CN110332882B - 入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿方法，本发明根据激光追踪光学系统测量原理所建立的猫眼在初始测量位置处，入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度的影响模型，以及得到的影响规律，利用干涉信号强度的相对误差来反应猫眼反射镜中心偏离入射光束中心的程度。利用该干涉信号强度的相对误差，补偿由于猫眼反射镜的中心偏离入射光束中心所产生的系统误差，从而提高激光追踪测量系统的测量精度。本发明基于激光追踪光学系统测量原理，建立了激光追踪测量系统中猫眼在初始测量位置处，入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型，根据影响规律，提出补偿误差的方法，提高系统的测量精度。

Description

入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿 方法

技术领域

本发明涉及一种系统误差的补偿方法，特别是对于入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿方法，属于精密测量领域。

背景技术

激光追踪测量系统具有快速、动态、高精度的特点，其在航空、航天、汽车、造船、机械制造等精密工业测量领域的工装设置、零部件检测和机床校准应用广泛。猫眼反射镜作为激光追踪测量系统中的关键部件，直接与被测对象接触，“拾取”被测对象的位置信息，并传递到猫眼反射镜中心的位置和运动轨迹上，实现对被测对象的高精度校准。

在实际应用中，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，被猫眼反射镜反射的光束具有一定的发散角。因此，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，激光追踪测量系统的测量精度会受到影响。目前，针对猫眼反射镜的研究仅停留在对猫眼反射镜自身结构的分析，Kevin等人建立了激光干涉测量系统的波前畸变模型，提出了误差补偿方法，利用猫眼进行微位移测量，提高了系统的测量精度。O.Hofherr等人设计了一种新型猫眼结构，能够补偿球面像差，与同等规格的传统猫眼相比，将被猫眼反射光束的发散角减小了一个数量级。然而，均未针对入射光束偏离猫眼反射镜中心时，激光追踪系统测量精度降低进行补偿方法的研究。

为此有必要基于激光追踪光学系统的测量原理，根据入射光偏离猫眼反射镜中心时对激光追踪系统测量精度的影响规律，发明一种误差补偿的方法。

发明内容

本发明的目的为基于激光追踪光学系统测量原理，建立了激光追踪测量系统中猫眼在初始测量位置处，入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型，根据影响规律，提出补偿误差的方法，提高系统的测量精度。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿方法，该方法包括如下步骤，

步骤一：建立激光追踪测量光学系统模型。如图1所示，由激光器发出的圆偏振光经过检偏器P₁后得到线偏振光，该线偏振光经过偏振分光镜PBS₁后，光矢量平行于入射面的p偏振光被透射，经过四分之一波片QW₁后得到圆偏振光，该光束为参考光束。光矢量垂直于入射面的s光被反射，进入追踪光路部分。分光镜BS₂的棱长为l_BS。分光镜BS₂与偏振分光镜PBS₁之间的距离为l₁。偏振分光镜PBS₁的棱长为l_PBS。偏振分光镜PBS₁与透镜Lens之间的距离为l₂。

经过追踪光路的分光镜BS₂透射后被猫眼反射镜反射，空气折射率为n₁。猫眼的折射率为n₂。猫眼的前半部分透镜的曲率半径为R₁。猫眼的后半部分凹面镜的曲率半径为R₂。猫眼中心与分光镜BS₂的距离为l₀。经过BS₂被透射的光再次经过QW₂得到p偏振光，经过PBS₁透射后，经过四分之一波片QW₃得到圆偏振光。经过透镜Lens聚焦，透镜Lens的厚度为t，透镜Lens的两个面的曲率半径分别为R₄和R₅。透镜Lens的焦距为f。被标准球反射后再次经过QW₃后得到s偏振光，标准球的半径为R₃。经过PBS₁被反射，经过QW₁后得到圆偏振光，该光束为测量光束。参考光束和测量光束进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分进行干涉。分别经光电探测器PD₁，PD₂，PD₃和PD₄接收和光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号。

猫眼在初始测量位置处静止不动。当猫眼反射镜移动时，入射到位置探测器PSD光敏面上的光斑位置发生变化，同时引起激光干涉系统光程差的变化。激光光斑位置的变化由位置探测器PSD测量，并利用PSD测量得到的信号控制电机，进而控制激光追踪光学系统跟随猫眼运动，使得激光追踪光学系统出射的激光束始终入射到猫眼中心，实现追踪测量。

设由于猫眼运动引起的激光追踪测量光学系统的参考光束和测量光束的相位变化为Δψ。激光追踪测量光学系统四路干涉条纹的强度I_A、I_B、I_C、I_D分别为：

其中，A₀为入射光的振幅，Δψ为参考光和测量光的相位差。

激光追踪测量系统在测量过程中，猫眼与标准球之间位移相对变化量L表示为：

其中，n₁为空气中的折射率，n₁＝1，λ为激光光源的波长，λ＝632.8nm。

步骤二：建立入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型。设猫眼的入射光为C₁A₁。C₁为入射光束与分光镜BS₂棱边的交点。A₁为入射光与猫眼前半部分透镜表面的交点。入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射。折射光A₁A₂被猫眼的后半部分反射。A₂为折射光束与猫眼后半部分凹面镜表面的交点。反射光A₂A₃经猫眼前半部分透镜表面折射后出射。A₃为出射光A₃C₃与猫眼前半部分透镜表面的交点。C₃为出射光与分光镜BS₂棱边的交点。z轴的反向延长线与分光镜BS₂的交点为C₂。光束的入射方为向z轴，且激光束从空气入射到猫眼。

入射光偏离猫眼中心的距离为d₀，此时测量光与参考光偏离距离为d_e，产生的附加相位为

参考光和测量光的相位差表示为：

其中，

分别为理想条件下的参考光和测量光的相位，

为入射光束中心与猫眼反射镜中心偏离时，产生的附加相位。

当入射光束中心偏离猫眼反射镜的中心，测量光束光程非理想，非理想的光程与理想光程之间的误差Δ_e，由于

则入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型Δl表示为：

步骤三：建立参考光束与测量光束的光斑重合度模型。猫眼在初始测量位置处当入射光束偏离猫眼中心时，导致参考光束中心和测量光束中心不重合。如图2所示。只有参考光和测量光重叠的区域会产生干涉。定义光斑重合度为参考光束与测量光束的重合程度，即参考光束与测量光束中心距决定了光斑重合度的大小，中心距越大，光斑重合度越低。定义光斑重合度C'表示为：

其中，r_b为激光束的光斑半径，d_e为参考光束与测量光束的中心距，α为光斑中心与垂直方向的夹角，即，

步骤四：建立入射光偏离猫眼中心导致激光追踪系统测量精度下降的补偿模型。当光斑重合度小于1时，激光追踪测量光学系统四路干涉条纹的相对强度分别为：

I_iC'＝I_i·C',i＝A,B,C,D， (9)

激光追踪测量光学系统四路干涉信号强度的相对误差可以表示为：

本发明新型的有益效果为：在激光追踪测量系统实际应用过程中，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，被猫眼反射镜反射的光束具有一定的发散角。因此，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，激光追踪测量系统的测量精度会受到影响。本发明提出一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿方法。根据激光追踪光学系统测量原理所建立的猫眼在初始测量位置处，入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度的影响模型，以及得到的影响规律，利用干涉信号强度的相对误差来反应猫眼反射镜中心偏离入射光束中心的程度。干涉信号的相对光强随着入射光束中心偏离猫眼反射镜的中心的距离增加而降低，且以d₀＝0μm呈中心对称。在理想情况下，即入射光束中心与猫眼反射镜中心重合，光斑重合成度为100％，干涉信号强度的相对误差δ_i＝0％。当猫眼反射镜的中心偏离入射光束中心距离为d₀＝±50μm时，干涉信号强度的相对误差δ_i＝6％。利用该干涉信号强度的相对误差，补偿由于猫眼反射镜的中心偏离入射光束中心所产生的系统误差，从而提高激光追踪测量系统的测量精度。

附图说明

图1是激光追踪测量系统光学参数示意图。

图2是光斑重合度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

步骤一：建立激光追踪测量光学系统模型。由激光器发出的圆偏振光经过检偏器P₁后得到线偏振光，该线偏振光经过偏振分光镜PBS₁后，光矢量平行于入射面的p偏振光被透射，经过四分之一波片QW₁后得到圆偏振光，该光束为参考光束。光矢量垂直于入射面的s光被反射，进入追踪光路部分。分光镜BS₂的棱长为l_BS。分光镜BS₂与偏振分光镜PBS₁之间的距离为l₁。偏振分光镜PBS₁的棱长为l_PBS。偏振分光镜PBS₁与透镜Lens之间的距离为l₂。

经过追踪光路的分光镜BS₂透射后被猫眼反射镜反射，空气折射率为n₁。猫眼的折射率为n₂。猫眼的前半部分透镜的曲率半径为R₁。猫眼的后半部分凹面镜的曲率半径为R₂。猫眼中心与分光镜BS₂的距离为l₀。经过BS₂被透射的光再次经过QW₂得到p偏振光，经过PBS₁透射后，经过四分之一波片QW₃得到圆偏振光。经过透镜Lens聚焦，透镜Lens的厚度为t，透镜Lens的两个面的曲率半径分别为R₄和R₅。透镜Lens的焦距为f。被标准球反射后再次经过QW₃后得到s偏振光，标准球的半径为R₃。经过PBS₁被反射，经过QW₁后得到圆偏振光，该光束为测量光束。参考光束和测量光束进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分进行干涉。分别经光电探测器PD₁，PD₂，PD₃和PD₄接收和光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号。

猫眼在初始测量位置处静止不动。当猫眼反射镜移动时，入射到位置探测器PSD光敏面上的光斑位置发生变化，同时引起激光干涉系统光程差的变化。激光光斑位置的变化由位置探测器PSD测量，并利用PSD测量得到的信号控制电机，进而控制激光追踪光学系统跟随猫眼运动，使得激光追踪光学系统出射的激光束始终入射到猫眼中心，实现追踪测量。

设由于猫眼运动引起的激光追踪测量光学系统的参考光束和测量光束的相位变化为Δψ。激光追踪测量光学系统四路干涉条纹的强度分别为：

其中，A₀为入射光的振幅，Δψ为参考光和测量光的相位差。

激光追踪测量系统在测量过程中，猫眼与标准球之间位移相对变化量L表示为：

其中，n₁为空气中的折射率，n₁＝1，λ为激光光源的波长，λ＝632.8nm。

步骤二：建立入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型。设猫眼的入射光为C₁A₁。C₁为入射光束与分光镜BS₂棱边的交点。A₁为入射光与猫眼前半部分透镜表面的交点。入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射。折射光A₁A₂被猫眼的后半部分反射。A₂为折射光束与猫眼后半部分凹面镜表面的交点。反射光A₂A₃经猫眼前半部分透镜表面折射后出射。A₃为出射光A₃C₃与猫眼前半部分透镜表面的交点。C₃为出射光与分光镜BS₂棱边的交点。z轴的反向延长线与分光镜BS₂的交点为C₂。光束的入射方为向z轴，且激光束从空气入射到猫眼。入射光偏离猫眼中心的距离为d₀，此时测量光与参考光偏离距离为d_e，产生的附加相位为

参考光和测量光的相位差表示为：

其中，

分别为理想条件下的参考光和测量光的相位，

为入射光束中心与猫眼反射镜中心偏离时，产生的附加相位。

当入射光束中心偏离猫眼反射镜的中心，测量光束光程非理想，非理想的光程与理想光程之间的误差Δ_e，由于

则入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型Δl表示为：

步骤三：建立参考光束与测量光束的光斑重合度模型。猫眼在初始测量位置处当入射光束偏离猫眼中心时，导致参考光束中心和测量光束中心不重合。如图2所示。只有参考光和测量光重叠的区域会产生干涉。定义光斑重合度为参考光束与测量光束的重合程度，即参考光束与测量光束中心距决定了光斑重合度的大小，中心距越大，光斑重合度越低。定义光斑重合度C'表示为：

其中，r_b为激光束的光斑半径，d_e为参考光束与测量光束的中心距，α为光斑中心与垂直方向的夹角，即，

步骤四：建立入射光偏离猫眼中心导致激光追踪系统测量精度下降的补偿模型。当光斑重合度小于1时，激光追踪测量光学系统四路干涉条纹的相对强度分别为：

I_iC'＝I_i·C',(i＝A,B,C,D)(19)

激光追踪测量光学系统四路干涉信号强度的相对误差表示为：

为了验证入射光偏离猫眼中心导致激光追踪系统测量精度下降的补偿模型的正确性，进行了仿真验证。仿真实验结果表明，干涉信号的相对光强随着入射光束中心偏离猫眼反射镜的中心的距离增加而降低，且以d₀＝0μm呈中心对称。在理想情况下，即入射光束中心与猫眼反射镜中心重合，光斑重合成度为100％，干涉信号强度的相对误差δ_i＝0％。当猫眼反射镜的中心偏离入射光束中心距离为d₀＝±50μm时，干涉信号强度的相对误差δ_i＝6％。利用干涉信号强度的相对误差，补偿由于猫眼反射镜的中心偏离入射光束中心所产生的系统误差。

Claims (1)

1.入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的补偿方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，

步骤一：建立激光追踪测量光学系统模型；

步骤二：建立入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型；

步骤三：建立参考光束与测量光束的光斑重合度模型；

步骤四：建立入射光偏离猫眼中心导致激光追踪系统测量精度下降的补偿模型；

步骤一中，由激光器发出的圆偏振光经过检偏器P₁后得到线偏振光，该线偏振光经过偏振分光镜PBS₁后，光矢量平行于入射面的p偏振光被透射，经过四分之一波片QW₁后得到圆偏振光，该光束为参考光束；光矢量垂直于入射面的s光被反射，进入追踪光路部分；分光镜BS₂的棱长为l_BS；分光镜BS₂与偏振分光镜PBS₁之间的距离为l₁；偏振分光镜PBS₁的棱长为l_PBS；偏振分光镜PBS₁与透镜Lens之间的距离为l₂；

经过追踪光路的分光镜BS₂透射后被猫眼反射镜反射，空气折射率为n₁；猫眼的折射率为n₂；猫眼的前半部分透镜的曲率半径为R₁；猫眼的后半部分凹面镜的曲率半径为R₂；猫眼中心与分光镜BS₂的距离为l₀；经过BS₂被透射的光再次经过QW₂得到p偏振光，经过PBS₁透射后，经过四分之一波片QW₃得到圆偏振光；经过透镜Lens聚焦，透镜Lens的厚度为t，透镜Lens的两个面的曲率半径分别为R₄和R₅；透镜Lens的焦距为f；被标准球反射后再次经过QW₃后得到s偏振光，标准球的半径为R₃；经过PBS₁被反射，经过QW₁后得到圆偏振光，该光束为测量光束；参考光束和测量光束进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分进行干涉；分别经光电探测器PD₁，PD₂，PD₃和PD₄接收和光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号；

猫眼在初始测量位置处静止不动；当猫眼反射镜移动时，入射到位置探测器PSD光敏面上的光斑位置发生变化，同时引起激光干涉系统光程差的变化；激光光斑位置的变化由位置探测器PSD测量，并利用PSD测量得到的信号控制电机，进而控制激光追踪光学系统跟随猫眼运动，使得激光追踪光学系统出射的激光束始终入射到猫眼中心，实现追踪测量；

设由于猫眼运动引起的激光追踪测量光学系统的参考光束和测量光束的相位变化为Δψ；激光追踪测量光学系统四路干涉条纹的强度I_A、I_B、I_C、I_D分别为：

其中，A₀为入射光的振幅，Δψ为参考光和测量光的相位差；

激光追踪测量系统在测量过程中，猫眼与标准球之间位移相对变化量L表示为：

其中，n₁为空气中的折射率，n₁＝1，λ为激光光源的波长，λ＝632.8nm；

步骤二中，设猫眼的入射光为C₁A₁；C₁为入射光束与分光镜BS₂棱边的交点；A₁为入射光与猫眼前半部分透镜表面的交点；入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射；折射光A₁A₂被猫眼的后半部分反射；A₂为折射光束与猫眼后半部分凹面镜表面的交点；反射光A₂A₃经猫眼前半部分透镜表面折射后出射；A₃为出射光A₃C₃与猫眼前半部分透镜表面的交点；C₃为出射光与分光镜BS₂棱边的交点；z轴的反向延长线与分光镜BS₂的交点为C₂；光束的入射方为向z轴，且激光束从空气入射到猫眼；

入射光偏离猫眼中心的距离为d₀，此时测量光与参考光偏离距离为d_e，产生的附加相位为

参考光和测量光的相位差表示为：

其中，

分别为理想条件下的参考光和测量光的相位，

为入射光束中心与猫眼反射镜中心偏离时，产生的附加相位；

当入射光束中心偏离猫眼反射镜的中心，测量光束光程非理想，非理想的光程与理想光程之间的误差Δ_e，由于

则入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型Δl表示为：

步骤三中，猫眼在初始测量位置处当入射光束偏离猫眼中心时，导致参考光束中心和测量光束中心不重合；只有参考光和测量光重叠的区域会产生干涉；定义光斑重合度为参考光束与测量光束的重合程度，即参考光束与测量光束中心距决定了光斑重合度的大小，中心距越大，光斑重合度越低；定义光斑重合度C'表示为：

其中，r_b为激光束的光斑半径，d_e为参考光束与测量光束的中心距，α为光斑中心与垂直方向的夹角，即，

步骤四中，当光斑重合度小于1时，激光追踪测量光学系统四路干涉条纹的相对强度分别为：

I_iC'＝I_i·C',i＝A,B,C,D， (9)

激光追踪测量光学系统四路干涉信号强度的相对误差表示为：

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