本发明专利技术属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置与方法；该装置由光源、起偏器、分光镜、偏振分光镜、图像传感器、准直镜、固定平面反射镜以及合作靶标组成；该方法通过合作靶标，使测量光束分为两束相互垂直的测量光，分别经固定平面反射镜以及合作靶标反射后返回，分别在图像传感器上形成各自图像，利用该两图像位置解算出合作靶标相对于光轴的俯仰角、偏航角以及滚转角，从而具有对被测物空间三维转角的探测能力；由于本发明专利技术对于滚转角采用的是光杠杆放大原理，与俯仰角和偏航角的测量原理一致，因此对于三维角度测量均具有高精度大工作距的技术优势，进而具有在相同工作距离下增加测量精度，或在相同测量精度下增加工作距离的优势；由两路图像传感器分别接收两路测量光斑，降低了对后续图像处理技术的要求，提高了测量装置的频响。此外，本发明专利技术所设计的合作靶标具有结构简单、制作成本低的技术优势。
【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置与方法
本专利技术属于精密测量
，具体涉及一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置与方法。
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、高精度的自准直三维角度测量技术。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，自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；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，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；由两路自准直仪组成位置基准，可以进行空间三维角度的测量。角度工作范围从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。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，该装置包括光源1、透射式准直镜4、分光镜2以及图像传感器3；光源1出射的光束，经过透射式准直镜4准直成平行光束后，入射到被测物51的反射面；从被测物51反射面反射的光束，由图像传感器3采集成像。这种结构下，从被测物51表面反射的光束只携带了被测物两轴的空间角度信息。这个条件限制，使得该装置在测量被测物的空间角度信息时，不能测得被测物绕光轴方向转动的角度信息，只能测量到其它两轴的角度信息。而基于光栅技术和图像处理技术的改进型自准直仪可以测得被测物空间三维角度信息，但存在以下两个问题：第一、对于绕光轴方向的滚转角的测量原理与传统自准直仪对垂直于光轴的俯仰角和偏航角测量原理不一致，导致对被测物空间三维角度的测量精度不同，且基于图像处理技术的绕光轴方向滚转角测量精度与垂直于光轴的俯仰角和偏航角相比低了一个数量级；第二、改进型自准直仪需利用光栅的衍射光来测量绕光轴方向旋转角角度信息，而衍射光存在较大的发散角。当仪器工作在大工作距的条件下时，测量光不能被图像传感器采集。使得改进型自准直仪在大工作距的工作条件下，不具备对被测物进行空间三维角度测量的能力。因此传统自准直仪不能测量物体的空间三维角度信息。而以上两个问题，说明改进型自准直仪器具备测量物体的空间三维角度信息的能力，但绕轴方向滚转角的测量精度较低；并且不具备大工作距条件下三维角度测量能力。
技术实现思路
针对传统自准直角度测量装置所存在的不能测量被测物绕光轴方向的旋转角问题，本专利技术公开了一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置与方法，同传统自准直测量装置相比，具有在相同测量精度与工作距离的条件下同时测量被测物空间中绕三轴旋转角的三维角度的技术优势；而相较于其他自准直三维角度测量装置，在都具备同时测量被测物空间中绕三轴旋转角的三维角度的条件下，在绕光轴方向的滚转角测量中具有高精度、高频响、大工作距的技术优势。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置，包括光源、起偏器、分光镜、透射式准直镜、固定反射镜、合作靶标、第一图像传感器、第二图像传感器以及测量端偏振分光镜；光源出射的光束，首先经过起偏器，使光源光束变为线偏振光，再经过透射式准直镜准直成平行光束。一路透过合作靶标中的偏振分光镜，入射到合作靶标中的平面反射镜上，反射的光束再经过合作靶标中的偏振分光镜透射后，沿光路原路返回再经测量端偏振分光镜透射后由第一图像传感器采集成像；另一路被合作靶标中的偏振分光镜反射，入射到固定平面反射镜上，反射的光束再经过合作靶标中的偏振分光镜反射后，沿光路原路返回再经测量端偏振分光镜反射后由第二图像传感器采集成像；所述起偏器为一个可以调整偏振方向的偏振片，经过起偏器的光源偏振方向与合作靶标中偏振分光镜的两路相互垂直的偏振方向均不相同。起偏器可以调整第一图像传感器与第二图像传感器所接收的测量光光斑光强，使测量端两路保持一致。所述合作靶标包括偏振分光镜和平面反射镜，其安装至被测物的测量表面上；而固定平面反射镜独立于合作靶标，其不与合作靶标和被测物相连，其固定于与光源、分光镜、图像传感器、透射式准直镜固定的相同测量基座上。当被测物发生空间三维角度转动时，合作靶标随被测物产生相同的空间三维角度转动，而固定反射镜和测量装置的其他部分固定于测量基座上不产生运动。所述合作靶标中的偏振分光镜可以替换为分光镜与1/4波片，测量端偏振分光镜可以替换为分光镜与检偏器，同样起偏振分光的作用。经分光镜反射的测量光束两次经过1/4波片，其偏振方向垂直于透射分光镜的光束。两束测量光共光路返回测量端分光镜时分为两路，第一束经检偏器滤除经固定平面反射镜反射的测量光，于第一图像传感器汇聚；第二束经检偏器滤除经合作靶标中平面反射镜反射的测量光，于第二图像传感器汇聚；所述第一图像传感器与第二图像传感器可由CCD相机构成，也可用PSD构成来进一步提高系统装置的频响。一种在上述基于偏振分光自准直三维角度测量装置上实现的基于偏振分光自准直三维角度测量方法，包括以下步骤：步骤a、将组合靶标固定至被测物表面，放置固定反射镜使其镜面平行于分光镜的出射面；步骤b、点亮光源，调整被测物以及固定反射镜的位置，使图像传感器接收的光斑处于图像传感器中心位置，使固定反射镜的位置固定；步骤c、观察第一图像传感器与第二图像传感器的光斑明亮程度，调节起偏器转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；步骤d、组合靶标随被测物产生空间三维转动，第一图像传感器输出经合作靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，第二图像传感器输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；步骤e、利用第一图像传感器光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；步骤f、利用第二图像传感器光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；步骤g、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。有益效果：同传统自准直角度测量装置相比，本专利技术将其中的平面镜靶标替换为合作靶标与固定平面反射镜作为物体空间三维转角探测单元。这种结构设置，将测量光束一分为二，一路经过合作靶标中的平面反射镜反射后携带了被测物俯仰角、偏航角的角度信息，另一路经过固定平面反射镜反射后携带了被测物绕光轴方向转动的滚转角角度信息。这两路测量光被传感器采集，因此不仅得到了物体俯仰角、偏航角的信息，而且还得到了物体滚转角的角度信息，使仪器装置具备了测量物体绕光轴滚转角及垂直光轴的俯仰角、偏航角角度的三维角度测量能力；滚转角的测量原理与传统自准直仪测量俯仰角、偏航角的原理一致，利用光杠杆的放大效应，使得本专利技术测量精度高于采用光栅和图像处理技术的装置；本专利技术装置不会产生光栅衍射效应带来的衍射光，测量回光与原光束角度偏差小本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置，其特征在于，包括光源(1)、分光镜(2)、第一图像传感器(3)、透射式准直镜(4)、合作靶标(5)、固定平面反射镜(6)、测量端偏振分光镜(8)、第二图像传感器(9)以及起偏器(10)，所述合作靶标(5)由平面反射镜(51)与偏振分光镜(53)组成；光源(1)出射的光束，首先经过起偏器(10)变为线偏振光，再经过透射式准直镜(4)准直成平行光束后，入射到合作靶标(5)中的偏振分光镜(53)上；透过偏振分光镜(53)的一路光束，经合作靶标(5)中的平面反射镜(51)反射后，沿原路返回，经测量端偏振分光镜(8)透射，最后由第一图像传感器(3)采集成像；而另一路光束经偏振分光镜(53)反射后，入射于固定平面反射镜(6)的表面上，再经固定平面反射镜(6)反射后，沿原路返回，经测量端偏振分光镜(8)反射，最后由第二图像传感器(9)采集成像；所述分光镜(2)设置在光源(1)与透射式准直镜(4)之间，第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)均设置在透射式准直镜(4)焦平面处，与光源(1)的位置共轭；从合作靶标(5)返回的两路光束，先后经过透射式准直镜(4)透射、分光镜(2)反射、经测量端偏振分光镜(8)分束，分别由第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)采集成像；在固定合作靶标(5)的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)所成点像在像面中心位置；所述合作靶标(5)，包括偏振分光镜(53)和平面反射镜(51)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化。而固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；或所述合作靶标(5)，包括偏振分光镜(53)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化。而固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上。此时被测物(7)的测量表面充当反射面，代替平面反射镜(51)。...
【技术特征摘要】
1.一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置，其特征在于，包括光源(1)、分光镜(2)、第一图像传感器(3)、透射式准直镜(4)、合作靶标(5)、固定平面反射镜(6)、测量端偏振分光镜(8)、第二图像传感器(9)以及起偏器(10)，所述合作靶标(5)由平面反射镜(51)与偏振分光镜(53)组成；光源(1)出射的光束，首先经过起偏器(10)变为线偏振光，再经过透射式准直镜(4)准直成平行光束后，入射到合作靶标(5)中的偏振分光镜(53)上；透过偏振分光镜(53)的一路光束，经合作靶标(5)中的平面反射镜(51)反射后，沿原路返回，经测量端偏振分光镜(8)透射，最后由第一图像传感器(3)采集成像；而另一路光束经偏振分光镜(53)反射后，入射于固定平面反射镜(6)的表面上，再经固定平面反射镜(6)反射后，沿原路返回，经测量端偏振分光镜(8)反射，最后由第二图像传感器(9)采集成像；所述分光镜(2)设置在光源(1)与透射式准直镜(4)之间，第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)均设置在透射式准直镜(4)焦平面处，与光源(1)的位置共轭；从合作靶标(5)返回的两路光束，先后经过透射式准直镜(4)透射、分光镜(2)反射、经测量端偏振分光镜(8)分束，分别由第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)采集成像；在固定合作靶标(5)的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)所成点像在像面中心位置；所述合作靶标(5)，包括偏振分光镜(53)和平面反射镜(51)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化。而固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；或所述合作靶标(5)，包括偏振分光镜(53)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化。而固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上。此时被测物(7)的测量表面充当反射面，代替平面反射镜(51)。2.根据权利要求1所述的基于偏振分光自准直三维角度测量装置，其特征在于，还包括合作靶标(5)中的分光镜(52)，分光镜(11)，1/4波片(14)和两个检偏器(12)、(13)；所述分光镜(52)放置在合作靶标(5)中平面反射镜(51)前，起偏器(10)使光源(1)变为线偏振光，经分光镜(52)分为两束测量光；所述1/4波片(14)放置在分光镜(52)与固定平面反射镜(6)之间，经分光镜(52)反射的一束测量光束经1/4波片透射两次后偏振方向恰好与经分光镜(52)透射的第二束测量光的偏振方向相垂直；所述分光镜(11)放置在分光镜(2)与第一、第二图像传感器(3)、(9)之间，在探测端将两束测量光均匀分为两束，经检偏器(12)透射的测量光为经平面反射镜(51)反射的测量光，其汇聚于第一图像传感器(3)；经检偏器(11)透射的测量光为经固定平面反射镜(6)反射的测量光，其汇聚于第二图像传感器(9)。3.在权利要求1所述一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置...
【专利技术属性】
技术研发人员：石剑，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
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