基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置与流程

1.本发明属于精密测试计量技术领域，具体涉及一种基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置。


背景技术：

2.随着超精密加工制造、大型装备制造、大科学工程等领域不断发展，迫切需求能够在大测量范围下实现高分辨力、高精度、高稳定性、同时对测量现场有一定抗干扰能力的自准直角度测量技术。该技术对上述领域的发展起重要的支撑作用。
3.在超精密加工制造领域，自准直仪与平面镜、多面棱镜等组合可以对零部件的形状公差和位置公差进行测量，角度分辨力可以达到0.1
″
至0.001
″
；在大型装备制造与安装过程中，自准直仪与合作目标配合，测量距离可以达数米甚至数十米远；在装配车间利用自准直仪实时远距离测量偏航角与俯仰角，实现装备姿态的监测。在大科学工程领域，利用自准直仪可以测量大型科学仪器转动的回转精度、测量直线运动的直线精度，以及仪器之间的相对姿态和位置。此外，上述应用场景不局限于检测室与实验室环境。受被测目标的限制，需要有能够在制造现场、装配车间、甚至野外环境下能够进行实时远距离高精度高稳定性测量的自准直仪器。
4.光电自准直仪基于光学自准直原理，传统结构如图1所示，该装置包括激光光源1、第一凸透镜41、第一分光镜2以及图像传感器3。激光光源1出射的光束，经过凸透镜41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，经凸透镜41会聚，由图像传感器3采集光斑信息。利用光斑的位置信息可以计算得到被测物5的角度信息。
5.传统结构的自准直仪存在如下问题：
6.准直物镜为单透镜，焦距一般为500mm左右且难以继续提高，常用的光电传感器极限位移分辨力在30到50nm之间，依照测量原理自准直仪难以实现纳弧度量级的角度测量；单透镜光学系统像差较大，光电传感器光斑定位误差较大，自准直仪难以实现高精度角度测量；自准直仪光源一般为激光光源，由于其发光机理的原因，出射光束存在平漂和角漂，自准直仪难以实现高稳定性测量；结构本身不带有任何补偿环节，极易受到外界扰动的影响，如长距离测量条件下空气扰动会使反射光束带有额外的角度漂移，降低自准直仪的测量精度和稳定性。
7.综上所述，传统光电自受光学系统和传感器的硬件限制、对测量环境敏感、受空气扰动影响等多方面因素的影响，极大地限制了自准直仪的技术指标和使用环境，难以在复杂环境下实现长距离、高分辨力、高精度、高稳定性兼顾的纳弧度量级角度测量任务。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为了克服传统结构自准直仪测量方法与装置中的不足，以实现高频响、高精度、高分辨力、高稳定性兼顾的角度测量，提出一种基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置。
9.本发明所述的基于波前校正的高频响二维光电自准直方法包括以下步骤：
10.步骤a、两不同波长激光光源发出的光经凸透镜准直成平行光、经第一分光镜后共路传输，经过光阑、分光镜、转折镜、准直物镜组后形成准直光束并出射；
11.步骤b、出射光束被仪器内的第一二向色镜分束，其中透射光束作为测量光束入射仪器外的被测反射镜上，被反射并带有被测目标的二维角度变化信息；其中反射光束作为参考光束入射仪器内固定的参考反射镜上并原路返回；
12.步骤c、测量光束和参考光束沿原出射光路返回，直至经第二分光镜反射后被第二二向色镜分束；其中透射光束为测量光束，由图像传感器接收；其中反射光束为参考光束，经凸透镜会聚成平行光由波前传感器接收；
13.步骤d、波前传感器测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息，计算得到测量过程中光束漂移和环境扰动等因素引入的测量误差为α0和β0；
14.步骤e、当平面反射镜随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
15.步骤f、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f
·
tan(2a)计算求得α，其中(α
‑
α0)为补偿后被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f
·
tan(2β)计算求得β，其中 (β
‑
β0)为补偿后被测物产生俯仰角的角度。
16.本发明所述的基于波前校正的高频响二维光电自准直装置包括以下内容：
17.装置包括光源单元、第二分光镜、图像传感器、准直物镜组、平面反射镜、小孔光阑、第一转折镜、第二转折镜、第一二向色镜、参考反射镜、第二二向色镜、第三凸透镜以及波前传感器；
18.装置中包含第一光源、第二光源、第一二向色镜、第二二向色镜。其中第一光源和第二光源可以发出两种不同波长的光束；第一二向色镜和第二二向色镜对第一光源呈现高透射率，对第二光源呈现高反射率；
19.所述光源单元由第一光源、第二光源、第一凸透镜、第二凸透镜、第一分光镜组成。第一光源位于第一凸透镜焦平面，第二光源位于第二凸透镜焦平面，分别在第一分光镜的分光截面两侧；
20.第一光源和第二光源发出的光经过各自对应的凸透镜准直为两束相互垂直的平行光，通过第一分光镜汇合后入射小孔光阑，透射光束依次经过第二分光镜透射、第一转折镜反射、第二转折镜反射、准直物镜组透射后变为平行光束；平行光束经第一二向色镜分束为透射光束与反射光束，透射光束为测量光束，垂直入射平面反射镜；反射光束为参考光束，垂直入射参考反射镜；两路光束经反射镜分别反射后沿原路返回、经第二分光镜反射后，经第二二向色镜分束将参考光束和测量光束分离；测量光束透射并垂直入射于图像传感器采集成像，参考光束被反射并经第三凸透镜透射后变为平行光入射波前传感器采集成像。
21.所述小孔光阑作为物面，位于准直物镜镜组的等效焦面处；
22.所述准直物镜组由第一组合透镜和第二组合透镜组成，构成摄远物镜组；第一组合透镜由2片或多片凸透镜、凹透镜组合而成，具有和凸透镜一致的对光束会聚作用；第二组合透镜是由2片或多片凸透镜、凹透镜组合而成，具有和凹透镜一致的对光束发散作用；其焦距远大于单个凸透镜，从而提高自准直仪的极限角度分辨力，并且具有更小的像差和
非线性；
23.所述第三凸透镜位于第二二向色镜反射光束汇聚焦点右侧，焦点位于第三凸透镜的焦面处，参考光束经第二二向色镜反射后先汇聚再发散经第三凸透镜透射后变为平行光束，并入射波前传感器的中心位置。
24.发明有益效果
25.本发明提出的基于波前校正的高频响二维光电自准直方法，在传统自准直仪测量方法中增加波前测量与校正环节，测量仪器内参考光路的波前畸变信息并通过驱动变形镜补偿畸变相位，实现对自准直仪光学系统像差的测量与调控，提高光学系统的成像质量与光斑定位精度，进而提高自准直仪角度测量精度；角度测量和校正过程同时进行，提高自准直仪的测量速度。同时引入该环节使自准直仪具备了抵抗外界环境干扰的能力，如温度变化、微小振动、空气扰动等，进一步提高自准直仪角度测量的分辨力与稳定性；该方法使传统自准直仪具备纳弧度量级(5
×
10
‑9rad，即0.001
″
)的角度分辨力和亚微弧度量级(10
‑7rad，即0.02
″
) 的角度测量精度。
26.本发明提出的基于波前校正的高频响二维光电自准直装置与传统自准直仪结构相比具有如下优点：
27.(1)单个准直物镜替换为摄远物镜镜组，扩大焦距同时减小光路体积，在同等条件下将系统的极限角度分辨力提升至纳弧度量级；
28.(2)引入参考光束实现对自准直装置光学系统像差的测量与调控，提高光斑成像质量，提高光斑定位精度，进而提高自准直仪的测量精度和稳定性；
29.(3)将激光光源替换为小孔光阑透射的光作为自准直仪光源，直接降低了由于光源自身漂移带来的测量不稳定性；
30.(4)在装置内增加独立光源作为参考光束，进行角度测量的同时，测量光束的角漂移和波前相位信息并进行补偿，提高了装置测量速度与频响，提高图像传感器上光斑成像质量，提高光斑定位精度，进而提高自准直装置的测量精度和稳定性；
31.(5)转折镜对系统长焦光路进行两次折叠，缩小了装置的体积，更加适用于现场测量环境，同时避免装置由于尺寸过大带来的空气扰动对光束传输的影响；
32.因此，同传统自准直角度测量装置相比，本发明具有在相同测量量程下，角度极限分辨力达到纳弧度量级的同时实现高频响、高精度、高稳定性兼顾的角度测量的技术优势，具备抗环境扰动和补偿扰动引起的误差的能力。
附图说明
33.图1是传统自准直角度测量装置的结构示意图；
34.图2是本发明中，第一组合透镜与第二组合透镜组合而成的准直物镜组示意图；
35.图3是本发明基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置具体实施例一的结构示意图；
36.图4是本发明基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置具体实施例二的结构示意图；
37.图5是本发明基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置具体实施例三的结构示意图。
38.图中：1光源单元、1
‑
1第一光源、1
‑
2第二光源、1
‑
3第一凸透镜、1
‑
4第二凸透镜、1
‑
5第一分光镜、2第二分光镜、3图像传感器、4准直物镜组、4
‑
1第一组合透镜、4
‑
2第二组合透镜、5平面反射镜、6小孔光阑、7第一转折镜、8 第二转折镜、9第一二向色镜、10参考反射镜、11第二二向色镜、12第三凸透镜、13波前传感器、14变形镜、15变形镜驱动器、16空间光调制器。
具体实施例
39.下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
40.具体实施例一
41.本实施例是基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置实施例。
42.本实施例基于波前校正的高频响二维光电自准直装置，结构示意图如图3 所示。该角度测量装置包括第一光源1
‑
1、第二光源1
‑
2、第一凸透镜1
‑
3、第二凸透镜1
‑
4、第一分光镜1
‑
5、第二分光镜2、图像传感器3、第一组合透镜4
‑
1、第二组合透镜4
‑
2、平面反射镜5、小孔光阑6、第一转折镜7、第二转折镜8、第一二向色镜9、参考反射镜10、第二二向色镜11、第三凸透镜12、波前传感器13；
43.第一光源1
‑
1发出的光束和第二光源1
‑
2发出的光束在准直后经过第一分光镜1
‑
5后会发生合并，两光束光轴重合、传播方向相同，合并后的光束平行入射于小孔光阑6；以小孔光阑6作为物面，发出的两束光经第二分光镜2透射，经过第一转折镜7和第二转折镜8反射后，垂直入射于准直物镜组4准直成平行光束。
44.平行光束经第一二向色镜9分束为透射光束与反射光束，此时第一光源1
‑
1 光束会被透射，作为测量光束，垂直入射平面反射镜5；第二光源1
‑
2光束会反射，作为参考光束，垂直入射参考反射镜10；两路光束经反射镜分别反射后沿原路返回，经第二分光镜2反射后，经第二二向色镜11分束将参考光束和测量光束分离；测量光束透射并垂直入射于图像传感器3采集成像，参考光束被反射并经第三凸透镜12透射后变为平行光入射波前传感器13采集成像。
45.所述第一光源1
‑
1位于第一凸透镜1
‑
3焦平面，第二光源1
‑
2位于第二凸透镜1
‑
4焦平面，分别在第一分光镜1
‑
5的分光截面两侧；
46.所述小孔光阑6作为物面，位于准直物镜组4的等效焦面处；
47.所述准直物镜组4由第一组合透镜4
‑
1和第二组合透镜4
‑
2组成，构成摄远物镜组；第一组合透镜4
‑
1由2片或多片凸透镜、凹透镜组合而成，具有和凸透镜一致的对光束会聚作用；第二组合透镜4
‑
2是由2片或多片凸透镜、凹透镜组合而成，具有和凹透镜一致的对光束发散作用；其焦距远大于单个凸透镜，从而提高自准直仪的极限角度分辨力，并且具有更小的像差和非线性；
48.所述第三凸透镜12位于第二二向色镜11反射光束汇聚焦点右侧，焦点位于第三凸透镜12的焦面处，参考光束经第二二向色镜11反射后先汇聚再发散经第三凸透镜12透射后变为平行光束，并入射波前传感器13的中心位置。
49.所述第一转折镜7与第二转折镜8互相平行放置，均与主光轴存在一个固定小角度。
50.测量原理如下：
51.当被测物产生偏航角α、俯仰角β的角度变化时，平面反射镜5也产生偏航角a、俯仰角β的角度变化。入射于平面反射镜5上的测量光束，由于平反射面镜5随被测物产生偏航角、俯仰角的转动，因此经平面反射镜5反射的光束与原光束产生2α、2β角的偏转；参考反射镜10不随被测物的转动产生角度变化，入射参考反射镜10的参考光束被反射后原路返回；
52.返回的测量光束经过第一分光镜2反射、第二二向色镜11透射，并入射图像传感器3，采集得到光斑偏离传感器中心的竖直和水平方向上的位移为x1和 y1，且满足以下关系，x1＝f
·
tan(2α)，y1＝f
·
tan(2β)，f为准直物镜组4的等效焦距。
53.返回的参考光束经过第一分光镜2反射、第二二向色镜11反射，先汇聚再发散入射第三凸透镜12变为平行光束后，入射波前传感器13，采集参考光束的光束波前相位信息；该信息反映了在装置内部参考光束传输过程中因外界环境扰动、光源光束漂移等因素引起的平漂和角漂信息；和参考光束共光路传输的测量光束同样会由于上述因素带有测量误差信息α0和β0。
54.对由计算公式得到的偏航角α、俯仰角β进行误差补偿，补偿后的(α
‑
α0)和 (β
‑
β0)为最终测量得到的被测物的偏航角和俯仰角。
55.本实施例的基于波前校正的高频响二维光电自准直方法，包括以下步骤：
56.步骤a、将平面反射镜5固定至被测物表面；
57.步骤b、点亮两个激光光源1
‑
1和1
‑
2，调整被测物以及平面反射镜5的位置，图像传感器3接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
58.步骤c、波前传感器13测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息，得到装置测量过程中由于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为α0和β0；
59.步骤d、当平面反射镜5随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器 3测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
60.步骤e、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f
·
tan(2α)计算求得α，其中(α
‑
α0)为补偿后被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f
·
tan(2β)计算求得β，其中 (β
‑
β0)为补偿后被测物产生俯仰角的角度。
61.本实施例将其中的凸透镜4替换为由第一组合透镜4
‑
1与第二组合透镜4
‑
2 组成的准直物镜组4作为装置的准直物镜单元扩大准直物镜的焦距，同等条件下将装置的极限角度分辨力提升至纳弧度量级；多透镜组合使光学系统具有更小的像差和非线性，提高了光斑成像质量，有助于提高光斑定位精度；
62.将激光光源1替换为小孔光阑6透射的光作为光源，直接降低了由于激光光源1自身漂移带来的测量不稳定性；
63.装置中增加独立光源作为参考光束并与测量光束共光路传输，通过对参考光束波前的实时测量和校正，实现对自准直装置光学系统像差的实时监测和调控，降低光学系统像差，提高图像传感器上光斑成像质量，进而提高自准直装置的测量精度和稳定性。#
64.除此之外，选择第一转折镜7、第二转折8镜对系统长焦光路进行两次折叠，缩小了系统装置的体积，更加适用于现场测量环境，同时避免系统装置由于尺寸过大带来的空气扰动对测量结果的影响。
65.具体实施例二
66.本实施例是基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置实施例。
67.本实施例的基于波前校正的高频响二维光电自准直装置，结构示意图如图4 所示。在具体实施例一的基础上，本实施例将第二转折镜8替换为变形镜14和变形镜驱动器15。
68.本实施例的基于波前校正的高频响二维光电自准直方法，包括以下步骤：
69.步骤a、将平面反射镜5固定至被测物表面；
70.步骤b、点亮两个激光光源1
‑
1和1
‑
2，调整被测物以及平面反射镜5的位置，图像传感器3接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
71.步骤c、波前传感器13测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息，得到装置测量过程中由于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为α0和β0；
72.步骤d、根据波前传感器13测量的参考光束波前信息，调整变形镜14面形，使仪器内部于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为0；
73.步骤e、当平面反射镜5随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器3测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
74.步骤f、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f
·
tan(2α)计算求得α，其中α为被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f
·
tan(2β)计算求得β，其中β为被测物产生俯仰角的角度。
75.本实施例的创新点在于：
76.加入变形镜14和变形镜驱动器15作为波前校正单元，根据波前传感器13 探测得到的参考光束的波前相位信息，驱动变形镜14校正波前，实现自准直装置光学系统像差的实时测量和调控；同时可以实现对仪器内部光束传输过程中受环境扰动产生的光束相位畸变进行补偿，提高图像传感器3的成像质量和稳定性，进而提高纳弧度量级角度测量装置的精度和稳定性。
77.具体实施例三
78.本实施例是基于波前校正的高频响二维光电自准直方法与装置实施例。
79.本实施例的基于波前校正的高频响二维光电自准直装置，结构示意图如图5 所示。在具体实施例一的基础上，本实施例在第一分光镜1
‑
5和小孔光阑6之间加入空间光调制器16，将第二转折镜8替换为变形镜14和变形镜驱动器15。
80.本实施例的基于波前校正的高频响二维光电自准直方法，包括以下步骤：
81.步骤a、将平面反射镜5固定至被测物表面；
82.步骤b、点亮两个激光光源1
‑
1和1
‑
2，调整被测物以及平面反射镜5的位置，图像传感器3接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
83.步骤c、波前传感器13测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息，得到装置测量过程中由于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为α0和β0；
84.步骤d、根据波前传感器13测量的参考光束波前信息，调整空间光调制器 16姿态和变形镜14面形，使仪器内部于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为0；
85.步骤e、当平面反射镜5随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器 3测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
86.步骤f、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f
·
tan(2a)计算求得α，其中α为被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f
·
tan(2β)计算求得β，其中β为被测物产生俯仰角的
角度。
87.本实施例将参考反射镜11放置在被测物一侧；参考光束和测量光束共光路传输，两者受相同的空气扰动，利用波前传感器13实时测量返回参考光束的波前相位信息，并驱动变形镜14和空间光调制器16校正光源光束角漂移和空气扰动引起的波前畸变，提高光学系统的光斑成像质量，提高光斑定位精度和稳定性，实现在长距离测量条件下提高自准直装置的角度测量精度、稳定性和抗空气扰动的能力。
88.以上所述为本发明专利较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。