特殊照明系统发光状态的精密测试装置研制

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 2.57MB 61 页 15积分

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摘要

本论文基于课题“特殊照明系统发光状态的精密测试装置研制”。课题的任务

是设计一个特殊照明系统发光状态的精密测试装置，研制成品，并评定该测试装

置系统的误差。课题的难点在于该特殊照明系统发光状态的光学性能参数要求十

分严格，在国内没有类似的照明系统，能找到或借鉴的这方面资料非常有限。

本论文内容主要包括测试装置系统方案设计和测试装置系统设计两个部分。

方案设计由于没有现成的测试仪器和固定的测试方法可以对其进行检测，因此在

试验过程中，试验了多种测试方法，进行比较、分析并多次试验。在这个过程中，

合理地利用了一些传统的光学测试方法，对其加以改善，设计出适用于该特殊照

明系统的测试方案。测试装置系统设计部分是介绍测试系统光电自准直测角仪的

设计、光栅编码盘的设计和照度测试软件与三维地形图软件设计，包括设计方案、

材料和器材选择、图像采集与处理软件编写等。

光电自准直测角仪是用来测量特殊照明系统垂直转动的角度，一般的测角仪

很难满足该转动角度的要求，要研制光电自准直测角仪口径大，高精度高，在设

计时采用狭缝作为发光光源，并用象素较多的线性 CCD 接收狭缝的像，同时由计

算机显示出转动的角度。

光栅编码盘用来测量水平转动的角度，根据特殊照明系统水平转动角度和精

度的要求，该编码盘安放在底座的旋转中心处，转动的不同角度将对应编码器产

生的不同脉冲数，然后经下位机与上位机通信，从而显示转动的角度。

照度测试软件和三维地形图软件用来采集、处理光电照度计接收到的光强，

并以三维地形图的形式显示出来。

同时对上面各个独立测试元件进行理论误差分析和实际检测标定，以满足实

际测量条件的要求，更便于在实际操作中加以控制。有了每个独立的测试元件，

就可以对装置的系统误差做出定量的分析和计算，并在此基础上对整体测试装置

的进行安装和调试，检测评定该测试装置的系统误差。

关键词：特殊照明系统光电自准直测角仪光栅编码盘标定

ABSTRACT

The paper based on the topic "Precise testing device development of special

lighting system shines condition". The topic duty is to design a precise testing device of

special lighting system shines condition, develop to product, and evaluate this testing

device system error. The topic’s difficulty lies in this special lighting system shines

condition having extremely strictly on optical quality parameter, no similar lighting

system in the domestic and related material extremely limited.

The paper content mainly includes the testing device system plan design and the

testing device system design two parts. The plan design because does not have the

existing measuring instruments and the fixed test method to carry on, therefore in the

test process we have used many kinds of testing methods to compare and analysis. In

this process, reasonably used some traditional optics test methods, and improve it to

design practical test plan to this special lighting system. The testing device system

design part introduces the test system two essential components: photoelectric

auto-collimation, grating encoding device design, illumination testing software and

three-dimensional geographical map software, including design proposal, material and

equipment choice, image gathering and software compilation and so on.

The photoelectric auto-collimation is used to test the special lighting system

rotation angle in vertical, common angular instruments are very difficult to satisfy this

rotation angle request, the development photoelectric auto-collimation must have big

caliber in order to satisfy big testing angle and high-precision request. In design use the

slit as light source to shine, and use more image element linear CCD to accept the slit

image, simultaneously the computer demonstrates the testing angle.

The grating encoding device is use to test the special lighting system rotation angle

in horizon. According to the special lighting system horizon rotation angle and the

precision request, this grating encoding device is placed in the foundation center of

rotation place, different rotation angle will correspond to different pulse number

which the grating encoding device produce, then through control device connect to

computer and demonstration rotation angle.

Illumination testing software and three-dimensional geographical map software are

used to gather and handle light intensity signal, and display the result.

Meanwhile carry on the theoretical error analysis and the actual test calibration to

each above independence device in order to satisfy the actual test condition request, and

have better control in the actual operation performs. From each independent test device,

we can make the installment system error analysis and computation, carry on the

installment and debugging in this foundation to the whole testing device, and evaluate

this testing device system error.

Key word: special lighting system, photoelectric auto-collimation,

grating encoding device, calibration.

中文摘要

Abstract

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题的来源及意义 ............................................ 1

§1.2 目前光束角度测量情况 ........................................ 1

§1.3 本课题所研究的内容及实施方案 ................................ 2

§1.4 主要关键技术 ................................................ 3

第二章测试装置系统方案设计 ......................................... 4

§2.1 特殊照明系统发光状态测量法 ................................ 4

§2.1.1 投影几何测量法 ........................................ 4

§2.1.2 经纬仪测量法 .......................................... 6

§2.1.3 投影照度测量法 ........................................ 8

§2.2 测试系统方案设计 ........................................... 11

第三章光电自准直测角仪的设计 ...................................... 13

§3.1 自准直仪概述 ............................................... 13

§3.1.1 光电自准直仪的现状和展望 ............................. 13

§3.1.2 自准直仪基本原理 ..................................... 13

§3.1.3 自准直仪的几种主要光路形式 ........................... 14

§3.2 光电自准直测角仪结构设计 ................................... 16

§3.2.1 物镜的设计 ........................................... 17

§3.2.2 半透半反镜片的设计 ................................... 18

§3.2.3 接收器 CCD 的选取 ..................................... 18

§3.2.4 照明方式的选择 ....................................... 19

§3.2.5 红色 LED 光源的选择 ................................... 21

§3.2.6 分划镜的设计 ......................................... 22

§3.3 光电自准直测角仪软件设计 ................................... 22

§3.3.1 软件选择 ............................................. 22

§3.3.2 软件处理算法 ......................................... 23

§3.3.3 软件界面及功能 ....................................... 27

§3.4 机械结构设计 ............................................... 28

§3.5 定标 ....................................................... 30

§3.5.1 光栅分度头 ........................................... 30

§3.5.2 定标方法和步骤 ....................................... 32

§3.6 误差分析 ................................................... 34

§3.6.1 原理误差 ............................................. 34

§3.6.2 准直系统瞄准误差 ..................................... 34

§3.6.3 反射镜平面度误差 ..................................... 35

第四章光栅编码盘的设计 ........................................... 37

§4.1 光电编码器简介 ............................................. 37

§4.2 系统设计 ................................................... 38

§4.3 辨向与计数 ................................................. 39

§4.4PC 软件程序设计 ............................................. 42

第五章照度测试软件和三维地形图软件设计 ............................. 44

§5.1 照度测试软件界面及功能 ..................................... 44

§5.2 三维地形图软件界面及功能 ................................... 45

第六章测试系统标定与误差分析 ...................................... 49

§6.1 光电自准直测角仪的标定 ..................................... 49

§6.2 光栅编码盘的标定 ........................................... 49

§6.3 系统标定 ................................................... 50

§6.3.1 系统误差分析 ......................................... 50

§6.3.2 标定方法及结果 ....................................... 51

第七章论文工作总结 ................................................. 54

参考文献 ......................................................... 56

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 58

致谢 ............................................................... 59

第一章绪论

§1.1 课题的来源及意义[1,2]

从生产发展的历史来看，机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平密

切相关的。几何量测量技术也是随着科学技术的发展而发展，随着加工精度的提

高而完善。直到二十世纪初，大部分几何测量仍使用机械式测量器具。上世纪 50

年代以后，加工精度达到 0.1um 时，采用了光学和电动量仪，而后又逐渐应用了

光学显微镜、投影仪、光波干涉仪等。70 年代以来，我国大力研究了光栅、磁栅、

感应同步器等测量器件，开发了激光大位移测量系统、三坐标测量机等测量仪器，

以及包括激光干涉、全息照相测量、光导纤维等在内的新的精密测量技术。现代

工业制造业的发展对精密复杂零件的几何参数的精密测量在速度和精度上都提出

了更高的要求。

最近二十余年来，随着激光技术，精密计量光栅制造技术、计算机技术以及

图像处理技术的发展，将它们运用到精密测量领域，形成了一种新的精密测量技

术—图像测量技术。这种技术把被测量对象的图像当作检测和传递信息的手段，

从中提取有用信息来获得待测参数,提高了检测仪器的精度。

本论文基于课题“特殊照明系统发光状态的精密测试装置研制”。课题的任务

是设计和制作一个检测特殊照明系统发光状态的精密测试装置，并评定该测试装

置系统的误差。被检测的照明系统有特殊的光学性能，体现在照射范围大、角度

精度高。常用的测试装置不能满足上述系统对于大范围、精确角度的高精度测量

要求，因而必须设计一套适用的测试系统及测量方法实现对上述光学系统的测试。

对于这样的测量要求，能够借鉴的参考资料有限，某些常用测试方法必须改

进，部分参数的测试也需要新的光学测试技术及方法来实现。本课题除了完成对

于上述光学系统的测试外，也希望能为今后类似大范围、角度精确的高精度光学

照明系统测量提供一定的借鉴

§1.2 目前光束角度测量情况[3,4]

由于被测照明系统比较特殊，它对光源发出的光束在一定的口径要求前提下，

对发散角度有严格的要求。在垂直方向上，它要求光束很大，但发散角度很小，

精度很高；水平方向上要求光束大且具有很大的发散角，精度很高，正确评价光

特殊照明系统发光状态的精密测试装置研制

学系统是否符合设计要求，必须采取精度较高的测试方法和测量装置

目前一些传统的角度测量中，如利用光学分度头和测角仪测量整圆角的测量、

用机械法、光学法、电测和激光干涉法的测量方法对角度的测量等等，但是这些

传统测量角度的方法都是针对某个具体实物进行测量的，无法对光束角度进行测

量。经纬仪、全站仪等测角仪器可用于对光束角度测量，但不适于大角度光束，

也由于该类测角仪孔径较小对，大孔径光束的测量误差较大。可进行类比的是车

灯光束测量，国内外对车灯光束的测量都有一套行之有效的测量方法，如上海小

系车灯厂对车灯检验采用了日本进口的全自动配光检测装置，尽管车灯也是大视

场大孔径光束，由于对精度的要求不同，车灯测量的方法不能达到本系统的测量

精度要求，所以该方法只能做部分的参考。

鉴于被测系统的特殊性能要求，可以直接利用的测量方法和测量仪器尚无现

成，必须在借鉴传统的测量方法、充分考虑测量精度要求的基础上设计测量方案，

并研制相应的测量装置。

根据传统的光学参数测试方法和往年对此测试方法的研究，大致提出了三种

试验方法，即投影几何测量法，经纬仪测量法和投影照度测量法，并针对各种测

量方法进行了模拟。本论文通过分析比较最后选择了投影照度测量法作为实施的

测量方法。

§1.3 本课题所研究的内容及实施方案

本课题所研究的主要内容：

1．比较几种合理的光学测试方法，选择最为合理的方法作为实施方案。

2. 根据确定的测试方法提出装置的设计方案。

3．控制“特殊照明系统”垂直方向俯仰角度光电自准直测角仪的设计研究。

4．设计控制该测试装置水平旋转量的角度发生器编码盘。

5．照度测试软件和三维地形图软件设计。

6．整个测试装置系统误差的测试评定与系统误差分析的研究。

实施方案：

考虑到被测系统照明光束口径大，照射范围大，必须采用相对扫描的方式逐

点测量。在选择扫描方式时，有两种方案，一是被测系统固定，用探头扫描；二

是固定探头，扫描被测系统。考虑到测量参数的特殊要求和装置的扫描幅度及精

度，可考虑选取第二种扫描方案：即探头相对固定，被测系统相对探头进行扫描

运动。

第一章绪论

被测系统的扫描运动就是在垂直和水平方向逐点旋转。为了精确跟踪系统在

垂直方向角度旋转的逐点定位，可以选取光学自准直测角仪，为了精确跟踪水平

方向角度旋转的逐点定位，可选用角度发生器编码盘。

本课题采用理论与实践相结合的研究方法，通过各种测试方法，原理和仪器

加工工艺的学习，自主研究设计光电自准直测角仪，设计角度发生器编码盘，并

自主安装调试。

光电自准直测角仪是用来测量“特殊照明系统”水平的转动角度，由于一般

的测角仪很难满足该转动角度的要求，所以研制的该光电自准直测角仪的口径大、

精度高，在设计时采用狭缝作为发光光源，并用象素较多的线性 CCD 接受狭缝的

像，同时由计算机显示出转动的角度。

角度发生编码盘用来测量选装底座旋转的角度，根据“特殊照明系统”水平

转动角度和精度的要求，该编码盘安放在底座的旋转中心处，转动的每个角度将

对应编码器产生的脉冲数，经上位机与下位机通信，从而显示转动的角度。

同时对上面各个独立测试元件进行理论误差分析和实际检测标定，以满足实

际测量条件的要求，更便于在实际操作中加以控制。有了每个独立的测试元件，

就可以对装置的系统误差做出定量的分析和计算，并在此基础上对整体测试装置

的进行安装和调试，检测评定该测量装置的系统误差。

§1.4 主要关键技术

1.设计合理的测试方案。主要就是根据传统的测试方案和实际测试经验来设

计几种合理的试验方案并进行模拟。

2.自准直光电测角仪的研制。包括系统方案设计、机械结构设计，CCD 与上位

机的连接，以及图像采取与处理软件的编写。

3.设计角度发生器编码盘。主要就是编码器与控制器件的连接，控制器件与

上位机的连接和程序编写。

4.照度测试软件和三维地形图软件设计。

5.测试装置系统标定。设计简单，切实可行的标定方案。

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摘要本论文基于课题“特殊照明系统发光状态的精密测试装置研制”。课题的任务是设计一个特殊照明系统发光状态的精密测试装置，研制成品，并评定该测试装置系统的误差。课题的难点在于该特殊照明系统发光状态的光学性能参数要求十分严格，在国内没有类似的照明系统，能找到或借鉴的这方面资料非常有限。本论文内容主要包括测试装置系统方案设计和测试装置系统设计两个部分。方案设计由于没有现成的测试仪器和固定的测试方法可以对其进行检测，因此在试验过程中，试验了多种测试方法，进行比较、分析并多次试验。在这个过程中，合理地利用了一些传统的光学测试方法，对其加以改善，设计出适用于该特殊照明系统的测试方案。测试装置系统设计部分是介...

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