CN109579744A - 基于光栅的跟随式三维光电自准直方法与装置 - Google Patents

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Abstract

基于光栅的跟随式三维光电自准直方法与装置属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；本发明采用一维反射光栅作为敏感器件，一维透射光栅作为光路校正器件，保证待测光束与入射光束光轴平行，在实现高精度三维角度变化量测量的同时，极大的增加了测量系统的工作距离，同时使整个测量系统更加紧凑；同时为了避免俯仰角与旋转角由于彼此耦合而限制该两方向的角度变化量测量范围，采用跟随式补偿测量方法与装置，在解除俯仰角的测量范围限制的同时，提高了旋转角的测量范围；本发明解决了现有方法与装置中的不足，实现了高精度、大范围三维角度测量。

Description

基于光栅的跟随式三维光电自准直方法与装置
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，主要涉及一种基于光栅的跟随式三维光电自准直方法与装置。
背景技术
角度测量是精密测试计量技术的重要组成部分，精密角度测量在精密测量、运动监控、大型建筑的变形量测量、精密仪器加工与校准以及光学器件的形貌检测等工程应用中都具有非常重要的作用。基于光学的高精度测角方法由于其具有非接触、高精度和高灵敏度等优点被广泛应用于精密角度测量领域。
目前常用的光学角度测量方法主要有：光学自准直法、激光干涉法、激光偏振态测量法、光学内反射法等。其中激光干涉法和光学自准直法的应用最为广泛。激光干涉法已经能够实现极高精度的角度测量，但是激光干涉系统往往比较复杂，并且大部分只能实现一维角度测量，要实现三维角度测量需要三套测量系统结合，使得系统更加庞大、复杂，功能实现比较困难；光学自准直法是商用化程度最高的角度测量方法，由于其工作距离远、测量精度高等优点被广泛地应用于科研领域，但是该方法只能实现二维角度测量，无法实现滚转角的测量。因此，结构简单、测量精度高以及实现三维角度同时测量的高精度角度测量装置的研发显得十分必要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述已有方法与装置中的不足，为实现和达到高精度三维角度测量的目的，提出了一种基于光栅的跟随式三维光电自准直方法与装置。
本发明的目的是这样实现的：基于光栅的跟随式三维光电自准直方法包括以下步骤：
①、将激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并发射；
②、①中所述准直光束在经过偏振分光镜后垂直入射到1/4波片，经过1/4波片透射后垂直入射到一维平面反射光栅，产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光；
③、②中所述的零级衍射光束经过1/4波片后入射到准直透镜，经过准直透镜聚焦后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射后由位于准直透镜焦平面处的光电探测器接收，用于测量一维平面反射光栅的偏摆角和俯仰角变化值；
④、②中所述的正一级衍射光束和负一级衍射光束经过1/4波片后分别经过一维平面透射光栅，得到两束与光轴平行的衍射光束；
⑤、④中所述的两束与光轴平行的衍射光束分别经准直透镜聚焦后由位于准直透镜焦平面处的光电探测器接收，用于测量一维平面反射光栅的旋转角变化值；
⑥、⑤中所述旋转角变化值信号作为一维柔性铰链控制器的输入信号，柔性铰链的旋转方向与三维调姿平台的旋转角变化方向一致，同时记录一维柔性铰链旋转的角度值；
一维柔性铰链旋转的角度值按如下公式获取：
其中：Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的竖直方向位置差；Δd-1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的水平方向位置差；f为准直透镜、聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；θ为一维平面反射光栅、一维平面透射光栅A和一维平面透射光栅B的一级衍射角。
⑦、当一维平面反射光栅发生三维角度变化时，三个光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得一维平面反射光栅的三维角度变化值；
待测量一维平面反射光栅的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：
其中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的水平方向和竖直方向位置差。
基于光栅的跟随式三维光电自准直装置的结构是：激光器出射的光束经过偏振分光镜透射后，由准直透镜准直后产生准直光束a，准直光束a经过1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅产生零级衍射光束b、正一级衍射光束d和负一级衍射光束c；零级衍射光束b经过准直透镜聚焦后再经过偏振分光镜反射，由位于准直透镜焦平面处的光电探测器C接收；正负一级衍射光束d和负一级衍射光束c分别经过一维平面透射光栅A和一维平面透射光栅B产生两束与准直光束a相平行的衍射光束e和衍射光束f；衍射光束e经聚焦透镜A聚焦后，由位于聚焦透镜A焦平面处的光电探测器A接收；衍射光束f经聚焦透镜B聚焦后，由位于聚焦透镜B焦平面处的光电探测器B接收；所述光电探测器A、光电探测器B以及光电探测器C与计算机相连；
所述1/4波片、一维平面反射光栅和载物台之间刚性连接组成组合靶标，用于产生待测量光束；
所述一维平面透射光栅A、一维平面透射光栅B和一维偏转装置之间刚性连接组成旋转角补偿机构；
所述激光器、偏振分光镜、准直透镜、聚焦透镜A、聚焦透镜B、光电探测器A、光电探测器B、光电探测器C和计算机组成光源和信号接收、处理系统。
本发明的优点是：
(1)、本发明采用一维反射光栅作为敏感器件，一维透射光栅作为光路校正器件，保证待测光束与入射光束光轴平行，在实现高精度三维角度变化量测量的同时，极大的增加了测量系统的工作距离，同时使整个测量系统更加紧凑
(2)、本发明为了避免俯仰角与旋转角由于彼此耦合而限制该两方向的角度变化量测量范围而采用了跟随式补偿测量方法。该方法使得旋转角测量范围限制由光电探测器的有效面积转变为一维柔性铰链的角度运动范围，增大了旋转角的测量范围，同时也相应的增大了俯仰角的测量范围。
附图说明
图1是基于光栅的跟随式三维光电自准直装置结构示意图
图2是三维角度测量光斑位置变化示意图
图3是跟随式补偿机构工作原理示意图
图中件号说明:1、激光 2、偏振分光镜 3、准直透镜 4、1/4波片 5、一维平面反射光栅 6、载物台 7、一维平面透射光栅A 8、一维平面透射光栅B 9、一维偏转装置 10、聚焦透镜A 11、聚焦透镜B 12、光电探测器A 13、光电探测器B 14、光电探测器C 15、计算机
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明做详细描述。
本发明基于光栅的跟随式三维光电自准直方法包括以下步骤：
①、将激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并发射；
②、①中所述准直光束在经过偏振分光镜后垂直入射到1/4波片，经过1/4波片透射后垂直入射到一维平面反射光栅，产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光；
③、②中所述的零级衍射光束经过1/4波片后入射到准直透镜，经过准直透镜聚焦后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射后由位于准直透镜焦平面处的光电探测器接收，用于测量一维平面反射光栅的偏摆角和俯仰角变化值；
④、②中所述的正一级衍射光束和负一级衍射光束经过1/4波片后分别经过一维平面透射光栅，得到两束与光轴平行的衍射光束；
⑤、④中所述的两束与光轴平行的衍射光束分别经准直透镜聚焦后由位于准直透镜焦平面处的光电探测器接收，用于测量一维平面反射光栅的旋转角变化值；
⑥、⑤中所述旋转角变化值信号作为一维柔性铰链控制器的输入信号，柔性铰链的旋转方向与三维调姿平台的旋转角变化方向一致，同时记录一维柔性铰链旋转的角度值；
一维柔性铰链旋转的角度值按如下公式获取：
其中：Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的竖直方向位置差；Δd-1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的水平方向位置差；f为准直透镜、聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；θ为一维平面反射光栅、一维平面透射光栅A和一维平面透射光栅B的一级衍射角。
⑦、当一维平面反射光栅发生三维角度变化时，三个光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得一维平面反射光栅的三维角度变化值；
待测量一维平面反射光栅的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：
其中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的水平方向和竖直方向位置差。
如图1所示，基于光栅的跟随式三维光电自准直装置的结构是：激光器1出射的光束经过偏振分光镜2透射后，由准直透镜3准直后产生准直光束a，准直光束a经过1/4波片4后垂直入射到一维平面反射光栅5产生零级衍射光束b、正一级衍射光束d和负一级衍射光束c；零级衍射光束b经过准直透镜3聚焦后再经过偏振分光镜2反射，由位于准直透镜3焦平面处的光电探测器C14接收；正负一级衍射光束d和负一级衍射光束c分别经过一维平面透射光栅A7和一维平面透射光栅B8产生两束与准直光束a相平行的衍射光束e和衍射光束f；衍射光束e经聚焦透镜A10聚焦后，由位于聚焦透镜A10焦平面处的光电探测器A12接收；衍射光束f经聚焦透镜B11聚焦后，由位于聚焦透镜B11焦平面处的光电探测器B13接收；所述光电探测器A12、光电探测器B13以及光电探测器C14与计算机15相连；
所述1/4波片4、一维平面反射光栅5和载物台6之间刚性连接组成组合靶标102，用于产生待测量光束；
所述一维平面透射光栅A7、一维平面透射光栅B8和一维偏转装置9之间刚性连接组成旋转角补偿机构101；
所述激光器1、偏振分光镜2、准直透镜3、聚焦透镜A10、聚焦透镜B11、光电探测器A12、光电探测器B13、光电探测器C14和计算机15组成光源和信号接收、处理系统103。
如图2所示，当组合靶标102发生三维角度变化时，光电探测器A12、光电探测器B13、光电探测器C14接收到的光斑位置会发生相应的变化，通过计算光斑在水平方向和竖直方向的位置变化量可以解算出组合靶标102的三维角度变化值。
如图3所示，当得到组合靶标102旋转角γ角后，以旋转角变化值γ作为一维偏转装置9的驱动器的输入量，控制旋转角补偿机构101旋转γ角，此时衍射光束e与衍射光束f的传播方向与准直光束a平行，此时光电探测器A12与光电探测器B13接收到的光斑始终处于中间位置(零位)。当组合靶标102在此基础上存在俯仰角β变化时，光电探测器A12与光电探测器B13接收到的光斑位置变化只与俯仰角β有关，与旋转角γ无关。因此跟随式补偿方法能够始终保证旋转角的测量范围不受光电探测器的有效面尺寸限制，并且俯仰角的测量范围不会受到旋转角耦合的影响。

Claims (3)

1.一种基于光栅的跟随式三维光电自准直方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
①、将激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并发射；
②、①中所述准直光束在经过偏振分光镜后垂直入射到1/4波片，经过1/4波片透射后垂直入射到一维平面反射光栅，产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光；
③、②中所述的零级衍射光束经过1/4波片后入射到准直透镜，经过准直透镜聚焦后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射后由位于准直透镜焦平面处的光电探测器接收，用于测量一维平面反射光栅的偏摆角和俯仰角变化值；
④、②中所述的正一级衍射光束和负一级衍射光束经过1/4波片后分别经过一维平面透射光栅，得到两束与光轴平行的衍射光束；
⑤、④中所述的两束与光轴平行的衍射光束分别经准直透镜聚焦后由位于准直透镜焦平面处的光电探测器接收，用于测量一维平面反射光栅的旋转角变化值；
⑥、⑤中所述旋转角变化值信号作为一维柔性铰链控制器的输入信号，柔性铰链的旋转方向与三维调姿平台的旋转角变化方向一致，同时记录一维柔性铰链旋转的角度值；
一维柔性铰链旋转的角度值按如下公式获取：
其中：Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的竖直方向位置差；Δd-1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的水平方向位置差；f为准直透镜、聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；θ为一维平面反射光栅、一维平面透射光栅A和一维平面透射光栅B的一级衍射角。
⑦、当一维平面反射光栅发生三维角度变化时，三个光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得一维平面反射光栅的三维角度变化值；
待测量一维平面反射光栅的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：
其中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的水平方向和竖直方向位置差。
2.一种基于光栅的跟随式三维光电自准直装置，其特征在于：激光器(1)出射的光束经过偏振分光镜(2)透射后，由准直透镜(3)准直后产生准直光束a，准直光束a经过1/4波片(4)后垂直入射到一维平面反射光栅(5)产生零级衍射光束b、正一级衍射光束d和负一级衍射光束c；零级衍射光束b经过准直透镜(3)聚焦后再经过偏振分光镜(2)反射，由位于准直透镜(3)焦平面处的光电探测器C(14)接收；正负一级衍射光束d和负一级衍射光束c分别经过一维平面透射光栅A(7)和一维平面透射光栅B(8)产生两束与准直光束a相平行的衍射光束e和衍射光束f；衍射光束e经聚焦透镜A(10)聚焦后，由位于聚焦透镜A(10)焦平面处的光电探测器A(12)接收；衍射光束f经聚焦透镜B(11)聚焦后，由位于聚焦透镜B(11)焦平面处的光电探测器B(13)接收；所述光电探测器A(12)、光电探测器B(13)以及光电探测器C(14)与计算机(15)相连；
所述1/4波片(4)、一维平面反射光栅(5)和载物台(6)之间刚性连接组成组合靶标(102)，用于产生待测量光束；
所述一维平面透射光栅A(7)、一维平面透射光栅B(8)和一维偏转装置(9)之间刚性连接组成旋转角补偿机构(101)；
所述激光器(1)、偏振分光镜(2)、准直透镜(3)、聚焦透镜A(10)、聚焦透镜B(11)、光电探测器A(12)、光电探测器B(13)、光电探测器C(14)和计算机(15)组成光源和信号接收、处理系统(103)。
3.根据权利要求2所述的一维平面透射光栅A(7)、一维平面透射光栅B(8)和一维平面反射光栅(5)，其特征在于三个光栅具有相同的光栅周期。
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