一种三维角度测量系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110375708 A(43)申请公布日 2019.10.25

(21)申请号 2019107090.6(22)申请日 2019.08.15

(71)申请人 中国科学院长春光学精密机械与物

理研究所

地址 130033 吉林春市经济技术开发

区东南湖大路3888号(72)发明人 蔡盛　刘玉生　孙闯　王旻　

马文家　韩岩　(74)专利代理机构 深圳市科进知识产权代理事

务所(普通合伙) 44316

代理人 曹卫良(51)Int.Cl.

G01C 1/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页

()发明名称

一种三维角度测量系统(57)摘要

本发明提供的三维角度测量系统，包括：测量端和目标端，所述目标端包括直角棱镜，所述测量端包括白光光源、聚光镜、分划板、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、准直物镜、第一面阵探测器及第二面阵探测器，本发明利用直角棱镜的不同反射面，斜面表征方位及俯仰角变化，两直角面表征横滚转角变化，可实现三维角度同时测量，具有较高的测角精度，结构简单紧凑，成本低廉，免维护、使用便捷，系统具有良好的工程应用前景。

CN 110375708 ACN 110375708 A

权　利　要　求　书

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1.一种三维角度测量系统，其特征在于，包括：测量端和目标端，所述目标端包括直角棱镜，所述测量端包括白光光源、聚光镜、分划板、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、准直物镜、第一面阵探测器及第二面阵探测器；所述直角棱镜的斜面对入射的短波段的绿光进行反射且对入射的长波段的红光进行透射，所述第二面阵探测器仅允许入射的红光透过，其中：

所述白光光源发出的光照亮位于所述聚光镜焦平面的分划板，再经所述准直物镜准直后成为平行光束，所述平行光束入射所述直角棱镜的斜面：

其中，短波段的绿光经所述直角棱镜的斜面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜及所述第一窄带滤光片后被所述第一面阵探测器接收并进行后续的图像处理，通过所述分划板像的位移变化得到相应的方位及俯仰角的信息；

其中，长波段的红光透射所述直角棱镜的斜面，并经所述直角棱镜的两直角面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜、所述第二分光棱镜及所述第二窄带滤光片后被所述第二面阵CCD接收并进行后续的图像处理，当所述直角棱镜绕光轴z轴发生旋转时，引起反射光线的旋转，以使所述分光板的像绕x轴旋转，从而导致在所述第二面阵探测器上斜率的变化，以建立直角棱镜绕光轴旋转角度与上述分划板像的斜率变化之间的定量关系获取横滚角。

2.如权利要求1所述的三维角度测量系统，其特征在于，所述测量端和目标端分别放置在第一基座和第二基座上。

3.如权利要求1所述的三维角度测量系统，其特征在于，所述白光光源为LED白光光源。4.如权利要求1所述的三维角度测量系统，其特征在于，所述直角棱镜斜面分波段镀有光学膜，波长620-800nm的平均透过率达到90％，波长470-590nm的平均反射率达到95％。

5.如权利要求4所述的三维角度测量系统，其特征在于，所述光学膜可使波长620-800nm的平均透过率达到90％以上，波长470-590nm的平均反射率达到95％以上。6.如权利要求1所述的三维角度测量系统，其特征在于，所述第一窄带滤光片的中心波长为532nm，所述第二窄带滤光片的中心波长为632.8nm。

7.如权利要求6所述的三维角度测量系统，其特征在于，所述分划板为十字分划板。

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说　明　书一种三维角度测量系统

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技术领域

[0001]本发明涉及现代高精度测量的技术领域，特别涉及一种三维角度测量系统。背景技术[0002]角度是用以度量角的单位，角度计量是几何量计量的重要组成部分。随着生产和高科技的发展，对角度计量的要求日益增多，测角技术及其测量精确度也在不断的提高。现阶段测角方法主要分为机械测量、电子测量、电磁测量及光电测量。其中光电测量利用光信号转化为电信号，通过计算机接收信息并进行数据处理，完成在线和自动测量，该方法具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点。此外，稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光电测角法的应用越来越广泛，成为现代高精度测量的主要手段之一。[0003]在工程应用中，一些精密的测量设备或基准设备的空间位置不同，并且连接这些设备也不可能是绝对的刚体，即使在制造时能将坐标基准匹配到一定精度，在实际应用中，环境的不稳定性和人为因素会导致结构变形，各设备之间存在着三维的小角度变化。以航天测量船为例，主要光测设备、雷达等，均需要以惯导平台挺的地平真北的大地坐标作为基准，当在海上工作时，由于外界扰动的存在(如风浪、温度、时间老化等)，船体将会产生三维变形角(纵向挠曲、横向挠曲、扭转角)。这三个变形角使测量设备在直接使用惯性导航系统输出的基准时会产生测量误差，为了进行误差修正，获得精确的测量结果，需要对船体的三维角度变形进行实时测量。

[0004]自准直仪是一种通用角度测量仪器，系统简单、测量精度高、技术成熟，广泛应用于各工业部门和科研工作。然而自准直仪只能得到方位和俯仰角，无法实现扭转角测量，因此如何高精度测量扭转角，并可以实现三维变形角度同时测量是一个焦点。目前国内外提出的扭转角测量的方法有很多，可以归纳为干涉法、偏振法和几何光学法等几类。

[0005]当前工程应用中针对一条直线上的多个基座间相对变形角测量代表性的方案是航天测量船上的船体变形测量系统，其通过准直方法实现了方位和俯仰角的测量，通过大钢管法实现了横扭角的测量。该方法测量精度高，但系统复杂，占用空间大，还给安装维护带来了许多不便，不具有一般应用型。而针对两基座的三维姿态角同时测量系统目前则未见有成熟的解决方案。

发明内容

[0006]有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种测角精度高且结构简单紧凑的三维角度测量系统。[0007]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：[0008]一种三维角度测量系统，包括：测量端和目标端，所述目标端包括直角棱镜，所述测量端包括白光光源、聚光镜、分划板、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、准直物镜、第一面阵探测器及第二面阵探测器；所述直角棱镜的斜面对入射的短波段的绿光进行反射且对入射的长波段的红光进行透射，所述第二面阵探测器仅允许

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入射的红光透过，其中：

[0009]所述白光光源发出的光照亮位于所述聚光镜焦平面的分划板，再经所述准直物镜准直后成为平行光束，所述平行光束入射所述直角棱镜的斜面：[0010]其中，短波段的绿光经所述直角棱镜的斜面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜及所述第一窄带滤光片后被所述第一面阵探测器接收并进行后续的图像处理，通过所述分划板像的位移变化得到相应的方位及俯仰角的信息；[0011]其中，长波段的红光透射所述直角棱镜的斜面，并经所述直角棱镜的两直角面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜、所述第二分光棱镜及所述第二窄带滤光片后被所述第二面阵CCD接收并进行后续的图像处理，当所述直角棱镜绕光轴z轴发生旋转时，引起反射光线的旋转，以使所述分光板的像绕x轴旋转，从而导致在所述第二面阵探测器上斜率的变化，以建立直角棱镜绕光轴旋转角度与上述分划板像的斜率变化之间的定量关系获取横滚角。

[0012]在一些较佳的实施例中，所述测量端和目标端分别放置在第一基座和第二基座上。

[0013]在一些较佳的实施例中，所述白光光源为LED白光光源。[0014]在一些较佳的实施例中，所述直角棱镜斜面分波段镀有光学膜，波长620-800nm的平均透过率达到90％，波长470-590nm的平均反射率达到95％。[0015]在一些较佳的实施例中，所述光学膜可使波长620-800nm的平均透过率达到90％以上，波长470-590nm的平均反射率达到95％以上。[0016]在一些较佳的实施例中，所述第一窄带滤光片的中心波长为532nm，所述第二窄带滤光片的中心波长为632.8nm。[0017]在一些较佳的实施例中，所述分划板为十字分划板。[0018]本发明采用上述技术方案的优点是：[0019]本发明提供的三维角度测量系统，包括测量端和目标端，所述目标端包括直角棱镜，所述测量端包括白光光源、聚光镜、分划板、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、准直物镜、第一面阵探测器及第二面阵探测器，所述白光光源发出的光照亮位于所述聚光镜焦平面的分划板，再经所述准直物镜准直后成为平行光束，所述平行光束入射所述直角棱镜的斜面：短波段的绿光经所述直角棱镜的斜面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜及所述第一窄带滤光片后被所述第一面阵探测器接收并进行后续的图像处理，通过所述分划板像的位移变化得到相应的方位及俯仰角的信息；长波段的红光透射所述直角棱镜的斜面，并经所述直角棱镜的两直角面反射后再依次经所述准直物镜、所述第一分光棱镜、所述第二分光棱镜及所述第二窄带滤光片后被所述第二面阵CCD接收并进行后续的图像处理，当所述直角棱镜绕光轴z轴发生旋转时，引起反射光线的旋转，以使所述分光板的像绕x轴旋转，从而导致在所述第二面阵探测器上斜率的变化，以建立直角棱镜绕光轴旋转角度与上述分划板像的斜率变化之间的定量关系获取横滚角，本发明提供的三维角度测量系统，利用直角棱镜的不同反射面，斜面表征方位及俯仰角变化，两直角面(即棱线)表征横滚转角变化，可实现三维角度同时测量，具有较高的测角精度，结构简单紧凑，成本低廉，免维护、使用便捷，系统具有良好的工程应用前景。

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附图说明

[0020]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0021]图1为本发明实施例提供的三维角度测量系统的立体示意图；[0022]图2为本发明实施例提供的三维角度测量系统的结构示意图；[0023]图3为本发明示实施例提供的十字分划板像的位移、斜率变化示意图。具体实施方式

[0024]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。[0025]请参阅图1及图2，为本发明实施例提供的一种三维角度测量系统的结构示意图，包括：测量端110和目标端120。[0026]在一些较佳的实施例中，所述测量端110和目标端120分别放置在第一基座A和第二基座B上，可以测量基座2相当于基座1的三维姿态角。[0027]具体地，建立三维姿态角测量坐标系F，其中x、z构成水平基准面，z轴为光轴，坐标系F为右手坐标系。

[0028]请再参阅图2，所述测量端110包括白光光源111、聚光镜112、分划板113、第一分光棱镜114、第二分光棱镜115、第一窄带滤光片116、第二窄带滤光片117、准直物镜118、第一面阵探测器119及第二面阵探测器210；所述目标端120包括直角棱镜121，所述直角棱镜121的斜面对入射的短波段的绿光进行反射且对入射的长波段的红光进行透射，所述第二面阵探测器210仅允许入射的红光透过。

[0029]本发明提供的三维角度测量系统，其工作方式如下：

[0030]所述白光光源111发出的光照亮位于所述聚光镜112焦平面的分划板113，再经所述准直物镜118准直后成为平行光束，所述平行光束入射所述直角棱镜121的斜面：[0031]其中，短波段的绿光经所述直角棱镜121的斜面反射后再依次经所述准直物镜118、所述第一分光棱镜114及所述第一窄带滤光片116后被所述第一面阵探测器119接收并进行后续的图像处理，通过所述分划板113像的位移变化得到相应的方位及俯仰角的信息。[0032]其中，长波段的红光透射所述直角棱镜121的斜面，并经所述直角棱镜121的两直角面反射后再依次经所述准直物镜118、所述第一分光棱镜114、所述第二分光棱镜115及所述第二窄带滤光片117后被所述第二面阵探测器210接收并进行后续的图像处理，当所述直角棱镜121绕光轴z轴发生旋转时，引起反射光线的旋转，以使所述分光板的像绕x轴旋转，从而导致在所述第二面阵探测器210上斜率的变化，以建立直角棱镜121绕光轴旋转角度与上述分划板113像的斜率变化之间的定量关系获取横滚角。[0033]在一些较佳的实施例中，所述白光光源111为LED白光光源。[0034]在一些较佳的实施例中，所述直角棱镜121的斜面分波段镀有光学膜，波长620-5

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800nm的平均透过率达到90％，波长470-590nm的平均反射率达到95％。[0035]在一些较佳的实施例中，所述光学膜可使波长620-800nm的平均透过率达到90％以上，波长470-590nm的平均反射率达到95％以上。[0036]在一些较佳的实施例中，所述第一窄带滤光片的中心波长为532nm，所述第二窄带滤光片的中心波长为632.8nm。[0037]可以理解，本发明利用在所述直角棱镜121的斜面分波段镀有光学膜镀和采用窄带滤光片可实现方位、俯仰角测量和横滚角测量的区分。[0038]在一些较佳的实施例中，所述分划板为十字分划板，可以利用中心点的变化来计算方位及俯仰角，从而克服了采用狭缝分划板，可能无法得到狭缝位移变化的缺陷。[0039]请参阅图3，为本发明实施例提供的十字分划板像的位移、斜率变化示意图，可以理解，可利用十字分划板中心点的变化来计算方位及俯仰角。[0040]本发明提供的三维角度测量系统，利用直角棱镜的不同反射面，斜面表征方位及俯仰角变化，两直角面(即棱线)表征横滚转角变化，可实现三维角度同时测量，具有较高的测角精度，结构简单紧凑，成本低廉，免维护、使用便捷，系统具有良好的工程应用前景。[0041]当然本发明的三维角度测量系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

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图3

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