、16、17聚焦透镜14、15信号处理电路18 处理终端19偏振分光棱镜20、21四分之一波片22二分之一波片23;测量装置的固定单 元101，测量装置的移动单元102。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0028] 本发明所述滚转角测量是以平行双光束组合测量法为基础。平行双光束法测量原 理如图1所示，X轴方向相距为d的两平行光束沿Z轴方向分别垂直入射到固定在靶镜（移 动单元）上的两个光电探测器。当靶镜绕z轴（平行于准直光束的方向）发生γ角度的 微小滚转时，光束在光电探测器上的位置相应改变。设两束光在探测器上光斑的y轴方向 位移分别是Ay1和Ay2，由几何关系，滚转角可近似表示为
[0029] γ ~ (Ay2-Ay1)M ⑴
[0030] 本发明所述测量方法采用的测量原理和光路结构设计，其核心内容是解决平行双 光束法目前存在的两个问题，即双光束平行性调节困难和激光光线漂移影响测量精度的问 题。
[0031] 图2是实现本发明所述激光光线漂移完全补偿的滚转角测量方法的第一种实施 方式。如图2所示，测量系统可以分为固定单元101和移动单元102两个部分。固定单元 的激光器1发出激光，通过准直透镜2准直，经五角分光棱镜3和五角棱镜4后分束为两束 平行测量光束，两平行测量光束分别垂直入射到移动单元102上的两个角锥棱镜5和6,经 5和6反向后进入直角棱镜7,两束光在直角棱镜7斜边面的入射及出射位置完全对称并重 合，两测量光束经7平移并反向后，分别经6和5再次反向返回固定单元101，并经分光棱镜 8和9反射变向，两束反射光分别经分束器10和11分束后各自形成两束光，一束分别直接 由光电探测器12和13接收，另一束分别经透镜14和15聚焦后由光电探测器16和17接 收。光电探测器12、13、16、17产生的光电流信号经信号处理电路18采集并处理后传送到 处理终端19,处理终端19实现与信号处理电路的信息交互、计算光斑位置变化、激光光漂 以及滚转角值，并在交互界面显示测量结果。
[0032] 当移动单元102发生γ角度的滚转时，设角锥棱镜5和6发生的y轴方向位移分 别为δ Y1和δ y2，对应光电探测器13和12上光斑的y轴方向位移分别是Ay2和Ay i，由 角锥棱镜和直角棱镜的几何光学特性以及光路结构可知
[0033] Ay1=S(SyrSy2)jAy2=S(Sy 2-Sy1) (2)
[0034] 通过差分运算可以得到
[0035] Δ γ2-Δ Y1= 4( δ y 2- δ Y1) (3)
[0036] 因此滚转角可以表示为
[0037] γ ^ ( δ y2-δ Yl)/d= (Δγ2-ΔΥι)/4(1 (4)
[0038] 在实际测量中，由于环境因素的影响，激光光线会产生漂移，光电探测器上光斑位 置发生相应变化，从而影响滚转角测量。如图2所示，测量光路采用了差分测量结构，并且 两束测量光束在固定单元101和移动单元102之间的路径完全重合，因此，激光器和机械装 置产生的角漂以及所有因素产生的平漂基本可以完全消除。但是，由于两束测量光在固定 单元101和移动单元102之间的传播方向相反，受空气扰动引起的激光光线角度漂移在光 路中发生的位置不同，光线角度漂移对两束测量光在探测器上光斑位置的影响也不相同， 采用共路差分测量也无法消除。
[0039] 如图2所示滚转角测量光路及原理，由于滚转角测量只和测量光束在光电探测器 上光斑y轴方向位移有关，因此以下所讨论的激光光线角度漂移仅指投射在YOZ面内的角 度漂移。设分光棱镜8、9间的光路距离为L，分光棱镜8、9与光电探测器12、13间距离分别 为DJP D 2。若外界扰动使测量光束在固定单元101与移动单元102之间光路中任意位置发 生了的角度漂移P，设此处与分光棱镜8的距离为X。由角锥棱镜和直角棱镜的几何光学特 性以及光路结构，两束测量光束分别经移动单元102返回固定单元101时，光漂角度大小相 等，方向相反。由此可以得到两束测量光在光电探测器12和13上产生的光斑位移分别是
[0040]
【主权项】
1. 一种滚转角测量方法，包括以下步骤： ① 激光器发出的激光经准直后出射； ② 所述准直光束经五角分光棱镜后产生出射方向互相垂直的透射光和反射光； ③ 所述的透射光为测量光束1 ;所述的反射光经五角棱镜后出射方向改变90度，形成 与测量光束1平行并且出射方向一致的测量光束2 ; ④ 所述测量光束1和测量光束2沿待测滚转角转轴方向，分别对应入射到作为滚转角 敏感元件的逆向反射器1和逆向反射器2上，各自形成与入射光方向平行的逆向反射光； ⑤ 所述两束逆向反射光分别经同一个光学结构发生平移并且反向，其中，对于上述光 学结构，光束1的入射点与光束2的出射点重合，光束1的出射点与光束2的入射点重合； ⑥ 所述平移且反向的光束1和光束2,分别对应入射到逆向反射器2和逆向反射器1 上，再次逆向反射，至此，两束测量光1和2的路径完全重合，但传输光路互逆； ⑦ 所述测量光束1和测量光束2分别经单向变向器1和单向变向器2改变方向，并入 射到光电探测器1和光电探测器2,当发生待测滚转时，两束测量光在两个光电探测器上的 光斑位置发生变化，光电探测器输出的光电信号经过信号处理电路后，送入处理终端获得 包含激光光线漂移误差的待测滚转角值； ⑧ 所述测量光束1和光束2到达光电探测器1和光电探测器2之前，分别经分束器1 和分束器2分束，所分出光束分别经透镜1和透镜2聚焦于光电探测器3和光电探测器4， 当激光光束发生角度漂移时，光电探测器上的聚焦光点位置发生变化，探测器输出的光电 信号经过信号处理电路后，送入处理终端运算获得激光光线角度漂移量； ⑨ 处理终端运算获得并显示实现激光光线漂移完全补偿的滚转角值。
2. -种实现权利要求1所述滚转角测量方法的测量装置，包括：激光器（1)、准直透镜 (2)、五角分光棱镜（3)、五角棱镜（4)、逆向反射器（5)和（6)、光束平移且反向装置（7)、单 向变向器⑶和（9)、分束器（10)和（11)、聚焦透镜（14)和（15)、光电探测器（12)、（13)、 (16)、（17)、信号处理电路（18)和处理终端（19)。其特征在于：所述激光器（1)、所述准直 透镜（2)和所述五角分光棱镜（3)沿平行于滚转轴的光线传播方向依序排列；所述五角棱 镜（4)和所述五角分光棱镜（3)排列方向垂直于滚转轴方向，经两棱镜出射的两束测量光 平行且同向；所述五角分光棱镜（3)、逆向反射器（5)、光束平移且反向装置（7)、逆向反射 器（6)、单向变向器（9)、分束器（11)沿其中一束测量光传播方向依序排列；所述五角棱镜 (4)、逆向反射器（6)、光束平移且反向装置（7)、逆向反射器（5)、单向变向器（8)、分束器 (10)沿另一束测量光传播方向依序排列；所述逆向反射器（5)和（6)排列方向平行于五角 分光棱镜（3)和五角棱镜（4)的排列方向；所述光束平移且反向装置（7)使所述两个逆向 反射器（5)和（6)出射的两束测量光实现路径重合，传输光路互逆；所述单向变向器（8)和 (9)使两束测量光改变方向，分别经所述分束器（10)和（11)各自分为两束，射向所述四个 光电探测器；所述光电探测器（12)和（13)分别直接接收两束测量光束，所述光电探测器 (16)和（17)分别位于所述聚焦透镜（14)和（15)的焦平面处接收另两束测量光束；所述 信号处理电路（18)用于采集处理光电探测器输出信号，并传输给处理终端（19);所述处理 终端（19)运算获得待测滚转角值并显示。
3. 如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述的逆向反射器（3)是直角反 射镜或角锥棱镜或猫眼系统。
4. 如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述光束平移且反向装置可以 是直角棱镜、一对五角棱镜或者一对反射面相互垂直的平面镜。
5. 如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述单向变向器可以是分束器、 偏振分光棱镜与四分之一波片组合或者偏振分光棱镜与二分之一波片组合。
【专利摘要】本发明公开了一种全光路光漂补偿的高精度滚转角测量方法与装置，属于光电检测技术领域。采用一对逆向反射器作为敏感器件，通过平行双光束差动测量获得滚转角信息，其中平行双光束通过一组五角分光棱镜和五角棱镜对准直激光束进行分光后获得，双光束平行性由棱镜加工精度保证，无需调整，大大提高了测量方法的可行性和实用性；通过采用如直角棱镜的光束平移且反向装置，使两束测量光的路径完全重合，而光路方向互逆，利用这一特性，在两倍提高测量分辨率的同时，结合共路光漂补偿法，可以实现激光光线漂移的全光路完全补偿，解决了目前采用激光准直测量方法中无法完全消除激光光线角度漂移影响的共性难题，可以实现滚转角测量分辨率优于0.1″，精度优于1″；本发明光学结构紧凑，调节简单，无多自由度误差串扰，移动部分不带电缆，便于现场测量。
【IPC分类】G01B11-26
【公开号】CN104613900
【申请号】CN201410727052
【发明人】翟玉生, 张志峰, 薛人中, 耿利杰, 杨鹏, 苏玉玲, 王新杰
【申请人】郑州轻工业学院
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月5日