漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置和方法
2023-06-05 04:18:01
專利名稱：漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置和方法
技術領域：
本發明屬於精密儀器製造和精密測試計量技術領域，特別涉及一種漂移量靶標反饋的長距離高精度二維偏振光電自準直裝置和方法。
背景技術：
隨著測量技術的不斷改進和提高，現代化高精度測量技術和方位瞄準跟蹤系統的發展對小角度的測量精度提出了越來越高的要求。光電自準直儀在小角度精密測量，高精度瞄準與定位方面有著不可替代的作用，可以作為測角儀、光學比較儀等光學計量儀器的組成部分，也可單獨用於測量儀器用於光學測量、航空航天儀器裝調和軍用飛行器姿態測量等方面。
在高精度小角度測量中，雷射光束由於其良好的單一方向性、高亮度及高穩定性等優點，常被作為測量基準廣泛應用於超精密加工設備及測量設備中，許多科研院所研製出採用雷射光源和高精度CCD圖像傳感器測量二維角度的光電自準直儀(1.吳秀麗.雷射自準直儀.光機電信息.1994年08期11-13；2.蔣本和，陳文毅，胡文斐，胡慶榮.用雷射準直及CCD檢測的小角度測量系統.雷射與紅外.1998，28(4)233-234+243；3.林玉池，張萍，趙美蓉，洪昕.野外使用的半導體雷射自準直儀.航空精密製造技術.2001，37(3)35-37；4.張堯禹，張明慧，喬彥峰.一種高精度CCD雷射自準直測量系統的研究.光電子·雷射.2003，14(2)168-170；5.馬福祿，張志利，周召發.基於M型分劃絲的單線陣CCD直線度準直儀.光學技術.2002，28(3)224-225+227)。
對於測量不確定度優於0.5″的光電自準直儀，測量距離通常小於6m(1.武晉燮.幾何量精密測量技術.哈爾濱工業大學出版社.1989年9月；2.德國MLLER-WEDEL公司ELCOMAT vario雙軸自準直儀中文操作手冊.2004；3.中國船舶工業第6354研究所九江精密測試技術研究所SZY-99型數顯自準直儀中文操作手冊.2004；4.英國Taylor Hobson公司TA51，DA20，DA400型光學自準直儀中文操作手冊.2002)。在長距離的應用場合中，雷射光束的角漂移量是光電自準直儀測量誤差的主要來源。造成光束漂移的主要原因有(1)雷射光源自身發熱導致諧振腔內反射鏡變型引起的雷射光束的角漂移；(2)由於雷射光束回饋雷射光源，進而引起的諧振腔內諧振不穩定引起的雷射光束的角漂移；(3)光束傳播途徑中的大氣氣流的隨機抖動造成雷射光束的隨機擾動和大氣梯度折射率的變化引起的光線彎曲等。理論分析表明光線彎曲與距離的平方成正比，隨機抖動與距離的1.5次方成正比。隨著距離的增大，光束傳播途徑中的大氣氣流的隨機抖動造成雷射光束的隨機擾動和大氣梯度折射率的變化引起的光線彎曲的影響將遠遠超過雷射光源諧振腔內反射鏡變型引起光束的角漂移，同時由於二維光電自準直儀的高解析度特性使得由於雷射光束回饋雷射光源進而引起的雷射光束的角漂移的影響不容忽略，因此提高準直精度就更加困難。在長距離雷射準直系統中，採用波帶片、位相板、二元光學器件、雙縫等產生的幹涉和衍射條紋的空間連線作為基準線，利用它們對漂移量不敏感這一特點，來達到準直的目的，典型的方法有位相板衍射準直法、二元光學準直法、雙光束補償準直法等，此類方法準直精度一般在10-6rad，即0.2″量級左右。(1.萬德安.雷射基準高精度測量技術.國防工業出版社.1999年6月；2.方仲彥，殷純永，梁晉文.高精度雷射準直技術的研究(一).航空計測技術.1997，17(1)3-6；3.饒瑞中，王世鵬，劉曉春，龔知本.湍流大氣中雷射束漂移的實驗研究.中國雷射.2000，27(11)1011-1015；4.楊友堂，曾理江，殷純永.自適應除噪技術在雷射準直中的應用研究.儀器儀表學報.1995，16(4)370-374)。
在二維光電自準直儀的數據採集處理中，由於光束漂移的影響，如果採用光斑中心定位方法則接收器接收的光斑中心隨光束漂移而漂移；如果採用輪廓中心定位方法，則由於光束漂移，接收器接收的光斑的能量中心和輪廓的幾何中心不重合引起輪廓中心的偏移，直接產生輪廓中心的定位偏差。如果不對該角漂移量進行修正或補償，將直接反饋回小角度的測量結果引起的角度測量偏差，導致儀器數據重複性差，穩定性不好，甚至使得光斑漂移到接收視場之外，影響儀器的正常工作。若要進一步提高測量穩定性和測量精度，僅僅依靠提高光束自身的準直精度，無論是從現有技術還是工藝製造水平上都是難以實現的。
採用雷射的偏振特性和閉環反饋控制技術，為避免雷射光束回饋雷射光源從而進一步避免由此引起的測量光束的角漂移誤差，同時補償和修正在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量引起的角度測量偏差，實現高精度的小角度測量提供了一種有效的技術途徑。為了提高雷射光束的方向穩定性，目前許多國內外專家學者針對不同的應用場合，提出了許多基於閉環反饋控制技術的雷射準直方法(1.趙維謙，譚久彬，馬洪文，鄒麗敏.漂移量反饋控制式雷射準直方法.光學學報.2004，24(3)373-377；2.於達仁，張志強，徐基豫，蘇傑先.雷射測量中幹擾的光路自動補償方法.儀器儀表學報.2003，24(2)123-126；3.於殿泓，郭彥珍.提高雷射準直精度的一種方法.石油儀器.1999，13(6)18-20；4.李巖，孟祥旺，章恩耀.一種新型雷射掃描式大工件孔-孔同軸度測量儀.雷射與紅外.2000，30(5)280-282)。
在實際應用中可知上述測量方案雖然在一定程度上抑制了光束的角漂移量，但是上述測量方案僅僅針對的是特定的雷射直線基準的應用場合，控制的對象是雷射光束的中心位置。而在二維光電自準直儀的實際應用中，尤其是在長距離的應用場合，要求在引入反饋控制測量光束的角漂移量的同時還能夠精確測量出二維小角度的變化量，同時由於二維光電自準直儀的高解析度特性使得由於雷射光束回饋雷射光源進而引起的角漂移的影響不容忽略，難點是反饋控制的對象就是二維光電自準直儀需要測量的二維小角度的變化量，控制的對象的未知性直接導致無法在二維光電自準直儀的測量過程中引入反饋控制，同時由於雷射光束回饋雷射光源進而引起的雷射光束的角漂移量難以通過外部的閉環反饋控制技術消除。測量光束的角漂移量在測量過程中沒有消除，最後混合在測量結果中引起角度測量偏差，導致光電自準直儀在長距離的應用中，測量穩定性和重複性差，測量不確定度難以進一步提高，大大限制了光電自準直儀的應用範圍，這也是當前光電自準直儀的實際應用中未能解決的重要問題。
發明內容
本發明的目的在於克服上述已有的光電自準直儀測量方案中存在的不足，提供一種漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置和方法，二維光電自準直光管採用偏振雷射光源、偏振分光鏡和λ/4波片組合，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源進而避免測量光束進一步的角漂移量；分光式靶標探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離並反饋回與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，漂移量監測裝置對其角漂移量進行實時監測，計算機根據其監測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進行調整，抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量。動態補償和抑制測量光束的角漂移量引起的角度測量誤差，監測距離長，對角漂移量的監測靈敏度高，可顯著提高二維光電自準直儀的測量距離、測量穩定性和測量精度。
本發明採用的技術解決方案是一種漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置，包括二維光電自準直光管和計算機，還包括漂移量監測裝置、分光式靶標探測器和二維光束偏轉裝置，所說的二維光電自準直光管由依次放置的偏振雷射光源、分劃板、偏振分光鏡、λ/4波片、CCD圖像傳感器和準直物鏡構成，其中分劃板位於準直物鏡的焦點處，CCD圖像傳感器位於準直物鏡的焦點的共軛位置處；所說的二維光束偏轉裝置由壓電陶瓷驅動電源、壓電陶瓷位移器、二維微位移工作檯和偏轉反射鏡組成；二維光電自準直光管中偏振雷射光源、偏振分光鏡和λ/4波片組合，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射器進而避免測量光束進一步的角漂移量；分光式靶標探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離並反饋回與測量光束特性完全相同的雷射器固有的角漂移分量反饋光束，漂移量監測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進行實時監測，計算機根據其監測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進行調整，抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量。
二維光電自準直光管中的偏振雷射光源採用發出線偏振的雷射光束或圓偏振的雷射光束的雷射光源或雷射光源裝置。
二維光電自準直光管中的λ/4波片放置於偏振分光鏡與準直物鏡之間或放置於準直物鏡與分光式靶標探測器之間。
分光式靶標探測器由相對放置的兩個直角稜鏡固連組成，其中一個直角稜鏡的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角稜鏡的垂直工作表面入射。
漂移量監測裝置由偏轉反射鏡、聚焦物鏡和四象限探測器固連組成，四象限探測器位於聚焦物鏡的焦平面處。
本發明還提供了漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置的測量方法，該測量方法包括以下步驟1.二維光電自準直光管發出具有偏振特性的測量光束；2.分光式靶標探測器接收測量光束並將其分離為反射光束和透射光束；3.反射光束獲取分光式靶標探測器的二維小角度變化量後，經過偏振分光鏡後完全反射，由CCD圖像傳感器接收，成為測量信號；4.透射光束分離出與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監測裝置，經聚焦物鏡由四象限探測器接收，監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量=arctan(df0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器的中心的位移量，f0為聚焦物鏡的焦距。
計算機根據漂移量監測裝置監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向調整，調整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉裝置對測量光束的空間角度的調整量，ε為漂移量監測裝置監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量。
按照步驟4和步驟5反覆調整，實時抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量，由測量信號可精確測出分光式靶標探測器的二維小角度的變化量=d12f]]>這裡θ為分光式靶標探測器的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器上形成的光斑中心位置的變化量，f為準直物鏡的等效焦距。
本發明具有以下特點和良好效果1.採用偏振分光鏡和λ/4波片組合的二維光電自準直光管發出具有偏振特性的測量光束，獲取分光式靶標探測器的二維小角度變化量後按原光路返回，由準直物鏡會聚後，由雷射的偏振特性知，經過偏振分光鏡後測量光束完全反射，由CCD圖像傳感器接收，利用雷射的偏振特性避免了測量光束回饋雷射光源，進而避免測量光束進一步的角漂移量，這是區別於現有光電自準直測量技術的創新點之一；2.採用新穎的分光式靶標探測器改進光學測量系統，將測量光束的角漂移量從分光式靶標探測器的二維小角度變化量中分離出來，實時得到與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，由漂移量監測裝置的四象限探測器實時監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量，這是區別於現有光電自準直測量技術的創新點之二；3.在設計中，在測量光束傳播途徑中耦合在光束中的角漂移量，光束的角漂移量在測量光束中和角漂移分量反饋光束中同時變化，計算機根據漂移量監測裝置監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向進行調整，可抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量，這是區別於現有光電自準直測量技術的創新點之三；4.本設計方案在精確測量二維小角度變化量的同時引入了光的偏振技術和閉環反饋控制技術，在光路中加入偏振雷射光源、偏振分光鏡、λ/4波片、分光式靶標探測器、漂移量監測裝置和二維光束偏轉裝置，即可利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源進而避免測量光束進一步的角漂移量，同時還可抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量；動態抑制和補償測量光束的角漂移量引起的角度測量誤差，解決了長距離應用場合中由於光束的角漂移量引起的測量穩定性差，甚至漂移出儀器接收視場的難題，在增大二維光電自準直儀的測量距離的同時提高了測量穩定性，滿足了長距離高精度二維小角度測量的需要，且測量距離越長，精度改善越顯著，可靠性高，實用性強。
圖1是本發明裝置的結構示意圖；圖2是本發明裝置中的分光式靶標探測器獲取二維小角度變化量的同時分離得到與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束的結構示意圖；圖3是本發明裝置中的漂移量監測裝置監測角漂移分量反饋光束的角漂移量的測量原理圖；圖4是本發明裝置中的二維光束偏轉裝置對測量光束的角漂移量進行實時反饋控制的結構示意圖；圖5是本發明裝置中二維光電自準直光管中λ/4波片放置於準直物鏡與分光式靶標探測器之間的結構示意圖；圖6是本發明裝置中的分光式靶標探測器由相對放置的兩個直角稜鏡構成，其中一個直角稜鏡的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角稜鏡的垂直工作表面入射的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置和方法進行詳細描述如圖1所示，本發明的裝置包括由偏振雷射光源2、分劃板3、偏振分光鏡4、λ/4波片5、CCD圖像傳感器6、準直物鏡7組成的二維光電自準直光管1，由四象限探測器9、聚焦物鏡10和偏轉反射鏡11組成的漂移量監測裝置8，分光式靶標探測器12，計算機13，由壓電陶瓷驅動電源14、壓電陶瓷位移器15、二維微位移工作檯16和偏轉反射鏡17組成的二維光束偏轉裝置18等構成。其光的路徑如下二維光電自準直光管1的偏振雷射光源2發出的偏振雷射光束照亮位於準直物鏡7的焦點處的分劃板3，經過偏振分光鏡4透射後雷射光束變為線偏振光P光，P光經過放置在偏振分光鏡4和準直物鏡7之間的λ/4波片5後P光的偏振方向轉動45°變為圓偏振光，經準直物鏡7會聚後變為平行準直的測量光束，經過二維光束偏轉裝置18反射後入射到放置在被測物上的分光式靶標探測器12，分光式靶標探測器12將入射光束分為兩束反射光束獲取分光式靶標探測器12的二維小角度變化後，經過二維光束偏轉裝置18反射，由準直物鏡7會聚後，λ/4波片5使得圓偏振光的偏振方向再轉動45°，變為與P光的偏振方向正交的線偏振光S光，由偏振特性知線偏振光S光再經過偏振分光鏡4後完全反射，被CCD圖像傳感器6接收，成為測量信號，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源2，進而避免測量光束進一步的角漂移量；透射光束成為與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監測裝置8，經偏轉反射鏡11反射，聚焦物鏡10聚焦後由位於聚焦物鏡10的焦平面處的四象限探測器9接收，分離並監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量。計算機13根據監測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置18，進行測量光束的空間角度的調整，使測量光束按照角漂移量相反的方向調整，反覆進行監測和調整的步驟，即可實時抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量。由圖1和圖2，並結合幾何光學和光學自準直原理，通過測量信號可精確測出分光式靶標探測器12的二維小角度的變化量=d12f]]>這裡θ為分光式靶標探測器12的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器6上形成的光斑中心位置的變化量，f為準直物鏡7的等效焦距。
通過分光式靶標探測器12獲取二維小角度變化量的同時分離得到與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，並由漂移量監測裝置8對角漂移分量反饋光束的角漂移量進行監測的測量原理如圖2和圖3所示，漂移量監測裝置8中監測角漂移分量反饋光束的角漂移量的四象限探測器9的光敏面中心位於聚焦物鏡10的焦點處，當測量光束產生角漂移量ε時，角漂移分量反饋光束聚焦於聚焦物鏡10的焦平面上並產生位移Δd，由此監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量為=arctan(df0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器9的光敏面中心的位移量，f0為聚焦物鏡10的焦距。
二維光束偏轉裝置18對測量光束的角漂移量進行實時閉環反饋控制的結構示意圖如圖4所示，在閉環反饋控制系統中，為了使二維光束偏轉裝置18達到很高的驅動分辨能力和驅動精度，採用由壓電陶瓷驅動電源14、壓電陶瓷位移器15、二維微位移工作檯16和偏轉反射鏡17組成的二維光束偏轉裝置18，計算機13根據漂移量監測裝置8監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置18，進行測量光束的空間角度的調整，調整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉裝置18對測量光束的空間角度的調整量，ε為四象限探測器9監測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量；計算機13對測量光束按照角漂移量相反的方向調整，二維光束偏轉裝置18轉角分辨力優於0.002″，轉角範圍大於2″，反覆進行監測和調整的步驟，即可實時將在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量抑制在0.01″範圍內，提高二維光電自準直儀測量距離的同時保證了高精度的二維小角度測量。
參見圖5，本發明裝置中的二維光電自準直光管1中λ/4波片5放置於準直物鏡7與分光式靶標探測器12之間。
參見圖6，本發明裝置中的分光式靶標探測器12由相對放置的兩個直角稜鏡19和20構成，其中一個直角稜鏡20的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角稜鏡20的垂直工作表面入射。
下面詳細說明本發明所述的方法本發明還提供了漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置的測量方法，該測量方法包括以下步驟1.首先對二維光電自準直光管1進行調整，使得偏振雷射光源2發出的偏振雷射光束經過偏振分光鏡4透射後雷射光束變為線偏振光P光，然後對漂移量監測裝置8進行調整，保證四象限探測器9的光敏面中心位於聚焦物鏡10的焦點處，調整完畢後漂移量監測裝置8應與二維光電自準直光管1固連，然後對二維光電自準直光管1進行校準，校準完畢後使用過程中偏振雷射光源2和漂移量監測裝置7不再調整；二維光電自準直光管1的偏振雷射光源2發出的雷射光束，照亮位於準直物鏡7的焦點處的分劃板3，經過偏振分光鏡4透射後雷射光束變為線偏振光P光，P光經過放置在偏振分光鏡4和準直物鏡7之間的λ/4波片5後P光的偏振方向轉動45°變為圓偏振光，經準直物鏡7會聚後變為平行準直的測量光束，經過二維光束偏轉裝置18反射後入射到放置在被測物上的分光式靶標探測器12上；2.分光式靶標探測器12接收測量光束並將其分離為反射光束和透射光束；3.反射光束獲取分光式靶標探測器12的二維小角度變化量後，經過二維光束偏轉裝置18反射，由準直物鏡7會聚後，λ/4波片5使得圓偏振光的偏振方向再轉動45°，變為與P光的偏振方向正交的線偏振光S光，由偏振特性知線偏振光S光再經過偏振分光鏡4後完全反射，被CCD圖像傳感器6接收，成為測量信號，在CCD圖像傳感器5上形成的光斑中心位置的變化量為d1，同時利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源2，進而避免測量光束進一步的角漂移量；
4.透射光束成為與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監測裝置8，經聚焦物鏡10聚焦後由位於聚焦物鏡10的焦平面處的四象限探測器9接收，監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量。當測量光束產生角漂移量ε時，角漂移分量反饋光束聚焦於聚焦物鏡10的焦平面上並產生位移Δd，由此監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量為=arctan(df0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器9的中心的位移量，f0為聚焦物鏡10的焦距。
5.計算機13根據漂移量監測裝置8監測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置18，為了使二維光束偏轉裝置18達到很高的驅動分辨能力和驅動精度，採用由壓電陶瓷驅動電源14、壓電陶瓷位移器15、二維微位移工作檯16和偏轉反射鏡17組成的二維光束偏轉裝置18，計算機13根據漂移量監測裝置8監測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置18，進行測量光束的空間角度的調整，調整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉裝置18對測量光束的空間角度的調整量，ε為漂移量監測裝置8監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量；6.按照步驟4和步驟5，計算機13對測量光束按照角漂移量相反的方向調整，實時抑制和消除在測量光束傳播途徑中測量光束的角漂移量，由圖1和圖2，並結合幾何光學和光學的自準直原理，通過測量信號可精確測出分光式靶標探測器12的二維小角度的變化量=d12f]]>這裡θ為分光式靶標探測器12的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器6上形成的光斑中心位置的變化量，f為準直物鏡7的等效焦距。
可見，採用偏振雷射光源2、偏振分光鏡4和λ/4波片5組合改進的二維光電自準直光管1發出具有偏振特性的測量光束，獲取分光式靶標探測器12的二維小角度變化量後，由雷射的偏振特性知，經過偏振分光鏡4後完全反射，由CCD圖像傳感器6接收，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源2進而避免測量光束進一步的角漂移量；同時，採用新穎的分光式靶標探測器12改進光學測量系統並引入閉環反饋控制技術後，可保證通過分光式靶標探測器12獲取二維小角度變化量的同時分離得到與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，並由漂移量監測裝置8對角漂移分量反饋光束的角漂移量進行監測，計算機13根據漂移量監測裝置監測出的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置18，使測量光束按照角漂移量相反的方向進行調整，實時抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量，即可動態補償測量光束的角漂移量引起的角度測量誤差，解決了長距離應用場合中由於測量光束的角漂移量引起的測量穩定性差，甚至漂移出儀器的視場的難題，在增大二維光電自準直儀的測量距離的同時提高了測量穩定性，從而該測量方案實現了長距離高精度的二維小角度測量。
實施例1如圖1所示的二維偏振光電自準直裝置，二維光電自準直光管1中偏振雷射光源2發出線偏振雷射光束，λ/4波片5放置於偏振分光鏡4與準直物鏡7之間；分光式靶標探測器12如圖6所示，由相對放置的兩個直角稜鏡19和20構成，其中一個直角稜鏡20的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角稜鏡20的垂直工作表面入射；漂移量監測裝置8由偏轉反射鏡11、聚焦物鏡10和四象限探測器9固連組成。首先對二維光電自準直光管1進行調整，調整偏振雷射光源2發出的線偏振雷射光束的偏振方向，使得偏振雷射光源2發出的線偏振雷射光束經過偏振分光鏡4透射後雷射光束變為線偏振光P光，對漂移量監測裝置8進行調整，保證四象限探測器9的光敏面中心位於聚焦物鏡10的焦點處，調整完畢後漂移量監測裝置8應與二維光電自準直光管1固連，然後對二維光電自準直光管1進行校準，校準完畢後使用過程中偏振雷射光源2和漂移量監測裝置8不再調整；進行測量時，二維光電自準直光管1的偏振雷射光源2發出的線偏振雷射光束照亮位於準直物鏡7的焦點處的分劃板3，經過偏振分光鏡4透射後雷射光束變為線偏振光P光，P光經過放置在偏振分光鏡4和準直物鏡7之間的λ/4波片5後P光的偏振方向轉動45°變為圓偏振光，經準直物鏡7會聚後變為平行準直的測量光束，經過二維光束偏轉裝置18反射後入射到放置在被測物上的分光式靶標探測器12，分光式靶標探測器12將入射光束分為兩束反射光束獲取分光式靶標探測器12的二維小角度變化後，經過二維光束偏轉裝置18反射，由準直物鏡7會聚後，λ/4波片5使得圓偏振光的偏振方向再轉動45°，變為與P光的偏振方向正交的線偏振光S光，由偏振特性知線偏振光S光再經過偏振分光鏡4後完全反射，被CCD圖像傳感器6接收，成為測量信號，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源2，進而避免測量光束進一步的角漂移量；透射光束成為與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監測裝置8，經聚焦物鏡10聚焦後由位於聚焦物鏡10的焦平面處的四象限探測器9接收，監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量。當測量光束產生角漂移量ε時，角漂移分量反饋光束聚焦於聚焦物鏡10的焦平面上並產生位移Δd，由此監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量為=arctan(df0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器9的中心的位移量，f0為聚焦物鏡10的焦距。計算機13根據漂移量監測裝置8監測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時反饋控制二維光束偏轉裝置18，進行測量光束的空間角度的調整，調整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉裝置18對測量光束的空間角度的調整量，ε為漂移量監測裝置8監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量；計算機13對測量光束按照角漂移量相反的方向調整，實時抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，由圖1和圖2，並結合幾何光學和光學的自準直原理，通過測量信號可精確測出分光式靶標探測器12的二維小角度的變化量
=d12f]]>這裡θ為分光式靶標探測器12的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器6上形成的光斑中心位置的變化量，f為準直物鏡7的等效焦距。
本實施例中，二維光電自準直光管1中的偏振雷射光源2採用發出線偏振雷射光束的雷射光源，偏振分光鏡4的邊長為12.7mm，λ/4波片5的直徑為Φ50mm；分光式靶標探測器12由相對放置的邊長為50mm的兩個直角稜鏡19和20構成，其中一個直角稜鏡20的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角稜鏡20的垂直工作表面入射，所鍍的分光膜的分光比為T/R＝50/[email protected]；漂移量監測裝置8由偏轉反射鏡11、聚焦物鏡10和四象限探測器9固連組成，四象限探測器9位於聚焦物鏡10的焦平面處。偏轉反射鏡11為平面反射鏡鍍高反射膜構成，平面反射鏡直徑為Φ50mm，高反射膜反射率係數R≥99％@632.8nm；聚焦物鏡10的焦距為150mm，口徑為Φ50mm；四象限探測器9選用日本濱松公司的S1557型四象限探測器，單象限光敏面面積0.2mm2。二維光束偏轉裝置18由壓電陶瓷驅動電源14、壓電陶瓷位移器15、二維微位移工作檯16和偏轉反射鏡17組成，壓電陶瓷驅動電源14的主要技術參數為輸入電壓範圍為±6V，輸出電壓範圍為±600V，輸出電壓最小分辨力為0.226V，非線性誤差小於0.8％，穩定性誤差小於0.01％；壓電陶瓷位移器15選用中國科學院成都光電所的可伸縮壓電陶瓷驅動器，伸縮範圍為-6μm～+6μm；二維微位移工作檯16採用無機械傳動機構的二維柔性鉸鏈工作檯；偏轉反射鏡17為平面反射鏡鍍高反射膜構成，平面反射鏡10直徑為Φ50mm，高反射膜反射率係數R≥99％@632.8nm，二維光束偏轉裝置18的轉角分辨力優於0.002″，轉角範圍大於10″，反覆進行監測和調整的步驟，即可實時將測量光束的角漂移量抑制在0.01″範圍內，實驗結果表明，該二維偏振光電自準直裝置在測量分辨力達到0.01″，測量距離為20m的情況下，測量穩定性優於0.04″/h，測量不確定度優於0.04″，實現了長距離高精度二維小角度測量。
實施例2如圖1所示的二維偏振光電自準直裝置，這裡，如圖5所示，二維光電自準直光管1中偏振雷射光源2發出線偏振雷射光束，並且λ/4波片5放置於準直物鏡7與分光式靶標探測器12之間。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例3如圖1所示的二維偏振光電自準直裝置，這裡，如圖7所示，二維光電自準直光管1中偏振雷射光源2發出圓偏振雷射光束。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例4如圖1所示的二維偏振光電自準直裝置，這裡，漂移量監測裝置8不加入偏轉反射鏡11，由聚焦物鏡10和四象限探測器9組成，四象限探測器9位於聚焦物鏡10的焦平面處。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
權利要求
1.一種漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置，包括二維光電自準直光管和計算機，其特徵在於還包括漂移量監測裝置、分光式靶標探測器和二維光束偏轉裝置，所說的二維光電自準直光管由依次放置的偏振雷射光源、分劃板、偏振分光鏡、λ/4波片、CCD圖像傳感器和準直物鏡構成，其中分劃板位於準直物鏡的焦點處，CCD圖像傳感器位於準直物鏡的焦點的共軛位置處；所說的二維光束偏轉裝置由壓電陶瓷驅動電源、壓電陶瓷位移器、二維微位移工作檯和偏轉反射鏡組成；二維光電自準直光管中偏振雷射光源、偏振分光鏡和λ/4波片組合，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射器進而避免測量光束進一步的角漂移量；分光式靶標探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離並反饋回與測量光束特性完全相同的雷射器固有的角漂移分量反饋光束，漂移量監測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進行實時監測，計算機根據其監測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進行調整，抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所說的二維光電自準直光管中的偏振雷射光源採用發出線偏振的雷射光束或圓偏振的雷射光束的雷射光源或雷射光源裝置。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所說的二維光電自準直光管中的λ/4波片放置於準直物鏡與分光式靶標探測器之間。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所說的分光式靶標探測器由相對放置的兩個直角稜鏡固連組成，其中一個直角稜鏡的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角稜鏡的垂直工作表面入射。
5.根據權力要求1-4中的任意一項所述的裝置，其特徵在於所說的漂移量監測裝置由偏轉反射鏡、聚焦物鏡和四象限探測器固連組成，四象限探測器位於聚焦物鏡的焦平面處。
6.一種漂移量靶標反饋的長距離二維偏振光電自準直裝置的測量方法，其特徵在於所說的測量方法包括以下步驟(1).二維光電自準直光管發出具有偏振特性的測量光束；(2).分光式靶標探測器接收測量光束並將其分離為反射光束和透射光束；(3).反射光束獲取分光式靶標探測器的二維小角度變化量後，經過偏振分光鏡後完全反射，由CCD圖像傳感器接收，成為測量信號；(4).透射光束分離出與測量光束特性完全相同的雷射器固有的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監測裝置，經聚焦物鏡由四象限探測器接收，監測出角漂移分量反饋光束的角漂移量=arctan(df0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器的中心的位移量，f0為聚焦物鏡的焦距；(5).計算機根據漂移量監測裝置監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向調整，調整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉裝置對測量光束的空間角度的調整量，ε為漂移量監測裝置監測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量；(6).按照步驟4和步驟5反覆調整，實時抑制和消除耦合在測量光束中的角漂移量，由測量信號可精確測出分光式靶標探測器的二維小角度的變化量=d12f]]>這裡θ為分光式靶標探測器的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器上形成的光斑中心位置的變化量，f為準直物鏡的等效焦距。
全文摘要
本發明屬於精密儀器製造和精密測試計量技術領域，特別涉及一種漂移量靶標反饋的長距離高精度二維偏振光電自準直裝置和方法。二維光電自準直光管採用偏振雷射光源、偏振分光鏡和λ/4波片組合，利用雷射的偏振特性避免測量光束回饋雷射光源進而避免測量光束進一步的角漂移量；分光式靶標探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離並反饋回與測量光束特性完全相同的雷射光源固有的角漂移分量反饋光束，漂移量監測裝置對其角漂移量進行實時監測，計算機根據其監測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進行調整，抑制和消除在測量光束傳播途徑中耦合在測量光束中的角漂移量。
文檔編號G01B11/26GK1760636SQ20051011726
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月2日 優先權日2005年11月2日
發明者譚久彬, 敖磊, 崔繼文, 金國良, 楊文國 申請人:哈爾濱工業大學