柱透镜组在小角度测量中的应用

殷延鹤; 乔彦峰; 蔡盛; 乔冠宇

doi:10.3788/CO.20150805.0832

柱透镜组在小角度测量中的应用

doi: 10.3788/CO.20150805.0832

殷延鹤^{1, 2, ,},
乔彦峰^1, ,,
蔡盛^1, ,,
乔冠宇^{1, 2, ,}

1.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春 130033;
2.
中国科学院大学, 北京 100049

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2013AA703101013)

详细信息

通讯作者:
殷延鹤(1991—)，男，安徽太湖人，硕士研究生，2008年于中国科学技术大学获学士学位，主要从事角度变形测量方面的研究。E-mail:yinyanhe@mail.ustc.edu.cn

乔彦峰(1964—)，男，吉林长春人，研究员，博士生导师，主要从事光电测量方面的研究。E-mail:qiaoyf@ciomp.ac.cn

蔡盛(1983—)，男，湖北黄冈人，博士，副研究员，2005年于华中科技大学获学士学位，2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位，主要从事光电测量、光学成像等方面的研究。E-mail:cais_ciomp@hotmail.com

乔冠宇(1987—)，男，吉林长春人，博士研究生，主要从事光电测量与控制方面的研究，E-mail:qgy008@163.com。

中图分类号: TN247
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出版历程
- 收稿日期: 2015-03-11
- 录用日期: 2015-05-13
- 刊出日期: 2015-01-25

Application of cylindrical lenses in small angle measurement

YIN Yan-he^{1, 2
, ,},
QIAO Yan-feng^{1
, ,},
CAI Sheng^{1
, ,},
Qiao Guan-yu^{1, 2
, ,}

1.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;
2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

摘要

摘要: 为了实现三维角度的同时测量,提出了一种基于柱透镜组的小角度测量方法。首先,在传统激光准直法的基础上,采用柱透镜组和特殊的四面体反射镜代替平面反射镜作为合作目标,用于表征三维角度的变化。然后,利用矩阵分析光束在传播过程中的形状、位置参数变化,说明了采用柱透镜组进行小角度测量的算法。最后,在实验室条件下对扭转角的测量进行了实验验证。实验结果表明:在工作距离1.2 m,光束直径5 mm时,扭转角测量范围20',测量误差RMS值优于8",基本满足非接触小角度测量的要求,具有一定的工程实用价值。
- 光电测量 /
- 角度测量 /
- 激光准直 /
- 柱透镜组
Abstract: In order to realize three-dimensional(3D) angle measurement, a photoelectric method using cylindrical lens is presented. First, based on the principle of auto-collimation, a pair of cylindrical lens and a tetrahedral reflector are used instead of a plane mirror to indicate the change of pitch, yaw and roll. Then after the analysis with matrix theory, the relationship between shape and position of the light beam and the angles to be measured is revealed, followed by the algorithm and parameter analysis. Finally, an experiment for roll angle measurement is conducted to test and verify this method. Experimental results show that the system has a range of 20' and an accuracy of error RMS(Root Mean Square) superior to 8" at a working distance of 1.2 m, which can basically satisfy the requirements of non-contact small angle measurement, and has certain practical value in engineering.
- photoelectric measurement /
- angle measurement /
- laser collimation /
- cylindrical lens

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图 1 俯仰角与偏摆角测量原理图

Figure 1. Schematic diagram of pitch and yaw measurement

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图 2 柱透镜组结构

Figure 2. A pair of cylindrical lensp

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图 3 特殊四面体反射镜几何形状

Figure 3. Geometric parameters of tetrahedral reflector

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图 4 扭转角测量原理图

Figure 4. Schematic diagram of roll angle measurement

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图 5 光束变形示意图

Figure 5. Illustration diagram of image deformation

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图 6 三维角度测量系统

Figure 6. 3-dimensional angle measuring system

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图 7 扭转角测量实验设备布置

Figure 7. Layout of roll measuring experiment

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图 8 扭转角参考真值的确定

Figure 8. Reference value of roll angle

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图 9 俯仰对扭转角测量误差的影响

Figure 9. Influence of pitch on roll angle measurement

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表 1 3种情况下的精度实验结果

Table 1. Results of roll angle measurement

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