专利名称：基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法
技术领域：
本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，特别涉及一种基于光束角漂动态补 偿的二维小角度测量装置与方法。
背景技术：
目甜，常用的小角度测量(asr ，特别是在士10 20arcmin以内)方法包括激光小角度 测量仪法、标准光学角规法、圆光栅测角法、激光干涉测量法、光电自准直仪法。在诸多的 测量方法中，激光自准直测量方法充分利用激光的优点，具有结构简单、使用方便等特点， 在计量科学中得到越来越广泛的应用。激光自准直测量方法是利用激光本身的方向性，以激 光光强分布中心作为基准直线，采用CCD、四象限光电池或PSD作为光电位置探测器，实现 角度的测量。激光自准直测角方法具有非接触、准确度高、灵敏度高，结构简单、使用方便 等特点。
随着测量技术的不断改进和提高，现代化高精度测量技术和方位瞄准跟踪系统的发展对 小角度的测量精度提出了越来越高的要求。光电自准直仪在小角度精密测量，高精度瞄准与 定位方面有着不可替代的作用，可以作为测角仪、光学比较仪等光学计量仪器的组成部分， 也可单独用于光学测量、航空航天仪器装调和军用飞行器姿态测量等方面。
在高精度小角度测量中，对于测量不确定度优于0.5〃的光电自准直仪，光源部分光束的 角漂移量是光电自准直仪测量误差的主要来源。当光源发出的光束存在光束漂移时，如氦氖 激光器谐振腔内反射镜变形引起光束的角漂移量为10-6 10-7rad，即0.02" 0.2" (1.力'德 安.激光基准高精度测量技术.国防工业出版社.1999年6月；2.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)，如果采用光斑中心 定位方法则接收器接收的光斑中心随光束漂移而漂移；如果采用轮廓中心定位方法，则由于 光束漂移，接收器接收的光斑的能量中心和轮廓的几何中心不重合引起轮廓中心的偏移，直 接产生轮廓中心的定位偏差。如果不对该角漂移量进行修IH或补偿，将直接反馈回小角度的 测量结果引起角度测量偏差，导致仪器数据重复性差，稳定性不好。若要进一歩提高测量不 确定度，仅仅依靠提高光束自身的准直精度，无论是从现有技术还是工艺水平上都是难以实 现的。采用误差分离和补偿技术，特别是动态补偿技术，为消除或补偿修正该角漂移量引起 的角度测量误差，实现高精度的小角度测量提供了一种有效的技术途径。
目前，工程中广泛使用的光电自准直仪，如国家计量局北京计量仪器厂出产的702型光 电自准直仪，采用光学自准直原理，利用电表指零来确定瞄准状态，从测微鼓轮上或直接从 电表上读数，测量分辨力为o.r，测量不确定度为10'范围内为2"，视场中心任意4〃 6"
范围内为0.5"(武晋燮.几何量精密测量技术.哈尔滨工业大学出版社.1989年9月)。该测量
方案测量的是一维角度量，如果测量另一维角度量，必须在这个方向上重新调整仪器，导致
测量过程繁琐且数据重复性差，同时会引入人为测量误差以及机械的回程误差；同时光束的
角漂移量仍然存在，测量不确定度难以提高。
为了克服自准直仪在测量两个方向的角度量时，二次调整仪器所带来的重复性误差的缺 点，提高光电自准直仪的测量分辨力，同时能满足数据实时显示和存储的需要，许多厂家和
科研院所都制造出采用高精度光电探测器件测量二维角度的光电自准直仪，例如
1. 德国ELCOMAT公司生产的型号为ELCOMAT3000的双轴电子自准直仪。采用高精度的 CCD图像传感器，通过测量CCD图像传感器上接收到的光斑中心移动的位移量来精确测 出反射镜的小角度变化量，技术指标如下角度测量范围为土15.5'，角度测量不确定度 为0.1〃 (德国MOLLER-WEDEL公司ELCOMAT3000双轴电子自准直仪中文操作手册.)
2. 专利98229708.4 "动态光电自准直仪"的被测反射镜的二维角位移造成矩形孔像斑的二 维角位移量
3. 专利99242552.2 "二维动态数显式自准直仪"把现有的一维自准直仪中的十字形分划板 改为三角形分划板。在半透膜立方棱镜和双刻线分划板之间安装一个分光镜，分光镜反 射像处有一 CCD接收器，电子测量装置对CCD接收器的信息进行控制和数据处理；
4. 专利99254139.5 "光电自准直仪"的分划板设置有带N字型、A型、V型等指标线图案， 分光棱镜的共轭焦平面处设置有一维图像探测器件，通过指标线图案与一维图像探测器 件的相互位置关系计算偏角；
5. 专利200110032713. 2 "自准直仪"提供一种能够同时进行测量对象物的法线倾斜的粗调 和微调的自准直仪，通过向测量对象物照射光源的激光，使从测量对象物反射回來的回 返光通过凸透镜会聚，进一步通过凹透镜变为平行光，然后映射到第一屏幕，由此来检 测测量对象物的法线倾斜； ' .
6. 专利200510077456.9 "基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法"通过 在激光光源和分划板之间放置一前置分光镜來获取与测量光束特性完全相同的参考光 束， 一光程倍增装置对参考光束进行多次反射， 一甜置CCD图像传感器对光束的角漂移 量进行监测，可显著提高二维光电自准直仪的测量稳定性和测量精度。
7. 专利200510072253.0 "基于动态差动补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法"采用 共光路光学差动结构，将光束的角漂移量转变为共模误差，实时分离和动态补偿光束的 角漂移量引起的角度测量误差，提高二维光电自准直仪的测量稳定性、重复性和测量不 确定度。
8. 专利200510117263.1和200510089852.3中所述"光电自准直仪"利用分光式靶探测器在 获取二维小角度变化量测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光光 源固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对其角漂移量进行实时监测，计算机根 据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的 方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。 由于采用了高精度的光电探测器件，尤其是CCD图像传感器，提高测量分辨力的同时实 现了二维角度的自动化测量，数据实时显示和存储，而且也很好的消除了由于二次调整仪器 而引入的人为测量误差和机械回程误差的缺点。
但在实际应用中，尤其是从光路和机械结构以及测量过程中可知上述测量方案均存在如 下不足之处方案1-5中没有采用任何误差补偿或修T:的手段，光束的角漂移量在测量过程 中没有消除，最后叠加在测量结果中引起角度测量偏差；方案6-8虽然采取了不同的误差补 偿方法对激光束角漂进行实时补偿，但不能克服测量过程中光电自准直仪自身的角度晃动所 引起的角度测量误差，不适用于通过移动光电自准直仪对一系列测点进行二维角度测量的应 用场合，直接限定了光电自准直仪的应用范围，这是现有测量方案本身的不足之处，也是当 甜光电自准直仪的实际应用中未能解决的重要问题。另外，自准直仪的测量对象反射面不能 太小(例如ELCOMAT 3000自准直仪的被测面直径不能小于7mm),否则将造成大部分平 行光无法被其反射回自准直仪，导致CCD图像传感器接收到的图像信号太弱而无法完成角度
测量，这也是光电自准直仪的一个重要缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有的二维小角度测量方法中应用最广泛的光电自准直仪测 量方案中存在的不足，提供一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置和方法，采用 动态角漂误差补偿光路，将光束的角漂移量转变为共模误差，实时分离和动态补偿光束的角 漂移量引起的角度测量偏差，提高二维小角度测量的稳定性、重复性和测量不确定度。
本发明的技术解决方案是 一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置，包括线
偏振He-Ne激光器或半导体激光器、二维位相板、线偏振片、切向、径向测角单元及与其对 应的傅立叶变换透镜和CCD图像传感器，可对测点处二维小角度信息进行同时采集的切向与 径向测角单元分别位于正交平面YOZ和XOY面内，且均包含可对光束角漂进行实时动态补 偿的误差补偿光路，并均以衍射准直光束为测量基准光束。
光源采用线偏振He-Ne激光器或半导体激光器经单模光纤准直系统准直、细化后产生的 线偏振光。
测量基准光束为由二维位相板生成的衍射准直细光束，光束直径为lmm。 径向测角单元中光束角漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜或直角棱镜，可进行一
维角度调节的分光镜与平面反射镜或直角棱镜之间放置一线偏振片。
切向测角单元中光束角漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜，可进行一维角度调节 的偏振分光镜与平面反射镜之间放置一 波片。
切向测角单元与径向测角单元之间放置一 波片。
CCD图像传感器与径向测角单元之间放置一傅立叶变换透镜，CCD图像传感器与切向测 角单元之间放置一傅立叶变换透镜。
被测表面与切向测角单元之间放置一线偏振片或X/2波片。 测量方法包括以下步骤
(1) 调整分光镜，使得CCD图像传感器接收到的测量光斑与参考光斑完全分离调整偏 振分光镜，使得CCD图像传感器接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整完毕后将 分光镜和偏振分光镜固定，然后对该部件进行校准，校准后该部件在角度测量过程中不 再对其进行调整； '
(2) 使线偏振He-Ne激光器或半导体激光器经单模光纤准直系统准直、细化后产生的直径 为lmm的细光束垂直入射至二维位相板，生成衍射准直光束；
(3) 由二维位相板生成的衍射准直光束经过线偏振片入射至分光镜，反射光束经过线偏振 片后被平面反射镜反射，再次经过线偏振片入射至分光镜，透射光束经平面反射镜反射， 透过傅立叶透镜后被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元的参考 信号；
(4) 分光镜的透射光束经五角棱镜折转90。，透过V2波片后入射至偏振分光镜，透射光 束经线偏振片改变振动方向后入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经 过线偏振片入射至偏振分光镜，透射光束透过波片后经五角棱镜折转90° ，再经分 光镜和反射镜反射，透过傅立叶透镜后被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标作为 径向测角单元的测量信号；
(5) 五角棱镜的出射光束透过V2波片入射至偏振分光镜，反射光束经波片后经平面 反射镜反射，再次透过波片后完全透过偏振分光镜，经五角棱镜折转90°后被反射 镜反射，透过傅立叶透镜被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元 的参考信号；
(6) 自测点返回的光束入射至偏振分光镜，反射光束经五角棱镜折转卯°后被反射镜反 射，透过傅立叶透镜后被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元的
(7) 对于切向及径向测角单元，由各自的光束角漂误差补偿光路实时监测并分离出基准光 束角漂信号，进行实时动态差动处理，即可动态补偿由角漂量引起的角度测量误差，精
确测出测点处径向及切向的二维小角度变化量；对于径向角度测量
A=(K)/(2/)
式中^为测点处反射面沿径向的小角度变化量；" ， & 分别为径向测角单元测量及 参考信号的极小值在CCD图像传感器上的位移量，,为傅立叶透镜8的等效焦距；同理， 对于切向角度测量
《=(K)/(2/)
式中^为测点处反射面沿切向的小角度变化量；A"， Ar分别为切向测角单元测量及参 考信号的极小值在CCD图像传感器上的位移量，/为傅立叶透镜的等效焦距。
本发明具有以下特点和良好效果
1. 充分利用了衍射准直光束的特性，通过采用二维位相板将入射的准直光束变成衍射准 直光束，测量光斑的对比度大大提高，并以衍射光斑图样的极小值为测量基准，提高抗干扰 能力的同时，可显著提高角度测量分辨力，这是区别于现有二维小角度测量技术的创新点之
2. 在两个测角单元中均引入误差补偿光路，使由激光束角漂引起的测量信号变化量与参 考信号变化量大小相等、方向相同，CCD图像传感器能够同时获取测量信号与参考信号的角 度变化，可以实时分离和动态补偿由于激光束角漂引起的角度测量误差，并可有效抑制测量 过程中自准直仪自身的角度晃动所引起的角度测量误差，提高了角度测量的稳定性和重复性， 满足了二维小角度高精度测量的需要，这是区别于现有二维小角度测量技术的创新点之二；
3. 将两个基于衍射准直技术的一维小角度测量单元合理的集成为一个二维小角度测量 系统，在不降低角度测量精度的甜提下，能够同时感测测点处的二维角度信息，满足了小面 积被测面的二维小角度高精度测量，这是区别于现有小角度测量技术的创新点之三。
图1是基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置结构示意图
图2是二维位相板的结构示意图
图3是CCD图像传感器接收到的衍射光斑图样
图4是径向测角单元中由光束角漂引起的测量及参考光束变化示意图
图5是切向测角单元中由光束角漂引起的测量及参考光束变化示意图
图6是光源采用半导体激光器时的示意图
图7是径向测角单元中平面参考镜采用直角棱镜时的结构示意图
图8是径向测角单元中平面参考镜采用直角棱镜时测量及参考光束变化示意图
图9是自准直仪自身围绕切向产生角度晃动时径向测量与参考光束变化示意图
图10a是测量及参考光斑完全重合无法分辨时的示意图
图10b是调整分光镜后，CCD图像传感器接收到的测量及参考光斑完全分离时的示意图
具体实施例方式
下面结合图和实施例对本发明的基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置和方法进
行详细描述
如图1所示，本发明的装置包括线偏振He-Ne激光器l、 二维位相板2、线偏振片3、径向、 切向测角单元22、 21及与其对应的傅立叶变换透镜8、 19和CCD图像传感器9、 20;基本工作 过程如下线偏振He-Ne激光器或半导体激光器l发出的直径为lmm的准直光束垂直入射至二 维位相板2，生成的衍射准直光束经过线偏振片3入射至分光镜4，反射光束经过线偏振片5后 经平面反射境6反射，再次经过线偏振片5入射至分光镜4，透射光束经平面反射镜7反射，透 过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，以衍射光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的 参考信号；透射光束经i:角棱镜10折转90。，透过人/2波片ll后入射至偏振分光镜12,透射光 束经线偏振片17入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片17入射 至偏振分光镜12，透射光束透过X/2波片后经五角棱镜10折转卯。，再经分光镜4和反射镜7反 射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，衍射光斑的极小值坐标作为径向测角单元 22的测量信号。五角棱镜10的出射光束经V2波片入射至偏振分光镜12，反射光束经人/4波片13 后经平面反射镜14反射，再次透过V4波片13后全部透过偏振分光镜12，经五角棱镜15折转90 °后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜1'9后被CCD图像传感器20接收，衍射光斑的极小值坐 标成为切向测角单元21的参考信号；自测点返回的光束经线偏振片17入射至偏振分光镜12， 反射光束经五角棱镜15折转90。后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器 20接收，衍射光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的测量信号；其中，二维位相板的相位 结构见下式<formula>formula see original document page 9</formula>
参见图2，在光学基片28的一、三象限部分镀一定厚度的增透膜29，使一、三象限与二、四 象限部分透过光束产生的位相差为兀，CCD图像传感器上接收到的衍射光斑图样见图3。
参见图4及图5，对于径向及切向角度测角单元22、 21，激光束角漂引起参考信号和测
量信号同时变化，由对应的参考光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差 动处理，通过求取测量光斑与参考光斑的极小值位移量的差值即可动态补偿由角漂量引起的 角度测量误差，精度测出测点处径向及切向的二维小角度变化量。对于径向角度测量<formula>formula see original document page 10</formula>
式中^为测点处反射面沿径向的小角度变化量；" ， Aw分别为径向测角单元22中测量及
参考信号基准在CCD图像传感器9上的位移量，/为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，对于
切向角度测量
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式中^为测点处沿切向的小角度变化量；^/r， Ar分别为切向测角单元21中测量及参考信 号基准在CCD图像传感器20上的位移量，/为傅立叶透镜19的等效焦距。
本发明在线偏振片3和五角棱镜10之间放置一分光镜4，将入射光束分成径向测角单元 22的测量光束和参考光束，参考光束通过参考反射镜6和反射镜7将光束的角漂转变为共模 误差，采用误差分离技术和动态补偿技术对光束角漂引起的径向角度测量误差进行动态补偿； 在波片11和线偏振片17之间放置一偏振分光棱镜12,将五角棱镜10的出射光束分成切 向测角单元21的测量光束和参考光束，参考光束通过参考反射镜14将光束的角漂转变为共 模误差，采用误差分离技术和动态补偿技术对光束角漂引起的切向角度测量误差进行动态补 偿。其中，线偏振片5的作用是调整径向测角单元22的测量与参考信号的相对强度，并使其 相等；X/2波片11的作用是调整切向测角单元21的测量与参考信号的相对强度，并使二者相 等；人/4波片13的作用是使自偏振分光镜12反射的线偏振光变为圆偏振光，参考反射镜14 的作用是使入射的圆偏振光的旋向发生改变，当改变旋向的圆偏振光再次经过X/4波片13时， 圆偏振光又变为线偏振光，偏振方向与入射光的偏振方向 H交，根据偏振分光镜的分光特性， 此时该光束经过偏振分光镜12时将完全透射，构成切向测角单元21的参考光束，而无反射 光分量，避免了径向测角单元22干扰信号的产生。
参见图l，为了减少光能损失，线偏振片17也可采用V2波片。
参见图6，本发明中的线偏振He-Ne激光器也可以采用半导体激光器，并经单模光纤准直 系统准直、细化。
参见图7，平面参考镜6也可采用直角棱镜27，径向测角单元22中的测量及参考光束传 播路径参见图8，此时由光束角漂引起的径向角度测量误差为差模信号，通过对测量光斑与 参考光斑的极小值位移量求和即可动态补偿由角漂量引起的径向角度测量误差，即
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式中^为测点处沿径向的小角度变化量；"w ， d朋分别为径向测角单元22测量及参考信号
基准在CCD图像传感器9上的位移量，/为傅立叶透镜8的等效焦距；在这种情况下，光束 在切向测角单元21中的传播路径不发生变化，不影响其误差补偿方式及测量结果。
参见图9，当光电自准直仪整体围绕切向产生角度晃动时，径向角度测量与参考光束的 出射方向均不发生变化，进而对径向角度测量结果不产生影响。
下面详细说明本发明所述的方法
1) 为了避免测量光束23和参考光束24由于光束重叠导致CCD图像传感器9接收到的光斑 重叠而无法精确定位，参见图10a，需要对分光镜4围绕0Y轴进行一维角度调节，具体 调整过程为根据径向测角单元22中各光学元件的几何光学特性，当分光棱镜4围绕 OY轴发生转动时，测量光束23及参考光束24在XOY面内的投影角度并不发生变化， 但在YOZ面内的投影角度均发生变化，且变化方向相反。参见图10b，适当调整分光镜 4围绕OY轴的旋转角度，使得CCD图像传感器9接收到的测量光斑与参考光斑完全分 离-,同理，为了避免测量光束25和参考光束26由于光束重叠导致CCD图像传感器20 接收到的光斑重叠而无法精确定位，需要对偏振分光镜12围绕OY轴进行一维角度调整， 调整过程类似于径向测角单元22中分光镜4的调整，适当调整偏振分光镜12围绕OY 轴的旋转角度，使得CCD图像传感器20接收到的测量光斑与参考光斑完全分离。调整 完毕后，应将分光镜4及偏振分光镜12固定，在测量过程中不再对二者进行调整。
2) 线偏振He-Ne激光器1发出的直径为lmm的细光束垂直入射至二维位相板2，生成衍射 准直光束；
3) 由二维位相板生成的衍射准直光束经过线偏振片3入射至分光镜4，反射光束经过线偏振 片5后经平面反射境6反射，再次经过线偏振片5入射至分光镜4，透射光束经平面反射 镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作为径向 测角单元22的参考信号；
4) 由二维位相板生成的衍射准直光束经过线偏振片3入射至分光镜4，透射光束经五角棱镜 10折转90° ，透过波片11后入射至偏振分光镜12，透射光束经线偏振片17改变振 动方向后入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片17入射至 偏振分光镜12，透射光束透过人/2波片后经五角棱镜10折转90。，再经分光镜4和反射 镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作为径向 测角单元22的测量信号；
5) 五角棱镜10的出射光束经波片入射至偏振分光镜12，反射光束经波片13后经平 面反射镜14反射，再次透过X/4波片13后完全透过偏振分光镜12，经五角棱镜15折转 9(T后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极 小值坐标成为切向测角单元21的参考信号；
6) 自测点返回的光束入射至偏振分光镜12，反射光束经五角棱镜15折转90°后被反射镜 16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向 测角单元21的测量信号；
7) 当被测对象在XOY和YOZ面内角度变化分量分别为&、 ^时，对于径向及切向角测角 单元22、 21，根据参考光路的结构特性，角漂引起的角度测量误差直接反映为共模误差， 测量信号与参考信号同时漂移。对于径向角度测量，由被测角分量^引起的测量信号在 CCD图像传感器9上的变化量为《,，光束角漂引起的测量信号的变化量为A《。，CCD 图像传感器9接收到的测量信号的变化量为.《=《,+A《。，此时参考信号的变化量也 为A《。，所以可由对应的参考光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态 差动处理，即可动态补偿由角漂量引起的径向角度测量误差，精度测出测点处径向的小 角度变化量&:
式中/为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，可精确得出切向角度的测量结果:
式中&为测点处沿切向的小角度变化量；《,为由被测角分量^引起的测量信号在CCD 图像传感器20上的变化量，A《。为由光束角漂引起的测量信号在CCD图像传感器20上 的变化量。
由此可见，在测量结果中，对参考信号和测量信号进行实时差动处理，即可分离并动态 补偿光束角漂引起的角度测量误差，提高了二维小角度测量的稳定性、重复性和测量不确定
如图1所示，首先调整分光镜4和偏振分光镜19，使CCD图像传感器9和20接收到的 测量及参考光斑完全分离，参见图10，从而避免两个测角单元中测量及参考光束的重叠导致 CCD图像传感器接收到的光斑重叠而无法精确定位，调整完毕后，应将分光镜4及偏振分光 镜12固定，在测量过程中不再对二者进行调整。线偏振He-Ne激光器1发出的准直光束垂 直入射至二维位相板2，生成衍射准直光束；该光束经过线偏振片3入射至分光镜4，反射光 束经过线偏振片5后经平面反射境6反射，再次经过线偏振片5入射至分光镜4，透射光束 经平面反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作 为径向测角单元22的参考信号；透射光束经五角棱镜10折转90。，透过X/2波片11后入射 至偏振分光镜12,透射光束经线偏振片17改变振动方向后入射至测点处，携带被测二维角 度信息的返回光束再次经过线偏振片17入射至偏振分光镜12，透射光束透过1/2波片后经五
A =[(《/W卯]/(2/)《/(2/)
实施例l:
角棱镜10折转90° ，再经分光镜4和反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感 器9接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的测量信号；五角棱镜10的出射光束经 波片入射至偏振分光镜12,反射光束经1/4波片13后经平面反射镜14反射，再次透过1/4 波片13后完全透过偏振分光镜12，经五角棱镜15折转90°后被反射镜16反射，透过傅立 叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的参考信 号；自测点返回的光束入射至偏振分光镜12后，反射光束经五角棱镜15折转90°后被反射 镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向 测角单元21的测量信号；参见图4及图5，对于径向及切向角度测量单元22、 21，由对应的 参考光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，通过求取测量光斑 与参考光斑的极小值位移量的差值即可动态补偿由角漂量引起的角度测量误差，精度测出测 点处径向及切向的二维小角度变化量。对于径向角度测量
式中^为测点处沿径向的小角度变化量；c4ffl， d朋分别为径向测角单元22测量及参考信号 基准在CCD图像传感器9上的线位移量，,为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，对于切向角<formula>formula see original document page 13</formula>
式中^为测点处沿切向的小角度变化量；《W， Ar分别为切向测角单元测量及参考信号基 准在CCD图像传感器20上的线位移量，./为傅立叶透镜19的等效焦距。
本实施例中，光源为线偏振He-Ne激光器，光束直径为lmm,各光学元件的表面粗糙度为 V4，分光棱镜4和12的反射光束偏角误差《5'，透射光束偏角误差《3'，四个直角通光表面均 镀有窄带多层增透膜，五角棱镜IO、 15的光束转角误差《3'，线偏振片3、 5、 17的削光比为 100， V4波片13和V2波片11的延迟精度为人/300，傅立叶透镜8、 19的等效焦距为500mi实 验结果表明，该二维小角度测量装置在测量分辨力达到().05〃的情况下，测量稳定性优于 0.1"/h，测量不确定度优于0.2"，实现了高精度二维小角度测量。
实施例2:
参见图7，平面参考镜6也可采用直角棱镜27，径向测角单元22中由角漂引起的测量及 参考光束变化参见图8，此时由光束角漂引起的径向角度测量误差为差模信号，本实施例中 的其它部件及工作原理与实施例1相同。对于径向角度测量，通过对测量光斑与参考光斑的 极小值位移量求和即可动态补偿由角漂引起的径向角度测量误差，艮P:
<formula>formula see original document page 13</formula>
式中^ 为测点处沿径向的小角度变化量；《柳，Aw分别为径向测角单元21测量及参考
信号基准在CCD图像传感器9上的位移量，./为傅立叶透镜8的等效焦距；在这种情况下，光束 在切向测角单元21中的传播路径不发生变化，不影响其误差补偿方式及测量结果。
实施例3:
如图6所示，线偏振He-Ne激光器采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化 后入射至二维位相板2，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例l相同。 实施例4:
如图1所示，线偏振He-Ne激光器采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化 后入射至二维位相板2，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例2相同。 实施例5:
如图1所示，光源采用线偏振He-Ne激光器l，线偏振片17采用V2波片，本实施例的其它 部件及工作原理均与实施例l相同。 实施例6:
如图8所示，光源采用线偏振He-Ne激光器l，线偏振片17采用V2波片，本实施例的其它 部件及工作原理均与实施例2相同。 实施例7:
参见图1和图6，光源采用半导体激光器30，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至 二维位相板2，线偏振片17采用V2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例l相同。 实施例8:
参见图1和图6，光源采用半导体激光器30，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至 二维位相板2，线偏振片17采用V2波片，本头'施例的其它部件及工作原理均与实施例2相同。
权利要求
1. 一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置，包括线偏振He-Ne激光器或半导体激光器(1)、二维位相板(2)、线偏振片(3)、切向、径向测角单元(21)、(22)及与其对应的傅立叶变换透镜(19)、(8)和CCD图像传感器(20)、(9)，其特征在于可对测点处二维小角度信息进行同时采集的切向与径向测角单元(21)、(22)分别位于正交平面YOZ和XOY面内，且均包含可对光束角漂进行实时动态补偿的误差补偿光路，并均以衍射准直光束为测量基准光束。
2. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于光源采用线偏振He-Ne激光器 或半导体激光器'(l)经单模光纤准直系统准直、细化后产生的线偏振光。
3. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于测量基准光束为由二维位相板(2)生成的衍射准直细光束，光束直径为lmm。
4. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于径向测角单元(22)中光束角 漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜(6)或直角棱镜(27)，可进行一维角度调节 的分光镜(4)与平面反射镜(6)或直角棱镜(27)之间放置一线偏振片(5)。
5. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于切向测角单元(21)中光束角 漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜(14)，可进行一维角度调节的偏振分光镜(12) 与平面反射镜(14)之间放置一人/4波片(13)。
6. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于切向测角单元(21)与径向测 角单元(22)之间放置一V2波片(11)。
7. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于CCD图像传感器(9)与径向 测角单元(22)之间放置一傅立叶变换透镜(8)， CCD图像传感器(20)与切向测角单 元(21)之间放置一傅立叶变换透镜(19)。
8. 根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于被测表面(18)与切向测角单 元(21)之间放置一线偏振片(17)或X/2波片。
9. 一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量方法，其特征在于所述的测量方法包括以 下歩骤(1) 调整分光镜(4)，使得CCD图像传感器(9)接收到的测量光斑与参考光斑完全分离； 调整偏振分光镜(12)，使得CCD图像传感器(20)接收到的测量光斑与参考光斑完全 分离；调整完毕后将分光镜(4)和偏振分光镜(12)固定，然后对该部件进行校准，校 准后该部件在角度测量过程中不再对其进行调整；(2) 使线偏振He-Ne激光器或半导体激光器(1)经单模光纤准直系统准直、细化后产生 的直径为lmm的细光束垂直入射至二维位相板(2)，生成衍射准直光束； (3) 由二维位相板(2)生成的衍射准直光束经过线偏振片(3)入射至分光镜(4)，反射 光束经过线偏振片(5)后被平面反射镜(6)反射，再次经过线偏振片(5)入射至分光 镜(4),透射光束经平面反射镜(7)反射，透过傅立叶透镜(8)后被CCD图像传感器(9)接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元(22)的参考信号；(4) 分光镜(4)的透射光束经五角棱镜(10)折转90° ，透过波片(11)后入射至 偏振分光镜(12)，透射光束经线偏振片(17)改变振动方向后入射至测点处，携带被测 二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片(17)入射至偏振分光镜(12)，透射光束透 过l/2波片(11)后经五角棱镜(10)折转90° ，再经分光镜(4)和反射镜(7)反射， 透过傅立叶透镜(8)后被CCD图像传感器(9)接收，光斑的极小值坐标作为径向测角 单元(22)的测量信号；(5) 五角棱镜(10)的出射光束透过人/2波片(11)入射至偏振分光镜(12)，反射光束经 1/4波片(13)后经平面反射镜(14)反射，再次透过X/4波片(13)后完全透过偏振分 光镜(12)，经五角棱镜(15)折转90°后被反射镜(16)反射，透过傅立叶透镜(19) 被CCD图像传感器(20)接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元(21)的参考信号；(6) 自测点返回的光束入射至偏振分光镜(12)，反射光束经五角棱镜(15)折转90°后 被反射镜(16)反射，透过傅立叶透镜(19)后被CCD图像传感器(20)接收，光斑的 极小值坐标成为切向测角单元(21)的测量信号；(7) 对于切向及径向角度测角单元(21)、 (22)，由各自的光束角漂误差补偿光路实时监 测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，即可动态补偿由角漂量引起的 角度测量误差，精确测出测点处径向及切向的二维小角度变化量；对于径向角度测量式中^为测点处反射面沿径向的小角度变化量；6/m ， "m分别为径向测角单元(22) 测量及参考信号的极小值在CCD图像传感器(9)上的位移量，/为傅立叶透镜8的等效 焦距；同理，对于切向角度测量-<formula>formula see original document page 3</formula>式中^为测点处反射面沿切向的小角度变化量；4r， Ar分别为切向测角单元(21)测 量及参考信号的极小值在CCD图像传感器(20)上的位移量，/为傅立叶透镜(19)的 等效焦距。
全文摘要
基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；所述装置的切向测角单元和径向测角单元分别位于正交平面YOZ和XOY面内，并均包含光束角漂误差补偿光路；测量方法采用自测点返回的携带被测二维角度信息的光束经偏振分光镜产生的反射和透射光束分别作为切向及径向测角单元的测量光束；本发明采用动态光束角漂误差补偿光路，将光束的角漂移量转换为共模误差，实时分离和动态补偿由光束角漂引起的角度测量误差，提高二维小角度测量的重复性、稳定性及减小测量不确定度。
文档编号G01B11/26GK101377414SQ20081013728
公开日2009年3月4日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者俭 刘, 谭久彬, 郎治国 申请人:哈尔滨工业大学