[发明专利]一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置

说明书

本发明提供了一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置，属于精密仪器制造与光学精密测量领域，方法为：根据正交狭缝组，在初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据；在像素点的数据上扣除暗电流与背景光信号，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；将该参考函数与目标图像数据作互相关分析，互相关函数的最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；利用目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。本发明提供的目标图像特征可减小自准直仪随机误差，并实现二维角度测量。

技术领域

本发明属于精密仪器制造与光学精密测量技术领域，更具体地，涉及一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法。

背景技术

随着技术的发展，精密测量与精密加工对小角度的精确测量提出了越来越高的要求。光电自准直仪具有精度高、操作简单、非接触测量和测量距离灵活等优点，广泛应用于科学研究、精密机械制造、长度计量等领域的小角度精密测量、瞄准与定位等场合。然而，在很多科学实验与高端装备制造中，当前的商用自准直仪的测量分辨率与噪声水平已经不能满足高精度的测角需求。

为此，国际上众多研究小组对提高自准直的灵敏度进行深入研究，如Cowsik等利用一组阵列式狭缝代替传统自准直仪的单狭缝分划板，通过求加权平均的方式对整个多缝结构质心进行定位，实现了高灵敏度的一维自准直仪；朱凡等通过光路放大单元与共光路设计，分别用PSD与QPD探测目标角度与参考光束并做差，实现了高分辨率与高稳定性的自准直仪。

目前高精度自准直仪的发展仍存在多种问题，比如有的只实现了一维高分辨率测量，有的难以兼顾分辨率与量程，有的无法在全量程内保证高精度，或者合作目标反射镜不通用，以及有些分划板容易出现死区，不利于二维角度的测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置，旨在解决现有的自准直仪由于无法兼顾分辨率与量程或分划板容易出现死区，或合作目标反射镜不通用，因此对目标角度难以维持高分辨率测量的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种二维自准直仪，包括：光源、分划板、第一分光镜、准直物镜、第二分光镜、第一图像传感器和第二图像传感器；

第一分光镜和第二分光镜平行放置；第一图像传感器位于第二分光镜的透射方向；第二图像传感器位于第二分光镜的反射方向；光源位于第一分光镜的入射方向，且分划板位于光源与第一分光镜之间；在第一分光镜的反射方向放置有准直物镜；在准直物镜的透射方向放置目标反射镜；

分划板、第一图像传感器和第二图像传感器均位于光路模块等效的准直物镜的焦平面上；

分划板包括相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝，位于光源照射的一个平面上；竖排狭缝的像与靶面水平的第一图像传感器相交；横排狭缝的像与靶面竖直的第二图像传感器相交；

分划板用于接收光源提供的光束，将光束分解为两组正交的多路子光路；

第一分光镜用于将多路子光路反射，透过准直物镜至目标反射镜；

目标反射镜用于将多路子光路反射至准直物镜后，透过第一分光镜；

第二分光镜用于将透过第一分光镜的准直光束分解为正交的两组反射光束；

第一图像传感器和第二图像传感器用于采集正交的两组反射光束形成的目标图像。

优选地，第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

第二方面，本发明提供了二维自准直仪的图像定位计算装置，包括：二维自准直仪和信号处理系统；二维自准直仪的输出端与信号处理系统的输入端连接；