CN111174733B - 一种基于自准直仪的微小角度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自准直仪的微小角度检测装置，包括：光源组件、与所述光源组件连接自准直仪、与所述自准直仪对应的反射镜、设置在所述自准直仪内部的探测器、设置在所述自准直仪上的楔形镜组件、以及与所述自准直仪连接的计算机控制系统；其中，所述光源组件用于点亮准直仪分划板并提供测试光束；所述楔形组件包括楔形镜和连接件，所述楔形镜通过连接件安装在自准直仪上；所述探测器用于检测光束焦点的偏移距离；所述计算机控制系统进行数据采集并计算。本发明主要采用楔形镜的偏光性能，用半口径的方式使自准直仪的出光分成两束角度不同的平行光，结构简单，使用方便，精准度高。

Description

一种基于自准直仪的微小角度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，具体地涉及一种基于自准直仪的微小角度检测装置及方法。

背景技术

人类在很久以前就对微变形测量技术进行了研究和探索，特别是在18世纪，人类开始对微变形进行大量的研究，Muss-chenbrock采用齿轮机构的方法，通过对水平放置的大约15cm的试件进行放大，对由几支蜡烛加热产生的微小膨胀量进行了测量，实现了材料热膨胀的最早测量。1805年，Lavosier和Laplace为了对Muss-chenbrock的测量装置进行变形测量，采用了光学杠杆放大技术，与之前测量技术来比，提高了测量精度。1927年，Becker通过不断地对X射线技术进行研究，最终将其应用于晶体材料的热膨胀率测量。通过测量技术的不断发展，高灵敏度测量技术应运而生，例如在1960年，在低温条件下，White采用高灵敏度电容技术对试件热膨胀量进行了测量。在20世纪60年代，激光技术得到了较快的发展，同时也带动了微变形测量技术有了快速的发展，特别是在测试灵敏度方面可达到10^-9量级。计算机技术的飞速发展，也使得微变形监测技术朝着自动化程度高和测试速度快的方向发展。

近年来随着精密制造、精密安装和检测技术的不断改进，微变形监测逐步发展成为一种精密的测量技术，主要针对航天器或者工业产品的微小变形进行长期不间断的连续观测，通过监测数据的处理，分析其变形规律和变形趋势，并在反演其设计参数、保证物体安全性及模拟特殊环境等方面具有重要意义。

航天器的出现极大地扩展了人类的探索活动范围，从地球深海到广阔无垠的宇宙空间，使得人类认识自然和改造自然的能力有了很大的提升，同时对社会经济和社会生活产生了重大影响。对航天器进行微变形监测，需要实时获取几何参数的变化量，为保障航天器的正常运行以及获取变形系数提供数据支持，检查航天器整星的稳定性，分析和评价航天器的安全状态，以便及时发现问题和采取应对措施，避免我国在航空航天领域的损失；能够反演设计参数，使得我们更好地理解变形的机理，从此改进设计工艺，促进航天器的发展；另外，航天器的发展程度代表着一个国家的综合实力和技术水平，同时也带动了包括天文学、地球科学、生命科学、信息科学以及能源技术、生物技术、新材料新工业等的研究和发展。

目前多目标的自准直仪在进行微小角度检测时，由于自准直仪自身分辨率的限制，无法对两个角度偏差很小的面进行角度检测。

为了解决多目标自准直仪检测微小角度时的成像重叠问题，本发明提供了一种基于多目标自准直仪加楔角片进行光路分束的微小角度检测方法。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明提供一种基于自准直仪加楔角片进行光路分束的微小角度检测装置及方法，可对光学加工及检测领域内的微小角度及微小形变进行实时监测，其具有较高的通用性和简易性。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种基于自准直仪的微小角度检测装置，包括：光源组件、与所述光源组件连接自准直仪、与所述自准直仪对应的反射镜、设置在所述自准直仪内部的探测器、设置在所述自准直仪上的楔形镜组件、以及与所述自准直仪连接的计算机控制系统；其中，所述光源组件用于点亮准直仪分划板并提供测试光束；所述楔形组件包括楔形镜和连接件，所述楔形镜通过连接件安装在自准直仪上；所述探测器用于检测光束焦点的偏移距离；所述计算机控制系统进行数据采集并计算。

优选的是，所述光源组件提供的光源为卤素光源。

优选的是，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜。

优选的是，所述楔形镜为半口径楔形镜。

优选的是，所述探测器为CCD探测器。

优选的是，所述分划板采用十字分划板。

本发明的另一个目的是提供一种基于自准直仪的微小角度检测检测方法，包括以下步骤：

S1、将半口径楔形镜通过连接件安装在自准直仪端口处；在自准直仪的端口处设置两个反射镜：第一反射镜和第二反射镜；

S2、通过光源组件点亮自准直仪分划板，并提供合适亮度的测试光束；

S3、测试光束通过分光棱镜反射，由物镜形成平行光，经半口径楔形镜后形成两个光束：第一光束和第二光束，所述第一光束平行射出且射向第一反射镜，所述第二光束带角度射出且射向第二反射镜；

S4、两个光束分别经两个反射镜反射后，通过自准直仪物镜汇聚在CCD探测器的光敏面上；

S5、当第二反射镜倾斜一个微小角度时，反射回来的第二光束同时产生一个差角，位于CCD探测器光敏面的分划板像就产生一个偏移；

S6、计算机控制系统获取CCD探测器光敏面上偏移距离并计算出第二反射镜的偏转角度。

优选的是，偏转角度的计算方法如下：

设CCD光敏面到物镜的距离为f，反射面变化角度为α，十字分划板在CCD上所成的像的角度变化为ΔY′，平行光束的偏转角为δ，自准直仪读得的角度偏转为Δθ_X，Δθ_Y；

则

α＝2δ

ΔY′＝f·tg2α

由于α角一般很小，所以上式可近似为：

ΔY′＝2fα

而

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、解决了自准直仪检测微小角度变化的分辨不足问题；

2、该方法主要采用楔形镜的偏光性能，用半口径的方式使自准直仪的出光分成两束角度不同的平行光，结构简单，使用方便；

3、本发明具有很高的测试精度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。

图1为本发明其中一个实施例的整体结构示意图。

图2为本发明其中一个实施例的光路传播结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实发明实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。

为了实现一种基于多目标自准直仪加楔角片进行光路分束的微小角度检测方法，本发明采用在自准直仪原理基础上，加半口径楔形镜的方法，使自准直仪的光束分成两束，一束平行出射，一束带角度出射，经不同反射面反射后回到自准直仪探测器靶面，探测器记录位置偏移数据，计算机软件进行数据处理，完成测试。

如图1、2所示，本发明的提供了一种基于自准直仪的微小角度检测装置，包括：光源组件4、与所述光源组件4连接自准直仪3、与所述自准直仪3对应的反射镜8、设置在所述自准直仪内部的探测器10、设置在所述自准直仪上3的楔形镜组件、以及与所述自准直仪3连接的计算机控制系统5；其中，所述光源组件用于点亮准直仪分划板6并提供测试光束；所述楔形组件包括楔形镜1和连接件2，所述楔形镜1通过连接件2安装在自准直仪3上；所述探测器10用于检测光束焦点的偏移距离；所述计算机控制系统5进行数据采集并计算。

可选的，所述光源组件提供的光源为卤素光源。

可以理解，为了能够更加精准的测量出反射镜的倾斜角度，需要有一个参照物，，所述，在本发明的实施例中，所述反射镜8包括第一反射镜11和第二反射镜12。

可选的，为了保证两个光束的清晰度尽可能的相同，需要将光束分为两个形状相同的光束，所需，需要采用半口径，因此，在本发明的实施例中，所述楔形镜1为半口径楔形镜。

可选的，所述探测器10为CCD探测器。

可选的，所述分划板6采用十字分划板。

本发明的另一个目的是提供一种基于自准直仪的微小角度检测方法，包括以下步骤：

S1、将半口径楔形镜1通过连接件2安装在自准直仪3端口处；在自准直仪3的端口处设置两个反射镜：第一反射镜11和第二反射镜12；

S2、通过光源组件点亮自准直仪分划板6，并提供合适亮度的测试光束；

S3、测试光束通过分光棱镜9反射，由物镜形成平行光，经半口径楔形镜1后形成两个光束：第一光束和第二光束，所述第一光束平行射出且射向第一反射镜11，所述第二光束带角度射出且射向第二反射镜12；

S4、两个光束分别经两个反射镜反射后，通过自准直仪物镜汇聚在CCD探测器10的光敏面上；

S5、当第二反射镜12倾斜一个微小角度时，反射回来的第二光束同时产生一个差角，位于CCD探测器10光敏面的分划板像就产生一个偏移；

S6、计算机控制系统5获取CCD探测器10光敏面上偏移距离并计算出第二反射镜12的偏转角度。

可以理解，偏转角度的计算方法如下：

设CCD光敏面到物镜的距离为f，反射面变化角度为α，十字分划板在CCD上所成的像的角度变化为ΔY′，平行光束的偏转角为δ，自准直仪读得的角度偏转为Δθ_X，Δθ_Y；

则

α＝2δ

ΔY′＝f·tg2α

由于α角一般很小，所以上式可近似为：

ΔY′＝2fα

而

本发明提供一个实施例，如图2所示，将半口径楔形镜1通过连接件2安装在自准直仪3端口处；在自准直仪3的端口处设置两个反射镜：第一反射镜11和第二反射镜12；并在自准直仪的另一端安装有CCD探测器，使探测器的光敏面位于自准直仪物镜的焦点处，设光敏面到物镜的距离为f；

通过工作人员控制光源组件点亮自准直仪分划板6，并提供合适亮度的测试光束，测试光束通过分光棱镜9反射，由物镜形成平行光，经半口径楔形镜1后形成两个光束：第一光束和第二光束，所述第一光束平行射出且射向第一反射镜11，所述第二光束带角度射出且射向第二反射镜12；两个光束分别经两个反射镜反射后，通过自准直仪物镜汇聚在CCD探测器10的光敏面上；

当第二反射镜12倾斜一个微小角度α时，反射回来的第二光束同时产生一个差角δ，位于CCD探测器10光敏面的分划板像就产生一个偏移，十字分划板在CCD上所成的像的角度变化为ΔY′，自准直仪读得的角度偏转为Δθ_X，Δθ_Y；

计算机控制系统5获取CCD探测器10光敏面上偏移距离和自准直仪读取的角度偏转并计算出第二反射镜12的偏转角度。

在计算机控制系统进行计算时，由于

α＝2δ

ΔY′＝f·tg2α

在实际测量时，反射镜偏转角度α一般很小，所以上式可近似为：

ΔY′＝2fα

则

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种基于自准直仪的微小角度检测装置，其特征在于，包括：光源组件、与所述光源组件连接自准直仪、与所述自准直仪对应的反射镜、设置在所述自准直仪内部的探测器、设置在所述自准直仪上的楔形镜组件、以及与所述自准直仪连接的计算机控制系统；

其中，

所述光源组件用于点亮准直仪分划板并提供测试光束；

测试光束通过分光棱镜反射，由物镜形成平行光，经半口径楔形镜后形成两个光束：第一光束和第二光束，所述第一光束平行射出且射向第一反射镜，所述第二光束带角度射出且射向第二反射镜；

两个光束分别经两个反射镜反射后，通过自准直仪物镜汇聚在CCD探测器的光敏面上；

所述楔形镜组件包括楔形镜和连接件，所述楔形镜通过连接件安装在自准直仪上；

所述探测器用于检测光束焦点的偏移距离；

所述计算机控制系统进行数据采集并计算；

所述楔形镜为半口径楔形镜；

所述分划板采用十字分划板。

2.如权利要求1所述的一种基于自准直仪的微小角度检测装置，其特征在于，所述光源组件提供的光源为卤素光源。

3.如权利要求1所述的一种基于自准直仪的微小角度检测装置，其特征在于，所述探测器为CCD探测器。

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