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，具体涉及高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法；该装置由光源、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组成。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，提高自准直仪的工作距离、稳定性和抗干扰能力；此外，该装置实现对空气扰动引入的角漂移量和波前畸变相互分离并分别测量，提高测量与补偿精度，进而具有在同等使用环境和距离下，提高自准直仪测量精度的优势。

【技术实现步骤摘要】
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，同时反射光束波前畸变，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前畸变，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。本专利技术的目的是这样实现的：高精度抗干扰大工作距自准直装置包括光源、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。所述第一偏振片和反馈成像单元设置在光源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和设置在第一透射式准直镜焦点处的第一光电传感器；由半反半透镜反射的测量光束，先后经过第二偏振分光镜、第一透射式准直镜透射、经过第一反馈分光镜反射，由第一光电传感器采集成像光斑位移信息。在半反半透镜的反射面和光轴垂直情况下，汇聚光斑成像在第一光电传感器的中心位置。所述组合式反射镜由半反半透镜、四分之一波片与角锥棱镜组合。由半反半透镜的反射面反射得到的光束为测量光束，偏振方向不改变，由反馈成像单元采集成像光斑位移信息；经半反半透镜透射的光束作为参考光束，会经过四分之一波片透射，经过角锥棱镜反射，再经过四分之一波片、半反半透镜透射，偏振方向改变，传输方向与原方向相反，入射角漂移量反馈测量单元和波前畸变反馈测量单元并采集光斑信息。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和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而改变偏振方向，经过第二偏振分光镜反射后，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；同时由第四反馈反射镜反射光束的光轴和第三波前传感器所在平面垂直。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。在上述高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的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半反半透镜的反射面；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探测区域之内，进入步骤c；步骤c、反馈成像单元工作，得到第一光电传感器上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；同时，扰动反馈测量单元工作，得到角漂移量反馈测量单元的第二光电传感器上参考光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx2和Δy2，得到波前畸变反馈测量单元中的第三波前传感器测量的参考光束波前数据w0；步骤d、根据Δx2、Δy2、和w0，利用角度调整单元驱动第一角度偏转驱动器和第二角度偏转驱动器，使第四反馈反射镜反射光束垂直入射第三波前传感器，再次得到第三波前传感器测量的参考光束波前数据w1；步骤e、根据Δx1、Δy1、Δx2、Δy2和w1，计算被测物和组合式反射镜的偏航角和俯仰角Δθ和其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2,w1)、f1、f2表示两个函数。有益效果：同传统自准直仪相比，本专利技术增加了角漂移量反馈测量单元和波前畸变反馈测量单元。这种结构使激光自准直仪可以在非实验室的复杂空气环境、长工作距离的情况下工作。对于空气扰动引入的误差，可以通过第二光电传感器测量得到光束角度漂移误差，通过第三波前传感器测量波前畸变带来的误差，实时解算并补偿由第一光电传感器测量数据计算得到的结果。因此本专利技术能够显著的增加激光自准直仪抗干扰能力，有效降低由空气扰动带来的影响，提高了仪器的抗干扰能力、测量与补偿精度。除此之外，本专利技术还具有以下几个技术优势：第一、选择组合式反射镜，使激光自准直仪接收到测量光束外，也接收到由角锥棱镜反射回来的参考光束。参考光束成像光斑包含了传输过程中由空气扰动影响而带有的角度漂移和波前畸变信息，两者对探测成像光斑位移信息均有影响；此外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高精度抗干扰大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源(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)；所述第一偏振片(6)和反馈成像单元(4)设置在光源(1)和第一透射式准直镜(2)之间；反馈成像单元(4)包括第一反馈分光镜(41)和设置在第一透射式准直镜(2)焦面处的第一光电传感器(42)；由半反半透镜(51)反射的测量光束，先后经过第二偏振分光镜(7)、第一透射式准直镜(2)透射、经过第一反馈分光镜(41)反射，由第一光电传感器(42)采集测量光束成像光斑偏离中心的位移信息；在半反半透镜(51)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(42)的中心位置；所述组合式反射镜(5)由半反半透镜(51)、四分之一波片(52)与角锥棱镜(53)组合，中心在同一轴线上；反射光束由半反半透镜(51)反射面反射；透射光束会依次经过半反半透镜(51)、四分之一波片(52)透射，经过角锥棱镜(53)反射，再经过四分之一波片(52)、半反半透镜(51)透射返回；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，中心在同一光轴上；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；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；由角锥棱镜(53)反射的光束因为两次经过四分之一波片(52)而改变偏振方向，会经过第二偏振分光镜(7)反射后，依次经过第三反馈分光镜(83)分束反射、第二透射式准直镜(82)透射，由第二光电传感器(81)采集成像光斑偏离中心的位移信息；另一束经过第三反馈分光镜(83)分束透射后，经过第四反馈反射镜(92)反射，由第三波前传感器(91)采集光束波前信息；在半反半透镜(51)反射面和光轴垂直、无空气扰动的情况下，成像光斑在第二光电传感器(81)的探测中心位置；同时由第四反馈反射镜(92)反射的光束的光轴和第三波前传感器(91)所在探测平面垂直；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(933)连线。...

【技术特征摘要】
1.高精度抗干扰大工作距自准直装置，其特征在于，包括光源(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)；所述第一偏振片(6)和反馈成像单元(4)设置在光源(1)和第一透射式准直镜(2)之间；反馈成像单元(4)包括第一反馈分光镜(41)和设置在第一透射式准直镜(2)焦面处的第一光电传感器(42)；由半反半透镜(51)反射的测量光束，先后经过第二偏振分光镜(7)、第一透射式准直镜(2)透射、经过第一反馈分光镜(41)反射，由第一光电传感器(42)采集测量光束成像光斑偏离中心的位移信息；在半反半透镜(51)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(42)的中心位置；所述组合式反射镜(5)由半反半透镜(51)、四分之一波片(52)与角锥棱镜(53)组合，中心在同一轴线上；反射光束由半反半透镜(51)反射面反射；透射光束会依次经过半反半透镜(51)、四分之一波片(52)透射，经过角锥棱镜(53)反射，再经过四分之一波片(52)、半反半透镜(51)透射返回；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，中心在同一光轴上；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；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；由角锥棱镜(53)反射的光束因为两次经过四分之一波片(52)而改变偏振方向，会经过第二偏振分光镜(7)反射后，依次经过第三反馈分光镜(83)分束反射、第二透射式准直镜(82)透射，由第二光电传感器(81)采集成像光斑偏离中心的位移信息；另一束经过第三反馈分光镜(83)分束透射后，经过第四反馈反射镜(92)反射，由第三波前传感器(91)采集光束波前信息；在半反半透镜(51)反射面和光轴垂直、无空气扰动的情况下，成像光斑在第二光电传感器(81)的探测中心位置；同时由第四反馈反射镜(92)反射的光束的光轴和第三波前传感器(91)所在探测平面垂直；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(933)连线。2.在权利要求1所述的高精度抗干扰大工作距自准直装置上实现的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的半反半透镜(51)反射面；步骤b、点亮光源(1)，反馈成像单元(4)装置工作，如果：(1)如果光斑成像在第一光电传感器(42)探测区域之外，调整激光自准直仪位置和方向，使光斑成像在第一传感器(42)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)探测区域之内，进入步骤c；步骤c、反馈成像单元(4)工作，得到第一光电传感器(42)上测量光束成像光斑偏离中心的位移信息Δx1和Δy1；同时扰动反馈测量单元工作，得到角漂...

【专利技术属性】
技术研发人员：于洋，朱凡，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