偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法与装置，属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，本发明专利技术为解决已有方法与装置中的不足，实现高精度光电自准直角度测量。本发明专利技术基于角锥组合靶标的共光路漂移量监测分离装置利用激光的偏振特性，将偏振分光镜、角锥反射镜和测量反射镜固化成角锥组合靶标，在获取二维角度变化量的同时分离出与测量光束特性完全相同、且与测量光束共光路传输的参考光束；控制器根据参考光束反映的漂移量实时控制二维光束偏转装置，抑制耦合在测量光束中的漂移量，实现二维角度变化量的精密测量。实现该方法的装置包括：二维光电自准直光管、基于角锥组合靶标的共光路漂移量监测分离装置、控制器和二维光束偏转装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法与装置，属于精密仪器制造和精密测试计量
技术介绍
随着精密制造加工技术以及测量技术的不断发展，对二维小角度的测量精度提出越来越高的要求。光电自准直角度测量方法广泛用于小角度测量、高精度角度标校、平板的平面度测量、轴系的角晃动测量、导轨的直线度测量、转台位置不确定度等测量领域，是机械制造、造船、航空航天、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器。激光由于其单色性好、能量密度高的优点，常将其应用在远距离高精度角度测量中，已有许多单位研制出基于激光光源的高精度光电自准直仪(1.林玉池，张萍，赵美蓉， 洪昕.野外使用的半导体激光自准直仪.航空精密制造技术，2001，37 (3) 35-37 ；2.马福禄，张志利，周召发.基于M型分划丝的单线阵CXD直线度准直仪.光学技术，2002，28 (3) 224-225 ；3.张尧禹，张明慧，乔彦峰.一种高精度CCD激光自准直测量系统的研究.光电子·激光，2003，14(2) :168-170)，具有测量距离远、灵敏度高的优点，但由于自准直光束的漂移，限制了最终测量不确定度的提高。目前大部分光电自准直仪的测量不确定度均在0.5以上，仅有少数能够达到 0.5以下，并且对于测量不确定度优于0.5的光电自准直仪，测量距离通常小于6m(l. 张继友，范天泉，曹学东.光电自准直仪研究现状与展望.计量技术，2004. 7:27-29; 2.英国TaylorHobson公司的TA51，DA20，DA400型自准直仪操作手册.2002 ;3.德国 M0LLER-WEDEL公司的ELCOMAT vario双轴自准直仪中文操作手册.2004 ；4.中国船舶工业第6354研究所九江精密测试技术研究所SZY-99型数显自准直仪中文操作手册.2004)。光电自准直仪中光束的漂移是制约测量不确定度的最主要因素，并且测量距离越远漂移量越大，测量不确定度难以得到保证。自准直仪中光束的漂移主要来源于(1)照明光源出射光强度和方向不稳定引起的漂移；(2)光束传播路径中大气湍流随机抖动引起的漂移；(3)大气梯度折射率的变化引起光线弯曲造成测量结果的漂移。(1.方仲彦，殷纯永，梁晋文.高精度激光准直技术的研究(一).航空计测技术.1997，17(1) 3-6 ；2.万德安.激光基准高精度测量技术.国防工业出版社.1999，6 58-78 ；3.党敏，冯其波.提高激光准直精度的途径.光子技术.2006，4(14) 190-193；4.胡新和，杨博雄.半导体激光准直仪及其激光束漂移补偿研究.光学与光电技术.2007，5 (3) :25-27)。抑制或补偿自准直光束的漂移是提高光电自准直仪测量精度的关键，目前抑制或补偿光束漂移量的方法主要有(1)利用波带片、位相板、二元光学器件或双缝等产生的衍射或干涉条纹的空间连线对漂移量不敏感的特点，来达到精密测量的目的。如采用波带片在光源和波带片中心连线的某一位置上出现一明亮的十字线，通过调节激光器与波带片之间的可调焦望远镜，可将十字亮线成像在光轴的不同的位置上，将这一光轴作为准直测量中的基准线，由于十字亮线是衍射干涉的结果，故具有较好的抗干扰性，获得了士lX10_7rad (即0.04)的准直精度(张善锺，于瀛浩，张之江.直线度平面度测量技术.中国计量出版社，1997:79-81)。 但这种方法需要通过不断调整调焦望远镜使十字亮线沿光轴移动，无法实现实时补偿，限制了该方法的应用。Richard F等人采用的泊松线法，利用平面波照明一个不透明球体，通过衍射的作用在球体后产生一条亮线即泊松线，该亮线垂直于入射平面波并且其反向延长线通过球体中心，利用该泊松线作为测量的基准直线，具有一定的抗干扰能力(Richard F. Schenz et al.Development of an extended straightness measurement reference. UCRL—99540， DE90006781)。但该方法中入射平面波的方向变化会直接影响测量结果。Hao Q等人采用位相板衍射准直法，利用位相板衍射得到的中心暗线作为准直基准，当入射光波是平行平面波且方向确定时，如果入射光波平移，衍射得到的中心暗线和衍射图样的空间位置保持不变，达到了抑制激光器光束漂移的效果，可达到10_6rad(即 0.2)的准直精度(Hao Q，Li D C. High-accuracy long distance alignment using single-mode opticalfiber and phase plate. Optics and Laser Technology,2002. 34 287-292)。但该方法无法抑制入射光波的角漂移。(2)采用双光路补偿的方法清华大学刘兴占等人提出的对称双光束法，采用一定的光路将出射光束分为两束，当入射光束方向发生漂移时，两出射光束的方向分别向相反的方向变化，而这两束光的对称中心线保持不变，从而可以抑制漂移的影响，达到了 1.8X10_6rad(即0.37)的准直精度(刘兴占，梁晋文，陈博一等.双光束补偿准直系统.计量技术，1999. 1 :12-15)。该方法中对称双光束的产成需要经过多次反射和折射，对各光学元件的安装精度和加工精度要求较高，并且该方法中两光束的传输路径不重合，使得两光路中光束特性不完全一致，对传输路径中产生的漂移进行补偿的效果不佳。北京交通大学匡萃方等人提出一种共路补偿系统，将出射的激光束通过角锥棱镜平行返回，经过分光镜分成两束分别作为测量信号和补偿信号，补偿空气扰动带来的附加位置误差(匡萃方，冯其波，刘斌等.一种共路补偿激光漂移的直线度测量方法.光电工程，2005. 32 (4) :32-34)。该方法中能够实时补偿空气扰动带来的角度漂移，但由于角锥棱镜的逆向反射特性，使得该方法仅适用于直线度测量，难以应用于角度测量。北京交通大学由凤玲等人提出一种可实时监测光线漂移的角度误差测量方法，采用分光镜与角锥棱镜作为移动单元，分光镜将入射光束分为反射光束和透射光束，反射光作为测量光束，透射光经角锥棱镜后原路返回作为补偿光束，可获得光束在测量过程中的角漂移，从而进行实时补偿，提高测量精度(由凤玲，张斌，冯其波.一种基于光线漂移补偿的导轨角度误差测量方法.北京交通大学学报，2009. 33 (6) :5-8)。该方法中测量光束与补偿光束在返回的过程中不共路，补偿光束不能完全表征测量光束的漂移情况，补偿效果不佳。(3)采用闭环反馈控制的方法采用闭环反馈控制的方式提高激光光束的方向稳定性，为消除或补偿由光束漂移造成的角度测量偏差，实现高精度的小角度测量提供了一种有效的技术途径。西安理工大学于殿泓等人采用闭环反馈法抑制光束漂移，由反馈系统接收光束漂移信号，并驱动执行机构对激光束的方向角进行二维调整，实现对光束漂移量的实时修正，达到了 5X10_7rad(gp :0.1)的精度(于殿泓，郭彦珍.提高激光准直精度的一种方法.石油仪器，1999. 12 :18-20)。但该方法仅用于提高激光光线的方向性，无法应用于角度测量。申请人:在2004年提出的漂移量本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将激光光源发出的一束偏振光束经分划板、分光镜和准直物镜后形成准直光束并发射；步骤二、所述准直光束经二维光束偏转装置反射后，入射至第一偏振分光镜，该第一偏振分光镜将入射光束分为偏振态互相垂直的透射光束和反射光束；步骤三、步骤二获取的透射光束经测量反射镜反射后作为测量光束，所述测量光束获取了测量反射镜的二维角度变化量，所述测量光束再次经第一偏振分光镜透射后按原光路返回，直到入射至分光镜，并经该分光镜反射后入射至第二偏振分光镜，经该第二偏振分光镜透射的光束由第一光电位置传感器接收，该第一光电位置传感器输出的信号作为测量信号输出给控制器；步骤四、步骤二获取的反射光束经角锥反射镜反射后形成的光束按原光路逆向返回，该路光束作为参考光束，所述参考光束获取了光束漂移量信息，所述参考光束入射至分光镜后，经该分光镜反射后入射至第二偏振分光镜反射，经该第二偏振分光镜反射后由第二光电位置传感器接收，该第二光电位置传感器输出的位置信号作为光束漂移量参考信号输出给控制器，由控制器计算出光束漂移量；步骤五、控制器根据接收的光束漂移量参考信号来实时控制二维光束偏转装置转动，将测量光束和参考光束同时向漂移量相反的方向进行偏转，同时根据接收到的测量信号计算出测量反射镜随被测物偏转的角度，实现二维光电自准直角度测量。...
【技术特征摘要】
1.偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、将激光光源发出的一束偏振光束经分划板、分光镜和准直物镜后形成准直光束并发射；步骤二、所述准直光束经二维光束偏转装置反射后，入射至第一偏振分光镜，该第一偏振分光镜将入射光束分为偏振态互相垂直的透射光束和反射光束；步骤三、步骤二获取的透射光束经测量反射镜反射后作为测量光束，所述测量光束获取了测量反射镜的二维角度变化量，所述测量光束再次经第一偏振分光镜透射后按原光路返回，直到入射至分光镜，并经该分光镜反射后入射至第二偏振分光镜，经该第二偏振分光镜透射的光束由第一光电位置传感器接收，该第一光电位置传感器输出的信号作为测量信号输出给控制器；步骤四、步骤二获取的反射光束经角锥反射镜反射后形成的光束按原光路逆向返回， 该路光束作为参考光束，所述参考光束获取了光束漂移量信息，所述参考光束入射至分光镜后，经该分光镜反射后入射至第二偏振分光镜反射，经该第二偏振分光镜反射后由第二光电位置传感器接收，该第二光电位置传感器输出的位置信号作为光束漂移量参考信号输出给控制器，由控制器计算出光束漂移量；步骤五、控制器根据接收的光束漂移量参考信号来实时控制二维光束偏转装置转动， 将测量光束和参考光束同时向漂移量相反的方向进行偏转，同时根据接收到的测量信号计算出测量反射镜随被测物偏转的角度，实现二维光电自准直角度测量。2.根据权利要求1所述的偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法，其特征在于，步骤四中的光束漂移量ε按下式获取3.根据权利要求1所述的偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法，其特征在于，步骤五中控制器根据接收的光束漂移量参考信号来实时控制二维光束偏转装置转动，二维光束偏转装置对光束空间角度的调整量Φ为Φ = ε。4.根据权利要求1或2所述的偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法，其特征在于，步骤五中的测量反射镜随被测物偏转的角度θ按如下公式获取5.实现权利要求1至4任一权利要求所述的偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法的装置，其特征在于，它包括二维光电自准直光管、基于角锥组合靶标的漂移量监测分离装置、二维光束偏转装置(8)、测量反射镜(12)和控制器(7)...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，朱凡，崔继文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。