一种宽范围、大工作距自准直装置与方法与流程

本发明属于精密测量技术领域和光学工程领域，具体涉及一种宽范围、大工作距自准直装置与方法。

背景技术：

在精密测量技术领域、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作距下进行大工作范围、高精度激光自准直技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。

在精密测量技术与仪器领域，激光自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；激光自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.001角秒。

在光学工程领域和尖端科学实验领域，激光自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路激光自准直仪组成位置基准，可以进行两两光轴夹角或平行性的测量。角度工作范围几十角秒至几十角分。

在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用激光自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。

激光自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。

传统自准直仪如图1所示，该系统包括光源1、透射式准直镜21、以及反馈成像系统6；光源1出射的光束，经过透射式准直镜21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，由反馈成像系统6采集成像。这种结构下，只有从被测物5表面反射的光束近原路返回，才能被反馈成像系统6采集成像，进而实现有效测量。这个近原路返回的条件限制，使得该系统存在以下两方面缺点：

第一、被测对象5反射镜面法线与激光自准直仪光轴夹角的范围不能太大，否则会造成反射光束偏离激光自准直仪光学系统的入瞳，进而导致无法实现自准直和微角度测量；

第二、被测对象5反射镜面距离测量激光自准直仪入瞳不能太远，否则只要反射光轴与自准直仪光轴偏离微小角度就会造成反射光束偏离激光自准直仪光学系统的入瞳，进而导致无法实现自准直和微角度测量。

以上两个问题，使传统自准直仪器只能限定在小角度、小工作距离下使用。

技术实现要素：

针对传统自准直仪所存在的两个问题，本发明公开了一种宽范围、大工作距自准直装置与方法，同传统自准直仪相比，具有在相同工作距离下显著增加自准直工作范围，或在相同自准直工作范围下显著增加工作距离的技术优势。

本发明的目的是这样实现的：

一种宽范围、大工作距自准直装置，包括光源、透射式准直镜、反射镜、以及反馈成像系统，所述反射镜上设置有角度调整测量装置；光源出射的光束，经过透射式准直镜准直成平行光束后，再由反射镜反射，入射到被测物的表面；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，由反馈成像系统采集成像；

所述反馈成像系统为以下两种形式中的一种：

第一、设置在光源与透射式准直镜之间，包括第一反馈分光镜和设置在透射式准直镜焦点处的图像传感器；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，先后经过透射式准直镜透射、第一反馈分光镜反射、由图像传感器采集成像；在被测物表面与光轴垂直的条件下，图像传感器所成点像在像面中心位置；

第二、设置在透射式准直镜与反射镜之间，包括第一反馈分光镜、第一反馈物镜和设置在透射式准直镜焦点处的图像传感器；从被测物表面反射的光束，再经过反射镜反射后，先后经过第一反馈分光镜反射、第一反馈物镜透射、由图像传感器采集成像；在被测物表面与光轴垂直的条件下，图像传感器所成点像在像面中心位置；

所述角度调整测量装置包括设置在反射镜上的角度调整装置、角度偏转测量装置、以及万向轴，角度调整装置包括第一驱动器和第二驱动器；角度偏转测量装置包括第一金属片、第二金属片、对应第一金属片位置的第一电容传感器、以及对应第二金属片位置的第二电容传感器；第一驱动器、第一金属片、以及万向轴在一条直线上，第二驱动器、第二金属片、以及万向轴在一条直线上，并且第一驱动器与万向轴的连线垂直第二驱动器与万向轴的连线。

一种在上述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法，包括以下步骤：

步骤a、点亮光源，图像传感器成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤b、利用第一驱动器和第二驱动器调整反射镜角度，使图像传感器所成点像回到像面中心位置；

步骤c、读取第一电容传感器的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器的电容变化ΔC2，再转换为反射镜的角度变化Δθ和进而得到被测物表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

上述宽范围、大工作距自准直装置，还包括波前探测系统和波前补偿系统；

所述波前探测系统包括波前探测分光镜、以及空气扰动波前探测器和反射镜形变波前探测器中的至少一个；所述波前探测分光镜设置在反射镜与被测物之间，空气扰动波前探测器设置在波前探测分光镜的反射光路上，反射镜形变波前探测器设置在反射镜的二次反射光路上；

所述波前补偿系统包括补偿光源、补偿准直镜、以及透射式液晶空间光调制器；补偿光源出射的光束，经过补偿准直镜准直成平行光束后，再由透射式液晶空间光调制器调制，入射到波前探测分光镜上。

一种在上述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法，要求波前探测系统仅包括波前探测分光镜和空气扰动波前探测器；

包括以下步骤：

步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；

步骤b、点亮光源，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，空气扰动波前探测器分别得到GA和GB两组数据；

步骤c、G1＝GA-GB，得到空气扰动造成的波前变化；

步骤d、按照f5(G1)调整透射式液晶空间光调制器参数，点亮补偿光源，补偿空气扰动；

步骤e、图像传感器成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤f、利用第一驱动器和第二驱动器调整反射镜角度，使图像传感器所成点像回到像面中心位置；

步骤g、读取第一电容传感器的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器的电容变化ΔC2，再转换为反射镜的角度变化Δθ和进而得到被测物表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

一种在上述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法，要求波前探测系统仅包括波前探测分光镜和反射镜形变波前探测器；

包括以下步骤：

步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；

步骤b、点亮光源，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，反射镜形变波前探测器分别得到GC和GD两组数据；

步骤c、G2＝GC-GD，得到空气扰动和反射镜形变共同造成的波前变化；

步骤d、按照f5(G2)调整透射式液晶空间光调制器参数，点亮补偿光源，补偿空气扰动和反射镜形变；

步骤e、图像传感器成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤f、利用第一驱动器和第二驱动器调整反射镜角度，使图像传感器所成点像回到像面中心位置；

步骤g、读取第一电容传感器的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器的电容变化ΔC2，再转换为反射镜的角度变化Δθ和进而得到被测物表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

一种在上述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法，要求波前探测系统同时包括波前探测分光镜、空气扰动波前探测器和反射镜形变波前探测器；

包括以下步骤：

步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；

步骤b、点亮光源，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，空气扰动波前探测器分别得到GA和GB两组数据，反射镜形变波前探测器分别得到GC和GD两组数据；

步骤c、G1＝GA-GB，得到空气扰动造成的波前变化；G2＝GC-GD，得到空气扰动和反射镜形变共同造成的波前变化；G＝G2-G1，得到反射镜形变造成的波前变化；

步骤d、

按照f5(G1)调整透射式液晶空间光调制器参数，点亮补偿光源，补偿空气扰动；

或

按照f5(G2)调整透射式液晶空间光调制器参数，点亮补偿光源，补偿空气扰动和反射镜形变；

或

按照f5(G)调整透射式液晶空间光调制器参数，点亮补偿光源，补偿反射镜形变；

步骤e、图像传感器成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤f、利用第一驱动器和第二驱动器调整反射镜角度，使图像传感器所成点像回到像面中心位置；

步骤g、读取第一电容传感器的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器的电容变化ΔC2，再转换为反射镜的角度变化Δθ和进而得到被测物表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

有益效果：

同传统自准直仪相比，本发明增加了反射镜以及设置在反射镜上的角度调整测量装置，这种结构设置，能够在被测物入射光和反射光之间具有较大偏角或存在较大横向位移的情况下，通过角度调整测量装置调整反射镜姿态，确保反射光原路返回并被反馈成像系统接收，进而有效避免被测物反射光偏离测量系统而导致无法测量的问题，进而使得本发明具有在相同工作距离下显著增加自准直工作范围，或在相同自准直工作范围下显著增加工作距离的技术优势。

除此之外，本发明还具有以下几技术优势：

第一、选择透射式准直镜，使本发明装置结构简单，制作成本低，使用方便；

第二、选择图像传感器作为反馈成像系统中的成像器件，利用图像传感器面积大的特点，确保在被测物反射光与入射光偏角较大的情况下，反射光仍能够进入光学系统的入瞳，不会超出接收范围，再与反射镜相配合，实现反射光快速实时回位补偿，使得本发明自准直工作范围或工作距离得到极大延展；

第三、选择电容传感器作为角度偏转测量装置，利用电容传感器的超高位移灵敏度特性和在微小角度范围内线位移易于转换为角位移的优良特性，使得本发明能够在低采样频率(20Hz及以下)条件下具有非常高的测量精度，角度最高测量分辨力可从传统自准直仪的0.005角秒提高到0.0005角秒，提高一个数量级；

第四、本发明还采用了以下技术：第一驱动器、第一金属片、以及万向轴在一条直线上，第二驱动器、第二金属片、以及万向轴在一条直线上，并且第一驱动器与万向轴的连线垂直第二驱动器与万向轴的连线；这种两条连线相互垂直的二维设置，使得不同连线方向的数据互不干涉，无需解耦运算，这样能够方便标定，简化计算过程，提高测量速度。

附图说明

图1是传统自准直角度测量系统的结构示意图。

图2是本发明宽范围、大工作距自准直装置具体实施例一的第一种结构示意图。

图3是角度调整测量装置的结构示意图。

图4是本发明宽范围、大工作距自准直装置具体实施例一的第二种结构示意图。

图5是本发明宽范围、大工作距自准直装置具体实施例二的结构示意图。

图6是本发明宽范围、大工作距自准直装置具体实施例三的结构示意图。

图7是本发明宽范围、大工作距自准直装置具体实施例四的结构示意图。

图中：图中：1光源、21透射式准直镜、3反射镜、4角度调整测量装置、411第一驱动器、412第二驱动器、421第一金属片、422第二金属片、423第一电容传感器、424第二电容传感器、43万向轴、5被测物、6反馈成像系统、61第一反馈分光镜、63第一反馈物镜、65图像传感器、7波前探测系统、71波前探测分光镜、72空气扰动波前探测器、73反射镜形变波前探测器、8波前补偿系统、81补偿光源、82补偿准直镜、83透射式液晶空间光调制器。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是宽范围、大工作距自准直装置实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直装置，结构示意图如图2所示。该自准直装置包括光源1、透射式准直镜21、反射镜3、以及反馈成像系统6，所述反射镜3上设置有角度调整测量装置4；光源1出射的光束，经过透射式准直镜21准直成平行光束后，再由反射镜3反射，入射到被测物5的表面；从被测物5表面反射的光束，再经过反射镜3反射后，由反馈成像系统6采集成像；

所述反馈成像系统6设置在光源1与透射式准直镜21之间，包括第一反馈分光镜61和设置在透射式准直镜21焦点处的图像传感器65；从被测物5表面反射的光束，再经过反射镜3反射后，先后经过透射式准直镜21透射、第一反馈分光镜61反射、由图像传感器65采集成像；在被测物5表面与光轴垂直的条件下，图像传感器65所成点像在像面中心位置；

所述角度调整测量装置4包括设置在反射镜3上的角度调整装置、角度偏转测量装置、以及万向轴43，角度调整装置包括第一驱动器411和第二驱动器412；角度偏转测量装置包括第一金属片421、第二金属片422、对应第一金属片421位置的第一电容传感器423、以及对应第二金属片422位置的第二电容传感器424；第一驱动器411、第一金属片421、以及万向轴43在一条直线上，第二驱动器412、第二金属片422、以及万向轴43在一条直线上，并且第一驱动器411与万向轴43的连线垂直第二驱动器412与万向轴43的连线；如图3所示。

需要说明的是，在本实施例中，反馈成像系统6还可以选择如下结构：设置在透射式准直镜21与反射镜3之间，包括第一反馈分光镜61、第一反馈物镜63和设置在透射式准直镜21焦点处的图像传感器65；从被测物5表面反射的光束，再经过反射镜3反射后，先后经过第一反馈分光镜61反射、第一反馈物镜63透射、由图像传感器65采集成像；在被测物5表面与光轴垂直的条件下，图像传感器65所成点像在像面中心位置；如图4所示。

具体实施例二

本实施例是宽范围、大工作距自准直装置实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直装置，结构示意图如图5所示。在具体实施例一的基础上，本实施例的宽范围、大工作距自准直装置还设置有波前探测系统7和波前补偿系统8；

所述波前探测系统7包括波前探测分光镜71和空气扰动波前探测器72；所述波前探测分光镜71设置在反射镜3与被测物5之间，空气扰动波前探测器72设置在波前探测分光镜71的反射光路上，反射镜形变波前探测器73设置在反射镜3的二次反射光路上；

所述波前补偿系统8包括补偿光源81、补偿准直镜82、以及透射式液晶空间光调制器83；补偿光源81出射的光束，经过补偿准直镜82准直成平行光束后，再由透射式液晶空间光调制器83调制，入射到波前探测分光镜71上。

具体实施例三

本实施例是宽范围、大工作距自准直装置实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直装置，结构示意图如图6所示。在具体实施例一的基础上，本实施例的宽范围、大工作距自准直装置还设置有波前探测系统7和波前补偿系统8；

所述波前探测系统7包括波前探测分光镜71和反射镜形变波前探测器73；所述波前探测分光镜71设置在反射镜3与被测物5之间，空气扰动波前探测器72设置在波前探测分光镜71的反射光路上，反射镜形变波前探测器73设置在反射镜3的二次反射光路上；

所述波前补偿系统8包括补偿光源81、补偿准直镜82、以及透射式液晶空间光调制器83；补偿光源81出射的光束，经过补偿准直镜82准直成平行光束后，再由透射式液晶空间光调制器83调制，入射到波前探测分光镜71上。

具体实施例四

本实施例是宽范围、大工作距自准直装置实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直装置，结构示意图如图7所示。在具体实施例一的基础上，本实施例的宽范围、大工作距自准直装置还设置有波前探测系统7和波前补偿系统8；

所述波前探测系统7包括波前探测分光镜71、空气扰动波前探测器72和反射镜形变波前探测器73；所述波前探测分光镜71设置在反射镜3与被测物5之间，空气扰动波前探测器72设置在波前探测分光镜71的反射光路上，反射镜形变波前探测器73设置在反射镜3的二次反射光路上；

所述波前补偿系统8包括补偿光源81、补偿准直镜82、以及透射式液晶空间光调制器83；补偿光源81出射的光束，经过补偿准直镜82准直成平行光束后，再由透射式液晶空间光调制器83调制，入射到波前探测分光镜71上。

对于以上自准直装置实施例，还有以下三点需要说明：

第一、所述角度调整装置中的第一驱动器411和第二驱动器412，既可以选择驱动速度较快的步进电机或伺服电机驱动器，又可以选择驱动精度较高的压电陶瓷驱动器，还可以将步进电机或伺服电机驱动器与压电陶瓷驱动器混合使用；本领域技术人员可以根据实际需要进行合理选择。

第二、所述透射式准直镜21可以选择二元光学透镜，通普通光学透镜相比，二元光学透镜更薄，有利于系统小型化，同时二元光学透镜准直性更好，有利于提高系统测量精度。

第三、在以上所有自准直装置实施例中，角度偏转测量装置都只包括两对金属片和电容传感器的组合，这种设计是默认反射镜3在工作过程中不产生平移而做出的；如果考虑到反射镜3在工作中产生平移而影响测量精度，可以在万向轴43位置处放置第三对金属片和电容传感器的组合，以抵消三个电容传感器产生的相同平移，确保测量精度。

具体实施例五

本实施例是在具体实施例一所述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直方法，包括以下步骤：

步骤a、点亮光源1，图像传感器65成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤b、利用第一驱动器411和第二驱动器412调整反射镜3角度，使图像传感器65所成点像回到像面中心位置；

步骤c、读取第一电容传感器423的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器424的电容变化ΔC2，再转换为反射镜3的角度变化Δθ和进而得到被测物5表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

本发明的主创新点在于增加了反射镜3以及设置在反射镜3上的角度调整测量装置4，这种结构能够在被测物5入射光和反射光之间具有较大偏角或存在较大横向位移的情况下，通过角度调整测量装置调4整反射镜姿态，使反射光原路返回并被反馈成像系统6接收，有效避免被测物反射光偏离测量系统而导致无法测量的问题。

然而，反射镜3的引入，其面型误差会传递到最终结果中，降低系统的测量精度；同时，工作距离的增加又使得反射镜3与被测物5之间的空气扰动不可忽略，也会降低系统的测量精度。可见，要想实现高精度测量，就必须考虑到反射镜3面型误差以及反射镜3与被测物5之间空气扰动对测量结果的影响，为此，设计了具体实施例六、具体实施例七、以及具体实施例八。

具体实施例六

本实施例是在具体实施例二所述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；

步骤b、点亮光源1，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，空气扰动波前探测器72分别得到GA和GB两组数据；

步骤c、G1＝GA-GB，得到空气扰动造成的波前变化；

步骤d、按照f5(G1)调整透射式液晶空间光调制器83参数，点亮补偿光源81，补偿空气扰动；

步骤e、图像传感器65成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤f、利用第一驱动器411和第二驱动器412调整反射镜3角度，使图像传感器65所成点像回到像面中心位置；

步骤g、读取第一电容传感器423的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器424的电容变化ΔC2，再转换为反射镜3的角度变化Δθ和进而得到被测物5表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

在具体实施例二的装置上实施本实施例的方法，能够利用空气扰动波前探测器72将空气扰动进行分离，进而利用波前补偿系统8对空气扰动进行补偿，最终实现无空气扰动影响的高精度测量。

具体实施例七

本实施例是在具体实施例三所述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；

步骤b、点亮光源1，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，反射镜形变波前探测器73分别得到GC和GD两组数据；

步骤c、G2＝GC-GD，得到空气扰动和反射镜形变共同造成的波前变化；

步骤d、按照f5(G2)调整透射式液晶空间光调制器83参数，点亮补偿光源81，补偿空气扰动和反射镜形变；

步骤e、图像传感器65成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤f、利用第一驱动器411和第二驱动器412调整反射镜3角度，使图像传感器65所成点像回到像面中心位置；

步骤g、读取第一电容传感器423的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器424的电容变化ΔC2，再转换为反射镜3的角度变化Δθ和进而得到被测物5表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

在具体实施例三的装置上实施本实施例的方法，能够利用反射镜形变波前探测器73将空气扰动与反射镜形变进行整体分离，进而利用波前补偿系统8对空气扰动与反射镜形变进行整体补偿，最终实现无空气扰动和反射镜形变影响的高精度测量。

具体实施例八

本实施例是在具体实施例四所述宽范围、大工作距自准直装置上实现的宽范围、大工作距自准直方法实施例。

本实施例的宽范围、大工作距自准直方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、选取表面垂直于光轴方向的参考物；

步骤b、点亮光源1，将步骤a所选择的参考物分别放置在工作位置A和近工作位置B，空气扰动波前探测器72分别得到GA和GB两组数据，反射镜形变波前探测器73分别得到GC和GD两组数据；

步骤c、G1＝GA-GB，得到空气扰动造成的波前变化；G2＝GC-GD，得到空气扰动和反射镜形变共同造成的波前变化；G＝G2-G1，得到反射镜形变造成的波前变化；

步骤d、

按照f5(G1)调整透射式液晶空间光调制器83参数，点亮补偿光源81，补偿空气扰动；

或

按照f5(G2)调整透射式液晶空间光调制器83参数，点亮补偿光源81，补偿空气扰动和反射镜形变；

或

按照f5(G)调整透射式液晶空间光调制器83参数，点亮补偿光源81，补偿反射镜形变；

步骤e、图像传感器65成像，得到点像偏离像面中心位置Δx和Δy；

步骤f、利用第一驱动器411和第二驱动器412调整反射镜3角度，使图像传感器65所成点像回到像面中心位置；

步骤g、读取第一电容传感器423的电容变化ΔC1，以及第二电容传感器424的电容变化ΔC2，再转换为反射镜3的角度变化Δθ和进而得到被测物5表面的角度变化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4个函数。

在具体实施例四的装置上实施本实施例的方法，能够利用空气扰动波前探测器72和反射镜形变波前探测器73将空气扰动和反射镜形变进行单独分离，进而选择性地对空气扰动进行单独补偿、对反射镜形变进行单独补偿、或对空气扰动与反射镜形变进行整体补偿，最终实现无空气扰动、或无反射镜形变、或无空气扰动和反射镜形变影响的高精度测量。

本实施例还有一个优点，那就是将空气扰动和反射镜形变单独分离后，能对每一部分对结果的影响大小进行单独评估，不仅能够找出空气扰动和反射镜形变中，谁是影响测量精度的主要矛盾，而且能够对反射镜变形进行单独评估，同时对反射镜加工质量进行有效评价。