专利名称：偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种偏振光平面镜参考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。
背景技术：
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年提出的漂移量反馈控制式补偿系统，实时动态分离检测和控制激光光束的平漂和角漂，实现了特定方向上角漂移量0.6X10_7rad(即0.01〃 )的高稳定性(赵维谦，谭久彬，马洪文等.漂移量反馈控制式激光准直方法.光学学报，2004. 24(3) 373-377)。但只能用于特定方向上的准直，漂移量监测和补偿的速度较低，无法应用于小角度测量等应用场合。申请人:在2005年申请的发明专利“漂移量靶标反馈控制的长距离二维光电自准直装置和方法”(授权号ZL200510089852. 3)中，提出采用一种分光式靶标探测器，在获取二维小角度变化量的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的角漂移量反馈光束，通过监测反馈光束所反映的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，抑制耦合在测量信号中的角漂移量，在增大二维光电自准直仪测量距离的同时提高了测量稳定性。该方法中由于测量光束和反馈光束在返回过程中未共路传输，经过了不同的传播路径，反馈光束不能完全反映测量光束中耦合的角漂移量，并且测量距离越大不一致性越严重，从而反馈控制系统不能对测量光束的漂移量进行有效的抑制，制约了最终角度测量精度的提高。综上，现有的方法和装置中均存在以下不足(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进行准直的方法中，对入射光源的方向性要求较高，无法抑制入射光源角漂移的影响，入射光源的角漂移直接导致准直基线的漂移，并且对传输路径中空气扰动的抑制能力有限；(2)采用双光路补偿的方法中，对称双光束的产生比较困难，并且双光路中测量光束与参考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，参考光束不能完全反映测量光束的漂移，补偿的效果不佳；(3)采用闭环反馈控制的方式中，大多采用闭环反馈提高激光光线特定方向上的稳定性，难以应用于自准直角度测量，并且参考光束与测量光束无法做到共光路传输，从而参考光束与测量光束的特性不完全一致，使得补偿的效果不佳，制约了最终角度测量精度的提高。
发明内容
本发明目的是为了克服上述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，提供了一种偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直方法与装置。本发明所述偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直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参考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；光束漂移量ε按下式获取
+ f Admi)ε = arctan ———
I / J'其中AcUf为相邻两个采样周期的参考光束在第二光电位置传感器上形成光斑的位置差，f为准直物镜的焦距。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。二维光束偏转装置对光束空间角度的调整量Φ为Φ = ε。测量反射镜随被测物偏转的角度θ按如下公式获取
^ 1( Adm λθ = —arctan -—
2 I / J'其中Δ dm为相邻两个采样周期的测量光束在第一光电位置传感器上形成光斑的
位置差。实现上述偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直方法的装置它包括二维光电自准直光管、平面镜参考共光路漂移量监测分离装置、二维光束偏转装置、测量反射镜和控制器，二维光电自准直光管包括激光光源、分划板、分光镜、第一光电位置传感器和准直物镜；平面镜参考共光路漂移量监测分离装置包括第一偏振分光镜、参考反射镜、第二偏振分光镜和第二光电位置传感器；参考反射镜的镜面正对第一偏振分光镜的反射出光方向放置，测量反射镜的镜面正对第一偏振分光镜的透射出光方向放置；第二偏振分光镜用于接收分光镜的反射光束；第一光电位置传感器设置在第二偏振分光镜的透射光束出射方向的准直物镜的焦面上，第二光电位置传感器设置在第二偏振分光镜的反射光束出射方向的准直物镜的焦面上，控制器接收第一光电位置传感器和第二光电位置传感器反馈的信号，控制器输出控制信号用于控制二维光束偏转装置的旋转。本发明的优点
1、本发明中利用了激光光束的偏振特性，采用偏振分光镜将二维光电自准直光管发出的自准直光束分为偏振态互相垂直的两束光，分别经参考反射镜和测量反射镜反射后成为参考光束和测量光束，参考光束和测量光束再次经过偏振分光镜后一起共路返回至二维光电自准直光管，在接收端利用参考光束和测量光束偏振态互相垂直的特性采用偏振分光镜将二者分离，在整个测量过程中参考光束与测量光束完全共光路传输，可确保参考光束与测量光束的特性完全一致，从而参考光束能够精确反映测量光束的漂移量。这是区别于现有 光电自准直测量技术的创新点之一；2.、本发明中利用偏振分光镜与参考反射镜实现参考光束的生成，由于参考反射镜与测量反射镜均为平面反射镜，可使二者分别反射回的参考光束与测量光束的特性完全一致，在应用时偏振分光镜与参考反射镜固定不动，只有测量反射镜随被测物发生角度偏转，可使参考反射镜反射回的参考光束相对于测量光束成为一个精确的漂移量参考基准。 这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之二；3、本发明中利用参考光束与测量光束完全共光路传输的特点，结合闭环反馈控制技术，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，从而大幅度提高对测量反射镜二维角度变化量的测量精度。这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之三。
图1是实施方式二所述偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直装置结构示意图；图2是实施方式三所述偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直装置结构示意图；图3是实施方式四所述偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直装置结构示意图；图4是激光光源发出圆偏振光束的示意图；图5是激光光源发出椭圆偏振光束的示意图；图6是激光光源发出正交线偏振光束的示意图；图7是激光光源发出线偏振光束的示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直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参考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。步骤四中的光束漂移量ε按下式获取
权利要求
1.偏振光平面镜参考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参考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所述的偏振光平面镜参考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所述的偏振光平面镜参考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所述的偏振光平面镜参考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平面镜参考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、平面镜参考共光路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)，二维光电自准直光管包括激光光源(1)、分划板(2)、分光镜(3)、第一光电位置传感器(6)和准直物镜(9)；平面镜参考共光路漂移量监测分离装置包括第一偏振分光镜(10)、参考反射镜 (11)、第二偏振分光镜(5)和第二光电位置传感器(4)；参考反射镜(11)的镜面正对第一偏振分光镜(10)的反射出光方向放置，测量反射镜(12)的镜面正对第一偏振分光镜(10) 的透射出光方向放置；第二偏振分光镜(5)用于接收分光镜(3)的反射光束；第一光电位置传感器(6)设置在第二偏振分光镜(5)的透射光束出射方向的准直物镜 (9)的焦面上，第二光电位置传感器(4)设置在第二偏振分光镜(5)的反射光束出射方向的准直物镜(9)的焦面上，控制器(7)接收第一光电位置传感器(6)和第二光电位置传感器(4)反馈的信号，控制器(7)输出控制信号用于控制二维光束偏转装置(8)的旋转。
6.根据权利要求5所述的偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直装置，其特征在于，它还包括第一 1/4波片(13)，第一 1/4波片(13)设置在第一偏振分光镜(10)与参考反射镜(U)之间。
7.根据权利要求6所述的偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直装置，其特征在于，它还包括第二 1/4波片(14)，第二 1/4波片(14)设置在第二偏振分光镜(5)与二维光电自准直光管的分光镜(3)之间。
8.根据权利要求5所述的偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直装置，其特征在于，激光光源(1)发出的激光束为圆偏振光、椭圆偏振光、正交线偏振光或单线偏振光。
全文摘要
一种偏振光平面镜参考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。本发明方法的的平面镜参考共光路漂移量监测分离装置利用激光的偏振特性，采用偏振分光镜和参考平面反射镜，在获取二维角度变化量测量光束的同时可分离出与测量光束特性完全相同特别是可分离出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、平面镜参考共光路漂移量监测分离装置、控制器和二维光束偏转装置。
文档编号G02B27/28GK102176086SQ20111002172
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者崔继文, 朱凡, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学