CN107702644B

CN107702644B - 一种基于双psd的多自由度测量装置

Info

Publication number: CN107702644B
Application number: CN201710872861.2A
Authority: CN
Inventors: 王国名; 劳达宝; 周维虎
Original assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107702644A

Abstract

本发明涉及一种基于双PSD的多自由度测量装置，由双PSD测量光学系统和光电二维精密转台组成，双PSD测量光学系统自身可以测量目标的x、y和绕x、绕y四个自由度，同时两台装置联用可以扩展为目标6自由度相对测量。另外双PSD测量光学系统可以瞄准目标，配合光电二维转台实现目标的空间方位角和俯仰角的测量；而且，双PSD测量光学系统与光电二维转台还能够通过互瞄，实现两台装置的相互定位，从而完成基准与测量面相隔离(目标与基准相隔较远或不在同一平面)时的特殊情况测量。

Description

一种基于双PSD的多自由度测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于双PSD的多自由度测量装置，属于激光测量技术领域。

背景技术

在航空航天、武器装备组装调试过程中，需要对组装零部件进行实时的装调和安装质量进行评估。这就要求对装调部件进行多自由度的实时监测和测量。目前，在相关生产加工现场，普遍使用经纬仪、跟踪仪和全站仪等仪器进行测量，但是无法满足实时监测和高精度测量的要求。另外国内部分研究机构研究相关专用的激光测量设备，但是使用范围较窄，无法满足相关领域的普遍要求。

匡萃方，冯其波等在论文《直线导轨四自由度同时测量方法的研究》中提出的四自由度测量方法，能够做到很高精度的四自由度测量，但是同样测量范围小的缺点使它难以在工业生产中应用；宋庆，王红平等提出的《双PSD实现长直导轨四自由度测量的新方法》，具有光路简洁，靶标简单的特点，但是缺点同样明显，一是理论上测量角度为零时，位移无法测量；二是工作距离较近，无法满足生产现场的长距离测量使用。

目前四自由度测量技术，主要存在以下几个问题：无法通过组合测量方式实现更多自由度扩展测量；片面要求高精度而导致测量量程小，不利于生产现场使用；距离工作较短，限制了仪器的使用环境；无法快速瞄准测量目标；没有功能参数扩展能力。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供基于双PSD的多自由度测量装置，具有测量范围大且精度高的特点，灵活调整位移和角度精度：具有目视观测瞄准功能：能够通过目视功能快速寻找目标，提高测量效率。

本发明技术解决方案：一种基于双PSD的多自由度测量装置，其特点在于：将多自由度测量光学系统与光电二维转台集成在一起，多自由度测量光学系统自身可以测量目标的x、y和绕x、绕y四个自由度，同时多自由度测量光学系统可以瞄准目标，配合光电二维转台实现目标的空间方位角和俯仰角的测量；而且两台仪器，即多自由度测量光学系统与光电二维转台还能够通过互瞄，实现两台仪器的定位，从而完成目标的6个自由度的同时测量。

所述多自由度测量光学系统包括激光器、第一BS、扩束前组、第二BS、调焦镜、扩束后组物镜、1/4波片、角锥棱镜、PBS、角度聚焦镜、用于角度测量的第一PSD、用于位置测量的第二PSD、作为正像的普罗棱镜、聚焦补偿镜、十字环形分划板、衰减片和目镜，上述各个部件形成总体光路分非成像的多自由度测量光路和成像的目视瞄准光路；

对于非成像的自多由度测量光路，首先由激光器发出的光束为P波线偏振光，经过第一BS半反半透后，然后在经过扩束前组，第二BS，调焦镜和扩束后组物镜对原光束进行准直扩束，形成准直光出射，出射光再经过1/4波片，1/4波片表面镀半反半透膜，形成两路测试光，一路是经半反半透膜反射光仍为P波线偏振光，然后在经过扩束后组物镜，调焦镜，第二BS，扩束前组，第一BS，PBS，角度聚焦镜，第一PSD形成基于PSD的角度测试光路；另一路透过1/4波片并经过角锥棱镜反射再次透过1/4波片形成S波线偏振光，然后S波线偏振光再经过扩束后组物镜，调焦镜，第二BS，扩束前组，第一BS，PBS，第二PSD形成位移测量光路；其中由第一BS半反半透，然后在经过扩束前组1，第二BS，调焦镜，扩束后组物镜组成的准直扩束系统具有变倍功能；

对于成像目视瞄准光路，则是由扩束后组物镜，调焦镜，第二BS，普罗棱镜，聚焦补偿镜，十字环形分划板，衰减片和目镜组成，形成的是一个具有内调焦功能，能够实现从0.5m－∞的清晰成像，对于通过成像快速寻找被测目标，并且能够对准目标进行空间角度测量。

将角锥棱镜和1/4波片进行胶合，成为整体反射靶标，作在整体反射靶标中1/4波片表面镀半反半透膜层，将角度测量信号和位移测量信号分离，即经过半反半透膜层直接反射光为P波反射光，透射光后再经角锥棱镜反射光再经过1/4波片变成S波，这样通过偏振分光棱镜PBS即可将角度测量光束S波和位移测量光束P波分离。

所述十字环形分划板由十字加同心环的形式组成，一是方便分辨圆形光斑在分划板的位置，能够对目标角度进行目视粗测量；二是方便目视瞄准，用于目标空间方位角和俯仰角的测量。

所述角度聚焦镜为非球面镜，以提高测量精度，极大降低砸光对PSD角度测量精度的影响。

本发明提出的测量系统是基于双PSD同时测量多自由度的系统，其特殊之处在于：

(1)光学系统设计巧妙：变倍扩束非成像测量光路和变焦成像目视瞄准光路共光路，发射光路与接收光路共光路，巧妙结合，布局合理，互不干涉。

(2)测量光路具有变倍调焦功能，变倍倍数最大时角度测量精度最大，同时伴随位移精度下降：反之，变倍倍数最小时，位移测量精度最高，角度测量精度下降。可以根据需要随时调整不同测量精度。

(3)具有目视瞄准功能，用于目标找寻和快速对准变倍调焦镜组和目镜组成连续调焦望远系统，可以实现不同距离连续稳定清晰成像，用于目标快速找寻和精确对准。

(4)为提高角度测量精度和消除反射面杂散光对角度测量影响，角度聚焦镜使用非球面透镜。

(5)合作目标靶镜采用特殊设计，其特点为将角锥棱镜和1/4波片进行精密胶合，并在1/4波片外表面镀半反半透膜，能同时产生角度信号和位移信号。

(6)将光学系统集成到能够实现俯仰角和方位角测量的光电2维转台上，能够进行目标的空间角度定位，同时使用双机互瞄定位，实现目标6自由度的精密测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)较以往技术测量精度更高，位移和角度范围更大：由于非成像测量光路采用变倍扩束技术，使双PSD的多自由度测量装置较以往技术具有测量范围大且精度高(范围和角度均大于1个数量级以上)的特点。

(2)较以往技术具有远距离测量能力：由于目视瞄准光路变焦成像技术，使之能够远距离快速对准，较以往同类型仪器更加容易测量的进行。同时当变倍扩束非成像测量光路处于高倍扩束时，能够使光束能够满足远距离的能量要求，较以往仪器也能实现更远距离的测量。另外新型合作目标靶镜的使用也使位移测量不受角度影响，也满足远距离测量要求。

(3)较以往技术具有更加灵活的精度调节能力：通过调节变倍调教系统，能够灵活调整位移和角度精度。根据实际使用现场状况，可以降低位移测量精度来提高角度测量精度，同样也可以降低角度测量精度来提高位移测量精度。

(4)较以往技术，具有更加集成更加便携和扩展能力：通过二维角度精密转台，可以双机互瞄，具有扩展6自由度测量的能力。

(5)较以往的相关技术，本发明具有操作更简单、使用更便携、性能更全面的特点，是一种通用仪器，不是仅仅局限于机床导轨测量等专业领域的专用测量仪器。其能够应用于航空航天、汽车、武器系统等军用民用的不同领域，能够应用于机械部件的结构性能动态监测、系统装调、精度检测、仪器参数比对等多种应用场景。

附图说明

图1为多自由度测量系统总体光路图；

图2为新型整体反射靶标镜结构；

图3为十字环形分划板结构；

图4为本发明的总体结构图。

图5为基准面与测量面不共面测量方法图；

图6为基准面与测量面共面但超出单台测量范围测量方法图。

其中：101-激光器，102-第一BS，103-扩束前组，104-第二BS，105-调焦镜，106-物镜(扩束后组)，107-合作目标靶镜，108-PBS，109-角度聚焦镜，110-第一PSD(角度)，111-第二PSD(位置)，112-普罗棱镜(正像)，113-聚焦补偿镜，114-十字环形分划板，115-衰减片，116-目镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明具有单台具有四自由度测量能力，两台组合具有六自由度测量能力；具有测量范围大且精度高(范围和精度都至少高1-2个数量级以上)的特点，灵活调整位移和角度精度：根据实际使用现场状况，可以降低位移测量精度来提高角度测量精度，同样也可以降低角度测量精度来提高位移测量精度；具有目视观测瞄准功能：能够通过目视功能快速寻找目标，提高测量效率。

位移测量范围达到±2cm理论精度可达0.1μm；角度测量范围＞1°，理论分辨率可达0.005″；具有超远距离工作特点：能够满足装调生产现场10米以内的工作距离使用；灵活调整位移和角度精度：根据实际使用现场状况，可以降低位移测量精度来提高角度测量精度，同样也可以降低角度测量精度来提高位移测量精度；具有目视观测瞄准功能：能够通过目视功能快速寻找目标，提高测量效率。

如图4所示，本发明的系统总体结构图，本发明基于双PSD的多自由度测量装置是将双PSD光电测量系统401与光电二维转台402集成在一起，双PSD光电测量系统自身可以测量目标的x、y和绕x、绕y四个自由度。两台联用能够实现目标的6个自由度(即位移自由度x、y、z和角度自由度绕x、绕y、绕z)的同时测量。同时双PSD光电测量系统401与光电二维转台402配合应用，则可以瞄准目标，获得目标的空间方位角度和俯仰角度值；双PSD测量光学系统与光电二维转台还能够通过互瞄，实现两台装置的相互定位，从而完成基准与测量面相隔离(目标与基准相隔较远或不在同一平面)时的特殊情况测量。

其具体测量方案为：

单台测量：

1、测量目标4自由度变化值测量：在检测目标表面放置合作目标靶镜，可以直接获得目标一段时间或一个过程中的x、y轴位移和绕x绕y轴的角度变化量。

2、测量目标与基准之间误差测量(标准面与测量面距离很近或测量距离较远)：首先在基准上放置合作目标靶镜，调整测量装置使位移和角度值为零。然后在测量表面放置合作目标靶镜，水平转动二维转台对准合作目标靶镜，此时设二维转台转过角度α，双PSD光电测量系统测得角度值为β和位移值△L，则角度误差△γ＝α-2β，位移误差值△L。

两台联测：

(1)6自由度变化值测量：目标两本面上分别放置合作目标靶镜，其中装置1对准靶镜能够获得x、y轴位移和绕x绕y轴的角度变化量。装置2对准靶镜能够获得z、y轴位移和绕z绕y轴的角度变化量。两台装置即可实现移目标位移自由度x、y、z和角度自由度绕x、绕y、绕z的同时测量。

(2)测量目标与基准之间误差测量(测量目标与基准不共面或基准与目标共面但超出单台测量范围。

图5所示为基准面与测量面不共面，无法使用一台装置完成测量，此时需要两台装置组合测量。装置1首先对准基准面，使位移、角度为零，然后再转动装置1角度为α使装置2对准装置1互瞄，最后再使装置2转动β对准测量面。此时的测量面与基准面的角度误差为γ＝90°-(α+β)，其中α、β分别为绕x、绕y轴角度的合成量，可以分解为α_x、α_y和β_x、β_y。

图6所示为基准与目标共面但超出单台测量范围，由于单台测量范围小儿无法使用一台装置完成测量。装置1首先对准基准面，使位移、角度为零，然后再转动装置1角度为α使装置2对准装置1互瞄，最后再使装置2转动β对准测量面。此时的测量面与基准面的角度误差为γ＝180°-(α+β)。(其中αβ分别为绕x、绕y轴角度的合成量，可以分解为α_x、α_y和β_x、β_y)。

如图1所示，本发明的基于双PSD的多自由度测量装置包括总体光路分基于双PSD探测器的变倍扩束非成像测量光路和变焦成像目视瞄准光路，其组成包括激光器101、第一BS(分光棱镜)102、扩束前组103、第二BS2104、调焦镜105、物镜106(扩束后组)、合作目标靶镜107、PBS(偏振分光棱镜)108、角度聚焦镜109、第一PSD(位置敏感探测器)110(角度)、第二PSD111(位置)、普罗棱镜112(正像)、聚焦补偿镜113、十字环形分划板114、衰减片115和目镜116。

基于双PSD探测器的变倍扩束非成像测量光路，首先由激光器101发出的光束为P波线偏振光，经过BS半反半透102，然后在经过扩束前组103，第二BS104，调焦镜105，物镜106(扩束后组)对原光束进行准直扩束，形成准直光出射，出射光再经过合作目标靶镜107，合作目标靶镜107前表面镀半反半透膜，形成两路测试光，一路是经半反半透膜反射光仍为P波线偏振光，然后在经过物镜106(扩束后组)，调焦镜105，第二BS104，扩束前组103，第一BS102，PBS108，角度聚焦镜109，第一PSD110，形成基于PSD的角度测试光路；另一路透过合作目标靶107内部多次反射形成S波线偏振光，然后S波线偏振光再经过物镜106(扩束后组)，调焦镜105，第二BS2104，扩束前组103，第一BS102，PBS108，第二PSD111(位置)，形成位移测量光路；

其中由第一BS102半反半透，然后在经过扩束前组103，第二BS104，调焦镜105，物镜106(扩束后组)组成的准直扩束系统具有变倍功能。

角度聚焦镜109为非球面镜，其作用是提高测量精度，极大降低砸光对PSD角度测量精度的影响。

对于变焦成像目视瞄准光路，则是由物镜106(扩束后组)，调焦镜105，第二BS104，普罗棱镜112(正像)，聚焦补偿镜113，十字环形分划板114，目镜116，衰减片115组成，形成的是一个具有内调焦功能的变焦系统，能够实现从0.5m－∞的清晰成像，对于通过成像快速寻找被测目标，并且能够对准目标进行空间角度测量。成像目视瞄准光路中添加衰减片115，防止激光能量过大对人眼造成伤害。

如图2所示为合作目标靶标107的结构原理，包括角锥棱镜1071、1/4玻片1072和半反半透膜1073；将角锥棱镜和1/4波片进行胶合，成为新型合作目标靶标。其原理为合作目标靶标中的1/4波片表面镀半反半透膜层，其作用是将角度测量信号和位移测量信号分离，即入射光经过半反半透膜层1073分为两束光，一束为直接反射P波光束；另一束为透过1/4波片1702、再经过角锥棱镜1071多次反射变成S波光束，这样通过偏振分光棱镜PBS即可将角度测量光束S波和位移测量光束P波分离。

如图3所示,十字环形分划板114由十字刻线1141、同心圆环线1142组成，其设计特点为：十字环形分划板直径为Φ30mm。其中Φ1mm-Φ10mm半径范围内，圆环直径间隔为1mm，共10环。Φ10mm-Φ30mm半径范围内，圆环直径间隔为5mm。其作用特点为：一是方便分辨圆形光斑在分划板的位置，能够对目标角度进行目视粗测量；二是方便目视瞄准，用于目标空间方位角和俯仰角的测量。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims

1.一种基于双PSD的多自由度测量装置，其特征在于：将双PSD测量光学系统与光电二维精密转台集成在一起，双PSD光学系统自身能够测量目标的x、y和绕x、绕y四个自由度，同时双PSD光学系统能够瞄准目标，配合光电二维转台实现目标的空间方位角和俯仰角的测量；而且两台仪器，即双PSD测量光学系统与光电二维转台还能够通过互瞄，实现两台仪器的定位，从而完成目标的6个自由度的同时测量；

所述双PSD测量光学系统分为基于双PSD探测器的变倍扩束非成像测量光路和变焦成像目视瞄准光路两部分；

所述基于双PSD探测器的变倍扩束非成像测量光路包括激光器、第一BS、扩束前组、第二BS、调焦镜、扩束后组物镜、合作目标靶镜、PBS、角度聚焦镜、用于角度测量的第一PSD、用于位置测量的第二PSD；首先由激光器发出的光束为P波线偏振光，经过第一BS半反半透，然后再经过扩束前组，第二BS，调焦镜和扩束后组物镜对原光束进行准直扩束，形成准直光出射，经过合作目标靶镜形成两路光，一路是经合作目标靶镜表面原路返回形成的反射光仍为P波线偏振光，然后在经过扩束后组物镜，调焦镜，第二BS，扩束前组，第一BS，PBS，角度聚焦镜，第一PSD形成基于PSD的角度测试光路；另一路经过合作目标靶镜的内部两次反射后形成S波线偏振光，然后S波线偏振光再经过扩束后组物镜，调焦镜，第二BS，扩束前组，第一BS，PBS，第二PSD形成位移测量光路；其中由第一BS半反半透，然后在经过扩束前组1，第二BS，调焦镜，扩束后组物镜组成的准直扩束系统具有变倍功能；

所述变焦成像目视瞄准光路由扩束后组物镜，调焦镜，第二BS，普罗棱镜，聚焦补偿镜，十字环形分划板，衰减片和目镜组成，形成一个内调焦系统，能够实现从0.5m－∞的清晰成像，实现不同距离连续稳定清晰成像；同时具有目视瞄准功能，能够用于目标快速找寻和精确对准，从而实现对准目标空间角度测量，其中十字环形分划板位于内调焦系统的焦面上，衰减片作用是降低进入目镜的激光能量，避免损伤眼睛；

所述的合作目标靶镜将角锥棱镜和1/4波片进行胶合，成为整体反射靶标，作在整体反射靶标中1/4波片表面镀半反半透膜层，将角度测量信号和位移测量信号分离，即经过半反半透膜层直接反射光为P波反射光，透射光后再经角锥棱镜反射光再经过1/4波片变成S波，这样通过偏振分光棱镜PBS即将角度测量光束S波和位移测量光束P波分离；

所述十字环形分划板由十字线加同心环线的形式组成，一是方便分辨圆形光斑在分划板的位置，能够对目标角度进行目视粗测量；二是方便目视瞄准，用于目标空间方位角和俯仰角的测量；

所述角度聚焦镜为非球面镜，以提高测量精度，极大降低杂光对PSD角度测量精度的影响。

2.根据权利要求1所述的基于双PSD的多自由度测量装置，其特征在于：双PSD测量光学系统与光电二维转台相集成，还能够通过互瞄，实现两台装置的相互定位，从而完成基准与测量面相隔离，即目标与基准相隔较远或不在同一平面时的特殊测量条件下的测量。