一种用于激光波带板准直系统的激光接收装置 【技术领域】
本发明属于光学、光电检测和几何位置测量技术领域，涉及一种用于激光波带板准直系统的激光接收装置。
背景技术
激光波带板准直系统，是由在一条直线上的依次排布的激光光源、波带板和激光接收装置等组成。激光光源发出的激光束射向波带板，在波带板的作用下，会在激光接收装置上形成一个光点，在理想条件下，激光光源中心，波带板中心和光点中心是在一条直线上，利用这个原理可以实现高精度准直和位移测量。通常将激光光源和激光接收装置安装在两个基准点上，波带板固定在其间的被测点上，当被测点发生位移时，在接收器上的光点的位置就会发生变化，通过测量光点位置的变化，就可以实现对被测点的位移的测量。激光波带板准直系统常用来实现高精度大坝变形观测。
在激光波带板准直系统中，激光接收装置的作用是将光点的位置信息转换成电信号。现有的激光接收装置多采用由二维平移扫描机构带动一个光电接收头在接收区域内作二维扫描，来寻找并确定光点中心的位置，光电接收头通常是一只四象限光电池(或四个透镜和四个光电管拼接组合)，由于对光点位置的检测是靠扫描完成的，因而测量速度比较慢，当光点出现闪烁、晃动或光点移动速度比较快时，容易出现漏检，给检测的自动化造成困难。
也有采用面阵摄像机光敏面直接代替四象限光电池的接收头，由于摄像机光敏单元较多，并且可以采用计算机图像处理技术对接收图像进行分析处理，因而可以消除光点闪烁和晃动的影响，相对于采用四象限光电池具有一定的优越性。
但由于光点地移动范围远大于摄像机的光敏面，所以不能直接利用摄像机对光点的整个移动区域成像，仍需要将摄像头安装在二维平移扫描机构上来搜索光点位置。
如果直接采用一般的带镜头的摄像机，则由于光点光线的方向接近平行光，只有镜头入射光瞳范围的光线能够进入摄像机，并且即使进入摄像机，对于不同位置的光点都会会聚到镜头的焦点上，不能成像，所以不能直接使用一般的带镜头的摄像机，需要特别设计一套光学系统用于激光接收装置。
另外，由于测量点接近激光光源而远离接收器时，光点较大，同时光点相对于测量点的位移量大，要求有较大的测量范围和相对较低的空间分辨率，而当测量点远离激光光源而接近接收器时，光点较小，光点相对于测量点的位移量较小，这时要求摄像机有较小的测量范围和较高的空间分辨率，这样就要求接收装置能够提供一个变化的测量范围和空间分辨率。
由于激光接收装置是用于精确测量光点位移，为使测量结果不受装置的光学参数的影响，装置必须能够自行标定。
【发明内容】
本发明目的是提供一种用于激光波带板准直系统的激光接收装置，采用位置固定的摄像机及相应的光学机构，可以不用进行二维扫描，就可以精确的检测到光点的位置，并且便于标定，可以满足激光波带板准直系统对激光接收装置不同的分辨率和测量范围的要求，达到简化系统结构，提高测量精度和减少测量时间的目的。
本发明的技术方案是采用由会聚透镜，摄像机，成像镜头，半透半反镜，标定板等五部分组成激光接收装置，可以不用进行二维扫描，就可以精确的检测到光点的位置，并且便于标定，同时解决激光波带板准直系统对激光接收装置不同的分辨率和测量范围的要求，从而达到本发明的目的。
这五部分的相对位置如下：会聚透镜1是激光接收装置光线入口，会聚透镜1的左侧是半透半反镜4，在半透半反镜4的下方是标定板5，在标定板5上有间隔确定的发光点，在半透半反镜4的左侧是成像镜头2，成像镜头2是一只变焦镜头或是可以变换多种焦距的组合镜头，在成像镜头2的左侧是摄像机3。会聚透镜1的焦平面F与成像镜头2的入射光瞳重合，成像镜头2的物平面与会聚透镜1的主平面U重合，在成像镜头2的像平面V与摄像机3的光敏面重合，从摄像机3的方向上看，标定板5经过半透半反镜4所成的像与会聚透镜1的主平面U重合。
激光接收装置的工作原理如下：光线进入接收装置后，首先达到会聚透镜1的主平面U上形成光点a，光线经过会聚透镜1改变方向后会聚在成像镜头2的入射光瞳F，并进入成像镜头2，由于会聚透镜1的主平面U也是成像镜头2物平面，而其像平面V又是摄像机3的光敏面，所以光点a将在摄像机3的光敏面形成一个像点b。当光点a的位置变化时，像点b的位置将随之改变，其相互关系由成像镜头2的光学参数决定，利用摄像机将像点b的图象输出并处理，就可以利用计算机计算出光点a的位置。
装置的标定是通过半透半反镜4和标定板5实现的，在标定板5上有间距确定的发光点阵，标定板5的发光点阵经过半透半反镜4，成像在会聚透镜1主平面U上，在主平面U上形成一个以这些发光点阵为坐标的参照坐标系。摄像机3通过测量这些发光点阵的各点位置，并将发光点a的位置与这些发光点阵的位置相比较，就可以确定发光点a的在这个参照坐标系中的相对坐标位置，这个相对坐标值不会因为成像镜头2的光学参数的改变而变化。
在测量精度要求不高的场所，可以用平面散射屏放置在会聚透镜1主平面U的位置，代替会聚透镜1，同样起到改变入射光方向的作用，只是光线的利用率较低，同时受到平面散射屏造成的散斑的影响使测量精度降低，这时成像镜头2到平面散射屏的距离为最大测量区域尺寸的2～8倍。
通过改变成像镜头2的焦距，可以改变成像镜头2的光学放大率，由于摄像机3光敏面的大小是固定不变的，光学放大率的改变将位于会聚透镜1的主平面U测量区域的大小和对相对坐标的空间分辨率。这样就可以通过调整成像镜头2的焦距，使激光接收装置达到最佳的测量范围和空间分辨率。
本发明的效果和益处是由于采用摄像机作为光电接收器件，光敏单元多，其输出的图象便于进行计算机数字图像处理，并且由于可改变测量范围和空间分辨率使其达到最佳值，并具有标定功能，从而提高了测量精度和可靠性。由于本装置中没有二维扫描机构，使接收装置结构简洁、紧凑，便于密封安装。由于本装置不必进行二维逐点扫描，减少了测量时间，提高了测量速度。
【附图说明】
图中是本发明提供的激光准直测量系统的激光接收装置结构示意图。
图中：1会聚透镜，2成像镜头，3面阵摄像机，4半透半反镜和5标定板。
U为会聚透镜1的主平面，F为成像镜头2的入射光瞳和会聚透镜1的焦平面，V为摄像机3的光敏面。a为入射光点，b为光点a在摄像机光敏面上像点的位置。
【具体实施方式】
以下将结合实施实例对发明作进一步的详细描述：
激光接收装置中会聚透镜1，成像镜头2，面阵摄像机3，半透半反镜4和标定板5等五个部分可以选择以下参数：会聚透镜1是一只直径200毫米、焦距为1000毫米的透镜。成像镜头2是焦距为32-160mm的电动变焦镜头。摄像机3是1/2英寸CCD黑白摄像机，其光敏面尺寸为7.95毫米X6.45毫米，图像象素为795(H)X596(V)。半透半反镜4采用一块200毫米X300毫米，厚5毫米的平板玻璃，只利用其下反射面成像。标定板5是一块220毫米X220毫米，厚0.3毫米的金属板，上面均布有直径为0.5毫米小孔矩阵，小孔之间的纵向和横向距离均为10.00毫米，小孔后有发光二极管作为光源，可以形成发光点阵。
将上述五个部分按以下方式进行布置和调整：会聚透镜1安排在最右侧，其主平面U是激光接收装置的光线入射面。成像镜头2在会聚透镜1左侧约1000毫米，调整成像镜头2的位置使其入射光瞳与会聚透镜1的后焦平面F重合。摄像机3固定在成像镜头2的左侧，调整摄像机3与成像镜头2之间的相对位置并调整成像镜头2的聚焦，使位于会聚透镜1的主平面U上的光点能够通过成像镜头2在摄像机3的光敏面V上清晰成像。半透半反镜4安排在会聚透镜1和成像镜头之间，其中心距离会聚透镜1约150毫米，以左上右下45度的角度固定，其中心与会聚透镜1的主轴重合。标定板5以水平方式固定在半透半反镜4的正下方，距离半透半反镜4约150毫米，仔细调整标定板5和半透半反镜4的位置，使从摄像机方向观察，标定板5上小孔矩阵经半透半反镜4所成的像与会聚透镜1的主平面U重合，并且像的中心与会聚透镜1中心对齐，当标定板5上的这些发光点阵点亮时，可以在激光接收装置的光线接收面上形成间距为10毫米的发光点阵，作为参考坐标系。
在进行测量时，首先点亮标定板5上的发光点阵，测量每一个发光点的位置，由于这些光点的间距标准，可以用这些光点作为参考坐标，计算光学参数并校正系统光学像差。然后关闭标定板5上的发光点阵，测量并计算进入接收面上的激光点相对与这些发光点阵的相对位置，就可以得到激光点在参考坐标系中准确的坐标。
在上述系统中，当变焦镜头的焦距调整到最短32毫米时，装置的测量区域达到最大，约为200毫米，而分辨率为最低，约为0.33毫米/象素，在激光波带板准直系统中，适用于测量点距离激光接收装置较远的情况。当变焦镜头的焦距调整到最长160毫米时，装置的测量区域为最小，约为40毫米，但分辨率达到最高，约为0.06毫米/象素，在激光波带板准直系统中，适用于测量点距离激光接收装置较近的情况。