CN113639675B - 基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法与装置；该装置由半导体激光光源、凸透镜、多狭缝光阑、分光镜、偏振分光镜、转折镜、变形镜、准直物镜组、面阵CCD、四象限位置探测器、固定平面反射镜以及反射靶标组成；该方法赋予反射靶标在光轴方向上的不对称性，使测量光束携带被测物俯仰角、偏航角信息的同时，敏感于被测物滚转角变化，从而使仪器装置具有对被测物三维角度变化的探测能力；由于本发明利用准直物镜组极大提高物镜焦距，因此具有在相同测量量程下，角度极限分辨力达到纳弧度量级的技术优势；利用凸透镜以及多狭缝光阑，同时利用四象限位置探测器与变形镜进行漂移量反馈，提高系统稳定性至十纳弧度量级，从而解决光束漂移量限制自准直仪极限分辨力的问题。此外，本发明所设计的系统装置具有结构体积小、测量精度高、测量频响高的技术优势。

Description

基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法与装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法与装置。

背景技术

在精密测量技术领域、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作范围下进行高分辨力、高精度、高稳定性的自准直角度测量技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。

在精密测量技术与仪器领域，自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.01角秒。

在光学工程领域和尖端科学实验领域，自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路自准直仪组成位置基准，可以进行两两光轴夹角或平行性的测量。角度工作范围从几十角秒至几十角分。

在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。

自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。

传统自准直仪如图1所示，该装置包括激光光源1、第一凸透镜41、第一分光镜2以及图像传感器3；激光光源1出射的光束，经过凸透镜41准直成平行光束后，入射到被测物51的反射面；从被测物51反射面反射的光束，由图像传感器3采集成像。这种结构下，从被测物51表面反射的光束只携带了被测物两轴的空间角度信息；自准直仪准直透镜的焦距一般为500mm，而常用传感器的极限位移分辨力在30到50nm之间，同时由于激光光源存在较大的漂移量，测量的不稳定性严重影响测量的极限分辨力。这些条件限制，使得该装置在测量被测物的空间角度信息时，不能测得被测物绕光轴方向转动的角度信息，只能测量到其它两轴的角度信息；同时该装置在测量被测物的空间角度信息时，难以突破0.003角秒(十纳弧度量级)的分辨力瓶颈。

综上所述，该系统存在以下三个问题：

第一、由于自准直仪的反射靶标只敏感于被测物两轴的空间角度信息，测量光束不携带绕光轴旋转的滚转角信息，因此该装置不具备测量物体空间三维角度信息的能力；

第二、由于自准直仪的准直物镜组焦距较短，大量程范围内传统位移传感器极限位移分辨力低，因此该装置难以达到0.001角秒(纳弧度量级)的高角度分辨力；

第三、传统自准直技术的激光光源存在光束漂移量，其光束的角漂量与平漂量严重影响自准直仪的稳定性，进而限制了自准直仪的极限分辨力。激光光源经凸透镜准直后由于其漂移量的存在，准直精度只能达到10^-7弧度量级(百纳弧度量级)。其光源的不稳定性带来的噪声严重限制了自准直仪极限分辨力的提高。

因此传统自准直技术，在不具备三维角度信息测量能力的同时，无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力。

发明内容

针对传统自准直角度测量装置所存在的无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力以及不具备三维角度信息测量能力的问题，本发明公开了基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法与装置。

该方法在光源出射端利用四象限位置探测器作为反馈探测模块，实时高精度的检测该装置中光源产生的平漂、角漂的漂移量；利用变形镜作为反馈执行模块，根据所测量的漂移量实时高速地进行闭环反馈控制，将光源出射的光斑始终控制在四象限位置探测器的中心位置，从而直接提高光源的稳定性，降低漂移量。实验表明，该方法可实时高速地将光源的平漂、角漂漂移量控制至十纳弧度量级，解决由于光束的漂移量限制自准直仪极限分辨力的问题；

同时该方法利用准直物镜组扩大角度测量装置准直物镜的焦距至3-4倍，进而将整体系统的极限角度分辨力提升至纳弧度量级。实验表明，该方法在三百角秒量程范围内可实现千分之一角秒的角度分辨力，解决自准直仪无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力的问题；

本发明利用反射靶标与固定平面反射镜作为物体空间三维转角探测单元。这种结构设置，赋予反射靶标在光轴方向上的不对称性，使测量光束携带被测物俯仰角、偏航角信息的同时，敏感于被测物绕光轴方向转动的滚转角，使仪器装置具备了测量物体绕光轴滚转角及垂直光轴的俯仰角、偏航角角度的三维角度测量能力，解决自准直仪不具备三维角度信息测量能力的问题；

因此，该发明同传统自准直测量装置相比，具有在相同测量量程的条件下具有纳弧度量级的高角度分辨力以及三维角度信息测量能力的技术优势。

本发明的目的是这样实现的：

基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，包括半导体激光光源、第一凸透镜、第四凸透镜、第一凹透镜、多狭缝光阑、偏振片、第一分光镜、第二分光镜、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一转折镜、第二转折镜、第一面阵CCD、第二面阵CCD、四象限位置探测器、平面反射镜、固定平面反射镜以及变形镜；半导体激光光源经第四凸透镜准直，变形镜反射后，平行入射于多狭缝光阑；以多狭缝光阑作为物面，发出的测量光经偏振片透射变为线偏振光；经第二分光镜反射的线偏振光，垂直入射于四象限位置光电探测器，作为漂移量反馈探测单元；经第二分光镜透射的线偏振光，经过第一转折镜、第二转折镜的转折后，垂直入射于准直物镜组准直成平行光束，入射于反射靶标；一路透过反射靶标中的第一偏振分光镜，入射到反射靶标中的平面反射镜上，反射的光束再经过反射靶标中的第一偏振分光镜透射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜透射后由第一面阵CCD采集成像；另一路被反射靶标中的第一偏振分光镜反射，入射到固定平面反射镜上，反射的光束再经过反射靶标中的第一偏振分光镜反射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜反射后由第二面阵CCD采集成像；

所述变形镜用于调整测量光，使测量光垂直入射于多狭缝光阑；

所述多狭缝光阑是由两组三条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源经第四凸透镜准直后照射于多狭缝光阑，因此两组互相垂直的三条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

或

所述多狭缝光阑是由两组四条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源经第四凸透镜准直后照射于多狭缝光阑，因此两组互相垂直的四条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

所述偏振片可以调整激光光源的偏振方向，经过偏振片的光源偏振方向与反射靶标中第一偏振分光镜的两路相互垂直的偏振方向均不相同。偏振片可以调整第一面阵CCD与第二面阵CCD所接收的测量光光斑光强，使测量端两路保持一致；

所述反射靶标包括第一偏振分光镜和平面反射镜，其安装至被测物的测量表面上；而固定平面反射镜独立于反射靶标，其不与反射靶标和被测物相连，其固定于与光源、分光镜、传感器、准直透镜组固定的相同测量基座上。当被测物发生空间三维角度转动时，反射靶标随被测物产生相同的空间三维角度转动，而固定反射镜和测量装置的其他部分固定于测量基座上不产生运动；

所述四象限位置探测器采集半导体激光光源的实时漂移量，对测量结果进行修正，进一步提高系统装置的稳定性；

所述准直物镜组由第一凸透镜与第一凹透镜组成，构成摄远物镜组，其焦距远大于第一凸透镜，从而提高自准直仪的极限角度分辨力；

所述第一转折镜与第二转折镜互相平行放置，均与主光轴存在一个固定小角度，使得本系统装置的长焦光路得以折叠，从而缩小系统的空间尺寸。

一种在上述基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置上实现的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标固定至被测物表面，放置固定反射镜使其镜面平行于反射靶标中第一偏振分光镜的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源，调整被测物以及固定反射镜的位置，使第一面阵CCD与第二面阵CCD接收的光斑处于传感器中心位置，使固定反射镜的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD与第二面阵CCD的光斑明亮程度，调节偏振片转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器输出半导体激光光源的光斑位移漂移量E1、E2时，变形镜调整半导体激光光源的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

有益效果：

1、针对传统自准直角度测量装置所存在的不具备高测量稳定性的问题，提出了基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法。该方法在光源出射端利用四象限位置探测器作为反馈探测模块，实时高精度的检测该装置中光源产生的平漂、角漂的漂移量；利用变形镜作为反馈执行模块，根据所测量的漂移量实时高速地进行闭环反馈控制，将光源出射的光斑始终控制在四象限位置探测器的中心位置，从而直接提高光源的稳定性，降低漂移量；变形镜动态特性强，对光束的漂移量可以进行快速补偿，最终实现将光源的平漂、角漂漂移量控制至十纳弧度量级，解决由于光束的漂移量限制自准直仪极限分辨力的问题，这是本发明区别于现有技术的创新点之一；

2、相较于传统测量装置，本发明装置利用准直物镜组扩大角度测量装置准直物镜的焦距至3-4倍，进而将整体系统的极限角度分辨力提升至纳弧度量级。解决自准直仪无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力的问题，这是本发明区别于现有技术的创新点之二；

3、针对传统自准直角度测量装置所存在的不具备三维角度信息测量能力的问题，本发明利用反射靶标与固定平面反射镜作为物体空间三维转角探测单元。这种结构设置，赋予反射靶标在光轴方向上的不对称性，使测量光束携带被测物俯仰角、偏航角信息的同时，敏感于被测物绕光轴方向转动的滚转角，使仪器装置具备了测量物体绕光轴滚转角及垂直光轴的俯仰角、偏航角角度的三维角度测量能力，解决自准直仪不具备三维角度信息测量能力的问题，这是本发明区别于现有技术的创新点之三。

除此之外，本发明还具有以下几种技术优势：

第一、选择第一转折镜、第二转折镜对系统长焦光路进行两次折叠，缩小了系统装置的体积，更加适用于现场测量环境，同时避免系统装置由于尺寸过大带来的空气波动对测量结果的影响；

第二、选择多狭缝光阑作为角度测量装置的物，每个面阵CCD上两组三条纹光斑同时定位提高系统测量稳定性的同时，也提高了角度测量装置的测量精度；

第三、选择固定平面反射镜作为第三维角度传感装置，结构简单且与另外绕垂直于光轴两轴的传感原理基本一致，使得本发明的绕光轴方向与垂直于光轴两轴的其他两轴方向的旋转角都保持相同量级的高测量精度。

附图说明

图1是传统自准直角度测量装置的结构示意图。

图2是本发明基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置具体实施例一的结构示意图。

图3是具体实施例一中两种多狭缝光阑8的结构示意图。

图4是本发明基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置具体实施例二的结构示意图。

图5是本发明基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置具体实施例三的结构示意图。

图6是本发明基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置具体实施例四的结构示意图。

图中：1激光光源、2第一分光镜、3图像传感器、4准直物镜组、41第一凸透镜、42第一凹透镜、43第二凹透镜、44第二凸透镜、45第三凸透镜、5反射靶标、51平面反射镜、52第一偏振分光镜、6半导体激光光源、7第四凸透镜、8多狭缝光阑、9偏振片、10第二偏振分光镜、11第一面阵CCD、12第二面阵CCD、13第二分光镜、14四象限位置探测器、15第一转折镜、16第二转折镜、17固定平面反射镜、18变形镜。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，结构示意图如图2所示。该角度测量装置包括第一分光镜2、准直物镜组4(第一凸透镜41、第一凹透镜42)、反射靶标5(平面反射镜51、第一偏振分光镜52)、半导体激光光源6、第四凸透镜7、多狭缝光阑8、偏振片9、第二偏振分光镜10、第一面阵CCD11、第二面阵CCD12、第二分光镜13、四象限位置探测器14、第一转折镜15、第二转折镜16、固定平面反射镜17、变形镜18。

半导体激光光源6经第二凸透镜7准直，再经变形镜18反射后，平行入射于多狭缝光阑8；以多狭缝光阑8、作为物面，发出的测量光经偏振片9透射；经第二分光镜13反射的线偏振光，垂直入射于四象限位置光电探测器14，作为漂移量反馈探测单元；经第二分光镜13透射的线偏振光，经过第一转折镜15、第二转折镜16的转折后，垂直入射于准直物镜组4准直成平行光束，入射于反射靶标5；一路透过反射靶标5中的第一偏振分光镜52，入射到反射靶标5中的平面反射镜51上，反射的光束再经过反射靶标5中的第一偏振分光镜52透射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜10透射后由第一面阵CCD11采集成像；另一路被反射靶标中的第一偏振分光镜52反射，入射到固定平面反射镜17上，反射的光束再经过反射靶标中的第一偏振分光镜52反射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜10反射后由第二面阵CCD12采集成像；

所述多狭缝光阑8是由两组三条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源6经第四凸透镜7准直后照射于多狭缝光阑8，因此两组互相垂直的三条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

或

所述多狭缝光阑8是由两组四条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源6经第四凸透镜7准直后照射于多狭缝光阑8，因此两组互相垂直的四条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

所述变形镜18放置于第四凸透镜7与多狭缝光阑8之间，用于调整测量光，使测量光垂直入射于多狭缝光阑8；

所述反射靶标5包括第一偏振分光镜52和平面反射镜51，其安装至被测物的测量表面上，因此合作靶标5的空间三维角度变化即为被测物的空间三维角度变化；而固定平面反射镜17独立于反射靶标，其不与反射靶标5和被测物相连，其固定于测量基座上；

所述准直物镜组4由第一凸透镜41与第一凹透镜42组成；第一面阵CCD11和第二面阵CCD12设置在准直物镜组4焦平面处，与多狭缝光阑8的位置共轭；当反射靶标5不产生三维角度变化的条件下，第一面阵CCD11与第二面阵CCD12所采集的光斑中心均在传感器几何中心位置；所述四象限位置探测器14设置在第四分光镜13后，采集半导体激光光源6的实时漂移量；

所述第一转折镜15与第二转折镜16互相平行放置，均与主光轴存在一个固定小角度。

测量原理如下：

若测量被测物的空间三维转角，首先需定义反射靶标5三维转角的空间坐标系：设光轴方向为x轴、向下的方向为y轴、垂直反射靶标5表面向外的方向为z轴；且定义反射靶标5的空间三维转角分别为绕x轴、y轴、z轴顺时针方向旋转的ɑ、β、γ。

其次，所述反射靶标5，包括第一偏振分光镜52和平面反射镜51，固定在被测物的表面上，因此反射靶标5的空间三维角度变化即为被测物的空间三维角度变化。而固定平面反射镜17则不与反射靶标5连接，其固定于测量基座上。

当被测物绕x轴、y轴、z轴顺时针方向分别旋转ɑ、β、γ角从而产生空间三维角度转动时，反射靶标5也绕x轴、y轴、z轴顺时针方向分别旋转了ɑ、β、γ角，而固定平面反射镜17空间位置不变。

四象限位置探测器19实时测量半导体激光光源6的漂移量，光束光斑与四象限位置探测器14中心位置分别产生位移漂移量E1与E2；变形镜18调整光源光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0。

经过第一偏振分光镜52透射入射于反射靶标5中平面反射镜51上的光束，由于平面反射镜51随被测物产生空间三维角度转动，因此经平面反射镜51反射的光束与原光束产生2β、2γ角的偏转。与传统自准直仪测量的原理一致，此路光束汇聚于第一面阵CCD11上，光束光斑与图像传感器中心位置分别产生位移S1与S2。

且满足以下关系，S1-E1＝f·tan(2β),S2-E2＝f·tan(2γ)，f为准直物镜组4的焦距。

因此根据第一面阵CCD11上光斑与传感器中心位置的位移S1与S2，就可以计算出被测物绕y轴、z轴旋转的角度β、γ角。

经过第一偏振分光镜52反射入射于固定平面反射镜17的光束，由于第一偏振分光镜52随被测物产生空间三维角度转动，因此经固定平面反射镜17反射的光束，再经第一偏振分光镜52反射与原光束产生θ角的偏转，此路光束汇聚于第二面阵CCD12上，光束光斑与传感器中心位置产生位移S3。

且满足以下关系，S3-E1＝f·tan(θ)，f为准直物镜组4的焦距。

由空间几何关系得θ＝F(ɑ，β，γ)，同理可得ɑ＝G(θ，β，γ)，F、G分别表示两个函数。

因此根据第二面阵CCD12上光斑与传感器中心位置的位移S3，就可以计算出此路光束与原光束的空间夹角θ；再根据公式ɑ＝G(θ，β，γ)和之前求得的β、γ值，就可解算出ɑ角，从而得到被测物绕x轴、y轴、z轴旋转的角度ɑ、β、γ角，获得被测物的空间三维转角信息。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标5固定至被测物表面，放置固定平面反射镜17使其镜面平行于反射靶标5中第一偏振分光镜52的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源6，调整被测物以及固定平面反射镜17的位置，使第一面阵CCD11与第二面阵CCD12接收的光斑处于传感器中心位置，使固定平面反射镜17的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD11与第二面阵CCD12的光斑明亮程度，调节偏振片9转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器14输出半导体激光光源6的光斑位移漂移量E1、E2时，变形镜18调整半导体激光光源6的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标5随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD11输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD12输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD11光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD12光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜52反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

本发明的创新点在于利用第四凸透镜7对半导体激光光源6发出的光进行准直，同时多狭缝光阑8对测量光进行调制，以多狭缝光阑8作为该系统装置的物，进一步降低角漂、平漂的影响；

同时利用四象限位置探测器14作为反馈探测模块，实时高精度的检测该装置中光源产生的平漂、角漂的漂移量；变形镜18作为反馈执行模块，根据所测量的漂移量实时进行闭环反馈控制，将光源出射的光斑始终控制在四象限位置探测器14的中心位置；从而实时将光源的平漂、角漂漂移量控制至十纳弧度量级，解决由于光束的漂移量限制自准直仪极限分辨力的问题；相较于利用透射式空间光调制器作为反馈执行模块的技术手段，变形镜动态特性强，对光束的漂移量可以进行快速补偿，进一步提高本发明装置的测量稳定性；

本发明装置将其中的平面镜靶标替换为反射靶标5与固定平面反射镜17作为物体空间三维转角探测单元。这种结构设置，赋予反射靶标5在光轴方向上的不对称性，使测量光束携带被测物俯仰角、偏航角信息的同时，敏感于被测物绕光轴方向转动的滚转角，使仪器装置具备了测量物体绕光轴滚转角及垂直光轴的俯仰角、偏航角角度的三维角度测量能力；

同时本发明装置利用第一凸透镜41与第一凹透镜42组成准直物镜组4。这种结构中，准直物镜组扩大角度测量装置准直物镜的焦距至3-4倍，进而将整体系统的极限角度分辨力提升至纳弧度量级，最终实现系统在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力。

因此，同传统自准直角度测量装置相比，本发明在具备三维角度信息测量能力的同时，具有角度极限分辨力达到纳弧度量级以及高测量稳定性的技术优势。

具体实施例二

本实施例是基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，结构示意图如图4所示。在具体实施例一的基础上，本实施例在准直物镜组4中，加入第二凹透镜43、第二凸透镜44以及第三凸透镜45，如图4所示。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标5固定至被测物表面，放置固定平面反射镜17使其镜面平行于反射靶标5中第一偏振分光镜52的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源6，调整被测物以及固定平面反射镜17的位置，使第一面阵CCD11与第二面阵CCD12接收的光斑处于传感器中心位置，使固定平面反射镜17的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD11与第二面阵CCD12的光斑明亮程度，调节偏振片9转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器14输出半导体激光光源6的光斑位移漂移量E1、E2时，变形镜18调整半导体激光光源6的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标5随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD11输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD12输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD11光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD12光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜52反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

本发明的创新点在于，在准直物镜组4中加入第二凹透镜43、第二凸透镜44以及第三凸透镜45，构成了新准直物镜组4。新准直物镜组的优化参数多，可以降低该装置光学系统像差对测量结果的影响，降低了整体装置的系统误差。

具体实施例三

本实施例是基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，结构示意图如图5所示。在具体实施例一的基础上，本实施例在准直物镜组4与反射靶标5之间，加入第二分光镜13与四象限位置探测器14作为反馈探测模块；在准直物镜组4中，加入第二凹透镜43、第二凸透镜44以及第三凸透镜45，如图5所示。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标5固定至被测物表面，放置固定平面反射镜17使其镜面平行于反射靶标5中第一偏振分光镜52的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源6，调整被测物以及固定平面反射镜17的位置，使第一面阵CCD11与第二面阵CCD12接收的光斑处于传感器中心位置，使固定平面反射镜17的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD11与第二面阵CCD12的光斑明亮程度，调节偏振片9转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器14输出半导体激光光源6的光斑位移漂移量E1、E2时，变形镜18调整半导体激光光源6的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标5随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD11输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD12输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD11光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD12光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜52反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

本发明的创新点在于在准直物镜组4与反射靶标5之间，加入第二分光镜13与四象限位置探测器14作为反馈探测模块，其不仅实时测量光源光束的漂移量，同时也实时测量了光学系统不稳定造成的光束漂移量，通过闭环控制偏转镜对光源漂移量进行实时补偿，解决了光源漂移量以及光学系统不稳定带来的测量不稳定性的难题。

具体实施例四

本实施例是基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，结构示意图如图6所示。在具体实施例一的基础上，本实施例在准直物镜组4与反射靶标5之间，加入第二分光镜13与四象限位置探测器14作为反馈探测模块；在准直物镜组4中，加入第二凹透镜43、第二凸透镜44以及第三凸透镜45；将第一转折镜15替换为变形镜18，如图6所示。

本实施例的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标5固定至被测物表面，放置固定平面反射镜17使其镜面平行于反射靶标5中第一偏振分光镜52的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源6，调整被测物以及固定平面反射镜17的位置，使第一面阵CCD11与第二面阵CCD12接收的光斑处于传感器中心位置，使固定平面反射镜17的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD11与第二面阵CCD12的光斑明亮程度，调节偏振片9转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器14输出半导体激光光源6的光斑位移漂移量E1、E2时，变形镜18调整半导体激光光源6的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标5随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD11输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD12输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD11光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD12光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜52反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

Claims (5)

1.基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，包括第一分光镜(2)、准直物镜组(4)、反射靶标(5)、半导体激光光源(6)、第四凸透镜(7)、多狭缝光阑(8)、偏振片(9)、第二偏振分光镜(10)、第一面阵CCD(11)、第二面阵CCD(12)、第二分光镜(13)、四象限位置探测器(14)、第一转折镜(15)、第二转折镜(16)、固定平面反射镜(17)、变形镜(18)；所述准直物镜组(4)由第一凸透镜(41)与第一凹透镜(42)组成；所述反射靶标(5)包括第一偏振分光镜(52)和平面反射镜(51)，其安装至被测物的测量表面上，因此反射靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物的空间三维角度变化；而固定平面反射镜(17)独立于反射靶标，其不与反射靶标(5)和被测物相连，其固定于测量基座上；

半导体激光光源(6)经第四凸透镜(7)准直，变形镜(18)反射后，平行入射于多狭缝光阑(8)；以多狭缝光阑(8)作为物面，发出的测量光依次经偏振片(9)、第一分光镜(2)透射；经第二分光镜(13)反射的线偏振光，垂直入射于四象限位置探测器(14)，作为漂移量反馈探测单元；经第二分光镜(13)透射的线偏振光，经过第一转折镜(15)、第二转折镜(16)的转折后，垂直入射于准直物镜组(4)准直成平行光束，入射于反射靶标(5)；一路透过反射靶标(5)中的第一偏振分光镜(52)，入射到反射靶标(5)中的平面反射镜(51)上，反射的光束再经过反射靶标(5)中的第一偏振分光镜(52)透射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜(10)透射后由第一面阵CCD(11)采集成像；另一路被反射靶标中的第一偏振分光镜(52)反射，入射到固定平面反射镜(17)上，反射的光束再经过反射靶标中的第一偏振分光镜(52)反射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜(10)反射后由第二面阵CCD(12)采集成像；

所述多狭缝光阑(8)是由两组三条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源(6)经第四凸透镜(7)准直后照射于多狭缝光阑(8)，因此两组互相垂直的三条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

或

所述多狭缝光阑(8)是由两组四条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源(6)经第四凸透镜(7)准直后照射于多狭缝光阑(8)，因此两组互相垂直的四条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

所述第一面阵CCD(11)和第二面阵CCD(12)设置在准直物镜组(4)焦平面处，与多狭缝光阑(8)的位置共轭；当反射靶标(5)不产生三维角度变化的条件下，第一面阵CCD(11)与第二面阵CCD(12)所采集的光斑中心均在传感器几何中心位置；所述四象限位置探测器(14)设置在第二分光镜(13)后，采集半导体激光光源(6)的实时漂移量；所述变形镜(18)放置于第四凸透镜(7)与多狭缝光阑(8)之间，用于调整测量光，使测量光垂直入射于多狭缝光阑(8)；

所述第一转折镜(15)与第二转折镜(16)互相平行放置，镜面法向方向均与光束入射方向存在一个固定小角度。

2.根据权利要求1所述的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，还包括第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)以及第三凸透镜(45)；

所述第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)、第三凸透镜(45)与第一凸透镜(41)、第一凹透镜(42)共同组成准直物镜组(4)。

3.根据权利要求1所述的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，还包括第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)以及第三凸透镜(45)；

所述第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)、第三凸透镜(45)与第一凸透镜(41)、第一凹透镜(42)共同组成准直物镜组(4)；

所述第二分光镜(13)放置在准直物镜组(4)与反射靶标(5)之间；测量光由第二分光镜(13)分束，反射光束经第二分光镜(13)反射至四象限位置探测器(14)采集成像，透射光束经第二分光镜(13)透射继续传播。

4.根据权利要求1所述的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，还包括第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)以及第三凸透镜(45)；

所述第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)、第三凸透镜(45)与第一凸透镜(41)、第一凹透镜(42)共同组成准直物镜组(4)；

所述第二分光镜(13)放置在准直物镜组(4)与反射靶标(5)之间；测量光由第二分光镜(13)分束，反射光束经第二分光镜(13)反射至四象限位置探测器(14)采集成像，透射光束经第二分光镜(13)透射继续传播；

所述变形镜(18)放置在第一转折镜(15)的位置上，替换第一转折镜(15)。

5.根据权利要求1、2、3或4所述基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量装置上实现的基于变形镜补偿的纳弧度量级三维角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标(5)固定至被测物表面，放置固定平面反射镜(17)使其镜面平行于反射靶标(5)中第一偏振分光镜(52)的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源(6)，调整被测物以及固定平面反射镜(17)的位置，使第一面阵CCD(11)与第二面阵CCD(12)接收的光斑处于传感器中心位置，使固定平面反射镜(17)的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD(11)与第二面阵CCD(12)的光斑明亮程度，调节偏振片(9)转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器(14)输出半导体激光光源(6)的光斑位移漂移量E1、E2时，变形镜(18)调整半导体激光光源(6)的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标(5)随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD(11)输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD(12)输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD(11)光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD(12)光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜52反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数；最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

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