CN100470189C - 利用相互正交的双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的利用相互正交的两个双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪，包括主控计算机1、双频激光干涉仪A3及其按光路方向依次放置的分光镜2、静止反射镜4和移动反射镜7，与双频激光干涉仪A3光路相互垂直放置的双频激光干涉仪B13，依次按双频激光干涉仪B13光路放置的长基线分光镜11、长基线反射镜6、光程补偿平行玻璃板5和被测光学角规9，还包括可使被测光学角规9沿主截面方向的移动的精密平移台8、装调光学角规主截面时的微小转动精密角位移台10以及步进电机控制箱12。本发明具有如下显著优点：通过该发明装置测量光学角规偏向角在2″-10″的测量范围内，测量精度可达到0.02″，极大提高了光学角规偏向角的测角精度。采用相互正交的双频激光干涉仪测角，减少了光学材料折射率和干涉条纹判读等其他因素对测角精度的影响。

Description

利用相互正交的双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪

技术领域

本发明属于小角度测试计量领域，是一种对单色光透过光学角规产生的偏向角实现高精度测试标定的方法与装置。经过标定的光学角规可以作为标准小角度发生器或者小角度基准，用来完成对自准直仪测微器、经纬仪细分读数系统、测角仪器类示值误差的测试标定。

背景技术

小角度计量是计量科学的重要组成部分。随着光电数字图像测试仪器的更新换代和产业化发展，对小角度计量的需求日益增多，对其精度的要求也越来越高。在航天测控系统中，对飞行器的测角跟踪设备、制导系统的角度测量的示值误差的检定，都需要有高精度的小角度发生器来给出标准角度值。

在各研究所、生产企业，每年都有大量测角类仪器的示值误差需要检定和校准，如自准直仪的示值误差、经纬仪的细分读数误差、测角仪的秒盘示值误差等。这类仪器都直接用于各种光电观瞄仪器测试标定中，特别是光学系统的检校仪器、光学仪器中光学反射棱镜光学平行差的高精度测量，都涉及高精度小角度的计量检定。由于没有专用于光学角规标定的仪器，上述小角度的计量检定和量值溯源工作难以开展。

目前广泛采用的测量光学角规偏向角的方法主要有：自准直法、光电光楔测角仪法。

其中自准直法测量是测量标准光学角规偏向角比较直接的方法，其缺点是；测量范围受自准直望远镜视场角的影响，测量范围小；这种方法要求知道光学角规材料折射率，同时测量精度受自准直望远镜精度的影响，因而测量精度不高。

光电光楔测角仪是利用干涉和测长方法实现标准光学角规偏向角的测量，它是在泰曼于涉仪中加入激光干涉测长系统构成。只要分别测出光楔的移动距离和对应的干涉级次变化量，即可直接求出被测光学角规的偏向角，而无须分别测量光学角规的楔角和折射率。其缺点在于：在该仪器中要对干涉条纹进行判读，而对干涉条纹的精确判读是采用光强模拟信号过零点来实现，受干涉条纹对比度高低影响，判读误差较大，对测量光学角规偏向角精度的影响很大。

因此，本发明建立的光学角规测试标定仪是采用两个正交光路布置的双频激光干涉精密测长仪，一只光路透过光学角规测出角规移动时因厚度变化产生的光程变化量，另一路测出光学角规移动量的方法。根据严格的光学角规偏向角计算模型，通过纳米精度测长，实现高精度的标准光学角规偏向角的测量。该仪器是集光、机、电、算、自动控制为一体的综合测试标定系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现光学角规偏向角高精度标定的测试标定仪，弥补现有的小角度计量装置的不足，极大的提高测量的精度。

本发明基本思想是基于传统的等厚干涉测量光学角规偏向角理论，采用两个光路互相垂直的双频激光干涉仪，运用精密平移导轨使光学角规在平行其主截面的平面内移动一定距离的方法，测量光学角规偏向角。测量范围从2＂—10＂。

本发明利用相互正交的双频激光干涉测长仪的光学角规测试标定仪，包括主控计算机1、双频激光干涉仪A3及其按光路方向依次放置的分光镜2、静止反射镜4和移动反射镜7，与双频激光干涉仪A3光路相互垂直放置的双频激光干涉仪B13，依次按双频激光干涉仪B13光路放置的长基线分光镜11、长基线反射镜6、光程补偿平行玻璃板5和被测光学角规9，其特征还包括可使被测光学角规9沿主截面方向的移动的精密平移台8、装调光学角规主截面时的微小转动精密角位移台10以及步进电机控制箱12。

本发明的目的由如下技术方案实现。

本光学角规测试标定仪包括：(1)数据接收和处理的装置主要完成测试标定仪的控制和测试结果的输出。所述通用数据接收和处理装置具有一个中央处理单元，一个存储器，一个输入部分、一个输出部分和一条总线，用以连接中央处理单元，存储器、输入部分及输出部分；所述存储器上安装有一个与两个双频激光干涉仪相配合的长度测量软件，根据严格的偏向角计算模型，通过软件编程对角度值进行计算；所述中央处理单元接收输入部分所接收到的数据，经处理后，向输出部分输出对应的两路信号。(2)一个电机控制箱，是测试标定仪中主要的控制机构，控制光学角规的平移和装调光学角规主截面时的微小转动。所述电机控制箱信号输入端与所述通用计算机的输出部分相连接，接受计算机控制指令，并对相应的控制单元传输控制指令。(3)两个双频激光干涉仪，这是本测试标定仪的核心组成部分。这两个光路相互垂直的双频激光干涉仪一路透过光学角规测出角规移动时因厚度变化产生的光程变化量，另一路测出光学角规的在水平方向上的移动量。(4)一套由殷钢材料制成的长基线镜组，主要用来测量透过光学角规的光路在角规移动时因厚度变化产生的光程变化量。该长基线镜组包括一个长基线分光镜和一个长基线反射镜。此长基线镜组的基线可根据需要选择制定，采用对温度变化不敏感的殷钢材料特制而成。本发明以基线长150mm为例进行说明。(5)一套用于双频激光干涉仪测长的反射/分光镜组，该镜组由一个分光镜和两个角锥反射镜组成，主要用来测量光学角规的在水平方向上的移动量。(6)一个精密平移台，主要用来使光学角规在水平方向上的移动。为了满足测量精度的要求，考虑到长基线镜组的尺寸限制，采用行程100mm的平移台，所述平移台以精密滚珠丝杠作为平移台的传动装置，采用精密线性滑块导轨作为其移动装置。(7)一个精密角位移台，主要用来调校光学角规的主截面位置。该精密角位移台采用蜗轮蜗杆传动，相对运动部分采用弧形导轨滚动摩擦，紧密轴系设计。

优选的，本发明中的光学角规测试标定仪的底部还可以包括一个气浮花岗岩平台，上述各部分均置于所述气浮花岗岩平台上，外部还包括一个有机玻璃环境保护罩，以起到防震和减少空气扰动稳定测量环境的作用。

本发明具有如下显著优点：利用双频激光干涉仪可实现纳米级的高精度长度测量，加上采用150mm的长基线镜组，使其在2＂—10＂的测量范围内，光学角规偏向角测量精度可达到0.02＂，极大提高了现有方法的测量小角度的精度。采用相互正交的双频激光干涉仪测量光学角规偏向角，减少了光学材料折射率和干涉条纹判读等其他因素对被测光学角规偏向角测角精度的影响。

下面将结合实例及附图对本发明作详细说明。

附图说明

图1利用相互正交的双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪整体结构图

图2利用相互正交的双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪局部图

图中，1-主控计算机、2-双频激光干涉仪A分光镜、3-双频激光干涉仪A、4-双频激光干涉仪A静止反射镜、5—光程补偿平行玻璃板、6-长基线反射镜、7-双频激光干涉仪A移动反射镜、8—精密平移台、9-被测光学角规、10—精密角位移台、11-长基线分光镜、12-步进电机控制箱、13-双频激光干涉仪B。

具体实施方式

如图1所示，本发明利用相互正交的双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪包括两个互相垂直的光路，其中一个光路由双频激光干涉仪A3、双频激光干涉仪A3分光镜2、双频激光干涉仪A静止反射镜4、双频激光干涉仪A移动反射镜7和精密平移台8构成，用来测量光学角规在平行于其主截面的平面内移动的实际距离。另一个光路由双频激光干涉仪13、长基线分光镜11、光程补偿平行玻璃板5、长基线反射镜6和精密角位移台10构成，用来测量光学角规在移动过程中厚度变化引入的光程变化量。通过一台主控机算机1及一个步进电机控制箱12实现对整个仪器的控制。

整个测试标定仪器置于一个气浮花岗岩平台，外部罩有一个有机玻璃环境保护罩，以起到隔震和减少空气扰动、稳定测量环境的作用。

在测量时，要求光学角规的前表面与系统主光轴垂直，保证测量原理的要求。

所述利用相互正交的双频激光干涉仪的光学角规测试标定仪的工作过程如下；测量初始，在保证测量环境稳定条件下，打开双频激光干涉仪A、双频激光干涉仪B及其附带的环境补偿装置，使两个双频激光干涉仪先预热15分钟左右的时间；打开主控计算机1和步进电机控制箱。在主控计算机1上分别开启两个双频激光干涉仪的测量软件及步进电机控制软件界面，等待测量。

将光学角规放置于精密角位移台10上，利用计算机测量控制软件，在由双频激光干涉仪B13、长基线分光镜11、光路补偿平行玻璃板5、长基线反射镜6和精密角位移台10构成的光路中，控制精密角位移台10转动不同角度，与此同时记录双频激光干涉仪B13测量软件显的示数变化，当显示数变化为最大值时，就认为此时的位置即为光学角规主截面所在的位置。

保持光学角规的在竖直方向上的相对位置不变，利用计算机测量控制软件，在由双频激光干涉仪A3、双频激光干涉仪A分光镜2、双频激光干涉仪A静止反射镜4、双频激光干涉仪A移动反射镜7和精密平移台8构成的光路中，控制精密平移台8，使光学角规在水平方向上移动，保证光学角规与双频激光干涉仪A移动反射镜7接触的一端恰好位于长基线反射镜6在光路方向上的右侧出光孔位置，使光线尽可能的靠近光学角规边缘，充分利用其通光口径。

将两个双频激光干涉仪的测量软件显示数清零，盖上有机玻璃环境保护罩以保证测量环境的相对稳定。此时就可开始测量。控制精密平移台8，使光学角规移动约100mm，通过双频激光干涉仪A的测量软件读出光学角规实际移动的距离L，由双频激光干涉仪B的测量软件读出在此移动过程中因光学角规厚度变化产生的光程变化量Δl，将这两个数值输入根据严格的偏向角计算模型编制的测量计算软件中完成光学角规偏向角的计算。

按以上方法，完成对同一光学角规的偏向角的三次标定。通过软件完成最终的测量标定结果的输出，得到在标准环境条件下光学角规偏向角的标定值。

本发明实施例中的主要参数如下：

采用行程100mm的平移台，步进电机驱动。其台面尺寸为120mm×120mm，螺杆导程4mm，分辨率为0.00032mm，重复定位精度<0.005mm，轴向间隙<0.02mm；

精密角位移台行程范围±10°，步进电机驱动。其台面尺寸65mm×65mm，传动比为352:1，分辨率为0.00032°，重复定位精度为0.0043°，最大静转矩42Ncm。

经实验验证：本发明利用相互正交的双频激光干涉测长仪的光学角规测试标定仪，在2＂—10＂的测量范围内，测量精度可达到0.02＂，极大的提高了测量光学角规偏向角的精度。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和实验结果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种利用相互正交的双频激光干涉测长仪的光学角规测试标定仪，采用两个互相垂直的光路，其中一个光路用来测量光学角规在平行于其主截面的平面内移动的实际距离，另一个光路用来测量光学角规在移动过程中厚度变化引入的光程变化量，根据光学角规偏向角模型，通过纳米精度测长，实现光学角规偏向角的测量；按其中一个光路方向依次放置双频激光干涉仪A(3)、分光镜(2)、静止反射镜(4)、移动反射镜(7)和被测光学角规(9)，移动反射镜(7)和被测光学角规(9)接触，由精密平移台(8)带动被测光学角规(9)沿其主截面方向移动，该光路用来测量光学角规移动的实际距离；与其垂直的另一个光路由激光干涉仪B(13)、长基线分光镜(11)、光程补偿平行玻璃板(5)、被测光学角规(9)、长基线反射镜(6)和精密角位移台(10)构成，该光路透过光学角规测出光学角规在移动过程中因厚度变化产生的光程变化量，其中光程补偿平行玻璃板(5)位于长基线分光镜(11)和长基线反射镜(6)之间的一个光路上，被测光学角规(9)位于长基线分光镜(11)和长基线反射镜(6)之间的另一个光路上；

所述被测光学角规置于精密调整机构上，由控制箱控制步进电机带动精密调整机构实现对被测光学角规水平方向和主截面方向的调整。

2、根据权利要求1所述的光学角规测试标定仪，其特征还在于：所述双频激光干涉仪A(3)为一个普通的双频激光干涉仪，主要用于测量光学角规的移动量。

3、根据权利要求1所述的光学角规测试标定仪，其特征在于：所述双频激光干涉仪B(13)为带有环境补偿的双频激光干涉仪，其测长组件由殷钢材料制成的长基线分光镜(11)和长基线反射镜(6)构成，主要用来测量因被测光学角规(9)厚度变化产生的透射光程变化量。

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