CN113687521A - 基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密测试计量技术领域，提出一种基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置。本发明在传统自准直仪测量方法中增加光源光束相位补偿环节，该环节利用仪器内参考光路的波前畸变信息通过驱动变形镜补偿光源光束相位，实现对自准直仪光源出射光束角漂移的测量与补偿，减小像差，提高光学系统的成像质量与光斑定位精度，进而提高了自准直仪角度测量精度。同时引入该环节使自准直仪光源出射光束具有极高的光束质量和稳定性，进一步提高自准直仪角度测量的分辨力与稳定性。该方法使传统自准直仪具备纳弧度量级(5×10‑ 9rad，即0.001″)的角度分辨力和亚微弧度量级(10‑7rad，即0.02″)的角度测量精度。本发明具有同等条件下，实现高分辨力、高精度、高稳定性兼顾的角度测量的技术优势，同时具备抗环境扰动和补偿扰动引起的误差的能力。
Description
技术领域
本发明属于精密测试计量技术领域，具体涉及一种基于波前校正的低像差高 精度二维光电自准直方法与装置。
背景技术
随着超精密加工制造、大型装备制造、大科学工程等领域不断发展，迫切需 求能够在大测量范围下实现高分辨力、高精度、高稳定性、同时对测量现场有一 定抗干扰能力的自准直角度测量技术。该技术对上述领域的发展起重要的支撑作 用。
在超精密加工制造领域，自准直仪与平面镜、多面棱镜等组合可以对零部件 的形状公差和位置公差进行测量，角度分辨力可以达到0.1″至0.001″；在大型装 备制造与安装过程中，自准直仪与合作目标配合，测量距离可以达数米甚至数十 米远；在装配车间利用自准直仪实时远距离测量偏航角与俯仰角，实现装备姿态 的监测。在大科学工程领域，利用自准直仪可以测量大型科学仪器转动的回转精 度、测量直线运动的直线精度，以及仪器之间的相对姿态和位置。此外，上述应 用场景不局限于检测室与实验室环境。受被测目标的限制，需要有能够在制造现 场、装配车间、甚至野外环境下能够进行实时远距离高精度高稳定性测量的自准 直仪器。
光电自准直仪基于光学自准直原理，传统结构如图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5的反射面。从被测物5 反射面反射的光束，经凸透镜41会聚，由图像传感器3采集光斑信息。利用光 斑的位置信息可以计算得到被测物5的角度信息。
传统结构的自准直仪存在如下问题：
准直物镜为单透镜，焦距一般为500mm左右且难以继续提高，常用的光电 传感器极限位移分辨力在30到50nm之间，依照测量原理自准直仪难以实现纳 弧度量级的角度测量；单透镜光学系统像差较大，光电传感器光斑定位误差较大， 自准直仪难以实现高精度角度测量；自准直仪光源一般为激光光源，由于其发光 机理的原因，出射光束存在平漂和角漂，自准直仪难以实现高稳定性测量；结构 本身不带有任何补偿环节，极易受到外界扰动的影响，如长距离测量条件下空气 扰动会使反射光束带有额外的角度漂移，降低自准直仪的测量精度和稳定性。
综上所述，传统光电自受光学系统和传感器的硬件限制、对测量环境敏感、 受空气扰动影响等多方面因素的影响，极大地限制了自准直仪的技术指标和使用 环境，难以在复杂环境下实现长距离、高分辨力、高精度、高稳定性兼顾的纳弧 度量级角度测量任务。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统结构自准直仪测量方法与装置中的不足，以实 现高精度、高分辨力、高稳定性兼顾的角度测量，提出一种基于波前校正的低像 差高精度二维光电自准直方法与装置。
本发明所述的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法包括以下 步骤：
步骤a、激光光源发出的光经凸透镜、变形镜、光阑、分光镜、变形镜、平 面镜、准直物镜组后形成准直光束并出射；
步骤b、出射光束被仪器内的第一偏振分光镜分束，其中透射光束作为测量 光束入射仪器外的被测反射镜上，被反射并带有被测目标的二维角度变化信息； 其中反射光束作为参考光束入射仪器内固定的参考反射镜上并原路返回；
步骤c、测量光束和参考光束沿原出射光路返回，直至经第一分光镜反射后 被第二偏振分光镜分束；其中透射光束为测量光束，由图像传感器接收；其中反 射光束为参考光束，经凸透镜会聚成平行光由波前传感器接收；
步骤d、波前传感器获取参考光束的漂移量和波前相位信息，由控制器计算 并给出驱动波前校正装置，实现补偿光源角漂移、相位畸变、减小光学系统的像 差；
步骤e、经过波前测量和校正环节后，图像传感器测量入射的测量光束光斑 的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
步骤f、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f·tan(2a)计算求得α，其 中α为补偿后被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f·tan(2β)计算求得β，其中β 为补偿后被测物产生俯仰角的角度。
其中所述的波前校正装置为变形镜或空间光调制器，其功能是根据波前传感 器的测量数据，校正和补偿光源角漂移和波前相位畸变，提高光束质量。
本发明所述的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直装置包括以下 内容：
装置包括激光光源、第一分光镜、图像传感器、第一组合透镜、第二组合透 镜、平面反射镜、第二凸透镜、变形镜、变形镜驱动器、小孔光阑、第一转折镜、 第二转折镜、第一偏振分光镜、参考反射镜、第二偏振分光镜、第三凸透镜和波 前传感器。
激光光源发出的光经过第二凸透镜准直、变形镜反射后，入射于小孔光阑； 以小孔光阑作为物面，发出的两束光经第一分光镜透射，经过第一转折镜和第二 转折镜反射后，垂直入射于准直物镜组准直成平行光束。
平行光束经第一偏振分光镜分束为透射光束与反射光束，偏振态相互垂直； 透射光束为测量光束，垂直入射平面反射镜；反射光束为参考光束，垂直入射参 考反射镜；两路光束经反射镜分别反射后沿原路返回，经第一分光镜反射后，经 第二偏振分光镜分束将参考光束和测量光束分离；测量光束透射并垂直入射于图 像传感器采集成像，参考光束被反射并经第三凸透镜透射后变为平行光入射波前 传感器采集成像。
所述激光光源位于第二凸透镜的焦面处，出射光为平行光；
所述小孔光阑作为物面，位于准直物镜镜组的等效焦面处；
所述准直物镜组由第一组合透镜与第二组合透镜组成，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；
所述第三凸透镜位于第二偏振分光镜反射光束汇聚焦点右侧，焦点位于第三 凸透镜的焦面处，参考光束经第二偏振分光镜反射后先汇聚再发散经第三凸透镜 透射后变为平行光束，并入射波前传感器的中心位置；
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。
发明有益效果
本发明提出的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法，在传统自 准直仪测量方法中增加光源光束相位补偿环节。该环节利用仪器内参考光路的波 前畸变信息通过驱动变形镜补偿光源光束相位，实现对自准直仪出射光的测量与 调控，减小像差，提高光学系统的成像质量与光斑定位精度，进而提高了自准直 仪角度测量精度。同时引入该环节使自准直仪光源出射光束具有极高的光束质量 和稳定性，进一步提高自准直仪角度测量的分辨力与稳定性。该方法使传统自准 直仪具备纳弧度量级(5×10-9rad，即0.001″)的角度分辨力和亚微弧度量级 (10-7rad，即0.02″)的角度测量精度。
本发明提出的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直装置与传统自 准直仪结构相比具有如下优点：
(1)单个准直物镜替换为摄远物镜镜组，扩大焦距同时减小像差和光路体 积，在同等条件下将系统的极限角度分辨力提升至纳弧度量级；
(2)引入参考光束实现对自准直装置光学系统像差的测量与调控，提高光 斑成像质量，提高光斑定位精度，进而提高自准直仪的测量精度和稳定性；
(3)将激光光源替换为经过相位校正后、小孔光阑透射的光作为自准直仪 光源，直接降低了由于光源自身漂移带来的测量不稳定性；
(4)转折镜对系统长焦光路进行两次折叠，缩小了装置的体积，更加适用 于现场测量环境，同时避免装置由于尺寸过大带来的空气扰动对光束传输的影 响；
因此，同传统自准直角度测量装置相比，本发明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同时实现高精度、高稳定性兼顾的角度测量的技 术优势，具备抗环境扰动和补偿扰动引起的误差的能力。
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是本发明基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置具 体实施例一的结构示意图；
图4是本发明基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置具 体实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例中，第一组合透镜与第二组合透镜组合而成的准直物镜 组示意图。
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第一组合透镜、43第二组合透镜、5平面反射镜、6第二凸透镜、7 小孔光阑、8第一转折镜、9第二转折镜、10第一偏振分光镜、11参考反射镜、 12第二偏振分光镜、13第三凸透镜、14波前传感器、15变形镜、16变形镜驱 动器、17空间光调制器。
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
本实施例是基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置实施 例。
本实施例基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直装置，结构示意图如 图2所示。
该角度测量装置包括激光光源1、第一分光镜2、图像传感器3、第一组合 透镜42、第二组合透镜43、平面反射镜5、第二凸透镜6、小孔光阑7、第一转 折镜8、第二转折镜9、第一偏振分光镜10、参考反射镜11、第二偏振分光镜 12、第三凸透镜13、波前传感器14、变形镜15和变形镜驱动器16。
激光光源发出的光经过第二凸透镜6准直、变形镜15反射后，平行入射小 孔光阑7；以小孔光阑7作为物面，发出的两束光经第一分光镜2透射，经过第 一转折镜8和第二转折镜9反射后，垂直入射于准直物镜组4准直成平行光束。
平行光束经第一偏振分光镜10分束为透射光束与反射光束，偏振态相互垂 直；透射光束为测量光束，垂直入射平面反射镜5；反射光束为参考光束，垂直 入射参考反射镜11；两路光束经反射镜分别反射后沿原路返回，经第一分光镜2 反射后，经第二偏振分光镜12分束将参考光束和测量光束分离；测量光束透射 并垂直入射于图像传感器3采集成像，参考光束被反射并经第三凸透镜13透射 后变为平行光入射波前传感器14采集成像。
所述激光光源1位于第二凸透镜6的焦面处，出射光为平行光；
所述小孔光阑7作为物面，位于准直物镜镜组4的等效焦面处；
所述准直物镜组4由第一组合透镜42与第二组合透镜43组成，构成摄远物 镜组，其焦距远大于第一凸透镜42，从而提高自准直仪的极限角度分辨力；
所述第三凸透镜13位于第二偏振分光镜12反射光束汇聚焦点右侧，焦点位 于第三凸透镜13的焦面处，参考光束经第二偏振分光镜12反射后先汇聚再发散 经第三凸透镜13透射后变为平行光束，并入射波前传感器14的中心位置；
所述第一转折镜8与第二转折镜9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：
当被测物产生偏航角α、俯仰角β的角度变化时，平面反射镜5也产生偏航 角α、俯仰角β的角度变化。入射于平面反射镜5上的测量光束，由于平反射面 镜5随被测物产生偏航角、俯仰角的转动，因此经平面反射镜5反射的光束与原 光束产生2α、2β角的偏转；参考反射镜11不随被测物的转动产生角度变化，入 射参考反射镜11的参考光束被反射后原路返回。
返回的参考光束经过第一分光镜2反射、第二偏振分光镜12反射，汇聚并 发散入射第三凸透镜13变为平行光束后，入射波前传感器14；采集参考光束的 光束波前相位信息，该信息反映了在装置内部参考光束传输过程中因外界环境扰 动、光源光束漂移等因素引起的平漂和角漂信息；和参考光束共光路传输的测量 光束同样会由于上述因素带有测量误差信息a0和β0。
根据波前传感器14测量的光束漂移和波前畸变信息驱动变形镜产生补偿相 位，使自准直仪光束角漂移和畸变相位补偿至0。补偿后，返回的测量光束经过 第一分光镜2反射、第二偏振分光镜12透射，并入射图像传感器3，采集得到 光斑偏离传感器中心的竖直和水平方向上的位移为x1和y1，且满足以下关系， x1＝f·tan(2α)，y1＝f·tan(2β)，f为准直物镜组4的等效焦距；公式得到的偏航角α、 俯仰角β为最终测量的被测物的偏航角和俯仰角。
本实施例的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法，包括以下步 骤：
步骤a、将平面反射镜5固定至被测物表面；
步骤b、点亮激光光源1，调整被测物以及平面反射镜5的位置，图像传感 器3接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
步骤c、波前传感器14测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息， 得到装置测量过程中由于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为α0和β0；
步骤d、根据波前传感器14测量的参考光束波前信息，调整变形镜15面形， 使仪器内部于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为0；
步骤e、当平面反射镜5随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器 3测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离 分别为x1和y1；
步骤f、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f·tan(2α)计算求得α，其 中a为被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f·tan(2β)计算求得β，其中β为被测 物产生俯仰角的角度。
具体实施例二
本实施例是基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置实施 例。
本实施例的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直装置，结构示意图 如图3示。
在具体实施例一装置的基础上，本实施例在第二凸透镜6和小孔光阑7之间 加入空间光调制器17，将第二转折镜9替换为变形镜15和变形镜驱动器16；第 一偏振分光镜10、参考反射镜11和平面反射镜5一起在角度测量装置外部，位 于被测物一侧；
本实施例的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法，包括以下步 骤：
步骤a、将平面反射镜5固定至被测物表面；
步骤b、点亮激光光源1，调整被测物以及平面反射镜5的位置，图像传感 器3接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
步骤c、波前传感器14测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息， 得到装置测量过程中由于激光光源1的角漂移信息a0和β0；
步骤d、调整空间光调制器17使激光光源1的角漂移信息始终为0；
步骤e、再次根据波前传感器14测量的参考光束波前信息，随时调整变形 镜15面形，补偿测量光束在长距离空气扰动下引起的波前相位畸变，使测量光 束波像差为0，提高测量光束在图像传感器3上的成像质量和稳定性；
步骤f、当平面反射镜5随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器 3测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离 分别为x1和y1；
步骤g、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f·tan(2a)计算求得a，其 中a为被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f·tan(2β)计算求得β，其中β为被测 物产生俯仰角的角度。
本实施例加入变形镜15和变形镜驱动器16、空间光调制器17作为波前校 正单元，参考反射镜放置在被测物一侧；空间光调制器17可以实时对激光光源 1的角漂移量进行补偿；变形镜15和变形镜驱动器16可以对长距离传输下测量 光束受空气扰动的影响的畸变相位进行测量和校正，极大地提高图像传感器3 上光斑的成像质量和稳定性，提高了自准直装置在长距离测量条件下的稳定性。
以上所述为本实用新型专利较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本 实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.本发明所述的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法，其特征在于增加光源光束相位校正环节，包括以下步骤：
步骤a、将平面反射镜(5)固定至被测物表面；
步骤b、点亮激光光源(1)，调整被测物以及平面反射镜(5)的位置，使图像传感器(3)接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
步骤c、波前传感器(14)测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息，得到装置测量过程中由于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为ɑ0和β0；
步骤d、根据波前传感器(14)测量的参考光束波前信息，调整变形镜(15)面形补偿畸变的波前相位差，使仪器内部于环境扰动、光源漂移等因素引入的测量误差为0；
步骤e、当平面反射镜(5)随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器(3)测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
步骤f、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f·tan(2ɑ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f·tan(2β)计算求得β，其中β为被测物产生俯仰角的角度。
2.根据权利要求1所述的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法，其特征在于增加空间光调制器(17)校正环节，包括以下步骤：
步骤a、将平面反射镜(5)固定至被测物表面；
步骤b、点亮激光光源(1)，调整被测物以及平面反射镜(5)的位置，图像传感器(3)接收的测量光束光斑图像的几何中心处于传感器的中心位置；
步骤c、波前传感器(14)测量入射的参考光束光斑的位移信息和波前信息，得到装置测量过程中由于激光光源(1)的角漂移信息ɑ0和β0；
步骤d、调整空间光调制器(17)，使激光光源(1)的角漂移信息始终为0；
步骤e、再次根据波前传感器(14)测量的参考光束波前信息，随时调整变形镜(15)面形，补偿测量光束在长距离空气扰动下引起的波前相位畸变，使测量光束波像差为0；
步骤f、当平面反射镜(5)随被测物产生偏航角与俯仰角转动时，图像传感器(3)测量入射的测量光束光斑的位移值，其中光斑偏离图像传感器中心位置的距离分别为x1和y1；
步骤g、利用测量光束光斑位移x1和y1，按照x1＝f·tan(2ɑ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物产生偏航角的角度；按照y1＝f·tan(2β)计算求得β，其中β为被测物产生俯仰角的角度。
3.根据权利要求1所述的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直装置，其特征在于包括，激光光源(1)、第一分光镜(2)、图像传感器(3)、准直物镜组(4)、平面反射镜(5)、第二凸透镜(6)、小孔光阑(7)、第一转折镜(8)、第二转折镜(9)、第一偏振分光镜(10)、参考反射镜(11)、第二偏振分光镜(12)、第三凸透镜(13)、波前传感器(14)、变形镜(15)和变形镜驱动器(16)；
激光光源(1)发出的光第二凸透镜(6)准直后，经过变形镜(15)反射，平行入射于小孔光阑(7)；以小孔光阑(7)作为物面，发出的两束光经第一分光镜(2)透射，经过第一转折镜(8)和第二转折镜(9)反射后，垂直入射于准直物镜组(4)准直成平行光束；
平行光束经第一偏振分光镜(10)分束为透射光束与反射光束，偏振态相互垂直；透射光束为测量光束，垂直入射平面反射镜(5)；反射光束为参考光束，垂直入射参考反射镜(11)；两路光束经反射镜分别反射后沿原路返回，经第一分光镜(2)反射后，经第二偏振分光镜(12)分束将参考光束和测量光束分离；测量光束透射并垂直入射于图像传感器(3)采集成像，参考光束被反射并经第三凸透镜(13)透射后变为平行光入射波前传感器(14)采集成像；
所述激光光源(1)位于第二凸透镜(6)的焦面处，出射光为平行光；
所述变形镜(15)和变形镜驱动器(16)相连，放置在第二凸透镜(6)和小孔光阑(7)之间，由激光光源(1)发出的光经第二凸透镜(6)准直为平行光后，经倾斜45°角放置的变形镜(15)反射，垂直入射于小孔光阑(7)；变形镜驱动器(16)可以控制变形镜(15)面形，微调偏航角和俯仰角，调整平行光入射小孔光阑(7)的方向；
所述小孔光阑(7)作为物面，位于准直物镜组(4)的等效焦面处；
所述准直物镜组(4)由第一组合透镜(42)与第二组合透镜(43)组成，构成摄远物镜组，其焦距远大于第一组合透镜(42)；
所述第一组合透镜(42)由2片或多片透镜组合，透镜中心在同一直线上；第一组合透镜(42)具有和第一凸透镜(42)相同的使光束会聚的作用效果；第一组合透镜(42)由多片透镜组合构成，具有更小的像差和非线性；
所述第二组合透镜(43)由2片或多片透镜组合，透镜中心在同一直线上；第二组合透镜(43)具有和凹透镜相同的使光束发散的作用效果；第二组合透镜(43)由多片透镜组合构成，具有更小的像差和非线性；
所述第三凸透镜(13)位于第二偏振分光镜(12)反射光束汇聚焦点右侧，焦点位于第三凸透镜(13)的焦面处，参考光束经第二偏振分光镜(12)反射后先汇聚再发散经第三凸透镜(13)透射后变为平行光束，并入射波前传感器(14)的中心位置；
所述第一转折镜(8)与第二转折镜(9)互相平行放置，镜面法向方向均与主光轴存在一个固定小角度。
4.根据权利要求2所述的基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直装置，其特征在于，去掉第二转折镜(9)，增加了变形镜(15)、变形镜驱动器(16)和空间光调制器(17)，同时第一偏振分光镜(10)、参考反射镜(11)在仪器外边，和平面反射镜(5)一同作为被测靶标；
所述空间光调制器(17)放置在第二凸透镜(6)和小孔光阑(7)之间，由激光光源(1)发出的光经第二凸透镜(6)准直为平行光后，垂直入射于小孔光阑(7)；空间光调制器(17)可以调整平行光入射小孔光阑(7)的方向；
所述变形镜(15)和变形镜驱动器(16)相连，变形镜驱动器(16)可以控制变形镜(15)反射面面形；变形镜(15)替换第二转折镜(9)，反射面位置和姿态不发生改变；
所述组合靶标由第一偏振分光镜(10)、参考反射镜(11)、平面反射镜(5)组成，第一偏振分光镜(10)和参考反射镜(11)不随平面反射镜(5)的偏转而变化。
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