一種無衍射光電子光靶的製作方法

2023-12-08 08:34:56

專利名稱：一種無衍射光電子光靶的製作方法
技術領域：
本發明屬於方位角測量裝置，具體涉及一種無衍射光電子光耙，可在 地鐵隧道、公路隧道等盾構施工中用於掘進機的導向測量。
背景技術：
盾構隧道掘進技術是地下暗挖隧道的一種工程建設技術，它是利用特 有的盾殼作為支護，防止地層的坍塌，以保證在其內部安全地進行開挖和 襯砌等各種作業。盾構機分軟土隧道掘進機和巖石隧道掘進機。隨著隧道 長度的增加，隧道曲線複雜程度也不斷增加，為確保隧道的貫通精度，隧 道施工中掘進機定位導向技術也相應得到發展，其中包括雷射定向技術和 陀螺儀定向技術。
目前在盾構施工中實際使用的導向系統有三種產品陀螺儀、ZED導 向系統和VMT導向系統。它們的原理不同，但都能測量盾構機施工過程中 的姿態，即盾構的俯仰角、滾動角和水平擺角。
陀螺儀的基本結構是一個高速旋轉的轉子和各自分別固定在兩個軸承 上的兩個框架。在沒有外力矩的情況下，高速旋轉的轉子的龜動量的大小 和方向在慣性空間中保持不變。當陀螺儀固定在盾構掘進機上時，就能實 時顯示掘進機的方位角。陀螺儀的缺點是時滯較大，且結構重心的偏離和 軸承的摩擦力所引起的力矩，會使陀螺儀的方位產生漂移。
ZED導向系統由英國ZED公司生產，它是個具有透明屏幕的長方形盒 子，用來接收來自雷射經緯儀的雷射束，它能測量雷射束照射在其靶面上 的位置和入射角度。該導向系統安裝在盾構前部的託架上，可以每隔SOmm 間距水平移動，也可以3。的角度轉動,因此能覆蓋更大的目標區域。其工 作原理為雷射束通過前部透明屏幕進入目標單元(部分散射)，部分光擊中安裝在單元底部和側面的傳感器，傳感器可以探測光束進入屏幕時的位置; 其餘的光束通過透鏡到達安裝在軸心上的傳感器，此傳感器裝在單元的後 部，用來測量光束的傾角。後部的傳感器與前部透明屏幕距離較大。從傳 感器出來的信號被轉換成電信號，並通過單元後部的電纜輸入到控制單元。
VMT導向系統由德國VMT公司生產。電子雷射系統ELS固定在盾體 上，它接收到入射雷射束時，在水平及垂直方向上確定入射點的位置，從 而確定水平擺角。另外，其內部傾角計測量滾動角與俯仰角。其工作原理: ELS內部與ELS前面板平行的是所謂的"陰屏"。當給ELS通電以後，陰屏 就會轉動。陰屏之間有空隙所以能夠透光。陰屏轉動所處的角度的不同， 當雷射束入射在陰屏上時，透過的光多少不一。在陰屏的背後是光敏感電 子元件，雷射射到這些電子元件上從而測出入射雷射的強度。當雷射的強 度達到最大值時，此時"陰屏"所處的角度被記錄下來。這個位置的角度與激 光束在ELS靶上的入射角(水平擺角)精確吻合。在ELS耙內置兩個傾角計， 分別測出隧道掘進機的滾動角和仰俯角。該導向系統每2秒輸出一次數據。 ELS靶和全站儀之間距離通過光電全站儀測定，為此在ELS耙上安裝有一 個反射稜鏡。
專利文獻"隧道掘進施工導向系統的電子雷射耙"(公開 號:CN1560434A，
公開日為2005年1月5日)也提出一種方位角測量裝置， 它是由平頂角錐稜鏡、平凸透鏡、位置敏感傳感器PSD、處理電路組成， 其原理是直接利用全站儀的測距雷射，透過平頂角錐稜鏡頂點處磨平的小 平面，經透鏡後聚焦到焦平面處的PSD上，則其在PSD上的位置直接與測 距雷射的方位角對應，據此可測出測距雷射的入射方位角。該技術方案的 角度測量是通過測量聚焦在位置敏感傳感器PSD或CCD上的光斑的重心位
置來實現的，這種方法有以下缺點， 一是背景光也必然加入到光強度的位 置平均計算中來，因此，背景光的方向和強弱必然會影響光斑重心位置的 測量結果，從而造成誤差；二是實際透鏡焦點光斑的強度分布必然受各種 像差的影響，因此，光焦斑的能量較分散，當入射光在入射光欄上的分布 發生不均勻變化時，光焦斑上的能量分布也將發生相應的變化，從而也將導致測量誤差。

發明內容
本發明提供一種無衍射光電子光靶，該電子光靶具有較強的抗環境光 幹擾能力，以及較高的相對測量解析度。
本發明提供的無衍射光電子光靶，其特徵在於它包括平頂角錐稜鏡、 濾光片、圓錐透鏡和ccd圖象傳感器；
平頂角錐稜鏡為頂點部位削有一個小平面的角錐稜鏡，且該平面與平 頂角錐稜鏡的入射平面平行；
平頂角錐稜鏡、濾光片、圓錐透鏡和CCD圖象傳感器沿同一軸向依次
布置，CCD圖象傳感器的光敏面與圓錐透鏡的軸線垂直；；
圓錐透鏡的錐角e、圓錐透鏡的頂點到ccd圖象傳感器光敏面的距離
L和平頂角錐稜鏡的小平面的邊長hl分別滿足下式(1)、 (II)和(III)的 要求
A7[2(n-1) 0]>lOs (I) Lco〈A (II)
/zlx^>l + dxta+/2) (III) 6 、 z
其中，X為入射光的波長，n為圓錐透鏡的折射率，s為CCD圖象傳 感器的像素尺寸，d為平頂角錐稜鏡的小平面到圓錐透鏡頂點的距離，G) 是本無衍射光電子光靶入射光視場角的變化範圍，A是CCD圖象傳感器光 敏面的的寬度。
本發明的無衍射光電子光靶，在圖像傳感器CCD上所投射的不是一個 光點，而是一個由一系列等間隔同心光環所組成的圖案，在用數據處理器 採集了該圖案後，要用數字圖像處理的方法來確定該同心光環圖案的結構
5中心，而不是用求全部圖案光強重心的方法，因此，只要背景光不淹沒光 環，從而影響每一個光環位置的判斷，就不會影響最後中心的計算精度， 因此，本發明具有更高的抗環境光幹擾能力。同時，由於本發明在計算光 環整體中心位置坐標的過程中，利用了大量光環的位置數據，因此，由這 許多光環數據來確定它們的共同中心將具有更高的精度和抗各種幹擾的穩
定性，可以達到亞像素的解析度，從而在相同的CCD像素數條件下，本系 統可以達到更高的測量精度。


圖1為本發明的光學原理圖2為平頂角錐稜鏡的結構示意圖3為圓錐透鏡的結構示意圖4為本發明的一種實施例系統示意圖。
具體實施例方式
本發明的方位角測量裝置的光學原理是圖1中任一角度a入射的平行
光束，透過平頂角錐稜鏡頂點部位的小平面後，成為較窄的一束平行光； 該平行光通過濾光片和圓錐透鏡後，成為無衍射光；無衍射光在CCD平面 上的投影，是一系列同心光環，光環中心的位置h由入射光的角度oc決定， 光環中心的位置h可以用數字圖象處理的軟體方法求取，從而可以測得入 射光的角度a-arctan (h/L)， L是圓錐透鏡頂點到CCD平面的距離。
平頂角錐稜鏡頂點部位的小平面與平頂角錐稜鏡的入射面平行，兩個 面構成一個玻璃平板。
濾光片的作用是有選擇地透過特定波長的雷射，而將其他波長的背景 光阻擋濾除，並且減弱雷射束入射到CCD上的強度，使CCD輸出信號不 失真。
為了同心光環的數字圖像處理的需要，圓錐透鏡的錐角e要滿足
X/[2(n-l)e]>10s (I)其中，n為圓錐透鏡的折射率，s為CCD的像素尺寸，這樣，CCD上的同 心光環的間隔就大於10個CCD像素s。 L要滿足
Lco<A (II) 其中，o)是本無衍射光電子光靶入射光視場角的量程變化範圍，A是CCD
的寬度。
為了在入射光視場角變化範圍內，圓錐透鏡的頂點都處於光束內，且 距光束邊緣的距離大於lmm，平頂角錐稜鏡的小平面的邊長hl要滿足
/zlx*>l + dxtan("/2) (III) d為平頂角錐稜鏡的小平面到圓錐透鏡頂點的距離。
結合入射光的角度a和傾角計測得的掘進機的傾斜角和滾動角，本發明 的方位角測量裝置就可以計算掘進機前部中心的位置坐標，從而判斷其與 理論設計隧道曲線的偏差，並反饋給控制操作人員調整掘進方向。
在圖1中，通過平頂角錐稜鏡1的任一角度ot入射的平行光束，透過平 頂角錐稜鏡頂點部位的小平面5後，再通過濾光片2、圓錐透鏡3，投射到 CCD圖象傳感器4上，其光斑是一系列同心光環，光環中心的位置h由入 射光的角度a決定，光環中心的位置h可以用數字圖象處理的軟體方法求取， 從而可以計算入射光的角度o^arctan (h/L)。
在圖2中，平頂角錐稜鏡的bl、 b2、 b3三條稜邊兩兩垂直且等長；ql、 q2、 q3三條稜邊等長且構成平頂角錐稜鏡入射面l，雷射由此面入射；hl、 h2、 h3三條稜邊構成平頂角錐稜鏡頂點處的小平面5，小平面5與入射面1 平行，雷射由此面出射，因此，出射光與入射光平行。
在圖3中，N為圓錐透鏡底面，M為圓錐透鏡錐面，e為圓錐透鏡母線
和底面的夾角。
下面通過藉助實施例將更加詳細說明本發明，且以下實施例僅是說明 性的，本發明並不受這些實施例的限制。如圖4所示，本發明電子光靶包括平頂角錐稜鏡l、濾光片2、圓錐透 鏡3、 CCD圖象傳感器4、傾角計7和數據處理器8。
鏡筒9置於機箱6內；平頂角錐稜鏡1前方機箱6側面上有一窗口玻 璃平板IO，窗口玻璃平板10用於透過雷射，同時避免機箱外部的潮氣和塵 埃進入機箱內部，以保護機箱內部的設備；平頂角錐稜鏡l、濾光片2、圓 錐透鏡3位於鏡筒9內，CCD圖象傳感器4位於鏡筒9的末端，平頂角錐 稜鏡l、濾光片2、圓錐透鏡3和CCD圖象傳感器4沿鏡筒9軸向依次布 置；平頂角錐稜鏡1為頂點部位削有一個小平面的角錐稜鏡，且該平面與 平頂角錐稜鏡1的入射平面平行；CCD圖象傳感器4的光敏面與圓錐透鏡 3的軸線垂直；傾角計7固定安裝在鏡筒9外壁上。數據處理器8分別與 CCD圖象傳感器4及傾角計7相連，用於計算光環的中心和電子光耙的方 位角。
平頂角錐稜鏡頂點部位的小平面與平頂角錐稜鏡的入射面平行，兩個 面構成一個玻璃平板。濾光片的作用是有選擇地透過特定波長的雷射，而 將其他波長的背景光阻擋濾除，並且減弱雷射束入射到CCD上的強度，使 信號不失真。
在上述結構中，圓錐透鏡的錐角e、圓錐透鏡頂點到ccd平面的距離
L和平頂角錐稜鏡的小平面的邊長hl分別滿足上式(1)、 (II)和(III)的
要求，因此，CCD上的同心光環的間隔大於10個CCD像素s
實例
平頂角錐稜鏡的邊長80mm;平頂角錐稜鏡的小平頂邊長hl=10mm; 濾光片的孔徑)20，透過率=1%;圓錐透鏡的孔徑)20，錐角0=0.001弧度， 材料為有機玻璃；圓錐透鏡到CCD距離L=32mm; CCD像素1300x1200， 單元像素尺寸4.7|um;傾角計選用型號數字輸出雙軸傾角傳感模塊NS-15 /PL2;數據處理器採用計算機。
以上所述為本發明的較佳實施例而己，但本發明不應該局限於該實施 例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等 效或修改，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1、一種無衍射光電子光靶，其特徵在於它包括平頂角錐稜鏡(1)、濾光片(2)、圓錐透鏡(3)和CCD圖象傳感器(4)；平頂角錐稜鏡(1)為頂點部位削有一個小平面的角錐稜鏡，且該平面與平頂角錐稜鏡(1)的入射平面平行；平頂角錐稜鏡(1)、濾光片(2)、圓錐透鏡(3)和CCD圖象傳感器(4)沿同一軸向依次布置，CCD圖象傳感器(4)的光敏面與圓錐透鏡(3)的軸線垂直；圓錐透鏡的錐角θ、圓錐透鏡(3)的頂點到CCD圖象傳感器光敏面的距離L和平頂角錐稜鏡的小平面的邊長h1分別滿足下式(I)、(II)和(III)的要求λ/[2(n-1)θ]>10ε (I)Lω<A (II)其中，λ為入射光的波長，n為圓錐透鏡的折射率，ε為CCD圖象傳感器的像素尺寸，d為平頂角錐稜鏡的小平面到圓錐透鏡頂點的距離，ω是本無衍射光電子光靶入射光視場角的變化範圍，A是CCD圖象傳感器光敏面的寬度。
2、 根據權利要求l所述的無衍射光電子光耙，其特徵在於它還包括 機箱(6)、傾角計(7)、數據處理器(8)和鏡筒(9);鏡筒(9)置於機箱(6)內，平頂角錐稜鏡(l)、濾光片(2)、圓錐透鏡(3)位於 鏡筒(9)內，傾角計(7)固定安裝在鏡筒(9)的外壁上；數據處理器(8)分別與 CCD圖象傳感器(4)及傾角計(7)相連，計算光環的中心和電子光靶的方位 角。
全文摘要
本發明公開了一種無衍射光電子光靶，包括依次位於光軸上的平頂角錐稜鏡(1)、濾光片(2)、圓錐透鏡(3)和CCD圖象傳感器(4)，從平頂角錐稜鏡以角度α入射的平行光束，依次透過平頂角錐稜鏡、濾光片、圓錐透鏡後，成為同心光環形狀的無衍射光，並投射在CCD圖象傳感器上，根據同心光環中心的位置，可以測量入射光的角度α。再結合固定於鏡筒(9)上的傾角計(7)測出的傾斜角和滾動角，就可以確定本無衍射光電子光靶的完整方位角。由於是採用數字圖象處理方法確定同心光環的位置，相對於用光強重心法。本發明有更好的抗環境光幹擾能力，以及更高的相對測量解析度。本發明可用於隧道盾構施工中的掘進機姿態角測量，也可用於其他類似場合的方位角測量。
文檔編號G01C1/00GK101430198SQ20081023667
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者斌 趙, 慧 陳 申請人:華中科技大學