并沿近似垂直的角度入射至被测平面9上从而形成四个光斑。
37.根据测量精度要求以及被测平面9的结构尺寸，通过平移各等腰直角棱镜调整四光斑之间的距离。然后通过成像透镜10将其成像在ccd相机11靶面上，得到四光斑图像，并通过数据线传入计算机12。
38.在对实际转角进行测量之前需要进行系统标定，确定某一维转角例如θ
x
与光斑距离变化量之间的关系式，其具体步骤为：被测平面9安装在一个转角已知的旋转平台上，逐渐产生大小已知的一系列一维转角；在被测平面9发生旋转之后，ccd相机11采集相应的四光斑图像，并输入计算机12；选择左下光斑的重心位置作为参考点，利用图像处理技术计算光斑位置相对变化量；基于一组转角与光斑位置变化量数据，通过数据拟合得到θ
x
与光斑偏移量的数学关系式。θy与光斑偏移量之间关系式标定方法与上述过程相同。
39.正式测量时，被测平面9未发生旋转时采集一帧四光斑图像，发生旋转后再采集一帧四光斑图像，同样选择左下光斑的重心位置作为参考点，计算两帧图像中光斑位置相对变化量，代入标定数学关系式后计算出二维转角。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。