一种激光测距机光轴平行性智能检校方法
一种激光测距机光轴平行性智能检校方法
作者:刘秉琦;刘国平;张雏;胡文刚;周斌
激光测距仪机的光轴平行性是指激光发射光轴、激光接收光轴和白光瞄准光轴三个光轴之间的平行性,三轴是否平行直接影响着激光测距机的测距精度。在绝大多数激光测距机光学系统设计中,均采用了转像棱镜元件,并充分考虑了瞄准光路分划板中心与接收光路小孔光栏的共轭,从而在结构设计上保证了瞄准光轴和接收光轴的平行,所以三轴平行性校正实际上就变成了激光发射光轴与瞄准光轴的平行性校正。在光轴平行性检校中,目前主要有两种校正机构:一种是瞄准系统的双偏心校正机构,通过旋转瞄准光学系统中的物镜框和偏心环,使物镜中心产生径向移动,从而达到调整瞄准光轴与发射光轴平行的目的;另一种是发射光轴的双光楔校正机构,通过调整双光楔校正结构的相对转动,使激光发射方向改变,完成光轴平行性校正。
传统的检测校正方法是凹面反射镜法和平行光管法,这些方法只能对光轴平行性偏差做出定性分析,无法给出量化结果,且校正过程需要经验丰富的专业人员完成,效率较低,可靠性差。基于 CCD图像传感器和计算机数字图像处理技术的激光测距机光轴平行性智能检校方法,可在检测光轴平行性的同时利用机械校正装置实现校正,降低对检校人员的要求。然而,目前相关文献均是针对双偏心校正结构建立数学模型并实现智能检校,有关双光楔校正结构的数学模型及其检测校正方法和装置的文献却未见报道。本文将在分析光轴平行性智能检校原理的基础上,针对双光楔校正结构建立校正模型,并设计机械校正装置实现光轴平行智能检校。
1 光轴平行性智能检校原理
通过调整激光测距机使其发射光学窗口与接收光学窗口均位于平行光管的有效孔径内,CCD探测器置于平行光管物镜的像方焦面上,利用激光测距机对准CCD发射激光,该激光信号可在CCD的光敏面上形成激光光斑;同时,CCD探测器可采集到瞄准系统分划板的十字像。该数字图像通过图像采集卡送入计算机,利用编制的软件求出激光光斑与十字像中心坐标,进而获得激光测距机的光轴偏差量。根据此光轴偏差量与光轴校正量之间的对应关系或模型,利用光轴校正装置调整相应的光轴校正结构,实现激光测距机光轴的校正。
以上分析表明,光轴平行性智能检校的过程分三步进行:首先,建立光轴偏差量与光轴校正结构的校正量之间的对应关系模型;其次,利用智能检校方法获得激光测距机的光轴偏差量,也就是激光光斑与十字像中心之间的偏差量,并根据光轴的偏差量解算出光轴校正结构需要调整的角度;最后,根据双光楔结构,利用设计的光轴校正机械装置调整光轴校正结构,通过改变发射光轴,达到光轴平行的目的。
2.数学模型
折射角α 很小的棱镜称为光楔。两块相同的光楔组合在一起相对转动,可产生不同的偏向角。 在具有双光楔结构的发射光学系统中,一般两光楔顶角相等,可以互补。为便于讨论,定义:(1)以分划板中心以分划板中心O 为坐标原点作直角坐标系xOy;(2)以O 为顶点,以x 轴为极轴作极坐标系;(3)以带箭头的直线表示光楔,箭头方向为楔角朝向;(4)当两光楔互补放置时,像点位置位于绝对零点。
假设脉冲激光发射后,通过观瞄物镜观察,得到像点W ,坐标为(α1,β1),将两光楔各旋转180°,再次发射脉冲激光,得到另一个像点 W′,坐标为 (α2,β2)。由平行四边形法则可得到,旋转前后像点的偏向角相等,方向相反,因此绝对零点在两像点连线WW′的中点,设为Q 点,则Q 相对于原点的偏移量为(Δα,Δβ),且有 Δα=(α1+α2)/2,Δβ=(β1+β2)/2。
以O 为圆心,以单个光楔的偏向角δ=α(n-1)为半径作圆,取OQ 中点P,过P 点作OQ 的垂线交圆于 A、B 两 点,连 接 OA、OB,得 平 行 四 边 形OAQB,根据平行四边形合成法可知QA、QB 即为光楔所在位置,箭头指向为楔角朝向,为方便讨论,不妨设QA 为光楔1,QB 为光楔2。
3 校正装置
双光楔校正结构一般固定在激光测距机发射光学系统前端,一内一外装配。其中,外光楔校正方法与文献等中采用的双偏心校正方法相似,通过前端的旋转双槽实现,内光楔的旋转校正则需要使用拨针转动24个小孔完成,但由于内光楔固定于仪器内部,无法直接观察。针对内外光楔结构特点,设计了专用校正工具,其中1为24个缺口的内光楔分划环,2为固定指针,3为外光楔分划手轮,4为拨针工具。
因此,被测样品厚度变化对测量结果有较大的影响,应使被测样品两表面平行,同时被测样品厚度太小,会影响 Δx 的测量精度,取5mm 为宜。
4 结论
利用线阵CCD为光电探测器,自动测量光束通过透明均匀介质平行平板产生的横向位移来间接获得透明介质折射率。通过实验,测量精度可达到10-3量级,此测量方法原理简单、操作方便,易于实现自动化测量,同时还可用于自动测量透明液体的折射率。
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