[发明专利]一种三维小角度测量装置及方法

权利要求书

1.一种三维小角度测量装置，包括激光器、扩束镜、分束镜、测量相机、正四棱锥反射镜、数据处理计算机，其特征在于，所述扩束镜与分束镜光路之间设有一个与扩束镜光轴和分束镜光轴的夹角均为45°的平面反射镜，分束镜位于测量相机与正四棱锥反射镜的光路之间，激光器发出的激光经扩束镜扩束后，再经平面反射镜、分束镜入射至正四棱锥反射镜，经正四棱锥反射镜反射后返回分束镜，最后入射到测量相机，数据处理计算机与测量相机相连。

2.根据权利要求1所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述扩束镜包括两个单镜片即第一单镜片和第二单镜片，所述第一单镜片和第二单镜片的材料、球面形状和厚度参数为：

第一单镜片的第一曲面：曲率半径-7.476mm，厚度4mm，口径10mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；

第一单镜片的第二曲面：曲率半径-18.072mm，口径10mm；

第一单镜片和第二单镜片的间隔：40mm；

第二单镜片的第一曲面：曲率半径-140.047mm，厚度8mm，口径30mm，玻璃折射率1.5168，玻璃阿贝系数64.1673；

第二单镜片的第二曲面：曲率半径-32.475mm，口径30mm。

3.根据权利要求1或2所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述测量相机包括镜片、光阑和图像传感器，所述测量相机的镜片为四片，包括两个双胶合镜片和两个单镜片，两个双胶合镜片即为第一双胶合镜片和第二双胶合镜片，两个单镜片即为第三单镜片和第四单镜片，第一双胶合镜片与第三单镜片构成一组，第二双胶合镜片和第四单镜片构成另一组，分布于光阑两侧，图像传感器位于测量相机焦面位置；所述第三单镜片、第一双胶合镜片、第二双胶合镜片和第四单镜片的材料、球面形状、厚度及图像传感器参数为：

第三单镜片的第一曲面：曲率半径326.497mm，厚度52.735mm，口径100mm，玻璃折射率1.61，玻璃阿贝系数56.7；

第三单镜片的第二曲面2：曲率半径-919.576mm，口径100mm；

第三单镜片与第一双胶合镜片的间隔：3.015mm；

第一双胶合镜片的第一曲面：曲率半径216.751mm，厚度84.408mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；

第一双胶合镜片的第二曲面：曲率半径∞，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；

第一双胶合镜片的第三曲面：曲率半径134.268mm，口径100mm；

第一双胶合镜片与光阑的间隔：85.934mm；

光阑：曲率半径∞，口径62mm；

光阑与第二双胶合镜片的间隔：74.931mm；

第二双胶合镜片的第一曲面：曲率半径-154.859mm，厚度22.772mm，口径100mm，玻璃折射率1.60，玻璃阿贝系数38.0；

第二双胶合镜片的第二曲面：曲率半径∞，厚度65.319mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；

第二双胶合镜片的第三曲面：曲率半径-222.959；

第二双胶合镜片与第四单镜片的间隔：3.015mm；

第四单镜片的第一曲面：曲率半径1184.227，厚度41.349mm，口径100mm，玻璃折射率1.62，玻璃阿贝系数60.3；

第四单镜片的第二曲面：曲率半径-404.842；

第四单镜片与图像传感器的间隔：345.563mm；

图像传感器：像元尺寸：5.45μm，像元数1024×1024。

4.根据权利要求1或2所述的三维小角度测量装置，其特征在于，所述正四棱锥反射镜的四个锥面为反射面，锥面与底面的夹角为                                               ，其中的取值范围为0.5×10^-3～5×10^-3弧度。

5.一种使用如权利要求1-4任一项所述三维小角度测量装置测量三维小角度变化量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立坐标系：

建立坐标系F和图像传感器成像面坐标系；图像传感器成像面坐标系的坐标原点为图像传感器的像面左上角顶点，和分别对应图像传感器的像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；坐标系F为o-XYZ，Z轴为正四棱锥反射镜的轴线方向，X轴和Y轴分别与和平行，坐标系F的坐标原点o为正四棱锥反射镜的顶点；正四棱锥反射镜的四个反射面、、、的法线在坐标系F中的方向矢量分别为（0，，），（0，，），（，0，），（，0，），为正四棱锥反射镜的锥面与底面的夹角；

（2）获取激光像斑质心位置数据：

利用图像传感器采集经正四棱锥反射镜反射的激光图像，利用如下公式计算获得激光像斑质心位置，记为，其中，对应激光经正四棱锥反射镜反射面反射的激光像斑；计算获得激光像斑质心位置的公式的表达式为：

          ，

上式中：为激光照射图像传感器像元的位置，为所述像元的信号强度，为图像噪声域值；

（3）求解角度：

将代入如下公式：

，

采用最小二乘迭代算法得到测量相机依次绕Z、Y、X轴旋转的三维角度；上式中，表示测量相机主点坐标；表示测量相机X轴方向的等效焦距；表示测量相机Y轴方向的等效焦距； ； 、、含义分别为：

           ，

           ，

，    

  。