光束平行度檢測(cè)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種光束平行度檢測(cè)裝置及方法，該方法充分利用光路特性，不需拆分改變待測(cè)光發(fā)射單元的原有構(gòu)造，可用于測(cè)量光束平行度檢測(cè)。該裝置包括光學(xué)成像系統(tǒng)、光發(fā)射單元、基座和直線平移系統(tǒng)，光學(xué)成像系統(tǒng)包括相機(jī)、分光鏡、白屏和計(jì)算機(jī)單元；直線平移系統(tǒng)設(shè)置在基座上，直線平移系統(tǒng)包括滑臺(tái)、絲杠、滑塊、固定座、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元；滑臺(tái)安裝在基座上，滑塊設(shè)置在滑臺(tái)上，滑塊套裝在絲杠上，固定座安裝在滑塊上，步進(jìn)電機(jī)與絲杠連接，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元與計(jì)算機(jī)單元連接；分光鏡和光發(fā)射單元均安裝在固定座上，相機(jī)鏡頭軸線與白屏垂直設(shè)置，光發(fā)射單元的光軸垂直于光學(xué)成像系統(tǒng)光軸，分光鏡置于成像系統(tǒng)光軸上且與其成450角。
【專利說明】光束平行度檢測(cè)裝置及方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種光束接收和測(cè)量裝置，特別是一種能見度發(fā)射器光束的測(cè)量裝置及方法，屬于光束平行度參數(shù)測(cè)量裝置。
[0002]【背景技術(shù)】:
根據(jù)氣象學(xué)定義，能見度用氣象光學(xué)視程表示，氣象光學(xué)視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量，在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長(zhǎng)度。其中，對(duì)光源發(fā)射光束的平行度提出了明確要求，能見度儀的探測(cè)光束應(yīng)符合平行光束的要求。能見度的測(cè)量依據(jù)來源于Lambert-Beer定律
/= ,表示光波在探測(cè)通道上的衰減，/5為大氣消光系數(shù)，其物理意義為，當(dāng)一束平行
單色光垂直通過某一均勻介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)吸收和散射，使透射光的強(qiáng)度減弱。探測(cè)光束的平行度和均勻性是使用該定律的前提。對(duì)于透射式能見度儀當(dāng)探測(cè)光束為平行光束時(shí)，變換Lambert-Beer定律得在探測(cè)通道內(nèi)透過率,將積分區(qū)域內(nèi)大氣看作均勻介質(zhì)得平均衰
減系數(shù)β。
[0003]目前采用較多的散射式能見度儀，要求接收端光電探測(cè)器的法線方向與發(fā)射器光軸成33°角放置。此要求是為保證接收器接收到的光強(qiáng)為探測(cè)光束在33°散射角時(shí)的散射光強(qiáng)以便計(jì)算散射系數(shù)，以散射系數(shù)作為大氣消光系數(shù)，再利用能見度公式反演能見度。若光源為非平行光，則散射角無法保證處于33°位置，只有光軸處滿足散射角要求，其它位置都大于或小于該角度；當(dāng)探測(cè)光源為平行光束時(shí)，散射角為33°，才可滿足散射式能見度儀的使用前提。無論透射式或散射式能見度儀，其散射系數(shù)、衰減系數(shù)的正確測(cè)量都需要探測(cè)光束有較高平行度的保證。為此，必須明確能見度儀探測(cè)光束的平行度，即發(fā)散角大小。在能見度儀發(fā)射器的設(shè)計(jì)中并沒有對(duì)光源性質(zhì)的嚴(yán)格限制，國(guó)內(nèi)外能見度儀的光源有用激光器光源也有用LED光源，且LED的使用越來越廣泛；但都未明確標(biāo)識(shí)光源發(fā)散角。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量光束平行度光束發(fā)散角的主要方法針對(duì)激光光源，主要有基于CCD的遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑法、可變光闌法、刀口掃描法；針對(duì)LED光源主要方法是將光源置于二維轉(zhuǎn)臺(tái)上高精度旋轉(zhuǎn)按二維坐標(biāo)測(cè)發(fā)光強(qiáng)度繪制空間光強(qiáng)分布圖，或固定光源通過多角度測(cè)量估計(jì)發(fā)散角大小。這些方法都需要較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，或用CXD器件加透鏡反復(fù)調(diào)整、或用可變光闌連續(xù)調(diào)整、或需各種耦合系統(tǒng)。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明提供了一種光束平行度檢測(cè)方法，方法充分利用光路特性，不需拆分改變待測(cè)光發(fā)射單元的原有構(gòu)造，可方便進(jìn)行光路測(cè)量，以方便計(jì)算光束發(fā)散角實(shí)現(xiàn)平行度檢測(cè)。
[0006]本發(fā)明另一目的是提供實(shí)現(xiàn)該方法的檢測(cè)裝置，該裝置調(diào)整方便，測(cè)量速度快、誤差小。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的:
一種光束平行度檢測(cè)檢測(cè)裝置，該裝置包括光學(xué)成像系統(tǒng)、光發(fā)射單元、基座和直線平移系統(tǒng)，所述光學(xué)成像系統(tǒng)包括相機(jī)、分光鏡、白屏和計(jì)算機(jī)單元，所述相機(jī)和白屏分別安裝在基座兩側(cè)，相機(jī)與計(jì)算機(jī)單元連接；
直線平移系統(tǒng)設(shè)置在基座上，直線平移系統(tǒng)包括滑臺(tái)、絲杠、滑塊、固定座、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元；所述滑臺(tái)安裝在基座上，滑塊設(shè)置在滑臺(tái)上，滑塊套裝在絲杠上，固定座安裝在滑塊上，步進(jìn)電機(jī)與絲杠連接，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元與計(jì)算機(jī)單元連接；
所述分光鏡和光發(fā)射單元均安裝在固定座上，相機(jī)鏡頭軸線與白屏垂直設(shè)置，光發(fā)射單元的光軸垂直于光學(xué)成像系統(tǒng)光軸，分光鏡置于成像系統(tǒng)光軸上且與其成45°角。
[0008]所述光發(fā)射單元、基座和直線平移系統(tǒng)，以及光學(xué)成像系統(tǒng)的相機(jī)和分光鏡和白屏均設(shè)置在暗室中。
[0009]所述相機(jī)采用數(shù)碼相機(jī)。
[0010]所述相機(jī)通過固定桿安裝在基座上，所述白屏通過支座安裝在基座上。
[0011]利用上述裝置進(jìn)行的的光束平行度檢測(cè)方法，該方法包括以下步驟:
1)開啟光發(fā)射單元，調(diào)整相機(jī)焦距至光斑成像清晰，調(diào)整相機(jī)曝光度使成像不至飽
和；
2)光發(fā)射單元發(fā)出光束，經(jīng)分光鏡部分反射投射到白屏上，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，滑塊帶動(dòng)分光鏡和光發(fā)射單元移至與相機(jī)相鄰，移至相機(jī)上光斑成像占整個(gè)相機(jī)像面區(qū)域的五分之四左右，不至滑塊與相機(jī)支座接觸，記住此時(shí)的位置坐標(biāo)，作為初始坐標(biāo)，相機(jī)拍攝白屏上的光斑；
3)再次啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，滑塊帶動(dòng)分光鏡和光發(fā)射單元移至與白屏相鄰，相機(jī)上光斑成像占整個(gè)相機(jī)像面區(qū)域的五分之一左右，不至滑塊與白屏支座接觸，記住此時(shí)的位置坐標(biāo)，作為末了坐標(biāo)，相機(jī)再次拍攝白屏上的光斑；
4)拍攝的光斑圖片數(shù)據(jù)輸出給計(jì)算機(jī)單元。
[0012]5)計(jì)算機(jī)單元分別讀取兩次光斑圖像，經(jīng)濾波，做灰度圖；
6)計(jì)算圖像最大值點(diǎn)，并取出該行數(shù)據(jù)；
7)根據(jù)等高線數(shù)值將該行數(shù)據(jù)背景值去除，銳化；
8)提取邊沿輪廓、細(xì)化；
9)根據(jù)細(xì)化廓線上像素點(diǎn)坐標(biāo)分別計(jì)算像素點(diǎn)半徑；
10)利用幾何關(guān)系求得發(fā)散角。
[0013]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明將待測(cè)光束置于定焦光學(xué)系統(tǒng)中，通過直線系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)獲取光源在不同位置的光斑，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)和光斑特性得出光束發(fā)散角；根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的成像結(jié)果得到光束接收平面各方向上發(fā)散角大小，即可得到水平、豎直或其他方向的發(fā)散角。
[0014]該裝置不改變?cè)O(shè)備的原有結(jié)構(gòu)，空間占用小、系統(tǒng)控制自動(dòng)化，測(cè)量速度快、誤差小。
[0015]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明光束平行度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2為圖1的局部俯視圖。
[0017]圖3為光束平行度檢測(cè)裝置光學(xué)成像系統(tǒng)光路圖。
[0018]圖4為發(fā)散角示意圖。
[0019]圖5為光束平行度檢測(cè)裝置直線平移系統(tǒng)控制流程圖。[0020]圖中:1-基座,2-數(shù)碼照相機(jī)固定桿，3-數(shù)碼照相機(jī)，31-相機(jī)透鏡,32-相機(jī)成像器，4滑臺(tái)，5-步進(jìn)電機(jī)，6-絲杠，7-滑塊，8-固定座，9-分光鏡，9-分光鏡’ 10-白屏支座，11-白屏，12-計(jì)算機(jī)單元，13-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，14-光發(fā)射單元，14’-光發(fā)射單元。A-位置1，B-位置2。
[0021]【具體實(shí)施方式】:
如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述檢測(cè)系統(tǒng)包括固定參數(shù)的光學(xué)成像系統(tǒng)、直線平移系統(tǒng)、基座和計(jì)算機(jī)單元，裝置如圖1所示。光學(xué)成像系統(tǒng)由數(shù)碼照相機(jī)3、固定座8、分光鏡9、白屏11組成。數(shù)碼照相機(jī)3鏡頭軸線與白屏11垂直，光發(fā)射單元光軸方向垂直于成像系統(tǒng)光軸，分光鏡9置于成像系統(tǒng)光軸上且與其成45°角。
[0022]直線平移系統(tǒng)平行于成像系統(tǒng)光軸，由滑臺(tái)4、步進(jìn)電機(jī)5、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元13和計(jì)算機(jī)單元12組成，滑塊7上有M6大小的固定孔位，用于固定座8，分光鏡9和光發(fā)射單元安裝在固定座8上，分光鏡9和光發(fā)射單元在滑塊7上作為整體移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)光路調(diào)整，在白屏11上得到大小不同的光斑。
[0023]步進(jìn)電機(jī)5安裝在滑臺(tái)4 一側(cè)，步進(jìn)電機(jī)5經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路接入計(jì)算機(jī)單元12。直線導(dǎo)軌的有效行程為600mm,有效定位精度0.04mm,重復(fù)定位精度0.01mm ;以步進(jìn)電機(jī)5驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由計(jì)算機(jī)單元給出，驅(qū)動(dòng)單元可響應(yīng)O~IOOKHz的脈沖信號(hào)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)單元12與還數(shù)碼照相機(jī)3連接，對(duì)白屏11上的成像采樣。
[0024]本發(fā)明的工作過程:
固定好數(shù)碼相機(jī)和白屏的位置，白屏垂直于數(shù)碼相機(jī)光軸，兩者間距離大于滑臺(tái)長(zhǎng)度，滑臺(tái)平行于光軸放置；調(diào)整分光鏡位于數(shù)碼相機(jī)光軸上且與光軸成45度夾角；調(diào)整數(shù)碼相機(jī)焦距使光斑成像清晰，調(diào)整曝光度使成像不至飽和，以后不再調(diào)整；啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，讓滑塊置于初始位置，即滑塊處于靠近照相機(jī)的一側(cè)，待測(cè)光發(fā)射單元發(fā)出光束，經(jīng)分光鏡部分反射投射到白屏上，數(shù)碼相機(jī)對(duì)白屏上的光斑聚焦，白屏上的光斑經(jīng)由分光鏡成像到相機(jī)的CCD圖像傳感器上，通過計(jì)算機(jī)對(duì)光斑成像進(jìn)行取樣。再通過啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制滑塊位置，使滑塊處于靠近白屏一側(cè)，停穩(wěn)后，對(duì)白屏上的光斑在相機(jī)傳感器的成像再次取樣。根據(jù)兩次取樣時(shí)，滑塊移動(dòng)的間隔和兩次所取圖像在水平或垂直方向上的幾何參數(shù)，有計(jì)算機(jī)計(jì)算出光束的發(fā)散角。
[0025]通過計(jì)算機(jī)單元還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整光發(fā)射單元位置，使滑塊可處于滑臺(tái)有效行成上的不同位置，保存運(yùn)行軌跡，同時(shí)在不同位置上拍照，記錄圖像與位置，本發(fā)明可滿足不同大小發(fā)射角測(cè)量的需要條件。
[0026]本發(fā)明的工作原理:
根據(jù)垂軸放大率公式#=1 = 1 = 77，# = L。其中，#為物方焦距，為像方焦距，
y ^ I IJJ
y為物大小，/為像大小，X為物距，X'為像距，/為物點(diǎn)到物方主點(diǎn)的距離，r像點(diǎn)到像方主點(diǎn)的距離。垂軸放大率隨物體位置而異，物體位置即屏的位置。固定好白屏、成像面和焦距時(shí)，多確定且不變，如圖3，各參數(shù)均為正值。
[0027]圖3中，待測(cè)光發(fā)射單元與分光鏡從位置I平行于成像系統(tǒng)光軸移到位置2，在位置I處，光斑半徑為4，位置2處光斑半徑為，位置I處，光源中心點(diǎn)到屏的光程L1 = d+a —ecos45° +湖,其中e為分光鏡厚度，n為分光鏡折射率；位置2處,光源中心點(diǎn)至丨J屏的光程A =d+A-cms45q+?。光源1/2發(fā)散角的正切值
【權(quán)利要求】
1.一種光束平行度檢測(cè)檢測(cè)裝置，該裝置包括光學(xué)成像系統(tǒng)、光發(fā)射單元、基座和直線平移系統(tǒng)，所述光學(xué)成像系統(tǒng)包括相機(jī)、分光鏡、白屏和計(jì)算機(jī)單元，所述相機(jī)和白屏分別安裝在基座兩側(cè)，相機(jī)與計(jì)算機(jī)單元連接； 直線平移系統(tǒng)設(shè)置在基座上，直線平移系統(tǒng)包括滑臺(tái)、絲杠、滑塊、固定座、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元；所述滑臺(tái)安裝在基座上，滑塊設(shè)置在滑臺(tái)上，滑塊套裝在絲杠上，固定座安裝在滑塊上，步進(jìn)電機(jī)與絲杠連接，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元與計(jì)算機(jī)單元連接； 所述分光鏡和光發(fā)射單元均安裝在固定座上，相機(jī)鏡頭軸線與白屏垂直設(shè)置，光發(fā)射單元的光軸垂直于光學(xué)成像系統(tǒng)光軸，分光鏡置于成像系統(tǒng)光軸上且與其成45°角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束平行度檢測(cè)檢測(cè)裝置，其特征是:所述光發(fā)射單元、基座和直線平移系統(tǒng)，以及光學(xué)成像系統(tǒng)的相機(jī)和分光鏡和白屏均設(shè)置在暗室中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束平行度檢測(cè)檢測(cè)裝置，其特征是:所述相機(jī)采用數(shù)碼相機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束平行度檢測(cè)檢測(cè)裝置，其特征是:所述相機(jī)通過固定桿安裝在基座上，所述白屏通過支座安裝在基座上。
5.權(quán)利要求1所述裝置的光束平行度檢測(cè)方法，該方法包括以下步驟: 1)開啟光發(fā)射單元，調(diào)整相機(jī)焦距至光斑成像清晰，調(diào)整相機(jī)曝光度使成像至不飽和； 2)光發(fā)射單元發(fā)出光束，經(jīng)分光鏡部分反射投射到白屏上，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，滑塊帶動(dòng)分光鏡和光發(fā)射單元移至與相機(jī)相鄰，移至相機(jī)上光斑成像占整個(gè)相機(jī)像面區(qū)域的五分之四左右，記住此時(shí)的位置坐標(biāo)，作為初始坐標(biāo)，相機(jī)拍攝白屏上的光斑； 3)再次啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，滑塊帶動(dòng)分光鏡和光發(fā)射單元移至與白屏相鄰，相機(jī)上光斑成像占整個(gè)相機(jī)像面區(qū)域的五分之一左右，不至滑塊與白屏支座接觸，記住此時(shí)的位置坐標(biāo)，作為末了坐標(biāo)，相機(jī)再次拍攝白屏上的光斑； 4)拍攝的光斑圖片數(shù)據(jù)輸出給計(jì)算機(jī)單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光束平行度檢測(cè)檢測(cè)方法，其特征是:該方法還包括以下步驟: 5)計(jì)算機(jī)單元分別讀取兩次光斑圖像，經(jīng)濾波，做灰度圖； 6)計(jì)算圖像最大值點(diǎn)，并取出該行數(shù)據(jù)； 7)根據(jù)等高線數(shù)值將該行數(shù)據(jù)背景值去除，銳化； 8)提取邊沿輪廓、細(xì)化； 9)根據(jù)細(xì)化廓線上像素點(diǎn)坐標(biāo)分別計(jì)算像素點(diǎn)半徑； 10)利用幾何關(guān)系求得發(fā)散角。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK103575239SQ201310569261
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】肖韶榮, 趙靜, 張仙玲 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)