專利名稱:基于多線陣ccd平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，包括光源合作目標(biāo)、共用物鏡、分光鏡組和線陣CCD組；分光鏡組包括依次設(shè)置在共用物鏡輸出光路上的多個(gè)分光鏡；線陣CCD組包括與分光鏡一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)線陣CCD，且每個(gè)線陣CCD通過各自光路分別與光源合作目標(biāo)共軛；每個(gè)線陣CCD的光敏面位于直角坐標(biāo)系的YOZ平面，光敏長(zhǎng)度方向與OZ軸平行。測(cè)量時(shí)，將待測(cè)物體與在光源合作目標(biāo)固連；光源合作目標(biāo)經(jīng)共用物鏡、分光鏡組后成像于線陣CCD組上，由第一線陣CCD、第二線陣CCD，第三線陣CCD，……，第N線陣CCD共同完成光源合作目標(biāo)的二維位置測(cè)量。本實(shí)用新型具有成本低、精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一種基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于面陣CCD單維像元數(shù)較多，因此在高精度大范圍內(nèi)的二維位置測(cè)量中，常采用面陣CCD來進(jìn)行測(cè)量，但這種光學(xué)系統(tǒng)價(jià)格較為昂貴。與面陣CCD相比，線陣CCD價(jià)位較為低廉，且其一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)較面陣CCD少，像元尺寸比較靈活，每秒的幀幅率高，因此線陣CCD常用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置測(cè)量。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、精度高的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)二維位置測(cè)量，線陣CCD需要與特定的一維轉(zhuǎn)二維的特殊光源合作目標(biāo)相結(jié)合使用才能完成，并且線陣CCD的一維像元應(yīng)足夠完成對(duì)應(yīng)維的測(cè)量。通過多個(gè)線陣CCD平行拼接，每個(gè)線陣CCD對(duì)相應(yīng)的較小測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，從而由多個(gè)線陣CCD共同完成高精度大范圍內(nèi)的二維位置測(cè)量。
[0005]基于上述原理，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:
[0006]基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)包括光源合作目標(biāo)、共用物鏡、分光鏡組和線陣CCD組;光源合作目標(biāo)由光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板形成；線陣CCD組中每個(gè)線陣CCD的像素長(zhǎng)度均能覆蓋一維測(cè)量;其特殊之處在于:
[0007]上述共用物鏡設(shè)置在能夠接收光源合作目標(biāo)所發(fā)出的光線的位置處；
[0008]上述分光鏡組包括依次設(shè)置在共用物鏡輸出光路上的多個(gè)分光鏡，依次記為第一分光鏡，第二分光鏡，第三分光鏡，......，第N分光鏡；
[0009]上述線陣CCD組包括與每個(gè)分光鏡——對(duì)應(yīng)的多個(gè)線陣CCD，依次記為第一線陣CXD，第二線陣CXD，第三線陣CXD，……，第N線陣CXD，且每個(gè)線陣CXD通過各自光路分別與光源合作目標(biāo)共軛;每個(gè)線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面，光敏長(zhǎng)度方向與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行。當(dāng)線陣CXD的數(shù)量N為奇數(shù)時(shí)，第(N+l)/2線陣CXD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于系統(tǒng)的各路輸出光軸無Y向平移距離，且相鄰兩個(gè)線陣CCD之間的Y向間距為像方高度的1/N;當(dāng)線陣CCD的數(shù)量N為偶數(shù)時(shí)，第N/2線陣CCD與第N/2+1線陣CCD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于系統(tǒng)的各路輸出光軸沿Y向的平移距離為像方高度的1/2N，且相鄰兩個(gè)線陣CCD之間的Y向間距均為像方高度的1/N。
[0010]上述光源合作目標(biāo)的Y向尺寸大于系統(tǒng)在Y向測(cè)量范圍的1/N;刻劃板上的刻線不能交叉，刻線在像方的最小間距大于I個(gè)像元。
[0011 ]測(cè)量時(shí)，將待測(cè)物體固連在光源合作目標(biāo)上;光源合作目標(biāo)經(jīng)共用物鏡、分光鏡組后分別成像于第一線陣CCD、第二線陣CCD，第三線陣CCD，……，第N線陣CCD上，由第一線陣CCD、第二線陣CCD，第三線陣CCD，……，第N線陣CCD共同完成光源合作目標(biāo)的二維位置測(cè)量。
[0012]基于以上基本技術(shù)方案，本實(shí)用新型還作出了如下優(yōu)化:
[0013]在分光鏡組和線陣CCD組之間的光路上設(shè)置場(chǎng)鏡組，以補(bǔ)償各光路的光程，提高測(cè)量精度。
[0014]上述刻劃板上的刻劃目標(biāo)為M形、V形或N形，刻線寬度在像方占3?5個(gè)像元大小。
[0015]為減小裝配復(fù)雜度，上述分光鏡組由N個(gè)分光鏡膠合組成，其中第一分光鏡為直角棱鏡，其余分光鏡均為斜方棱鏡。
[0016]為使每個(gè)線陣CCD接收到的光能量基本相等，上述第一分光鏡和第二分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為(1-1/N):1/N，第二分光鏡和第三分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為1-(1/(N-1)):1/(N-1)，第三分光鏡和第四分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為l-(l/(N-2)): 1/(Ν-2)，……，第N-2分光鏡和第N-1分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為0.67:0.33，第N-1分光鏡和第N分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為
0.5:0.5o
[0017]上述分光鏡組采用3個(gè)分光鏡膠合組成。
[0018]上述共用物鏡、分光鏡組和場(chǎng)鏡組為寬譜段光學(xué)組件或窄譜段光學(xué)組件。
[0019]為減小系統(tǒng)的能量損失，上述光源合作目標(biāo)由激光、LED或者其他寬譜段照明光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板形成;或者由不同顏色的窄譜段光源分時(shí)點(diǎn)亮或與線陣CCD同步頻閃照亮刻劃板形成。同時(shí)，在第一分光鏡和第二分光鏡的膠合面、第二分光鏡和第三分光鏡的膠合面均鍍顏色分光膜。
[0020]上述共用物鏡由多個(gè)正負(fù)鏡組合組成；在寬譜段的使用情況中，正鏡采用冕牌玻璃，負(fù)鏡米用火石玻璃。
[0021]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:本實(shí)用新型采用多個(gè)線陣CCD平行拼接，且各線陣CCD之間共面性和平行度充分可調(diào)，通過合理布局多個(gè)線陣CCD，將其各自放在獨(dú)立的位置并分別相對(duì)于特殊設(shè)計(jì)的光源合作目標(biāo)共軛成像，共同完成光源合作目標(biāo)的二維位置測(cè)量，并且在大測(cè)量范圍內(nèi)能保證系統(tǒng)的測(cè)量精度。
【附圖說明】

[0022]圖1為本實(shí)用新型的原理不意圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施案例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2.1，圖2.2，圖2.3分別為圖2中三路光學(xué)系統(tǒng)光線追跡圖；
[0025]圖3為本實(shí)用新型的光源合作目標(biāo)的一個(gè)具體形式的結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0027]如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)包括光源合作目標(biāo)1、共用物鏡2、分光鏡組3、場(chǎng)鏡組4和線陣C⑶組5。
[0028]共用物鏡2用于收集各視場(chǎng)光束，分光鏡組3用于對(duì)光束進(jìn)行分光，場(chǎng)鏡組4用于校正分光后各路不同視場(chǎng)光束的光程差。
[0029]光源合作目標(biāo)I由激光或者LED光源或其他照明光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板組成，為減小測(cè)量過程的光能量損失，可采用寬譜段的激光或者LED光源或者其他寬譜段的照明光源；當(dāng)系統(tǒng)所采用的線陣CCD的數(shù)量為N時(shí)，光源合作目標(biāo)I的Y向尺寸大于系統(tǒng)在Y向測(cè)量范圍的1/N;為防止系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量盲區(qū)，刻劃板上的刻線不能交叉，刻線在像方的最小間距大于I個(gè)像元。本實(shí)用新型刻劃板上的刻劃目標(biāo)可采用M形、V形或N形。
[0030]圖3為光源合作目標(biāo)I的一個(gè)具體形式的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)的線陣CCD組由3個(gè)線陣CCD平行拼接，光源合作目標(biāo)I的Y向尺寸Ny大于Y向測(cè)量范圍的1/3，且光源合作目標(biāo)I的刻線寬度在像方約占3-5個(gè)像元大小，為防止本實(shí)用新型的測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)盲區(qū)，刻線不能交叉，即刻線在像方的最小間距大于I個(gè)像元。
[0031]共用物鏡2設(shè)置在能夠接收光源合作目標(biāo)I所發(fā)出的光線的位置處。共用物鏡2可由多個(gè)正負(fù)鏡組合組成，在寬譜段的使用情況中，正鏡采用冕牌玻璃，負(fù)鏡采用火石玻璃以消除色差影響。
[0032]分光鏡組3包括依次設(shè)置在共用物鏡2輸出光路上的多個(gè)分光鏡，依次記為第一分光鏡31，第二分光鏡32，……，第N分光鏡3N。
[0033]線陣CXD組5包括與分光鏡組3中每個(gè)分光鏡一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)線陣(XD，依次記為第一線陣(XD51，第二線陣CCD52，……，第N線陣CCD5N，且每個(gè)線陣CXD通過各自光路分別與光源合作目標(biāo)共軛;每個(gè)線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面，光敏長(zhǎng)度方向與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行;線陣CCD組5中每個(gè)線陣CCD的像素長(zhǎng)度均能覆蓋一維測(cè)量。
[0034]當(dāng)線陣CCD的數(shù)量N為奇數(shù)時(shí)，第(N+l)/2線陣CCD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于系統(tǒng)的輸出光軸無Y向平移距離，且相鄰兩個(gè)線陣CCD之間的Y向間距為像方高度的1/N;當(dāng)線陣CCD的數(shù)量N為偶數(shù)時(shí)，第N/2線陣CCD與第N/2+1線陣CCD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于各自所在光路的光軸沿Y向的平移距離為像方高度的1/2N，且相鄰兩個(gè)線陣CCD之間的Y向間距均為像方高度的1/N。
[0035]光源合作目標(biāo)I經(jīng)共用物鏡2、分光鏡組3后分別成像于各線陣C⑶上，由各線陣CCD共同完成光源合作目標(biāo)I的二維位置測(cè)量。
[0036]作為優(yōu)化，本實(shí)用新型在分光鏡組3和線陣CCD組5之間的光路上設(shè)置有場(chǎng)鏡組4，以補(bǔ)償各光路的光程，提供系統(tǒng)的測(cè)量精度。
[0037]采用本實(shí)用新型所提供的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量的具體過程是:
[0038]將光源合作目標(biāo)I與被測(cè)物體固連，當(dāng)光源合作目標(biāo)I運(yùn)動(dòng)相對(duì)于二維測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)在一定平面內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過對(duì)光源合作目I成像，完成光源合作目標(biāo)的二維位置測(cè)量，即完成對(duì)被測(cè)物體的二維位置測(cè)量。
[0039]下面通過一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。
[0040]圖2為本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例，圖2.1，圖2.2，圖2.3分別為本實(shí)施例中三路光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡圖。
[0041 ] 在該實(shí)施例中:
[0042]共用物鏡2由至少兩片正球透鏡和負(fù)球透鏡組成，其中正球透鏡采用冕牌玻璃制成，負(fù)球透鏡采用火石玻璃制成，以消除成像時(shí)的色差影響。
[0043]分光鏡組3由第一分光鏡31、第二分光鏡32和第三分光鏡33依次膠合組成，以降低系統(tǒng)裝配復(fù)雜度。第一分光鏡31米用直角棱鏡，第二分光鏡32和第三分光鏡33均米用斜方棱鏡;并且第一分光鏡31和第二分光鏡32的膠合面透射率與反射率之比為0.67:0.33，第二分光鏡32和第三分光鏡33的膠合面透射率與反射率之比為0.5:0.5。
[0044]相應(yīng)的，線陣CCD組5由三個(gè)線陣CCD組成，即由第一線陣CCD51、第二線陣CCD52和第三線陣(XD53組成，并且第一線陣CCD51、第二線陣CCD52和第三線陣CCD53的光敏面均位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面上，光敏長(zhǎng)度方向均與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行；同時(shí)，在每個(gè)分光鏡和每個(gè)線陣CCD之間的光路上均設(shè)置場(chǎng)鏡，相應(yīng)地記為第一場(chǎng)鏡41、第二場(chǎng)鏡42和第三場(chǎng)鏡43。
[0045]第一線陣(XD51位于第一場(chǎng)鏡41的成像平面上(即光源合作目標(biāo)I在該光路上的共軛成像面處)，其光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于第一線陣CCD51所在光路的光軸有Y向的平移距離ΔY。
[0046]第二線陣(XD52設(shè)置在第二場(chǎng)鏡42的成像平面上(即光源合作目標(biāo)I在該光路上的共軛成像面處)，其光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于第二線陣CCD52所在光路的光軸無Y向的平移距離。
[0047]第三線陣(XD53設(shè)置在第三場(chǎng)鏡43的成像平面上(即光源合作目標(biāo)I在該光路上的共軛成像面處)，其光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于第三線陣CCD53所在光路的光軸有Y向的平移距離-AY0
[0048]上述ΔY等于1/3像方高度。
[0049]光源合作目標(biāo)I經(jīng)共用物鏡2、分光鏡組3和場(chǎng)鏡組4后分別成像于第一線陣CCD51、第二線陣(XD52和第三線陣CCD53上，由第一線陣0:051、第二線陣0:052和第三線陣0:053共同完成光源合作目標(biāo)的二維位置測(cè)量。
[0050]當(dāng)上述線陣CCD51、線陣CCD52和線陣CCD53的單個(gè)像元大小均為7μπι，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)焦距為f = 300mm，工作距離(測(cè)量距離)為9.8m，測(cè)量范圍為570mm X 570mm。光源合作目標(biāo)I為N型，當(dāng)取圖像處理算法精度約為0.1像素時(shí)，則X向探測(cè)精度約為0.04mm，Y向探測(cè)精度與α大小有關(guān)，當(dāng)α = 45°時(shí)，Y向探測(cè)精度基本與X向探測(cè)精度相同。
[0051]本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于高精度、大范圍二維位置測(cè)量，該系統(tǒng)還可以與其他一維測(cè)量系統(tǒng)共同組合完成三維測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，包括光源合作目標(biāo)、共用物鏡、分光鏡組和線陣CCD組;所述光源合作目標(biāo)由光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板形成;所述線陣CCD組中每個(gè)線陣CCD的像素長(zhǎng)度均能覆蓋一維測(cè)量;其特征在于: 所述共用物鏡設(shè)置在能夠接收光源合作目標(biāo)所發(fā)出的光線的位置處； 所述分光鏡組包括依次設(shè)置在共用物鏡輸出光路上的多個(gè)分光鏡，依次記為第一分光鏡，第二分光鏡，第三分光鏡，......，第N分光鏡； 所述線陣CCD組包括與所述分光鏡——對(duì)應(yīng)的多個(gè)線陣CCD，依次記為第一線陣CCD，第二線陣CXD，第三線陣CXD，……，第N線陣CXD，且每個(gè)線陣CXD通過各自光路分別與光源合作目標(biāo)共軛;每個(gè)線陣CCD的光敏面位于空間直角坐標(biāo)系的YOZ平面，光敏長(zhǎng)度方向與空間直角坐標(biāo)系的OZ軸平行； 當(dāng)線陣CCD的數(shù)量N為奇數(shù)時(shí)，第(N+1) /2線陣CCD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于系統(tǒng)的各路輸出光軸無Y向平移距離，且相鄰兩個(gè)線陣CCD之間的Y向間距均為像方高度的1/N; 當(dāng)線陣CCD的數(shù)量N為偶數(shù)時(shí)，第N/2線陣CCD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)于其所在光路的光軸沿Y向平移1/2N，第N/2+1線陣CCD的光敏長(zhǎng)度方向相對(duì)其所在光路的光軸沿Y向平移-1/2N，且相鄰兩個(gè)線陣C⑶之間的Y向間距均為像方高度的1/N; 所述光源合作目標(biāo)的Y向尺寸大于系統(tǒng)在Y向測(cè)量范圍的1/N;所述刻劃板上的刻線不能交叉，刻線在像方的最小間距大于I個(gè)像元； 測(cè)量時(shí)，將待測(cè)物體與在光源合作目標(biāo)固連;光源合作目標(biāo)經(jīng)共用物鏡、分光鏡組后分別成像于第一線陣CCD、第二線陣CXD，第三線陣CXD，……，第N線陣CXD上，由第一線陣CCD、第二線陣(XD，第三線陣(XD，……，第N線陣CXD共同完成光源合作目標(biāo)的二維位置測(cè)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:在分光鏡組和線陣C⑶組之間的光路上設(shè)置有場(chǎng)鏡組。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述刻劃板上的刻劃目標(biāo)為M形、V形或N形，刻線寬度在像方占3?5個(gè)像元大小。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述分光鏡組由第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡，......，第N分光鏡膠合組成;所述第一分光鏡為直角棱鏡，其余分光鏡均為斜方棱鏡。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述第一分光鏡和第二分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為(1-1/N): 1/N，第二分光鏡和第三分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為1-(1/(N-1)):1/(N-1)，第三分光鏡和第四分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為1- (I / (N-2)):1 / (N-2)，……，第N-2分光鏡和第N-1分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為0.67:0.33,第N-1分光鏡和第N分光鏡的膠合面的透射率與反射率之比為0.5:0.5。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述分光鏡組由第一分光鏡、第二分光鏡和第三分光鏡膠合組成。7.根據(jù)權(quán)利要求1或5或6所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述共用物鏡、分光鏡組和場(chǎng)鏡組為寬譜段光學(xué)組件或窄譜段光學(xué)組件。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述光源合作目標(biāo)由激光或者LED光源經(jīng)勻光系統(tǒng)照亮刻劃板形成;所述第一分光鏡和第二分光鏡的膠合面、第二分光鏡和第三分光鏡的膠合面均鍍有顏色分光膜。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述光源合作目標(biāo)由不同顏色的窄譜段光源分時(shí)點(diǎn)亮或者與線陣CCD同步頻閃照亮刻劃板形成;所述第一分光鏡和第二分光鏡的膠合面、第二分光鏡和第三分光鏡的膠合面均鍍有顏色分光膜。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多線陣CCD平行拼接的二維位置光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述共用物鏡由多個(gè)正負(fù)鏡組合組成;在寬譜段的使用情況中，正鏡采用冕牌玻璃，負(fù)鏡米用火石玻璃。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK205718836SQ201620232299
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】劉愛敏, 肖茂森, 高立民, 陸衛(wèi)國(guó), 王海霞, 賈乃勛
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所