CN113959372A - 一种高灵敏自准直二维光电测角装置 - Google Patents

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柳似霖
杜含笑
肖元琰
李华丰
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    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

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Abstract

本发明公开的一种高灵敏自准直二维光电测角装置，属于几何量精密测量领域。本发明包括点光源、分光镜、准直物镜、被测反射镜、四象限光电探测器和信号采集与处理系统。四象限光电探测器的四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置。点光源发出光经分光镜后部分光透射，透射光经准直物镜变为平行光，照射到被测反射镜上，其反射光经准直物镜汇聚，经分光镜光反射后聚焦到四象限光电探测器上。当被测反射镜发生空间扭摆或偏转时，聚焦到四象限光电探测器上的光斑的位置会发生偏移，通过信号采集与处理系统获取该两维姿态偏移的电信号，即获得被测反射镜的二维空间姿态变化。本发明能够提高测角分辨力，具有灵敏度高、信号处理简单的优点。

Description

一种高灵敏自准直二维光电测角装置
技术领域
本发明涉及一种高灵敏自准直二维光电测角装置，属于几何量精密测量领域。
背景技术
纳米级三维坐标测量需要对测量坐标系在运动过程中的空间姿态进行精密监测与实时修正。
自准直测角是对平面进行空间姿态监测的理想手段，具有结构简单、作用距离远、灵敏度高、响应速度快、非接触、可同时检测绕两个轴向滚转角度等优点。
光电自准直测角是光电探测技术和自准直测角技术的结合。利用光电转换器检测自准直光路的光斑位置变化，通过电子信号处理系统获得自准直测角的数字化角度信息。常用于自准直测角的光电探测器包括线阵CCD、面阵CCD、位敏光电探测器PSD、四象限光电探测器等。
采用四象限光电探测器的光电自准直测角，利用光斑在四象限光电探测器的四个区域上光强的相对关系工作。四象限光电接收方案，光斑只能工作于探测器中心区域附近，测角线性区域范围较小，但具有更高的测角分辨力，更适合于纳米级三维坐标测量应用。
常规的四象限自准直测角方案，四象限光电探测器的分割线与探测器上二维旋转角定义方向重合，如图1所示。其角度信号对应关系为：
Figure BDA0003318890430000011
Figure BDA0003318890430000012
式中PA、PB、PC、PD分别为A、B、C、D四个区域接收到的光斑能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏自准直二维光电测角装置，通过优化四象限光电探测器的布局，实现四象限自准直二维光电测角，进一步提高测角分辨力，并降低信号采集与处理系统的复杂度，本发明具有灵敏度高、信号处理简单的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种高灵敏自准直二维光电测角装置，主要由点光源、分光镜、准直物镜、被测反射镜、四象限光电探测器及配套的信号采集与处理系统组成。四象限光电探测器的四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置。
点光源发出的光经分光镜后部分光透射，透射光经准直物镜变为平行光，照射到被测反射镜上，其反射光经准直物镜汇聚，经分光镜光反射后聚焦到四象限光电探测器上。当被测反射镜发生空间扭摆或偏转时，聚焦到四象限光电探测器上的光斑的位置会发生偏移，通过信号采集与处理系统可以获取该两维姿态偏移的电信号，即获得被测反射镜的二维空间姿态变化。
本发明中四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置，其角度信号对应关系为：
Figure BDA0003318890430000021
Figure BDA0003318890430000022
其中：PA、PB、PC、PD分别为A、B、C、D四个区域接收到的光斑能量。
当四象限接收器上光斑位置沿θx方向移动δ时，常规方案的角度信号变化为：
Figure BDA0003318890430000023
而本发明的角度信号变化为：
Figure BDA0003318890430000024
本发明能够在小角度条件下，提升测角灵敏度。
有益效果：
1、本发明一种高灵敏自准直二维光电瞄准装置，采用传统的自准直测角方案，利用四象限光电探测器进行光电转换，并将四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置，信号处理电路较为简单，并具有更高的空间角度分辨力。
通过比较本发明的角度信号对应关系式(3)、式(4)及常规四象限准直测量对应关系公式(1)、公式(2)可知，本发明能明显简化信号处理系统的复杂度，便于提高测量系统的响应速度并提高信噪比。
2、本发明一种高灵敏自准直二维光电瞄准装置，具有更高的空间角度分辨力。当四象限接收器上光斑位置沿θx方向移动δ时，常规方案的角度信号变化为：
Figure BDA0003318890430000025
而本发明的角度信号变化为：
Figure BDA0003318890430000031
在小角度条件下，本发明的测角灵敏度是常规方案灵敏度的1.57倍。
附图说明
图1为常规四象限自准直测角装置中的光电探测器布局示意图。
图2为本发明的一种高灵敏自准直二维光电瞄准装置示意图。其中：1—为点光源、2—为分光镜、3—为准直物镜、4—为被测反射镜、5—为四象限光电探测器。
图3为四象限自准直测角的灵敏度分析，其中3(a)为常规四象限接收器布局方案，图3(b)为本专利四象限接收器布局方案。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图2所示，本实施例公开的一种高灵敏自准直二维光电测角装置，由点光源1、分光镜2、准直物镜3、被测反射镜4、四象限光电探测器5及配套的信号采集与处理系统组成。四象限光电探测器5的四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置。
点光源1采用发散角1.2°的650nm光纤点光源，分光镜采用普通1:1分光镜，准直物镜3采用焦距150mm的消像差胶合透镜，被测反射镜采用平面度λ/30的全反射镜，四象限光电探测器5采用滨松光子的S5980。
实验中，四象限自准直二维光电测角装置实现二维测角范围±10″，角度分辨力0.05″的测量效果。
本发明较常规的四象限自准直测角方案具有更高的空间角度分辨力。图3为四象限自准直测角的灵敏度分析示意图，本发明的测角灵敏度是常规方案灵敏度的1.57倍。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高灵敏自准直二维光电测角装置，其特征在于：主要由点光源(1)、分光镜(2)、准直物镜(3)、被测反射镜(4)、四象限光电探测器(5)及配套的信号采集与处理系统组成；四象限光电探测器(5)的四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置；
点光源(1)发出的光经分光镜(2)后部分光透射，透射光经准直物镜(3)变为平行光，照射到被测反射镜(4)上，其反射光经准直物镜(3)汇聚，经分光镜(2)光反射后聚焦到四象限光电探测器(5)上；当被测反射镜(4)发生空间扭摆或偏转时，聚焦到四象限光电探测器(5)上的光斑的位置会发生偏移，通过信号采集与处理系统可以获取该两维姿态偏移的电信号，即获得被测反射镜(4)的二维空间姿态变化。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏自准直二维光电测角装置，其特征在于：四象限分割线与二维旋转角的定义方向成45°夹角放置，其角度信号对应关系为，
Figure FDA0003318890420000011
Figure FDA0003318890420000012
其中：PA、PB、PC、PD分别为A、B、C、D四个区域接收到的光斑能量。
3.如权利要求2所述的一种高灵敏自准直二维光电测角装置，其特征在于：当四象限接收器上光斑位置沿θx方向移动δ时，角度信号变化为：
Figure FDA0003318890420000013
能够在小角度条件下，提升测角灵敏度。
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