CN1760636A - 漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置和方法 - 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，特别涉及一种漂移量靶标反馈的长距离高精度二维偏振光电自准直装置和方法。二维光电自准直光管采用偏振激光光源、偏振分光镜和λ/4波片组合，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源进而避免测量光束进一步的角漂移量；分光式靶标探测器在获取其二维小角度变化量的测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对其角漂移量进行实时监测，计算机根据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。

Description

漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置和方法

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，特别涉及一种漂移量靶标反馈的长距离高精度二维偏振光电自准直装置和方法。

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，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)。

对于测量不确定度优于0.5″的光电自准直仪，测量距离通常小于6m(1.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；2.德国MLLER-WEDEL公司ELCOMAT vario双轴自准直仪中文操作手册.2004；3.中国船舶工业第6354研究所九江精密测试技术研究所SZY-99型数显自准直仪中文操作手册.2004；4.英国Taylor Hobson公司TA51，DA20，DA400型光学自准直仪中文操作手册.2002)。在长距离的应用场合中，激光光束的角漂移量是光电自准直仪测量误差的主要来源。造成光束漂移的主要原因有：(1)激光光源自身发热导致谐振腔内反射镜变型引起的激光光束的角漂移；(2)由于激光光束回馈激光光源，进而引起的谐振腔内谐振不稳定引起的激光光束的角漂移；(3)光束传播途径中的大气气流的随机抖动造成激光光束的随机扰动和大气梯度折射率的变化引起的光线弯曲等。理论分析表明：光线弯曲与距离的平方成正比，随机抖动与距离的1.5次方成正比。随着距离的增大，光束传播途径中的大气气流的随机抖动造成激光光束的随机扰动和大气梯度折射率的变化引起的光线弯曲的影响将远远超过激光光源谐振腔内反射镜变型引起光束的角漂移，同时由于二维光电自准直仪的高分辨率特性使得由于激光光束回馈激光光源进而引起的激光光束的角漂移的影响不容忽略，因此提高准直精度就更加困难。在长距离激光准直系统中，采用波带片、位相板、二元光学器件、双缝等产生的干涉和衍射条纹的空间连线作为基准线，利用它们对漂移量不敏感这一特点，来达到准直的目的，典型的方法有位相板衍射准直法、二元光学准直法、双光束补偿准直法等，此类方法准直精度一般在10^-6rad，即0.2″量级左右。(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；3.饶瑞中，王世鹏，刘晓春，龚知本.湍流大气中激光束漂移的实验研究.中国激光.2000，27(11)：1011-1015；4.杨友堂，曾理江，殷纯永.自适应除噪技术在激光准直中的应用研究.仪器仪表学报.1995，16(4)：370-374)。

在二维光电自准直仪的数据采集处理中，由于光束漂移的影响，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偏差，导致仪器数据重复性差，稳定性不好，甚至使得光斑漂移到接收视场之外，影响仪器的正常工作。若要进一步提高测量稳定性和测量精度，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。

采用激光的偏振特性和闭环反馈控制技术，为避免激光光束回馈激光光源从而进一步避免由此引起的测量光束的角漂移误差，同时补偿和修正在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量引起的角度测量偏差，实现高精度的小角度测量提供了一种有效的技术途径。为了提高激光光束的方向稳定性，目前许多国内外专家学者针对不同的应用场合，提出了许多基于闭环反馈控制技术的激光准直方法(1.赵维谦，谭久彬，马洪文，邹丽敏.漂移量反馈控制式激光准直方法.光学学报.2004，24(3)：373-377；2.于达仁，张志强，徐基豫，苏杰先.激光测量中干扰的光路自动补偿方法.仪器仪表学报.2003，24(2)：123-126；3.于殿泓，郭彦珍.提高激光准直精度的一种方法.石油仪器.1999，13(6)：18-20；4.李岩，孟祥旺，章恩耀.一种新型激光扫描式大工件孔-孔同轴度测量仪.激光与红外.2000，30(5)：280-282)。

在实际应用中可知上述测量方案虽然在一定程度上抑制了光束的角漂移量，但是上述测量方案仅仅针对的是特定的激光直线基准的应用场合，控制的对象是激光光束的中心位置。而在二维光电自准直仪的实际应用中，尤其是在长距离的应用场合，要求在引入反馈控制测量光束的角漂移量的同时还能够精确测量出二维小角度的变化量，同时由于二维光电自准直仪的高分辨率特性使得由于激光光束回馈激光光源进而引起的角漂移的影响不容忽略，难点是反馈控制的对象就是二维光电自准直仪需要测量的二维小角度的变化量，控制的对象的未知性直接导致无法在二维光电自准直仪的测量过程中引入反馈控制，同时由于激光光束回馈激光光源进而引起的激光光束的角漂移量难以通过外部的闭环反馈控制技术消除。测量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角度测量偏差，导致光电自准直仪在长距离的应用中，测量稳定性和重复性差，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，提供一种漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置和方法，二维光电自准直光管采用偏振激光光源、偏振分光镜和^λ/₄波片组合，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源进而避免测量光束进一步的角漂移量；分光式靶标探测器在获取其二维小角度变化量的测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对其角漂移量进行实时监测，计算机根据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。动态补偿和抑制测量光束的角漂移量引起的角度测量误差，监测距离长，对角漂移量的监测灵敏度高，可显著提高二维光电自准直仪的测量距离、测量稳定性和测量精度。

本发明采用的技术解决方案是：一种漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置，包括二维光电自准直光管和计算机，还包括漂移量监测装置、分光式靶标探测器和二维光束偏转装置，所说的二维光电自准直光管由依次放置的偏振激光光源、分划板、偏振分光镜、^λ/₄波片、CCD图像传感器和准直物镜构成，其中分划板位于准直物镜的焦点处，CCD图像传感器位于准直物镜的焦点的共轭位置处；所说的二维光束偏转装置由压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷位移器、二维微位移工作台和偏转反射镜组成；二维光电自准直光管中偏振激光光源、偏振分光镜和^λ/₄波片组合，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光器进而避免测量光束进一步的角漂移量；分光式靶标探测器在获取其二维小角度变化量的测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光器固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对角漂移分量反馈光束的角漂移量进行实时监测，计算机根据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。

二维光电自准直光管中的偏振激光光源采用发出线偏振的激光光束或圆偏振的激光光束的激光光源或激光光源装置。

二维光电自准直光管中的^λ/₄波片放置于偏振分光镜与准直物镜之间或放置于准直物镜与分光式靶标探测器之间。

分光式靶标探测器由相对放置的两个直角棱镜固连组成，其中一个直角棱镜的一个垂直工作表面镀分光膜，测量光束由镀分光膜的直角棱镜的垂直工作表面入射。

漂移量监测装置由偏转反射镜、聚焦物镜和四象限探测器固连组成，四象限探测器位于聚焦物镜的焦平面处。

本发明还提供了漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

1.二维光电自准直光管发出具有偏振特性的测量光束；

2.分光式靶标探测器接收测量光束并将其分离为反射光束和透射光束；

3.反射光束获取分光式靶标探测器的二维小角度变化量后，经过偏振分光镜后完全反射，由CCD图像传感器接收，成为测量信号；

4.透射光束分离出与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，反馈回漂移量监测装置，经聚焦物镜由四象限探测器接收，监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δd}}{f_0}\right)$

其中：ε为角漂移分量反馈光束的角漂移量，Δd为角漂移分量反馈光束的聚焦中心偏离四象限探测器的中心的位移量，f₀为聚焦物镜的焦距。

计算机根据漂移量监测装置监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，使测量光束按照角漂移量相反的方向调整，调整量大小为：

                               φ＝ε

其中：φ为二维光束偏转装置对测量光束的空间角度的调整量，ε为漂移量监测装置监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量。

按照步骤4和步骤5反复调整，实时抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量，由测量信号可精确测出分光式靶标探测器的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}$

这里：θ为分光式靶标探测器的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在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。

本发明具有以下特点和良好效果：

1.采用偏振分光镜和^λ/₄波片组合的二维光电自准直光管发出具有偏振特性的测量光束，获取分光式靶标探测器的二维小角度变化量后按原光路返回，由准直物镜会聚后，由激光的偏振特性知，经过偏振分光镜后测量光束完全反射，由CCD图像传感器接收，利用激光的偏振特性避免了测量光束回馈激光光源，进而避免测量光束进一步的角漂移量，这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之一；

2.采用新颖的分光式靶标探测器改进光学测量系统，将测量光束的角漂移量从分光式靶标探测器的二维小角度变化量中分离出来，实时得到与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，由漂移量监测装置的四象限探测器实时监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量，这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之二；

3.在设计中，在测量光束传播途径中耦合在光束中的角漂移量，光束的角漂移量在测量光束中和角漂移分量反馈光束中同时变化，计算机根据漂移量监测装置监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，使测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，可抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量，这是区别于现有光电自准直测量技术的创新点之三；

4.本设计方案在精确测量二维小角度变化量的同时引入了光的偏振技术和闭环反馈控制技术，在光路中加入偏振激光光源、偏振分光镜、^λ/₄波片、分光式靶标探测器、漂移量监测装置和二维光束偏转装置，即可利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源进而避免测量光束进一步的角漂移量，同时还可抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量；动态抑制和补偿测量光束的角漂移量引起的角度测量误差，解决了长距离应用场合中由于光束的角漂移量引起的测量稳定性差，甚至漂移出仪器接收视场的难题，在增大二维光电自准直仪的测量距离的同时提高了测量稳定性，满足了长距离高精度二维小角度测量的需要，且测量距离越长，精度改善越显著，可靠性高，实用性强。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置中的分光式靶标探测器获取二维小角度变化量的同时分离得到与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束的结构示意图；

图3是本发明装置中的漂移量监测装置监测角漂移分量反馈光束的角漂移量的测量原理图；

图4是本发明装置中的二维光束偏转装置对测量光束的角漂移量进行实时反馈控制的结构示意图；

图5是本发明装置中二维光电自准直光管中^λ/₄波片放置于准直物镜与分光式靶标探测器之间的结构示意图；

图6是本发明装置中的分光式靶标探测器由相对放置的两个直角棱镜构成，其中一个直角棱镜的一个垂直工作表面镀分光膜，测量光束由镀分光膜的直角棱镜的垂直工作表面入射的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置和方法进行详细描述：

如图1所示，本发明的装置包括由偏振激光光源2、分划板3、偏振分光镜4、^λ/₄波片5、CCD图像传感器6、准直物镜7组成的二维光电自准直光管1，由四象限探测器9、聚焦物镜10和偏转反射镜11组成的漂移量监测装置8，分光式靶标探测器12，计算机13，由压电陶瓷驱动电源14、压电陶瓷位移器15、二维微位移工作台16和偏转反射镜17组成的二维光束偏转装置18等构成。其光的路径如下：

二维光电自准直光管1的偏振激光光源2发出的偏振激光光束照亮位于准直物镜7的焦点处的分划板3，经过偏振分光镜4透射后激光光束变为线偏振光P光，P光经过放置在偏振分光镜4和准直物镜7之间的^λ/₄波片5后P光的偏振方向转动45°变为圆偏振光，经准直物镜7会聚后变为平行准直的测量光束，经过二维光束偏转装置18反射后入射到放置在被测物上的分光式靶标探测器12，分光式靶标探测器12将入射光束分为两束：

反射光束获取分光式靶标探测器12的二维小角度变化后，经过二维光束偏转装置18反射，由准直物镜7会聚后，^λ/₄波片5使得圆偏振光的偏振方向再转动45°，变为与P光的偏振方向正交的线偏振光S光，由偏振特性知线偏振光S光再经过偏振分光镜4后完全反射，被CCD图像传感器6接收，成为测量信号，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源2，进而避免测量光束进一步的角漂移量；

透射光束成为与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，反馈回漂移量监测装置8，经偏转反射镜11反射，聚焦物镜10聚焦后由位于聚焦物镜10的焦平面处的四象限探测器9接收，分离并监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量。计算机13根据监测出的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置18，进行测量光束的空间角度的调整，使测量光束按照角漂移量相反的方向调整，反复进行监测和调整的步骤，即可实时抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。由图1和图2，并结合几何光学和光学自准直原理，通过测量信号可精确测出分光式靶标探测器12的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}$

这里：θ为分光式靶标探测器12的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在CCD图像传感器6上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜7的等效焦距。

通过分光式靶标探测器12获取二维小角度变化量的同时分离得到与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，并由漂移量监测装置8对角漂移分量反馈光束的角漂移量进行监测的测量原理如图2和图3所示，漂移量监测装置8中监测角漂移分量反馈光束的角漂移量的四象限探测器9的光敏面中心位于聚焦物镜10的焦点处，当测量光束产生角漂移量ε时，角漂移分量反馈光束聚焦于聚焦物镜10的焦平面上并产生位移Δd，由此监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量为：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δd}}{f_0}\right)$

其中：ε为角漂移分量反馈光束的角漂移量，Δd为角漂移分量反馈光束的聚焦中心偏离四象限探测器9的光敏面中心的位移量，f₀为聚焦物镜10的焦距。

二维光束偏转装置18对测量光束的角漂移量进行实时闭环反馈控制的结构示意图如图4所示，在闭环反馈控制系统中，为了使二维光束偏转装置18达到很高的驱动分辨能力和驱动精度，采用由压电陶瓷驱动电源14、压电陶瓷位移器15、二维微位移工作台16和偏转反射镜17组成的二维光束偏转装置18，计算机13根据漂移量监测装置8监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置18，进行测量光束的空间角度的调整，调整量大小为：

                                φ＝ε

其中：φ为二维光束偏转装置18对测量光束的空间角度的调整量，ε为四象限探测器9监测出的角漂移分量反馈光束的角漂移量；计算机13对测量光束按照角漂移量相反的方向调整，二维光束偏转装置18转角分辨力优于0.002″，转角范围大于2″，反复进行监测和调整的步骤，即可实时将在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量抑制在0.01″范围内，提高二维光电自准直仪测量距离的同时保证了高精度的二维小角度测量。

参见图5，本发明装置中的二维光电自准直光管1中^λ/₄波片5放置于准直物镜7与分光式靶标探测器12之间。

参见图6，本发明装置中的分光式靶标探测器12由相对放置的两个直角棱镜19和20构成，其中一个直角棱镜20的一个垂直工作表面镀分光膜，测量光束由镀分光膜的直角棱镜20的垂直工作表面入射。

下面详细说明本发明所述的方法：

本发明还提供了漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

1.首先对二维光电自准直光管1进行调整，使得偏振激光光源2发出的偏振激光光束经过偏振分光镜4透射后激光光束变为线偏振光P光，然后对漂移量监测装置8进行调整，保证四象限探测器9的光敏面中心位于聚焦物镜10的焦点处，调整完毕后漂移量监测装置8应与二维光电自准直光管1固连，然后对二维光电自准直光管1进行校准，校准完毕后使用过程中偏振激光光源2和漂移量监测装置7不再调整；二维光电自准直光管1的偏振激光光源2发出的激光光束，照亮位于准直物镜7的焦点处的分划板3，经过偏振分光镜4透射后激光光束变为线偏振光P光，P光经过放置在偏振分光镜4和准直物镜7之间的^λ/₄波片5后P光的偏振方向转动45°变为圆偏振光，经准直物镜7会聚后变为平行准直的测量光束，经过二维光束偏转装置18反射后入射到放置在被测物上的分光式靶标探测器12上；

2.分光式靶标探测器12接收测量光束并将其分离为反射光束和透射光束；

3.反射光束获取分光式靶标探测器12的二维小角度变化量后，经过二维光束偏转装置18反射，由准直物镜7会聚后，^λ/₄波片5使得圆偏振光的偏振方向再转动45°，变为与P光的偏振方向正交的线偏振光S光，由偏振特性知线偏振光S光再经过偏振分光镜4后完全反射，被CCD图像传感器6接收，成为测量信号，在CCD图像传感器5上形成的光斑中心位置的变化量为d₁，同时利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源2，进而避免测量光束进一步的角漂移量；

4.透射光束成为与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，反馈回漂移量监测装置8，经聚焦物镜10聚焦后由位于聚焦物镜10的焦平面处的四象限探测器9接收，监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量。当测量光束产生角漂移量ε时，角漂移分量反馈光束聚焦于聚焦物镜10的焦平面上并产生位移Δd，由此监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量为：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δd}}{f_0}\right)$

其中：ε为角漂移分量反馈光束的角漂移量，Δd为角漂移分量反馈光束的聚焦中心偏离四象限探测器9的中心的位移量，f₀为聚焦物镜10的焦距。

5.计算机13根据漂移量监测装置8监测出的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置18，为了使二维光束偏转装置18达到很高的驱动分辨能力和驱动精度，采用由压电陶瓷驱动电源14、压电陶瓷位移器15、二维微位移工作台16和偏转反射镜17组成的二维光束偏转装置18，计算机13根据漂移量监测装置8监测出的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置18，进行测量光束的空间角度的调整，调整量大小为：

                            φ＝ε

其中：φ为二维光束偏转装置18对测量光束的空间角度的调整量，ε为漂移量监测装置8监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量；

6.按照步骤4和步骤5，计算机13对测量光束按照角漂移量相反的方向调整，实时抑制和消除在测量光束传播途径中测量光束的角漂移量，由图1和图2，并结合几何光学和光学的自准直原理，通过测量信号可精确测出分光式靶标探测器12的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}$

这里：θ为分光式靶标探测器12的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在CCD图像传感器6上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜7的等效焦距。

可见，采用偏振激光光源2、偏振分光镜4和^λ/₄波片5组合改进的二维光电自准直光管1发出具有偏振特性的测量光束，获取分光式靶标探测器12的二维小角度变化量后，由激光的偏振特性知，经过偏振分光镜4后完全反射，由CCD图像传感器6接收，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源2进而避免测量光束进一步的角漂移量；同时，采用新颖的分光式靶标探测器12改进光学测量系统并引入闭环反馈控制技术后，可保证通过分光式靶标探测器12获取二维小角度变化量的同时分离得到与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，并由漂移量监测装置8对角漂移分量反馈光束的角漂移量进行监测，计算机13根据漂移量监测装置监测出的角漂移量实时控制二维光束偏转装置18，使测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，实时抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量，即可动态补偿测量光束的角漂移量引起的角度测量误差，解决了长距离应用场合中由于测量光束的角漂移量引起的测量稳定性差，甚至漂移出仪器的视场的难题，在增大二维光电自准直仪的测量距离的同时提高了测量稳定性，从而该测量方案实现了长距离高精度的二维小角度测量。

实施例1：

如图1所示的二维偏振光电自准直装置，二维光电自准直光管1中偏振激光光源2发出线偏振激光光束，^λ/₄波片5放置于偏振分光镜4与准直物镜7之间；分光式靶标探测器12如图6所示，由相对放置的两个直角棱镜19和20构成，其中一个直角棱镜20的一个垂直工作表面镀分光膜，测量光束由镀分光膜的直角棱镜20的垂直工作表面入射；漂移量监测装置8由偏转反射镜11、聚焦物镜10和四象限探测器9固连组成。首先对二维光电自准直光管1进行调整，调整偏振激光光源2发出的线偏振激光光束的偏振方向，使得偏振激光光源2发出的线偏振激光光束经过偏振分光镜4透射后激光光束变为线偏振光P光，对漂移量监测装置8进行调整，保证四象限探测器9的光敏面中心位于聚焦物镜10的焦点处，调整完毕后漂移量监测装置8应与二维光电自准直光管1固连，然后对二维光电自准直光管1进行校准，校准完毕后使用过程中偏振激光光源2和漂移量监测装置8不再调整；

进行测量时，二维光电自准直光管1的偏振激光光源2发出的线偏振激光光束照亮位于准直物镜7的焦点处的分划板3，经过偏振分光镜4透射后激光光束变为线偏振光P光，P光经过放置在偏振分光镜4和准直物镜7之间的^λ/₄波片5后P光的偏振方向转动45°变为圆偏振光，经准直物镜7会聚后变为平行准直的测量光束，经过二维光束偏转装置18反射后入射到放置在被测物上的分光式靶标探测器12，分光式靶标探测器12将入射光束分为两束：

反射光束获取分光式靶标探测器12的二维小角度变化后，经过二维光束偏转装置18反射，由准直物镜7会聚后，^λ/₄波片5使得圆偏振光的偏振方向再转动45°，变为与P光的偏振方向正交的线偏振光S光，由偏振特性知线偏振光S光再经过偏振分光镜4后完全反射，被CCD图像传感器6接收，成为测量信号，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光光源2，进而避免测量光束进一步的角漂移量；

透射光束成为与测量光束特性完全相同的激光光源固有的角漂移分量反馈光束，反馈回漂移量监测装置8，经聚焦物镜10聚焦后由位于聚焦物镜10的焦平面处的四象限探测器9接收，监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量。当测量光束产生角漂移量ε时，角漂移分量反馈光束聚焦于聚焦物镜10的焦平面上并产生位移Δd，由此监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量为：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δd}}{f_0}\right)$

其中：ε为角漂移分量反馈光束的角漂移量，Δd为角漂移分量反馈光束的聚焦中心偏离四象限探测器9的中心的位移量，f₀为聚焦物镜10的焦距。计算机13根据漂移量监测装置8监测出的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时反馈控制二维光束偏转装置18，进行测量光束的空间角度的调整，调整量大小为：

                                   φ＝ε

其中：φ为二维光束偏转装置18对测量光束的空间角度的调整量，ε为漂移量监测装置8监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量；

计算机13对测量光束按照角漂移量相反的方向调整，实时抑制和消除耦合在测量信号中的测量光束的角漂移量，由图1和图2，并结合几何光学和光学的自准直原理，通过测量信号可精确测出分光式靶标探测器12的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}$

这里：θ为分光式靶标探测器12的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在CCD图像传感器6上形成的光斑中心位置的变化量，f为准直物镜7的等效焦距。

本实施例中，二维光电自准直光管1中的偏振激光光源2采用发出线偏振激光光束的激光光源，偏振分光镜4的边长为12.7mm，^λ/₄波片5的直径为Φ50mm；分光式靶标探测器12由相对放置的边长为50mm的两个直角棱镜19和20构成，其中一个直角棱镜20的一个垂直工作表面镀分光膜，测量光束由镀分光膜的直角棱镜20的垂直工作表面入射，所镀的分光膜的分光比为：T/R＝50/50@632.8nm；漂移量监测装置8由偏转反射镜11、聚焦物镜10和四象限探测器9固连组成，四象限探测器9位于聚焦物镜10的焦平面处。偏转反射镜11为平面反射镜镀高反射膜构成，平面反射镜直径为Φ50mm，高反射膜反射率系数：R≥99％@632.8nm；聚焦物镜10的焦距为150mm，口径为Φ50mm；四象限探测器9选用日本滨松公司的S1557型四象限探测器，单象限光敏面面积0.2mm²。二维光束偏转装置18由压电陶瓷驱动电源14、压电陶瓷位移器15、二维微位移工作台16和偏转反射镜17组成，压电陶瓷驱动电源14的主要技术参数为：输入电压范围为±6V，输出电压范围为±600V，输出电压最小分辨力为0.226V，非线性误差小于0.8％，稳定性误差小于0.01％；压电陶瓷位移器15选用中国科学院成都光电所的可伸缩压电陶瓷驱动器，伸缩范围为：-6μm～+6μm；二维微位移工作台16采用无机械传动机构的二维柔性铰链工作台；偏转反射镜17为平面反射镜镀高反射膜构成，平面反射镜10直径为Φ50mm，高反射膜反射率系数：R≥99％@632.8nm，二维光束偏转装置18的转角分辨力优于0.002″，转角范围大于10″，反复进行监测和调整的步骤，即可实时将测量光束的角漂移量抑制在0.01″范围内，实验结果表明，该二维偏振光电自准直装置在测量分辨力达到0.01″，测量距离为20m的情况下，测量稳定性优于0.04″/h，测量不确定度优于0.04″，实现了长距离高精度二维小角度测量。

实施例2：

如图1所示的二维偏振光电自准直装置，这里，如图5所示，二维光电自准直光管1中偏振激光光源2发出线偏振激光光束，并且^λ/₄波片5放置于准直物镜7与分光式靶标探测器12之间。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所示的二维偏振光电自准直装置，这里，如图7所示，二维光电自准直光管1中偏振激光光源2发出圆偏振激光光束。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所示的二维偏振光电自准直装置，这里，漂移量监测装置8不加入偏转反射镜11，由聚焦物镜10和四象限探测器9组成，四象限探测器9位于聚焦物镜10的焦平面处。本实施例的其他部件及工作原理均与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种漂移量靶标反馈的长距离二维偏振光电自准直装置，包括二维光电自准直光管和计算机，其特征在于还包括漂移量监测装置、分光式靶标探测器和二维光束偏转装置，所说的二维光电自准直光管由依次放置的偏振激光光源、分划板、偏振分光镜、λ/4波片、CCD图像传感器和准直物镜构成，其中分划板位于准直物镜的焦点处，CCD图像传感器位于准直物镜的焦点的共轭位置处；所说的二维光束偏转装置由压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷位移器、二维微位移工作台和偏转反射镜组成；二维光电自准直光管中偏振激光光源、偏振分光镜和λ/4波片组合，利用激光的偏振特性避免测量光束回馈激光器进而避免测量光束进一步的角漂移量；分光式靶标探测器在获取其二维小角度变化量的测量信号的同时分离并反馈回与测量光束特性完全相同的激光器固有的角漂移分量反馈光束，漂移量监测装置对角漂移分量反馈光束的角漂移量进行实时监测，计算机根据其监测得到的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，将测量光束按照角漂移量相反的方向进行调整，抑制和消除在测量光束传播途径中耦合在测量光束中的角漂移量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所说的二维光电自准直光管中的偏振激光光源采用发出线偏振的激光光束或圆偏振的激光光束的激光光源或激光光源装置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所说的二维光电自准直光管中的λ/4波片放置于准直物镜与分光式靶标探测器之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所说的分光式靶标探测器由相对放置的两个直角棱镜固连组成，其中一个直角棱镜的一个垂直工作表面镀分光膜，测量光束由镀分光膜的直角棱镜的垂直工作表面入射。

5.根据权力要求1-4中的任意一项所述的装置，其特征在于所说的漂移量监测装置由偏转反射镜、聚焦物镜和四象限探测器固连组成，四象限探测器位于聚焦物镜的焦平面处。

6.一种漂移量靶标反馈的长距离二维偏振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).二维光电自准直光管发出具有偏振特性的测量光束；

(2).分光式靶标探测器接收测量光束并将其分离为反射光束和透射光束；

(3).反射光束获取分光式靶标探测器的二维小角度变化量后，经过偏振分光镜后完全反射，由CCD图像传感器接收，成为测量信号；

(4).透射光束分离出与测量光束特性完全相同的激光器固有的角漂移分量反馈光束，反馈回漂移量监测装置，经聚焦物镜由四象限探测器接收，监测出角漂移分量反馈光束的角漂移量：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δd}}{f_0}\right)$

其中：ε为角漂移分量反馈光束的角漂移量，Δd为角漂移分量反馈光束的聚焦中心偏离四象限探测器的中心的位移量，f₀为聚焦物镜的焦距；

(5).计算机根据漂移量监测装置监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量实时控制二维光束偏转装置，使测量光束按照角漂移量相反的方向调整，调整量大小为：

                              φ＝ε

其中：φ为二维光束偏转装置对测量光束的空间角度的调整量，ε为漂移量监测装置监测得到的角漂移分量反馈光束的角漂移量；

(6).按照步骤4和步骤5反复调整，实时抑制和消除耦合在测量光束中的角漂移量，由测量信号可精确测出分光式靶标探测器的二维小角度的变化量：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_1}{2f}$

这里：θ为分光式靶标探测器的二维小角度的变化量，d₁为测量信号在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。

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