CN108061527A - 一种抗空气扰动的二维激光自准直仪 - Google Patents
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Abstract
本发明一种抗空气扰动的二维激光自准直仪提供的方案中，通过λ/4波片和衰减片在光轴上的透光面积相同，使得成像于基准面阵CCD和测量面阵CCD上的两束光，完全共光路，两束光在光路上的覆盖区域完全相同，空气扰动对两束光产生的影响也完全相同，利用将两个CCD上的图像进行差分计算的方法，可以消除空气扰动产生的测量误差，最终精确测量反射镜转动的角度。本发明适用于自准直仪进行远距离测量。
Description
技术领域
本发明涉及精密测试计量仪器领域，是一种抗空气扰动的二维激光自准直仪。
背景技术
自准直仪是一种利用光学自准直原理,进行小角度测量的一种精密测试计量仪器。由于其测量精度高，常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测量仪)、机械轴系的晃动等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。
自准直仪在远距离测量过程中，空气扰动会直接影响光束波前，导致探测器成像误差，最终影响测量精度。
现有的技术方案中国专利号为201210163692.2的基于差动比较原理的自准直仪，参见图1，从激光器发出的光依次经过偏振器、聚光镜、针孔、分光棱镜、偏振分光棱镜、准直物镜后，中心部分的光经过λ/4波片A后被角锥棱镜C反射，再次经过λ/4波片A，光束的偏振态发生变化，依次经过准直物镜、偏振分光棱镜、分光棱镜后成像于探测器D；周围部分的光束经过反射镜B反射，经过准直物镜，被偏振分光棱镜反射后成像于探测器E。本方案中，分别被角锥棱镜和反射镜反射的两束光完全不共光路，其在光传播方向上的覆盖区域不同，环境中的空气扰动对两束光产生的影响也不相同，将两个探测器上的图像进行差分计算，并不能完全消除环境中空气扰动对测量精度产生的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种抗空气扰动的二维激光自准直仪，解决自准直仪在远距离测量中，消除空气扰动对测量精度产生的影响。
本发明提供的一种抗空气扰动的二维激光自准直仪,包括激光器、起偏器、聚光镜、针孔、分光棱镜、偏振分光棱镜、准直物镜、λ/4波片、衰减片、角锥棱镜、基准面阵CCD和测量面阵CCD，所述λ/4波片和所述衰减片在光轴上的透光面积相同，所述激光器发出的光束在光轴上依次经过所述起偏器、所述聚光镜、所述针孔后被所述分光棱镜反射，所述光束通过所述偏振分光棱镜后被所述准直物镜准直为平行光，所述平行光的一部分光被所述λ/4波片前表面反射，依次再经过所述准直物镜、所述偏振分光棱镜、所述分光棱镜，最终成像在所述基准面阵CCD上；所述平行光的另一部分光经过所述λ/4波片和所述衰减片后被所述角锥棱镜反射，再次经过所述衰减片和所述λ/4波片，光束的偏振态发生改变，经过所述准直物镜准直后被偏振分光棱镜反射，最终成像于测量面阵CCD上。
可选地，所述λ/4波片、所述衰减片和角锥棱镜胶合在一起。
可选地，所述λ/4波片的朝向所述准直物镜的表面具有镀膜，透反比为4：1。
可选地，所述起偏器的起偏方向为竖直方向。
可选地，所述衰减片的透射率为0.42。
可选地，选所述角锥棱镜的反射率为0.9。
可选地，所述角锥棱镜设置在所述准直物镜的光轴上，角锥棱镜可沿所述准直物镜的光轴往复直线运动。
可选地，所述角锥棱镜的移动范围为0至100米。
本发明提供的方案中，通过λ/4波片和衰减片在光轴上的透光面积相同，使得成像于基准面阵CCD和测量面阵CCD上的两束光，完全共光路，两束光在光路上的覆盖区域完全相同，空气扰动对两束光产生的影响也完全相同，利用将两个CCD上的图像进行差分计算的方法，可以消除空气扰动产生的测量误差，最终精确测量反射镜转动的角度。本发明适用于自准直仪进行远距离测量。
附图说明
图1是现有技术中一种基于差动比较原理的自准直仪的原理图；
图2是本发明实施例中的抗空气扰动的二维激光自准直仪的原理图。
附图标记：
激光器1、起偏器2、聚光镜3、针孔4、分光棱镜5、偏振分光棱镜6、准直物镜7、λ/4波片8、衰减片9、角锥棱镜10、基准面阵CCD11，测量面阵CCD12。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图2所示，本发明实施例中提供一种抗空气扰动的二维激光自准直仪，包括激光器1、起偏器2、聚光镜3、针孔4、分光棱镜5、偏振分光棱镜6、准直物镜7、λ/4波片8、衰减片9、角锥棱镜10、基准面阵CCD11和测量面阵CCD12，激光器1发出的光束依次经过起偏器2、聚光镜3、针孔4，被分光棱镜5反射，通过偏振分光棱镜6后被准直物镜7准直为平行光，平行光的一部分光被λ/4波片8前表面13反射，依次再经过准直物镜7、偏振分光棱镜6、分光棱镜5，最终成像在基准面阵CCD11上；平行光的另一部分光经过λ/4波片8和衰减片9后，被角锥棱镜10反射，然后再次经过衰减片9和λ/4波片8，光束的偏振态发生改变，经过准直物镜7后，被偏振分光棱镜反6射，最终成像于测量面阵CCD12上，通过λ/4波片8和衰减片9在光轴上的透光面积相同，使得成像于基准面阵CCD11和测量面阵CCD12上的两束光，完全共光路，两束光在光路上的覆盖区域完全相同，空气扰动对两束光产生的影响也完全相同，将测量面阵CCD12和基准面阵CCD11采集的图像进行差分计算，可以测得角锥棱镜10在二维空间上旋转的角度。
在光路中，起偏器2的起偏方向为竖直方向，保证经过起偏器2的光全部为P光，还可以选用其他参数，对此不做限定。
在λ/4波片8的前表面13处镀膜，前表面朝向准直物镜7所在方向，使前表面13的透反比为4:1，即经过前表面13的透射率T13为0.8，反射率R13为0.2，还可以选用其他参数，对此不做限定。
选用衰减片9，使经过衰减片9的光，能量衰减为原能量的42％，即衰减片9的透射率T9为0.42，还可以选用其他参数，对此不做限定。
选用角锥棱镜10，使光束经过角锥棱镜反射后，能量为原能量的90％，即角锥棱镜的反射率R10为0.9，还可以选用其他参数，对此不做限定。
选用的分光棱镜5，其透反比可以为1：1，即透射率T5＝R5＝0.5，还可以选用其他参数，对此不做限定。
角锥棱镜10设置在准直物镜7的光轴上，角锥棱镜10可沿准直物镜7的光轴往复直线运动，角锥棱镜10的移动范围为0至100米，角锥棱镜和被测物体可以一起运动。
光束在第一次经过准直物镜7时的能量为E，假设光束在此之后经过准直物镜7和偏振分光棱镜6后的能量没有衰减，成像于基准面阵CCD11上的光束能量E11和成像于测量面阵CCD12上的光束能量E12为：
(1)成像于基准面阵CCD11上的光束能量E11
(a)被λ/4波片8的前表面13直接反射的光束成像于CCD11上的能量E1＝0.1E；
(b)透射经过λ/4波片8的光束，依次经过角锥棱镜10反射、λ/4波片8反射、角锥棱镜10反射，最后再次透射经过λ/4波片8的光束也成像于基准面阵CCD11上，其光束能量E2＝0.0015E。
由于E2和E1相比趋于极小量，可忽略不计。同时，在λ/4波片8和角锥棱镜10之间经过多次反射的光，能量均小于E2，对基准面阵CCD11和测量面阵CCD12成像能量贡献忽略不计。
故E11＝E1＝0.1E。
(2)成像于测量面阵CCD12上的光束能量E12
透射经过λ/4波片8的光束经过衰减片9后，被角锥棱镜10反射，再次经过衰减片9和λ/4波片8后成像于测量面阵CCD12上的光束能量E12＝0.1E。
此时，成像于基准面阵CCD11上的光束能量E11和成像于测量面阵CCD12上的光束能量E12能量相等。
本发明中，将λ/4波片8、衰减片9和角锥棱镜10胶合在一起，防止这三个光学元件之间有空气，导致空气扰动对两束光的影响不一致，影响测量精度。
本发明的方案通过λ/4波片和衰减片在光轴上的透光面积相同，使得成像于基准面阵CCD和测量面阵CCD上的两束光，完全共光路，两束光在光路上的覆盖区域完全相同，空气扰动对两束光产生的影响也完全相同，利用将两个CCD上的图像进行差分计算的方法，可以消除空气扰动产生的测量误差，最终精确测量反射镜转动的角度。本发明适用于自准直仪进行远距离测量。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种抗空气扰动的二维激光自准直仪进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种抗空气扰动的二维激光自准直仪,其特征在于，包括激光器、起偏器、聚光镜、针孔、分光棱镜、偏振分光棱镜、准直物镜、λ/4波片、衰减片、角锥棱镜、基准面阵CCD和测量面阵CCD，所述λ/4波片和所述衰减片在光轴上的透光面积相同，所述激光器发出的光束在光轴上依次经过所述起偏器、所述聚光镜、所述针孔后被所述分光棱镜反射，所述光束通过所述偏振分光棱镜后被所述准直物镜准直为平行光，所述平行光的一部分光被所述λ/4波片前表面反射，依次再经过所述准直物镜、所述偏振分光棱镜、所述分光棱镜后成像在所述基准面阵CCD上；所述平行光的另一部分光经过所述λ/4波片和所述衰减片后被所述角锥棱镜反射，再次经过所述衰减片和所述λ/4波片，光束的偏振态发生改变，经过所述准直物镜准直后被偏振分光棱镜反射成像于测量面阵CCD上。
2.根据权利要求1所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述λ/4波片、所述衰减片和角锥棱镜胶合在一起。
3.根据权利要求1所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述λ/4波片的朝向所述准直物镜的表面具有镀膜，透反比为4：1。
4.根据权利要求1所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述起偏器的起偏方向为竖直方向。
5.根据权利要求1所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述衰减片的透射率为0.42。
6.根据权利要求1所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述角锥棱镜的反射率为0.9。
7.根据权利要求2所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述角锥棱镜设置在所述准直物镜的光轴上，角锥棱镜可沿所述准直物镜的光轴往复直线运动。
8.根据权利要求1所述的抗空气扰动的二维激光自准直仪，其特征在于，所述角锥棱镜的移动范围为0至100米。
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