基于激光三角法反射式光路设计的小角度测量-论文.pdf

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1、基于激光三角法反射式光路设计的小角度测量周红锋宫爱玲(1．云南临沧师范高等专科学校，临沧677000；2．昆明理工大学理学院，昆明650093)摘要介绍了激光三角法反射式光路设计的基本原理、光路结构和成像系统；给出了在不同实验参数下的测量范围、测量精度和测量误差，并对测量范围和测量精度与各主要参数间的变化关系进行了分析。实验表明，该方法可以实现小角度的高精度测量，且其测量范围和测量精度可以进行动态调节。关键词激光三角法；小角度测量；光路设计；成像系统；测量精度doi：10．3969／j．issn．1000～0771．2014．06．11根据式(3

2、)可知，只要计算出平面板转动时激0引言光的反射光斑在CCD上的位移(b一b。)，再测量出小角度的测量，在精密测试、精密加工、航空航平面板转轴0到CCD的距离D，便可计算出此时平天和导航定位等方面具有重要的地位。传统的激面板转过的角度了。光三角法测量中，检测器使用的测量光线一般是激1．2实验光路及成像系统设计光照射到被测物体表面的散射光和漫反射光⋯，在在文献[2]中，分析了采用图1中所示光路测反射式光路设计的实验系统中，则采用了被测物体量存在的问题，探讨了改进方法。实验过程中，经的反射光进行测量，这在激光三角法测量应用中具过反复测试与思考，对文献[

3、2]中的光路进行了优有较好推荐价值和研究意义。化改进，在入射光的光路上增加了准直仪，保证人射光线与分光计转轴的共面性，提高了实验系统测l实验系统量的稳定性，实验光路结构如图2所示。1．1反射式光路设计的基本原理[】在图1中，当被测平面板以0点为转轴转过一个微小角度时，经物体表面反射的光线也会随之在CCD上发生移动。若令前后两次反射光线相交的夹角为口，则它们的几何关系为=2(1)图2实验光路图由图中的关系可得图3是成像系统的原理示意图，当CCD相机视ta=(b一b0)／D(2)场中的测量光斑能在接收屏上清晰成像时，其横向=_1arct协an(I)J

4、(3)缩放比和纵向缩放比分别为K=w／W(4)L=h／H(5)接收屏CCD图1实验原理图图3成像系统示意图过量堇Q：鱼式中，∞、h为CCD光敏单元面的宽度和高度；、日则会导致测量误差。调节时，可以在接收屏上放置为CCD相机视场中接收屏的宽度和高度。标尺，只要标尺能清晰成像，没有模糊和像差则可。当图2中的平面镜转动一个微小角度时，接收2实验结果与讨论屏上的测量光斑也随之移动，即式(3)中的(b一b。)。为了计算这一微小位移的大小，只需计算出图实验中，只对平面镜在水平面内的转动角度进像中CCD光斑中心的位移量，代人式(4)即可算出行了测量。测量范围以

5、分光计的最大和最小读数(b一6。)，再由式(2)、(3)便可算出平面镜在水平之差为准；测量精度以CCD光斑图像的定位精度为方向转过的微小角度。一个像素进行计算；测量误差则是以分光计的读数1．3实验系统调节作为真值，计算多次测量的平均误差。1)分光计调节。为了分析该系统的测量精度He—Ne激光器主要参数：型号(JO一3—250)，和误差，把其测量值与分光计的读数值进行对照，波长(0．6328m)光束直径(0．7ram)；CCD相机的因而测量前需先调好分光计；主要参数：型号(GE4000／GE4000C)，分辨力(40082)共面性调节。调节入射到待

6、测平面镜的激×2672)，像素尺寸(9．Olxm×9．Olxm)。光光束，使其入射点处于平面镜的转轴上，也就是2．1不同距离时的测量范围、测量误差和测量精度使入射光线和分光计转轴同处于一个平面上。实当待测物体(平面镜)与接收屏的距离D发生际上，二者不共面所带来的误差很小，这将在后面变化时，其测量范围、测量精度和测量误差也会随部分进行分析和探讨；之变化。表1给出了视场中接收屏的宽度为W=3)成像系统调节。要严格满足式(4)、(5)，就12．3em时，不同距离D情况下的测量数据(每一个必须保证接收屏能在CCD相机视场中清晰成像，否D进行5次重复测量)

7、。表1不同距离D情况下的测量数据(W=12．3cm)123456平均值Dfcm)60．180．510o．2121．5140．5160．4l10．5测量范同4o133。483。313。122。572o443。24测量精度5．33．9”3．2”2．62．3”2．03．2”测量误差7．4”6．66．3”4．74．2”3．8”5．52．2不同时的测量范围、测量精度和测量误差条件下，测量范围在3。15左右，测量精度为3．0左当调节CCD相机镜头时，其视场中接收屏的宽右；钡4量范围和测量精度由D、共同决定，二者的度也随之改变，表2是当D=100．2cm时，不

8、同关系大致是反向变化的趋势，即：测量范围大时测情况下的测量数据(每一个进行5次重复测量)。量精度较低，测量范围小时测量精度较高，这与理由