本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，具體是提出一種基于偏振光學(xué)的誤差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、經(jīng)典的自準(zhǔn)直測(cè)角方法，得利于光電傳感器亞像素的光斑位移探測(cè)能力，再由物鏡焦距和反射體角靈敏度的兩次光學(xué)放大，目前是精度最高、分辨率最大的角度測(cè)量設(shè)備，已經(jīng)成為計(jì)量領(lǐng)域角度量值傳遞的主要實(shí)現(xiàn)儀器，在工業(yè)制造、國(guó)防科技、學(xué)術(shù)科研等領(lǐng)域扮演重要的角色。

2、近年來(lái)，隨著工程應(yīng)用對(duì)自準(zhǔn)直儀超高精度的角度計(jì)量需求不斷增加，全球范圍多個(gè)研究所對(duì)自準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法和對(duì)誤差源和精度提升進(jìn)行了大量研究。shen(文獻(xiàn)m.z.shen,and?s.t.liao,“a?high?precision?dynamic?autocollimator,”key?engmater,vol.295-296,pp.337-342,mar.2009.)提出了一種補(bǔ)償殘余測(cè)量誤差的方法，同時(shí)采用多項(xiàng)式插值補(bǔ)償算法，將高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度提高到了0.8弧秒的數(shù)量級(jí)。shi(文獻(xiàn)j.shi,y.c.li,d.zhang,h.xing,z.x.tao,and?j.b.tan,“research?on?theinfluence?model?of?collimating?lens?aberrations?in?autocollimation?systembased?on?the?ray-tracing?method,”ieee?sens.j,vol.23,no.2,pp.1224-1233,jan.2023.)提出了基于光線追蹤法的自準(zhǔn)直系統(tǒng)中準(zhǔn)直透鏡像差的影響模型，分析了準(zhǔn)直透鏡像差引起的系統(tǒng)誤差，通過(guò)誤差補(bǔ)償將像差對(duì)測(cè)量的影響誤差縮小到了0.74弧秒。ren(文獻(xiàn)w.ren?et?al.,“a?novel?enhanced?roll-angle?measurement?system?based?on?atransmission?grating?autocollimator,”ieee?access,vol.7,pp.120929-120936,jan.2019.)提出了一種基于透射光柵自動(dòng)準(zhǔn)直儀的分辨率增強(qiáng)型滾動(dòng)角度測(cè)量系統(tǒng)，讓測(cè)量光束兩次通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵，與使用相同裝置的傳統(tǒng)光柵自動(dòng)準(zhǔn)直方法相比，分辨率得到了提高，滾動(dòng)角的測(cè)量分辨率達(dá)到了0.1弧秒。

3、但以上自準(zhǔn)直儀誤差源的理論研究，都忽略了由其內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)面的反射所引發(fā)的成像面受背景噪音干擾現(xiàn)象，特別是伴隨當(dāng)前傳感器像素細(xì)分的技術(shù)發(fā)展，該現(xiàn)象將是影響自準(zhǔn)直儀測(cè)角精度提升的關(guān)鍵因素。

4、在本發(fā)明中，公布了一種基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。利用光線偏振態(tài)的變化，通過(guò)改變傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀的光學(xué)構(gòu)造，消除因自準(zhǔn)直儀自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題引發(fā)的噪音現(xiàn)象。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度和分辨率得以提高。這種基于偏振光學(xué)的消噪方法突破了自準(zhǔn)直儀原有構(gòu)造的限制，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面為提高自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度提供了思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。在傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀中加入這種消噪結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變光線偏振態(tài)的方式，抑制自準(zhǔn)直儀自身結(jié)構(gòu)引發(fā)背景噪音對(duì)光電傳感器識(shí)別檢測(cè)產(chǎn)生的影響。從結(jié)構(gòu)層面出發(fā)，改變傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀原有的光學(xué)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的自準(zhǔn)直系統(tǒng)構(gòu)造仍可以實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直測(cè)量功能，并且相較于傳統(tǒng)構(gòu)造的自準(zhǔn)直儀具有更高的測(cè)量精度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

2、一種基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償方法，其包括以下步驟：

3、1)運(yùn)用圖像識(shí)別中的霍夫變換原理，結(jié)合ccd對(duì)圖像的識(shí)別和計(jì)算過(guò)程，推演結(jié)構(gòu)引發(fā)的背景噪音對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生的影響，利用數(shù)學(xué)公式算出背景噪音的理論影響值；

4、2)根據(jù)偏振光學(xué)中光線偏振態(tài)的變化規(guī)律，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自準(zhǔn)直儀中加入由四分之一波片(qp)、線偏振片(lp)和偏振分束立方(pbs)構(gòu)成的消噪結(jié)構(gòu)，搭設(shè)完成帶有誤差補(bǔ)償措施的自準(zhǔn)直儀，調(diào)試各元件的位置，保證成像光線可在ccd的光電檢測(cè)平面上清晰成像。

5、進(jìn)一步的，所述步驟1)中背景噪音對(duì)ccd圖像識(shí)別計(jì)算的影響過(guò)程可用數(shù)學(xué)公式表示，在沒(méi)有背景噪音的情況下，符合要求的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值為：

6、aselect＝amax*kthreshold??????(1)

7、式中amax為整個(gè)檢測(cè)畫面的灰度最大值，kthreshold為選擇閾值，aselect為取點(diǎn)處的灰度值；

8、aselect+δa2≠(amax+δa1)*kthreshold?????????????????(2)

9、a'select+δa3＝(amax+δa1)*kthreshold?????????????????(3)

10、式中δa1、δa2、δa3為背景噪音疊加在正確像上的隨機(jī)灰度值，a'select為錯(cuò)誤選點(diǎn)的灰度值，δa1≠δa2≠δa3。

11、進(jìn)一步的，所述步驟1)圖像識(shí)別中的霍夫變換原理具體為：

12、ccd對(duì)圖像的識(shí)別是將自身光電檢測(cè)平面感知到的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相對(duì)灰度值后再進(jìn)行標(biāo)定的；而對(duì)十字成像光斑的交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算是由十字像橫線和豎線的直線方程聯(lián)立求得的，直線方程的建立采用兩點(diǎn)確定一線的方式，十字交點(diǎn)推導(dǎo)表示為：

13、y＝k1x+b1????????????????????????????(4)

14、y＝k2x+b2????????????????????????????(5)

15、其中公式(4)表示為十字成像光斑的橫線方程，公式(5)表示為豎線方程；k1、k2分別為橫線和豎線的直接斜率，b1、b2分別為橫線和豎線的直線截距。

16、ccd對(duì)點(diǎn)的識(shí)別在霍夫變換的(ρ,θ)域中標(biāo)定的，一點(diǎn)經(jīng)霍夫變換后表現(xiàn)為一條正弦曲線；兩點(diǎn)確定一條直線，(ρ,θ)域中兩條正弦曲線相交的交點(diǎn)坐標(biāo)(ρ,θ)對(duì)應(yīng)過(guò)兩點(diǎn)直線的過(guò)原點(diǎn)法線；背景噪音導(dǎo)致如式(2)、(3)的不規(guī)則變化會(huì)使ccd選點(diǎn)出現(xiàn)偏差，在(ρ,θ)域中標(biāo)定的正弦曲線也會(huì)相應(yīng)改變，最終導(dǎo)致ccd對(duì)直線的判別出現(xiàn)錯(cuò)誤；

17、由正交關(guān)系可知，在有背景噪音干擾的情況下，ccd判別的橫線的直角坐標(biāo)方程應(yīng)由公式(4)改寫為：

18、

19、θ1和ρ1為橫線方程對(duì)應(yīng)(ρ,θ)域中的參數(shù)，相同地，豎線方程應(yīng)由公式(5)改寫為：

20、

21、聯(lián)立公式(6)和(7)可求得十字交點(diǎn)坐標(biāo)，將角度調(diào)節(jié)前后的坐標(biāo)值作差即可得到十字光斑在x軸或在y軸上的位移量δx，δy；

22、再由自準(zhǔn)直系統(tǒng)測(cè)量原理δx＝f·tan(2θ1)，f為準(zhǔn)直鏡的焦距，計(jì)算出在背景噪音干擾下帶有誤差的偏轉(zhuǎn)角θ'1和θ'2，

23、

24、在偏移量有標(biāo)準(zhǔn)參考的情況下，可知偏轉(zhuǎn)角誤差量為：

25、δθ1＝θ'1-θ1???????(10)

26、δθ2＝θ'2-θ2???????(11)

27、式中θ1和θ2為沒(méi)有誤差的角度偏移量標(biāo)準(zhǔn)值。

28、進(jìn)一步的，所述步驟2)中基于偏振光學(xué)的消噪結(jié)構(gòu)，其加入自準(zhǔn)直儀地方式為：將非偏振分束立方bs)換為等尺寸的偏振分束立方(pbs)，在光闌和pbs之間加入線偏振片(lp)，在準(zhǔn)直鏡和立方反射體之間加入四分之一波片(qp)，搭設(shè)完成帶有消噪結(jié)構(gòu)的自準(zhǔn)直儀。

29、一種電子設(shè)備，其包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如任一項(xiàng)所述基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償方法。

30、一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如任一項(xiàng)所述基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償方法。

31、一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，其所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如任一項(xiàng)所述基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償方法。

32、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

33、本發(fā)明提出了一種基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償方法，搭設(shè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)，配備角度標(biāo)定的參考儀器，在這套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下可實(shí)現(xiàn)對(duì)自搭設(shè)自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度和分辨率數(shù)據(jù)測(cè)定。結(jié)合自準(zhǔn)直儀成像過(guò)程，利用圖像識(shí)別的霍夫變換原理對(duì)自準(zhǔn)直儀自身結(jié)構(gòu)引發(fā)噪音對(duì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行了理論推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了背景噪音導(dǎo)致測(cè)量誤差的理論表征。針對(duì)背景噪音影響測(cè)量精度這一問(wèn)題，基于偏振光學(xué)的誤差補(bǔ)償方法改變了自準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)的器件構(gòu)成。偏振器件在不改變?cè)谐上窆饴仿窂降那疤嵯?，通過(guò)多次改變成像光線偏振態(tài)的方式將干擾光路去除，從光線傳播層面去除干擾光的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)抑制自準(zhǔn)直儀自身結(jié)構(gòu)引發(fā)背景噪音的效果。這種基于光線偏振的消噪方法按照規(guī)定方式在自準(zhǔn)直儀中加入偏振器件即可，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便。而且經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，基于偏振光學(xué)的自準(zhǔn)直儀背景噪音誤差補(bǔ)償方法驗(yàn)證了自準(zhǔn)直儀自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題造成的背景噪音誤差對(duì)自準(zhǔn)直儀測(cè)量精度的影響權(quán)重不低于48.86％，而加入偏振元件進(jìn)行噪音補(bǔ)償后，自準(zhǔn)直儀的測(cè)量分辨率從2″提升至約為1″，沿著x和y軸的測(cè)量精度從低于5.2″提升至優(yōu)于3.4″。自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度和分辨率均得到提升。

34、在此之前，自準(zhǔn)直儀測(cè)量精度的提升研究大多從算法模型入手，對(duì)影響精度的因素建立相應(yīng)的誤差模型，利用算法對(duì)檢測(cè)識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而本發(fā)明從結(jié)構(gòu)層面出發(fā)，改變了自準(zhǔn)直儀原有的光學(xué)結(jié)構(gòu)，加入了由偏振器件組成的消噪結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了自準(zhǔn)直儀自身結(jié)構(gòu)引發(fā)的背景噪音現(xiàn)象確實(shí)影響了自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得出具體影響值，同時(shí)實(shí)驗(yàn)也表明了這種補(bǔ)償方法確實(shí)有噪音抑制效果。新結(jié)構(gòu)自準(zhǔn)直儀的提出為自準(zhǔn)直儀測(cè)量精度的改進(jìn)在優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面提供了思路，今后可在不同結(jié)構(gòu)或多結(jié)構(gòu)方面上尋求新的高精度自準(zhǔn)直儀改進(jìn)方法。

35、本發(fā)明的創(chuàng)新具體是在自準(zhǔn)直系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)中加入了偏振器件，與以往提高自準(zhǔn)直儀測(cè)量精度的手段不同，本發(fā)明改變了自準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)組成。由pbs、線偏振片和四分之一波片組成的消噪結(jié)構(gòu)，通過(guò)多次改變測(cè)量光束的偏振態(tài)，阻隔了全部的噪音光路。而偏振結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量光束的偏振態(tài)改變恰能使其在pbs處正常出射，滿足自準(zhǔn)直儀測(cè)量原理，可正常在ccd圖像傳感器的檢測(cè)像面成像。