大型儀器設備的3d輔助裝校方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于大型儀器設備輔助裝校測量領域，涉及一種在線高精度定位安裝的輔助測量技術方法和裝置。本發(fā)明利用空間光學傅里葉分析方法，產生正弦光強靶標輸出，投影至大型儀器設備表面，測量獲得變形光柵條紋，輔以計算機內置標準變形光柵圖像比較，指導大型精密儀器設備的精確定位安裝過程；在大曲率位置，可靈活利用2級或3級的高密度光譜正弦條紋，提高輔助裝調精度；高速動態(tài)測量過程，可用高清高速鏡頭輔助實現。
【專利說明】大型儀器設備的3D輔助裝校方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于大型儀器設備輔助裝校測量領域，涉及一種對大型精密儀器設備的精確定位安裝過程，實現在線高精度定位安裝的輔助測量方法和裝置。

【背景技術】
[0002]飛機、艦船、高鐵(動車)車廂、汽車等大型設備的組裝、調試均需要輔助裝調的測量設備，常用經緯儀等設備對定位方向及定位角度測量，以確定設備的正確安裝位置。在汽車等設備裝調過程中，使用激光束點掃描技術比較多。涉及到大型設備的動態(tài)工作過程，其安裝、調試的復雜程度、難度繼續(xù)增加。甚至為了某個專用設備，而專門設計、制造裝校平臺及專用的裝校輔助測量設備。這類設備主要是由確定方向及角度的激光準直光束、光電碼盤及位置、角度傳感器及計算機相關軟件輔助配合，進行設備的安裝、調試。
[0003]專利號200510016796.0專利是相近專利。該專利中，有四項關鍵技術未能解決。第一，對關鍵核心部件矩形光柵的選擇沒有針對性，單純利用矩形光柵的制作誤差，實現的二級光譜輸出，不具有可控性；第二，占有輸入能量70%以上的零級頻譜不能有效利用，且只能降低輸出正弦靶標圖像的對比度；第三，傅立葉變換透鏡及變倍率鏡頭為通用設計，沒有針對單一波長光的針對性設計，輸出的正弦靶標圖像像場像差較大，是測量精度提高的一大障礙；第四，平行光輸出，限制了測量的視場范圍，不利于大面積測量。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種能夠有效提高在線測量精度的大型儀器設備的3D輔助裝校裝置。
[0005]另外，本發(fā)明還提供大型儀器設備的3D輔助裝校方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其包括激光器1、光束整形系統(tǒng)2、光柵、單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7、精密絲杠一 81、精密導軌一 82、全反射鏡一 91、全反射鏡二 92、精密絲杠二 83、精密導軌二 84、待裝校系統(tǒng)10、高清鏡頭11、計算機及軟件處理系統(tǒng)12，其中，光束整形系統(tǒng)2位于激光器I的后面，對激光束擴束、準直、整形；光柵位于光束整形系統(tǒng)2的后面，并使光柵定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平面上；波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭7的前焦平面上。
[0007]若采用平行光輸出，則后續(xù)光路設置2塊全反射鏡，全反射鏡一 91位于單色變倍率鏡頭7后面，改變光束以垂直方向輸出；全反射鏡二 92位于全反射鏡一 91后面；全反射鏡一 91和全反射鏡二 92，均位于精密絲杠二 83和精密導軌二 84上。
[0008]所述光柵為矩形光柵(3)，波片與單色傅立葉變換透鏡之間還設置有頻譜選擇器
(5)。
[0009]所述光柵為正弦光柵。
[0010]小視場直接測量，由全反射鏡二 92直接輸出正弦光強靶標圖像即可；大視場測量，需要利用全反射鏡二 92在精密絲杠二 83和精密導軌二 84上進行視場掃描，并對輸出的變形條紋進行視場拼接，掃描結果綜合整體分析。
[0011]若采用非平行光輸出，則需要標定輸出的正弦光強靶標圖像波面，根據視場的范圍，確定正弦光強靶標圖像波面的面型及位置，輸入系統(tǒng)測量，并利用確定的正弦光強靶標圖像波面面型和位置，對輸出數據進行修正。
[0012]大型儀器設備的3D輔助裝校方法，其利用空間光學傅里葉分析方法，產生正弦光強靶標輸出，投影至大型儀器設備表面，使用占空比精確控制制造的光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，測量獲得變形光柵條紋，輔以計算機內置標準變形光柵圖像比較，指導大型精密儀器設備的精確定位安裝過程，實現在線高精度定位安裝。
[0013]所述的大型儀器設備的3D輔助裝校方法，其具體過程如下:
[0014]a.首先調整激光器1、光束整形系統(tǒng)2、光柵、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7等器件置于精密絲杠一 81和精密導軌一 82上；全反射鏡一
91、全反射鏡二 92置于精密絲杠二 83和精密導軌二 84上；整個光路系統(tǒng)均按照同軸等高原則；
[0015]b.激光器I選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設計。當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ；
[0016]c.光束整形系統(tǒng)2，采用激光擴束器設計方式，降低入射到光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級的圓度，且無毛刺；
[0017]d.光柵，要求占空比不等于1:1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率，便于大曲率位置的比較測量；
[0018]e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7，均需配合激光器I的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求；
[0019]g.波片6，配合激光器I的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜,對應選擇1/4波片或1/2波片,將零級頻譜稱合進I級、2級或3級頻譜,提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量；
[0020]h.精密絲杠一81、精密導軌一82，調整及固定激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7等器件；
[0021]1.全反射鏡一 91、全反射鏡二 92，折轉光路，通過移動全反射鏡二 92，實現大視場掃描;
[0022]j.精密絲杠二83、精密導軌二84，調整及固定全反射鏡一91、全反射鏡二92，便于實現穩(wěn)定的大視場掃描；
[0023]k.固定好待裝校系統(tǒng)10，計算機及軟件處理系統(tǒng)12內置待裝校系統(tǒng)的數字光柵投影模型；
[0024]1.高清高速鏡頭11采集經定待裝校系統(tǒng)10輸出的變形光柵投影圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統(tǒng)12，同內置待裝校系統(tǒng)10的數字光柵投影模型的標準變形光柵圖像比較，根據比較的誤差結果，指導裝校進程，并完成設備裝校。
[0025]所述光柵為矩形光柵或正弦光柵。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明針對【背景技術】中矩形光柵的精確制作問題，頻率填充，零級頻譜能量利用率低，通用鏡頭選擇，以及測量視場受限等問題。本發(fā)明使用占空比精確制造的矩形光柵空間分頻，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差，通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續(xù)輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明輔助裝校裝置示意圖。

【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明:
[0029]請參閱圖1，本發(fā)明大型儀器設備的3D輔助裝校裝置包括激光器1、光束整形系統(tǒng)
2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7、精密絲杠一81、精密導軌一 82、全反射鏡一 91、全反射鏡二 92、精密絲杠二 83、精密導軌二 84、待裝校系統(tǒng)10、高清高速鏡頭11、計算機及軟件處理系統(tǒng)12。其中，光束整形系統(tǒng)2位于激光器I的后面，對激光束擴束、準直、整形；矩形光柵3位于光束整形系統(tǒng)2的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡4的前焦平面上；波片6及頻譜選擇器5位于單色傅立葉變換透鏡4的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭7的前焦平面上。而且上述激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7全部位于精密絲杠一 81和精密導軌一 82上，以實現精確的位移調節(jié)，保證測量精度。另外，所述全反射鏡一 91和全反射鏡二 92反射面相互對應，且二者相對設置在精密絲杠二 83和精密導軌二 84上。同時全反射鏡一 91入射面正對單色變倍率鏡頭7輸出面，全反射鏡二 92出射方向對準待裝校系統(tǒng)10，本實施方式中，指代的是飛機。另外，計算機及軟件處理系統(tǒng)12與高清高速鏡頭11連接，而高清高速鏡頭11對準待裝校系統(tǒng)10，以捕捉目標。
[0030]當采用本發(fā)明對大型設備進行輔助裝校裝時:
[0031]a.首先調整激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7等器件置于精密絲杠一 81和精密導軌一 82上；全反射鏡一 91、全反射鏡二 92置于精密絲杠二 83和精密導軌二 84上；待裝校系統(tǒng)10、高清高速鏡頭11置于外部精密絲杠和精密導軌上；整個光路系統(tǒng)均按照同軸等高原則，如圖1位置配置，安裝調試計算機及軟件處理系統(tǒng)12 ；
[0032]b.激光器I選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7的單色匹配設計。當選擇不同波長的激光器時，需要對應設計相匹配的單色傅立葉變換透鏡4、波片6、單色變倍率鏡頭7 ；
[0033]c.光束整形系統(tǒng)2，采用激光擴束器設計方式，降低入射到矩形光柵3的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級的圓度，且無毛刺；
[0034]d.矩形光柵3，要求占空比不等于1:1，便利使用I級、2級及3級頻譜，充分利用其倍頻關系，快速提高空間頻率，便于大曲率位置的比較測量；為方便測試，矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器5即可；
[0035]e.單色傅立葉變換透鏡4和單色變倍率鏡頭7，均需配合激光器I的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求；
[0036]f.頻譜選擇器5，包括電、磁或光尋址空間光調制器(SLM)、數字式微反射鏡器件DMD、機械式小孔均可，以方便選擇I級、2級及3級頻譜，并對零級頻譜略有衰減即可；在不使用矩形光柵3，以及不需要頻譜選擇的條件下，可去掉；
[0037]g.波片6，配合激光器I的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜,對應選擇1/4波片或1/2波片,將零級頻譜稱合進I級、2級或3級頻譜,提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量；
[0038]h.精密絲杠一81、精密導軌一82，調整及固定激光器1、光束整形系統(tǒng)2、矩形光柵3、單色傅立葉變換透鏡4、頻譜選擇器5、波片6、單色變倍率鏡頭7等器件；
[0039]1.全反射鏡一 91、全反射鏡二 92，折轉光路，通過移動全反射鏡二 92，實現大視場掃描;
[0040]j.精密絲杠二83、精密導軌二84，調整及固定全反射鏡一91、全反射鏡二92，便于實現穩(wěn)定的大視場掃描；
[0041]k.固定好待裝校系統(tǒng)10，計算機及軟件處理系統(tǒng)12內置待裝校系統(tǒng)的數字光柵投影模型；
[0042]1.高清高速鏡頭11采集經定待裝校系統(tǒng)10輸出的變形光柵投影圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統(tǒng)12，同內置待裝校系統(tǒng)10的數字光柵投影模型的標準變形光柵圖像比較，根據比較的誤差結果，指導裝校進程，并完成設備裝校。
[0043]本發(fā)明使用占空比精確控制的矩形光柵空間分頻，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，提高高空間頻率正弦圖像靶標的對比度，結合針對單一波長設計的單色專用鏡頭，有效降低波像差，通過對輸出波面的標定，實現從低頻到高頻，高對比度，像場修正便捷，適合大視場范圍測量的正弦光強靶標圖像連續(xù)輸出；矩形光柵也可方便的更換為正弦光柵，以及其他透明的圖像靶標，此時，去掉頻譜選擇器即可。本發(fā)明主要應用于航天、航空、軍事及民用領域，大型設備的輔助裝校、調試等工作。
【權利要求】
1.大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其特征在于包括:激光器(I)、光束整形系統(tǒng)(2)、光柵、單色傅立葉變換透鏡(4)、頻譜選擇器(5)、波片￠)、單色變倍率鏡頭(7)、精密絲杠一(81)、精密導軌一(82)，所述激光器(I)、光束整形系統(tǒng)(2)、光柵、單色傅立葉變換透鏡(4)、波片￠)、單色變倍率鏡頭(7)均位于精密絲杠一(81)和精密導軌一(82)上，光束整形系統(tǒng)(2)位于激光器(I)的后面；光柵位于光束整形系統(tǒng)(2)的后面，并使矩形光柵定位在單色傅立葉變換透鏡(4)的前焦平面上；波片(6)位于單色傅立葉變換透鏡(4)的后焦平面上，并定位于單色變倍率鏡頭(7)的前焦平面上。
2.根據權利要求1所述的大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其特征在于，還包括:若采用平行光輸出，則后續(xù)光路設置2塊全反射鏡，全反射鏡一(91)位于單色變倍率鏡頭(7)后面，改變光束以垂直方向輸出；全反射鏡二(92)位于全反射鏡一(91)后面；全反射鏡一(91)和全反射鏡二(92)，均位于精密絲杠二(83)和精密導軌二(84)上。
3.根據權利要求2所述的大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其特征在于，所述光柵為矩形光柵(3)，波片與單色傅立葉變換透鏡之間還設置有頻譜選擇器(5)。
4.根據權利要求2所述的大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其特征在于，所述光柵為正弦光柵。
5.根據權利要求2所述的大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其特征在于，小視場直接測量，由全反射鏡二(92)直接輸出正弦光強靶標圖像即可；大視場測量，需要利用全反射鏡二(92)在精密絲杠二(83)和精密導軌二(84)上進行視場掃描，并對輸出的變形條紋進行視場拼接，掃描結果綜合整體分析。
6.根據權利要求2所述的大型儀器設備的3D輔助裝校裝置，其特征在于，若采用非平行光輸出，則需要標定輸出的正弦光強靶標圖像波面，根據視場的范圍，確定正弦光強靶標圖像波面的面型及位置，輸入系統(tǒng)測量，并利用確定的正弦光強靶標圖像波面面型和位置，對輸出數據進行修正。
7.大型儀器設備的3D輔助裝校方法，其特征在于，利用空間光學傅里葉分析方法，產生正弦光強靶標輸出，投影至大型儀器設備表面，使用占空比精確控制制造的光柵，進行空間分頻，結合頻譜選擇器，同級次頻譜合成，利用波片將零頻光能量轉移到奇數次頻譜，測量獲得變形光柵條紋，輔以計算機內置標準變形光柵圖像比較，指導大型精密儀器設備的精確定位安裝過程，實現在線高精度定位安裝。
8.根據權利要求7所述的大型儀器設備的3D輔助裝校方法，其特征在于，具體過程如下: a.首先調整激光器(I)、光束整形系統(tǒng)(2)、光柵、單色傅立葉變換透鏡(4)、波片(6)、單色變倍率鏡頭(7)等器件置于精密絲杠一(81)和精密導軌一(82)上；全反射鏡一(91)、全反射鏡二(92)置于精密絲杠二(83)和精密導軌二(84)上； b.激光器(I)選擇圓光斑輸出的單模激光器，便于波面測量，及單色傅立葉變換透鏡(4)、波片￠)、單色變倍率鏡頭(7)的單色匹配設計，當選擇不同波長的激光器時，配備相匹配的單色傅立葉變換透鏡(4)、波片￠)、單色變倍率鏡頭(7)； c.光束整形系統(tǒng)(2)，采用激光擴束器設計方式，降低入射到光柵的功率密度，降低光柵損傷，便于提高激光器(I)的功率；激光束腰位置的小孔，要求優(yōu)于微米級的圓度，且無毛刺； d.光柵，要求占空比不等于1:1; e.單色傅立葉變換透鏡(4)和單色變倍率鏡頭(7)，均需配合激光器(I)的波長設計，實現空間光學傅里葉變換，同時兼顧孔徑和視場要求； g.波片￠)，配合激光器(I)的波長選擇波長，放置在零級頻譜位置，配合選擇I級、2級及3級頻譜,對應選擇1/4波片或1/2波片,將零級頻譜稱合進I級、2級或3級頻譜,提高輸出正弦光強靶標的對比度，有效利用零級頻譜能量； h.精密絲杠一(81)、精密導軌一(82)，調整及固定激光器(I)、光束整形系統(tǒng)(2)、光柵、單色傅立葉變換透鏡(4)、波片￠)、單色變倍率鏡頭(7)； 1.全反射鏡一(91)、全反射鏡二(92)，折轉光路，通過移動全反射鏡二(92)，實現大視場掃描； j.精密絲杠二(83)、精密導軌二(84)，調整及固定全反射鏡一(91)、全反射鏡二(92)，便于實現穩(wěn)定的大視場掃描； k.固定好待裝校系統(tǒng)(10)，計算機及軟件處理系統(tǒng)(12)內置待裝校系統(tǒng)的數字光柵投影模型； 1.高清高速鏡頭(11)采集經定待裝校系統(tǒng)(10)輸出的變形光柵投影圖像，并傳輸至計算機及軟件處理系統(tǒng)(12)，同內置待裝校系統(tǒng)(10)的數字光柵投影模型的標準變形光柵圖像比較，根據比較的誤差結果，指導裝校進程，并完成設備裝校。
9.根據權利要求8所述的大型儀器設備的3D輔助裝校方法，其特征在于，所述光柵為矩形光柵或正弦光柵。
【文檔編號】G01C15/00GK104374380SQ201410654117
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權日:2014年11月17日
【發(fā)明者】任旭升, 李縣洛, 騰霖, 陳勇 申請人:中國航空工業(yè)第六一八研究所