组合调零高动态精度大工作距自准直装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及一种组合调零高动态精度大工作距自准直装置与方法；该装置由光源、准直镜、反射镜、以及反馈成像系统组成；该方法通过调整反射镜，使反射光束回到反馈成像系统像面中心，再利用反射镜上的角度偏转测量装置来得到被测物表面的角度变化；由于本发明专利技术在传统自准直角度测量系统上增加了反射镜，因此能够避免被测物反射光偏离测量系统而导致无法测量的问题，进而具有在相同工作距离下增加自准直工作范围，或在相同工作范围下增加工作距离的优势；此外，准直镜、反馈成像系统、反射镜等的具体设计，使本发明专利技术还具有结构简单、制作成本低；同时能够全程监测被测物装配过程；以及快速测量的技术优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密测量
与光学工程领域，具体涉及一种组合调零高动态精度大工作距自准直装置与方法。
技术介绍
在精密测量
、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作距下进行大工作范围、高精度激光自准直技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。在精密测量技术与仪器领域，激光自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；激光自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.001角秒。在光学工程领域和尖端科学实验领域，激光自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路激光自准直仪组成位置基准，可以进行两两光轴夹角或平行性的测量。角度工作范围几十角秒至几十角分。在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用激光自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。激光自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。传统自准直仪如图1所示，该系统包括光源1、透射式准直镜21、以及反馈成像系统6；光源1出射的光束，经过透射式准直镜21准直成平行光束后，入射到被测物5的反射面；从被测物5反射面反射的光束，由反馈成像系统6采集成像。这种结构下，只有从被测物5表面反射的光束近原路返回，才能被反馈成像系统6采集成像，进而实现有效测量。这个近原路返回的条件限制，使得该系统存在以下两方面缺点：第一、被测对象5反射镜面法线与激光自准直仪光轴夹角的范围不能太大，否则会造成反射光束偏离激光自准直仪光学系统的入瞳，进而导致无法实现自准直和微角度测量；第二、被测对象5反射镜面距离测量激光自准直仪入瞳不能太远，否则只要反射光轴与自准直仪光轴偏离微小角度就会造成反射光束偏离激光自准直仪光学系统的入瞳，进而导致无法实现自准直和微角度测量。以上两个问题，使传统自准直仪器只能限定在小角度、小工作距离下使用。
技术实现思路
针对传统自准直仪所存在的两个问题，本专利技术公开了一种组合调零高动态精度大工作距自准直装置与方法，同传统自准直仪相比，具有在相同工作距离下显著增加自准直工作范围，或在相同自准直工作范围下显著增加工作距离的技术优势。本专利技术的目的是这样实现的：组合调零高动态精度大工作距自准直装置，包括光源、透射式准直镜、反射镜、以及反馈成像系统，所述反射镜上设置有角度调整测量装置；光源出射的光束，经过透射式准直镜准直成平行光束后，再由反射镜反射，入射到被测物的表面；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，由反馈成像系统采集成像；所述反馈成像系统为以下两种形式中的：第一、反馈成像系统包括图像传感器成像系统和四象限探测器成像系统；所述图像传感器成像系统包括第一反馈分光镜和设置在透射式准直镜焦点处的图像传感器；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，先后经过透射式准直镜投射、第一反馈分光镜反射、由图像传感器采集成像；在被测物表面与光轴垂直的条件下，图像传感器所成点像在像面中心位置；或所述图像传感器成像系统包括第一反馈分光镜、第一反馈物镜和设置在第一反馈物镜焦点处的图像传感器；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，先后经过第一反馈分光镜反射、第一反馈物镜透射、由图像传感器采集成像；在被测物表面与光轴垂直的条件下，图像传感器所成点像在像面中心位置；所述四象限探测器成像系统包括第二反馈分光镜和设置在透射式准直镜焦点处的四象限探测器；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，先后经过透射式准直镜投射、第一反馈分光镜反射、由四象限探测器采集成像；在被测物表面与光轴垂直的条件下，四象限探测器所成点像在像面中心位置；或所述四象限探测器成像系统包括第二反馈分光镜、第二反馈物镜和设置在第二反馈物镜焦点处的四象限探测器；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，先后经过第二反馈分光镜反射、第二反馈物镜透射、由四象限探测器采集成像；在被测物表面与光轴垂直的条件下，四象限探测器所成点像在像面中心位置；第二、反馈成像系统包括第一反馈分光镜、以及由导轨承载的图像传感器和四象限探测器，所述导轨共有两个停顿位置，一个停顿位置使图像传感器像面中心对应透射式准直镜的焦点位置，另一个停顿位置使四象限探测器像面中心对应透射式准直镜的焦点位置；或反馈成像系统包括第一反馈分光镜、第一反馈物镜、以及由导轨承载的图像传感器和四象限探测器，所述导轨共有两个停顿位置，一个停顿位置使图像传感器像面中心位于第一反馈物镜的焦点位置，另一个停顿位置使四象限探测器像面中心位于第一反馈物镜的焦点位置；所述角度调整测量装置包括设置在反射镜上的角度调整装置、角度偏转测量装置、以及万向轴，角度调整装置包括第一驱动器和第二驱动器；角度偏转测量装置包括第一金属片、第二金属片、第一反射镜、第二反射镜、对应第一金属片位置的第一电容传感器、以及对应第二金属片位置的第二电容传感器、对应第一反射镜位置的第一激光干涉仪、以及对应第二反射镜位置的第二激光干涉仪；第一驱动器、第一金属片、第一反射镜、以及万向轴在一条直线上，第二驱动器、第二金属片、第二反射镜、以及万向轴在一条直线上，并且第一驱动器与万向轴的连线垂直第二驱动器与万向轴的连线。在上述便携式组合调零高动态精度大工作距自准直装置上实现的便携式组合调零高动态精度大工作距自准直方法，包括以下步骤：步骤a、点亮光源，图像传感器成像，根据点像偏离像面中心方向，利用第一驱动器和第二驱动器调整反射镜角度，使点像回到图像传感器像面中心区域；步骤b、四象限探测器成像，得到步骤a结束后点像偏离四象限探测器像面中心位置Δx和Δy，利用第一驱动器和第二驱动器调整反射镜角度，使点像回到四象限探测器像面中心位置；步骤c、读取第一电容传感器的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器的电容变化ΔC2，再转换为反射镜的角度变化Δθ1和同时读取第一激光干涉仪得到的位移变化Δx1，以及第二激光干涉仪得到的位移变化Δx2，再转换为反射镜的角度变化Δθ2和进而得到被测物表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ1＝f1(ΔC1,ΔC2)，Δθ2＝f3(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。上述组合调零高动态精度大工作距自准直装置，还包括波前探测系统和波前补偿系统；所述波前探测系统包括波前探测分光镜、以及空气扰动波前探测器和反射镜形变波前探测器中的至少一个；所述波前探测分光镜设置在反射镜与被测物之间，空气扰动波前探测器设置在波前探测分光镜的反射光路上，反射镜形变波前探测器设置在反射镜的二次反射光路上；所述波前补偿系统包括补偿光源、补偿准直镜、以及透射式液晶空间光调制器；补偿光源出射的光束，经过补偿准直镜准直成平行光束后，再由透射式液晶空间光调制器调制，入射到波前探测分光镜上。在上述便携式组合调零高动态精度大工作距自准直装置上实现的便携式组合调零高动态精度大工作距自准直方法，要求波前探测系统仅包括波前探测分光镜和空气扰动波前探测器；包括以下步骤：步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；步骤b、点亮光源，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，空气扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
组合调零高动态精度大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源(1)、透射式准直镜(21)、反射镜(3)、以及反馈成像系统(6)，所述反射镜(3)上设置有角度调整测量装置(4)；光源(1)出射的光束，经过透射式准直镜(21)准直成平行光束后，再由反射镜(3)反射，入射到被测物(5)的表面；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，由反馈成像系统(6)采集成像；所述反馈成像系统(6)为以下两种形式中的：第一、反馈成像系统(6)包括图像传感器成像系统和四象限探测器成像系统；所述图像传感器成像系统包括第一反馈分光镜(61)和设置在透射式准直镜(21)焦点处的图像传感器(65)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过透射式准直镜(21)投射、第一反馈分光镜(61)反射、由图像传感器(65)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，图像传感器(65)所成点像在像面中心位置；或所述图像传感器成像系统包括第一反馈分光镜(61)、第一反馈物镜(63)和设置在第一反馈物镜(63)焦点处的图像传感器(65)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过第一反馈分光镜(61)反射、第一反馈物镜(63)透射、由图像传感器(65)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，图像传感器(65)所成点像在像面中心位置；所述四象限探测器成像系统包括第二反馈分光镜(62)和设置在透射式准直镜(21)焦点处的四象限探测器(66)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过透射式准直镜(21)投射、第一反馈分光镜(61)反射、由四象限探测器(66)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，四象限探测器(66)所成点像在像面中心位置；或所述四象限探测器成像系统包括第二反馈分光镜(62)、第二反馈物镜(64)和设置在第二反馈物镜(64)焦点处的四象限探测器(66)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过第二反馈分光镜(62)反射、第二反馈物镜(64)透射、由四象限探测器(66)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，四象限探测器(66)所成点像在像面中心位置；第二、反馈成像系统(6)包括第一反馈分光镜(61)、以及由导轨(68)承载的图像传感器(65)和四象限探测器(66)，所述导轨(68)共有两个停顿位置，一个停顿位置使图像传感器(65)像面中心对应透射式准直镜(21)的焦点位置，另一个停顿位置使四象限探测器(66)像面中心对应透射式准直镜(21)的焦点位置；或反馈成像系统(6)包括第一反馈分光镜(61)、第一反馈物镜(63)、以及由导轨(68)承载的图像传感器(65)和四象限探测器(66)，所述导轨(68)共有两个停顿位置，一个停顿位置使图像传感器(65)像面中心位于第一反馈物镜(63)的焦点位置，另一个停顿位置使四象限探测器(66)像面中心位于第一反馈物镜(63)的焦点位置；所述角度调整测量装置(4)包括设置在反射镜(3)上的角度调整装置、角度偏转测量装置、以及万向轴(43)，角度调整装置包括第一驱动器(411)和第二驱动器(412)；角度偏转测量装置包括第一金属片(421)、第二金属片(422)、第一反射镜(425)、第二反射镜(426)、对应第一金属片(421)位置的第一电容传感器(423)、以及对应第二金属片(422)位置的第二电容传感器(424)、对应第一反射镜(425)位置的第一激光干涉仪(427)、以及对应第二反射镜(426)位置的第二激光干涉仪(428)；第一驱动器(411)、第一金属片(421)、第一反射镜(425)、以及万向轴(43)在一条直线上，第二驱动器(412)、第二金属片(422)、第二反射镜(426)、以及万向轴(43)在一条直线上，并且第一驱动器(411)与万向轴(43)的连线垂直第二驱动器(412)与万向轴(43)的连线。...

【技术特征摘要】
1.组合调零高动态精度大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源(1)、透射式准直镜(21)、反射镜(3)、以及反馈成像系统(6)，所述反射镜(3)上设置有角度调整测量装置(4)；光源(1)出射的光束，经过透射式准直镜(21)准直成平行光束后，再由反射镜(3)反射，入射到被测物(5)的表面；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，由反馈成像系统(6)采集成像；所述反馈成像系统(6)为以下两种形式中的：第一、反馈成像系统(6)包括图像传感器成像系统和四象限探测器成像系统；所述图像传感器成像系统包括第一反馈分光镜(61)和设置在透射式准直镜(21)焦点处的图像传感器(65)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过透射式准直镜(21)投射、第一反馈分光镜(61)反射、由图像传感器(65)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，图像传感器(65)所成点像在像面中心位置；或所述图像传感器成像系统包括第一反馈分光镜(61)、第一反馈物镜(63)和设置在第一反馈物镜(63)焦点处的图像传感器(65)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过第一反馈分光镜(61)反射、第一反馈物镜(63)透射、由图像传感器(65)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，图像传感器(65)所成点像在像面中心位置；所述四象限探测器成像系统包括第二反馈分光镜(62)和设置在透射式准直镜(21)焦点处的四象限探测器(66)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过透射式准直镜(21)投射、第一反馈分光镜(61)反射、由四象限探测器(66)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，四象限探测器(66)所成点像在像面中心位置；或所述四象限探测器成像系统包括第二反馈分光镜(62)、第二反馈物镜(64)和设置在第二反馈物镜(64)焦点处的四象限探测器(66)；从被测物(5)表面反射的光束，再经过反射镜(3)反射后，先后经过第二反馈分光镜(62)反射、第二反馈物镜(64)透射、由四象限探测器(66)采集成像；在被测物(5)表面与光轴垂直的条件下，四象限探测器(66)所成点像在像面中心位置；第二、反馈成像系统(6)包括第一反馈分光镜(61)、以及由导轨(68)承载的图像传感器(65)和四象限探测器(66)，所述导轨(68)共有两个停顿位置，一个停顿位置使图像传感器(65)像面中心对应透射式准直镜(21)的焦点位置，另一个停顿位置使四象限探测器(66)像面中心对应透射式准直镜(21)的焦点位置；或反馈成像系统(6)包括第一反馈分光镜(61)、第一反馈物镜(63)、以及由导轨(68)承载的图像传感器(65)和四象限探测器(66)，所述导轨(68)共有两个停顿位置，一个停顿位置使图像传感器(65)像面中心位于第一反馈物镜(63)的焦点位置，另一个停顿位置使四象限探测器(66)像面中心位于第一反馈物镜(63)的焦点位置；所述角度调整测量装置(4)包括设置在反射镜(3)上的角度调整装置、角度偏转测量装置、以及万向轴(43)，角度调整装置包括第一驱动器(411)和第二驱动器(412)；角度偏转测量装置包括第一金属片(421)、第二金属片(422)、第一反射镜(425)、第二反射镜(426)、对应第一金属片(421)位置的第一电容传感器(423)、以及对应第二金属片(422)位置的第二电容传感器(424)、对应第一反射镜(425)位置的第一激光干涉仪(427)、以及对应第二反射镜(426)位置的第二激光干涉仪(428)；第一驱动器(411)、第一金属片(421)、第一反射镜(425)、以及万向轴(43)在一条直线上，第二驱动器(412)、第二金属片(422)、第二反射镜(426)、以及万向轴(43)在一条直线上，并且第一驱动器(411)与万向轴(43)的连线垂直第二驱动器(412)与万向轴(43)的连线。2.根据权利要求1所述的组合调零高动态精度大工作距自准直装置，其特征在于，还包括波前探测系统(7)和波前补偿系统(8)；所述波前探测系统(7)包括波前探测分光镜(71)、以及空气扰动波前探测器(72)和反射镜形变波前探测器(73)中的至少一个；所述波前探测分光镜(71)设置在反射镜(3)与被测物(5)之间，空气扰动波前探测器(72)设置在波前探测分光镜(71)的反射光路上，反射镜形变波前探测器(73)设置在反射镜(3)的二次反射光路上；所述波前补偿系统(8)包括补偿光源(81)、补偿准直镜(82)、以及透射式液晶空间光调制器(83)；补偿光源(81)出射的光束，经过补偿准直镜(82)准直成平行光束后，再由透射式液晶空间光调制器(83)调制，入射到波前探测分光镜(71)上。3.在权利要求1所述便携式组合调零高动态精度大工作距自准直装置上实现的便携式组合调零高动态精度大工作距自准直方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、点亮光源(1)，图像传感器(65)成像，根据点像偏离像面中心方向，利用第一驱动器(411)和第二驱动器(412)调整反射镜(3)角度，使点像回到图像传感器(65)像面中心区域；步骤b、四象限探测器(66)成像，得到步骤a结束后点像偏离四象限探测器(66)像面中心位置Δx和Δy，利用第一驱动器(411)和第二驱动器(412)调整反射镜(3)角度，使点像回到四象限探测器(66)像面中心位置；步骤c、读取第一电容传感器(423)的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器(424)的电容变化ΔC2，再转换为反射镜(3)的角度变化Δθ1和同时读取第一激光干涉仪(427)得到的位移变化Δx1，以及第二激光干涉仪(42...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭欣然，王超，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23