BR112021007652B1

BR112021007652B1 - Método para medir ângulos de arfagem, guinada e rolamento de um elemento

Info

Publication number: BR112021007652B1
Application number: BR112021007652-2A
Authority: BR
Inventors: Yisa S. Rumala
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corporation
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2022-12-13
Also published as: BR112021007652A2; EP3870933A2; EP3870934A1; JP7286765B2; JP2022505869A; JP2023120198A; US20200132444A1; EP4177565A1; EP3870934B1; BR122022018325B1; KR20210080426A; WO2020086837A1; KR20210080431A; US20200132443A1; EP4177565B1; JP7372968B2; BR112021007644A2; JP2024016064A; BR112021007644B1; WO2020086828A2

Abstract

MÉTODO PARA MEDIR ÂNGULOS DE ARFAGEM, GUINADA E ROLAMENTO DE UM ELEMENTO. Um método para medir simultaneamente o ângulo de rolamento, ângulo de arfagem e ângulo de guinada de um elemento. O método inclui direcionar um feixe de laser para um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR) para gerar um padrão de intensidade de vórtice óptico tendo um centróide e picos de luz radial. O método reflete o feixe de laser do elemento após o mesmo ter propagado através do dispositivo SPPR de forma que o feixe de laser seja direcionado para uma câmera que gera imagens do padrão de intensidade de vórtice óptico. O método determina uma localização do centróide nas imagens, determina contagens integradas ao longo de uma direção radial a partir do centróide nas imagens, e determina uma localização dos picos de luz radial nas imagens usando as contagens integradas. O método altera a frequência do feixe de laser para rotacionar os picos de luz radial, e estima o ângulo de rolamento do elemento a partir da alteração na frequência.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido é um pedido de continuação do Pedido de Patente dos EUA de Número de Série 16/171.883, depositado em 26 de outubro de 2018, e intitulado Confocal Optical Protractor.

FUNDAMENTOS Campo

[002] A presente descrição refere-se, de forma geral, a um método para medir ângulo de rolamento, ângulo de arfagem e ângulo de guinada de um elemento, e mais particularmente a um método para medir simultaneamente o ângulo de rolamento, ângulo de arfagem e ângulo de guinada de um elemento, onde o método emprega um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR) que gera um feixe de padrão de vórtice óptico com picos de intensidade que é refletido para fora do elemento e para uma câmera ou detector.

Discussão

[003] A medição sem contato de ângulos, especificamente ângulos de rolamento, guinada e arfagem, é importante na fabricação de componentes ópticos, construção de peças aeroespaciais e aplicativos de metrologia de nível de sistema, incluindo alinhamento e rastreamento, impressão 3D, litografia, fabricação de peças de amostra, etc. A maioria das abordagens empregadas na arte que têm sido usadas para medir o ângulo emprega autocolimadores, interferômetros e dispositivos mecânicos com peças móveis. O ângulo de rolagem é o ângulo mais desafiador de medir e, portanto, há um número limitado de sistemas capazes de medir precisamente o ângulo de rolamento.

[004] Os autocolimadores têm sido bem sucedidos para medir ângulos de arfagem e guinada com alta precisão, mas o alcance sobre o qual esses ângulos podem ser medidos é limitado. Adicionalmente, para medir o ângulo de rolamento, é necessário um complexo arranjo de autocolimadores. Os interferômetros podem medir o ângulo de arfagem e ângulo de guinada, mas não podem medir o ângulo de rolamento sem um arranjo complexo de elementos ópticos adicionais, por exemplo, óptica de polarização e prismas. Além disso, a operação em ambientes adversos é limitada para muitas ópticas de espaço livre. Dispositivos mecânicos, tais como transferidores mecânicos, exigem que o sistema seja compacto e severamente limitado para medição sem contato do ângulo. Adicionalmente, um sistema com peças móveis teria uma probabilidade muito maior de falha durante a operação por longos períodos de tempo.

[005] Ângulos de rolamento são tipicamente medidos ao colocar a peça em uma montagem rotativa que inclui marcas angulares embutidas ao longo de sua circunferência e, em seguida, rotacionar a montagem para determinar o ângulo de rolamento da peça. Essa técnica funciona bem de forma geral ao construir peças pequenas, mas pode ser desafiadora ao fabricar peças de sistema aeroespacial grandes ou muito pesadas. Outra técnica de medição de ângulo de rolamento conhecida inclui posicionar um transferidor mecânico na peça para determinar o ângulo de interesse entre dois fiduciais. Para essa técnica, o transferidor mecânico estaria em contato com a superfície para determinar o ângulo de rolamento, o que poderia ser prejudicial para aplicações que requerem uma medição sem contato do ângulo de rolamento. Para medir ângulos cada vez menores em espaços confinados, o raio do transferidor teria que ser maior (marcas mais angulares) ou seriam necessárias engrenagens no transferidor mecânico para amplificar a precisão do ângulo a ser medido. Isso poderia facilmente aumentar o tamanho do transferidor mecânico para medições de alta precisão, assim sendo problemático quando da medição de ângulos em espaços confinados. Esta tarefa torna-se ainda mais difícil quando da medição de ângulos em superfícies curvas. Ademais, algumas aplicações em impressão 3D, litografia e fabricação de peças em ambientes de sala limpa requerem uma determinação sem contato do ângulo de rolamento, onde o transferidor mecânico estaria em contato com a peça que está sendo medida. Se a superfície está rotacionando a uma taxa constante, o ângulo de rolamento e a taxa de rotação não podem ser deduzidos com um transferidor mecânico.

[006] Os sistemas ópticos podem prover a capacidade de realizar medições sem contato do ângulo entre dois pontos ou linhas estáticas em uma superfície, mesmo quando a superfície é curva e/ou áspera. Em particular, ao usar uma superposição coerente de vórtices ópticos que tem uma simetria cilíndrica embutida, medições sem contato do ângulo podem ser realizadas com exatidão e precisão muito altas. Uma propriedade de uma sobreposição coerente de vórtices ópticos é que ela forma uma modulação de intensidade periódica em função do ângulo de rolamento (ângulo azimutal), que pode ser projetado na superfície para a qual o ângulo está sendo medido e sensoreado com um detector.

[007] Diversos métodos existem na técnica para criar uma superposição coerente de vórtices ópticos, incluindo métodos que usam moduladores de luz espacial, placas de fase espiral em um interferômetro, espelhos de fase espiral em um interferômetro, etc. No entanto, esses métodos não permitem controlar o ângulo de ângulo de rolamento do vórtice óptico sem causar uma rotação mecânica de peças selecionadas do sistema óptico que limita a resolução, ou o sistema óptico consiste em um complexo arranjo de elementos ópticos incluindo estágios motorizados, ou seja, para o caso de espelhos espirais, placas q, placas de fase espiral, etc. Para aqueles métodos que empregam um modulador de luz espacial (SLM), um computador é necessário para controlar o SLM e sua resolução e a geração de deslocamento angular é limitada pela tela SLM sendo pixelizada e o intervalo finito da mudança de fase do SLM. Com esses desafios, não há uma maneira clara de miniaturizar o sistema enquanto se maximiza a precisão da medição do ângulo sem complicar ainda mais o projeto do sistema óptico.

[008] Um ressonador com base em uma placa de fase espiral, ou seja, um ressonador de placa de fase espiral (SPPR), é um elemento óptico miniaturizado para o qual uma sobreposição coerente de vórtices ópticos pode ser gerada refletindo a luz do dispositivo ou transmitindo luz através do dispositivo. Há estudos científicos fundamentais que mostram um efeito ressonador para um dispositivo SPPR de baixa refletividade. Também houve estudos de um sensor de rotação com base no deslocamento Doppler rotacional. No entanto, ainda não há uma demonstração na técnica de um sistema de transferidor óptico completo para aplicações tecnológicas, tais como fabricação e produção, ou determinação do ângulo de rolamento em relação a um fiducial em sistemas aeroespaciais ou de outra maneira.

[009] O Pedido de Patente dos EUA de Número de Série 15/943.240, intitulado Optical Protractor To Measure Roll Angle On A Static Surface And Rotating Surface, depositado em 02 de abril de 2018, cedido à cessionária deste pedido e aqui incorporado por referência, descreve um transferidor óptico que utiliza um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR) para medir um ângulo de rolamento entre dois pontos numa superfície estática ou numa superfície rotativa. O transferidor inclui uma fonte de laser sintonizável que gera um feixe de laser e um componente óptico que responde e converte o feixe de laser em um feixe de laser de modo único. O dispositivo SPPR recebe o feixe de laser de modo único e inclui superfícies refletivas opostas que refletem o feixe para frente e para trás no dispositivo. Uma das superfícies refletivas inclui um índice de etapa em espiral que faz com que diversos feixes refletidos com diferentes fases sejam combinados como um feixe de saída do dispositivo com um padrão de intensidade de vórtice óptico, onde o padrão de intensidade inclui linhas de intensidade de luz radial. O transferidor inclui uma lente que projeta o feixe de saída no elemento, um detector para detectar a luz refletida do elemento e um processador que responde aos sinais do detector. O processador gera imagens da luz refletida que incluem o padrão de intensidade de vórtice óptico projetado no elemento e faz com que a fonte de laser mude a frequência do feixe de laser de modo que uma das linhas de intensidade se alinhe com um primeiro dos pontos. O processador então faz com que a fonte de laser mude novamente a frequência do feixe de laser para que uma linha de intensidade se alinhe com um segundo dos pontos, onde uma diferença entre as frequências do feixe de laser é usada para determinar o ângulo entre os pontos.

SUMÁRIO

[0010] A discussão a seguir expõe e descreve um método para medir simultaneamente ângulo de rolamento, ângulo de arfagem e ângulo de guinada de um elemento. O método direciona o feixe de laser de frequência sintonizável através de um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR), em que o dispositivo SPPR inclui superfícies refletivas opostas que refletem o feixe de laser para frente e para trás no dispositivo e em que uma das superfícies refletivas inclui um índice de passo de espiral que faz com que múltiplas amplitudes refletidas tendo diferentes fases sejam combinadas e gerem um padrão de intensidade de vórtice óptico definido pelas fases das múltiplas amplitudes, e em que o padrão de intensidade inclui um centroide de singularidade e picos de luz radial, e em que o dispositivo SPPR reflete ou transmite um primeiro feixe e transmite um segundo feixe. O método reflete o primeiro feixe de um obturador fechado de forma que o primeiro feixe seja direcionado para uma primeira câmera que gera imagens do padrão de intensidade de vórtice óptico, direciona o segundo feixe para uma segunda câmera que gera imagens do padrão de intensidade de vórtice óptico, determina uma frequência inicial do feixe de laser por uma posição angular dos picos de luz radial nas imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras, e sincroniza um registro entre as imagens geradas pela primeira e segunda câmeras. O método determina uma localização do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera e determina uma localização do centroide nas imagens geradas pela segunda. O método adicionalmente determina contagens integradas ao longo de uma direção radial a partir do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera como uma função do ângulo de rolamento de feixe, e determina uma localização dos picos de luz radial nas imagens geradas pela primeira câmera usando as contagens integradas. O método também determina contagens integradas ao longo de uma direção radial a partir do centroide nas imagens geradas pela segunda câmera como uma função do ângulo de rolamento de feixe, e determina uma localização dos picos de luz radial nas imagens geradas pela segunda câmera usando as contagens integradas. O método então abre o obturador de forma que o primeiro feixe se propague através do obturador aberto para o elemento e um primeiro feixe refletido do elemento seja direcionado para a primeira câmera que novamente gera imagens incluindo o padrão de intensidade de vórtice óptico. O método novamente determina a localização do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera, e novamente determina as contagens integradas ao longo da direção radial a partir do centroide nas imagens geradas pelas primeira câmera como uma função do ângulo de rolamento de feixe. O método altera a frequência do feixe de laser para rotacionar os picos de luz radial no padrão de intensidade de vórtice óptico nas imagens geradas pela primeira câmera, e estima o ângulo de rolamento do elemento a partir da alteração na frequência.

[0011] Características adicionais da descrição tornar-se-ão aparentes a partir da descrição a seguir e as reivindicações anexas, tomadas em conjunto com os desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A Figura 1 é um diagrama esquemático de blocos de um transferidor óptico confocal para medir ângulos de rolamento, arfagem e guinada de um elemento, em que um feixe de medição é refletido de um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR) e então refletido do elemento; a Figura 2 é uma vista isométrica do dispositivo SPPR separado do transferidor óptico mostrado na Figura 1; a Figura 3 é uma vista lateral do dispositivo SPPR mostrando um feixe sendo refletido no mesmo; a Figura 4 é uma ilustração de uma matriz de detectores de pixel único incluindo oito detectores de pixel único dispostos em um círculo; a Figura 5 é uma imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico do feixe refletido do dispositivo SPPR no transferidor mostrado na Figura 1; a Figura 6 é uma imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico de um feixe de referência refletido através do dispositivo SPPR no transferidor mostrado na Figura 1; as Figuras 7 e 8 são a imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico mostrada na Figura 5 com o feixe refletido acima e abaixo do ponto central, respectivamente, para medir o ângulo de arfagem; as Figuras 9 e 10 são a imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico mostrada na Figura 5 com o feixe movido para o lado esquerdo e para o lado direito, respectivamente, para medir o ângulo de guinada; as Figuras 11 e 12 são a imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico mostrada na Figura 5 com o feixe rotacionado nos sentidos horário e anti-horário, respectivamente, para medir o ângulo de rolamento; a Figura 13 é um diagrama esquemático de blocos de um transferidor óptico confocal para medir ângulos de rolamento, arfagem e guinada de um elemento, em que um feixe de medição é transmitido por um dispositivo SPPR; a Figura 14 é uma imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico que mostra um feixe transmitido através do dispositivo SPPR no transferidor mostrado na Figura 13; as Figuras 15 e 16 são a imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico mostrada na Figura 14 com o feixe refletido acima e abaixo do ponto central, respectivamente, para medir o ângulo de arfagem; as Figuras 17 e 18 são a imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico mostrada na Figura 14 com o feixe movido para o lado esquerdo e para o lado direito, respectivamente, para medir o ângulo de guinada; as Figuras 19 e 20 são a imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico mostrada na Figura 14 com o feixe rotacionado nos sentidos horário e anti-horário, respectivamente, para medir o ângulo de rolamento; a Figura 21 é um fluxograma que mostra um processo para encontrar um centroide de feixe para uma imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico tendo franjas de alto contraste; a Figura 22 é um fluxograma que mostra um processo para encontrar um centroide de feixe para uma imagem de perfil de intensidade de vórtice óptico tendo franjas de baixo contraste; a Figura 23 é um fluxograma que mostra um processo para determinar o ângulo de arfagem e o ângulo de guinada; e a Figura 24 é um fluxograma que mostra um processo para determinar o ângulo de rolamento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[0013] A discussão a seguir das modalidades da descrição direcionada a um método para medir ângulos de rolamento, arfagem e guinada de um elemento, em que o método usa um dispositivo SPPR, é meramente exemplificativa por natureza e de forma alguma pretende limitar a descrição ou suas aplicações ou usos.

[0014] Como será discutido em maiores detalhes abaixo, a presente descrição refere-se a um sistema óptico, ou transferidor óptico, que provê um processo “totalmente óptico” sem partes móveis para medir os ângulos de rolamento, arfagem e guinada de um elemento. O sistema óptico tem aplicação para a fabricação e produção de diversos componentes e peças, tais como para veículos aéreos não tripulados, aviões, porta-aviões, mísseis balísticos, etc., onde se faz importante uma medição sem contato dos ângulos de arfagem, guinada e rolamento. O sistema óptico também possui aplicações de visão mecânica, tais como em robôs e veículos autônomos, para determinar esses ângulos durante o reconhecimento de padrões.

[0015] O elemento principal do sistema óptico é um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR) no qual um feixe de luz em uma determinada frequência passa por múltiplas viagens de ida e volta, refletido dentro do dispositivo para criar um feixe de saída com um padrão de interferência de modulação de intensidade angular como uma função do ângulo do feixe. Alterações precisas do comprimento de onda do feixe que entra no dispositivo SPPR rotacionam picos de intensidade angular no padrão de saída do feixe do dispositivo SPPR que, quando projetados em uma superfície estática, podem ser detectados para medir os ângulos de arfagem, guinada e rolamento. O padrão de interferência da modulação de intensidade no feixe de saída é o resultado de uma sobreposição coerente de números de enrolamento de vórtice óptico selecionados emergindo do dispositivo SPPR.

[0016] Para assegurar uma alta precisão dos ângulos a serem medidos mesmo em ambientes agressivos, tais como com a presença de vibrações e gradientes de temperatura, é necessário um método de calibração do sistema óptico. O método inclui calibrar o ângulo de rotação do padrão de intensidade de vórtice óptico com o comprimento de onda do feixe e monitorar o deslocamento angular do padrão de intensidade óptica em um detector, tal como uma câmera CCD, com um feixe de referência. Quaisquer alterações espúrias do sistema óptico, tais como alterações no comprimento de onda do feixe da fonte de laser, alterações no índice de refração da óptica ou vibrações da superfície que está sendo medida podem ser compensadas durante a medição dos ângulos. As imagens da câmera CCD são lidas em tempo real através de algoritmos de processamento de imagem que reduzem os erros na localização do centro dos vórtices ópticos e outras formas de erros sistemáticos na determinação dos ângulos. A frequência do feixe de entrada para o dispositivo SPPR é travada e variada usando técnicas padrão, tais como esquemas de bloqueio de fase, esquemas de bloqueio de amplitude, etc., e incrementos da frequência rotacionariam o padrão de intensidade para medição, calibração e monitoramento em tempo real.

[0017] A Figura 1 é um diagrama esquemático de blocos de um sistema óptico 10 do tipo discutido acima para simultaneamente medir os ângulos de rolamento, arfagem e guinada entre linhas fiduciais em uma superfície estática ou rotativa e determinar a taxa de rotação da superfície rotativa. O sistema 10 inclui uma fonte de laser de largura de linha estreita 12 que é sintonizável e que emite um feixe de laser coerente, por exemplo, na faixa de frequência IR visível, em uma fibra óptica de modo único 14 que provê um feixe de laser 18 em, por exemplo, o Modo Gaussiano TEM00. Em uma modalidade alternativa, outros elementos ópticos em vez da fibra óptica de modo único 14 podem ser empregados para prover o Modo Gaussiano TEM00. Por exemplo, uma abertura apropriadamente projetada (não mostrada) poderia ser usada para colocar a viga 18 no Modo Gaussiano TEM00 ou limpar o modo óptico. O feixe 18 emitido da fibra 14 é colimado por um colimador 16 posicionado na extremidade da fibra 14 para assegurar que o feixe 18 se propague através de todo o sistema óptico 10 com divergência mínima. A luz refletida de volta para a fonte de laser 12 pode causar oscilação do feixe na cavidade do laser, causando flutuações de intensidade do feixe de laser de saída 18 ou alterações de frequência espúrias no comprimento de onda do laser, o que pode causar instabilidade dos modos na cavidade do laser e fazer com que a fonte de laser 12 saia do travamento. Portanto, um isolador óptico 20 é posicionado após a saída do colimador 16 para prevenir a reflexão de retorno do feixe de laser 18 na fonte de laser 12.

[0018] O feixe de modo único 18 que se propaga através do isolador óptico 20 é dividido por um divisor de feixe 22, onde uma pequena porção do feixe 18 é enviada para um detector rápido 24 que monitora a intensidade do feixe e a porção restante do feixe 18 é enviada para um dispositivo SPPR 26, onde é refletida para frente e para trás no dispositivo 26 como resultado de sua refletividade finita. A Figura 2 é uma vista isométrica e a Figura 3 é uma vista lateral do dispositivo 26 separado do sistema 10. O dispositivo 26 inclui um bloco opticamente transparente 28, tal como vidro, tendo uma placa refletiva 30, tal como um revestimento de material reflexivo liso, em um lado de entrada do bloco 28 que é opticamente transmissivo o suficiente para permitir que o feixe 18 do colimador 16 se propague para o bloco 28. O dispositivo 26 também inclui um refletor em espiral em etapas 32, tal como um polímero ou camada de vidro com um revestimento de material reflexivo, com uma etapa variando azimutalmente 34 tendo altura Δh em um lado de saída do bloco 28 que também é opticamente transmissivo o suficiente para que um feixe de saída possa se propagar através do mesmo e ser gerado a partir do dispositivo 26. Embora revestimentos de material reflexivo lisos sejam empregados neste projeto para prover superfícies refletivas no bloco 28, em projetos alternativos podem ser usadas estruturas em nanoescala para prover a refletividade do feixe 18 no bloco 28.

[0019] Se o feixe 18 se propagasse através do bloco 28 sem refletividade de superfície, um feixe de vórtice óptico com um número de enrolamento bem definido seria produzido no plano de saída do dispositivo 26, em que o dispositivo 26 atuaria como uma placa de fase em espiral. Ao prover refletividade finita em superfícies opostas do dispositivo 26 e fornecer o refletor 32 tendo a espessura azimutal gradualmente variável, o dispositivo 26 opera como um ressonador de placa de fase espiral (SPPR), onde um feixe de vórtice óptico é emitido do dispositivo 26 como uma superposição coerente de vórtices ópticos separados por números de enrolamento positivos específicos. Em outras palavras, cada reflexão do feixe 18 dentro do dispositivo 26 cria um feixe de vórtice óptico individual tendo uma fase única que é emitida a partir do dispositivo 26, mostrado como amplitudes U1 - UN, cada qual tendo um diferente número de enrolamento, ou seja, momento angular orbital, em que o feixe é uma superposição de todas as amplitudes de vórtice óptico U1 - UN com diferentes números de enrolamento tendo diferentes estados de momento angular orbital e é referido neste documento como um padrão de intensidade de vórtice óptico. O padrão de intensidade de vórtice óptico é, portanto, um padrão de interferência de intensidade periódica baseado na fase dos feixes U1 - UN que varia como função do ângulo do feixe de vórtice, onde a rotação do padrão de intensidade é controlada pela frequência do feixe 18

[0020] O padrão de intensidade de vórtice óptico do feixe 18 é tanto uma saída do lado de entrada do dispositivo SPPR 26 em direção ao divisor de feixe 22 como um feixe de reflexão refletido 40 quanto uma saída do lado de saída do dispositivo SPPR 26 como um feixe de referência transmitido 42 que é usado para fins de calibração. Nesta modalidade não limitativa, o dispositivo SPPR 26 é um dispositivo comercial de prateleira (COTS) com uma refletividade interna de aproximadamente 0,04. Esta refletividade faz com que os picos de intensidade de vórtice no feixe de medição 40 sejam de alto contraste e os picos de intensidade de vórtice no feixe de referência transmitido 42 sejam de baixo contraste. Ao usar o feixe refletido 40 para as medições de ângulo, os picos mais distintos permitem que a luz de fundo seja mais facilmente removida.

[0021] O feixe de referência 42 é convertido em imagem por uma lente 50 posicionada em duas distâncias focais do dispositivo SPPR 26 em uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CCD) 54 por meio de um atenuador 56 e provê uma referência de orientação de feixe para cálculos do ângulo de rolamento. O feixe de medição 40 é refletido pelo divisor de feixe 22 em direção a um segundo divisor de feixe 60 que direciona uma pequena porção do feixe de medição 40 para um detector 62 que acompanha a orientação do feixe de medição de vórtice óptico 40 e a intensidade do feixe 40 refletido a partir do dispositivo SPPR 26. O detector 62 é mostrado como um detector de pixels múltiplos, tal como uma câmera CCD, mas pode ser qualquer detector adequado para as finalidades aqui discutidas. Por exemplo, o detector 62 poderia ser uma matriz de detectores de pixel individual 76 incluindo oito detectores de pixel único 78 dispostos em um anel de círculo, como mostrado na Figura 4. O anel circular poderia possibilitar a medição do deslocamento rotacional do feixe 40 com alta precisão.

[0022] A porção principal do feixe de medição 40 é convertida em imagem por uma lente 64, ou uma série de lentes, em uma plataforma 66 através de um obturador 68, onde a lente 64 colima o feixe 40 para converter em imagem a plataforma 66 em uma geometria de imagem confocal. O feixe refletido da plataforma 66 é direcionado pelo divisor de feixe 60 para uma câmera CCD 70 que provê as medições de ângulo, onde a lente 64 converte em imagem o feixe refletido na câmera. Um filtro de banda estreita 72 posicionado em frente à câmera 70 reduz as fontes de luz de fundo em outros comprimentos de onda. Adicionalmente, a lente 64 reduzirá o campo de visão (FOV) da câmera 70, o que também reduzirá a quantidade de luz retrodispersa que entra na câmera 70. Quando o obturador 68 é fechado, o feixe 40 é refletido na câmera 70 através do divisor de feixe 60. Quando o obturador 68 é aberto, o feixe 40 passa através do obturador 68 e é retrodisperso a partir da plataforma 66 para a câmera 70. A câmera CCD 70 serve também para calibrar a posição inicial do feixe 40.

[0023] Um sistema de coordenadas x-y-z é ilustrado em relação à plataforma 66, em que a rotação em torno do eixo geométrico x indica o ângulo de guinada, a rotação em torno do eixo geométrico y indica o ângulo de arfagem e a rotação em torno do eixo geométrico z indica o ângulo de rolamento. Um perfil de intensidade de vórtice óptico do feixe de medição 40 tendo franjas de alto contraste conforme convertido em imagem na câmera 70 é ilustrado na Figura 5, em que o dispositivo 26 é um dispositivo SPPR de baixa refletividade interna, tal como |r2|2=0,04, onde r2 is é o coeficiente Fresnel de reflexão nas superfícies do dispositivo SPPR 26. Um perfil de intensidade de vórtice óptico do feixe de referência 42 tendo franjas de baixo contraste conforme convertido em imagem na câmera 54 é ilustrado na Figura 6. Nessas ilustrações, as áreas sombreadas representam os picos de intensidade do vórtice. O sistema 10 funciona bem quando um dispositivo de maior refletividade interna é implementado nesta modalidade, e o dispositivo SPPR 26 pode estar voltado para a direção anversa ou reversa.

[0024] O sistema 10 é calibrado da mesma maneira discutida acima usando a câmera 54 para uma determinação precisa dos ângulos. A partir dessa medição, uma função de transferência que efetivamente define a função de calibração do sistema óptico 10 é obtida. A função de transferência converte uma alteração na frequência do laser em uma alteração no ângulo, mesmo na presença de efeitos térmicos dos elementos no sistema óptico 10. Idealmente, materiais com baixo coeficiente de expansão térmica seriam usados no sistema óptico 10 para medições de alta precisão. Inobstante, as atualizações da câmera a partir do processo de calibração antes ou durante as medições possibilitam a determinação do ângulo em uma superfície estática, mesmo na presença de efeitos térmicos e vibrações. Para medições realizadas após o foco do feixe 42, a fase de Gouy causará um deslocamento adicional na rotação do feixe de referência 42. Este efeito é facilmente levado em consideração durante a calibração do sistema óptico 10.

[0025] O sistema 10 permite que o feixe de vórtice óptico permaneça colimado em longas distâncias para fins de iluminação da plataforma 66. Para determinar o ângulo de rolamento, a frequência do feixe 18 é deslocada para rotacionar o perfil de intensidade angular. Para medir o ângulo de arfagem e o ângulo de guinada, o centroide do feixe 40 é movido de um ponto para outro. Um dispositivo para medir distância, tal como LiDAR, RADAR, etc., pode ser usado para estimar distância quando da medição do ângulo de guinada e do ângulo de arfagem.

[0026] Um processador 74 controla o sistema 10 e recebe sinais das câmeras 54 e 70 e do detector 62, e sintoniza a fonte de laser 12, para determinar as medidas dos ângulos de rolamento, guinada e arfagem consistentes com a discussão aqui apresentada. Como será discutido em mais detalhes abaixo, o feixe 40 é refletido da plataforma 66 quando está em uma posição de referência para determinar a distância entre a plataforma 66 e a câmera 70 e identificar um perfil de feixe inicial. Um deslocamento no perfil do feixe acima ou abaixo do ponto central do perfil de feixe inicial ao longo do eixo geométrico y na orientação descrita é uma medida do ângulo de arfagem conforme mostrado pelas imagens do perfil de intensidade de vórtice óptico nas Figuras 7 e 8. Adicionalmente, um deslocamento no perfil do feixe para a esquerda ou direita do ponto central do perfil de feixe inicial ao longo do eixo geométrico x na orientação descrita é uma medida do ângulo de guinada conforme mostrado pelas imagens do perfil de intensidade de vórtice óptico nas Figuras 9 e 10. É observado que a distância à plataforma 66 e um deslocamento do feixe 40 na câmera 70 é usado para medir os ângulos de arfagem e guinada. O feixe 40 é girado no sentido horário ou anti-horário em relação a um fiducial (não mostrado) na plataforma 66 para medir o ângulo de rolamento conforme mostrado nas imagens do perfil de intensidade de vórtice óptico nas Figuras 11 e 12.

[0027] No sistema 10, o feixe de medição 40 usado para medir os ângulos de arfagem, guinada e rolamento é refletido do dispositivo SPPR 26 para criar franjas de alto contraste porque o dispositivo 26 tem uma baixa refletividade interna, conforme discutido. Em uma modalidade alternativa, o dispositivo SPPR 26 pode ser substituído por um dispositivo de refletividade interna intermediária, tal como |r212 =0,57, onde o feixe transmitido através do dispositivo 26 é o feixe de medição. A Figura 13 é um diagrama esquemático de blocos de um sistema óptico 80 desse tipo para simultaneamente medir ângulos de rolamento, arfagem e guinada, onde elementos semelhantes ao sistema 10 são identificados pelo mesmo numeral de referência. Nessa modalidade, o dispositivo SPPR 26 é substituído por um dispositivo SPPR 82, que é um dispositivo personalizado tendo uma alta refletividade interna, o detector 24 e o divisor de feixe 22 são eliminados, e um divisor de feixe 84 é provido a jusante do dispositivo SPPR 82, onde o fluxo de vórtice do dispositivo 82 é dividido em o feixe de referência 42 e o feixe de medição 40.

[0028] O perfil de intensidade óptica do feixe transmitido através do dispositivo SPPR 82 é ilustrado na Figura 14. Da mesma maneira como discutido acima para o sistema 10, o feixe 40 é refletido da plataforma 66 quando está em uma posição de referência para determinar a distância entre a plataforma 66 e a câmera 70 e identificar um perfil de feixe inicial. Um deslocamento no perfil do feixe acima ou abaixo do ponto central do perfil de feixe inicial ao longo do eixo geométrico y na orientação descrita é uma medida do ângulo de arfagem conforme mostrado pelas imagens do perfil de intensidade de vórtice óptico nas Figuras 15 e 16. Adicionalmente, um deslocamento no perfil do feixe acima ou abaixo do ponto central do perfil de feixe inicial ao longo do eixo geométrico x na orientação descrita é uma medida do ângulo de guinada conforme mostrado pelas imagens do perfil de intensidade de vórtice óptico nas Figuras 17 e 18. Novamente, a distância à plataforma 66 e um deslocamento do feixe 40 na câmera 70 são para medir os ângulos de arfagem e guinada. O feixe 40 é girado no sentido horário ou anti- horário em relação a um fiducial (não mostrado) na plataforma 66 para medir o ângulo de rolamento conforme mostrado nas imagens do perfil de intensidade de vórtice óptico nas Figuras 19 e 20.

[0029] Um dispositivo SPPR COTS com baixa refletividade em suas superfícies ou um dispositivo SPPR fabricado sob medida com alta refletividade em suas superfícies pode ser usado no transferidor óptico confocal (COP) para os sistemas 10 e 80, conforme descrito. Para um dispositivo SPPR COTS, a refletividade nas superfícies do dispositivo é relativamente baixa, ou seja, |r2|2~|0,219|2= 0,047. Assim, haverá aproximadamente dois terços menos de contagens de fótons fazendo medições rotacionais em comparação com o número máximo de fótons que podem estar fazendo medições de posição rotacional na superfície interna da câmera 70 e na plataforma 66 de interesse. Dependendo do albedo da plataforma 66, pode haver ainda menos partículas de luz convertidas em imagem na câmera 70. Uma das principais vantagens desta geometria confocal do transferidor óptico é a presença de franjas de alto contraste (unidade) independentemente da refletividade do dispositivo SPPR. Isso permite uma melhor relação sinal-ruído, especialmente para um dispositivo SPPR COTS. Quando a refletividade do dispositivo SPPR é aumentado para um valor de |r2|2=| 0.57712= 0,33, então o número máximo de partículas de luz estará fazendo medições de posição rotacional na geometria de transmissão do dispositivo SPPR para aumentar a relação sinal / ruído na câmera 70.

[0030] As equações que descrevem a amplitude de transmissão através do dispositivo SPPR 26 e amplitude de reflexão do dispositivo SPPR 26 podem ser derivadas usando um formalismo de matriz. Para fins de clareza e simplicidade, a transmissão através do dispositivo SPPR 26 ou 82 é representada como: T[Φ]^B + A^T1[Φ,Φ0>r2,β], (1) onde A, B e Φo são usados para estimar a amplitude, estimar o plano de fundo, e rastrear a rotação do sinal de padrão de intensidade angular com as rotinas de ajuste, T1 [Φ, Φo> r2>β] é a função de transmissão normalizada que constitui a posição angular Φo de um SPPR com um coeficiente de reflexão de Fresnel r2, e o número de picos de intensidade com variação azimutal β. Os parâmetros r2 e β são parâmetros conhecidos quando o sistema 10 é construído e não mudam durante a operação do sistema. A refletividade do dispositivo SPPR 26 ou 82 é definida como |r212.

[0031] De forma semelhante, a reflexão do dispositivo SPPR 26 é representada como: R[Φ]^B + A^R1[Φ,Φ0>r2,β], (2) onde RilΦ, Φo> r2> β} é uma função de reflexão normalizada.

[0032] O ângulo de rolamento, o ângulo de arfagem e o ângulo de guinada são medidos mantendo o controle de propriedades específicas do fluxo de vórtice óptico retrorrefletido da superfície externa para a câmera 70. Essas propriedades incluem o centroide dos picos de intensidade individuais, o centroide de todo o feixe de vórtice óptico e o deslocamento rotacional do perfil de intensidade de vórtice óptico. É dado um exemplo no qual há quatro picos de intensidade projetados na superfície da plataforma 66 para os quais os ângulos devem ser medidos. Os algoritmos para medir os ângulos de rolamento, arfagem e guinada permitirão que a posição dos picos de intensidade individuais e do centro do vórtice óptico seja conhecida com um alto grau de exatidão e precisão. Devido aos quatro picos de intensidade separados, a precisão da medição é melhorada por um fator de quatro na medição do ângulo de rolamento, ângulo de arfagem e ângulo de rolamento, se comparado com o caso em que um pico de intensidade estreito é usado para determinar o ângulo. Embora este projeto use quatro picos de intensidade, pode haver significativamente mais picos de intensidade ou menos picos de intensidade emergindo do dispositivo SPPR 26.

[0033] O ângulo de rolamento é determinado pelo acompanhamento da rotação dos vórtices ópticos, ou seja, o deslocamento rotacional (deslocamento angular) do fluxo óptico de vórtice na câmera 70. A resolução na determinação do ângulo de rolamento é bastante alta, enquanto mantém uma ampla faixa sobre a qual o ângulo de rolamento é medido. Esse ângulo pode ser estendido além da faixa de medição de 360°. O ângulo de arfagem é determinado pelo acompanhamento do controle do deslocamento vertical do centroide do feixe de vórtice óptico da plataforma externa na câmera 70. De forma semelhante, o ângulo de guinada é determinado pelo acompanhamento do deslocamento horizontal do fluxo de vórtice óptico retrorrefletido da plataforma externa. O ângulo de guinada e o ângulo de arfagem são calculados tanto da distância ao alvo quanto do deslocamento do feixe na câmera 70. Antes do fluxo óptico de vórtice ser retrorrefletido da plataforma 66, ele é internamente retrorrefletido do obturador 68 quando o obturador 68 é fechado para determinar a posição inicial do fluxo óptico de vórtice 40. Isso inclui a posição inicial do centroide de feixe, e a posição inicial dos picos de intensidade angular. Esse processo ocorre em sequência com os outros processos de calibração de sistema incluindo intensidade do laser usando o detector 24 e calibração da frequência do laser usando a câmera 54, bem como monitora a rotação interna do fluxo óptico de vórtice 40 nas câmeras 54 e 70 e o detector 62. Em uma modalidade diferente, a posição inicial poderia ser determinada em uma superfície externa planar de ângulo conhecido para a calibração de ângulo inicial. Ademais, há uma função de transferência armazenada que converte o comprimento de onda do laser em rotação do fluxo óptico de vórtice.

[0034] A deslocação angular para medir o ângulo de rolamento e as deslocações para estimar o ângulo de guinada e o ângulo de arfagem são estimadas a partir de rotinas de adaptação não lineares. O ângulo de guinada e o ângulo de arfagem são determinados a partir de um deslocamento vertical e horizontal no centroide dos quatro picos de intensidade, no eixo geométrico x e eixo geométrico y da câmera 70, respectivamente, bem como distância ao alvo. O ângulo de rolamento é determinado pela deslocação rotacional dos picos de intensidade. Posto que há quatro picos de intensidade individuais projetados para a câmera 70 com contraste de unidade, esses picos de intensidade são ajustados individualmente. A partir da posição dos picos de intensidade, o centroide de todo o feixe é obtido. Os centróides são primeiro calculados a partir dos dados usando a fórmula apropriada e, em seguida, esses valores são usados como valores iniciais na rotina de adaptação não linear para rastrear a posição de interesse. A determinação precisa do centroide de feixe é a primeira etapa para determinar a deslocação angular do feixe retrorrefletido. No caso de haver salpicos nas imagens, diversas imagens podem ser calculadas em conjunto para reduzir os efeitos dos salpicos.

[0035] A determinação dos ângulos de rolamento, arfagem e guinada requer conhecimento do centro absoluto do feixe 40. Para um fluxo de vórtice óptico com uma singularidade, ou seja, um núcleo de vórtice óptico muito pequeno (ou nenhum núcleo) gerado pelo dispositivo SPPR 26, o centro do feixe 40 é definido como o ponto onde todos os picos de intensidade se encontram, que equivale ao centroide do feixe. Um algoritmo para calcular o centro do feixe 40 é discutido abaixo. O algoritmo funciona bem para um número par de picos de intensidade do vórtice óptico, ou seja, quando β é um número par e, portanto, para este propósito, assume-se que β — 4. No entanto, o algoritmo pode ser adaptado para funcionar bem para um número ímpar de picos de intensidade. O algoritmo é discutido para dois casos, a saber, um primeiro caso para um perfil de intensidade de vórtice óptico tendo franjas de alto contraste do feixe 40 convertidas em imagem na câmera 70, e um segundo caso para um perfil de intensidade de vórtice óptico tendo franjas de baixo contraste do feixe 40 convertidas em imagem na câmera 70. Mais particularmente, dependendo da escolha do dispositivo SPPR 26 ou 82, a câmera 70 poderia receber franjas de alto ou de baixo contraste. Quando o dispositivo SPPR tem baixa refletividade, então a câmera 70 produz imagens tendo franjas de baixo contraste, mas com um dispositivo SPPR de refletividade intermediária a alta, ou seja, um dispositivo SPPR customizado, a câmera 70 produz imagens tendo franjas de alto contraste. A câmera 70 sempre terá franjas de contraste relativamente alto para os sistemas 10 e 80.

[0036] A Figura 21 é um fluxograma 90 que mostra um processo para determinar o centro do perfil de intensidade de vórtice óptico tendo franjas de alto contraste do feixe 40 convertido em imagem na câmera 70. O obturador 68 é fechado na caixa 92 para que não haja luz das superfícies externas, embora possa não ser necessário em alguns projetos fechar o obturador 68. Quando o obturador 68 é fechado, o feixe 40 é retrorrefletido do obturador 68 para a câmera 70 na caixa 94. A tela de pixel na câmera 70 é segmentada em diversos quadrantes representativos do número de picos de intensidade no feixe 40 na caixa 96. Nesse exemplo, há quatro picos de intensidade, ou seja, β — 4, e, portanto, quatro quadrantes, onde cada quadrante é integrado no eixo geométrico x e no eixo geométrico y na caixa 98. O centroide e a largura do pico de intensidade em cada quadrante são estimados utilizando os dados coletados na caixa 100, e esses valores são armazenados individualmente para todos os quatro quadrantes. Uma rotina de adaptação não linear é aplicada ao pico de intensidade em cada quadrante na caixa 102, onde os valores iniciais na rotina de adaptação são estimados na caixa 100, e em que uma função Gaussiana é empregada como modelo na rotina de adaptação em uma modalidade não limitante. As posições x e y do centroide e a largura de cada pico de intensidade são estimadas pela rotina de adaptação na caixa 106. A partir dos valores de posição do centroide de cada pico de intensidade, a posição central do feixe 40 é calculada para a precisão de subpixel e os valores são armazenados na caixa 108. Uma forma de computar a posição central do feixe 40 é tomando a média dos respectivos picos de intensidade x e y em quadrantes diagonais. Os valores do centroide e largura dos picos de intensidade individuais em cada quadrante, e o centroide de todo o feixe forma a posição inicial na determinação do ângulo quando o obturador 68 está fechado ou aberto.

[0037] O baixo contraste de franja é para o caso de transmissão óptica através de um SPPR quando a refletividade do dispositivo SPPR 26 é baixa. Esse seria o caso do hardware óptico do sistema 10, onde a imagem/quadro é tipicamente monitorada(o) na câmera 54 durante a calibração dinâmica. O ato de encontrar o centro do fluxo óptico de vórtice 40 geralmente é realizado quando o sistema 10 é inicialmente construído. O ponto central é então monitorado usando este procedimento para assegurar que não haja nenhum desvio estatisticamente significativo na posição central durante a operação do sistema.

[0038] A Figura 22 é um fluxograma 112 que mostra um processo para determinar o centro do perfil de intensidade de vórtice óptico tendo franjas de baixo contraste do feixe 42 convertido em imagem na câmera 54. O feixe 42 é transmitido através do dispositivo SPPR 26 na caixa 114, e as contagens integradas no eixo geométrico x e no eixo geométrico y são calculadas na caixa 116. O centroide e a largura do feixe 42 são estimadas na caixa 118 usando os dados coletados, e esses valores são armazenados. Uma rotina de adaptação não linear é aplicada ao fluxo 42 na caixa 102, onde os valores iniciais na rotina de adaptação são estimados na caixa 118, e em que uma função Gaussiana é empregada como modelo na rotina de adaptação para todo o feixe em uma modalidade não limitante. As posições x e y do centroide e a largura do feixe 42 são obtidas a partir da rotina de adaptação não linear na caixa 124. As operações nas caixas 116 a 124 são repetidas em diferentes ângulos de rotação variando a frequência do laser do feixe 42 para assegurar a consistência da posição do centro do feixe (centroide) na caixa 126. No caso em que é usado um dispositivo SPPR de baixa refletividade, esse valor é comparado ao valor previamente armazenado da posição do centro do feixe 42 na caixa 128. Não deve haver muito desvio dos valores armazenados durante a calibração inicial. Em outras palavras, o desvio não deve ser maior do que valores de subpixel.

[0039] A Figura 23 é um fluxograma 130 que mostra um processo para calcular os ângulos de arfagem e guinada da plataforma 66. O obturador 68 é fechado na caixa 132 de forma que não haja luz a partir da superfície externa para a câmera 70. O feixe 40 é retrorrefletido do obturador 68 (ou superfície de calibração externa) e para a câmera 70 na caixa 134. O centroide do feixe 40 é calculado conforme discutido acima nos fluxogramas 90 ou 112 na caixa 136. O obturador 68 é aberto na caixa 138, e o centroide do feixe retrorrefletido é calculado na caixa 140. O ângulo de arfagem é determinado a partir da deslocação vertical do feixe 40 na câmera 70 na caixa 142, onde cada valor de deslocação vertical corresponde a uma medição do ângulo de arfagem. O ângulo de guinada é determinado a partir da deslocação vertical na câmera 70 na caixa 144, onde cada valor da deslocação vertical corresponde a um ângulo de guinada. Se o ângulo de arfagem e o ângulo de guinada estão mudando continuamente, então medições contínuas podem ser realizadas para estimar a mudança do ângulo em função da posição na tela da câmera 70 na caixa 146. Os ângulos de arfagem e guinada são armazenados na caixa 148.

[0040] A Figura 24 é um fluxograma 150 que mostra um processo para calcular o ângulo de rolamento da plataforma 66 em relação a um fiducial ou entre dois ou mais pontos. O obturador 68 está fechado na caixa 152 de forma que não incida luz sobre a plataforma 66. A intensidade da fonte de laser 12 é estabilizada usando os detectores 24 e 62 e uma câmera 54 na caixa 154, e a frequência inicial da fonte de laser 12 é determinada pela posição angular do pico de intensidade nas câmeras 54 e 70 na caixa 156. As câmeras 54 e 70 são sincronizadas na caixa 158 para assegurar que recebam os quadros da imagem simultaneamente. O centroide do feixe 40 nas câmeras 54 e 70 é estimado conforme descrito no fluxograma 90 ou 112 na caixa 160. A presença de plano de fundo é subtraída dos valores obtidos pela rotina de adaptação não linear. O centroide do feixe 40 que é retrorrefletido do obturador 68 para a câmera 70 é estimado na caixa 162. As contagens integradas ao longo da direção radial partindo da posição de centroide de feixe são calculadas em função do ângulo de rolamento na câmera 54 na caixa 164, e as posições dos picos de intensidade angular usando uma rotina de adaptação não linear são estimadas na caixa 166, onde esses valores são armazenados. As contagens integradas ao longo da direção radial partindo da posição de centroide de feixe são calculadas em função do ângulo de rolamento na câmera 70 na caixa 168, e as posições dos picos de intensidade angular usando uma rotina de adaptação não linear são estimadas na caixa 170, onde esses valores são armazenados.

[0041] O obturador 68 é aberto na caixa 172, e o feixe 40 é projetado na plataforma 66 e é convertido em imagem na câmera 70 na caixa 174. A frequência inicia do feixe refletido 40 corresponde a uma frequência onde a orientação do feixe 40 está em alinhamento com o fiducial na plataforma 66. O centroide do feixe 40 convertido em imagem na plataforma 66 é determinado usando o fluxograma 90 ou 112 na caixa 176. As contagens radialmente integradas a partir do centroide do feixe 40 são calculadas como uma função do ângulo de rolamento na caixa 178. A posição dos picos de intensidade é obtida da rotina de adaptação de otimização não linear na caixa 180. O posicionamento inicial dos picos de intensidade para a rotina de adaptação não linear são armazenados a partir do processo de calibração, oo feixe 40 é retrorrefletido do obturador 68, na caixa 182. Quando a plataforma 66 é rotacionada, o fluxo óptico de vórtice rastreia a rotação por meio de uma mudança na frequência do feixe de laser, o que rotaciona a orientação do perfil de intensidade de vórtice óptico. O ângulo de rolamento é estimado na caixa 184 a partir da mudança na orientação do fluxo óptico de vórtice que foi estimado a partir das posições dos picos de intensidade angular na câmera 70. Se a plataforma 66 for rotacionada em etapas incrementais, então o padrão de vórtice óptico do feixe 40 pode ser rotacionado em etapas incrementais para determinar o ângulo de rolamento. Se houver uma rotação contínua suave da plataforma 66 a uma taxa rápida, o ângulo de rolamento pode ser obtido usando o deslocamento Doppler rotacional.

[0042] A discussão anterior expõe e descreve modalidades meramente exemplificativas da presente descrição. Uma pessoa versada na técnica reconhecerá prontamente a partir de tal discussão e dos desenhos e reivindicações que a acompanham, que diversas mudanças, modificações e variações podem ser realizadas nos mesmos, sem que se afaste do espírito e escopo da descrição conforme definido nas reivindicações a seguir.

Claims

1. Método para medir ângulos de arfagem, guinada e rolamento de um elemento, o dito método caracterizado pelo fato de que compreende: prover um feixe de laser de frequência sintonizável; direcionar o feixe de laser através de um dispositivo ressonador de placa de fase espiral (SPPR), o dito dispositivo SPPR incluindo superfícies refletivas opostas que refletem o feixe de laser para frente e para trás no dispositivo, em que uma das superfícies refletivas inclui um índice de passo de espiral que faz com que múltiplas amplitudes refletidas tendo diferentes fases sejam combinadas e gerem um padrão de intensidade de vórtice óptico definido pelas fases das múltiplas amplitudes, onde o padrão de intensidade inclui um centroide de singularidade e picos de luz radial, o dito dispositivo SPPR refletindo ou transmitindo um primeiro feixe e transmitindo um segundo feixe; refletir o primeiro feixe de um obturador fechado de forma que o primeiro feixe seja direcionado para uma primeira câmera que gera imagens do padrão de intensidade de vórtice óptico; direcionar o segundo feixe para uma segunda câmera que gera imagens do padrão de intensidade de vórtice óptico; determinar uma frequência inicial do feixe de laser por uma posição angular dos picos de luz radial nas imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras; sincronizar um registro entre as imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras; determinar uma localização do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera e determinar uma localização do centroide nas imagens geradas pela segunda câmera; determinar contagens integradas ao longo de uma direção radial a partir do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera como uma função do ângulo de rolamento de feixe; determinar uma localização dos picos de luz radial nas imagens geradas pela primeira câmera usando as contagens integradas; determinar contagens integradas ao longo de uma direção radial a partir do centroide nas imagens geradas pela segunda câmera como uma função do ângulo de rolamento de feixe; determinar uma localização dos picos de luz radial nas imagens geradas pela segunda câmera usando as contagens integradas; abrir o obturador de forma que o primeiro feixe se propague através do obturador aberto para o elemento e um primeiro feixe refletido do elemento seja direcionado para a primeira câmera que novamente gera imagens incluindo o padrão de intensidade de vórtice óptico; novamente determinar a localização do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera; novamente determinar as contagens integradas ao longo da direção radial a partir do centroide nas imagens geradas pela primeira câmera como uma função do ângulo de rolamento de feixe; alterar a frequência do feixe de laser para rotacionar os picos de luz radial no padrão de intensidade de vórtice óptico nas imagens geradas pela primeira câmera; e estimar o ângulo de rolamento do elemento da alteração na frequência que rotacionou o padrão de intensidade de vórtice óptico.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que determinar a localização dos picos de luz radial inclui usar uma rotina de ajuste não linear.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente determinar o ângulo de arfagem do elemento por um deslocamento no padrão de intensidade do vórtice em um plano nas imagens geradas pela primeira câmera quando o obturador está aberto, e determinar o ângulo de guinada do elemento por um deslocamento do padrão de intensidade do vórtice em um plano ortogonal ao plano nas imagens geradas pela primeira câmera quando o obturador está aberto.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo SPPR é um dispositivo de refletividade interna média a alta e o primeiro feixe é transmitido através do dispositivo SPPR, e em que os picos de luz radial têm uma franja de alto contraste.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que determinar a localização do centroide do padrão de intensidade de vórtice óptico nas imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras inclui segmentar as imagens geradas pela primeira ou pela segunda câmera em um número de quadrantes representativo do número de picos de luz radial, estimar a localização do centroide e a largura do pico de luz radial em cada quadrante, aplicar uma rotina de ajuste não linear a cada pico de luz radial, estimar a localização do centroide e a largura dos picos de luz radial usando a rotina de ajuste não linear, e calcular o centroide do padrão de intensidade de vórtice óptico usando o centroide estimado e a largura dos picos de luz radial nos quadrantes individuais.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo SPPR é um dispositivo de baixa refletividade interna e o primeiro feixe é refletido do dispositivo SPPR, e em que os picos de luz radial têm uma franja de baixo contraste.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que determinar a localização do centroide do padrão de intensidade de vórtice óptico nas imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras inclui estimar a localização do centroide e a largura do segundo feixe, aplicar uma rotina de ajuste não linear para o segundo feixe, estimar a localização do centroide e a largura do segundo feixe usando a rotina de ajuste não linear, rotacionar o padrão de intensidade de vórtice óptico no segundo feixe por meio da alteração da frequência do feixe de laser e repetir a estimativa da localização do centroide e a largura do segundo feixe, aplicar uma rotina de ajuste não linear para o segundo feixe, e estimar a localização do centroide e a largura do segundo feixe usando a rotina de ajuste não linear.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente estabilizar uma intensidade do feixe de laser usando um detector de intensidade de feixe e um detector de orientação de padrão antes de determinar a localização do centroide nas imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente remover o fundo das imagens após o centroide nas imagens geradas pelas primeira e segunda câmeras ser localizado.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o padrão de intensidade de vórtice óptico inclui quatro picos de luz radial.