專利名稱：一種用于激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)、光電檢測和幾何位置測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光接收裝置。
背景技術(shù)：
激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)，是由在一條直線上的依次排布的激光光源、波帶板和激光接收裝置等組成。激光光源發(fā)出的激光束射向波帶板，在波帶板的作用下，會在激光接收裝置上形成一個光點，在理想條件下，激光光源中心，波帶板中心和光點中心是在一條直線上，利用這個原理可以實現(xiàn)高精度準(zhǔn)直和位移測量。通常將激光光源和激光接收裝置安裝在兩個基準(zhǔn)點上，波帶板固定在其間的被測點上，當(dāng)被測點發(fā)生位移時，在接收器上的光點的位置就會發(fā)生變化，通過測量光點位置的變化，就可以實現(xiàn)對被測點的位移的測量。激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)常用來實現(xiàn)高精度大壩變形觀測。
在激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)中，激光接收裝置的作用是將光點的位置信息轉(zhuǎn)換成電信號?，F(xiàn)有的激光接收裝置多采用由二維平移掃描機構(gòu)帶動一個光電接收頭在接收區(qū)域內(nèi)作二維掃描，來尋找并確定光點中心的位置，光電接收頭通常是一只四象限光電池(或四個透鏡和四個光電管拼接組合)，由于對光點位置的檢測是靠掃描完成的，因而測量速度比較慢，當(dāng)光點出現(xiàn)閃爍、晃動或光點移動速度比較快時，容易出現(xiàn)漏檢，給檢測的自動化造成困難。
也有采用面陣攝像機光敏面直接代替四象限光電池的接收頭，由于攝像機光敏單元較多，并且可以采用計算機圖像處理技術(shù)對接收圖像進行分析處理，因而可以消除光點閃爍和晃動的影響，相對于采用四象限光電池具有一定的優(yōu)越性。
但由于光點的移動范圍遠大于攝像機的光敏面，所以不能直接利用攝像機對光點的整個移動區(qū)域成像，仍需要將攝像頭安裝在二維平移掃描機構(gòu)上來搜索光點位置。
如果直接采用一般的帶鏡頭的攝像機，則由于光點光線的方向接近平行光，只有鏡頭入射光瞳范圍的光線能夠進入攝像機，并且即使進入攝像機，對于不同位置的光點都會會聚到鏡頭的焦點上，不能成像，所以不能直接使用一般的帶鏡頭的攝像機，需要特別設(shè)計一套光學(xué)系統(tǒng)用于激光接收裝置。
另外，由于測量點接近激光光源而遠離接收器時，光點較大，同時光點相對于測量點的位移量大，要求有較大的測量范圍和相對較低的空間分辨率，而當(dāng)測量點遠離激光光源而接近接收器時，光點較小，光點相對于測量點的位移量較小，這時要求攝像機有較小的測量范圍和較高的空間分辨率，這樣就要求接收裝置能夠提供一個變化的測量范圍和空間分辨率。
由于激光接收裝置是用于精確測量光點位移，為使測量結(jié)果不受裝置的光學(xué)參數(shù)的影響，裝置必須能夠自行標(biāo)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種用于激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光接收裝置，采用位置固定的攝像機及相應(yīng)的光學(xué)機構(gòu)，可以不用進行二維掃描，就可以精確的檢測到光點的位置，并且便于標(biāo)定，可以滿足激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)對激光接收裝置不同的分辨率和測量范圍的要求，達到簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高測量精度和減少測量時間的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用由會聚透鏡，攝像機，成像鏡頭，半透半反鏡，標(biāo)定板等五部分組成激光接收裝置，可以不用進行二維掃描，就可以精確的檢測到光點的位置，并且便于標(biāo)定，同時解決激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)對激光接收裝置不同的分辨率和測量范圍的要求，從而達到本發(fā)明的目的。
這五部分的相對位置如下會聚透鏡1是激光接收裝置光線入口，會聚透鏡1的左側(cè)是半透半反鏡4，在半透半反鏡4的下方是標(biāo)定板5，在標(biāo)定板5上有間隔確定的發(fā)光點，在半透半反鏡4的左側(cè)是成像鏡頭2，成像鏡頭2是一只變焦鏡頭或是可以變換多種焦距的組合鏡頭，在成像鏡頭2的左側(cè)是攝像機3。會聚透鏡1的焦平面F與成像鏡頭2的入射光瞳重合，成像鏡頭2的物平面與會聚透鏡1的主平面U重合，在成像鏡頭2的像平面V與攝像機3的光敏面重合，從攝像機3的方向上看，標(biāo)定板5經(jīng)過半透半反鏡4所成的像與會聚透鏡1的主平面U重合。
激光接收裝置的工作原理如下光線進入接收裝置后，首先達到會聚透鏡1的主平面U上形成光點a，光線經(jīng)過會聚透鏡1改變方向后會聚在成像鏡頭2的入射光瞳F，并進入成像鏡頭2，由于會聚透鏡1的主平面U也是成像鏡頭2物平面，而其像平面V又是攝像機3的光敏面，所以光點a將在攝像機3的光敏面形成一個像點b。當(dāng)光點a的位置變化時，像點b的位置將隨之改變，其相互關(guān)系由成像鏡頭2的光學(xué)參數(shù)決定，利用攝像機將像點b的圖象輸出并處理，就可以利用計算機計算出光點a的位置。
裝置的標(biāo)定是通過半透半反鏡4和標(biāo)定板5實現(xiàn)的，在標(biāo)定板5上有間距確定的發(fā)光點陣，標(biāo)定板5的發(fā)光點陣經(jīng)過半透半反鏡4，成像在會聚透鏡1主平面U上，在主平面U上形成一個以這些發(fā)光點陣為坐標(biāo)的參照坐標(biāo)系。攝像機3通過測量這些發(fā)光點陣的各點位置，并將發(fā)光點a的位置與這些發(fā)光點陣的位置相比較，就可以確定發(fā)光點a的在這個參照坐標(biāo)系中的相對坐標(biāo)位置，這個相對坐標(biāo)值不會因為成像鏡頭2的光學(xué)參數(shù)的改變而變化。
在測量精度要求不高的場所，可以用平面散射屏放置在會聚透鏡1主平面U的位置，代替會聚透鏡1，同樣起到改變?nèi)肷涔夥较虻淖饔茫皇枪饩€的利用率較低，同時受到平面散射屏造成的散斑的影響使測量精度降低，這時成像鏡頭2到平面散射屏的距離為最大測量區(qū)域尺寸的2～8倍。
通過改變成像鏡頭2的焦距，可以改變成像鏡頭2的光學(xué)放大率，由于攝像機3光敏面的大小是固定不變的，光學(xué)放大率的改變將位于會聚透鏡1的主平面U測量區(qū)域的大小和對相對坐標(biāo)的空間分辨率。這樣就可以通過調(diào)整成像鏡頭2的焦距，使激光接收裝置達到最佳的測量范圍和空間分辨率。
本發(fā)明的效果和益處是由于采用攝像機作為光電接收器件，光敏單元多，其輸出的圖象便于進行計算機數(shù)字圖像處理，并且由于可改變測量范圍和空間分辨率使其達到最佳值，并具有標(biāo)定功能，從而提高了測量精度和可靠性。由于本裝置中沒有二維掃描機構(gòu)，使接收裝置結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，便于密封安裝。由于本裝置不必進行二維逐點掃描，減少了測量時間，提高了測量速度。


圖中是本發(fā)明提供的激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的激光接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1會聚透鏡，2成像鏡頭，3面陣攝像機，4半透半反鏡和5標(biāo)定板。
U為會聚透鏡1的主平面，F(xiàn)為成像鏡頭2的入射光瞳和會聚透鏡1的焦平面，V為攝像機3的光敏面。a為入射光點，b為光點a在攝像機光敏面上像點的位置。
具體實施例方式
以下將結(jié)合實施實例對發(fā)明作進一步的詳細描述激光接收裝置中會聚透鏡1，成像鏡頭2，面陣攝像機3，半透半反鏡4和標(biāo)定板5等五個部分可以選擇以下參數(shù)會聚透鏡1是一只直徑200毫米、焦距為1000毫米的透鏡。成像鏡頭2是焦距為32-160mm的電動變焦鏡頭。攝像機3是1/2英寸CCD黑白攝像機，其光敏面尺寸為7.95毫米X6.45毫米，圖像象素為795(H)X596(V)。半透半反鏡4采用一塊200毫米X300毫米，厚5毫米的平板玻璃，只利用其下反射面成像。標(biāo)定板5是一塊220毫米X220毫米，厚0.3毫米的金屬板，上面均布有直徑為0.5毫米小孔矩陣，小孔之間的縱向和橫向距離均為10.00毫米，小孔后有發(fā)光二極管作為光源，可以形成發(fā)光點陣。
將上述五個部分按以下方式進行布置和調(diào)整會聚透鏡1安排在最右側(cè)，其主平面U是激光接收裝置的光線入射面。成像鏡頭2在會聚透鏡1左側(cè)約1000毫米，調(diào)整成像鏡頭2的位置使其入射光瞳與會聚透鏡1的后焦平面F重合。攝像機3固定在成像鏡頭2的左側(cè)，調(diào)整攝像機3與成像鏡頭2之間的相對位置并調(diào)整成像鏡頭2的聚焦，使位于會聚透鏡1的主平面U上的光點能夠通過成像鏡頭2在攝像機3的光敏面V上清晰成像。半透半反鏡4安排在會聚透鏡1和成像鏡頭之間，其中心距離會聚透鏡1約150毫米，以左上右下45度的角度固定，其中心與會聚透鏡1的主軸重合。標(biāo)定板5以水平方式固定在半透半反鏡4的正下方，距離半透半反鏡4約150毫米，仔細調(diào)整標(biāo)定板5和半透半反鏡4的位置，使從攝像機方向觀察，標(biāo)定板5上小孔矩陣經(jīng)半透半反鏡4所成的像與會聚透鏡1的主平面U重合，并且像的中心與會聚透鏡1中心對齊，當(dāng)標(biāo)定板5上的這些發(fā)光點陣點亮?xí)r，可以在激光接收裝置的光線接收面上形成間距為10毫米的發(fā)光點陣，作為參考坐標(biāo)系。
在進行測量時，首先點亮標(biāo)定板5上的發(fā)光點陣，測量每一個發(fā)光點的位置，由于這些光點的間距標(biāo)準(zhǔn)，可以用這些光點作為參考坐標(biāo)，計算光學(xué)參數(shù)并校正系統(tǒng)光學(xué)像差。然后關(guān)閉標(biāo)定板5上的發(fā)光點陣，測量并計算進入接收面上的激光點相對與這些發(fā)光點陣的相對位置，就可以得到激光點在參考坐標(biāo)系中準(zhǔn)確的坐標(biāo)。
在上述系統(tǒng)中，當(dāng)變焦鏡頭的焦距調(diào)整到最短32毫米時，裝置的測量區(qū)域達到最大，約為200毫米，而分辨率為最低，約為0.33毫米/象素，在激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)中，適用于測量點距離激光接收裝置較遠的情況。當(dāng)變焦鏡頭的焦距調(diào)整到最長160毫米時，裝置的測量區(qū)域為最小，約為40毫米，但分辨率達到最高，約為0.06毫米/象素，在激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)中，適用于測量點距離激光接收裝置較近的情況。
權(quán)利要求
1.一種用于激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光接收裝置，利用攝像機(3)作為接收器件，激光接收裝置由會聚透鏡(1)，攝像機(3)，成像鏡頭(2)，半透半反鏡(4)，標(biāo)定板(5)組合而成，其特征在于a)成像鏡頭(2)的入射光瞳位于會聚透鏡的后焦平面(F)；b)成像鏡頭(2)的物平面(U)與會聚透鏡(1)的主平面重合；c)成像鏡頭(2)的象平面(V)與攝像機的光敏面重合；d)半透半反鏡(4)的放置使標(biāo)定板(5)的像與會聚透鏡(1)的主平面(U)重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光接收裝置，其特征在于可以用平面散射屏放置在會聚透鏡(1)主平面(U)的位置，代替會聚透鏡(1)，成像鏡頭2到平面散射屏的距離為最大測量區(qū)域尺寸的2～8倍。
全文摘要
一種用于激光波帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)的接收裝置，屬于光學(xué)、光電檢測和幾何位置測量技術(shù)領(lǐng)域，其特征是用會聚鏡、變焦鏡頭、攝像機及標(biāo)定機構(gòu)組成，解決了采用面陣攝像波的帶板準(zhǔn)直系統(tǒng)對測量點到接收裝置距離變化，而對接收器不同的空間分辨率要求，同時也解決了系統(tǒng)的標(biāo)定問題。本發(fā)明的效果和益處是由于采用攝像機作為光電接收器件，光敏單元多，其輸出圖象便于進行計算機數(shù)字圖像處理，并由于實現(xiàn)了可變測量范圍和空間分辨率，提高了測量精度和可靠性。由于本裝置中沒有二維掃描機構(gòu)，使接收裝置結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，便于密封安裝。由于本裝置不必進行二維逐點掃描，減少了測量時間，提高了測量速度。
文檔編號H04N5/225GK1545221SQ200310105110
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月12日
發(fā)明者賴康生, 王曉旭, 賴建生 申請人:大連理工學(xué)