CN101377414B - 基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；所述装置的切向测角单元和径向测角单元分别位于正交平面YOZ和XOY面内，并均包含光束角漂误差补偿光路；测量方法采用自测点返回的携带被测二维角度信息的光束经偏振分光镜产生的反射和透射光束分别作为切向及径向测角单元的测量光束；本发明采用动态光束角漂误差补偿光路，将光束的角漂移量转换为共模误差，实时分离和动态补偿由光束角漂引起的角度测量误差，提高二维小角度测量的重复性、稳定性及减小测量不确定度。

Description

基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法

技术领域

本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，特别涉及一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法。

背景技术

目前，常用的小角度测量(α≤1°，特别是在±10～20arcmin以内)方法包括激光小角度测量仪法、标准光学角规法、圆光栅测角法、激光干涉测量法、光电自准直仪法。在诸多的测量方法中，激光自准直测量方法充分利用激光的优点，具有结构简单、使用方便等特点，在计量科学中得到越来越广泛的应用。激光自准直测量方法是利用激光本身的方向性，以激光光强分布中心作为基准直线，采用CCD、四象限光电池或PSD作为光电位置探测器，实现角度的测量。激光自准直测角方法具有非接触、准确度高、灵敏度高，结构简单、使用方便等特点。

随着测量技术的不断改进和提高，现代化高精度测量技术和方位瞄准跟踪系统的发展对小角度的测量精度提出了越来越高的要求。光电自准直仪在小角度精密测量，高精度瞄准与定位方面有着不可替代的作用，可以作为测角仪、光学比较仪等光学计量仪器的组成部分，也可单独用于光学测量、航空航天仪器装调和军用飞行器姿态测量等方面。

在高精度小角度测量中，对于测量不确定度优于0.5″的光电自准直仪，光源部分光束的角漂移量是光电自准直仪测量误差的主要来源。当光源发出的光束存在光束漂移时，如氦氖激光器谐振腔内反射镜变形引起光束的角漂移量为：10^-6～10^-7rad，即：0.02″～0.2″(1.万德安.激光基准高精度测量技术.国防工业出版社.1999年6月；2.方仲彦，殷纯永，梁晋文.高精度激光准直技术的研究(一).航空计测技术.1997，17(1)：3—6)，如果采用光斑中心定位方法则接收器接收的光斑中心随光束漂移而漂移；如果采用轮廓中心定位方法，则由于光束漂移，接收器接收的光斑的能量中心和轮廓的几何中心不重合引起轮廓中心的偏移，直接产生轮廓中心的定位偏差。如果不对该角漂移量进行修正或补偿，将直接反馈回小角度的测量结果引起角度测量偏差，导致仪器数据重复性差，稳定性不好。若要进一步提高测量不确定度，仅仅依靠提高光束自身的准直精度，无论是从现有技术还是工艺水平上都是难以实现的。采用误差分离和补偿技术，特别是动态补偿技术，为消除或补偿修正该角漂移量引起的角度测量误差，实现高精度的小角度测量提供了一种有效的技术途径。

目前，工程中广泛使用的光电自准直仪，如国家计量局北京计量仪器厂出产的702型光电自准直仪，采用光学自准直原理，利用电表指零来确定瞄准状态，从测微鼓轮上或直接从电表上读数，测量分辨力为0.1″，测量不确定度为：10′范围内为2″，视场中心任意4″～6″范围内为0.5″(武晋燮.几何量精密测量技术.哈尔滨工业大学出版社.1989年9月)。该测量方案测量的是一维角度量，如果测量另一维角度量，必须在这个方向上重新调整仪器，导致测量过程繁琐且数据重复性差，同时会引入人为测量误差以及机械的回程误差；同时光束的角漂移量仍然存在，测量不确定度难以提高。

为了克服自准直仪在测量两个方向的角度量时，二次调整仪器所带来的重复性误差的缺点，提高光电自准直仪的测量分辨力，同时能满足数据实时显示和存储的需要，许多厂家和科研院所都制造出采用高精度光电探测器件测量二维角度的光电自准直仪，例如：

1.德国ELCOMAT公司生产的型号为ELCOMAT3000的双轴电子自准直仪。采用高精度的CCD图像传感器，通过测量CCD图像传感器上接收到的光斑中心移动的位移量来精确测出反射镜的小角度变化量，技术指标如下：角度测量范围为±15.5′，角度测量不确定度为0.1″(德国MOLLER-WEDEL公司ELCOMAT3000双轴电子自准直仪中文操作手册.)

2.专利98229708.4“动态光电自准直仪”的被测反射镜的二维角位移造成矩形孔像斑的二维角位移量：

3.专利99242552.2“二维动态数显式自准直仪”把现有的一维自准直仪中的十字形分划板改为三角形分划板。在半透膜立方棱镜和双刻线分划板之间安装一个分光镜，分光镜反射像处有一CCD接收器，电子测量装置对CCD接收器的信息进行控制和数据处理；

4.专利99254139.5“光电自准直仪”的分划板设置有带N字型、八型、∨型等指标线图案，分光棱镜的共轭焦平面处设置有一维图像探测器件，通过指标线图案与一维图像探测器件的相互位置关系计算偏角；

5.专利200110032713.2“自准直仪”提供一种能够同时进行测量对象物的法线倾斜的粗调和微调的自准直仪，通过向测量对象物照射光源的激光，使从测量对象物反射回来的回返光通过凸透镜会聚，进一步通过凹透镜变为平行光，然后映射到第一屏幕，由此来检测测量对象物的法线倾斜；

6.专利200510077456.9“基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法”通过在激光光源和分划板之间放置一前置分光镜来获取与测量光束特性完全相同的参考光束，一光程倍增装置对参考光束进行多次反射，一前置CCD图像传感器对光束的角漂移量进行监测，可显著提高二维光电自准直仪的测量稳定性和测量精度。

7.专利200510072253.0“基于动态差动补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法”采用共光路光学差动结构，将光束的角漂移量转变为共模误差，实时分离和动态补偿光束的角漂移量引起的角度测量误差，提高二维光电自准直仪的测量稳定性、重复性和测量不确定度。

8.专利200510117263.1和200510089852.3中所述“光电自准直仪”利用分光式靶探测器在获取二维小角度变化量测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对其角漂移量进行实时监测，计算机根据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。

由于采用了高精度的光电探测器件，尤其是CCD图像传感器，提高测量分辨力的同时实现了二维角度的自动化测量，数据实时显示和存储，而且也很好的消除了由于二次调整仪器而引入的人为测量误差和机械回程误差的缺点。

但在实际应用中，尤其是从光路和机械结构以及测量过程中可知上述测量方案均存在如下不足之处：方案1-5中没有采用任何误差补偿或修正的手段，光束的角漂移量在测量过程中没有消除，最后叠加在测量结果中引起角度测量偏差；方案6-8虽然采取了不同的误差补偿方法对激光束角漂进行实时补偿，但不能克服测量过程中光电自准直仪自身的角度晃动所引起的角度测量误差，不适用于通过移动光电自准直仪对一系列测点进行二维角度测量的应用场合，直接限定了光电自准直仪的应用范围，这是现有测量方案本身的不足之处，也是当前光电自准直仪的实际应用中未能解决的重要问题。另外，自准直仪的测量对象反射面不能太小(例如：ELCOMAT3000自准直仪的被测面直径不能小于7mm)，否则将造成大部分平行光无法被其反射回自准直仪，导致CCD图像传感器接收到的图像信号太弱而无法完成角度测量，这也是光电自准直仪的一个重要缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的二维小角度测量方法中应用最广泛的光电自准直仪测量方案中存在的不足，提供一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置和方法，采用动态角漂误差补偿光路，将光束的角漂移量转变为共模误差，实时分离和动态补偿光束的角漂移量引起的角度测量偏差，提高二维小角度测量的稳定性、重复性和测量不确定度。

本发明的技术解决方案是：一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置，包括线偏振He-Ne激光器或半导体激光器、二维位相板、线偏振片、切向、径向测角单元及与其对应的傅立叶变换透镜和CCD图像传感器，可对测点处二维小角度信息进行同时采集的切向与径向测角单元分别位于正交平面YOZ和XOY面内，且均包含可对光束角漂进行实时动态补偿的误差补偿光路，并均以衍射准直光束为测量基准光束。

光源采用线偏振He-Ne激光器或半导体激光器经单模光纤准直系统准直、细化后产生的线偏振光。

测量基准光束为由二维位相板生成的衍射准直细光束，光束直径为1mm。

径向测角单元中光束角漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜或直角棱镜，可进行一维角度调节的分光镜与平面反射镜或直角棱镜之间放置一线偏振片。

切向测角单元中光束角漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜，可进行一维角度调节的偏振分光镜与平面反射镜之间放置一λ/4波片。

切向测角单元与径向测角单元之间放置一λ/2波片。

CCD图像传感器与径向测角单元之间放置一傅立叶变换透镜，CCD图像传感器与切向测角单元之间放置一傅立叶变换透镜。

被测表面与切向测角单元之间放置一线偏振片或λ/2波片。

测量方法包括以下步骤：

(1)调整分光镜，使得CCD图像传感器接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整偏振分光镜，使得CCD图像传感器接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整完毕后将分光镜和偏振分光镜固定，然后对该部件进行校准，校准后该部件在角度测量过程中不再对其进行调整；

(2)使线偏振He-Ne激光器或半导体激光器经单模光纤准直系统准直、细化后产生的直径为1mm的细光束垂直入射至二维位相板，生成衍射准直光束；

(3)由二维位相板生成的衍射准直光束经过线偏振片入射至分光镜，反射光束经过线偏振片后被平面反射镜反射，再次经过线偏振片入射至分光镜，透射光束经平面反射镜反射，透过傅立叶透镜后被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元的参考信号；

(4)分光镜的透射光束经五角棱镜折转90°，透过λ/2波片后入射至偏振分光镜，透射光束经线偏振片改变振动方向后入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片入射至偏振分光镜，透射光束透过λ/2波片后经五角棱镜折转90°，再经分光镜和反射镜反射，透过傅立叶透镜后被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元的测量信号；

(5)五角棱镜的出射光束透过λ/2波片入射至偏振分光镜，反射光束经λ/4波片后经平面反射镜反射，再次透过λ/4波片后完全透过偏振分光镜，经五角棱镜折转90°后被反射镜反射，透过傅立叶透镜被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元的参考信号；

(6)自测点返回的光束入射至偏振分光镜，反射光束经五角棱镜折转90°后被反射镜反射，透过傅立叶透镜后被CCD图像传感器接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元的测量信号；

(7)对于切向及径向测角单元，由各自的光束角漂误差补偿光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，即可动态补偿由角漂量引起的角度测量误差，精确测出测点处径向及切向的二维小角度变化量；对于径向角度测量：

θ_R＝(D_MR-d_RR)/(2f)

式中：θ_R为测点处反射面沿径向的小角度变化量；d_MR，d_RR分别为径向测角单元测量及参考信号的极小值在CCD图像传感器上的位移量，f为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，对于切向角度测量：

θ_T＝(D_MT-d_RT)/(2f)

式中：θ_T为测点处反射面沿切向的小角度变化量；d_MT，d_RT分别为切向测角单元测量及参考信号的极小值在CCD图像传感器上的位移量，f为傅立叶透镜的等效焦距。

本发明具有以下特点和良好效果：

1.充分利用了衍射准直光束的特性，通过采用二维位相板将入射的准直光束变成衍射准直光束，测量光斑的对比度大大提高，并以衍射光斑图样的极小值为测量基准，提高抗干扰能力的同时，可显著提高角度测量分辨力，这是区别于现有二维小角度测量技术的创新点之一；

2.在两个测角单元中均引入误差补偿光路，使由激光束角漂引起的测量信号变化量与参考信号变化量大小相等、方向相同，CCD图像传感器能够同时获取测量信号与参考信号的角度变化，可以实时分离和动态补偿由于激光束角漂引起的角度测量误差，并可有效抑制测量过程中自准直仪自身的角度晃动所引起的角度测量误差，提高了角度测量的稳定性和重复性，满足了二维小角度高精度测量的需要，这是区别于现有二维小角度测量技术的创新点之二；

3.将两个基于衍射准直技术的一维小角度测量单元合理的集成为一个二维小角度测量系统，在不降低角度测量精度的前提下，能够同时感测测点处的二维角度信息，满足了小面积被测面的二维小角度高精度测量，这是区别于现有小角度测量技术的创新点之三。

附图说明

图1是基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置结构示意图

图2是二维位相板的结构示意图

图3是CCD图像传感器接收到的衍射光斑图样

图4是径向测角单元中由光束角漂引起的测量及参考光束变化示意图

图5是切向测角单元中由光束角漂引起的测量及参考光束变化示意图

图6是光源采用半导体激光器时的示意图

图7是径向测角单元中平面参考镜采用直角棱镜时的结构示意图

图8是径向测角单元中平面参考镜采用直角棱镜时测量及参考光束变化示意图

图9是自准直仪自身围绕切向产生角度晃动时径向测量与参考光束变化示意图

图10a是测量及参考光斑完全重合无法分辨时的示意图

图10b是调整分光镜后，CCD图像传感器接收到的测量及参考光斑完全分离时的示意图

具体实施方式

下面结合图和实施例对本发明的基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置和方法进行详细描述：

如图1所示，本发明的装置包括线偏振He-Ne激光器1、二维位相板2、线偏振片3、径向、切向测角单元22、21及与其对应的傅立叶变换透镜8、19和CCD图像传感器9、20；基本工作过程如下：线偏振He-Ne激光器或半导体激光器1发出的直径为1mm的准直光束垂直入射至二维位相板2，生成的衍射准直光束经过线偏振片3入射至分光镜4，反射光束经过线偏振片5后经平面反射境6反射，再次经过线偏振片5入射至分光镜4，透射光束经平面反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，以衍射光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的参考信号；透射光束经五角棱镜10折转90°，透过λ/2波片11后入射至偏振分光镜12，透射光束经线偏振片17入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片17入射至偏振分光镜12，透射光束透过λ/2波片后经五角棱镜10折转90°，再经分光镜4和反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，衍射光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的测量信号。五角棱镜10的出射光束经λ/2波片入射至偏振分光镜12，反射光束经λ/4波片13后经平面反射镜14反射，再次透过λ/4波片13后全部透过偏振分光镜12，经五角棱镜15折转90。后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，衍射光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的参考信号；自测点返回的光束经线偏振片17入射至偏振分光镜12，反射光束经五角棱镜15折转90°后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，衍射光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的测量信号；其中，二维位相板的相位结构见下式：

$T(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left\{\begin{array}{c}0<x<+\&infin;,0<y<+\&infin;\\ -\&infin;<x<0,-\&infin;<y<0\end{array}\right.\\ e^{-\mathrm{i\&pi;}},& \left\{\begin{array}{c}-\&infin;<x<\mathrm{0,0}<y<+\&infin;\\ 0<x<+\&infin;,-\&infin;<y<0\end{array}\right.\end{array}\right.$

参见图2，在光学基片28的一、三象限部分镀一定厚度的增透膜29，使一、三象限与二、四象限部分透过光束产生的位相差为π，CCD图像传感器上接收到的衍射光斑图样见图3。

参见图4及图5，对于径向及切向角度测角单元22、21，激光束角漂引起参考信号和测量信号同时变化，由对应的参考光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，通过求取测量光斑与参考光斑的极小值位移量的差值即可动态补偿由角漂量引起的角度测量误差，精度测出测点处径向及切向的二维小角度变化量。对于径向角度测量：

θ_R＝(d_MR-d_RR)/(2f)

式中：θ_R为测点处反射面沿径向的小角度变化量；d_MR，d_RR分别为径向测角单元22中测量及参考信号基准在CCD图像传感器9上的位移量，f为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，对于切向角度测量：

θ_T＝(D_MT-d_RT)/(2f)

式中：θ_T为测点处沿切向的小角度变化量；d_MT，d_RT分别为切向测角单元21中测量及参考信号基准在CCD图像传感器20上的位移量，f为傅立叶透镜19的等效焦距。

本发明在线偏振片3和五角棱镜10之间放置一分光镜4，将入射光束分成径向测角单元22的测量光束和参考光束，参考光束通过参考反射镜6和反射镜7将光束的角漂转变为共模误差，采用误差分离技术和动态补偿技术对光束角漂引起的径向角度测量误差进行动态补偿；在λ/2波片11和线偏振片17之间放置一偏振分光棱镜12，将五角棱镜10的出射光束分成切向测角单元21的测量光束和参考光束，参考光束通过参考反射镜14将光束的角漂转变为共模误差，采用误差分离技术和动态补偿技术对光束角漂引起的切向角度测量误差进行动态补偿。其中，线偏振片5的作用是调整径向测角单元22的测量与参考信号的相对强度，并使其相等；λ/2波片11的作用是调整切向测角单元21的测量与参考信号的相对强度，并使二者相等；λ/4波片13的作用是使自偏振分光镜12反射的线偏振光变为圆偏振光，参考反射镜14的作用是使入射的圆偏振光的旋向发生改变，当改变旋向的圆偏振光再次经过λ/4波片13时，圆偏振光又变为线偏振光，偏振方向与入射光的偏振方向正交，根据偏振分光镜的分光特性，此时该光束经过偏振分光镜12时将完全透射，构成切向测角单元21的参考光束，而无反射光分量，避免了径向测角单元22干扰信号的产生。

参见图1，为了减少光能损失，线偏振片17也可采用λ/2波片。

参见图6，本发明中的线偏振He-Ne激光器也可以采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化。

参见图7，平面参考镜6也可采用直角棱镜27，径向测角单元22中的测量及参考光束传播路径参见图8，此时由光束角漂引起的径向角度测量误差为差模信号，通过对测量光斑与参考光斑的极小值位移量求和即可动态补偿由角漂量引起的径向角度测量误差，即：

θ_R＝(d_MR+d_RR)/(2f)

式中：θ_R为测点处沿径向的小角度变化量；d_MR，d_RR分别为径向测角单元22测量及参考信号基准在CCD图像传感器9上的位移量，f为傅立叶透镜8的等效焦距；在这种情况下，光束在切向测角单元21中的传播路径不发生变化，不影响其误差补偿方式及测量结果。

参见图9，当光电自准直仪整体围绕切向产生角度晃动时，径向角度测量与参考光束的出射方向均不发生变化，进而对径向角度测量结果不产生影响。

下面详细说明本发明所述的方法：

1)为了避免测量光束23和参考光束24由于光束重叠导致CCD图像传感器9接收到的光斑重叠而无法精确定位，参见图10a，需要对分光镜4围绕OY轴进行一维角度调节，具体调整过程为：根据径向测角单元22中各光学元件的几何光学特性，当分光棱镜4围绕OY轴发生转动时，测量光束23及参考光束24在XOY面内的投影角度并不发生变化，但在YOZ面内的投影角度均发生变化，且变化方向相反。参见图10b，适当调整分光镜4围绕OY轴的旋转角度，使得CCD图像传感器9接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；同理，为了避免测量光束25和参考光束26由于光束重叠导致CCD图像传感器20接收到的光斑重叠而无法精确定位，需要对偏振分光镜12围绕OY轴进行一维角度调整，调整过程类似于径向测角单元22中分光镜4的调整，适当调整偏振分光镜12围绕OY轴的旋转角度，使得CCD图像传感器20接收到的测量光斑与参考光斑完全分离。调整完毕后，应将分光镜4及偏振分光镜12固定，在测量过程中不再对二者进行调整。

2)线偏振He-Ne激光器1发出的直径为1mm的细光束垂直入射至二维位相板2，生成衍射准直光束；

3)由二维位相板生成的衍射准直光束经过线偏振片3入射至分光镜4，反射光束经过线偏振片5后经平面反射境6反射，再次经过线偏振片5入射至分光镜4，透射光束经平面反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的参考信号；

4)由二维位相板生成的衍射准直光束经过线偏振片3入射至分光镜4，透射光束经五角棱镜10折转90°，透过λ/2波片11后入射至偏振分光镜12，透射光束经线偏振片17改变振动方向后入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片17入射至偏振分光镜12，透射光束透过λ/2波片后经五角棱镜10折转90°，再经分光镜4和反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的测量信号；

5)五角棱镜10的出射光束经λ/2波片入射至偏振分光镜12，反射光束经λ/4波片13后经平面反射镜14反射，再次透过λ/4波片13后完全透过偏振分光镜12，经五角棱镜15折转90°后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的参考信号；

6)自测点返回的光束入射至偏振分光镜12，反射光束经五角棱镜15折转90°后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的测量信号；

7)当被测对象在XOY和YOZ面内角度变化分量分别为θ_R、θ_T时，对于径向及切向角测角单元22、21，根据参考光路的结构特性，角漂引起的角度测量误差直接反映为共模误差，测量信号与参考信号同时漂移。对于径向角度测量，由被测角分量θ_R引起的测量信号在CCD图像传感器9上的变化量为

，光束角漂引起的测量信号的变化量为Δd_R0，CCD图像传感器9接收到的测量信号的变化量为： $d_R=d_{R1}^{\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;d}}_{R0}$ ，此时参考信号的变化量也为Δd_R0，所以可由对应的参考光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，即可动态补偿由角漂量引起的径向角度测量误差，精度测出测点处径向的小角度变化量θ_R：

${\mathrm{\&theta;}}_R=[(d_{R1}^{\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;d}}_{R0})-{\mathrm{\&Delta;d}}_{R0}]/\left(2f\right)=d_{R1}^{\&prime;}/\left(2f\right)$

式中：f为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，可精确得出切向角度的测量结果：

${\mathrm{\&theta;}}_T=[(d_{T1}^{\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;d}}_{T0})-{\mathrm{\&Delta;d}}_{T0}]/\left(2f\right)=d_{T1}^{\&prime;}/\left(2f\right)$

式中：θ_T为测点处沿切向的小角度变化量；

为由被测角分量θ_T引起的测量信号在CCD图像传感器20上的变化量，Δd_R0为由光束角漂引起的测量信号在CCD图像传感器20上的变化量。

由此可见，在测量结果中，对参考信号和测量信号进行实时差动处理，即可分离并动态补偿光束角漂引起的角度测量误差，提高了二维小角度测量的稳定性、重复性和测量不确定度。

实施例1：

如图1所示，首先调整分光镜4和偏振分光镜19，使CCD图像传感器9和20接收到的测量及参考光斑完全分离，参见图10，从而避免两个测角单元中测量及参考光束的重叠导致CCD图像传感器接收到的光斑重叠而无法精确定位，调整完毕后，应将分光镜4及偏振分光镜12固定，在测量过程中不再对二者进行调整。线偏振He-Ne激光器1发出的准直光束垂直入射至二维位相板2，生成衍射准直光束；该光束经过线偏振片3入射至分光镜4，反射光束经过线偏振片5后经平面反射境6反射，再次经过线偏振片5入射至分光镜4，透射光束经平面反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的参考信号；透射光束经五角棱镜10折转90°，透过λ/2波片11后入射至偏振分光镜12，透射光束经线偏振片17改变振动方向后入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过线偏振片17入射至偏振分光镜12，透射光束透过λ/2波片后经五角棱镜10折转90°，再经分光镜4和反射镜7反射，透过傅立叶透镜8后被CCD图像传感器9接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元22的测量信号；五角棱镜10的出射光束经λ/2波片入射至偏振分光镜12，反射光束经λ/4波片13后经平面反射镜14反射，再次透过λ/4波片13后完全透过偏振分光镜12，经五角棱镜15折转90°后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的参考信号；自测点返回的光束入射至偏振分光镜12后，反射光束经五角棱镜15折转90°后被反射镜16反射，透过傅立叶透镜19后被CCD图像传感器20接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元21的测量信号；参见图4及图5，对于径向及切向角度测量单元22、21，由对应的参考光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，通过求取测量光斑与参考光斑的极小值位移量的差值即可动态补偿由角漂量引起的角度测量误差，精度测出测点处径向及切向的二维小角度变化量。对于径向角度测量：

θ_R＝(d_MR-d_RR)/(2f)

式中：θ_R为测点处沿径向的小角度变化量；d_MR，d_RR分别为径向测角单元22测量及参考信号基准在CCD图像传感器9上的线位移量，f为傅立叶透镜8的等效焦距；同理，对于切向角度测量：

θ_T＝(d_MT-d_RT)/(2f)

式中：θ_T为测点处沿切向的小角度变化量；d_MT，d_RT分别为切向测角单元测量及参考信号基准在CCD图像传感器20上的线位移量，f为傅立叶透镜19的等效焦距。

本实施例中，光源为线偏振He-Ne激光器，光束直径为1mm，各光学元件的表面粗糙度为λ/4，分光棱镜4和12的反射光束偏角误差≤5′，透射光束偏角误差≤3′，四个直角通光表面均镀有窄带多层增透膜，五角棱镜10、15的光束转角误差≤3′，线偏振片3、5、17的削光比为100，λ/4波片13和λ/2波片11的延迟精度为λ/300，傅立叶透镜8、19的等效焦距为500mm。实验结果表明，该二维小角度测量装置在测量分辨力达到0.05″的情况下，测量稳定性优于0.1″/h，测量不确定度优于0.2″，实现了高精度二维小角度测量。

实施例2：

参见图7，平面参考镜6也可采用直角棱镜27，径向测角单元22中由角漂引起的测量及参考光束变化参见图8，此时由光束角漂引起的径向角度测量误差为差模信号，本实施例中的其它部件及工作原理与实施例1相同。对于径向角度测量，通过对测量光斑与参考光斑的极小值位移量求和即可动态补偿由角漂引起的径向角度测量误差，即：

θ_R＝(d_MR+d_RR)/(2f)

式中：θ_R为测点处沿径向的小角度变化量；d_MR，d_RR分别为径向测角单元21测量及参考信号基准在CCD图像传感器9上的位移量，f为傅立叶透镜8的等效焦距；在这种情况下，光束在切向测角单元21中的传播路径不发生变化，不影响其误差补偿方式及测量结果。

实施例3：

如图6所示，线偏振He-Ne激光器采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板2，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例4：

如图1所示，线偏振He-Ne激光器采用半导体激光器，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板2，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例2相同。

实施例5：

如图1所示，光源采用线偏振He-Ne激光器1，线偏振片17采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例6：

如图8所示，光源采用线偏振He-Ne激光器1，线偏振片17采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例2相同。

实施例7：

参见图1和图6，光源采用半导体激光器30，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板2，线偏振片17采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例8：

参见图1和图6，光源采用半导体激光器30，并经单模光纤准直系统准直、细化后入射至二维位相板2，线偏振片17采用λ/2波片，本实施例的其它部件及工作原理均与实施例2相同。

Claims (5)

1.一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置，包括线偏振He-Ne激光器或半导体激光器(1)、二维位相板(2)、线偏振片(3)、径向测角单元(22)及与其对应的第一傅立叶变换透镜(8)和第一CCD图像传感器(9)、切向测角单元(21)及与其对应的第二傅立叶变换透镜(19)和第二CCD图像传感器(20)，其特征在于可对测点处二维小角度信息进行同时采集的切向与径向测角单元(21 、22)分别位于正交平面YOZ和XOY面内，且均包含可对光束角漂进行实时动态补偿的误差补偿光路，并均以衍射准直光束为测量基准光束；径向测角单元(22)中光束角漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜(6)或直角棱镜(27)，可进行一维角度调节的分光镜(4)与平面反射镜(6)或直角棱镜(27)之间放置一线偏振片(5)；切向测角单元(21)中光束角漂误差补偿光路的光学器件为平面反射镜(14)，可进行一维角度调节的偏振分光镜(12)与平面反射镜(14)之间放置一λ/4波片(13)；切向测角单元(21)与径向测角单元(22)之间放置一λ/2波片(11)；被测表面(18)与切向测角单元(21)之间放置一线偏振片(17)或λ/2波片。

2.根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于光源采用线偏振He-Ne激光器或半导体激光器(1)经单模光纤准直系统准直、细化后产生的线偏振光。

3.根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于测量基准光束为由二维位相板(2)生成的衍射准直细光束，光束直径为1mm。

4.根据权利要求1所述的二维小角度测量装置，其特征在于第一CCD图像传感器(9)与径向测角单元(22)之间放置第一傅立叶变换透镜(8)，第二CCD图像传感器(20)与切向测角单元(21)之间放置第二傅立叶变换透镜(19)。

5.一种基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量方法，其特征在于所述的测量方法包括以下步骤：

(1)调整分光镜(4)，使得第一CCD图像传感器(9)接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整偏振分光镜(12)，使得第二CCD图像传感器(20)接收到的测量光斑与参考光斑完全分离；调整完毕后将分光镜(4)和偏振分光镜(12)固定，之后在角度测量过程中不再对其进行调整；

(2)使线偏振He-Ne激光器或半导体激光器(1)经单模光纤准直系统准直、细化后产生的直径为1mm的细光束垂直入射至二维位相板(2)，生成衍射准直光束；

(3)由二维位相板(2)生成的衍射准直光束经过第一线偏振片(3)入射至分光镜(4)，反射光束经过第二线偏振片(5)后被第一平面反射镜(6)反射，再次经过第二线偏振片(5)入射至分光镜(4)，透射光束经第二平面反射镜(7)反射，透过第一傅立叶透 镜(8)后被第一CCD图像传感器(9)接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元(22)的参考信号；

(4)分光镜(4)的透射光束经第一五角棱镜(10)折转90°，透过λ/2波片(11)后入射至偏振分光镜(12)，透射光束经第三线偏振片(17)改变振动方向后入射至测点处，携带被测二维角度信息的返回光束再次经过第三线偏振片(17)入射至偏振分光镜(12)，透射光束透过λ/2波片(11)后经第一五角棱镜(10)折转90°，再经分光镜(4)和第二平面反射镜(7)反射，透过第一傅立叶透镜(8)后被第一CCD图像传感器(9)接收，光斑的极小值坐标作为径向测角单元(22)的测量信号；

(5)第一五角棱镜(10)的出射光束透过λ/2波片(11)入射至偏振分光镜(12)，反射光束经λ/4波片(13)后经第三平面反射镜(14)反射，再次透过λ/4波片(13)后完全透过偏振分光镜(12)，经第二五角棱镜(15)折转90°后被第四平面反射镜(16)反射，透过第二傅立叶透镜(19)被第二CCD图像传感器(20)接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元(21)的参考信号；

(6)自测点返回的光束入射至偏振分光镜(12)，反射光束经第二五角棱镜(15)折转90°后被第四平面反射镜(16)反射，透过第二傅立叶透镜(19)后被第二CCD图像传感器(20)接收，光斑的极小值坐标成为切向测角单元(21)的测量信号；

(7)对于切向及径向角度测角单元(21 、22)，由各自的光束角漂误差补偿光路实时监测并分离出基准光束角漂信号，进行实时动态差动处理，即可动态补偿由角漂量引起的角度测量误差，精确测出测点处径向及切向的二维小角度变化量；对于径向角度测量：

θ_R＝(d_MR-d_RR)/(2f)

式中：θ_R为测点处反射面沿径向的小角度变化量；d_MR，d_RR分别为径向测角单元(22)测量及参考信号的极小值在第一CCD图像传感器(9)上的位移量，f为第一傅立叶透镜

(8)的等效焦距；同理，对于切向角度测量：

θ_T＝(d_MT-d_RT)/(2f)

式中：θ_T为测点处反射面沿切向的小角度变化量；d_MT，d_RT分别为切向测角单元(21)测量及参考信号的极小值在第二CCD图像传感器(20)上的位移量，f为第二傅立叶透镜(19)的等效焦距。 

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