基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰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和光学工程领域，具体涉及基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法；该装置由光源单元、第一偏振片、反馈成像单元、第一透射式准直镜、组合式反射镜、第二偏振分光镜、角漂移量反馈测量单元以及波前畸变反馈测量单元。该方法通过增加角漂移量反馈测量单元和波前畸变反馈测量单元，分别测量并实时补偿自准直光束受空气扰动引入的角漂移和波前畸变，减小自准直光束在复杂空气环境、长工作距离下受空气扰动的影响，提高测量与补偿精度。采用双光源的结构形式，减弱另一光源和外界环境杂散光对传感器探测的干扰，提高信噪比，提高激光自准直仪的抗干扰能力和稳定性。此外，该装置增加了水平基准测量光路，能够实现测量激光自准直仪以及被测面相对于水平基准的绝对偏航角和俯仰角大小。

【技术实现步骤摘要】
基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法
本专利技术属于精密测量
和光学工程领域，具体涉及基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法。
技术介绍
随着科技水平的不断提高，加工制造呈现出一种高精度、大尺寸的趋势，其中精密小角度测量是重要的组成部分。常用于精密小角度测量的仪器是以光学自准直原理为核心的激光自准直仪，在精密与超精密定位检测、高端大型设备的制造与安装、大科学工程仪器的姿态检测中有非常重要的作用。激光自准直仪具有分辨力高、精度高、测量距离远、测量速度快、非接触、方便调整移动等优势，在上述领域中具有非常广泛的应用。在精密与超精密定位检测中，激光自准直仪与平面镜、多面棱镜等光学元件组合可以进行角度测量、平面度测量、直线度测量等，分辨力可以达到0.1角秒至0.001角秒不等；在高端大型设备的制造与安装过程中，如检测大型飞机零部件制造精度、船体部件的安装与扭转形变等，激光自准直仪与合作目标配合测量，测量距离可以达到数米远，甚至数十米远；在大科学工程仪器的姿态检测中，如利用激光自准直仪实时检测天文望远镜的偏航角与俯仰角、测量火箭发射前的初始方位角等，则需要激光自准直仪在室外、车间等非实验室的复杂环境下进行远距离测量工作。目前、精密小角度的测量需求不局限于检测室与实验室环境内，测量距离也不再只有近距离测量，需要有能够在制造工厂、加工车间、甚至野外环境下能够进行实时高精度远距离测量的激光自准直仪。这对激光自准直仪的精度、测量距离、稳定性、抗杂散光干扰、抗外部空气扰动等性能指标提出了较高的要求。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2、目标反射镜3以及反馈成像单元4；光源1发出的光束，经过透射式准直镜2准直成平行光束后，入射到目标反射镜3；从目标反射镜3反射的光束为测量光束，由反馈成像单元4采集成像光斑的位移信息，可以计算得到目标反射镜3的偏航角和俯仰角。这种结构下，若目标反射镜3距离透射式准直镜2非常远，那么空气扰动的存在会使反射光束带有额外的角度信息，即角漂移，同时反射光束波面畸变，使成像光斑质量不佳、光斑能量不均匀，导致光电传感器探测光斑位置不准确，降低测量精度和测量稳定性。因此，传统结构的激光自准直仪存在以下问题：第一、激光自准直仪的使用环境不能太恶劣，否则光束在空气中长距离传输会使光束传输不稳定，使测量结果不稳定，导致自准直仪无法在空气条件较为复杂的环境下实现稳定测量；第二、目标反射镜与激光自准直仪之间的测量距离不能太远，否则由于空气扰动的影响造成光束传输过程中发生角漂移和波面畸变，导致自准直仪无法在空气条件较为复杂的环境下实现高精度测量。以上两个问题，使传统自准直仪只能在稳定空气环境内，近距离下实现高精度、高稳定性测量。
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基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法，同传统自准直仪相比，可以在较为复杂的空气环境条件下测量，提高激光自准直仪测量过程中的测量精度、抗干扰能力与稳定性；同时该装置以水平液面为基准，实现对自准直装置和被测目标的绝对角度测量。本专利技术的目的是这样实现的：基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法，包括光源单元、第一偏振片、反馈成像单元、第一透射式准直镜、组合式反射镜、第二偏振分光镜、角漂移量反馈测量单元以及波前畸变反馈测量单元。装置中包含第一光源、第二光源、第二二向色镜、第三二向色镜。第一光源和第二光源可以发出不同波长的光束。第二二向色镜和第三二向色镜对第一光源发出的光束呈现高透过率，对第二光源发出的光束呈现高反射率。所述光源单元由第一光源、第二光源、第五分光镜组成。第一光源和第二光源分别在第五分光镜分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜焦平面。第一光源、第五分光镜和第一透射式准直镜依次放置，中心在同一光轴上。第一偏振片在第五分光镜和第一反馈分光镜之间。所述反馈成像单元设置在第五分光镜与第一透射式准直镜之间，反馈成像单元包括第一反馈分光镜、第二二向色镜、和设置在第一透射式准直镜焦点处的第一光电传感器、第四光电传感器。由半反半透镜反射的第一光源光束为测量光束，先后经过第三二向色镜、第三偏振分光镜、第一透射式准直镜透射、经过第一反馈分光镜反射，第二二向色镜透射，由第一光电传感器采集成像光斑位移信息。在激光自准直仪主光轴水平、第三二向色镜与水平基准液面呈45°夹角时，由水平基准液面反射的第二光源基准光束最终汇聚成像在第四光电传感器探测区域中心位置。在半反半透镜的反射面和光轴垂直情况下，汇聚光斑成像在第一光电传感器的中心位置；所述组合式反射镜由第三二向色镜、半反半透镜、四分之一波片、角锥棱镜、水平基准容器组成。水平基准容器内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜、半反半透镜、四分之一波片、角锥棱镜中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜呈45°角放置，反射的光轴垂直于水平基准液面。由第三二向色镜的反射面反射得到的第二光源光束为基准光束，由第四光电传感器采集成像光斑位移信息；经第三二向色镜透射、半反半透镜反射的第一光源光束为测量光束，入射反馈成像单元并得到成像光斑偏离中心的位移信息；半反半透镜透射的第一光源光束为参考光束，会经过四分之一波片透射、角锥棱镜反射、四分之一波片透射，传输方向与原方向相反，偏振方向改变，入射扰动反馈测量系统并采集光斑信息。所述角漂移量反馈测量单元由第三反馈分光镜、第二透射式准直镜和设置在第二透射式准直镜焦面的第二光电传感器组成；波前畸变反馈测量单元由带有角度调整单元的第四反馈反射镜和第三波前传感器组成。角漂移量反馈测量单元以及波前畸变反馈测量单元共同组成扰动反馈测量单元。由角锥棱镜反射的参考光束会因为经过两次四分之一波片导致偏振方向改变，被第二偏振分光镜反射，依次经过第三反馈分光镜分束反射、第二透射式准直镜透射，光束汇聚并由第二光电传感器测量光斑位移信息；另一束分束光束经过第三反馈分光镜透射后，经过第四反馈反射镜反射，由第三波前传感器采集光束波前信息。在半反半透镜的反射面和光轴垂直情况下，汇聚光斑成像在第二光电传感器中心位置；在无任何空气扰动的情况下返回的参考光束会正入射于第三波前传感器的探测平面中心位置。所述角度调整单元设置在第四反馈反射镜上，包括第一角度偏转驱动器、第二角度偏转驱动器、角度调整镜架、以及万向轴。其中第一角度偏转驱动器与万向轴连线垂直第二角度偏转驱动器和万向轴连线。在上述基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直方法，包括以下步骤：步骤a、将组合式反射镜放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜的第三二向色镜的反射面；步骤b、点亮光源，反馈成像单元工作，如果：(1)如果光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域内，进入步骤c；(2)如果光斑成像在第一光电传感器、第四光电传感器探测区域之内，进入步骤c；步骤c、水平基准容器内有静置的高反射率液体，第二光源基准光束汇聚成像在第四光电传感器，得到成像光斑偏离中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源单元(1)、第一偏振片(6)、反馈成像单元(4)、第一透射式准直镜(2)、组合式反射镜(5)、第二偏振分光镜(7)、角漂移量反馈测量单元(8)以及波前畸变反馈测量单元(9)；装置中包含第一光源(11)、第二光源(12)、第二二向色镜(14)、第三二向色镜(55)；第一光源(11)和第二光源(12)分别发出不同波长的光束；第二二向色镜(14)和第三二向色镜(55)对第一光源(11)发出的光束呈现高透过率，对第二光源(12)发出的光束呈现高反射率；所述光源单元(1)由第一光源(11)、第二光源(12)、第五分光镜(13)组成；第一光源(11)和第一光源(12)分别在第五分光镜(13)分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜(2)焦平面；第一光源(11)、第五分光镜(13)和第一透射式准直镜(2)依次放置，中心在同一光轴上；第一光源(11)发出的光束和第二光源(12)发出的光束在经过第五分光镜(13)后会发生合并，两光束光轴重合、传播方向相同；所述反馈成像单元(4)设置在第五分光镜(13)与第一透射式准直镜(2)之间，反馈成像单元(4)包括第一反馈分光镜(41)、第二二向色镜(14)、和设置在第一透射式准直镜(2)焦点处的第一光电传感器(42)与第四光电传感器(43)；第二二向色镜(14)与光轴呈45°倾斜放置；光轴垂直于光电探测器探测区域中心位置；所述组合式反射镜(5)由第三二向色镜(55)、半反半透镜(51)、四分之一波片(52)、角锥棱镜(53)、水平基准容器(55)组成；水平基准容器(55)内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜(55)、半反半透镜(51)、四分之一波片(52)、角锥棱镜(53)中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜(55)反射面与光轴呈45°角放置，反射的光轴垂直于水平基准液面；由第三二向色镜(55)的反射面反射得到的第二光源(12)光束为基准光束，入射静置的高反射率的水平基准液面，反射后再次经过第三二向色镜(55)反射返回；经过第三二向色镜(55)透射的第一光源(11)光束，入射到组合式反射镜(5)的半反半透镜(51)的反射面，此时光束会被分为反射光束与透射光束：反射光束为测量光束，传播方向改变，偏振方向不改变，因此会入射反馈成像单元(4)；透射光束为参考光束，经过角锥棱镜(53)反射后，偏振方向改变，入射扰动反馈测量单元；所述角漂移量反馈测量单元(8)由第三反馈分光镜(83)、第二透射式准直镜(82)和设置在第二透射式准直镜(82)焦面的第二光电传感器(81)组成；波前畸变反馈测量单元(9)由带有角度调整单元(93)的第四反馈反射镜(92)和第三波前传感器(91)组成；在无空气扰动的情况下，第四反馈反射镜(92)反射光束的光轴垂直于第三波前传感器(91)探测区域中心位置；角漂移量反馈测量单元(8)和波前畸变反馈测量单元(9)共同组成扰动反馈测量单元；所述角度调整单元(93)设置在第四反馈反射镜(92)上，包括第一角度偏转驱动器(931)、第二角度偏转驱动器(932)、角度调整镜架(934)、以及万向轴(933)；其中第一角度偏转驱动器(931)与万向轴(933)连线垂直第二角度偏转驱动器(932)和万向轴连(933)线。...

【技术特征摘要】
1.基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源单元(1)、第一偏振片(6)、反馈成像单元(4)、第一透射式准直镜(2)、组合式反射镜(5)、第二偏振分光镜(7)、角漂移量反馈测量单元(8)以及波前畸变反馈测量单元(9)；装置中包含第一光源(11)、第二光源(12)、第二二向色镜(14)、第三二向色镜(55)；第一光源(11)和第二光源(12)分别发出不同波长的光束；第二二向色镜(14)和第三二向色镜(55)对第一光源(11)发出的光束呈现高透过率，对第二光源(12)发出的光束呈现高反射率；所述光源单元(1)由第一光源(11)、第二光源(12)、第五分光镜(13)组成；第一光源(11)和第一光源(12)分别在第五分光镜(13)分光截面两侧，且位于第一透射式准直镜(2)焦平面；第一光源(11)、第五分光镜(13)和第一透射式准直镜(2)依次放置，中心在同一光轴上；第一光源(11)发出的光束和第二光源(12)发出的光束在经过第五分光镜(13)后会发生合并，两光束光轴重合、传播方向相同；所述反馈成像单元(4)设置在第五分光镜(13)与第一透射式准直镜(2)之间，反馈成像单元(4)包括第一反馈分光镜(41)、第二二向色镜(14)、和设置在第一透射式准直镜(2)焦点处的第一光电传感器(42)与第四光电传感器(43)；第二二向色镜(14)与光轴呈45°倾斜放置；光轴垂直于光电探测器探测区域中心位置；所述组合式反射镜(5)由第三二向色镜(55)、半反半透镜(51)、四分之一波片(52)、角锥棱镜(53)、水平基准容器(55)组成；水平基准容器(55)内有高反射率液体，其表面可以在静置状态下保持水平；第三二向色镜(55)、半反半透镜(51)、四分之一波片(52)、角锥棱镜(53)中心在同一光轴上依次靠近摆放；第三二向色镜(55)反射面与光轴呈45°角放置，反射的光轴垂直于水平基准液面；由第三二向色镜(55)的反射面反射得到的第二光源(12)光束为基准光束，入射静置的高反射率的水平基准液面，反射后再次经过第三二向色镜(55)反射返回；经过第三二向色镜(55)透射的第一光源(11)光束，入射到组合式反射镜(5)的半反半透镜(51)的反射面，此时光束会被分为反射光束与透射光束：反射光束为测量光束，传播方向改变，偏振方向不改变，因此会入射反馈成像单元(4)；透射光束为参考光束，经过角锥棱镜(53)反射后，偏振方向改变，入射扰动反馈测量单元；所述角漂移量反馈测量单元(8)由第三反馈分光镜(83)、第二透射式准直镜(82)和设置在第二透射式准直镜(82)焦面的第二光电传感器(81)组成；波前畸变反馈测量单元(9)由带有角度调整单元(93)的第四反馈反射镜(92)和第三波前传感器(91)组成；在无空气扰动的情况下，第四反馈反射镜(92)反射光束的光轴垂直于第三波前传感器(91)探测区域中心位置；角漂移量反馈测量单元(8)和波前畸变反馈测量单元(9)共同组成扰动反馈测量单元；所述角度调整单元(93)设置在第四反馈反射镜(92)上，包括第一角度偏转驱动器(931)、第二角度偏转驱动器(932)、角度调整镜架(934)、以及万向轴(933)；其中第一角度偏转驱动器(931)与万向轴(933)连线垂直第二角度偏转驱动器(932)和万向轴连(933)线。2.在权利要求1所述的基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直方法，包括以下步骤：步骤a、将组合式反射镜(5)放置在被测物上，将激光自准直仪对准组合式反射镜(5)的第三二向色镜(55)的反射面和半反半透镜(51)的反射面；步骤b、点亮光源单元(1)，反馈成像单元(4)工作，如果：(1)如果光斑成像在第一光电传感器(42)、第四光电传感器(43)探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一光电传感器(42)、第四光电传感器(43)探测区域内，进入步骤c；(2)如果光斑成像在第一光电传感器(42)、第四光电传感器(43)探测区域之内，进入步骤c；步骤c、水平基准容器(56)内有静置的高反射率液体，第一光源(12)基准光束汇聚成像在第四光电传感器(43)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx0和Δy0；反馈成像单元工作，第一光源1测量光束入射第一光电传感器(42)，得到成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；扰动反馈测量系统工作，第一光源1参考光束入...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱凡，于洋，石剑，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