專利名稱：偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法與裝置，屬于精密儀器制造和精密測試計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著精密制造加工技術(shù)以及測量技術(shù)的不斷發(fā)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(zhǔn)直角度測量方法廣泛用于小角度測量、高精度角度標(biāo)校、平板的平面度測量、軸系的角晃動(dòng)測量、導(dǎo)軌的直線度測量、轉(zhuǎn)臺位置不確定度等測量領(lǐng)域，是機(jī)械制造、造船、航空航天、計(jì)量測試、科學(xué)研究等部門必備的常規(guī)測量儀器。激光由于其單色性好、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，常將其應(yīng)用在遠(yuǎn)距離高精度角度測量中，已有許多單位研制出基于激光光源的高精度光電自準(zhǔn)直儀(1.林玉池，張萍，趙美蓉， 洪昕.野外使用的半導(dǎo)體激光自準(zhǔn)直儀.航空精密制造技術(shù)，2001，37 (3) 35-37 ；2.馬福祿，張志利，周召發(fā).基于M型分劃絲的單線陣CXD直線度準(zhǔn)直儀.光學(xué)技術(shù)，2002，28 (3) 224-225 ；3.張堯禹，張明慧，喬彥峰.一種高精度CCD激光自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的研究.光電子·激光，2003，14(2) :168-170)，具有測量距離遠(yuǎn)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于自準(zhǔn)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(zhǔn)直儀的測量不確定度均在0.5"以上，僅有少數(shù)能夠達(dá)到 0.5"以下，并且對于測量不確定度優(yōu)于0.5"的光電自準(zhǔn)直儀，測量距離通常小于6m(l. 張繼友，范天泉，曹學(xué)東.光電自準(zhǔn)直儀研究現(xiàn)狀與展望.計(jì)量技術(shù)，2004. 7:27-29; 2.英國TaylorHobson公司的TA51，DA20，DA400型自準(zhǔn)直儀操作手冊.2002 ;3.德國 M0LLER-WEDEL公司的ELCOMAT vario雙軸自準(zhǔn)直儀中文操作手冊.2004 ；4.中國船舶工業(yè)第6354研究所九江精密測試技術(shù)研究所SZY-99型數(shù)顯自準(zhǔn)直儀中文操作手冊.2004)。光電自準(zhǔn)直儀中光束的漂移是制約測量不確定度的最主要因素，并且測量距離越遠(yuǎn)漂移量越大，測量不確定度難以得到保證。自準(zhǔn)直儀中光束的漂移主要來源于(1)照明光源出射光強(qiáng)度和方向不穩(wěn)定引起的漂移；(2)光束傳播路徑中大氣湍流隨機(jī)抖動(dòng)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(jié)果的漂移。(1.方仲彥，殷純永，梁晉文.高精度激光準(zhǔn)直技術(shù)的研究(一).航空計(jì)測技術(shù).1997，17(1) 3-6 ；2.萬德安.激光基準(zhǔn)高精度測量技術(shù).國防工業(yè)出版社.1999，6 58-78 ；3.黨敏，馮其波.提高激光準(zhǔn)直精度的途徑.光子技術(shù).2006，4(14) 190-193；4.胡新和，楊博雄.半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直儀及其激光束漂移補(bǔ)償研究.光學(xué)與光電技術(shù).2007，5 (3) :25-27)。抑制或補(bǔ)償自準(zhǔn)直光束的漂移是提高光電自準(zhǔn)直儀測量精度的關(guān)鍵，目前抑制或補(bǔ)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(xué)器件或雙縫等產(chǎn)生的衍射或干涉條紋的空間連線對漂移量不敏感的特點(diǎn)，來達(dá)到精密測量的目的。如采用波帶片在光源和波帶片中心連線的某一位置上出現(xiàn)一明亮的十字線，通過調(diào)節(jié)激光器與波帶片之間的可調(diào)焦望遠(yuǎn)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(zhǔn)直測量中的基準(zhǔn)線，由于十字亮線是衍射干涉的結(jié)果，故具有較好的抗干擾性，獲得了士lX10_7rad (即0.04")的準(zhǔn)直精度(張善鍾，于瀛浩，張之江.直線度平面度測量技術(shù).中國計(jì)量出版社，1997:79-81)。 但這種方法需要通過不斷調(diào)整調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡使十字亮線沿光軸移動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，限制了該方法的應(yīng)用。Richard F等人采用的泊松線法，利用平面波照明一個(gè)不透明球體，通過衍射的作用在球體后產(chǎn)生一條亮線即泊松線，該亮線垂直于入射平面波并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(zhǔn)直線，具有一定的抗干擾能力(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(jié)果。Hao Q等人采用位相板衍射準(zhǔn)直法，利用位相板衍射得到的中心暗線作為準(zhǔn)直基準(zhǔn)，當(dāng)入射光波是平行平面波且方向確定時(shí)，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(dá)到了抑制激光器光束漂移的效果，可達(dá)到10_6rad(即 0.2")的準(zhǔn)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)采用雙光路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ迦A大學(xué)劉興占等人提出的對稱雙光束法，采用一定的光路將出射光束分為兩束，當(dāng)入射光束方向發(fā)生漂移時(shí)，兩出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(dá)到了 1.8X10_6rad(即0.37")的準(zhǔn)直精度(劉興占，梁晉文，陳博一等.雙光束補(bǔ)償準(zhǔn)直系統(tǒng).計(jì)量技術(shù)，1999. 1 :12-15)。該方法中對稱雙光束的產(chǎn)成需要經(jīng)過多次反射和折射，對各光學(xué)元件的安裝精度和加工精度要求較高，并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(chǎn)生的漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч患?。北京交通大學(xué)匡萃方等人提出一種共路補(bǔ)償系統(tǒng)，將出射的激光束通過角錐棱鏡平行返回，經(jīng)過分光鏡分成兩束分別作為測量信號和補(bǔ)償信號，補(bǔ)償空氣擾動(dòng)帶來的附加位置誤差(匡萃方，馮其波，劉斌等.一種共路補(bǔ)償激光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?qū)崟r(shí)補(bǔ)償空氣擾動(dòng)帶來的角度漂移，但由于角錐棱鏡的逆向反射特性，使得該方法僅適用于直線度測量，難以應(yīng)用于角度測量。北京交通大學(xué)由鳳玲等人提出一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測光線漂移的角度誤差測量方法，采用分光鏡與角錐棱鏡作為移動(dòng)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(jīng)角錐棱鏡后原路返回作為補(bǔ)償光束，可獲得光束在測量過程中的角漂移，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，提高測量精度(由鳳玲，張斌，馮其波.一種基于光線漂移補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)軌角度誤差測量方法.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009. 33 (6) :5-8)。該方法中測量光束與補(bǔ)償光束在返回的過程中不共路，補(bǔ)償光束不能完全表征測量光束的漂移情況，補(bǔ)償效果不佳。(3)采用閉環(huán)反饋控制的方法采用閉環(huán)反饋控制的方式提高激光光束的方向穩(wěn)定性，為消除或補(bǔ)償由光束漂移造成的角度測量偏差，實(shí)現(xiàn)高精度的小角度測量提供了一種有效的技術(shù)途徑。西安理工大學(xué)于殿泓等人采用閉環(huán)反饋法抑制光束漂移，由反饋系統(tǒng)接收光束漂移信號，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對激光束的方向角進(jìn)行二維調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對光束漂移量的實(shí)時(shí)修正，達(dá)到了 5X10_7rad(gp :0.1")的精度(于殿泓，郭彥珍.提高激光準(zhǔn)直精度的一種方法.石油儀器，1999. 12 :18-20)。但該方法僅用于提高激光光線的方向性，無法應(yīng)用于角度測量。申請人:在2004年提出的漂移量反饋控制式補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分離檢測和控制激光光束的平漂和角漂，實(shí)現(xiàn)了特定方向上角漂移量0.6X10_7rad(即0.01〃 )的高穩(wěn)定性(趙維謙，譚久彬，馬洪文等.漂移量反饋控制式激光準(zhǔn)直方法.光學(xué)學(xué)報(bào)，2004. 24(3) 373-377)。但只能用于特定方向上的準(zhǔn)直，漂移量監(jiān)測和補(bǔ)償?shù)乃俣容^低，無法應(yīng)用于小角度測量等應(yīng)用場合。申請人:在2005年申請的發(fā)明專利“漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置和方法”(授權(quán)號ZL200510089852. 3)中，提出采用一種分光式靶標(biāo)探測器，在獲取二維小角度變化量的同時(shí)分離并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(jiān)測反饋光束所反映的角漂移量實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)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(zhǔn)直儀測量距離的同時(shí)提高了測量穩(wěn)定性。該方法中由于測量光束和反饋光束在返回過程中未共路傳輸，經(jīng)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，并且測量距離越大不一致性越嚴(yán)重，從而反饋控制系統(tǒng)不能對測量光束的漂移量進(jìn)行有效的抑制，制約了最終角度測量精度的提高。綜上，現(xiàn)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(xué)器件或雙縫等產(chǎn)生的衍射或干涉條紋的空間連線進(jìn)行準(zhǔn)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(dǎo)致準(zhǔn)直基線的漂移，并且對傳輸路徑中空氣擾動(dòng)的抑制能力有限；(2)采用雙光路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ?，對稱雙光束的產(chǎn)生比較困難，并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(bǔ)償?shù)男Ч患眩?3)采用閉環(huán)反饋控制的方式中，大多采用閉環(huán)反饋提高激光光線特定方向上的穩(wěn)定性，難以應(yīng)用于自準(zhǔn)直角度測量，并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(bǔ)償?shù)男Ч患眩萍s了最終角度測量精度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了克服上述已有方法與裝置中的不足，實(shí)現(xiàn)高精度光電自準(zhǔn)直角度測量，提供了一種偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法與裝置。本發(fā)明所述偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法包括以下步驟步驟一、將激光光源發(fā)出的一束線偏振光束經(jīng)分劃板、分光鏡和準(zhǔn)直物鏡后形成準(zhǔn)直光束并發(fā)射；步驟二、所述準(zhǔn)直光束經(jīng)二維光束偏轉(zhuǎn)裝置反射后，入射至第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射光束全部透射，透射后的光束入射至分光式靶標(biāo)探測器，所述分光式靶標(biāo)探測器將該光束分離出反射光束和透射光束；步驟三、步驟二獲取的反射光束作為測量光束，所述測量光束獲取了分光式靶標(biāo)
6探測器的二維角度變化量，所述測量光束再次經(jīng)第一偏振分光鏡透射后按原光路返回，直到入射至分光鏡，并經(jīng)該分光鏡反射后入射至第二偏振分光鏡，經(jīng)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、步驟二獲取的透射光束作為參考光束，所述參考光束獲取了光束漂移量信息，所述參考光束透過1/2波片后，再經(jīng)45°放置的反射鏡改變方向后，入射至第一偏振分光鏡，經(jīng)第一偏振分光鏡反射后的光束經(jīng)二維光束偏轉(zhuǎn)裝置反射后由準(zhǔn)直物鏡會聚，會聚后的光束經(jīng)該分光鏡反射后入射至第二偏振分光鏡反射，經(jīng)該第二偏振分光鏡反射后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(jì)算出光束漂移量；光束漂移量ε按下式獲取 ε = arctan
KJJ其中AcUf為相鄰兩個(gè)采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(zhǔn)直物鏡的焦距。步驟五、控制器根據(jù)接收的光束漂移量參考信號來實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，將測量光束和參考光束同時(shí)向漂移量相反的方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)接收到的測量信號計(jì)算出分光式靶標(biāo)探測器隨被測物偏轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)二維光電自準(zhǔn)直角度測量。二維光束偏轉(zhuǎn)裝置對光束空間角度的調(diào)整量Φ為Φ = ε。分光式靶標(biāo)探測器隨被測物偏轉(zhuǎn)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(gè)采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。偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直裝置它包括二維光電自準(zhǔn)直光管、基于探測器組合靶標(biāo)的漂移量監(jiān)測分離裝置、二維光束偏轉(zhuǎn)裝置、分光式靶標(biāo)探測器和控制器，二維光電自準(zhǔn)直光管包括激光光源、分劃板、分光鏡、第一光電位置傳感器和準(zhǔn)直物鏡；基于探測器組合靶標(biāo)的漂移量監(jiān)測分離裝置包括第一偏振分光鏡、反射鏡、1/2 波片、分光式靶標(biāo)探測器、第二偏振分光鏡和第二光電位置傳感器；第一偏振分光鏡、反射鏡、1/2波片和分光式靶標(biāo)探測器固化封裝為一個(gè)探測器組合靶標(biāo)，所述分光式靶標(biāo)探測器的鍍分光膜面正對第一偏振分光鏡的透射光出射面，所述分光式靶標(biāo)探測器的未鍍膜面正對反射鏡，所述反射鏡與分光式靶標(biāo)探測器的出射面之間呈45°放置，所述反射鏡與第一偏振分光鏡的反射光出射面呈45°放置，分光式靶標(biāo)探測器的未鍍膜面與反射鏡之間設(shè)置有1/2波片，所述探測器組合靶標(biāo)用于隨被測物一起轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)測量，所述探測器組合靶標(biāo)在獲取二維角度變化量測量信號的同時(shí)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；
第二偏振分光鏡用于接收分光鏡的反射光束；第一光電位置傳感器設(shè)置在第二偏振分光鏡的透射光束出射方向的準(zhǔn)直物鏡的焦面上，第二光電位置傳感器設(shè)置在第二偏振分光鏡的反射光束出射方向的準(zhǔn)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，控制器輸出控制信號用于控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1).本發(fā)明中利用了激光光束的線偏振特性，使二維光電自準(zhǔn)直光管發(fā)出的自準(zhǔn)直光束全部透過第一偏振分光鏡后，經(jīng)分光式靶標(biāo)探測器分為反射光束和透射光束，反射光束獲取了分光式靶標(biāo)探測器的二維角度變化量成為測量光束，測量光束的偏振方向與原偏振方向相同不發(fā)生變化，測量光束再次透過第一偏振分光鏡后返回二維光電自準(zhǔn)直光管，透射光束經(jīng)分光式靶標(biāo)探測器出射后成為參考光束，參考光束經(jīng)1/2波片后其偏振方向變?yōu)榕c原偏振方向垂直，即與測量光束的偏振方向垂直，參考光束經(jīng)45°反射鏡反射后再經(jīng)第一偏振分光鏡反射，與測量光束一起共路返回二維光電自準(zhǔn)直光管，在接收端根據(jù)測量光束與參考光束偏振態(tài)互相垂直的特點(diǎn)采用第二偏振分光鏡將二者分離；在整個(gè)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(qū)別于現(xiàn)有光電自準(zhǔn)直測量技術(shù)的特點(diǎn)之一；(2).本發(fā)明中可以將偏振分光鏡、分光式靶標(biāo)探測器、1/2波片和45°反射鏡作為一個(gè)整體固化封裝為一個(gè)探測器組合靶標(biāo)，該組合靶標(biāo)在獲取二維小角度變化量測量信號的同時(shí)可分離出與測量光束特性相同特別是可分離出與測量光束共光路傳輸?shù)膮⒖脊馐?；探測器組合靶標(biāo)整體封裝不僅顯著提高了光路的抗干擾能力，而且應(yīng)用時(shí)簡單方便，這是區(qū)別于現(xiàn)有光電自準(zhǔn)直測量技術(shù)的特點(diǎn)之二；(3).本發(fā)明中利用參考光束與測量光束完全共光路傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，結(jié)合閉環(huán)反饋控制技術(shù)，控制器根據(jù)參考光束反映的漂移量實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，抑制耦合在測量光束中的漂移量，從而大幅度提高組合靶標(biāo)隨被測物的二維角度變化量的測量精度，這是區(qū)別于現(xiàn)有光電自準(zhǔn)直測量技術(shù)的特點(diǎn)之三。


圖1是實(shí)施方式二所述偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是激光光源發(fā)出線偏振光束的示意圖；圖3是反射鏡采用平面反射鏡的示意圖；圖4是反射鏡采用全反射棱鏡的示意圖；圖5是反射鏡采用偏振分光鏡的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法包括以下步驟步驟一、將激光光源發(fā)出的一束線偏振光束經(jīng)分劃板、分光鏡和準(zhǔn)直物鏡后形成
8準(zhǔn)直光束并發(fā)射；步驟二、所述準(zhǔn)直光束經(jīng)二維光束偏轉(zhuǎn)裝置反射后，入射至第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射光束全部透射，透射后的光束入射至分光式靶標(biāo)探測器，所述分光式靶標(biāo)探測器將該光束分離出反射光束和透射光束；步驟三、步驟二獲取的反射光束作為測量光束，所述測量光束獲取了分光式靶標(biāo)探測器的二維角度變化量，所述測量光束再次經(jīng)第一偏振分光鏡透射后按原光路返回，直到入射至分光鏡，并經(jīng)該分光鏡反射后入射至第二偏振分光鏡，經(jīng)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、步驟二獲取的透射光束作為參考光束，所述參考光束獲取了光束漂移量信息，所述參考光束透過1/2波片后，再經(jīng)45°放置的反射鏡改變方向后，入射至第一偏振分光鏡，經(jīng)第一偏振分光鏡反射后的光束經(jīng)二維光束偏轉(zhuǎn)裝置反射后由準(zhǔn)直物鏡會聚，會聚后的光束經(jīng)該分光鏡反射后入射至第二偏振分光鏡反射，經(jīng)該第二偏振分光鏡反射后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(jì)算出光束漂移量；步驟五、控制器根據(jù)接收的光束漂移量參考信號來實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，將測量光束和參考光束同時(shí)向漂移量相反的方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)接收到的測量信號計(jì)算出分光式靶標(biāo)探測器隨被測物偏轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)二維光電自準(zhǔn)直角度測量。步驟四中的光束漂移量ε按下式獲取
權(quán)利要求
1.偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、將激光光源發(fā)出的一束線偏振光束經(jīng)分劃板、分光鏡和準(zhǔn)直物鏡后形成準(zhǔn)直光束并發(fā)射；步驟二、所述準(zhǔn)直光束經(jīng)二維光束偏轉(zhuǎn)裝置反射后，入射至第一偏振分光鏡，該第一偏振分光鏡將入射光束全部透射，透射后的光束入射至分光式靶標(biāo)探測器，所述分光式靶標(biāo)探測器將該光束分離出反射光束和透射光束；步驟三、步驟二獲取的反射光束作為測量光束，所述測量光束獲取了分光式靶標(biāo)探測器的二維角度變化量，所述測量光束再次經(jīng)第一偏振分光鏡透射后按原光路返回，直到入射至分光鏡，并經(jīng)該分光鏡反射后入射至第二偏振分光鏡，經(jīng)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、步驟二獲取的透射光束作為參考光束，所述參考光束獲取了光束漂移量信息， 所述參考光束透過1/2波片后，再經(jīng)45°放置的反射鏡改變方向后，入射至第一偏振分光鏡，經(jīng)第一偏振分光鏡反射后的光束經(jīng)二維光束偏轉(zhuǎn)裝置反射后由準(zhǔn)直物鏡會聚，會聚后的光束經(jīng)該分光鏡反射后入射至第二偏振分光鏡反射，經(jīng)該第二偏振分光鏡反射后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(jì)算出光束漂移量；步驟五、控制器根據(jù)接收的光束漂移量參考信號來實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)， 將測量光束和參考光束同時(shí)向漂移量相反的方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)接收到的測量信號計(jì)算出分光式靶標(biāo)探測器隨被測物偏轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)二維光電自準(zhǔn)直角度測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法，其特征在于，步驟四中的光束漂移量ε按下式獲取
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法，其特征在于，步驟五中控制器根據(jù)接收的光束漂移量參考信號來實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，二維光束偏轉(zhuǎn)裝置對光束空間角度的調(diào)整量Φ為Φ = ε。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法，其特征在于，步驟五中的分光式靶標(biāo)探測器隨被測物偏轉(zhuǎn)的角度θ按如下公式獲取
5.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法的裝置，其特征在于，它包括二維光電自準(zhǔn)直光管、基于探測器組合靶標(biāo)的漂移量監(jiān)測分離裝置、二維光束偏轉(zhuǎn)裝置(8)、分光式靶標(biāo)探測器(13)和控制器(7)，二維光電自準(zhǔn)直光管包括激光光源(1)、分劃板(2)、分光鏡(3)、第一光電位置傳感器(6)和準(zhǔn)直物鏡(9)；基于探測器組合靶標(biāo)的漂移量監(jiān)測分離裝置包括第一偏振分光鏡(10)、反射鏡 (11)、1/2波片(12)、分光式靶標(biāo)探測器(13)、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)、反射鏡(11)、1/2波片(12)和分光式靶標(biāo)探測器(13)固化封裝為一個(gè)探測器組合靶標(biāo)，所述分光式靶標(biāo)探測器(13)的鍍分光膜面正對第一偏振分光鏡(10)的透射光出射面，所述分光式靶標(biāo)探測器(13)的未鍍膜面正對反射鏡(11)，所述反射鏡(11)與分光式靶標(biāo)探測器(13)的出射面之間呈45°放置，所述反射鏡(11)與第一偏振分光鏡(10)的反射光出射面呈45°放置，分光式靶標(biāo)探測器(13)的未鍍膜面與反射鏡 (11)之間設(shè)置有1/2波片(12)，所述探測器組合靶標(biāo)用于隨被測物一起轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)測量， 所述探測器組合靶標(biāo)在獲取二維角度變化量測量信號的同時(shí)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)用于接收分光鏡(3)的反射光束；第一光電位置傳感器(6)設(shè)置在第二偏振分光鏡(5)的透射光束出射方向的準(zhǔn)直物鏡 (9)的焦面上，第二光電位置傳感器(4)設(shè)置在第二偏振分光鏡(5)的反射光束出射方向的準(zhǔn)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)輸出控制信號用于控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置(8)的旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直裝置，其特征在于，反射鏡(U)為平面反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直裝置，其特征在于，反射鏡(U)為全反射棱鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直裝置，其特征在于，反射鏡(11)為反射偏振方向與第一偏振分光鏡(10)的反射偏振方向相同的偏振分光鏡。
全文摘要
一種偏振光組合靶標(biāo)共光路補(bǔ)償?shù)亩S光電自準(zhǔn)直方法與裝置，屬于精密儀器制造和精密測試計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明為克服已有方法與裝置中的不足，實(shí)現(xiàn)高精度光電自準(zhǔn)直角度測量。本發(fā)明的基于探測器組合靶標(biāo)的共光路漂移量監(jiān)測分離裝置利用激光的線偏振特性，并將偏振分光鏡、分光式靶標(biāo)探測器、1/2波片及45°反射鏡組合形成探測器組合靶標(biāo)，在獲取二維角度變化量測量光束的同時(shí)分離出與測量光束共光路傳輸?shù)膮⒖脊馐?；控制器根?jù)參考光束反映的漂移量實(shí)時(shí)控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，抑制耦合在測量光束中的漂移量，實(shí)現(xiàn)二維角度變化量的精密測量。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置包括二維光電自準(zhǔn)直光管、基于探測器組合靶標(biāo)的共光路漂移量監(jiān)測分離裝置、控制器以及二維光束偏轉(zhuǎn)裝置。
文檔編號G02B27/28GK102176087SQ201110021728
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者崔繼文, 朱凡, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)