偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法與裝置的製作方法

2023-06-04 13:22:56

專利名稱：偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法與裝置，屬於精密儀器製造和精密測試計量技術領域。
背景技術：
隨著精密製造加工技術以及測量技術的不斷發展，對二維小角度的測量精度提出越來越高的要求。光電自準直角度測量方法廣泛用於小角度測量、高精度角度標校、平板的平面度測量、軸系的角晃動測量、導軌的直線度測量、轉臺位置不確定度等測量領域，是機械製造、造船、航空航天、計量測試、科學研究等部門必備的常規測量儀器。雷射由於其單色性好、能量密度高的優點，常將其應用在遠距離高精度角度測量中，已有許多單位研製出基於雷射光源的高精度光電自準直儀(1.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 ；2.馬福祿，張志利，周召發.基於M型分劃絲的單線陣CXD直線度準直儀.光學技術，2002，28 (3) 224-225 ；3.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)，具有測量距離遠、靈敏度高的優點，但由於自準直光束的漂移，限制了最終測量不確定度的提高。目前大部分光電自準直儀的測量不確定度均在0.5"以上，僅有少數能夠達到 0.5"以下，並且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(l. 張繼友，範天泉，曹學東.光電自準直儀研究現狀與展望.計量技術，2004. 7:27-29; 2.英國TaylorHobson公司的TA51，DA20，DA400型自準直儀操作手冊.2002 ;3.德國 M0LLER-WEDEL公司的ELCOMAT vario雙軸自準直儀中文操作手冊.2004 ；4.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)。光電自準直儀中光束的漂移是制約測量不確定度的最主要因素，並且測量距離越遠漂移量越大，測量不確定度難以得到保證。自準直儀中光束的漂移主要來源於(1)照明光源出射光強度和方向不穩定引起的漂移；(2)光束傳播路徑中大氣湍流隨機抖動引起的漂移；(3)大氣梯度折射率的變化引起光線彎曲造成測量結果的漂移。(1.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 ；2.萬德安.雷射基準高精度測量技術.國防工業出版社.1999，6 58-78 ；3.黨敏，馮其波.提高雷射準直精度的途徑.光子技術.2006，4(14) 190-193；4.胡新和，楊博雄.半導體雷射準直儀及其雷射束漂移補償研究.光學與光電技術.2007，5 (3) :25-27)。抑制或補償自準直光束的漂移是提高光電自準直儀測量精度的關鍵，目前抑制或補償光束漂移量的方法主要有(1)利用波帶片、位相板、二元光學器件或雙縫等產生的衍射或幹涉條紋的空間連線對漂移量不敏感的特點，來達到精密測量的目的。如採用波帶片在光源和波帶片中心連線的某一位置上出現一明亮的十字線，通過調節雷射器與波帶片之間的可調焦望遠鏡，可將十字亮線成像在光軸的不同的位置上，將這一光軸作為準直測量中的基準線，由於十字亮線是衍射幹涉的結果，故具有較好的抗幹擾性，獲得了士lX10_7rad (即0.04")的準直精度(張善鍾，於瀛浩，張之江.直線度平面度測量技術.中國計量出版社，1997:79-81)。 但這種方法需要通過不斷調整調焦望遠鏡使十字亮線沿光軸移動，無法實現實時補償，限制了該方法的應用。Richard F等人採用的泊松線法，利用平面波照明一個不透明球體，通過衍射的作用在球體後產生一條亮線即泊松線，該亮線垂直於入射平面波並且其反向延長線通過球體中心，利用該泊松線作為測量的基準直線，具有一定的抗幹擾能力(Richard F. Schenz et al.Development of an extended straightness measurement reference. UCRL—99540， DE90006781)。但該方法中入射平面波的方向變化會直接影響測量結果。Hao Q等人採用位相板衍射準直法，利用位相板衍射得到的中心暗線作為準直基準，當入射光波是平行平面波且方向確定時，如果入射光波平移，衍射得到的中心暗線和衍射圖樣的空間位置保持不變，達到了抑制雷射器光束漂移的效果，可達到10_6rad(即 0.2")的準直精度(Hao Q，Li D C. High-accuracy long distance alignment using single-mode opticalfiber and phase plate. Optics and Laser Technology,2002. 34 287-292)。但該方法無法抑制入射光波的角漂移。(2)採用雙光路補償的方法清華大學劉興佔等人提出的對稱雙光束法，採用一定的光路將出射光束分為兩束，當入射光束方向發生漂移時，兩齣射光束的方向分別向相反的方向變化，而這兩束光的對稱中心線保持不變，從而可以抑制漂移的影響，達到了 1.8X10_6rad(即0.37")的準直精度(劉興佔，梁晉文，陳博一等.雙光束補償準直系統.計量技術，1999. 1 :12-15)。該方法中對稱雙光束的產成需要經過多次反射和折射，對各光學元件的安裝精度和加工精度要求較高，並且該方法中兩光束的傳輸路徑不重合，使得兩光路中光束特性不完全一致，對傳輸路徑中產生的漂移進行補償的效果不佳。北京交通大學匡萃方等人提出一種共路補償系統，將出射的雷射束通過角錐稜鏡平行返回，經過分光鏡分成兩束分別作為測量信號和補償信號，補償空氣擾動帶來的附加位置誤差(匡萃方，馮其波，劉斌等.一種共路補償雷射漂移的直線度測量方法.光電工程，2005. 32 (4) :32-34)。該方法中能夠實時補償空氣擾動帶來的角度漂移，但由於角錐稜鏡的逆向反射特性，使得該方法僅適用於直線度測量，難以應用於角度測量。北京交通大學由鳳玲等人提出一種可實時監測光線漂移的角度誤差測量方法，採用分光鏡與角錐稜鏡作為移動單元，分光鏡將入射光束分為反射光束和透射光束，反射光作為測量光束，透射光經角錐稜鏡後原路返回作為補償光束，可獲得光束在測量過程中的角漂移，從而進行實時補償，提高測量精度(由鳳玲，張斌，馮其波.一種基於光線漂移補償的導軌角度誤差測量方法.北京交通大學學報，2009. 33 (6) :5-8)。該方法中測量光束與補償光束在返回的過程中不共路，補償光束不能完全表徵測量光束的漂移情況，補償效果不佳。(3)採用閉環反饋控制的方法採用閉環反饋控制的方式提高雷射光束的方向穩定性，為消除或補償由光束漂移造成的角度測量偏差，實現高精度的小角度測量提供了一種有效的技術途徑。西安理工大學於殿泓等人採用閉環反饋法抑制光束漂移，由反饋系統接收光束漂移信號，並驅動執行機構對雷射束的方向角進行二維調整，實現對光束漂移量的實時修正，達到了 5X10_7rad(gp :0.1")的精度(於殿泓，郭彥珍.提高雷射準直精度的一種方法.石油儀器，1999. 12 :18-20)。但該方法僅用於提高雷射光線的方向性，無法應用於角度測量。申請人:在2004年提出的漂移量反饋控制式補償系統，實時動態分離檢測和控制雷射光束的平漂和角漂，實現了特定方向上角漂移量0.6X10_7rad(即0.01〃 )的高穩定性(趙維謙，譚久彬，馬洪文等.漂移量反饋控制式雷射準直方法.光學學報，2004. 24(3) 373-377)。但只能用於特定方向上的準直，漂移量監測和補償的速度較低，無法應用於小角度測量等應用場合。申請人:在2005年申請的發明專利「漂移量靶標反饋控制的長距離二維光電自準直裝置和方法」(授權號ZL200510089852. 3)中，提出採用一種分光式靶標探測器，在獲取二維小角度變化量的同時分離並反饋回與測量光束特性完全相同的角漂移量反饋光束，通過監測反饋光束所反映的角漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，抑制耦合在測量信號中的角漂移量，在增大二維光電自準直儀測量距離的同時提高了測量穩定性。該方法中由於測量光束和反饋光束在返回過程中未共路傳輸，經過了不同的傳播路徑，反饋光束不能完全反映測量光束中耦合的角漂移量，並且測量距離越大不一致性越嚴重，從而反饋控制系統不能對測量光束的漂移量進行有效的抑制，制約了最終角度測量精度的提高。綜上，現有的方法和裝置中均存在以下不足(1)利用波帶片、位相板、二元光學器件或雙縫等產生的衍射或幹涉條紋的空間連線進行準直的方法中，對入射光源的方向性要求較高，無法抑制入射光源角漂移的影響，入射光源的角漂移直接導致準直基線的漂移，並且對傳輸路徑中空氣擾動的抑制能力有限；(2)採用雙光路補償的方法中，對稱雙光束的產生比較困難，並且雙光路中測量光束與參考光束的傳輸路徑不重合，使得兩光路中光束特性不完全一致，參考光束不能完全反映測量光束的漂移，補償的效果不佳；(3)採用閉環反饋控制的方式中，大多採用閉環反饋提高雷射光線特定方向上的穩定性，難以應用於自準直角度測量，並且參考光束與測量光束無法做到共光路傳輸，從而參考光束與測量光束的特性不完全一致，使得補償的效果不佳，制約了最終角度測量精度的提高。

發明內容
本發明目的是為了克服上述已有方法與裝置中的不足，實現高精度光電自準直角度測量，提供了一種偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法與裝置。本發明所述偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法包括以下步驟步驟一、將雷射光源發出的一束偏振光束經分劃板、分光鏡和準直物鏡後形成準直光束並發射；步驟二、所述準直光束經二維光束偏轉裝置反射後，入射至第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射光束分為偏振態互相垂直的透射光束和反射光束；步驟三、步驟二獲取的透射光束經測量反射鏡反射後作為測量光束，所述測量光束獲取了測量反射鏡的二維角度變化量，所述測量光束再次經第一偏振分光鏡透射後按原
6光路返回，直到入射至分光鏡，並經該分光鏡反射後入射至第二偏振分光鏡，經該第二偏振分光鏡透射的光束由第一光電位置傳感器接收，該第一光電位置傳感器輸出的信號作為測量信號輸出給控制器；步驟四、步驟二獲取的反射光束經角錐反射鏡反射後形成的光束按原光路逆向返回，該路光束作為參考光束，所述參考光束入射至分光鏡後，經該分光鏡反射後入射至第二偏振分光鏡反射，經該第二偏振分光鏡反射後由第二光電位置傳感器接收，該第二光電位置傳感器輸出的位置信號作為光束漂移量參考信號輸出給控制器，由控制器計算出光束漂移量；光束漂移量ε按下式獲取其中AcUf為相鄰兩個採樣周期的參考光束在第二光電位置傳感器上形成光斑的位置差，f為準直物鏡的焦距。步驟五、控制器根據接收的光束漂移量參考信號來實時控制二維光束偏轉裝置轉動，將測量光束和參考光束同時向漂移量相反的方向進行偏轉，同時根據接收到的測量信號計算出測量反射鏡隨被測物偏轉的角度，實現二維光電自準直角度測量。二維光束偏轉裝置對光束空間角度的調整量Φ為Φ = ε。測量反射鏡隨被測物偏轉的角度θ按如下公式獲取
r κ \
Ad,
mθ = —arctan
2 v其中Δ dm為相鄰兩個採樣周期的測量光束在第一光電位置傳感器上形成光斑的
位置差。實現上述偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法的裝置它包括二維光電自準直光管、基於角錐組合靶標的漂移量監測分離裝置、二維光束偏轉裝置、測量反射鏡和控制器，二維光電自準直光管包括雷射光源、分劃板、分光鏡、第一光電位置傳感器和準直物鏡；基於角錐組合靶標的漂移量監測分離裝置包括第一偏振分光鏡、角錐反射鏡、第二偏振分光鏡和第二光電位置傳感器；第一偏振分光鏡、角錐反射鏡和測量反射鏡固化封裝為一個角錐組合靶標，所述角錐組合靶標中的角錐反射鏡的鏡面正對第一偏振分光鏡的反射出光方向放置，所述角錐組合靶標用於隨被測物一起轉動來實現測量，所述角錐組合靶標在獲取二維角度變化量測量信號的同時分離出參考光束，所述參考光束與測量光束特性相同、且共光路傳輸；第二偏振分光鏡用於接收分光鏡的反射光束；第一光電位置傳感器設置在第二偏振分光鏡的透射光束出射方向的準直物鏡的焦面上，第二光電位置傳感器設置在第二偏振分光鏡的反射光束出射方向的準直物鏡的焦面上，控制器接收第一光電位置傳感器和第二光電位置傳感器反饋的信號，控制器輸出
7控制信號用於控制二維光束偏轉裝置的旋轉。本發明的優點1、本發明中利用了雷射光束的偏振特性，使二維光電自準直光管發出的自準直光束經第一偏振分光鏡後分為偏振態互相垂直的透射光束和反射光束，透射光束經測量反射鏡反射後成為測量光束，測量光束再次透過第一偏振分光鏡後返回二維光電自準直光管； 反射光束經角錐反射鏡反射後成為參考光束，參考光束再次經第一偏振分光鏡反射後與測量光束一起共光路返回二維光電自準直光管，在接收端根據測量光束與參考光束偏振態互相垂直的特點採用第二偏振分光鏡將二者分離，在整個測量過程中參考光束與測量光束共光路傳輸，從而參考光束能夠精確反映測量光束的漂移量。這是區別於現有光電自準直測量技術的創新點之一；2.、本發明中可以將偏振分光鏡、平面反射鏡和角錐反射鏡作為一個整體固化封裝為一個角錐組合靶標，該角錐組合靶標在獲取二維小角度變化量測量信號的同時可分離出與測量光束特性完全相同特別是可分離出與測量光束共光路傳輸的參考光束；角錐組合靶標整體封裝不僅顯著提高了光路的抗幹擾能力，而且應用時簡單方便。這是區別於現有光電自準直測量技術的創新點之二；3、本發明中利用參考光束與測量光束完全共光路傳輸的特點，結合閉環反饋控制技術，控制器根據參考光束反映的漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，抑制耦合在測量光束中的漂移量，可大幅度提高對測量反射鏡二維角度變化量的測量精度。這是區別於現有光電自準直測量技術的創新點之三。


圖1是實施方式二所述偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置結構示意圖；圖2是實施方式三所述偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置結構示意圖；圖3是實施方式四所述偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置結構示意圖；圖4是雷射光源發出圓偏振光束的示意圖；圖5是雷射光源發出橢圓偏振光束的示意圖；圖6是雷射光源發出正交線偏振光束的示意圖；圖7是雷射光源發出線偏振光束的示意圖；圖8是角錐反射鏡採用立方角錐反射鏡的結構示意圖；圖9是角錐反射鏡採用直角圓錐反射鏡的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法包括以下步驟步驟一、將雷射光源發出的一束偏振光束經分劃板、分光鏡和準直物鏡後形成準直光束並發射；
步驟二、所述準直光束經二維光束偏轉裝置反射後，入射至第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射光束分為偏振態互相垂直的透射光束和反射光束；步驟三、步驟二獲取的透射光束經測量反射鏡反射後作為測量光束，所述測量光束獲取了測量反射鏡的二維角度變化量，所述測量光束再次經第一偏振分光鏡透射後按原光路返回，直到入射至分光鏡，並經該分光鏡反射後入射至第二偏振分光鏡，經該第二偏振分光鏡透射的光束由第一光電位置傳感器接收，該第一光電位置傳感器輸出的信號作為測量信號輸出給控制器；所述測量信號中包含測量反射鏡的二維角度變化量信息以及整個測量過程中光束的漂移量信息。步驟四、步驟二獲取的反射光束經角錐反射鏡反射後形成的光束按原光路逆向返回，該路光束作為參考光束，所述參考光束入射至分光鏡後，經該分光鏡反射後入射至第二偏振分光鏡反射，經該第二偏振分光鏡反射後由第二光電位置傳感器接收，該第二光電位置傳感器輸出的位置信號作為光束漂移量參考信號輸出給控制器，由控制器計算出光束漂移量；所述光束漂移量參考信號中僅包含整個測量過程中光束的漂移量信息。步驟五、控制器根據接收的光束漂移量參考信號來實時控制二維光束偏轉裝置轉動，將測量光束和參考光束同時向漂移量相反的方向進行偏轉，同時根據接收到的測量信號計算出測量反射鏡隨被測物偏轉的角度，實現二維光電自準直角度測量。步驟四中的光束漂移量ε按下式獲取 ε = arctan
KJJ其中AcUf為相鄰兩個採樣周期的參考光束在第二光電位置傳感器上形成光斑的位置差，f為準直物鏡的焦距。步驟五中控制器根據接收的光束漂移量參考信號來實時控制二維光束偏轉裝置轉動，二維光束偏轉裝置對光束空間角度的調整量Φ為Φ = ε。步驟五中的測量反射鏡隨被測物偏轉的角度θ按如下公式獲取
^ 1 (Adm Λ θ = —arctan --
2 I / .
其中△ dm為相鄰兩個採樣周期的測量光束在第一光電位置傳感器上形成光斑的
位置差。
具體實施方式
二 下面結合圖1說明本實施方式，實現實施方式一所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法的裝置，它包括二維光電自準直光管、基於角錐組合靶標的漂移量監測分離裝置、二維光束偏轉裝置8、測量反射鏡12和控制器7，二維光電自準直光管包括雷射光源1、分劃板2、分光鏡3、第一光電位置傳感器6 和準直物鏡9 ；基於角錐組合靶標的漂移量監測分離裝置包括第一偏振分光鏡10、角錐反射鏡 11、第二偏振分光鏡5和第二光電位置傳感器4 ；第一偏振分光鏡10、角錐反射鏡11和測量反射鏡12固化封裝為一個角錐組合靶標，所述角錐組合靶標中的角錐反射鏡11的鏡面正對第一偏振分光鏡10的反射出光方向放置，所述角錐組合靶標用於隨被測物一起轉動來實現測量，所述角錐組合靶標在獲取二維角度變化量測量信號的同時分離出參考光束，所述參考光束與測量光束特性相同、且共光路傳輸；第二偏振分光鏡5用於接收分光鏡3的反射光束；第一光電位置傳感器6設置在第二偏振分光鏡5的透射光束出射方向的準直物鏡 9的焦面上，第二光電位置傳感器4設置在第二偏振分光鏡5的反射光束出射方向的準直物鏡9的焦面上，控制器7接收第一光電位置傳感器6和第二光電位置傳感器4反饋的信號，控制器7輸出控制信號用於控制二維光束偏轉裝置8的旋轉。二維光束偏轉裝置由二維光束偏轉器及其驅動機構組成。控制器根據漂移量監測裝置反饋的光束漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，抑制耦合在測量信號中的光束的角漂移量。其光束的傳播路徑如下雷射光源1發出雷射束照亮位於準直物鏡9焦面的分劃板2，透過分光鏡3經準直物鏡9後成為準直光束平行出射，經二維光束偏轉裝置8反射後傳輸至第一偏振分光鏡 10，第一偏振分光鏡10將入射光束分為偏振態互相垂直的透射光束和反射光束，透射光束經測量反射鏡12反射後成為測量光束，獲取了測量反射鏡12的二維角度變化量，並再次透過第一偏振分光鏡10按原路返回；反射光束經角錐反射鏡11反射成為參考光束，由於角錐反射鏡11的逆向反射特性，參考光束按原路逆向返回，故參考光束僅反映測量過程中光束自身的漂移量，參考光束再次經第一偏振分光鏡10反射後與測量光束一起按原路返回，經二維光束偏轉裝置8反射後經準直物鏡9會聚，經分光鏡3反射後到達第二偏振分光鏡5， 測量光束透過第二偏振分光鏡5後經第一光電位置傳感器6接收，形成測量信號；參考光束經第二偏振分光鏡5反射後經第二光電位置傳感器4接收，形成參考信號；控制器7根據參考信號反映的光束漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，抑制耦合在測量信號中的光束的漂移，實現精密角度測量。
具體實施方式
三下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式與實施方式二的不同之處在於它還包括第一 1/4波片13，第一偏振分光鏡10、角錐反射鏡11、測量反射鏡12 和第一 1/4波片13固化封裝為一個角錐組合靶標，第一 1/4波片13設置在第一偏振分光鏡10與角錐反射鏡11之間。其它組成和連接關係與實施方式二相同。
具體實施方式
四下面結合圖3說明本實施方式，本實施方式與實施方式三的不同之處在於它還包括第二 1/4波片14，第二 1/4波片14設置在第二偏振分光鏡5與二維光電自準直光管的分光鏡3之間。其它組成和連接關係與實施方式三相同。
具體實施方式
五下面結合圖1和圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式一至四中任一實施方式的不同之處在於雷射光源1為能夠發出圓偏振光的雷射光源，其它結構與連接方法與實施方式一至四中任一實施方式相同。 結合圖1給出一個具體實施例，本實施例中的雷射光源1為圓偏振雷射光源，第一偏振分光鏡10採用普通分光鏡、並在第一偏振分光鏡10與角錐反射鏡11之間加第一 1/4 波片13、在分光鏡3與第二偏振分光鏡5之間加第二 1/4波片14，如圖5所示，其工作原理為雷射光源1發出圓偏振雷射束照亮位於準直物鏡9焦面的分劃板2，透過分光鏡3經準直物鏡9後成為準直光束平行出射，經二維光束偏轉裝置8反射後向前傳輸至第一偏振分光鏡10，第一偏振分光鏡10在測量反射鏡12前靠近測量反射鏡12處固定放置，角錐反射
10鏡11在第一偏振分光鏡10的反射出光面處固定放置，第一 1/4波片13在第一偏振分光鏡 10與角錐反射鏡11之間固定放置，第一偏振分光鏡10將入射光束分為透射光束和反射光束，透射光束經測量反射鏡12反射後形成測量光束並再次透過第一偏振分光鏡10後按原路返回，其圓偏振方向與原偏振方向相同不發生變化，反射光束透過第一 1/4波片13後經角錐反射鏡11反射形成參考光束，並再次透過第一 1/4波片13後經第一偏振分光鏡10反射，與測量光束一起共路返回，由於兩次經過第一 1/4波片13，從而參考光束的圓偏振方向變為與原偏振方向相反，即與測量光束的圓偏振方向相反，返回的測量光束與參考光束經二維光束偏轉裝置8反射後經準直物鏡9會聚，經分光鏡3反射後透過位於第二偏振分光鏡5前的第二 1/4波片14，從而圓偏振方向相反的參考光束與測量光束變為偏振態互相垂直的兩束線偏振光束，通過調整第二 1/4波片14的快慢軸方向，使得測量光束對應的線偏振光透過第二偏振分光鏡5，由位於準直物鏡9焦面的第一光電位置傳感器6接收，形成測量信號，參考光束對應的線偏振光經第二偏振分光鏡5反射，由位於準直物鏡9焦面的第二光電位置傳感器4接收，形成參考信號，控制器7根據參考信號反映的光束漂移量實時控制二維光束偏轉裝置8，抑制耦合在測量信號中的光束的角漂移，並給出最終角度測量結果。
具體實施方式
六下面結合圖5說明本實施方式，本實施方式與實施方式一至四中任一實施方式的不同之處在於，雷射光源1為能夠發出橢圓偏振光的雷射光源，其它結構與連接方法與實施方式一至四中任一實施方式相同。通過調整橢圓偏振的長軸或短軸方向與第一偏振分光鏡10的透射或反射偏振方向的夾角，來調整第一偏振分光鏡10的透射光強和反射光強之比。
具體實施方式
七下面結合圖6說明本實施方式，本實施方式與實施方式一至四中任一實施方式的不同之處在於，雷射光源1為能夠發出正交線偏振光的雷射光源，其它結構與連接方法與實施方式一至四中任一實施方式相同。
具體實施方式
八下面結合圖1和圖7說明本實施方式，本實施方式與實施方式一至四中任一實施方式的不同之處在於，雷射光源1為能夠發出單線偏振光的雷射光源，其它結構與連接方法與實施方式一至四中任一實施方式相同。通過調整線偏振方向與第一偏振分光鏡10的透射或反射偏振方向的夾角，來調整第一偏振分光鏡10的透射光強和反射光強之比。結合圖1給出一個具體實施例，本實施例中的雷射光源1為線偏振雷射光源，第一偏振分光鏡10採用普通分光鏡、並在第一偏振分光鏡10與角錐反射鏡11之間加1/4波片 13，如圖4所示，其工作原理為雷射光源1發出線偏振雷射束照亮位於準直物鏡9焦面的分劃板2，透過分光鏡3經準直物鏡9後成為準直光束平行出射，經二維光束偏轉裝置8反射後向前傳輸至第一偏振分光鏡10，第一偏振分光鏡10在測量反射鏡12前靠近測量反射鏡12處固定放置，角錐反射鏡11在第一偏振分光鏡10的反射出光面處固定放置，1/4波片13在第一偏振分光鏡10與角錐反射鏡11之間固定放置，第一偏振分光鏡10將入射光束分為透射光束和反射光束，透射光束經測量反射鏡12反射後形成測量光束並再次透過第一偏振分光鏡10後按原路返回，其偏振方向與原偏振方向相同不發生變化，反射光束透過1/4波片13後經角錐反射鏡11按原路反射形成參考光束，並再次透過1/4波片13後經第一偏振分光鏡10反射，與測量光束一起共路返回，由於兩次經過1/4波片13，從而參考光束的偏振方向變為與原偏振方向垂直，即與測量光束的偏振方向垂直，返回的測量光束與參考光束經二維光束偏轉裝置8反射後經準直物鏡9會聚，經分光鏡3反射後到達位於第一光電位置傳感器6前的第二偏振分光鏡5，測量光束透過第二偏振分光鏡5後由位於準直物鏡9焦面的第一光電位置傳感器6接收，形成測量信號，參考光束經第二偏振分光鏡5反射後由位於準直物鏡9焦面的第二光電位置傳感器4接收，形成參考信號，控制器7根據參考信號反映的光束漂移量實時控制二維光束偏轉裝置8，抑制耦合在測量信號中的光束的角漂移，並給出最終角度測量結果。
權利要求
1.偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟一、將雷射光源發出的一束偏振光束經分劃板、分光鏡和準直物鏡後形成準直光束並發射；步驟二、所述準直光束經二維光束偏轉裝置反射後，入射至第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射光束分為偏振態互相垂直的透射光束和反射光束；步驟三、步驟二獲取的透射光束經測量反射鏡反射後作為測量光束，所述測量光束獲取了測量反射鏡的二維角度變化量，所述測量光束再次經第一偏振分光鏡透射後按原光路返回，直到入射至分光鏡，並經該分光鏡反射後入射至第二偏振分光鏡，經該第二偏振分光鏡透射的光束由第一光電位置傳感器接收，該第一光電位置傳感器輸出的信號作為測量信號輸出給控制器；步驟四、步驟二獲取的反射光束經角錐反射鏡反射後形成的光束按原光路逆向返回， 該路光束作為參考光束，所述參考光束獲取了光束漂移量信息，所述參考光束入射至分光鏡後，經該分光鏡反射後入射至第二偏振分光鏡反射，經該第二偏振分光鏡反射後由第二光電位置傳感器接收，該第二光電位置傳感器輸出的位置信號作為光束漂移量參考信號輸出給控制器，由控制器計算出光束漂移量；步驟五、控制器根據接收的光束漂移量參考信號來實時控制二維光束偏轉裝置轉動， 將測量光束和參考光束同時向漂移量相反的方向進行偏轉，同時根據接收到的測量信號計算出測量反射鏡隨被測物偏轉的角度，實現二維光電自準直角度測量。
2.根據權利要求1所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法，其特徵在於，步驟四中的光束漂移量ε按下式獲取
3.根據權利要求1所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法，其特徵在於，步驟五中控制器根據接收的光束漂移量參考信號來實時控制二維光束偏轉裝置轉動，二維光束偏轉裝置對光束空間角度的調整量Φ為Φ = ε。
4.根據權利要求1或2所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法，其特徵在於，步驟五中的測量反射鏡隨被測物偏轉的角度θ按如下公式獲取
5.實現權利要求1至4任一權利要求所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法的裝置，其特徵在於，它包括二維光電自準直光管、基於角錐組合靶標的漂移量監測分離裝置、二維光束偏轉裝置(8)、測量反射鏡(12)和控制器(7)，二維光電自準直光管包括雷射光源(1)、分劃板(2)、分光鏡(3)、第一光電位置傳感器(6)和準直物鏡(9)；基於角錐組合靶標的漂移量監測分離裝置包括第一偏振分光鏡(10)、角錐反射鏡 (11)、第二偏振分光鏡(5)和第二光電位置傳感器(4)；第一偏振分光鏡(10)、角錐反射鏡(11)和測量反射鏡(12)固化封裝為一個角錐組合靶標，所述角錐組合靶標中的角錐反射鏡(U)的鏡面正對第一偏振分光鏡(10)的反射出光方向放置，所述角錐組合靶標用於隨被測物一起轉動來實現測量，所述角錐組合靶標在獲取二維角度變化量測量信號的同時分離出參考光束，所述參考光束與測量光束特性相同、且共光路傳輸；第二偏振分光鏡(5)用於接收分光鏡(3)的反射光束；第一光電位置傳感器(6)設置在第二偏振分光鏡(5)的透射光束出射方向的準直物鏡 (9)的焦面上，第二光電位置傳感器(4)設置在第二偏振分光鏡(5)的反射光束出射方向的準直物鏡(9)的焦面上，控制器(7)接收第一光電位置傳感器(6)和第二光電位置傳感器(4)反饋的信號，控制器(7)輸出控制信號用於控制二維光束偏轉裝置(8)的旋轉。
6.根據權利要求5所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置，其特徵在於，它還包括第一 1/4波片(13)，第一偏振分光鏡(10)、角錐反射鏡(11)、測量反射鏡(12)和第一1/4波片(13)固化封裝為一個角錐組合靶標，第一 1/4波片(13)設置在第一偏振分光鏡(10)與角錐反射鏡(11)之間。
7.根據權利要求6所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置，其特徵在於，它還包括第二 1/4波片(14)，第二 1/4波片(14)設置在第二偏振分光鏡(5)與二維光電自準直光管的分光鏡(3)之間。
8.根據權利要求5所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置，其特徵在於，雷射光源(1)發出的雷射束為圓偏振光、橢圓偏振光、正交線偏振光或單線偏振光。
9.根據權利要求5所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置，其特徵在於，角錐反射鏡(11)採用立方角錐反射鏡。
10.根據權利要求5所述的偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直裝置，其特徵在於，角錐反射鏡(11)採用直角圓錐反射鏡。
全文摘要
偏振光角錐靶標共光路補償的二維光電自準直方法與裝置，屬於精密儀器製造和精密測試計量技術領域，本發明為解決已有方法與裝置中的不足，實現高精度光電自準直角度測量。本發明基於角錐組合靶標的共光路漂移量監測分離裝置利用雷射的偏振特性，將偏振分光鏡、角錐反射鏡和測量反射鏡固化成角錐組合靶標，在獲取二維角度變化量的同時分離出與測量光束特性完全相同、且與測量光束共光路傳輸的參考光束；控制器根據參考光束反映的漂移量實時控制二維光束偏轉裝置，抑制耦合在測量光束中的漂移量，實現二維角度變化量的精密測量。實現該方法的裝置包括二維光電自準直光管、基於角錐組合靶標的共光路漂移量監測分離裝置、控制器和二維光束偏轉裝置。
文檔編號G02B27/28GK102176088SQ201110021730
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月19日 優先權日2011年1月19日
發明者崔繼文, 朱凡, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學