[发明专利]一种三维小角度测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学测量领域中三维小角度测量装置及方法。

背景技术

角度测量是几何计量技术的重要组成部分，在光学工程、机械、航空、航天、军事等各个领域有着广泛的应用。对物体的小角度偏转进行高精度、连续和自动测量是角度测量的一个重要方面，有很强的应用需求。例如舰船在海上航行时，受到自身载荷、海浪冲击以及环境温度变化等外部应力和外部环境的影响，会产生不可忽视的扭曲变形，使得雷达天线、光测系统等外围设备相对中心基准的姿态发生小角度的偏转，引起测量误差。在实际使用中，如果能实时测量该角度偏转，就可以减小甚至消除上述影响。

准直法是一种具有测量准确度高和非接触测量以及灵敏度高等特点的光学小角度测量方法。该方法在光学上使物体和像分别位于共轭平面上，当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，通过测量像点的移动量获得物体转动角度。但是，光学准直法只适用于一维或二维角度测量，不能实现对滚转角的测量。为了实现对滚转角的测量，通常需采取其它的辅助设计。如已成功应用的大钢管基准法，该方法利用自准直测量作为基准的大钢管两端的转角实现对滚转角的测量（参考文献《船体变形测量的新技术》，光年发表于《学精密工程》第16卷）；基于莫尔条纹三维测角法，该方法通过测量莫尔条纹宽度实现对滚转角的测量，对光栅制作的精度以及光栅图像质量都有较高的精度要求（参考文献《光栅法在船体横扭角测量中的应用》，2005年发表于《光学精密工程》第13卷第3期）；菲涅耳双棱镜自准直法，该方法利用CCD接收经准直透镜焦平面上发光点射向双面反射镜的返回光点的成像位置变化，实现三维转角变化的测量（参考文献《Methods for determining the effect of flatness deviations, eccentricity, and pyramidal error on angle measurements》，2000年发表于《Metrologia》第37卷）。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种非接触式的三维小角度测量装置及方法，以实现待测点与基准之间三维小角度变化量的高精度（角秒级）测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

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，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。

进一步，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。

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（即第一双胶合镜片和第二双胶合镜片）和两个单镜片（即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；