技术领域
[0001] 本
发明属于高
精度角度测量技术领域，具体涉及用于光电检测设备的异面空间角度测量装置及测量方法。
背景技术
[0002] 高精度角度测量技术在高端制造、航空航天和精密装配等领域被广泛应用，其测量方法主要有干涉测量法、圆光栅测量法和光学自
准直测量法。其中，干涉测量法抗干扰能
力差，测量精度难以保证；圆光栅测量法虽测量精度高，但测量系统成本高；而光学自准直测量法测量精度高，且测量系统简单、测量设备体积小，能够根据需求灵活布局，因此在高精度角度测量的工程实例中得到广泛应用。
[0003] 在存在异面空间夹角测量的工程实例中，光学自准直测量法主要有单自准直仪加多齿分度台法和多站自准直仪法两种。单自准直仪加多齿分度台法需要一台自准直仪和一台多齿分度台，而多齿分度台
台面调平误差和自准直仪读数误差带来的测量误差不可避免；多站自准直仪法需要多台自准直仪协调测量，测量仪器数量多，测量系统布局复杂，占用空间大。而且，无论单自准直仪加多齿分度台法还是多站自准直仪法，都需要将被测设备撤离岗位，移至特定的测量环境下进行测量，且对测量环境条件要求很高，对被测设备在测量环境和工作环境下的差异性误差也无法进行测量和补偿。
[0004] 尤其是对一些特殊的光电检测设备，该类光电检测设备的
外壳为一
箱体02，箱体02的相邻两个侧面各设有一个直角棱镜01，箱体02上与任一直角棱镜01相对的侧面上开设有该光电检测设备的出射口03，光电检测设备的出射口03与入射口平行，两个直角棱镜01的外法线均与光电检测设备的光轴之间存在异面空间夹角。该异面空间夹角的测量存在上述测量困难和精度低的问题，且更为明显。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的是解决
现有技术中光学自准直测量法测量误差大，测量时需要将被测设备搬离至测量环境，以及对测量环境要求高的问题，提供用于光电检测设备的异面空间角度测量装置及测量方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 用于光电检测设备的异面空间角度测量装置，其中，光电检测设备包括第一被测直角棱镜和第二被测直角棱镜，其特殊之处在于，包括光
阀开关和安装于光电检测设备顶部的壳体；
[0008] 所述壳体内设置有标定自准直仪，沿标定自准直仪的出光路径上依次设有分束镜和五棱分光镜，壳体的外侧设有第一直角
屋脊棱镜、第二直角屋脊棱镜和中继直角棱镜，所述中继直角棱镜面向光电检测设备的出射口，第一直角屋脊棱镜的下部反射面和第二直角屋脊棱镜的下部反射面分别与第一被测直角棱镜和第二被测直角棱镜相对设置，中继直角棱镜和光电检测设备的出射口之间还设有斜方棱镜；
[0009] 所述标定自准直仪发出的准直光束经分束镜分为一路反射光和一路
透射光；反射光进入射斜方棱镜的上部反射面，经其下部反射面入射至中继直角棱镜，形成第一光路；透射光经五棱分光镜分为两路光，分别入射第一直角屋脊棱镜的上部反射面和第二直角屋脊棱镜的上部反射面，对应形成第二光路和第三光路，第二光路经第一直角屋脊棱镜的下部反射面入射至第一被测直角棱镜，第三光路经第二直角屋脊棱镜的下部反射面入射至第二被测直角棱镜；
[0010] 所述光阀开关包括由上至下同轴固定的光阀旋钮、分度环和光阀
挡板；壳体的上方扣合有盖板，所述光阀旋钮上部位于盖板上方，下部位于壳体内；所述分度环安装于光阀旋钮位于壳体内的部分，分度环外圆表面设有三个限位槽，壳体与分度环相对应
位置设有球头
柱塞；所述光阀挡板固定在分度环上，且位于分束镜和五棱分光镜的外侧，旋转光阀旋钮使得光阀挡板在任意位置时，第一光路、第二光路和第三光路中有且只有一路射出光阀挡板。
[0011] 进一步地，所述分束镜包括第三直角屋脊棱镜和第一直角棱镜；所述第三直角屋脊棱镜的斜面
镀有分光膜，所述第一直角棱镜胶合于第三直角屋脊棱镜的斜面。
[0012] 进一步地，所述五棱分光镜包括五棱镜和第二直角棱镜；所述五棱镜中与入光面正对的斜面镀有分光膜，所述第二直角棱镜胶合于五棱镜中与入光面正对的斜面。
[0013] 进一步地，所述标定自准直仪采用
波长范围620-660nm的发光
二极管。
[0014] 进一步地，所述标定自准直仪连接有稳恒功率
负反馈控
制模块。
[0015] 进一步地，所述光阀旋钮下部与壳体之间设有衬套。
[0016] 进一步地，所述斜方棱镜、第一直角屋脊棱镜、第二直角屋脊棱镜和中继直角棱镜的外部均设有保护壳。
[0017] 用于光电检测设备的异面空间角度测量方法，基于如上所述用于光电检测设备的异面空间角度测量装置，包括以下步骤：
[0018] S1，通过标定自准直仪进行准直
[0019] 转动光阀旋钮，使光阀挡板上的分光孔分别面对分束镜和标定自准直仪的出光路径，通过斜方棱镜对中继直角棱镜进行准直，得到中继直角棱镜的空间方位角ε3和
俯仰角η3；
[0020] 转动光阀旋钮，使光阀挡板上的分光孔分别面对标定自准直仪和五棱分光镜对应第二光路的出光路径，通过第一直角屋脊棱镜对第一被测直角棱镜进行准直，得到第一被测直角棱镜的空间方位角ε1和俯仰角η1；
[0021] 转动光阀旋钮，使光阀挡板上的分光孔分别面对标定自准直仪和五棱分光镜对应第三光路的出光路径，通过第二直角屋脊棱镜对第二被测直角棱镜进行准直，得到第二被测直角棱镜的空间方位角ε2和俯仰角记做η2；
[0022] S2，计算方位失准角
[0023] 根据自准直测量原理，标定自准直仪准直第一被测直角棱镜、第二被测直角棱镜和中继直角棱镜的方位失准角分别为：
[0024]
[0025] 其中，
[0026] f为标定自准直仪的接收系统焦距，
[0027] S3，光电测量设备自身准直
[0028] 通过光电测量设备自身对中继直角棱镜进行准直，得到方位失准角记做ε′0；
[0029] S4，计算异面空间角度
[0030] 计算得到光电测量设备的光轴与第一被测直角棱镜外法线的方位夹角为：
[0031] α＝180°-(ε′0-ε′3)-ε′1；
[0032] 计算得到光电测量设备的光轴与第二被测直角棱镜外法线的方位夹角为：
[0033] β＝180°-(ε′0-ε′3)-ε′2。
[0034] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035] 1.本发明的异面空间角度测量装置，可用于对存在异面空间夹角关系的被测对象进行角度测量，不需要使用多台自准直仪和多齿分度台，仅借助于中继直角棱镜，即可检测光电测量设备中直角棱镜与光轴之间的夹角。测量装置布局简单，节省空间，消除了当前工程应用中由于复杂系统布局带来的测量误差。使用本发明的装置，无需将被测的光电测量设备撤离岗位，即可实现测量，也可消除被测设备在测量环境和工作环境下的环境差异性误差。
[0036] 2.本发明的分束镜由直角屋脊棱镜和第一直角棱镜组成，直角棱镜用于弥补光程，分束镜的分光膜能够使入射光的50％
能量透射，50％能量实现180°折转反射，将准直光束分为两路。
[0037] 3.本发明的五棱分光镜由五棱镜和补偿光程的第二直角棱镜组成，使经分束镜的透射光分为相互垂直的两路光。
[0038] 4.本发明的标定自准直仪连接有稳恒功率负反馈
控制模块，能够保证
光源输出功率的
稳定性。
[0039] 5.本发明光阀旋钮下部与壳体之间设置的衬套，能够使光阀旋钮在旋转中更加耐磨。
[0040] 6.本发明的异面空间角度测量方法通过三条光路的切换，分别通过测量装置对中继直角棱镜、第一被测直角棱镜和第二被测直角棱镜进行准直，再以光电测量设备自身对中继直角棱镜准直为基准，借助中继直角棱镜得到光电测量设备与两个被测直角棱镜的空间夹角。只需通过旋转光阀开关切换光路即可对多条光路准直，测量方法简单，同时测量精度高。
附图说明
[0041] 图1为背景技术中光电检测设备的结构示意图。
[0042] 图1中：01-直角棱镜、02-箱体、03-出射口。
[0043] 图2为本发明用于光电检测设备的异面空间角度测量装置
实施例的布局示意图；
[0044] 图3为本发明图1的俯视图；
[0045] 图4为本发明图1的剖视图；
[0046] 图5为本发明实施例中光阀开关的结构示意图。
[0047] 图2至图5中：1-光电测量设备、2-中继直角棱镜、3-斜方棱镜、4-标定自准直仪、5-分束镜、6-五棱分光镜、7-壳体、8-第一直角屋脊棱镜、9-第一被测直角棱镜、10-第二直角屋脊棱镜、11-第二被测直角棱镜、12-光阀旋钮、13-衬套、14-球头柱塞、15-光阀挡板、16-分度环。
具体实施方式
[0048] 下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
[0049] 如图2至图4，一种用于光电检测设备的异面空间角度测量装置，包括标定自准直仪4、分束镜5、五棱分光镜6、第一直角屋脊棱镜8、斜方棱镜3、中继直角棱镜2和光阀开关。测量对象为光电测量设备1，该光电测量设备侧面安装有两个被测直角棱镜，即分别位于光电测量设备1两个侧面的第一被测直角棱镜9和第二被测直角棱镜11，两个被测直角棱镜用于角度传递和检测，两个被测直角棱镜外法线与光电测量设备1的光轴在
水平面投影均有夹角，在本发明的一个实施例中夹角分别为90°±2′和180°±2′。标定自准直仪4发出的准直光束通过分束镜5后分为两束光，第一束通过斜方棱镜3后准直中继直角棱镜2，得到中继直角棱镜2外法线与标定自准直仪4光轴方位夹角；另一束通过五棱分光镜6后再分为两束，分别通过第一直角屋脊棱镜8和第二直角屋脊棱镜10准直第一被测直角棱镜9和第二被测直角棱镜11，得到第一被测直角棱镜9和第二被测直角棱镜11外法线与标定自准直仪4光轴方位夹角；作为被测设备的光电测量设备1自身准直中继直角棱镜2，得到光电测量设备1光轴与中继直角棱镜2外法线方位夹角。借助中继直角棱镜2，完成被测设备光轴与两个被测直角棱镜外法线方位夹角的测量。光阀开关可保证同时有且仅有一个目标返回像进入标定自准直仪。该测量装置测量精度高、结构紧凑，可实现被测设备不离岗测量，工程应用性强。
[0050] 斜方棱镜3、第一直角屋脊棱镜8、第二直角屋脊棱镜10、中继直角棱镜2，以及同轴依次设置的标定自准直仪4、分束镜5和五棱分光镜6均安装于壳体7内。斜方棱镜3位于分束镜5的反射光出光路径上，中继直角棱镜2与斜方棱镜3相对设置，中继直角棱镜2面向光电测量设备1的光轴，第一直角屋脊棱镜8与第一被测直角棱镜9相对设置，第二直角屋脊棱镜10与第二被测直角棱镜11相对设置。
[0051] 如图5，光阀开关包括由上至下同轴固定的光阀旋钮12、分度环16和光阀挡板15。光阀旋钮12上部位于壳体7上方，下部位于壳体7内，分度环16位于壳体7内，分度环16外侧设有三个限位槽，壳体7与分度环16相对应位置设有球头柱塞14；所述光阀挡板15套设于分束镜5和五棱分光镜6的外侧，光阀挡板15可以是圆弧状的挡板，
侧壁开设两个孔，同时设有一个缺口；光阀挡板15也可以是中空柱状，侧壁开设有三个分光孔，使准直光束射入光阀挡板15内，同时第一光路、第二光路和第三光路中有且只有一路射出光阀挡板15，分光孔可根据分束镜5和五棱分光镜6的位置和距离关系设置孔径大小和孔径位置，使得光阀挡板15旋转时，只允许一个光路和准直光束通过。
[0052] 如图3，在本发明的实施例中，分束镜5采用一块第三直角屋脊棱镜，斜面镀分光膜后胶合一块用于弥补光程的第一直角棱镜，分光膜使入射光50％能量透射，50％能量180°折转反射，将标定值准直仪4的准直光束分为两路光，一路为图3中a所示的第一光路，利用斜方棱镜3对经过分束镜5被180°折转反射的第一路光进行0°平移，准直中继直角棱镜2。五棱分光镜6采用一块五棱镜，与入光面正对斜面镀分光膜并胶合一块用于弥补光程的第二直角棱镜，使入射光50％能量透射，50％能量反射，另一斜面镀全反射膜，50％能量从出光面透射，于是经过五棱分光镜6后的第2路光分为相互垂直的第二光路b和第三光路c。利用第一直角屋脊棱镜8和第二直角屋脊棱镜10对第二光路b和第三光路c进行180°折转平移，分别准直第一被测直角棱镜9和第二被测直角棱镜11。
[0053] 借助中继直角棱镜2，建立标定自准直仪4光轴与被测设备光轴之间的方位夹角关系，继而完成被测设备光轴与被测直角棱镜外法线方位夹角的测量。利用光阀开关实现三路准直光束之间的切换，可保证同时有且仅有1个目标返回像进入标定自准直仪4，切换灵活方便，到位准确可靠。
[0054] 标定自准直仪4的光源采用波长范围620nm～660nm的超高亮LED(
发光二极管)，中心波长640nm，光源驱动
电路对LED光源进行稳恒功率负反馈控制，保证光源输出功率的稳定性。
[0055] 利用上述测量装置对光电测量设备1测量的方法如下：
[0056] 建立如附图3所示的O-XYZ
坐标系，转动光阀旋钮12，使光阀挡板15上的分光孔分别面对分束镜5和标定自准直仪4的出光路径，通过斜方棱镜3对中继直角棱镜2进行准直，得到中继直角棱镜2的空间方位角ε3和俯仰角η3；
[0057] 转动光阀旋钮12，使光阀挡板15上的分光孔分别面对标定自准直仪4和五棱分光镜6对应第二光路的出光路径，通过第一直角屋脊棱镜8对第一被测直角棱镜9进行准直，得到第一被测直角棱镜9的空间方位角ε1和俯仰角η1；
[0058] 转动光阀旋钮12，使光阀挡板15上的分光孔分别面对标定自准直仪4和五棱分光镜6对应第三光路的出光路径，通过第二直角屋脊棱镜10对第二被测直角棱镜11进行准直，得到第二被测直角棱镜11的空间方位角ε2和俯仰角记做η2。
[0059] 设入射光线为：
[0060]
[0061] 第一被测直角棱镜9的法线矢量为：
[0062]
[0063] 第一被测直角棱镜9的作用矩阵为：
[0064]
[0065] 其中：
[0066] a11＝1-2(cosε1cosη1)2，
[0067] a12＝a21＝2(sinε1cosε1cos2η1)，
[0068] a13＝a31＝-2(cosε1cosη1)·sinη1，
[0069] a22＝1-2(sinε1cosη1)2，
[0070] a23＝a32＝-2(sinε1cosη1sinη1)，
[0071] a33＝1-2(sinη1)2，
[0072] 标定自准直仪4准直第一被测直角棱镜9的传递矩阵为：
[0073]
[0074] 设标定自准直仪4的接收系统焦距为f，根据自准直测量原理，标定自准直仪的作用矩阵为：
[0075]
[0076] 返回光束进入标定自准直仪4后的坐标为：
[0077]
[0078] 得：
[0079]
[0080] 于是标定自准直仪4准直第一被测直角棱镜9的方位失准角为：
[0081]
[0082] 同理可得标定自准直仪4准直第二被测直角棱镜11、中继直角棱镜2的方位失准角为：
[0083]
[0084] 其中，
[0085] 被测设备自身准直中继直角棱镜2的方位失准角为ε0′。
[0086] 被测设备光轴与第一被测直角棱镜9外法线的方位夹角：
[0087] α＝180°-(ε′0-ε′3)-ε′1
[0088] 被测设备光轴与第二被测直角棱镜11外法线的方位夹角：
[0089] β＝180°-(ε′0-ε′3)-ε′2。
[0090] 以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的
专利保护范围内。
