利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置及方法

技术领域

本发明涉及平行光管技术领域，特别是涉及一种利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置及方法。

背景技术

平行光管在自准直测角等各种光电测量领域得到了广泛应用，是一种非常基本的光学仪器。平行光管是由一组透镜组成，根据几何光学成像原理，无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上；反之，从透镜焦平面上发出的光线经透镜后成为平行光。焦距是平行光管最基本的光学参数，该值的准确与否对测量精度至关重要。目前主流的方式是根据光学放大倍率方法来测量焦距。其依靠手动操作观察目视光学系统中玻罗板上的标志线，去对齐测量目标，完成被测目标的初始对准和基准设置，然后通过读取显微镜上的刻度，根据光学放大公式计算焦距。传统的依据光学放大倍率方法的操作虽然简洁，但是受到人眼观察的影响，在每次手动刻度对准的过程中都存在随机误差，使得每次测量结果差异较大。而且在多次测量中，由于设备移动导致的基准误差都难以克服。因此在每次测量中难以获得真值，在成批量的平行光管测量时，难以保证每个光管的测量精度，并且效率较低。

发明内容

基于此，针对上述问题，有必要提供一种能有效避免人眼观察对准引入的随机误差，从而有效提高测量精度的利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置及方法。

本发明提供一种利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置，包括发射模块及与发射模块同轴设置的接收模块；所述发射模块包括旋转电机、安装于旋转电机上的轴角编码器和指示光栅、光源及基准光管；所述电机用于带动所述轴角编码器和所述指示光栅转动；所述指示光栅位于所述基准光管的焦平面且位于所述光源及所述基准光管之间；所述光源用于将光线投射至所述指示光栅，且光线经所述指示光栅后投射至所述基准光管；所述接收模块包括自靠近发射模块向远离发射模块方向依次设置的待测光管、标尺光栅及成像器件；投射至所述基准光管的光线依次经过所述待测光管及所述标尺光栅后投射至所述成像器件。

本发明还提供一种利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量方法，包括以下步骤：

提供一个包括旋转电机、安装于所述旋转电机上的轴角编码器和指示光栅、光源及基准光管的发射模块，且所述指示光栅位于所述基准光管的焦平面且位于所述光源及所述基准光管之间；

提供一个包括自靠近发射模块向远离所述发射模块方向依次设置的待测光管、标尺光栅及成像器件的接收模块；

将所述发射模块与所述接收模块同轴设置；

将所述光源发出的光线投射至所述指示光栅，且光线经所述指示光栅后投射至所述基准光管，投射至所述基准光管的光线依次经过所述待测光管及所述标尺光栅后投射到所述成像器件；

通过所述旋转电机带动所述指示光栅及所述轴角编码器旋转，并通过所述轴角编码器记录指示光栅的旋转角度，在所述成像器件上形成所述指示光栅及所述标尺光栅的莫尔条纹图像；

根据所述旋转角度、所述指示光栅及所述标尺光栅的栅距计算莫尔条纹的宽度，并且进一步根据莫尔条纹的宽度、所述指示光栅及所述标尺光栅的栅距、所述旋转角度及所述基准光管的焦距计算所述待测光管的焦距。

本发明可以通过旋转电机带动指示光栅及轴角编码器旋转，并由轴角编码器记录指示光栅的旋转角度，在成像器件上形成指示光栅及标尺光栅的莫尔条纹图像；进一步根据旋转角度、指示光栅及标尺光栅的栅距计算莫尔条纹的宽度，并且进一步根据莫尔条纹的宽度、指示光栅及所述标尺光栅的栅距、所述旋转角度及所述基准光管的焦距计算所述待测光管的焦距。本发明结合轴角编码器和焦距对光栅图像的缩放原理，通过旋转电机，获得不同测量图像，利用莫尔条纹图像解算其宽度，能有效避免人眼观察对准引入的随机误差，从而有效提高测量精度，在几米至几十米的长焦距平行光管焦距测量时可以达到毫米级精度。

附图说明

图1为本发明提供的利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置结构示意图。

图2为图1所示的利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置所形成的莫尔条纹的坐标系示意图。

图3为1所示的利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置的使用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本发明优选实施方式提供的一种利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量装置100，包括发射模块a及与发射模块a同轴设置的接收模块b；所述发射模块a包括旋转电机1、安装于旋转电机1上的轴角编码器2和指示光栅4、光源3及基准光管5；所述电机1用于带动所述轴角编码器2和所述指示光栅4转动；所述指示光栅4位于所述基准光管5的焦平面且位于所述光源3及所述基准光管5之间；所述光源3用于将光线投射至所述指示光栅4，且光线经所述指示光栅4后投射至所述基准光管5；所述接收模块b包括自靠近发射模块a向远离发射模块a方向依次设置的待测光管6、标尺光栅7及成像器件8；投射至所述基准光管5的光线依次经过所述待测光管6及所述标尺光栅7后投射至所述成像器件8。

如此，可以通过旋转电机1带动指示光栅4及轴角编码器2旋转，并由轴角编码器2记录指示光栅4的旋转角度，在成像器件8上形成指示光栅4及标尺光栅7的莫尔条纹图像；进一步根据旋转角度、指示光栅4及标尺光栅7的栅距计算莫尔条纹的宽度，并且进一步根据莫尔条纹的宽度、指示光栅4及所述标尺光栅7的栅距、所述旋转角度及所述基准光管5的焦距计算所述待测光管6的焦距。本发明结合轴角编码器和焦距对光栅图像的缩放原理，通过旋转电机，获得不同测量图像，利用莫尔条纹图像解算其宽度，能有效避免人眼观察对准引入的随机误差，从而有效提高测量精度，在几米至几十米的长焦距平行光管焦距测量时可以达到毫米级精度。具体的，如图1所示，以oxyz建立三维坐标系，本实施方式中，所述基准光管5及所述待测光管6均为平行光管且所述基准光管5的焦距f₁为已知，所述待测光管6的焦距f₂待测。所述基准光管5及所述待测光管6的光轴与oz轴重合，所述基准光管5及所述待测光管6间隔相对设置。进一步的，所述光源3、所述指示光栅4、所述基准光管5、所述待测光管6、所述标尺光栅7及所述成像器件8同轴设置。所述指示光栅4设置于基准光管5与待测光管6相背的一侧。所述标尺光栅7设置于待测光管6与基准光管5相背的一侧并位于所述待测光管6与成像器件8之间。

所述光源3位于所述旋转电机1与所述指示光栅4之间。所述指示光栅4可以通过连接轴与的所述旋转电机1固定连接。本实施方式中，所述轴角编码器2安装于所述旋转电机1靠近光源3的一侧，亦即所述轴角编码器2位于旋转电机1与光源3之间。在其他实施方式中，所述轴角编码器2也可以安装于所述旋转电机1与光源3的相背一侧，亦即所述旋转电机1位于轴角编码器2与光源3之间。在本实施方式中，所述旋转电机1的转轴、所述轴角编码器2及所述指示光栅4同轴设置。

本实施方式中，所述光源3为红色LED单色光；所述成像器件为CCD传感器。在其他实施方式中，所述光源3也可以是白色LED单色光，或其他光源，例如白炽灯、激光和其他成像器件8能感测到的光源。

进一步的，所述指示光栅4及所述标尺光栅7的栅距相等且栅距为20um-100um，本实施方式中，所述指示光栅4及所述标尺光栅7的栅距均为700um。

本实施方式中，所述基准光管5的焦距f₁为1600mm。在其他实施方式中，所述基准光管5的焦距f₁也可以根据实际需求选定。

请参阅图1及图3，本发明提供一种利用莫尔条纹放大作用的平行光管焦距测量方法，包括以下步骤：

首先，提供一个包括旋转电机1、安装于所述旋转电机1上的轴角编码器2和指示光栅4、光源3及基准光管5的发射模块a，且所述指示光栅4位于所述基准光管5的焦平面且位于所述光源3及所述基准光管5之间；

其次，提供一个包括自靠近发射模块a向远离发射模块a方向依次设置的待测光管6、标尺光栅7及成像器件8的接收模块；本步骤中，所述标尺光栅7可以设置于所述待测光管6的焦平面。

再次，将所述发射模块a与所述接收模块b同轴设置；

再次，将所述光源3发出的光线投射至所述指示光栅4，且光线经所述指示光栅4后投射至所述基准光管5，投射至所述基准光管5的光线依次经过所述待测光管6及所述标尺光栅7后投射到所述成像器件8；本步骤中，所述光源3发出的光线经所述基准光管5后形成一束平行光，并经所述待测光管6进行会聚。

然后，通过所述旋转电机1带动所述指示光栅4及所述轴角编码器2旋转，并通过所述轴角编码器2记录所述指示光栅4的旋转角度，在所述成像器件8上形成所述指示光栅4及所述标尺光栅7的莫尔条纹图像；在本步骤，在通过旋转所述电机1带动所述指示光栅4及所述轴角编码器2旋转前，可以先调整所述指示光栅4及所述标尺光栅7之间在成像器件8上形成图像的夹角为0度。

最后，根据所述旋转角度、所述指示光栅4及所述标尺光栅7的栅距计算莫尔条纹的宽度，并且进一步根据莫尔条纹的宽度、所述指示光栅4及所述标尺光栅7的栅距、所述旋转角度及所述基准光管5的焦距f₁计算所述待测光管6的焦距f₂。

具体的，莫尔条纹的宽度W的计算公式如下：

其中d₁、d₂分别表示所述指示光栅4及所述标尺光栅7的栅距，θ为旋转角度，也即所述指示光栅4及所述标尺光栅7在成像器件8上形成图像之间的夹角(如图2所示)。

在本实施方式中，所述基准光管5的焦距f₁已知，则待测光管6的焦距f₂对标尺光栅7栅距的缩放作用d₂′可用下式表示：

本实施方式中，所述指示光栅4及标尺光栅7的栅距相同d₁＝d₂＝d，将d与公式(2)带入公式(1)可得到莫尔条纹宽度W′关系式：

由关系式(3)根据求根公式解得所述待测光管的焦距公式为：

其中旋转角度θ、所述基准光管5的焦距f₁、所述指示光栅4及标尺光栅7的栅距d为已知量，W′是利用采集的莫尔条纹图像解算出的莫尔条纹宽度，将其代入公式(4)即可求得所述待测光管的焦距f₂。由公式(4)可以看出存在两个解，同时莫尔条纹宽度与焦距变化存在非线性关系，所以每次测量需要获取两组数据，两组数据求得的焦距相同者即为真值。

请再一次参阅图3，步骤“将所述发射模块a与所述接收模块b同轴设置”进一步包括：

在发射模块a与接收模b之间设置一经纬仪；

通过经纬仪进行测量坐标的给定，使得经纬仪当前方位俯仰位置所确定的光轴方向为oz轴方向。将发射模块a作为基准位置，使用经纬仪接收发射模块发出的平行光，调节发射模块a安装调整机构，使得该平行光在经纬仪目镜中所成光斑处于目镜分划板中心位置。此时发射模块a光轴与经纬仪光轴同轴。

调整经纬仪水平旋转180°，给待测光管6安装光源，使用经纬仪接收自接收模块发出的平行光，调节接收模块b安装调整机构，使得该平行光在经纬仪目镜中所成光斑处于目镜分划板中心位置，此时接收模块b光轴与经纬仪光轴同轴(亦即发射模块与接收模块同轴)。

移动经纬仪使其离开发射模块a与接收模块b之间，以使经纬仪不会遮挡发射模块a与接收模块之间的光路，并且移去在待测光管相背于基准光管的一侧安装的光源。

本发明利用双光栅形成的莫尔条纹对形变的放大作用，在不同光栅夹角下通过CCD传感器获取两组数据，计算在对应光栅夹角下的莫尔条纹宽度值，最后代入关系公式解出焦距。本发明在长焦距平行光管测量时精度可达到毫米级，而且在任意光栅角度下自动进行测量，不需要人工辅助，有效减少了人眼标定所带来的随机误差。在结构设计上使用精简的光机结构，易于集成，成本低廉，其安装调试操作简便，具有较高的实用价值，便于普及。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。