专利名称：二维激光自准直仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密测试计量仪器，特别是一种二维激光自准直仪。本发明可应用
于光机装调、棱镜角度标定、导轨的平直度测量、台面的平整度测量、精密转台等惯导 测试设备的检测以及其它计量测试、科学研究工作中。
背景技术：
自准直仪是一种重要的光学精密角度测量仪器，在机械制造、造船、航空航 天、计量测试、科学研究等领域具有广泛的应用。将新型光电探测器件(如CCD、 PSD 或QAPD等)应用到自准直仪系统，构成光电自准直仪，克服了传统自准直仪人工读数和 跟踪零位误差，大大提高了系统的测量精度和使用的方便性。光电自准直仪的基本原理 就是将反射镜(或反射棱镜)的角度变化转换成探测器上像的线量变化，通过测量出线量 变化值换算出角度变化量值。目前，二维光电自准直仪的方案涉及不同的分划板和图像 探测器组合，各有优缺点。 现有的二维光电自准直仪方案有以下几种 现有技术方案之一(参见邹九贵等，"高精度二维自准直仪的研制"，计测技 术，Vo1.26， p19， 2006)，是采用十字狭缝分划板和面阵CCD的二维光电自准直仪，类 似的方案还有采用圆孔形分划板。由于面阵CCD的封装工艺问题，CCD的物理尺寸不会 很大，因此视场有限，限制了光电自准直仪的量程。此外，面阵CCD的由于像元较多， 而图像信号是逐点扫描输出，因此帧频受到限制，影响光电自准直仪的测量速度。
现有技术方案之二(参见张继友等，基于PSD的动态光电自准直仪中国， 200610011788.1[P].2006-09-13)，是利用激光做光源、利用PSD作为光斑探测器的二维光 电自准直仪。PSD具有响应速度的快的特点，但是PSD同样探测视场小，并且响应具有 非线性，为得到较高的测量精度，还需要对PSD做非线性补偿。此外，激光光源虽然具 有亮度高，准直性好的特点，但激光束在光学系统中传播会因光学元件表面的微弱反射 导致寄生干涉作用和鬼像的形成，影响系统的测量精度。 现有技术方案之三(参见林玉池等，光电自准直仪中国， 99254139.5[P].2000-09-27)，是采用字母型分划板(V、 N、 M等)和一片线阵CCD实现的 二维光电自准直仪。这种方案的缺点是两轴测量量程和精度不一致，并且两轴测量的角 度具有一定的关联性。 现有技术方案之四(参见刘勇，双线阵CCD光电自准直系统的研究[D].西安理 工大学工学硕士学位论文，2005)，文中提到一种采用十字狭缝式分划板和两个正交放置 的线阵CCD实现的二维光电自准直仪。将线阵CCD放在光学中心探测时，会出现测量 零位盲区的现象，如图1所示，1A为水平线阵CCD; 2A为十字狭缝式分划板的像；3A 为垂直线阵CCD; 4A为移动后的十字狭缝式分划板的像。此时X方向刻线位于零位，与 之平行的线阵CCD被完全照亮，此时Y方向刻线在此CCD上的位移Ax检测不出来，自 准直仪无法正常工作，如图l(a)所示。同样，X方向也存在零位盲区，如图l(b)所示。论文中提到一种折中的解决办法，将线阵CCD布局在分光棱镜边缘，这种光学拼接的效 果。如下图2所示，1B为十字亮丝；2B、 5B为X向CCD; 3B、 4B为Y向CCD ;， 图(a)为上述的线阵CCD放置在分光棱镜中心位置的情况，这种情况存在测量零位盲区。 图(b)为线阵CCD放置在分光棱镜边缘的效果。由于十字狭缝的像不会太长，CCD的感 光像元不能全部利用，实际上有效测量范围受到限制。此外，由于光学系统远轴光的线 性劣于近轴光，因此测量精度和线性度均下降。 现有技术方案之五(参见苏力，光电自准直小角度测量系统设计[D].西安理工大 学工学硕士学位论文，2007)，是采用柱面透镜扩展法将圆点像转换成相互正交的两个线 状像，然后用两片线阵CCD分别探测，实现二维光电自准直仪。这种方案有效克服了测 量盲区，但缺点是成像光路结构复杂，测量精度受影响。 现有技术方案之六(参见徐鹏等，双轴光电自准直仪中国， 200720096058.6[P].2008-04-23)，是采用两个半导体光源和两个线阵CCD实现的二维光电 自准直仪。此方案对光源进行调制，再经线阵CCD解调得到图像信号。 一方面调制解 调电路复杂，另一方面测量速度受到限制。此外，此方案仍然存在方案四所述的测量盲 区问题。 二维光电自准直仪的发展趋势是同时满足大量程和动态测量的要求。就目前技 术发展而言，线阵CCD具有视场大于面阵CCD，因而测量量程较大，是大量程二维光电 自准直仪方案的选择。如现有的上述方案三、四、五、六中皆采用了线阵CCD。但他 们在测量精度、测量速度、两轴测量精度一致性和测量盲区的克服上面不能全面同时满 足要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有二维光电自准直仪不能同时满足测量范围大、测
量精度高和动态测量的要求的缺陷，提出一种二维激光自准直仪，该仪器可以同时满足 测量范围大、测量精度较高和测量速度较快的要求。 本发明的技术解决方案如下 —种二维激光自准直仪，特点在于其构成包括在水平光轴上的具有分划板信息 的左旋和右旋圆偏振光的产生装置，以产生具有分划板信息的左旋圆偏振光和右旋圆偏 振光形成中心对称的"十字"光束输出，沿所述的水平光轴方向和所述的"十字"光束 前进方向依次设置第一普通分光棱镜、准直物镜和目标反射镜，所述的第一普通分光棱 镜的分束面与水平光轴成45。夹角，在所述的第一普通分光棱镜的一侧，在与所述的水 平光轴垂直且经目标反射镜返回的光束经所述的准直物镜进入所述的普通分光棱镜(后的 反射输出的光束前进方向依次设置第一 入/4波片、第一偏振分光棱镜、水平线阵CCD， 在所述的第一偏振分光棱镜的反射光方向是垂直线阵CCD 。 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置的构成包括第一半导 体激光器，沿该第一半导体激光器的输出光束方向依次是水平分划板、第二偏振分光棱 镜和第二入/4波片，所述的第二偏振分光棱镜的分束面与所述的水平光轴成135。，在所 述的第二偏振分光棱镜的一侧由近而远依次设置有垂直分划板和第二半导体激光器。
所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置的构成包括第一半导体激光器，沿该第一半导体激光器的输出光束方向依次是第二普通分光棱镜、水平分划 板、第二偏振分光棱镜和第二入/4波片，所述的第二普通分光棱镜的分束面与所述的 水平光轴成45。夹角，所述的第二偏振分光棱镜的分束面与所述的水平光轴成135。， 在所述的第二偏振分光棱镜的一侧由近而远依次设置垂直分划板、入/2波片和第三反射 镜，在所述的第二普通分光棱镜反射光输出方向设置第二反射镜，使由所述的第二普通 分光棱镜反射输出光经所述的第二反射镜、第三反射镜、入/2波片和垂直分划板进入所 述的第二偏振分光棱镜。 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置的构成包括第一半导 体激光器，沿该第一半导体激光器的输出光束方向依次是第三入/4波片、水平分划板和 第三普通分光棱镜，所述的第三普通分光棱镜的分束面与所述的水平光轴成135° ，在该 第三普通分光棱镜的一侧由近而远依次设置垂直分划板、第四入/4波片和第二半导体激 光器。 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置的构成包括第一半导 体激光器，沿该第一半导体激光器的输出光束方向依次是第二普通分光棱镜、第三入/4 波片、水平分划板和第三普通分光棱镜，所述的第二普通分光棱镜的分束面与所述的水 平光轴成45°夹角，所述的第三普通分光棱镜的分束面与所述的水平光轴成135° ，在 该第三普通分光棱镜的一侧由近而远依次设置垂直分划板、第四入/4波片、入/2波片和 第三反射镜，在所述的第二普通分光棱镜反射光输出方向设置第二反射镜，使由所述的 第二普通分光棱镜反射输出光经所述的第二反射镜、第三反射镜、入/2波片、第四入/4 波片和垂直分划板进入所述的第二偏振分光棱镜。 所述的线阵CCD可以采用双沟道线阵CCD，用以提高测量速度。 所述的半导体激光器，可以对其同步调制，实现高速动态测量。 本发明充分利用激光的偏振特性，使得两维测量光束各自独立工作，互不干
扰。其基本原理是先使得两维照明分划板的测量光束变成相互正交的左、右旋圆偏振
光，经目标反射镜反射回探测器前，将他们变成相互正交的线偏振光，再用偏振分光棱
镜将其分开并成像于各自对应的线阵CCD上。这样，既克服了测量盲区，又保证了两轴
测量互不关联，两轴测量精度一致。 与现有二维光电自准直仪方案相比，本发明的二维激光自准直仪具有如下优 点 l.本发明利用激光的偏振特性， 一方面将线偏振光变成圆偏振光，克服了激光 束在传播光路里面的自身干涉，另一方面利用两束测量光束偏振态的正交关系，自然的 将其分开，既克服了测量盲区，又使其互不干扰、各自独立工作，保证了测量精度的一 致。比现有的方案具有结构简洁，同时又不影响测量速度的优点。 2.本发明利用的两个线阵CCD，可以实现二维相同的量程和测量精度。采用一 定的图像细分算法，可以获得很高的测量精度。采用的半导体激光器，具有亮度高、易 调制的特点，在复杂应用环境下可以灵活实现系统的照度匹配。 3.本发明同时具有量程大、精度高和速度快的功能，有助于全面改善现有光电 自准直仪性能。
图1是现有的十字狭缝分划板的零位测量盲区示意图 图2是现有的双线阵CCD光学拼接与十字刻线的关系示意图 图3是本发明的二维激光自准直仪的基本结构示意图 图4是本发明中具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置结构示意图 之一 图5是本发明中具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置结构示意图 之二 图6是本发明中具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置结构示意图 之三 图7是本发明中具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置结构示意图 之四
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。 先请参阅图3，图3是本发明的二维激光自准直仪的基本结构示意图，由图可 见，本发明二维激光自准直仪，其构成包括在水平光轴上的具有分划板信息的左旋和右 旋圆偏振光的产生装置1，以产生具有分划板信息的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光形成中 心对称的"十字"光束输出，沿所述的水平光轴方向和所述的"十字"光束前进方向依 次设置第一普通分光棱镜2、准直物镜7和目标反射镜8，所述的第一普通分光棱镜2的 分束面与水平光轴成45。夹角，在所述的第一普通分光棱镜2的一侧，在与所述的水平 光轴垂直且经目标反射镜8返回的光束经所述的准直物镜7进入所述的普通分光棱镜2后 的反射输出的光束前进方向依次设置第一 入/4波片3、第一偏振分光棱镜4、水平线阵 CCD5，在所述的第一偏振分光棱镜4的反射光方向是垂直线阵CCD6。
所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1包括下列四种结 构 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1构成如图4所示包 括第一半导体激光器A1，沿该第一半导体激光器A1的输出光束方向依次是水平分划板 A3、第二偏振分光棱镜A5和第二 A/4波片A6，所述的第二偏振分光棱镜A5的分束面 与所述的水平光轴成135° ，在所述的第二偏振分光棱镜A5的一侧由近而远依次设置有 垂直分划板A4和第二半导体激光器(A2)。 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1的构成如图5所示， 包括第一半导体激光器A1，沿该第一半导体激光器A1的输出光束方向依次是第二普通 分光棱镜B1、水平分划板A3、第二偏振分光棱镜A5和第二 A/4波片A6，所述的第二普 通分光棱镜B1的分束面与所述的水平光轴成45。夹角，所述的第二偏振分光棱镜A5的 分束面与所述的水平光轴成135° ，在所述的第二偏振分光棱镜A5的一侧由近而远依次 设置垂直分划板A4、 A /2波片B4和第三反射镜B3，在所述的第二普通分光棱镜Bl反 射光输出方向设置第二反射镜B2，使由所述的第二普通分光棱镜B1反射输出光经所述的第二反射镜B2、第三反射镜B3、 A/2波片B4和垂直分划板A4进入所述的第二偏振分 光棱镜A5。 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1的构成如图6所示， 包括第一半导体激光器A1，沿该第一半导体激光器A1的输出光束方向依次是第三入/4 波片C1、水平分划板A3和第三普通分光棱镜C3，所述的第三普通分光棱镜C3的分束面 与所述的水平光轴成135。，在该第三普通分光棱镜C3的一侧由近而远依次设置垂直分 划板A4、第四A/4波片C2和第二半导体激光器A2。 所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1的构成如图7所示， 包括第一半导体激光器A1，沿该第一半导体激光器A1的输出光束方向依次是第二普通 分光棱镜B1、第三A/4波片C1、水平分划板A3和第三普通分光棱镜C3，所述的第二普 通分光棱镜B 1的分束面与所述的水平光轴成45°夹角，所述的第三普通分光棱镜C3的 分束面与所述的水平光轴成135。，在该第三普通分光棱镜C3的一侧由近而远依次设置 垂直分划板A4、第四A/4波片C2、 A/2波片B4和第三反射镜B3，在所述的第二普通 分光棱镜Bl反射光输出方向设置第二反射镜B2，使由所述的第二普通分光棱镜Bl反射 输出光经所述的第二反射镜B2、第三反射镜B3、 A/2波片B4、第四A/4波片C2和垂 直分划板A4进入所述的第二偏振分光棱镜A5。 下面以图4所示的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1为例说明 本发明仪器的工作情况。 第一半导体激光器Al发出的激光照亮水平分划板A3，透过第二偏振分光棱镜 A5后，经过第二 A/4波片A6变成左(或右)旋圆偏振光后，通过所述的第一普通分光棱 镜2，经准直物镜7照射到目标反射镜8上，经该目标反射镜8反射的返回光依次经过所 述的准直物镜7、第一普通分光棱镜2、第一 入/4波片3和第一偏振分光棱镜4，在所述 的水平线阵CCD5上成像。所述的第二半导体激光器A2照亮所述的垂直分划板A4，经 第二偏振分光棱镜A5反射后，经过第二入/4波片A6变成右(或左)旋圆偏振光，通过 所述的第一普通分光棱镜2，经准直物镜7照射到目标反射镜8上，经该目标反射镜8反 射的返回光依次经过所述的准直物镜7、普通分光棱镜2、第一 入/4波片3和第一偏振分 光棱镜4，在所述的垂直线阵CCD6上成像。目标反射镜8的角度变化，引起线阵CCD 上像的位移量变化。通过以下公式可以计算出目标反射镜8的偏转角度
9 = Ax/2f其中e -目标反射镜8的偏转角度 f-准直物镜7的焦距 A x-像在线阵CCD上的位移量 由于第一 A/4波片3和第一偏振分光棱镜4的适当匹配设置，两路测量光束在光 路中互不干扰，各自独立工作，克服了测量盲区，保证了二维测量的精度一致性与速度 的一致性。其测角量程取决于准直物镜7的焦距和线阵CCD5、 6的长度，测量精度取决 于光学系统分辨率和图像细分算法精度，而测量速度取决于线阵CCD的帧频和图像处理 的时间。 本发明具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1结构之二如图5所示 与图4结构比较，此结构节省了一个半导体激光器，并且用一片入/2波片保证了两束测量光束的偏振方向正交。 本发明的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置1结构之三如图6所 示。此结构是将原来的偏振分光棱镜用普通分光棱镜代替，但在第一半导体激光器A1和 第二半导体激光器A2之后各放置一个入/4波片，以使两束测量光束分别为左和右旋圆偏 振光。 本发明的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置结构之四如图7所 示。此结构是在结构之三的基础上演变而来。将结构三中的半导体激光器B用半导体激 光器A的部分分光代替，并用A/2波片保证两维测量光束偏振态的正交。
权利要求
一种二维激光自准直仪，特征在于其构成包括在水平光轴上的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置(1)，以产生具有分划板信息的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光形成中心对称的“十字”光束输出，沿所述的水平光轴方向和所述的“十字”光束前进方向依次设置第一普通分光棱镜(2)、准直物镜(7)和目标反射镜(8)，所述的第一普通分光棱镜(2)的分束面与水平光轴成45°夹角，在所述的第一普通分光棱镜(2)的一侧，在与所述的水平光轴垂直且经目标反射镜(8)返回的光束经所述的准直物镜(7)进入所述的普通分光棱镜(2)后的反射输出的光束前进方向依次设置第一λ/4波片(3)、第一偏振分光棱镜(4)、水平线阵CCD(5)，在所述的第一偏振分光棱镜(4)的反射光方向是垂直线阵CCD(6)。
2. 根据权利要求1所述的二维激光自准直仪，其特征在于所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置(1)的构成包括第一半导体激光器(Al)，沿该第一半导体激光器(A1)的输出光束方向依次是水平分划板(A3)、第二偏振分光棱镜(A5)和第二 A/4波片(A6)，所述的第二偏振分光棱镜(A5)的分束面与所述的水平光轴成135° ，在所述的第二偏振分光棱镜(A5)的一侧由近而远依次设置有垂直分划板(A4)和第二半导体激光器(A2)。
3. 根据权利要求1所述的二维激光自准直仪，其特征在于所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置(1)的构成包括第一半导体激光器(Al)，沿该第一半导体激光器(A1)的输出光束方向依次是第二普通分光棱镜(B1)、水平分划板(A3)、第二偏振分光棱镜(A5)和第二 A/4波片(A6)，所述的第二普通分光棱镜(B1)的分束面与所述的水平光轴成45°夹角，所述的第二偏振分光棱镜(A5)的分束面与所述的水平光轴成135° ，在所述的第二偏振分光棱镜(A5)的一侧由近而远依次设置垂直分划板(A4)、 A/2波片(B4)和第三反射镜(B3)，在所述的第二普通分光棱镜(Bl)反射光输出方向设置第二反射镜(B2)，使由所述的第二普通分光棱镜(B1)反射输出光经所述的第二反射镜(B2)、第三反射镜(B3)、 A /2波片(B4)和垂直分划板(A4)进入所述的第二偏振分光棱镜(A5)。
4. 根据权利要求1所述的二维激光自准直仪，其特征在于所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置(1)的构成包括第一半导体激光器(Al)，沿该第一半导体激光器(A1)的输出光束方向依次是第三入/4波片(Cl)、水平分划板(A3)和第三普通分光棱镜(C3)，所述的第三普通分光棱镜(C3)的分束面与所述的水平光轴成135。，在该第三普通分光棱镜(C3)的一侧由近而远依次设置垂直分划板(A4)、第四入/4波片(C2)和第二半导体激光器(A2)。
5. 根据权利要求1所述的二维激光自准直仪，其特征在于所述的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置(1)的构成包括第一半导体激光器(Al)，沿该第一半导体激光器(A1)的输出光束方向依次是第二普通分光棱镜(B1)、第三A/4波片(C1)、水平分划板(A3)和第三普通分光棱镜(C3)，所述的第二普通分光棱镜(Bl)的分束面与所述的水平光轴成45°夹角，所述的第三普通分光棱镜(C3)的分束面与所述的水平光轴成135。，在该第三普通分光棱镜(C3)的一侧由近而远依次设置垂直分划板(A4)、第四A/4波片(C2)、 A/2波片(B4)和第三反射镜(B3)，在所述的第二普通分光棱镜(B1)反射光输出方向设置第二反射镜(B2)，使由所述的第二普通分光棱镜(Bl)反射输出光经所述的第二反射镜(B2)、第三反射镜(B3)、 A /2波片(B4)、第四A /4波片(C2)和垂直分划板(A4)进入所述的第二偏振分光棱镜(A5)。
全文摘要
一种二维激光自准直仪，构成包括在水平光轴上的具有分划板信息的左旋和右旋圆偏振光的产生装置，以产生具有分划板信息的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光形成中心对称的“十字”光束输出，沿所述的水平光轴方向和所述的“十字”光束前进方向依次设置第一普通分光棱镜、准直物镜和目标反射镜，所述的第一普通分光棱镜的分束面与水平光轴成45°夹角，在所述的第一普通分光棱镜的一侧，依次设置第一λ/4波片、第一偏振分光棱镜、水平线阵CCD，在所述的第一偏振分光棱镜的反射光方向是垂直线阵CCD。本发明具有测量精度高、量程大、可静态或动态测量的特点。
文档编号G01B11/26GK101691998SQ20091019730
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者卞正兰, 方祖捷, 瞿荣辉, 董作人, 高敏 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所