CN106052596A - 基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，属于光电测量仪器技术领域。包括光源、聚光镜、孔径光阑、会聚透镜、针孔、偏振分光棱镜、λ/4波片、准直物镜、探测器。通过在照明光路中增加孔径光阑，使其经自准直仪光学系统所成的像，即出瞳，位于准直物镜之后，并且出瞳直径小于准直物镜的口径。靶镜位于出瞳位置附近。通过控制出瞳距离、出瞳直径及准直物镜口径的关系，确保被测镜反射回来的光束口径小于准直物镜口径，消除光束切割，避免切割引起的测量误差。在自准直光路中采用偏振分光棱镜与λ/4波片组合的偏振杂光阻断技术，有效抑制光学表面多次反射的杂散光干扰。

Description

基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪

技术领域

本发明涉及一种基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，属于光电测量仪器技术领域。

背景技术

光电自准直仪是一种小量程、高精度的角度测量仪器。现有的光电自准直仪孔径光阑通常设计在准直物镜上，即出瞳设在准直物镜上，瞳径比为1。当被测镜与光轴不理想垂直时，自准反射回来的光线与光轴有一定夹角，光束会被自准直物镜镜框切割，只有一部分反射光线能够进入光电自准直仪中。焦面光斑的光强分布受光学系统像差和衍射双重影响，切割光束不仅改变了系统的有效孔径，进而改变像差，也改变了衍射边界的圆对称性。因此，通常会造成焦面光斑分布不再对称。对于采用质心、峰值位置、能量中心位置等方法探测针孔像偏移量，进而计算光线偏转角度的光电自准直仪，势必影响影响角度测量精度。

发明内容

本发明的主要目的是为解决光电自准直仪中光束切割引起的测角误差问题，提供一种基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，该装置还能够有效减少杂光干扰。

本发明的思想是通过在照明光路中增加一个孔径光阑，使其经自准直仪光学系统所成的像，即出瞳位于准直物镜之后，并且出瞳直径小于准直物镜的口径。靶镜位于出瞳位置附近。通过控制出瞳距离、出瞳直径及准直物镜口径的关系，确保被测镜反射回来的光束口径小于准直物镜口径，消除光束切割，避免切割引起的测量误差。在自准直光路中采用偏振分光棱镜与λ/4波片组合的偏振杂光阻断技术，有效抑制光学表面多次反射的杂散光干扰。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，包括光源、聚光镜、孔径光阑、会聚透镜、针孔、偏振分光棱镜、λ/4波片、准直物镜、探测器。所述光源、聚光镜、孔径光阑、会聚透镜、针孔依次同轴放置，构成照明系统。光源位于聚光镜的物方焦点处，针孔位于会聚透镜的像方焦点处；孔径光阑位于聚光镜和会聚透镜之间；所述偏振分光棱镜、λ/4波片、准直物镜依次同轴放置。光源发射的光束被偏振分光棱镜反射到靶镜上，靶镜反射回的光线通过偏振分光棱镜透射到探测器上。针孔与探测器均位于准直物镜8的物方焦点处；

所述探测器为阵列探测器。

所述针孔的直径为10μm至1mm。

孔径光阑用于限制出射光束口径，确保靶镜反射回来的光束口径小于准直物镜口径。

孔径光阑经会聚透镜、偏振分光棱镜、λ/4波片和准直物镜所成的像为系统出瞳，出瞳直径与准直物镜口径之比称为瞳径比，瞳径为0.3至1；

出瞳到准直物镜的距离为0.1m至5m。

靶镜应位于出瞳位置附近，在准直物镜后0m至10m的范围内。

基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪的工作过程是：光源发出的光束依次经过聚光镜、孔径光阑、会聚透镜和针孔，然后入射到偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的S态线偏光反射后经过λ/4波片相位延迟90度，变成圆偏振光，然后经准直物镜折射成为平行光束出射；平行光束再经靶镜反射，反射光束经过准直物镜折射进入自准直仪光学系统，再次经过λ/4波片，相位再延迟90度，变成P态线偏振光，透过偏振分光棱镜聚到探测器上。反射光束与光轴的夹角为靶镜倾斜角度的2倍；反射光束的倾斜转化为探测器上采集到针孔像的平移。通过质心、峰值位置、能量中心位置等方法探测针孔像的偏移量d，即可根据公式(1)计算得到靶射镜10的倾斜角度α。

$\mathrm{\α}=0.5\×arctg\left(\frac{d}{f^{\′}}\right)---\left(1\right)$

式(1)中f′为准直物镜8的焦距。

孔径光阑经会聚透镜、偏振分光棱镜、λ/4波片和准直物镜所成的像为系统出瞳，出瞳直径与准直物镜口径之比称为瞳径比。本发明中，瞳径比为0.3至1，具体数值由针孔的大小、出瞳距离和自准直仪测角量程共同决定，确保测角量程范围内，靶镜反射回的光线可以不被切割，全部进入系统，最终到达准直物镜8的焦平面上。

偏振分光棱镜可使入射到分光面上的S态线偏光基本全部反射，P态线偏光基本全部透射。照明光路入射到偏振分光棱镜的S态线偏光反射后经过λ/4波片相位延迟90度，变成圆偏振光，经准直物镜、靶镜透射、反射回来后再次经过λ/4波片，相位再延迟90度，变成P态线偏振光，透过偏振分光棱镜会聚到探测器上。探测器靶面、探测器保护玻璃、针孔面、偏振分光棱镜直角面反射的杂光由于未经过λ/4波片，偏振态不发生改变。受偏振阻断，这些杂光不能入射到探测器上，因此可有效减少杂光干扰。

有益效果

1、本发明的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，避免了反射光束被准直物镜镜框切割引起的针孔成像光强分布不对称。因此采用质心、峰值位置、能量中心位置等方法均可准确探测到针孔像偏移量，进而计算出靶镜偏转角度，避免了光斑质心、峰值位置及能量中心位置与主光线和像面交点位置不一致引起的测角误差问题。

2、本发明的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，探测器靶面、探测器保护玻璃、针孔面、偏振分光棱镜直角面反射的杂光由于未经过λ/4波片，偏振态不发生改变。受偏振阻断，这些杂光不能入射到探测器上，因此可有效减少杂光干扰。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为具体实施例1实测到的焦面光强分布。

其中，1—光源、2—聚光镜、3—孔径光阑、4—会聚透镜、5—针孔、6—偏振分光棱镜、7—λ/4波片、8—准直物镜、9—探测器、10—靶镜。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

参见图1，一种基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，包括光源1、聚光镜2、孔径光阑3、会聚透镜4、针孔5、偏振分光棱镜6、λ/4波片7、准直物镜8、探测器9。所述光源1、聚光镜2、孔径光阑3、会聚透镜4、针孔5依次同轴放置，构成照明系统。所述偏振分光棱镜6、λ/4波片7、准直物镜8依次同轴放置。所述光源1、聚光镜2、孔径光阑3、会聚透镜4、分划板5组成的照明系统。

本例中基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪的工作原理是：光源1、聚光镜2、孔径光阑3、会聚透镜4、针孔5共同组成仪器照明系统。光源1位于聚光镜2的物方焦点处，针孔5位于会聚透镜4的像方焦点处，孔径光阑3用于限制出射光束口径。针孔5上任意一点透过的光线经偏振分光棱镜6折转后经λ/4波片7和准直物镜8成为平行光束出射。平行光束被位于系统出瞳处的靶镜10反射，反射光束仍为平行光，与光轴的夹角为靶镜10倾斜角度的2倍。反射光束进入自准直仪光学系统，经准直物镜8、λ/4波片7和偏振分光棱镜6后，会聚到探测器9上。反射光束的倾斜转化为探测器9上采集到图像的平移。通过质心、峰值位置、能量中心位置等方法探测针孔像的偏移量d，即可根据公式(1)计算得到靶镜10的倾斜角度α。

$\mathrm{\α}=0.5\×arctg\left(\frac{d}{f^{\′}}\right)---\left(1\right)$

(1)式中f′为准直物镜8的焦距。

偏振分光棱镜6可使入射到分光面上的S态线偏光基本全部反射，P态线偏光基本全部透射。照明光路入射到偏振分光棱镜6的S态线偏光反射后经过λ/4波片7相位延迟90度，变成圆偏振光，经准直物镜8、靶镜10透射、反射回来后再次经过λ/4波片7，相位再延迟90度，变成P态线偏振光，透过偏振分光棱镜6会聚到探测器9上。探测器靶面、探测器保护玻璃、针孔面、偏振分光棱镜直角面反射的杂光由于未经过λ/4波片7，偏振态不发生改变。受偏振阻断，这些杂光不能入射到探测器9上，因此可有效减少杂光干扰，如图2所示。

本例中，出瞳距离准直物镜1500mm，出瞳直径20mm。准直物镜焦距200mm，口径25mm，瞳径比0.8。靶镜位于准直物镜后1500mm处。探测器为工业级CMOS相机，像元数1200pix×900pix，像元大小4μm。针孔半径0.2mm，倾斜角度α的测量范围±100秒内的角度测量精度为0.1秒。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，其特征在于：包括光源(1)、聚光镜(2)、孔径光阑(3)、会聚透镜(4)、针孔(5)、偏振分光棱镜(6)、λ/4波片(7)、准直物镜(8)、探测器(9)；所述光源(1)、聚光镜(2)、孔径光阑(3)、会聚透镜(4)、针孔(5)依次同轴放置，构成照明系统；光源(1)位于聚光镜(2)的物方焦点处，针孔(5)位于会聚透镜(4)的像方焦点处；孔径光阑(3)位于聚光镜(2)和会聚透镜(4)之间；所述偏振分光棱镜(6)、λ/4波片(7)、准直物镜(8)依次同轴放置；光源(1)发射的光束被偏振分光棱镜(6)反射到靶镜(10)上，靶镜(10)反射回的光线通过偏振分光棱镜(6)透射到探测器(9)上；针孔(5)与探测器(9)均位于准直物镜(8)的物方焦点处。

2.如权利要求1所述的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，其特征在于：所述探测器(9)为阵列探测器。

3.如权利要求1所述的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，其特征在于：所述针孔(5)的直径为10μm至1mm。

4.如权利要求1所述的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，其特征在于：孔径光阑(3)经会聚透镜(4)、偏振分光棱镜(6)、λ/4波片(7)和准直物镜(8)所成的像为系统出瞳，出瞳直径与准直物镜(8)口径之比称为瞳径比，瞳径比为0.3至1。

5.如权利要求1或4所述的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，其特征在于：所述出瞳到准直物镜(8)的距离为0.1m至5m；靶镜(10)位于准直物镜(8)后不大于10m的范围内。

6.如权利要求1至4任意一项所述的基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪，其特征在于：所述基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪的工作过程是：光源(1)发出的光束依次经过聚光镜(2)、孔径光阑(3)、会聚透镜(4)和针孔(5)，然后入射到偏振分光棱镜(6)，偏振分光棱镜(6)的S态线偏光反射后经过λ/4波片(7)相位延迟90度，变成圆偏振光，然后经准直物镜(8)折射成为平行光束出射；平行光束再经靶镜(10)反射，反射光束再次经过准直物镜(8)折射进入自准直仪系统，经λ/4波片(7)，相位再延迟90度，变成P态线偏振光，透过偏振分光棱镜(6)聚到探测器(9)上；反射光束与光轴的夹角为靶镜(10)倾斜角度的2倍；反射光束的倾斜转化为探测器(9)上采集到针孔像的平移；通过质心、峰值位置、能量中心位置等方法探测针孔像的偏移量d，即可根据公式(1)计算得到靶射镜(10)的倾斜角度α；

$\mathrm{\α}=0.5\×arctg\left(\frac{d}{f^{\′}}\right)---\left(1\right)$

式(1)中f′为准直物镜(8)的焦距。