專利名稱：基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造和精密測試計量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光束角漂動態(tài)補 償?shù)亩S小角度測量裝置與方法。
背景技術(shù)：
目甜，常用的小角度測量(asr ，特別是在士10 20arcmin以內(nèi))方法包括激光小角度 測量儀法、標準光學(xué)角規(guī)法、圓光柵測角法、激光干涉測量法、光電自準直儀法。在諸多的 測量方法中，激光自準直測量方法充分利用激光的優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點， 在計量科學(xué)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。激光自準直測量方法是利用激光本身的方向性，以激 光光強分布中心作為基準直線，采用CCD、四象限光電池或PSD作為光電位置探測器，實現(xiàn) 角度的測量。激光自準直測角方法具有非接觸、準確度高、靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便 等特點。
隨著測量技術(shù)的不斷改進和提高，現(xiàn)代化高精度測量技術(shù)和方位瞄準跟蹤系統(tǒng)的發(fā)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(xué)比較儀等光學(xué)計量儀器的組成部分， 也可單獨用于光學(xué)測量、航空航天儀器裝調(diào)和軍用飛行器姿態(tài)測量等方面。
在高精度小角度測量中，對于測量不確定度優(yōu)于0.5〃的光電自準直儀，光源部分光束的 角漂移量是光電自準直儀測量誤差的主要來源。當(dāng)光源發(fā)出的光束存在光束漂移時，如氦氖 激光器諧振腔內(nèi)反射鏡變形引起光束的角漂移量為10-6 10-7rad，即0.02" 0.2" (1.力'德 安.激光基準高精度測量技術(shù).國防工業(yè)出版社.1999年6月；2.方仲彥，殷純永，梁晉文.高 精度激光準直技術(shù)的研究(一).航空計測技術(shù).1997， 17 (1): 3 — 6)，如果采用光斑中心 定位方法則接收器接收的光斑中心隨光束漂移而漂移；如果采用輪廓中心定位方法，則由于 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(chǎn)生輪廓中心的定位偏差。如果不對該角漂移量進行修IH或補償，將直接反饋回小角度的 測量結(jié)果引起角度測量偏差，導(dǎo)致儀器數(shù)據(jù)重復(fù)性差，穩(wěn)定性不好。若要進一歩提高測量不 確定度，僅僅依靠提高光束自身的準直精度，無論是從現(xiàn)有技術(shù)還是工藝水平上都是難以實 現(xiàn)的。采用誤差分離和補償技術(shù)，特別是動態(tài)補償技術(shù)，為消除或補償修正該角漂移量引起 的角度測量誤差，實現(xiàn)高精度的小角度測量提供了一種有效的技術(shù)途徑。
目前，工程中廣泛使用的光電自準直儀，如國家計量局北京計量儀器廠出產(chǎn)的702型光 電自準直儀，采用光學(xué)自準直原理，利用電表指零來確定瞄準狀態(tài)，從測微鼓輪上或直接從 電表上讀數(shù)，測量分辨力為o.r，測量不確定度為10'范圍內(nèi)為2"，視場中心任意4〃 6"
范圍內(nèi)為0.5"(武晉燮.幾何量精密測量技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1989年9月)。該測量
方案測量的是一維角度量，如果測量另一維角度量，必須在這個方向上重新調(diào)整儀器，導(dǎo)致
測量過程繁瑣且數(shù)據(jù)重復(fù)性差，同時會引入人為測量誤差以及機械的回程誤差；同時光束的
角漂移量仍然存在，測量不確定度難以提高。
為了克服自準直儀在測量兩個方向的角度量時，二次調(diào)整儀器所帶來的重復(fù)性誤差的缺 點，提高光電自準直儀的測量分辨力，同時能滿足數(shù)據(jù)實時顯示和存儲的需要，許多廠家和
科研院所都制造出采用高精度光電探測器件測量二維角度的光電自準直儀，例如
1. 德國ELCOMAT公司生產(chǎn)的型號為ELCOMAT3000的雙軸電子自準直儀。采用高精度的 CCD圖像傳感器，通過測量CCD圖像傳感器上接收到的光斑中心移動的位移量來精確測 出反射鏡的小角度變化量，技術(shù)指標如下角度測量范圍為土15.5'，角度測量不確定度 為0.1〃 (德國MOLLER-WEDEL公司ELCOMAT3000雙軸電子自準直儀中文操作手冊.)
2. 專利98229708.4 "動態(tài)光電自準直儀"的被測反射鏡的二維角位移造成矩形孔像斑的二 維角位移量
3. 專利99242552.2 "二維動態(tài)數(shù)顯式自準直儀"把現(xiàn)有的一維自準直儀中的十字形分劃板 改為三角形分劃板。在半透膜立方棱鏡和雙刻線分劃板之間安裝一個分光鏡，分光鏡反 射像處有一 CCD接收器，電子測量裝置對CCD接收器的信息進行控制和數(shù)據(jù)處理；
4. 專利99254139.5 "光電自準直儀"的分劃板設(shè)置有帶N字型、A型、V型等指標線圖案， 分光棱鏡的共軛焦平面處設(shè)置有一維圖像探測器件，通過指標線圖案與一維圖像探測器 件的相互位置關(guān)系計算偏角；
5. 專利200110032713. 2 "自準直儀"提供一種能夠同時進行測量對象物的法線傾斜的粗調(diào) 和微調(diào)的自準直儀，通過向測量對象物照射光源的激光，使從測量對象物反射回來的回 返光通過凸透鏡會聚，進一步通過凹透鏡變?yōu)槠叫泄?，然后映射到第一屏幕，由此來檢 測測量對象物的法線傾斜； ' .
6. 專利200510077456.9 "基于光程倍增補償方法的二維光電自準直裝置和測量方法"通過 在激光光源和分劃板之間放置一前置分光鏡來獲取與測量光束特性完全相同的參考光 束， 一光程倍增裝置對參考光束進行多次反射， 一甜置CCD圖像傳感器對光束的角漂移 量進行監(jiān)測，可顯著提高二維光電自準直儀的測量穩(wěn)定性和測量精度。
7. 專利200510072253.0 "基于動態(tài)差動補償方法的二維光電自準直裝置和測量方法"采用 共光路光學(xué)差動結(jié)構(gòu)，將光束的角漂移量轉(zhuǎn)變?yōu)楣材Ｕ`差，實時分離和動態(tài)補償光束的 角漂移量引起的角度測量誤差，提高二維光電自準直儀的測量穩(wěn)定性、重復(fù)性和測量不 確定度。
8. 專利200510117263.1和200510089852.3中所述"光電自準直儀"利用分光式靶探測器在 獲取二維小角度變化量測量信號的同時分離并反饋回與測量光束特性完全相同的激光光 源固有的角漂移分量反饋光束，漂移量監(jiān)測裝置對其角漂移量進行實時監(jiān)測，計算機根 據(jù)其監(jiān)測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，將測量光束按照角漂移量相反的 方向進行調(diào)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。 由于采用了高精度的光電探測器件，尤其是CCD圖像傳感器，提高測量分辨力的同時實 現(xiàn)了二維角度的自動化測量，數(shù)據(jù)實時顯示和存儲，而且也很好的消除了由于二次調(diào)整儀器 而引入的人為測量誤差和機械回程誤差的缺點。
但在實際應(yīng)用中，尤其是從光路和機械結(jié)構(gòu)以及測量過程中可知上述測量方案均存在如 下不足之處方案1-5中沒有采用任何誤差補償或修T:的手段，光束的角漂移量在測量過程 中沒有消除，最后疊加在測量結(jié)果中引起角度測量偏差；方案6-8雖然采取了不同的誤差補 償方法對激光束角漂進行實時補償，但不能克服測量過程中光電自準直儀自身的角度晃動所 引起的角度測量誤差，不適用于通過移動光電自準直儀對一系列測點進行二維角度測量的應(yīng) 用場合，直接限定了光電自準直儀的應(yīng)用范圍，這是現(xiàn)有測量方案本身的不足之處，也是當(dāng) 甜光電自準直儀的實際應(yīng)用中未能解決的重要問題。另外，自準直儀的測量對象反射面不能 太小(例如ELCOMAT 3000自準直儀的被測面直徑不能小于7mm),否則將造成大部分平 行光無法被其反射回自準直儀，導(dǎo)致CCD圖像傳感器接收到的圖像信號太弱而無法完成角度
測量，這也是光電自準直儀的一個重要缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有的二維小角度測量方法中應(yīng)用最廣泛的光電自準直儀測 量方案中存在的不足，提供一種基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置和方法，采用 動態(tài)角漂誤差補償光路，將光束的角漂移量轉(zhuǎn)變?yōu)楣材Ｕ`差，實時分離和動態(tài)補償光束的角 漂移量引起的角度測量偏差，提高二維小角度測量的穩(wěn)定性、重復(fù)性和測量不確定度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置，包括線
偏振He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器、二維位相板、線偏振片、切向、徑向測角單元及與其對 應(yīng)的傅立葉變換透鏡和CCD圖像傳感器，可對測點處二維小角度信息進行同時采集的切向與 徑向測角單元分別位于正交平面YOZ和XOY面內(nèi)，且均包含可對光束角漂進行實時動態(tài)補 償?shù)恼`差補償光路，并均以衍射準直光束為測量基準光束。
光源采用線偏振He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化后產(chǎn)生的 線偏振光。
測量基準光束為由二維位相板生成的衍射準直細光束，光束直徑為lmm。 徑向測角單元中光束角漂誤差補償光路的光學(xué)器件為平面反射鏡或直角棱鏡，可進行一
維角度調(diào)節(jié)的分光鏡與平面反射鏡或直角棱鏡之間放置一線偏振片。
切向測角單元中光束角漂誤差補償光路的光學(xué)器件為平面反射鏡，可進行一維角度調(diào)節(jié) 的偏振分光鏡與平面反射鏡之間放置一 波片。
切向測角單元與徑向測角單元之間放置一 波片。
CCD圖像傳感器與徑向測角單元之間放置一傅立葉變換透鏡，CCD圖像傳感器與切向測 角單元之間放置一傅立葉變換透鏡。
被測表面與切向測角單元之間放置一線偏振片或X/2波片。 測量方法包括以下步驟
(1) 調(diào)整分光鏡，使得CCD圖像傳感器接收到的測量光斑與參考光斑完全分離調(diào)整偏 振分光鏡，使得CCD圖像傳感器接收到的測量光斑與參考光斑完全分離；調(diào)整完畢后將 分光鏡和偏振分光鏡固定，然后對該部件進行校準，校準后該部件在角度測量過程中不 再對其進行調(diào)整； '
(2) 使線偏振He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化后產(chǎn)生的直徑 為lmm的細光束垂直入射至二維位相板，生成衍射準直光束；
(3) 由二維位相板生成的衍射準直光束經(jīng)過線偏振片入射至分光鏡，反射光束經(jīng)過線偏振 片后被平面反射鏡反射，再次經(jīng)過線偏振片入射至分光鏡，透射光束經(jīng)平面反射鏡反射， 透過傅立葉透鏡后被CCD圖像傳感器接收，光斑的極小值坐標作為徑向測角單元的參考 信號；
(4) 分光鏡的透射光束經(jīng)五角棱鏡折轉(zhuǎn)90。，透過V2波片后入射至偏振分光鏡，透射光 束經(jīng)線偏振片改變振動方向后入射至測點處，攜帶被測二維角度信息的返回光束再次經(jīng) 過線偏振片入射至偏振分光鏡，透射光束透過波片后經(jīng)五角棱鏡折轉(zhuǎn)90° ，再經(jīng)分 光鏡和反射鏡反射，透過傅立葉透鏡后被CCD圖像傳感器接收，光斑的極小值坐標作為 徑向測角單元的測量信號；
(5) 五角棱鏡的出射光束透過V2波片入射至偏振分光鏡，反射光束經(jīng)波片后經(jīng)平面 反射鏡反射，再次透過波片后完全透過偏振分光鏡，經(jīng)五角棱鏡折轉(zhuǎn)90°后被反射 鏡反射，透過傅立葉透鏡被CCD圖像傳感器接收，光斑的極小值坐標成為切向測角單元 的參考信號；
(6) 自測點返回的光束入射至偏振分光鏡，反射光束經(jīng)五角棱鏡折轉(zhuǎn)卯°后被反射鏡反 射，透過傅立葉透鏡后被CCD圖像傳感器接收，光斑的極小值坐標成為切向測角單元的
(7) 對于切向及徑向測角單元，由各自的光束角漂誤差補償光路實時監(jiān)測并分離出基準光 束角漂信號，進行實時動態(tài)差動處理，即可動態(tài)補償由角漂量引起的角度測量誤差，精
確測出測點處徑向及切向的二維小角度變化量；對于徑向角度測量
A=(K)/(2/)
式中^為測點處反射面沿徑向的小角度變化量；" ， & 分別為徑向測角單元測量及 參考信號的極小值在CCD圖像傳感器上的位移量，,為傅立葉透鏡8的等效焦距；同理， 對于切向角度測量
《=(K)/(2/)
式中^為測點處反射面沿切向的小角度變化量；A"， Ar分別為切向測角單元測量及參 考信號的極小值在CCD圖像傳感器上的位移量，/為傅立葉透鏡的等效焦距。
本發(fā)明具有以下特點和良好效果
1. 充分利用了衍射準直光束的特性，通過采用二維位相板將入射的準直光束變成衍射準 直光束，測量光斑的對比度大大提高，并以衍射光斑圖樣的極小值為測量基準，提高抗干擾 能力的同時，可顯著提高角度測量分辨力，這是區(qū)別于現(xiàn)有二維小角度測量技術(shù)的創(chuàng)新點之
2. 在兩個測角單元中均引入誤差補償光路，使由激光束角漂引起的測量信號變化量與參 考信號變化量大小相等、方向相同，CCD圖像傳感器能夠同時獲取測量信號與參考信號的角 度變化，可以實時分離和動態(tài)補償由于激光束角漂引起的角度測量誤差，并可有效抑制測量 過程中自準直儀自身的角度晃動所引起的角度測量誤差，提高了角度測量的穩(wěn)定性和重復(fù)性， 滿足了二維小角度高精度測量的需要，這是區(qū)別于現(xiàn)有二維小角度測量技術(shù)的創(chuàng)新點之二；
3. 將兩個基于衍射準直技術(shù)的一維小角度測量單元合理的集成為一個二維小角度測量 系統(tǒng)，在不降低角度測量精度的甜提下，能夠同時感測測點處的二維角度信息，滿足了小面 積被測面的二維小角度高精度測量，這是區(qū)別于現(xiàn)有小角度測量技術(shù)的創(chuàng)新點之三。


圖1是基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是二維位相板的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是CCD圖像傳感器接收到的衍射光斑圖樣
圖4是徑向測角單元中由光束角漂引起的測量及參考光束變化示意圖
圖5是切向測角單元中由光束角漂引起的測量及參考光束變化示意圖
圖6是光源采用半導(dǎo)體激光器時的示意圖
圖7是徑向測角單元中平面參考鏡采用直角棱鏡時的結(jié)構(gòu)示意圖
圖8是徑向測角單元中平面參考鏡采用直角棱鏡時測量及參考光束變化示意圖
圖9是自準直儀自身圍繞切向產(chǎn)生角度晃動時徑向測量與參考光束變化示意圖
圖10a是測量及參考光斑完全重合無法分辨時的示意圖
圖10b是調(diào)整分光鏡后，CCD圖像傳感器接收到的測量及參考光斑完全分離時的示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合圖和實施例對本發(fā)明的基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置和方法進
行詳細描述
如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括線偏振He-Ne激光器l、 二維位相板2、線偏振片3、徑向、 切向測角單元22、 21及與其對應(yīng)的傅立葉變換透鏡8、 19和CCD圖像傳感器9、 20;基本工作 過程如下線偏振He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器l發(fā)出的直徑為lmm的準直光束垂直入射至二 維位相板2，生成的衍射準直光束經(jīng)過線偏振片3入射至分光鏡4，反射光束經(jīng)過線偏振片5后 經(jīng)平面反射境6反射，再次經(jīng)過線偏振片5入射至分光鏡4，透射光束經(jīng)平面反射鏡7反射，透 過傅立葉透鏡8后被CCD圖像傳感器9接收，以衍射光斑的極小值坐標作為徑向測角單元22的 參考信號；透射光束經(jīng)i:角棱鏡10折轉(zhuǎn)90。，透過人/2波片ll后入射至偏振分光鏡12,透射光 束經(jīng)線偏振片17入射至測點處，攜帶被測二維角度信息的返回光束再次經(jīng)過線偏振片17入射 至偏振分光鏡12，透射光束透過X/2波片后經(jīng)五角棱鏡10折轉(zhuǎn)卯。，再經(jīng)分光鏡4和反射鏡7反 射，透過傅立葉透鏡8后被CCD圖像傳感器9接收，衍射光斑的極小值坐標作為徑向測角單元 22的測量信號。五角棱鏡10的出射光束經(jīng)V2波片入射至偏振分光鏡12，反射光束經(jīng)人/4波片13 后經(jīng)平面反射鏡14反射，再次透過V4波片13后全部透過偏振分光鏡12，經(jīng)五角棱鏡15折轉(zhuǎn)90 °后被反射鏡16反射，透過傅立葉透鏡1'9后被CCD圖像傳感器20接收，衍射光斑的極小值坐 標成為切向測角單元21的參考信號；自測點返回的光束經(jīng)線偏振片17入射至偏振分光鏡12， 反射光束經(jīng)五角棱鏡15折轉(zhuǎn)90。后被反射鏡16反射，透過傅立葉透鏡19后被CCD圖像傳感器 20接收，衍射光斑的極小值坐標成為切向測角單元21的測量信號；其中，二維位相板的相位 結(jié)構(gòu)見下式<formula>formula see original document page 9</formula>
參見圖2，在光學(xué)基片28的一、三象限部分鍍一定厚度的增透膜29，使一、三象限與二、四 象限部分透過光束產(chǎn)生的位相差為兀，CCD圖像傳感器上接收到的衍射光斑圖樣見圖3。
參見圖4及圖5，對于徑向及切向角度測角單元22、 21，激光束角漂引起參考信號和測
量信號同時變化，由對應(yīng)的參考光路實時監(jiān)測并分離出基準光束角漂信號，進行實時動態(tài)差 動處理，通過求取測量光斑與參考光斑的極小值位移量的差值即可動態(tài)補償由角漂量引起的 角度測量誤差，精度測出測點處徑向及切向的二維小角度變化量。對于徑向角度測量<formula>formula see original document page 10</formula>
式中^為測點處反射面沿徑向的小角度變化量；" ， Aw分別為徑向測角單元22中測量及
參考信號基準在CCD圖像傳感器9上的位移量，/為傅立葉透鏡8的等效焦距；同理，對于
切向角度測量
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中^為測點處沿切向的小角度變化量；^/r， Ar分別為切向測角單元21中測量及參考信 號基準在CCD圖像傳感器20上的位移量，/為傅立葉透鏡19的等效焦距。
本發(fā)明在線偏振片3和五角棱鏡10之間放置一分光鏡4，將入射光束分成徑向測角單元 22的測量光束和參考光束，參考光束通過參考反射鏡6和反射鏡7將光束的角漂轉(zhuǎn)變?yōu)楣材?誤差，采用誤差分離技術(shù)和動態(tài)補償技術(shù)對光束角漂引起的徑向角度測量誤差進行動態(tài)補償； 在波片11和線偏振片17之間放置一偏振分光棱鏡12,將五角棱鏡10的出射光束分成切 向測角單元21的測量光束和參考光束，參考光束通過參考反射鏡14將光束的角漂轉(zhuǎn)變?yōu)楣?模誤差，采用誤差分離技術(shù)和動態(tài)補償技術(shù)對光束角漂引起的切向角度測量誤差進行動態(tài)補 償。其中，線偏振片5的作用是調(diào)整徑向測角單元22的測量與參考信號的相對強度，并使其 相等；X/2波片11的作用是調(diào)整切向測角單元21的測量與參考信號的相對強度，并使二者相 等；人/4波片13的作用是使自偏振分光鏡12反射的線偏振光變?yōu)閳A偏振光，參考反射鏡14 的作用是使入射的圓偏振光的旋向發(fā)生改變，當(dāng)改變旋向的圓偏振光再次經(jīng)過X/4波片13時， 圓偏振光又變?yōu)榫€偏振光，偏振方向與入射光的偏振方向 H交，根據(jù)偏振分光鏡的分光特性， 此時該光束經(jīng)過偏振分光鏡12時將完全透射，構(gòu)成切向測角單元21的參考光束，而無反射 光分量，避免了徑向測角單元22干擾信號的產(chǎn)生。
參見圖l，為了減少光能損失，線偏振片17也可采用V2波片。
參見圖6，本發(fā)明中的線偏振He-Ne激光器也可以采用半導(dǎo)體激光器，并經(jīng)單模光纖準直 系統(tǒng)準直、細化。
參見圖7，平面參考鏡6也可采用直角棱鏡27，徑向測角單元22中的測量及參考光束傳 播路徑參見圖8，此時由光束角漂引起的徑向角度測量誤差為差模信號，通過對測量光斑與 參考光斑的極小值位移量求和即可動態(tài)補償由角漂量引起的徑向角度測量誤差，即
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中^為測點處沿徑向的小角度變化量；"w ， d朋分別為徑向測角單元22測量及參考信號
基準在CCD圖像傳感器9上的位移量，/為傅立葉透鏡8的等效焦距；在這種情況下，光束 在切向測角單元21中的傳播路徑不發(fā)生變化，不影響其誤差補償方式及測量結(jié)果。
參見圖9，當(dāng)光電自準直儀整體圍繞切向產(chǎn)生角度晃動時，徑向角度測量與參考光束的 出射方向均不發(fā)生變化，進而對徑向角度測量結(jié)果不產(chǎn)生影響。
下面詳細說明本發(fā)明所述的方法
1) 為了避免測量光束23和參考光束24由于光束重疊導(dǎo)致CCD圖像傳感器9接收到的光斑 重疊而無法精確定位，參見圖10a，需要對分光鏡4圍繞0Y軸進行一維角度調(diào)節(jié)，具體 調(diào)整過程為根據(jù)徑向測角單元22中各光學(xué)元件的幾何光學(xué)特性，當(dāng)分光棱鏡4圍繞 OY軸發(fā)生轉(zhuǎn)動時，測量光束23及參考光束24在XOY面內(nèi)的投影角度并不發(fā)生變化， 但在YOZ面內(nèi)的投影角度均發(fā)生變化，且變化方向相反。參見圖10b，適當(dāng)調(diào)整分光鏡 4圍繞OY軸的旋轉(zhuǎn)角度，使得CCD圖像傳感器9接收到的測量光斑與參考光斑完全分 離-,同理，為了避免測量光束25和參考光束26由于光束重疊導(dǎo)致CCD圖像傳感器20 接收到的光斑重疊而無法精確定位，需要對偏振分光鏡12圍繞OY軸進行一維角度調(diào)整， 調(diào)整過程類似于徑向測角單元22中分光鏡4的調(diào)整，適當(dāng)調(diào)整偏振分光鏡12圍繞OY 軸的旋轉(zhuǎn)角度，使得CCD圖像傳感器20接收到的測量光斑與參考光斑完全分離。調(diào)整 完畢后，應(yīng)將分光鏡4及偏振分光鏡12固定，在測量過程中不再對二者進行調(diào)整。
2) 線偏振He-Ne激光器1發(fā)出的直徑為lmm的細光束垂直入射至二維位相板2，生成衍射 準直光束；
3) 由二維位相板生成的衍射準直光束經(jīng)過線偏振片3入射至分光鏡4，反射光束經(jīng)過線偏振 片5后經(jīng)平面反射境6反射，再次經(jīng)過線偏振片5入射至分光鏡4，透射光束經(jīng)平面反射 鏡7反射，透過傅立葉透鏡8后被CCD圖像傳感器9接收，光斑的極小值坐標作為徑向 測角單元22的參考信號；
4) 由二維位相板生成的衍射準直光束經(jīng)過線偏振片3入射至分光鏡4，透射光束經(jīng)五角棱鏡 10折轉(zhuǎn)90° ，透過波片11后入射至偏振分光鏡12，透射光束經(jīng)線偏振片17改變振 動方向后入射至測點處，攜帶被測二維角度信息的返回光束再次經(jīng)過線偏振片17入射至 偏振分光鏡12，透射光束透過人/2波片后經(jīng)五角棱鏡10折轉(zhuǎn)90。，再經(jīng)分光鏡4和反射 鏡7反射，透過傅立葉透鏡8后被CCD圖像傳感器9接收，光斑的極小值坐標作為徑向 測角單元22的測量信號；
5) 五角棱鏡10的出射光束經(jīng)波片入射至偏振分光鏡12，反射光束經(jīng)波片13后經(jīng)平 面反射鏡14反射，再次透過X/4波片13后完全透過偏振分光鏡12，經(jīng)五角棱鏡15折轉(zhuǎn) 9(T后被反射鏡16反射，透過傅立葉透鏡19后被CCD圖像傳感器20接收，光斑的極 小值坐標成為切向測角單元21的參考信號；
6) 自測點返回的光束入射至偏振分光鏡12，反射光束經(jīng)五角棱鏡15折轉(zhuǎn)90°后被反射鏡 16反射，透過傅立葉透鏡19后被CCD圖像傳感器20接收，光斑的極小值坐標成為切向 測角單元21的測量信號；
7) 當(dāng)被測對象在XOY和YOZ面內(nèi)角度變化分量分別為&、 ^時，對于徑向及切向角測角 單元22、 21，根據(jù)參考光路的結(jié)構(gòu)特性，角漂引起的角度測量誤差直接反映為共模誤差， 測量信號與參考信號同時漂移。對于徑向角度測量，由被測角分量^引起的測量信號在 CCD圖像傳感器9上的變化量為《,，光束角漂引起的測量信號的變化量為A《。，CCD 圖像傳感器9接收到的測量信號的變化量為.《=《,+A《。，此時參考信號的變化量也 為A《。，所以可由對應(yīng)的參考光路實時監(jiān)測并分離出基準光束角漂信號，進行實時動態(tài) 差動處理，即可動態(tài)補償由角漂量引起的徑向角度測量誤差，精度測出測點處徑向的小 角度變化量&:
式中/為傅立葉透鏡8的等效焦距；同理，可精確得出切向角度的測量結(jié)果:
式中&為測點處沿切向的小角度變化量；《,為由被測角分量^引起的測量信號在CCD 圖像傳感器20上的變化量，A《。為由光束角漂引起的測量信號在CCD圖像傳感器20上 的變化量。
由此可見，在測量結(jié)果中，對參考信號和測量信號進行實時差動處理，即可分離并動態(tài) 補償光束角漂引起的角度測量誤差，提高了二維小角度測量的穩(wěn)定性、重復(fù)性和測量不確定
如圖1所示，首先調(diào)整分光鏡4和偏振分光鏡19，使CCD圖像傳感器9和20接收到的 測量及參考光斑完全分離，參見圖10，從而避免兩個測角單元中測量及參考光束的重疊導(dǎo)致 CCD圖像傳感器接收到的光斑重疊而無法精確定位，調(diào)整完畢后，應(yīng)將分光鏡4及偏振分光 鏡12固定，在測量過程中不再對二者進行調(diào)整。線偏振He-Ne激光器1發(fā)出的準直光束垂 直入射至二維位相板2，生成衍射準直光束；該光束經(jīng)過線偏振片3入射至分光鏡4，反射光 束經(jīng)過線偏振片5后經(jīng)平面反射境6反射，再次經(jīng)過線偏振片5入射至分光鏡4，透射光束 經(jīng)平面反射鏡7反射，透過傅立葉透鏡8后被CCD圖像傳感器9接收，光斑的極小值坐標作 為徑向測角單元22的參考信號；透射光束經(jīng)五角棱鏡10折轉(zhuǎn)90。，透過X/2波片11后入射 至偏振分光鏡12,透射光束經(jīng)線偏振片17改變振動方向后入射至測點處，攜帶被測二維角 度信息的返回光束再次經(jīng)過線偏振片17入射至偏振分光鏡12，透射光束透過1/2波片后經(jīng)五
A =[(《/W卯]/(2/)《/(2/)
實施例l:
角棱鏡10折轉(zhuǎn)90° ，再經(jīng)分光鏡4和反射鏡7反射，透過傅立葉透鏡8后被CCD圖像傳感 器9接收，光斑的極小值坐標作為徑向測角單元22的測量信號；五角棱鏡10的出射光束經(jīng) 波片入射至偏振分光鏡12,反射光束經(jīng)1/4波片13后經(jīng)平面反射鏡14反射，再次透過1/4 波片13后完全透過偏振分光鏡12，經(jīng)五角棱鏡15折轉(zhuǎn)90°后被反射鏡16反射，透過傅立 葉透鏡19后被CCD圖像傳感器20接收，光斑的極小值坐標成為切向測角單元21的參考信 號；自測點返回的光束入射至偏振分光鏡12后，反射光束經(jīng)五角棱鏡15折轉(zhuǎn)90°后被反射 鏡16反射，透過傅立葉透鏡19后被CCD圖像傳感器20接收，光斑的極小值坐標成為切向 測角單元21的測量信號；參見圖4及圖5，對于徑向及切向角度測量單元22、 21，由對應(yīng)的 參考光路實時監(jiān)測并分離出基準光束角漂信號，進行實時動態(tài)差動處理，通過求取測量光斑 與參考光斑的極小值位移量的差值即可動態(tài)補償由角漂量引起的角度測量誤差，精度測出測 點處徑向及切向的二維小角度變化量。對于徑向角度測量
式中^為測點處沿徑向的小角度變化量；c4ffl， d朋分別為徑向測角單元22測量及參考信號 基準在CCD圖像傳感器9上的線位移量，,為傅立葉透鏡8的等效焦距；同理，對于切向角<formula>formula see original document page 13</formula>
式中^為測點處沿切向的小角度變化量；《W， Ar分別為切向測角單元測量及參考信號基 準在CCD圖像傳感器20上的線位移量，./為傅立葉透鏡19的等效焦距。
本實施例中，光源為線偏振He-Ne激光器，光束直徑為lmm,各光學(xué)元件的表面粗糙度為 V4，分光棱鏡4和12的反射光束偏角誤差《5'，透射光束偏角誤差《3'，四個直角通光表面均 鍍有窄帶多層增透膜，五角棱鏡IO、 15的光束轉(zhuǎn)角誤差《3'，線偏振片3、 5、 17的削光比為 100， V4波片13和V2波片11的延遲精度為人/300，傅立葉透鏡8、 19的等效焦距為500mi實 驗結(jié)果表明，該二維小角度測量裝置在測量分辨力達到().05〃的情況下，測量穩(wěn)定性優(yōu)于 0.1"/h，測量不確定度優(yōu)于0.2"，實現(xiàn)了高精度二維小角度測量。
實施例2:
參見圖7，平面參考鏡6也可采用直角棱鏡27，徑向測角單元22中由角漂引起的測量及 參考光束變化參見圖8，此時由光束角漂引起的徑向角度測量誤差為差模信號，本實施例中 的其它部件及工作原理與實施例1相同。對于徑向角度測量，通過對測量光斑與參考光斑的 極小值位移量求和即可動態(tài)補償由角漂引起的徑向角度測量誤差，艮P:
<formula>formula see original document page 13</formula>
式中^ 為測點處沿徑向的小角度變化量；《柳，Aw分別為徑向測角單元21測量及參考
信號基準在CCD圖像傳感器9上的位移量，./為傅立葉透鏡8的等效焦距；在這種情況下，光束 在切向測角單元21中的傳播路徑不發(fā)生變化，不影響其誤差補償方式及測量結(jié)果。
實施例3:
如圖6所示，線偏振He-Ne激光器采用半導(dǎo)體激光器，并經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化 后入射至二維位相板2，本實施例的其它部件及工作原理均與實施例l相同。 實施例4:
如圖1所示，線偏振He-Ne激光器采用半導(dǎo)體激光器，并經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化 后入射至二維位相板2，本實施例的其它部件及工作原理均與實施例2相同。 實施例5:
如圖1所示，光源采用線偏振He-Ne激光器l，線偏振片17采用V2波片，本實施例的其它 部件及工作原理均與實施例l相同。 實施例6:
如圖8所示，光源采用線偏振He-Ne激光器l，線偏振片17采用V2波片，本實施例的其它 部件及工作原理均與實施例2相同。 實施例7:
參見圖1和圖6，光源采用半導(dǎo)體激光器30，并經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化后入射至 二維位相板2，線偏振片17采用V2波片，本實施例的其它部件及工作原理均與實施例l相同。 實施例8:
參見圖1和圖6，光源采用半導(dǎo)體激光器30，并經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化后入射至 二維位相板2，線偏振片17采用V2波片，本頭'施例的其它部件及工作原理均與實施例2相同。
權(quán)利要求
1. 一種基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置，包括線偏振He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器(1)、二維位相板(2)、線偏振片(3)、切向、徑向測角單元(21)、(22)及與其對應(yīng)的傅立葉變換透鏡(19)、(8)和CCD圖像傳感器(20)、(9)，其特征在于可對測點處二維小角度信息進行同時采集的切向與徑向測角單元(21)、(22)分別位于正交平面YOZ和XOY面內(nèi)，且均包含可對光束角漂進行實時動態(tài)補償?shù)恼`差補償光路，并均以衍射準直光束為測量基準光束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于光源采用線偏振He-Ne激光器 或半導(dǎo)體激光器'(l)經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化后產(chǎn)生的線偏振光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于測量基準光束為由二維位相板(2)生成的衍射準直細光束，光束直徑為lmm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于徑向測角單元(22)中光束角 漂誤差補償光路的光學(xué)器件為平面反射鏡(6)或直角棱鏡(27)，可進行一維角度調(diào)節(jié) 的分光鏡(4)與平面反射鏡(6)或直角棱鏡(27)之間放置一線偏振片(5)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于切向測角單元(21)中光束角 漂誤差補償光路的光學(xué)器件為平面反射鏡(14)，可進行一維角度調(diào)節(jié)的偏振分光鏡(12) 與平面反射鏡(14)之間放置一人/4波片(13)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于切向測角單元(21)與徑向測 角單元(22)之間放置一V2波片(11)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于CCD圖像傳感器(9)與徑向 測角單元(22)之間放置一傅立葉變換透鏡(8)， CCD圖像傳感器(20)與切向測角單 元(21)之間放置一傅立葉變換透鏡(19)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維小角度測量裝置，其特征在于被測表面(18)與切向測角單 元(21)之間放置一線偏振片(17)或X/2波片。
9. 一種基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量方法，其特征在于所述的測量方法包括以 下歩驟(1) 調(diào)整分光鏡(4)，使得CCD圖像傳感器(9)接收到的測量光斑與參考光斑完全分離； 調(diào)整偏振分光鏡(12)，使得CCD圖像傳感器(20)接收到的測量光斑與參考光斑完全 分離；調(diào)整完畢后將分光鏡(4)和偏振分光鏡(12)固定，然后對該部件進行校準，校 準后該部件在角度測量過程中不再對其進行調(diào)整；(2) 使線偏振He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器(1)經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)準直、細化后產(chǎn)生 的直徑為lmm的細光束垂直入射至二維位相板(2)，生成衍射準直光束； (3) 由二維位相板(2)生成的衍射準直光束經(jīng)過線偏振片(3)入射至分光鏡(4)，反射 光束經(jīng)過線偏振片(5)后被平面反射鏡(6)反射，再次經(jīng)過線偏振片(5)入射至分光 鏡(4),透射光束經(jīng)平面反射鏡(7)反射，透過傅立葉透鏡(8)后被CCD圖像傳感器(9)接收，光斑的極小值坐標作為徑向測角單元(22)的參考信號；(4) 分光鏡(4)的透射光束經(jīng)五角棱鏡(10)折轉(zhuǎn)90° ，透過波片(11)后入射至 偏振分光鏡(12)，透射光束經(jīng)線偏振片(17)改變振動方向后入射至測點處，攜帶被測 二維角度信息的返回光束再次經(jīng)過線偏振片(17)入射至偏振分光鏡(12)，透射光束透 過l/2波片(11)后經(jīng)五角棱鏡(10)折轉(zhuǎn)90° ，再經(jīng)分光鏡(4)和反射鏡(7)反射， 透過傅立葉透鏡(8)后被CCD圖像傳感器(9)接收，光斑的極小值坐標作為徑向測角 單元(22)的測量信號；(5) 五角棱鏡(10)的出射光束透過人/2波片(11)入射至偏振分光鏡(12)，反射光束經(jīng) 1/4波片(13)后經(jīng)平面反射鏡(14)反射，再次透過X/4波片(13)后完全透過偏振分 光鏡(12)，經(jīng)五角棱鏡(15)折轉(zhuǎn)90°后被反射鏡(16)反射，透過傅立葉透鏡(19) 被CCD圖像傳感器(20)接收，光斑的極小值坐標成為切向測角單元(21)的參考信號；(6) 自測點返回的光束入射至偏振分光鏡(12)，反射光束經(jīng)五角棱鏡(15)折轉(zhuǎn)90°后 被反射鏡(16)反射，透過傅立葉透鏡(19)后被CCD圖像傳感器(20)接收，光斑的 極小值坐標成為切向測角單元(21)的測量信號；(7) 對于切向及徑向角度測角單元(21)、 (22)，由各自的光束角漂誤差補償光路實時監(jiān) 測并分離出基準光束角漂信號，進行實時動態(tài)差動處理，即可動態(tài)補償由角漂量引起的 角度測量誤差，精確測出測點處徑向及切向的二維小角度變化量；對于徑向角度測量式中^為測點處反射面沿徑向的小角度變化量；6/m ， "m分別為徑向測角單元(22) 測量及參考信號的極小值在CCD圖像傳感器(9)上的位移量，/為傅立葉透鏡8的等效 焦距；同理，對于切向角度測量-<formula>formula see original document page 3</formula>式中^為測點處反射面沿切向的小角度變化量；4r， Ar分別為切向測角單元(21)測 量及參考信號的極小值在CCD圖像傳感器(20)上的位移量，/為傅立葉透鏡(19)的 等效焦距。
全文摘要
基于光束角漂動態(tài)補償?shù)亩S小角度測量裝置與方法屬于精密儀器制造和精密測試計量技術(shù)領(lǐng)域；所述裝置的切向測角單元和徑向測角單元分別位于正交平面YOZ和XOY面內(nèi)，并均包含光束角漂誤差補償光路；測量方法采用自測點返回的攜帶被測二維角度信息的光束經(jīng)偏振分光鏡產(chǎn)生的反射和透射光束分別作為切向及徑向測角單元的測量光束；本發(fā)明采用動態(tài)光束角漂誤差補償光路，將光束的角漂移量轉(zhuǎn)換為共模誤差，實時分離和動態(tài)補償由光束角漂引起的角度測量誤差，提高二維小角度測量的重復(fù)性、穩(wěn)定性及減小測量不確定度。
文檔編號G01B11/26GK101377414SQ20081013728
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者儉 劉, 譚久彬, 郎治國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)