CN1304879C - 基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，特别涉及一种基于光程倍增补偿方法的高精度二维光电自准直装置和测量方法。该装置包括依次放置的激光光源、分划板、主分光镜、主CCD图像传感器、准直物镜、测量反射镜，在激光光源和分划板之间放置一前置分光镜，获取与测量光束特性完全相同的参考光束，一光程倍增装置对参考光束进行多次反射，一前置CCD图像传感器对光束的角漂移量进行监测；所说的光程倍增装置由相对平行放置的两个平面反射镜组成，或由相对放置的直角棱镜组成，或由多个成对平行放置的平面反射镜组成，还可包括一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜。本发明可显著提高二维光电自准直仪的测量稳定性和测量精度。

Description

基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法

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，特别涉及一种基于光程倍增补偿方法实时补偿光束的角漂移量的高精度二维光电自准直装置和测量方法。

背景技术

随着测量技术的不断改进和提高，现代化高精度测量技术和方位瞄准跟踪系统的发展对小角度的测量精度提出了越来越高的要求。光电自准直仪在小角度精密测量，高精度瞄准与定位方面有着不可替代的作用，可以作为测角仪、光学比较仪等光学计量仪器的组成部分，也可单独用于测量仪器用于光学测量、航空航天仪器装调和军用飞行器姿态测量等方面。

在高精度小角度测量中，对于测量不确定度优于0.5″的光电自准直仪，光源部分光束的角漂移量是光电自准直仪测量误差的主要来源。当光源发出的光束存在光束漂移时，如氦氖激光器谐振腔内反射镜变型引起光束的角漂移量为：10^-6～10^-7rad，即：0.02″～0.2″(1.万德安.激光基准高精度测量技术.国防工业出版社.1999年6月；2.方仲彦，殷纯永，梁晋文.高精度激光准直技术的研究(一).航空计测技术.1997，17(1)：3-6)，如果采用光斑中心定位方法，则接收器接收的光斑中心随光束漂移而漂移；如果采用轮廓中心定位方法，则由于光束漂移，接收器接收的光斑的能量中心和轮廓的几何中心不重合引起轮廓中心的偏移，直接产生轮廓中心的定位偏差。如果不对该角漂移量进行修正或补偿，将直接反馈回小角度的测量结果引起的角度测量误差，导致仪器数据重复性差，稳定性不好。若要进一步提高测量不确定度，仅仅依靠提高光束自身的准直精度，无论是从现有技术还是工艺制造水平上都是难以实现的。采用误差分离和补偿技术，特别是动态补偿技术，为消除或补偿修正该角漂移量引起的角度测量误差，实现高精度的小角度测量提供了一种有效的技术途径。

目前，工程中广泛使用的光电自准直仪，如国家计量局北京计量仪器厂出产的702型光电自准直仪，测量分辨力0.1″，测量不确定度为：10′范围内为2″，视场中心任意4′～6′范围内为0.5″(武晋燮.几何量精密测量技术.哈尔滨工业大学出版社.1989年9月)。该测量方案测量的是一维角度量，如果测量另一维角度量，必须在这个方向上重新调整仪器，导致测量过程繁琐且数据重复性差，同时会引入人为测量误差以及机械的回程误差；同时光束的角漂移量仍然存在，测量不确定度难以提高。

为克服光电自准直仪在测量两个方向的角度量时，二次调整仪器所带来的重复性差的缺点，提高光电自准直仪的测量分辨力，同时能满足数据实时显示和存储的需要，许多厂家和科研院所研制出采用高精度CCD图像传感器测量二维角度的光电自准直仪。例如：

1.德国ELCOMAT公司生产的ELCOMAT vario型号的光电自准直仪。采用高精度的CCD图像传感器，通过测量CCD图像传感器上接收到的光斑中心移动的位移量来精确测出测量反射镜的小角度变化量，产品ELCOMAT vario 500T/D65的双轴自准直仪的技术指标为：在X轴为24′，Y轴为18′的测量范围内测量不确定度为±0.4″(德国MLLER-WEDEL公司ELCOMAT vario双轴自准直仪中文操作手册.2004)；

2.专利99242552.2“二维动态数显式自准直仪”；

3.专利99254139.5“光电自准直仪”；

4.专利200410032713.2“自准直仪”。

激光光束由于其良好的单一方向性、高亮度及高稳定性等优点，常被作为测量基准广泛应用于超精密加工设备及测量设备中，许多科研院所研制出采用激光光源和高精度CCD图像传感器测量二维角度的光电自准直仪(1.吴秀丽.激光自准直仪.光机电信息.1994年08期：11-13；2.蒋本和，陈文毅，胡文斐，胡庆荣.用激光准直及CCD检测的小角度测量系统.激光与红外.1998，28(4)：233-234+243；3.林玉池，张萍，赵美蓉，洪昕.野外使用的半导体激光自准直仪.航空精密制造技术.2001，37(3)：35-37；4.张尧禹，张明慧，乔彦峰.一种高精度CCD激光自准直测量系统的研究.光电子·激光.2003，14(2)：168-170；5.马福禄，张志利，周召发.基于M型分划丝的单线阵CCD直线度准直仪.光学技术.2002，28(3)：224-225+227)。

由于采用了激光光源和高精度CCD图像传感器，提高光束的准直性、测量距离和测量分辨力的同时实现了二维角度的自动化测量，数据实时显示和存储。

但是在实际应用中，尤其是从光路和机械结构以及测量过程上可知上述测量方案均存在如下不足之处：由于没有采用任何误差补偿或修正的手段，光束的角漂移量在测量过程中没有消除，最后混合在测量结果中引起的角度测量误差，直接导致光电自准直仪的测量稳定性差，测量不确定度难以进一步提高，大大限制了光电自准直仪的应用范围，这是该测量方案本身的不足之处，也是当前光电自准直仪的实际应用中未能解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的光电自准直仪测量方案中存在的不足，提供一种基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法，通过前置分光镜获取与测量光束特性完全相同的参考光束，由相对平行放置的两个平面反射镜组成的光程倍增装置对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，由前置CCD图像传感器实时监测光束的角漂移量并动态补偿光束的角漂移量引起的角度测量误差，可显著提高二维光电自准直仪的测量稳定性和测量精度。

本发明采用的技术解决方案是：一种基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置，包括依次放置的激光光源、分划板、主分光镜、主CCD图像传感器、准直物镜、测量反射镜，在激光光源和分划板之间放置一前置分光镜，获取与测量光束特性完全相同的参考光束，一光程倍增装置对参考光束进行多次反射，一前置CCD图像传感器对测量光束的角漂移量进行监测；所说的光程倍增装置包括相对平行放置的两个平面反射镜。

光程倍增装置还包括一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜。

光程倍增装置包括两个相对放置的直角棱镜。

光程倍增装置由两个相对放置的直角棱镜和一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜组成。

光程倍增装置包括多个成对平行放置的平面反射镜。

光程倍增装置由多个成对平行放置的平面反射镜和一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜组成。

本发明还提供了基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

1.首先调整并固定光程倍增装置，然后校准二维光电自准直装置；

2.使激光光源发出的激光光束经前置分光镜后分为两束：透射光束成为测量光束，反射光束成为参考光束；

3.参考光束入射进入光程倍增装置后，经过多次反射后被前置CCD图像传感器接收，成为参考信号；

4.测量光束获取测量反射镜的二维小角度的变化量后，由主CCD图像传感器接收，成为测量信号；

5.参考信号监测并分离出光束的角漂移量，进行实时差动处理即可动态补偿该角漂移量引起的角度测量误差，精确测出测量反射镜的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}-\arctan \left(\frac{d_0}{L}\right)$

这里：θ为测量反射镜的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在主CCD图像传感器上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜的等效焦距，d₀为参考信号在前置CCD图像传感器上形成的光斑中心位置的变化量，L为激光光束从激光光源到前置CCD图像传感器经过的总等效光程。

本发明具有以下特点和良好效果：

1.采用新颖的光程倍增装置改进光学系统，通过前置分光镜获取与测量光束特性完全相同的参考光束，经过光程倍增装置多次反射后，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，易于后续CCD图像传感器的接收和监测，这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之一；

2.在设计中，光束的角漂移量引起参考信号和测量信号同时变化，利用两个CCD图像传感器分别获取光束的角漂移量和测量反射镜的二维角度变化量，可以实时分离和动态补偿光束的角漂移量引起的角度测量误差，这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之二；

3.采用光程倍增光学结构，在放大与光束角漂移对应的线位移量的同时实现了仪器体积的小型化，易于设计为便携式装置，这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之三；

4.本设计方案采用了十分简单的结构，在光路中加入光程倍增装置，即可动态补偿光束的角漂移量引起的角度测量误差，提高了二维光电自准直仪的测量稳定性，满足了高精度二维小角度测量的需要，测量过程和数据处理都明显简化，实用性强。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置中由相对平行放置的两个平面反射镜和一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜组成的光程倍增装置的结构示意图；

图3a是本发明装置中由两个相对放置的直角棱镜组成的光程倍增装置的结构示意图；

图3b是本发明装置中由两个相对放置的直角棱镜以及一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜组成的光程倍增装置的结构示意图；

图4a是本发明装置中由多个成对平行放置的平面反射镜组成的光程倍增装置的结构示意图；

图4b是本发明装置中由多个成对平行放置的平面反射镜和一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜组成的光程倍增装置的结构示意图；

图5是本发明装置中采用光程倍增装置放大与光束角漂移对应的线位移量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置和测量方法进行详细描述：

如图1所示，本发明的装置由激光光源1、前置分光镜2、分划板3、主分光镜4、主CCD图像传感器5、准直物镜6、测量反射镜7、前置CCD图像传感器8和由平面反射镜10和平面反射镜11组成的光程倍增装置9等构成。其光的路径如下：

激光光源1发出的光束经前置分光镜2后分为两束：透射光束成为测量光束，反射光束成为与测量光束特性完全相同的参考光束。参考光束入射进入光程倍增装置9后，经过平面反射镜10和平面反射镜11的多次反射后，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，被前置CCD图像传感器8接收，成为参考信号；测量光束照亮位于准直物镜6的焦点上的分划板3，经过主分光镜4透射，准直物镜6会聚后，入射到放置在被测物上的测量反射镜7，测量反射镜7反射回来的光束再由准直物镜6会聚，经过主分光镜4反射后成像于主CCD图像传感器5上，成为测量信号，光束的角漂移量引起参考信号和测量信号同时变化，结合几何光学和光学的自准直原理，参考信号监测并分离出光束的角漂移量，进行二维实时差动处理即可动态补偿该角漂移量引起的角度测量误差，精确测出测量反射镜7的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}-\arctan \left(\frac{d_0}{L}\right)$

这里：θ为测量反射镜7的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在主CCD图像传感器5上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜6的等效焦距，d₀为参考信号在前置CCD图像传感器8上形成的光斑中心位置的变化量，L为激光光束从激光光源1到前置CCD图像传感器8经过的总等效光程。

本发明通过在二维光电自准直仪的激光光源1和分划板3之间放置前置分光镜2，利用两个平面反射镜10和11组成的光程倍增装置9改进二维光电自准直仪的光学结构。对激光光源1发出的光束经前置分光镜2分束后，获取到与测量光束特性完全相同的参考光束，光程倍增装置对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，由前置CCD图像传感器8接收并进行动态监测，采用误差分离和动态补偿技术对该角漂移量引起的角度测量误差进行消除和抑制。

参见图2，本发明装置中的光程倍增装置9由两个相对平行放置的平面反射镜10和11以及一附加平面反射镜12组成。附加平面反射镜12设置在参考光束的路径上。这样，使光路沿着水平方向多次反射，比较容易调节。

参见图3a，本发明装置中的光程倍增装置9由两个相对放置的直角棱镜13和14组成。

参见图3b，本发明装置中的光程倍增装置9由两个相对放置的直角棱镜13和14以及一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜12组成。

参见图4a，本发明装置中的光程倍增装置9由多个成对平行放置的平面反射镜15、16，17、18，19、20，21和22组成。

参见图4b，本发明装置中的光程倍增装置9由多个成对平行放置的平面反射镜15、16，17、18，19、20，21和22以及一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜12组成。

下面详细说明本发明所述的方法：

本发明还提供了基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

1.首先需要确定器件之间的间距和光束在器件之间的反射次数，得出总等效光程L，并根据总等效光程L的数值对光程倍增装置9进行调整，实现激光光束的多次反射以增大光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，调整完毕后光程倍增装置9应当固定，然后对二维光电自准直装置进行校准，校准完毕后使用过程中光程倍增装置9不再调整；

2.进行测量时，激光光源1发出的激光光束经前置分光镜2后分为两束：透射光束成为测量光束，反射光束成为与测量光束特性完全相同的参考光束；

3.参考光束入射进入光程倍增装置9后，经过多次反射后，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，被前置CCD图像传感器8接收，成为参考信号，在前置CCD图像传感器8上形成的光斑中心位置为d₀；

4.测量光束照亮位于准直物镜6的焦点上的分划板，经过主分光镜4透射，准直物镜6会聚后，入射到放置在被测物上的测量反射镜7，测量反射镜7反射回来的光束再由准直物镜6会聚，经过主分光镜4反射后成像于主CCD图像传感器5上，成为测量信号，在主CCD图像传感器5上形成的光斑中心位置为d₁；

5.光束的角漂移量Δθ₀将会引起测量结果的漂移，由测量信号计算得出的测量结果中包含了测量反射镜7的二维小角度变化量θ和光束的角漂移量Δθ₀，但是由于本测量方案采用了光程倍增装置放大与光束角漂移对应的线位移量Δθ₀，采用前置CCD图像传感器8接收，可以有效的监测并分离出光束的角漂移量Δθ₀，如图5所示，由几何关系可求得：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0=\arctan \left(\frac{d_0}{L}\right)$

这里：d₀为参考信号在前置CCD图像传感器8上形成的光斑中心位置的变化量，L为激光光束从激光光源1到前置CCD图像传感器8经过的总等效光程。

结合几何光学和光学的自准直原理，进行实时差动处理即可动态补偿该角漂移量引起的角度测量误差，精确测出测量反射镜7的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}-\arctan \left(\frac{d_0}{L}\right)$

这里：θ为测量反射镜7的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在主CCD图像传感器5上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜6的等效焦距，d₀为参考信号在前置CCD图像传感器8上形成的光斑中心位置的变化量，L为激光光束从激光光源1到前置CCD图像传感器8经过的总等效光程。

可见，在测量结果中，对参考信号和测量信号进行实时差动处理，即可分离并动态补偿光束的角漂移量引起的角度测量误差，对测量结果没有影响。提高了二维光电自准直仪的测量稳定性和测量不确定度，从而该测量方案实现了高精度的二维小角度测量。

实施例1：

如图1所示的二维光电自准直装置，首先调整好光程倍增装置9，这里，光程倍增装置9如图1所示，由两个相对平行放置的平面反射镜10和11组成，调整完毕后光程倍增装置9应当固定，然后对二维光电自准直装置进行校准，校准完毕后使用过程中光程倍增装置9不再调整。进行测量时，激光光源1发出的激光光束经前置分光镜2后分为两束：透射光束成为测量光束，反射光束成为与测量光束特性完全相同的参考光束；参考光束入射进入光程倍增装置9后，光程倍增装置9对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，被前置CCD图像传感器8接收，成为参考信号；测量光束照亮位于准直物镜6的焦点上的分划板，经过主分光镜4透射，准直物镜6会聚后，入射到放置在被测物上的测量反射镜7，测量反射镜7反射回来的光束再由准直物镜6会聚，经过主分光镜4反射后成像于主CCD图像传感器5上，成为测量信号；测量信号计算得出的测量结果中包含了测量反射镜7的二维小角度变化量θ和光束的角漂移量Δθ₀，参考信号监测并分离出光束的角漂移量Δθ₀，结合几何光学和光学的自准直原理，进行实时差动处理即可动态补偿该角漂移量引起的角度测量误差，精确测出测量反射镜7的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}-\arctan \left(\frac{d_0}{L}\right)$

这里：θ为测量反射镜7的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在主CCD图像传感器5上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜6的等效焦距，d₀为参考信号在前置CCD图像传感器8上形成的光斑中心位置的变化量，L为激光光束从激光光源1到前置CCD图像传感器8经过的总等效光程。

本实施例中，光程倍增装置9由两个相对平行放置的平面反射镜10和11组成，两个平面反射镜10和11均由长为：a＝50mm，宽为：b＝10mm，厚度为：d＝5mm的平晶的表面精细研磨之后镀高反射膜构成，平晶表面粗糙度优于0.08um，高反射膜反射率系数：R≥99％@632.8nm，两个平面反射镜10和11之间的间距为：D＝40mm，激光光源发出的激光光束出瞳直径为Φ5mm，在两个平面反射镜10和11之间反射N＝8次后到达前置CCD图像传感器8，激光光束从激光光源1到前置CCD图像传感器8所经过的总等效光程为L＝400mm，实验结果表明，该二维光电自准直装置在测量分辨力达到0.01″的情况下，测量稳定性优于0.05″/h，测量不确定度优于0.05″，实现了高精度二维小角度测量。

实施例2：

如图1所示的二维光电自准直装置，这里，光程倍增装置9由如图2所示的两个相对平行放置的平面反射镜10和11以及一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜12组成。光程倍增装置9对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，本实施例的其他部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例3：

如图1所示的二维光电自准直装置，这里，光程倍增装置9由如图3a所示的相对放置的两个直角棱镜13和14组成。光程倍增装置9对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，本实施例的其他部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例4：

如图1所示的二维光电自准直装置，这里，光程倍增装置9由如图3b所示的相对放置的两个直角棱镜13和14以及一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜12组成。光程倍增装置9对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，本实施例的其他部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例5：

如图1所示的二维光电自准直装置，这里，光程倍增装置9由如图4a所示的多个成对平行放置的平面反射镜15、16，17、18，19、20，21和22组成。光程倍增装置9对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，本实施例的其他部件及工作原理均与实施例1相同。

实施例6：

如图1所示的二维光电自准直装置，这里，光程倍增装置9由如图4b所示的多个成对平行放置的平面反射镜15、16，17、18，19、20，21和22以及一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜12组成。光程倍增装置9对参考光束进行多次反射，延长参考光束的光程，放大与光束角漂移对应的线位移量，本实施例的其他部件及工作原理均与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置，包括依次放置的激光光源、分划板、主分光镜、主CCD图像传感器、准直物镜、测量反射镜，其特征在于激光光源和分划板之间放置一前置分光镜，获取与测量光束特性完全相同的参考光束，一光程倍增装置对参考光束进行多次反射，一前置CCD图像传感器对测量光束的角漂移量进行监测；所说的光程倍增装置包括相对平行放置的两个平面反射镜。

2.根据权力要求1所述的装置，其特征在于所说的光程倍增装置还包括一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜。

3.根据权力要求1所述的装置，其特征在于所说的光程倍增装置包括两个相对放置的直角棱镜。

4.根据权力要求3所述的装置，其特征在于所说的光程倍增装置还包括一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜。

5.根据权力要求1所述的装置，其特征在于所说的光程倍增装置包括多个成对平行放置的平面反射镜。

6.根据权力要求5所述的装置，其特征在于所说的光程倍增装置还包括一个位于参考光束路径上的附加平面反射镜。

7.一种基于光程倍增补偿方法的二维光电自准直装置的测量方法，其特征在于所说的测量方法包括以下步骤：

(1).首先调整并固定光程倍增装置，然后校准二维光电自准直装置；

(2).使激光光源发出的激光光束经前置分光镜后分为透射光束和反射光束：透射光束成为测量光束，反射光束成为参考光束；

(3).参考光束入射进入光程倍增装置后，经过多次反射后被前置CCD图像传感器接收，成为参考信号；

(4).测量光束获取测量反射镜的二维小角度的变化量后，由主CCD图像传感器接收，成为测量信号；

(5).参考信号监测并分离出光束的角漂移量，进行实时差动处理即可动态补偿该角漂移量引起的角度测量误差，精确测出测量反射镜的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}-\arctan \left(\frac{d_0}{L}\right)$

这里：θ为测量反射镜的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在主CCD图像传感器上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜的等效焦距，d₀为参考信号在前置CCD图像传感器上形成的光斑中心位置的变化量，L为激光光束从激光光源到前置CCD图像传感器经过的总等效光程。

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