CN1560563A

CN1560563A - 一种自动测量光线漂移角的激光准直系统与准直方法

Info

Publication number: CN1560563A
Application number: CNA2004100063219A
Authority: CN
Inventors: 冯其波
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: CN1247957C

Abstract

本发明公开了一种自动测量光线漂移角的激光准直系统与准直方法。该准直系统包括激光发射器、光线漂移角测量单元、直线度/同轴度测量单元、俯仰角和偏摆角测量单元、信号处理单元。光线漂移角测量单元可以单独使用，直接测量激光光线的漂移角，可以与直线度/同轴度测量单元或俯仰角和偏摆角测量单元一起组合使用；还可以跟其它以激光光线为基准的测量系统一起使用。该准直方法可以分为三部分，第一部分解决测量激光光线漂移角的问题，第二部分实现带有激光光线漂移角自动补偿的直线度/同轴度的测量，第三部分实现带有激光光线漂移角自动补偿的偏摆度、俯仰角的测量。

Description

一种自动测量光线漂移角的激光准直系统与准直方法

技术领域

本发明涉及一种可以自动测量与补偿激光光线漂移角的准直系统，同时也涉及应用该准直系统的准直方法，属于精密测量技术领域。

背景技术

激光具有很好的直线性。在工业中，常常将激光作为测量大型工件直线度/同轴度、偏转或俯仰角等参数的基准。但是严格地说，激光并不是绝对直线的，它本身存在一定的漂移现象。这种漂移现象从产生激光漂移的因素来分，可以分为三种：一种由于激光器本身原因造成的激光光线漂移；第二种固定激光发射器的调整机构存在机械位移，造成激光光线缓慢的角度漂移；第三种是空气折射率不均匀或空气扰动造成的光线弯曲或激光光线抖动。这三种类型的漂移现象在实践中是不可避免的，只不过由于程度比较轻微，人们在一般的工业测量中将其忽略不计。

但是，对于精密程度要求较高的测量作业来说，激光的漂移现象是不能不予以考虑的。而且，激光的漂移现象可以分为两种：角度漂移与平行漂移，其中角度漂移随着测量距离的增加，对直线度/同轴度测产生的误差将越来越大，因此，在大型工件的测量中，对激光漂移现象造成的影响予以忽视将会导致较大的测量误差。

人们一直试图寻找各种方法来消除或减少激光光线漂移对测量结果的影响，特别是在利用激光测量直线度、同轴度、微小角度等方面。

目前出现很多实用的方法来减少激光器本身造成的光线漂移和机械部分位移造成的漂移，如采用对称双光线方法，采用单模光纤准直的方法，采用给激光器恒温的方法等等，对此可以参见方仲彦，殷纯永等的论文《高精度激光准直技术的研究(一)、(二)》。(载于《航空计测技术》，1997年第17卷第1、2期)，但是对大气造成的激光光线漂移一直未能很好地解决。对这一问题，现有的几种典型解决方法如下：

1.补偿方法：这种方法由我国清华大学殷纯永等人提出。他们首先采用固定点补偿，即在测量光路中固定几个点，来实时测量激光的漂移量，并加以补偿，对此可以参见他们申请的专利“自适应激光测量方法及装置”(专利号：ZL 89103290.8)。但由于激光光线在不同位置的漂移量是不同，因此补偿效果差。

在上述方法的基础上，他们进行了后续改进，提出了实时补偿法，该方法的基本原理是：采用足够靠近的相邻光束，其中一个光束用于测量，另一光束不通过测量元件，专门用于采集噪声。由于两束光很接近，大气扰动引起的光线漂移在二路信号中是相关的，通过一定的算法就可以消除或减少激光的漂移。对此可以进一步参看《自适应原则在激光准直仪中的应用》(郭继华，成相印，殷纯永，清华大学学报，1997年第6期)；《双频激光远程直线度/同轴度测量系统》(陈强华，吴健，殷纯永，中国激光，2002年第7期)；专利申请“横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置”(申请号：01134379.6)；“双频激光准直测量方法及其准直测量干涉仪”(专利号：ZL 92110543.6)。这种方法的主要不足是只能结合双频激光干涉仪补偿一个方向的激光漂移，不能同时补偿两个方向的漂移，更不能补偿多维参数，如直线度、偏摆与俯仰角等，此外还需要单独的补偿光束，补偿光束与测量光束虽然相邻很近，但还是不完全同路。

2.外光路封闭方法：由于大气造成的激光光线漂移主要是由于大气折射率变化造成的，如果激光在真空或封闭的介质中传播，则会遵行直线传播原理，不存在漂移，基于这一原理，Sogard等人提出一种可以随测量头变化的封闭光路的方案，并申请了美国专利(专利名称：Laserinterferometer having a sheath for the laser beam，专利号：5708505，1998)，该方法虽然可以基本上消除大气造成的激光漂移，但在很多场合无法应用，只用用于要求精度高的固定测量的场合。

3.数字补偿法：Ishida等人提出了一种基于数字补偿的方法，并申请了美国专利(专利名称：Apparatus for measuring straightness，专利号：5333053，1994)该方法的原理是利用激光发射器发出两种不同波长的光，由于这两种不同波长的激光在空气中的折射率不同，通过计算可以得到漂移量，并进行补偿。但该系统的光源部分复杂昂贵。

到目前为止，尽管出现了一些方法与装置可以减少或者消除激光光线漂移带来的影响，但这些技术仍然存在这样或那样的问题。

本发明人长期从事激光测量方面的研究，并申请过多项此方面的专利，如“一种便携式激光准直仪”(专利号：ZL 02285917.9)，“一种激光多自由度测量系统与方法”(申请号：03105126.X)。但上述专利并没有对激光光线漂移给测量精度造成的影响进行补偿，因此，测量精度会受到一些不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种简单的实时测量与补偿激光光线漂移角的准直系统与准直方法，该系统与方法可以用在以激光光线为基准各种测量中，如直线度/同轴度的测量，或偏摆角/俯仰角的测量，或这些参数的同时测量。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，包括激光发射器和信号处理单元，其特征在于：

所述准直系统还包括有光线漂移角测量单元；

所述光线漂移角测量单元由光线反射器、第一透镜和第一光电接收器组成，所述光线反射器、第一透镜和第一光电接收器沿光线传播方向依序排列，所述光线反射器的入射光线与反射光线相互平行，所述第一透镜和第一光电接收器位于反射光线上，所述第一光电接收器位于所述第一透镜的焦平面上，所述第一光电接收器与所述信号处理单元相连接。

所述准直系统还具有直线度/同轴度测量单元；

所述直线度/同轴度测量单元包括第一分光器和第二光电接收器，所述第一分光器位于反射光线上，其反射面与反射光线成不大于90°的夹角，它将反射光分为两部分，一部分经过所述第一透镜，由所述第一光电接收器接收，另一部分由所述第二光电接收器接收，所述第二光电接收器与所述信号处理单元相连接。

所述准直系统还具有俯仰角和偏摆角测量单元；

所述俯仰角和偏摆角测量单元由第二分光器、第三分光器、第二透镜和第三光电接收器组成，所述第二分光器置于所述激光发射器和所述第三分光器之间，其反射面与入射光线成不大于90°的夹角，所述第三分光器位于所述光线反射器的前面，所述第三光电接收器位于所述第二透镜的焦平面上，接收经所述第三分光器反射后再经所述第二分光器反射回来的光线；

所述第三光电接收器与所述信号处理单元相连接。

所述光线反射器可以是角锥棱镜、两次反射的直角棱镜、猫眼系统中的任何一种。

所述光电接收器可以采用四象限光电接收器或PSD位敏器件或CCD光电接收器中的任何一种。

所述第一分光器和第二分光器可以采用立方分光器或平面分光器中的任何一种；所述第三分光器为平面分光器。

如果所述光线反射器的入射面镀有分光膜，所述第三分光器则可以由所述光线反射器替代。

一种用于消除激光光线漂移角影响的准直方法，用在上述准直系统中，其特征在于包括如下步骤：

(1)开始；

(2)激光发射器发射的光线，经过光线反射器反射后，经过第一透镜，会聚到第一光电接收器上；

(3)信号处理单元记录光点在第一光电接收器上的位置变化，并结合第一透镜的焦距数值，得到激光光线的漂移角；

(4)是否要对直线度/同轴度测量过程中的激光光线漂移角进行补偿？

(5)如果是，进入步骤(6)；如果否，进入步骤(8)；

(6)在光线反射器的反射光线上放置第一分光器，将反射光分为两部分，一部分被第一光电接收器接收，另一部分被第二光电接收器接收；

(7)信号处理单元记录光点在第二光电接收器上位置的改变量，并结合已获得的激光光线漂移角的数据，对直线度/同轴度进行校正；

(8)是否要对偏摆度和俯仰角测量过程中的激光光线漂移角进行补偿？

(9)如果是，进入步骤(10)；如果否，进入步骤(12)；

(10)在入射光线上放置第二分光器，在光线反射器前端的入射光线方向放置第三分光器，第三分光器反射回的光线经第二分光器再次反射后射向第二透镜，第三光电接收器置于第二透镜的焦平面上，接收该光线；

(11)信号处理单元记录光点在第三光电接收器上的位置改变量，并结合第二透镜的焦距数值，得到含有激光漂移角的偏摆或俯仰角度改变量，再结合已获得的激光漂移角，对偏摆度和俯仰角进行校正；

(12)结束。

上述各个步骤可以分为三组，第一组包括步骤(1)、(2)、(3)，第二组包括步骤(4)、(5)、(6)、(7)，第三组包括步骤(8)、(9)、(10)、(11)，所述第二组和所述第三组的执行顺序可以进行调换。

本发明与现有技术相比，所具有的特点为：

其一、本发明采用的是误差分离技术来测量激光光线的漂移角，无需采用参考光路，而是直接从测量光路中将含有非测量因素的激光漂移角分离出来，并加以测量与补偿，实现共光路测量系统，从而极大提高激光准直的稳定和测量的精度。

其二、本发明采用的光路极其简单，使用的光学器件少，光路调整也很简单，由于靶镜上无电缆连接，现场测量极为方便。

其三、本发明采用测量激光漂移角的方法很容易与现有的以激光光线为基准的直线度/同轴度，或者偏摆角与俯仰角测量方法组合起来，减少激光漂移对测量的影响，提高测量精度。

其四、基于本发明提出的激光光线漂移角的方法，容易实现高稳定性的激光四自由度同时测量。

本准直系统测量直线度误差的灵敏度小于1μm，测量角度的灵敏度小于1弧秒，测量距离大于20m，可适用直线度/同轴度、角度偏差的单独测量或同时测量，也可实现静态与动态测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为一个最基本的激光光线漂移角自动测量系统的组成示意图。

图2为图1所示激光光线漂移角自动测量系统的另一个实施例的组成示意图。

图3为带有光线漂移角自动测量的激光直线度/同轴度测量系统的组成示意图。

图4为带有光线漂移角自动测量的激光偏摆角与俯仰角测量系统的组成示意图。

图5为带有光线漂移角自动测量的激光四自由度测量系统的组成示意图，它由图3和图4所示的系统组合而成。

图6为本发明所述的激光准直方法的流程图。

图7为与激光干涉仪配套的实现五自由度测量的系统的组成示意图。

具体实施方式

本发明所述的激光准直方法的核心在于对激光的漂移角进行精确的测量，并对该漂移带来的影响进行自动补偿。下面就以图1为例首先说明测量激光漂移角的原理。

如图1所示，一个最基本的激光光线漂移角测量系统，包括激光发射器1、光线漂移角测量单元2以及信号处理单元5，其中光线漂移角测量单元2由光线反射器103、第一透镜104和第一光电接收器105组成，光线反射器103、第一透镜104和第一光电接收器105沿光线传播方向依序排列，光线反射器103的入射光线101与反射光线102相互平行，第一透镜104和第一光电接收器105位于反射光线102上，第一光电接收器105置于第一透镜104的焦平面上，它与信号处理单元5相连接，以直接测量各种非测量因素造成的激光漂移角的大小。以上测量系统整体可以通过机械连接连成两部分6和7，根据使用方式的不同，一部分为固定测量头，另一个为活动测量头。

上述的透镜可以是单透镜或透镜组，光电接收器可以采用四象限光电接收器或PSD位敏器件或CCD光电接收器等，光线反射器可以是角锥棱镜，两次反射的直角棱镜或者猫眼系统等。图2就是光线反射器使用由透镜107与球面反射镜106组成的猫眼系统的另一个实施例。该实施例中除光线反射器部分不同之外，其余部分与图1所示的实施例完全相同。

另外，上面所说的入射光线与反射光线相互平行是工程上而不是几何学上的概念，它们之间有一个极微小的夹角是可以的。

在图1中，由激光发射器1发射的光线101，经过光线反射器103反射后，经过透镜104，会聚到光电接收器105上。若光线存在角度漂移，光线经过透镜104到达光电接收器105上的位置会发生变化，按下列公式分别得到激光光线在X、Y两个方向漂移角Δα、Δβ(单位：弧度)为：

Δα＝tan^-1(Δx/f) (1)

Δβ＝tan^-1(Δy/f) (2)

式中：f为透镜104的焦距，Δx、Δy分别为光点在第一光电接收器105的X、Y两个方向位置的改变量，这一改变量的具体数值通过信号处理单元5计算获得。

通过图1所示的漂移角测量系统可以容易地测量出激光光线本身的漂移角，下面我们可以通过图3或者图4所示的准直系统对测量过程中的光线漂移角影响进行自动补偿。

如图3所示，该自动补偿光线漂移角的直线度/同轴度测量系统用于对被测物体的直线度/同轴度进行测量，它包括激光发射器1、光线漂移角测量单元2、直线度/同轴度测量单元3以及信号处理单元5(图中未示)。光线漂移角测量单元2由光线反射器103、第一透镜104和第一光电接收器105组成，它们沿光线传播方向依序排列，第一透镜104和第一光电接收器105位于反射光线102上，第一光电接收器105置于第一透镜104的焦平面上。光线反射器103的入射光线101与反射光线102相互平行。直线度/同轴度测量单元3包括第一分光器201和第二光电接收器202。第一分光器201置于光线反射器的反射光线102上，其反射面与反射光线成不大于90°的夹角。它将反射光分为两部分，一部分被第一光电接收器105接收，另一部分被第二光电接收器202接收。另外，光线反射器103在其中还作为直线度/同轴度测量的敏感器件发挥作用。第一光电接收器105和第二光电接收器202都与信号处理单元5相连接。

由激光发射器1发射的光线101，经过光线反射器103反射后，由第一分光器201分成两部分光，一部分经过第一透镜104，会聚到第一光电接收器105上，按上述公式(1)、(2)可以直接得到激光光线的漂移角度；另一部分光线透过第一分光器201，直接入射到第二光电接收器202上。当活动测量头6移动时，由于被测物体或导轨不直，造成光线反射器103在X、Y两个位置的变化，光电接收器202直接按下式得到此位置的变化为：

Δ1＝2ΔX′ (3)

Δ2＝2ΔY′ (4)

式中：Δ1、Δ2分别为由两个方向直线度误差造成光点在光电接收器202上位置的改变量，ΔX’、ΔY’分别为直线度误差和激光漂移产生的误差之和。

最后，可以得到被测物体的真实直线度/同轴度值分别为：

ΔX＝Δ₁/2±L×Δα (5)

ΔY＝Δ₁/2±L×Δβ (6)

式中：L为活动测量头到固定测量头之间的距离，±取决于实际测量时的情况。

图4所示的带有光线漂移角自动测量的测量系统用于对被测物体的的偏摆角与俯仰角进行测量。它包括激光发射器1、光线漂移角测量单元2，俯仰角和偏摆角测量单元4以及信号处理单元5。其中光线漂移角测量单元2的组成与空间位置与图1所示的实施例完全相同，包括光线反射器103、第一透镜104和第一光电接收器105。所说的俯仰角和偏摆角测量单元4由第二分光器301、第三分光器302、第二透镜303和第三光电接收器304组成。两个分光器中的第二分光器301置于激光发射器1和第三分光器302之间，反射面与入射光线成不大于90°的夹角，第三分光器302置于光线漂移角测量单元中2中的光线反射器103的前面，第三光电接收器304置于第二透镜303的焦平面上，接收经第三分光器302反射后再经第二分光器301反射回来的光线，由此可以得到俯仰角和偏摆角误差。上述第一光电接收器105和第三光电接收器304都与信号处理单元5相连接。

激光发射器1发射的光线101，经过第二分光器301后达到第三分光器302，被第三分光器302透射的光线，经过光线反射器103反射后，通过第一透镜104，会聚到第一光电接收器105上，由此根据公式(1)和(2)可以得到激光光线在X、Y两个方向的漂移角Δα和Δβ。被第三分光器302反射回来的光线再次到达第二分光器301后，被第二分光器301反射的光线，经第二透镜303，会聚到该透镜的焦平面上，被第三光电接收器304接收。当与活动测量头6固定在一起的第三分光器302运动时，由于被测物体存在俯仰角或偏摆角，造成反射光线108在光电接收器304上位置的改变，直接按下式得到含有激光漂移角的俯仰或偏摆角度改变量：

Δα₁＝tan^-1(Δx₁/f₁) (7)

Δβ₁＝tan^-1(Δy₁/f₁) (8)

式中：f₁为透镜304的焦距，Δx₁、Δy₁分别为光点在光电接收器304X、Y两个方向位置的改变量，通过信号处理单元5获得。

最后，可以得到被测物体的真实俯仰角和偏摆角为：

Δα₂＝Δα₁±Δα (9)

Δβ₂＝Δβ₁±Δβ (10)

式中：±取决于实际使用时的情况。

上述的第一分光器201、第二分光器301可以采用立方分光器或平面分光器。第三分光器302为平面分光器，它也可以通过直接在光线反射器103的入射面上镀上分光膜来实现。此时，第三分光器302与光线反射器103合二为一。

将图3和图4所示的测量系统组合起来，就可以得到一个带有光线漂移角自动测量的激光四自由度测量系统，如图5所示。在图5中，从第二光电接收器202处可以得到两个方向的直线度，从第三光电接收器304处可以得到两个方向的角度偏差俯仰角与偏摆角，从第一光电接收器105处可以得到激光在两个方向的漂移角，这些参数进入信号处理单元5中进行处理，以对激光光线漂移角造成的影响进行补偿。

图6为本发明所述的激光准直方法的流程图。该方法包括如下步骤：

(1)开始；

(5)如果是，进入步骤(6)；如果否，进入步骤(8)；

(9)如果是，进入步骤(10)；如果否，进入步骤(12)；

(12)结束。

上述各步骤的具体含义在对图1至图4的说明中已经有详细的解释，在此就不重复了。概括地说，本发明所述方法的各个步骤可以分为三部分，第一部分包括步骤(1)、(2)、(3)，该部分解决测量激光光线漂移角的问题，第二部分包括步骤(4)、(5)、(6)、(7)，该部分用于实现带有激光光线漂移角自动补偿的直线度/同轴度的测量，第三部分包括步骤(8)、(9)、(10)、(11)，该部分用于实现带有激光光线漂移角自动补偿的偏摆度、俯仰角的测量。上述第二部分和第三部分的执行顺序可以进行调换，效果是一样的。

图7为本发明所述准直系统与激光干涉仪相配套，实现五自由度测量的一个实施例。在该实施例中，五自由度测量的具体实现方式参照本发明人在先申报的03105126.X号专利申请“一种激光多自由度测量系统与方法”中的有关说明。本发明所述准直系统在图7中主要体现为分光器303，透镜403、404以及光电接收器402、405等组成的激光漂移角测量与补偿单元。

在本发明中所用的激光发射器1可以采用He-Ne激光、半导体激光器或其他类型的激光器，还可以直接利用激光干涉仪中的激光器。其中优选使用半导体激光单模光纤组件，该种激光器的优点在于发出的激光具有很高的稳定性，适合进行测量。信号处理单元5包括模拟信号部分、数字信号处理部分、微处理器和存储器等，用于实现一般的数据运算、存储等功能，它是很普通的现有技术，在此就不多赘述了。

需要声明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，包括激光发射器和信号处理单元，其特征在于：

所述准直系统还包括有光线漂移角测量单元；

2.如权利要求1所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

所述准直系统还具有直线度/同轴度测量单元；

3.如权利要求1所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

所述准直系统还具有俯仰角和偏摆角测量单元；

所述第三光电接收器与所述信号处理单元相连接。

4.如权利要求2所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

所述准直系统还具有俯仰角和偏摆角测量单元；

所述第三光电接收器与所述信号处理单元相连接。

5.如权利要求1至4中任一项所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

6.如权利要求1至4中任一项所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

7.如权利要求2至4中任一项所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

8.如权利要求3或4中任一项所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直系统，其特征在于：

所述光线反射器的入射面镀有分光膜，所述第三分光器由所述光线反射器替代。

9.一种用于消除激光光线漂移角影响的准直方法，用在如权利要求1至4中任一项所述的准直系统中，其特征在于包括如下步骤：

(1)开始；

(5)如果是，进入步骤(6)；如果否，进入步骤(8)；

(9)如果是，进入步骤(10)；如果否，进入步骤(12)；

(12)结束。

10.如权利要求9所述的用于消除激光光线漂移角影响的准直方法，其特征在于：

所述各个步骤可以分为三组，第一组包括步骤(1)、(2)、(3)，第二组包括步骤(4)、(5)、(6)、(7)，第三组包括步骤(8)、(9)、(10)、(11)，所述第二组和所述第三组的执行顺序可以进行调换。