光束平行度檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種光束平行度檢測裝置及方法，該方法充分利用光路特性，不需拆分改變待測光發射單元的原有構造，可用于測量光束平行度檢測。該裝置包括光學成像系統、光發射單元、基座和直線平移系統，光學成像系統包括相機、分光鏡、白屏和計算機單元；直線平移系統設置在基座上，直線平移系統包括滑臺、絲杠、滑塊、固定座、步進電機及其驅動單元；滑臺安裝在基座上，滑塊設置在滑臺上，滑塊套裝在絲杠上，固定座安裝在滑塊上，步進電機與絲杠連接，步進電機經驅動單元與計算機單元連接；分光鏡和光發射單元均安裝在固定座上，相機鏡頭軸線與白屏垂直設置，光發射單元的光軸垂直于光學成像系統光軸，分光鏡置于成像系統光軸上且與其成450角。
【專利說明】光束平行度檢測裝置及方法
[0001]【技術領域】:
本發明設計一種光束接收和測量裝置，特別是一種能見度發射器光束的測量裝置及方法，屬于光束平行度參數測量裝置。
[0002]【背景技術】:
根據氣象學定義，能見度用氣象光學視程表示，氣象光學視程是指白熾燈發出色溫為2700K的平行光束的光通量，在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。其中，對光源發射光束的平行度提出了明確要求，能見度儀的探測光束應符合平行光束的要求。能見度的測量依據來源于Lambert-Beer定律
/= ,表示光波在探測通道上的衰減，/5為大氣消光系數，其物理意義為，當一束平行
單色光垂直通過某一均勻介質時，由于介質吸收和散射，使透射光的強度減弱。探測光束的平行度和均勻性是使用該定律的前提。對于透射式能見度儀當探測光束為平行光束時，變換Lambert-Beer定律得在探測通道內透過率,將積分區域內大氣看作均勻介質得平均衰
減系數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器的法線方向與發射器光軸成33°角放置。此要求是為保證接收器接收到的光強為探測光束在33°散射角時的散射光強以便計算散射系數，以散射系數作為大氣消光系數，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；當探測光源為平行光束時，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、衰減系數的正確測量都需要探測光束有較高平行度的保證。為此，必須明確能見度儀探測光束的平行度，即發散角大小。在能見度儀發射器的設計中并沒有對光源性質的嚴格限制，國內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；但都未明確標識光源發散角。
[0004]目前國內外測量光束平行度光束發散角的主要方法針對激光光源，主要有基于CCD的遠場焦斑法、可變光闌法、刀口掃描法；針對LED光源主要方法是將光源置于二維轉臺上高精度旋轉按二維坐標測發光強度繪制空間光強分布圖，或固定光源通過多角度測量估計發散角大小。這些方法都需要較為復雜的光學系統，或用CXD器件加透鏡反復調整、或用可變光闌連續調整、或需各種耦合系統。
[0005]
【發明內容】
:
本發明提供了一種光束平行度檢測方法，方法充分利用光路特性，不需拆分改變待測光發射單元的原有構造，可方便進行光路測量，以方便計算光束發散角實現平行度檢測。
[0006]本發明另一目的是提供實現該方法的檢測裝置，該裝置調整方便，測量速度快、誤差小。
[0007]本發明的目的是通過以下措施實現的:
一種光束平行度檢測檢測裝置，該裝置包括光學成像系統、光發射單元、基座和直線平移系統，所述光學成像系統包括相機、分光鏡、白屏和計算機單元，所述相機和白屏分別安裝在基座兩側，相機與計算機單元連接；
直線平移系統設置在基座上，直線平移系統包括滑臺、絲杠、滑塊、固定座、步進電機及其驅動單元；所述滑臺安裝在基座上，滑塊設置在滑臺上，滑塊套裝在絲杠上，固定座安裝在滑塊上，步進電機與絲杠連接，步進電機經驅動單元與計算機單元連接；
所述分光鏡和光發射單元均安裝在固定座上，相機鏡頭軸線與白屏垂直設置，光發射單元的光軸垂直于光學成像系統光軸，分光鏡置于成像系統光軸上且與其成45°角。
[0008]所述光發射單元、基座和直線平移系統，以及光學成像系統的相機和分光鏡和白屏均設置在暗室中。
[0009]所述相機采用數碼相機。
[0010]所述相機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]利用上述裝置進行的的光束平行度檢測方法，該方法包括以下步驟:
1)開啟光發射單元，調整相機焦距至光斑成像清晰，調整相機曝光度使成像不至飽
和；
2)光發射單元發出光束，經分光鏡部分反射投射到白屏上，啟動步進電機，滑塊帶動分光鏡和光發射單元移至與相機相鄰，移至相機上光斑成像占整個相機像面區域的五分之四左右，不至滑塊與相機支座接觸，記住此時的位置坐標，作為初始坐標，相機拍攝白屏上的光斑；
3)再次啟動步進電機，滑塊帶動分光鏡和光發射單元移至與白屏相鄰，相機上光斑成像占整個相機像面區域的五分之一左右，不至滑塊與白屏支座接觸，記住此時的位置坐標，作為末了坐標，相機再次拍攝白屏上的光斑；
4)拍攝的光斑圖片數據輸出給計算機單元。
[0012]5)計算機單元分別讀取兩次光斑圖像，經濾波，做灰度圖；
6)計算圖像最大值點，并取出該行數據；
7)根據等高線數值將該行數據背景值去除，銳化；
8)提取邊沿輪廓、細化；
9)根據細化廓線上像素點坐標分別計算像素點半徑；
10)利用幾何關系求得發散角。
[0013]本發明相比現有技術具有如下優點:
本發明將待測光束置于定焦光學系統中，通過直線系統運動獲取光源在不同位置的光斑，根據測量系統參數和光斑特性得出光束發散角；根據光學系統的成像結果得到光束接收平面各方向上發散角大小，即可得到水平、豎直或其他方向的發散角。
[0014]該裝置不改變設備的原有結構，空間占用小、系統控制自動化，測量速度快、誤差小。
[0015]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為本發明光束平行度檢測裝置的結構圖。
[0016]圖2為圖1的局部俯視圖。
[0017]圖3為光束平行度檢測裝置光學成像系統光路圖。
[0018]圖4為發散角示意圖。
[0019]圖5為光束平行度檢測裝置直線平移系統控制流程圖。[0020]圖中:1-基座,2-數碼照相機固定桿，3-數碼照相機，31-相機透鏡,32-相機成像器，4滑臺，5-步進電機，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-計算機單元，13-步進電機驅動單元，14-光發射單元，14’-光發射單元。A-位置1，B-位置2。
[0021]【具體實施方式】:
如圖1、圖2所示，本發明所述檢測系統包括固定參數的光學成像系統、直線平移系統、基座和計算機單元，裝置如圖1所示。光學成像系統由數碼照相機3、固定座8、分光鏡9、白屏11組成。數碼照相機3鏡頭軸線與白屏11垂直，光發射單元光軸方向垂直于成像系統光軸，分光鏡9置于成像系統光軸上且與其成45°角。
[0022]直線平移系統平行于成像系統光軸，由滑臺4、步進電機5、步進電機驅動單元13和計算機單元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和光發射單元安裝在固定座8上，分光鏡9和光發射單元在滑塊7上作為整體移動，以實現光路調整，在白屏11上得到大小不同的光斑。
[0023]步進電機5安裝在滑臺4 一側，步進電機5經驅動電路接入計算機單元12。直線導軌的有效行程為600mm,有效定位精度0.04mm,重復定位精度0.01mm ;以步進電機5驅動導軌運動，驅動信號由計算機單元給出，驅動單元可響應O~IOOKHz的脈沖信號。同時，計算機單元12與還數碼照相機3連接，對白屏11上的成像采樣。
[0024]本發明的工作過程:
固定好數碼相機和白屏的位置，白屏垂直于數碼相機光軸，兩者間距離大于滑臺長度，滑臺平行于光軸放置；調整分光鏡位于數碼相機光軸上且與光軸成45度夾角；調整數碼相機焦距使光斑成像清晰，調整曝光度使成像不至飽和，以后不再調整；啟動步進電機，讓滑塊置于初始位置，即滑塊處于靠近照相機的一側，待測光發射單元發出光束，經分光鏡部分反射投射到白屏上，數碼相機對白屏上的光斑聚焦，白屏上的光斑經由分光鏡成像到相機的CCD圖像傳感器上，通過計算機對光斑成像進行取樣。再通過啟動步進電機控制滑塊位置，使滑塊處于靠近白屏一側，停穩后，對白屏上的光斑在相機傳感器的成像再次取樣。根據兩次取樣時，滑塊移動的間隔和兩次所取圖像在水平或垂直方向上的幾何參數，有計算機計算出光束的發散角。
[0025]通過計算機單元還可實現自動調整光發射單元位置，使滑塊可處于滑臺有效行成上的不同位置，保存運行軌跡，同時在不同位置上拍照，記錄圖像與位置，本發明可滿足不同大小發射角測量的需要條件。
[0026]本發明的工作原理:
根據垂軸放大率公式#=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，/為物點到物方主點的距離，r像點到像方主點的距離。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，多確定且不變，如圖3，各參數均為正值。
[0027]圖3中，待測光發射單元與分光鏡從位置I平行于成像系統光軸移到位置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,光源中心點至丨J屏的光程A =d+A-cms45q+?。光源1/2發散角的正切值
【權利要求】
1.一種光束平行度檢測檢測裝置，該裝置包括光學成像系統、光發射單元、基座和直線平移系統，所述光學成像系統包括相機、分光鏡、白屏和計算機單元，所述相機和白屏分別安裝在基座兩側，相機與計算機單元連接； 直線平移系統設置在基座上，直線平移系統包括滑臺、絲杠、滑塊、固定座、步進電機及其驅動單元；所述滑臺安裝在基座上，滑塊設置在滑臺上，滑塊套裝在絲杠上，固定座安裝在滑塊上，步進電機與絲杠連接，步進電機經驅動單元與計算機單元連接； 所述分光鏡和光發射單元均安裝在固定座上，相機鏡頭軸線與白屏垂直設置，光發射單元的光軸垂直于光學成像系統光軸，分光鏡置于成像系統光軸上且與其成45°角。
2.根據權利要求1所述的光束平行度檢測檢測裝置，其特征是:所述光發射單元、基座和直線平移系統，以及光學成像系統的相機和分光鏡和白屏均設置在暗室中。
3.根據權利要求1所述的光束平行度檢測檢測裝置，其特征是:所述相機采用數碼相機。
4.根據權利要求1所述的光束平行度檢測檢測裝置，其特征是:所述相機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.權利要求1所述裝置的光束平行度檢測方法，該方法包括以下步驟: 1)開啟光發射單元，調整相機焦距至光斑成像清晰，調整相機曝光度使成像至不飽和； 2)光發射單元發出光束，經分光鏡部分反射投射到白屏上，啟動步進電機，滑塊帶動分光鏡和光發射單元移至與相機相鄰，移至相機上光斑成像占整個相機像面區域的五分之四左右，記住此時的位置坐標，作為初始坐標，相機拍攝白屏上的光斑； 3)再次啟動步進電機，滑塊帶動分光鏡和光發射單元移至與白屏相鄰，相機上光斑成像占整個相機像面區域的五分之一左右，不至滑塊與白屏支座接觸，記住此時的位置坐標，作為末了坐標，相機再次拍攝白屏上的光斑； 4)拍攝的光斑圖片數據輸出給計算機單元。
6.根據權利要求5所述的光束平行度檢測檢測方法，其特征是:該方法還包括以下步驟: 5)計算機單元分別讀取兩次光斑圖像，經濾波，做灰度圖； 6)計算圖像最大值點，并取出該行數據； 7)根據等高線數值將該行數據背景值去除，銳化； 8)提取邊沿輪廓、細化； 9)根據細化廓線上像素點坐標分別計算像素點半徑； 10)利用幾何關系求得發散角。
【文檔編號】G01B11/26GK103575239SQ201310569261
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】肖韶榮, 趙靜, 張仙玲 申請人:南京信息工程大學