一種高精度激光大工作距自準直裝置與方法
【專利摘要】本發明屬于精密測量技術領域與光學工程領域，具體涉及一種高精度激光大工作距自準直裝置與方法；該裝置由光源、準直鏡、反射鏡、以及反饋成像系統組成；該方法通過調整反射鏡，使反射光束回到反饋成像系統像面中心，再利用反射鏡上的角度偏轉測量裝置來得到被測物表面的角度變化；由于本發明在傳統自準直角度測量系統上增加了反射鏡，因此能夠避免被測物反射光偏離測量系統而導致無法測量的問題，進而具有在相同工作距離下增加自準直工作范圍，或在相同自準直工作范圍下增加工作距離的技術優勢；此外，準直鏡、反饋成像系統、反射鏡等的具體設計，使本發明還具有結構簡單、制作成本低；同時還能監測測量環境穩定性；以及快速測量的技術優勢。
【專利說明】
一種高精度激光大工作距自準直裝置與方法
技術領域
[0001] 本發明屬于精密測量技術領域與光學工程領域，具體涉及一種高精度激光大工作 距自準直裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 在精密測量技術領域、光學工程領域、尖端科學實驗領域和高端精密裝備制造領 域中，迫切需求在大工作距下進行大工作范圍、高精度激光自準直技術。它支撐著上述領域 技術與儀器裝備的發展。
[0003] 在精密測量技術與儀器領域，激光自準直儀與圓光柵組合，可以進行任意線角度 測量;激光自準直技術與多面棱體組合，可以進行面角度測量和圓分度測量;最大工作距離 從幾米至上百米;分辨力從0.1角秒至0.001角秒。
[0004] 在光學工程領域和尖端科學實驗領域，激光自準直儀與兩維互為垂直的兩個圓光 柵組合，可以進行空間角度的測量；由兩路激光自準直儀組成位置基準，可以進行兩兩光軸 夾角或平行性的測量。角度工作范圍幾十角秒至幾十角分。
[0005] 在尖端科學實驗裝置和高端精密裝備制造領域，采用激光自準直儀可以測量尖端 科學實驗裝置和高端精密裝備回轉運動基準的角回轉精度，測量直線運動基準的空間直線 精度和兩兩運動基準的平行度和垂直度。
[0006] 激光自準直技術具有非接觸、測量精度高、使用方便等優點，在上述領域中具有廣 泛應用。
[0007] 傳統自準直儀如圖1所示，該系統包括光源1、透射式準直鏡21、以及反饋成像系統 6;光源1出射的光束，經過透射式準直鏡21準直成平行光束后，入射到被測物5的反射面;從 被測物5反射面反射的光束，由反饋成像系統6采集成像。這種結構下，只有從被測物5表面 反射的光束近原路返回，才能被反饋成像系統6采集成像，進而實現有效測量。這個近原路 返回的條件限制，使得該系統存在以下兩方面缺點：
[0008] 第一、被測對象5反射鏡面法線與激光自準直儀光軸夾角的范圍不能太大，否則會 造成反射光束偏離激光自準直儀光學系統的入瞳，進而導致無法實現自準直和微角度測 量；
[0009] 第二、被測對象5反射鏡面距離測量激光自準直儀入瞳不能太遠，否則只要反射光 軸與自準直儀光軸偏離微小角度就會造成反射光束偏離激光自準直儀光學系統的入瞳，進 而導致無法實現自準直和微角度測量。
[0010] 以上兩個問題，使傳統自準直儀器只能限定在小角度、小工作距離下使用。

【發明內容】

[0011] 針對傳統自準直儀所存在的兩個問題，本發明公開了一種高精度激光大工作距自 準直裝置與方法，同傳統自準直儀相比，具有在相同工作距離下顯著增加自準直工作范圍， 或在相同自準直工作范圍下顯著增加工作距離的技術優勢。
[0012] 本發明的目的是這樣實現的：
[0013] 一種高精度激光大工作距自準直裝置，包括光源、透射式準直鏡、反射鏡、以及反 饋成像系統，所述反射鏡上設置有角度調整測量裝置;光源出射的光束，經過透射式準直鏡 準直成平行光束后，再由反射鏡反射，入射到被測物的表面;從被測物表面反射的光束，再 經過反射鏡反射后，由反饋成像系統采集成像；
[0014] 所述反饋成像系統為以下兩種形式中的一種：
[0015] 第一、設置在光源與透射式準直鏡之間，包括第一反饋分光鏡和設置在透射式準 直鏡焦點處的圖像傳感器;從被測物表面反射的光束，再經過反射鏡反射后，先后經過透射 式準直鏡投射、第一反饋分光鏡反射、由圖像傳感器采集成像;在被測物表面與光軸垂直的 條件下，圖像傳感器所成點像在像面中心位置；
[0016] 第二、設置在透射式準直鏡與反射鏡之間，包括第一反饋分光鏡、第一反饋物鏡和 設置在透射式準直鏡焦點處的圖像傳感器;從被測物表面反射的光束，再經過反射鏡反射 后，先后經過第一反饋分光鏡反射、第一反饋物鏡透射、由圖像傳感器采集成像;在被測物 表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器所成點像在像面中心位置；
[0017] 所述角度調整測量裝置包括設置在反射鏡上的角度調整裝置、角度偏轉測量裝 置、以及萬向軸，角度調整裝置包括第一驅動器和第二驅動器;角度偏轉測量裝置包括第一 金屬片、第二金屬片、對應第一金屬片位置的第一電容傳感器、以及對應第二金屬片位置的 第二電容傳感器;第一驅動器、第一金屬片、以及萬向軸在一條直線上，第二驅動器、第二金 屬片、以及萬向軸在一條直線上，并且第一驅動器與萬向軸的連線垂直第二驅動器與萬向 軸的連線;角度偏轉測量裝置還包括共光路自準直儀。
[0018] 一種在上述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精度激光大工作距自準 直方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟a、點亮光源，圖像傳感器成像，得到點像偏離像面中心位置△ X和Δ y;
[0020] 步驟b、利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點像回 到像面中心位置；
[0021] 步驟c、讀取第一電容傳感器的電容變化AC1，以及第二電容傳感器的電容變化Δ C2，再轉換為反射鏡的角度變化△ θ 1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀得到反射鏡的角度變 化Δ Θ 2和Δφ2，進而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ;其中，A01 = fl(ACl，AC2)， 厶9.1=;2(八〔'1，八〔'2),厶〇1=^3:(八01，.八.0.2,4^)1，入(()2)和么擇=.￡4.(么01，么02，么91，么^)2);；|^1、1^2、1^3、1^4表 示4個函數。
[0022]上述高精度激光大工作距自準直裝置，還包括波前探測系統和波前補償系統；
[0023] 所述波前探測系統包括波前探測分光鏡、以及空氣擾動波前探測器和反射鏡形變 波前探測器中的至少一個;所述波前探測分光鏡設置在反射鏡與被測物之間，空氣擾動波 前探測器設置在波前探測分光鏡的反射光路上，反射鏡形變波前探測器設置在反射鏡的二 次反射光路上；
[0024] 所述波前補償系統包括補償光源、補償準直鏡、以及透射式液晶空間光調制器;補 償光源出射的光束，經過補償準直鏡準直成平行光束后，再由透射式液晶空間光調制器調 制，入射到波前探測分光鏡上。
[0025] 一種在上述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精度激光大工作距自準 直方法，要求波前探測系統僅包括波前探測分光鏡和空氣擾動波前探測器；
[0026] 包括以下步驟：
[0027]步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0028]步驟b、點亮光源，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置B， 空氣擾動波前探測器分別得到GA和GB兩組數據；
[0029]步驟c、Gl=GA_GB，得到空氣擾動造成的波前變化；
[0030]步驟d、按照f5(Gl)調整透射式液晶空間光調制器參數，點亮補償光源，補償空氣 擾動；
[0031 ]步驟e、圖像傳感器成像，得到點像偏離像面中心位置Δ X和Δ y;
[0032] 步驟f、利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點像回 到像面中心位置；
[0033] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化AC1，以及第二電容傳感器的電容變化Δ C2，再轉換為反射鏡的角度變化△ θ 1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀得到反射鏡的角度變 化Δ Θ 2和Δφ2，進而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ;其中，A01 = fl(ACl，AC2)， Δφ1===Ι2(ΔΓ?,Δ(：2), Δα=β(ΔΘ 1，ΔΘ2，Δφ 1，Δφ2)和Δβ=Γ4(ΔΘ 1 "Δθ2，Δφ 1 .Δφ2); f 1、f2、f3、f4表 示4個函數。
[0034] 一種在上述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精度激光大工作距自準 直方法，要求波前探測系統僅包括波前探測分光鏡和反射鏡形變波前探測器；
[0035] 包括以下步驟：
[0036] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0037] 步驟b、點亮光源，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置B， 反射鏡形變波前探測器分別得到GC和GD兩組數據；
[0038]步驟c、G2=GC_GD，得到空氣擾動和反射鏡形變共同造成的波前變化；
[0039] 步驟d、按照f5(G2)調整透射式液晶空間光調制器參數，點亮補償光源，補償空氣 擾動和反射鏡形變；
[0040] 步驟e、圖像傳感器成像，得到點像偏離像面中心位置Δ X和Δ y;
[0041] 步驟f、利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點像回 到像面中心位置；
[0042] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化AC1，以及第二電容傳感器的電容變化Δ C2，再轉換為反射鏡的角度變化△ θ 1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀得到反射鏡的角度變 化Δ Θ 2和Δφ2，進而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ;其中，A01 = fl(ACl，AC2)， Δφ1=?2(ΔΓ1 AC 2) Δα=Γ3(ΔΘ 1 ,ΔΘ2，Δφ 1 ,Δφ2)和 Δβ=Γ4(ΔΘ 1，ΔΘ2,Δφ 1 ,A(p2);f 1、f2、f3、f4 表 示4個函數。
[0043] 一種在上述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精度激光大工作距自準 直方法，要求波前探測系統同時包括波前探測分光鏡、空氣擾動波前探測器和反射鏡形變 波前探測器；
[0044] 包括以下步驟：
[0045]步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0046]步驟b、點亮光源，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置B， 空氣擾動波前探測器分別得到GA和GB兩組數據，反射鏡形變波前探測器分別得到GC和GD兩 組數據；
[0047] 步驟c、G1 =GA-GB，得到空氣擾動造成的波前變化;G2 = GC-GD，得到空氣擾動和反 射鏡形變共同造成的波前變化;G=G2-G1，得到反射鏡形變造成的波前變化；
[0048] 步驟 d、
[0049] 按照f5(Gl)調整透射式液晶空間光調制器參數，點亮補償光源，補償空氣擾動；
[0050] 或
[0051] 按照f5(G2)調整透射式液晶空間光調制器參數，點亮補償光源，補償空氣擾動和 反射鏡形變；
[0052] 或
[0053]按照f5(G)調整透射式液晶空間光調制器參數，點亮補償光源，補償反射鏡形變；
[0054] 步驟e、圖像傳感器成像，得到點像偏離像面中心位置Δ X和Δ y;
[0055] 步驟f、利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點像回 到像面中心位置；
[0056] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化AC1，以及第二電容傳感器的電容變化Δ C2，再轉換為反射鏡的角度變化△ θ 1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀得到反射鏡的角度變 化Δ Θ2和Δφ2，進而得到被測物表面的角度變化△ α和Δ β;其中，Δ 01 = f 1( △ C1，Δ C2)， Δφ 1 =β(Δ(?1，AC2), Δ'α=β(ΔΘi，ΔΘ2，Δφi，Δ(ρ2)和 Δβ=Γ4(ΔΘ 1 ,Δ,θ?,Αφ.Ι，Δφ2).;；|^1、1^2、1^3、1^4表 示4個函數。
[0057] 有益效果：
[0058] 同傳統自準直儀相比，本發明增加了反射鏡以及設置在反射鏡上的角度調整測量 裝置，這種結構設置，能夠在被測物入射光和反射光之間具有較大偏角或存在較大橫向位 移的情況下，通過角度調整測量裝置調整反射鏡姿態，確保反射光原路返回并被反饋成像 系統接收，進而有效避免被測物反射光偏離測量系統而導致無法測量的問題，進而使得本 發明具有在相同工作距離下顯著增加自準直工作范圍，或在相同自準直工作范圍下顯著增 加工作距離的技術優勢。
[0059]除此之外，本發明還具有以下幾技術優勢：
[0060] 第一、選擇透射式準直鏡，使本發明裝置結構簡單，制作成本低，使用方便；
[0061] 第二、選擇圖像傳感器作為反饋成像系統中的成像器件，利用圖像傳感器面積大 的特點，確保在被測物反射光與入射光偏角較大的情況下，反射光仍能夠進入光學系統的 入瞳，不會超出接收范圍，再與反射鏡相配合，實現反射光快速實時回位補償，使得本發明 自準直工作范圍或工作距離得到極大延展；
[0062] 第三、選擇電容傳感器和共光路自準直儀共同作為角度偏轉測量裝置，使得本發 明不僅能夠利用電容傳感器的超高位移靈敏度特性和在微小角度范圍內線位移易于轉換 為角位移的優良特性，使得本發明能夠在低采樣頻率(20Hz及以下)條件下具有非常高的測 量精度，角度最高測量分辨力可從傳統自準直儀的〇. 〇〇5角秒提高到0.0005角秒，提高一個 數量級；而且能夠利用共光路自準直儀測量精度受空氣環境變化影響小的優良特性，使得 本發明能夠在空氣環境不穩定的測量環境下，確保測量有效進行;二者相結合，還能起到監 測測量環境穩定性的作用；
[0063] 第四、本發明還采用了以下技術:第一驅動器、第一金屬片、以及萬向軸在一條直 線上，第二驅動器、第二金屬片、以及萬向軸在一條直線上，并且第一驅動器與萬向軸的連 線垂直第二驅動器與萬向軸的連線;這種兩條連線相互垂直的二維設置，使得不同連線方 向的數據互不干涉，無需解耦運算，這樣能夠方便標定，簡化計算過程，提高測量速度。
【附圖說明】
[0064] 圖1是傳統自準直角度測量系統的結構示意圖。
[0065] 圖2是本發明高精度激光大工作距自準直裝置具體實施例一的第一種結構示意 圖。
[0066]圖3是角度調整測量裝置中角度調整裝置結構示意圖。
[0067]圖4是角度調整測量裝置中角度偏轉測量裝置第一種結構的結構示意圖。
[0068]圖5是角度調整測量裝置中角度偏轉測量裝置第二種結構的結構示意圖。
[0069] 圖6是本發明高精度激光大工作距自準直裝置具體實施例一的第二種結構示意 圖。
[0070] 圖7是本發明高精度激光大工作距自準直裝置具體實施例二的結構示意圖。
[0071]圖8是本發明高精度激光大工作距自準直裝置具體實施例三的結構示意圖。
[0072]圖9是本發明高精度激光大工作距自準直裝置具體實施例四的結構示意圖。
[0073]圖中：1光源、21透射式準直鏡、3反射鏡、4角度調整測量裝置、411第一驅動器、412 第二驅動器、421第一金屬片、422第二金屬片、423第一電容傳感器、424第二電容傳感器、 429傳統自準直系統、43萬向軸、5被測物、6反饋成像系統、61第一反饋分光鏡、63第一反饋 物鏡、65圖像傳感器、7波前探測系統、71波前探測分光鏡、72空氣擾動波前探測器、73反射 鏡形變波前探測器、8波前補償系統、81補償光源、82補償準直鏡、83透射式液晶空間光調制 器。 具體實施例
[0074]下面結合附圖對本發明具體實施例作進一步詳細描述。
[0075] 具體實施例一
[0076]本實施例是高精度激光大工作距自準直裝置實施例。
[0077] 本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置，結構示意圖如圖2所示。該自準直裝 置包括光源1、透射式準直鏡21、反射鏡3、以及反饋成像系統6,所述反射鏡3上設置有角度 調整測量裝置4;光源1出射的光束，經過透射式準直鏡21準直成平行光束后，再由反射鏡3 反射，入射到被測物5的表面;從被測物5表面反射的光束，再經過反射鏡3反射后，由反饋成 像系統6采集成像；
[0078] 所述反饋成像系統6設置在光源1與透射式準直鏡21之間，包括第一反饋分光鏡61 和設置在透射式準直鏡21焦點處的圖像傳感器65;從被測物5表面反射的光束，再經過反射 鏡3反射后，先后經過透射式準直鏡21投射、第一反饋分光鏡61反射、由圖像傳感器65采集 成像;在被測物5表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器65所成點像在像面中心位置；
[0079]所述角度調整測量裝置4包括設置在反射鏡3上的角度調整裝置、角度偏轉測量裝 置、以及萬向軸43,角度調整裝置包括第一驅動器411和第二驅動器412;角度偏轉測量裝置 包括第一金屬片421、第二金屬片422、對應第一金屬片421位置的第一電容傳感器423、以及 對應第二金屬片422位置的第二電容傳感器424;第一驅動器411、第一金屬片421、以及萬向 軸43在一條直線上，第二驅動器412、第二金屬片422、以及萬向軸43在一條直線上，并且第 一驅動器411與萬向軸43的連線垂直第二驅動器412與萬向軸43的連線，如圖3所示；角度偏 轉測量裝置還包括共光路自準直儀429，所述共光路自準直儀429可以安裝在反射鏡3的任 意一面，如圖4和圖5所不。
[0080] 需要說明的是，在本實施例中，反饋成像系統6還可以選擇如下結構：設置在透射 式準直鏡21與反射鏡3之間，包括第一反饋分光鏡61、第一反饋物鏡63和設置在透射式準直 鏡21焦點處的圖像傳感器65;從被測物5表面反射的光束，再經過反射鏡3反射后，先后經過 第一反饋分光鏡61反射、第一反饋物鏡63透射、由圖像傳感器65米集成像;在被測物5表面 與光軸垂直的條件下，圖像傳感器65所成點像在像面中心位置;如圖6所示。
[0081] 具體實施例二
[0082]本實施例是高精度激光大工作距自準直裝置實施例。
[0083] 本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置，結構示意圖如圖7所示。在具體實施 例一的基礎上，本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置還設置有波前探測系統7和波 前補償系統8;
[0084] 所述波前探測系統7包括波前探測分光鏡71和空氣擾動波前探測器72;所述波前 探測分光鏡71設置在反射鏡3與被測物5之間，空氣擾動波前探測器72設置在波前探測分光 鏡71的反射光路上，反射鏡形變波前探測器73設置在反射鏡3的二次反射光路上；
[0085]所述波前補償系統8包括補償光源81、補償準直鏡82、以及透射式液晶空間光調制 器83;補償光源81出射的光束，經過補償準直鏡82準直成平行光束后，再由透射式液晶空間 光調制器83調制，入射到波前探測分光鏡71上。
[0086] 具體實施例三
[0087]本實施例是高精度激光大工作距自準直裝置實施例。
[0088] 本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置，結構示意圖如圖8所示。在具體實施 例一的基礎上，本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置還設置有波前探測系統7和波 前補償系統8;
[0089] 所述波前探測系統7包括波前探測分光鏡71和反射鏡形變波前探測器73;所述波 前探測分光鏡71設置在反射鏡3與被測物5之間，空氣擾動波前探測器72設置在波前探測分 光鏡71的反射光路上，反射鏡形變波前探測器73設置在反射鏡3的二次反射光路上；
[0090] 所述波前補償系統8包括補償光源81、補償準直鏡82、以及透射式液晶空間光調制 器83;補償光源81出射的光束，經過補償準直鏡82準直成平行光束后，再由透射式液晶空間 光調制器83調制，入射到波前探測分光鏡71上。
[0091] 具體實施例四
[0092]本實施例是高精度激光大工作距自準直裝置實施例。
[0093]本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置，結構示意圖如圖9所示。在具體實施 例一的基礎上，本實施例的高精度激光大工作距自準直裝置還設置有波前探測系統7和波 前補償系統8;
[0094]所述波前探測系統7包括波前探測分光鏡71、空氣擾動波前探測器72和反射鏡形 變波前探測器73;所述波前探測分光鏡71設置在反射鏡3與被測物5之間，空氣擾動波前探 測器72設置在波前探測分光鏡71的反射光路上，反射鏡形變波前探測器73設置在反射鏡3 的二次反射光路上；
[0095]所述波前補償系統8包括補償光源81、補償準直鏡82、以及透射式液晶空間光調制 器83;補償光源81出射的光束，經過補償準直鏡82準直成平行光束后，再由透射式液晶空間 光調制器83調制，入射到波前探測分光鏡71上。
[0096]對于以上自準直裝置實施例，還有以下三點需要說明：
[0097] 第一、所述角度調整裝置中的第一驅動器411和第二驅動器412,既可以選擇驅動 速度較快的步進電機或伺服電機驅動器，又可以選擇驅動精度較高的壓電陶瓷驅動器，還 可以將步進電機或伺服電機驅動器與壓電陶瓷驅動器混合使用;本領域技術人員可以根據 實際需要進行合理選擇。
[0098] 第二、所述透射式準直鏡21可以選擇二元光學透鏡，通普通光學透鏡相比，二元光 學透鏡更薄，有利于系統小型化，同時二元光學透鏡準直性更好，有利于提高系統測量精 度。
[0099]第三、在以上所有自準直裝置實施例中，角度偏轉測量裝置都只包括兩對金屬片 和電容傳感器的組合，這種設計是默認反射鏡3在工作過程中不產生平移而做出的；如果考 慮到反射鏡3在工作中產生平移而影響測量精度，可以在萬向軸43位置處放置第三對金屬 片和電容傳感器的組合，以抵消三個電容傳感器產生的相同平移，確保測量精度。
[0100] 具體實施例五
[0101] 本實施例是在具體實施例一所述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精 度激光大工作距自準直方法實施例。
[0102] 本實施例的高精度激光大工作距自準直方法，包括以下步驟：
[0103] 步驟a、點亮光源1，圖像傳感器65成像，得到點像偏離像面中心位置ΔΧ和Ay;
[0104] 步驟b、利用第一驅動器411和第二驅動器412調整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點像回到像面中心位置；
[0105] 步驟c、讀取第一電容傳感器423的電容變化Δ C1，以及第二電容傳感器424的電容 變化A C2,再轉換為反射鏡3的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀429得到反射 鏡3的角度變化Δ Θ 2和Δφ2，進而得到被測物5表面的角度變化△ α和Δ β;其中，Δ θ i = fl (ACl，AC2)，A$l:=.f2(ACl，AC2)，： Δα=￡3.(ΔΘ1.，Δθ：2，Δφ1.，Δφ2)4Ρ?Δβ=?·4(Δ#1，Δ:θ2，Δφ1，Δφ2)..; Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數。
[0106] 本發明的主創新點在于增加了反射鏡3以及設置在反射鏡3上的角度調整測量裝 置4,這種結構能夠在被測物5入射光和反射光之間具有較大偏角或存在較大橫向位移的情 況下，通過角度調整測量裝置調4整反射鏡姿態，使反射光原路返回并被反饋成像系統6接 收，有效避免被測物反射光偏離測量系統而導致無法測量的問題。
[0107] 然而，反射鏡3的引入，其面型誤差會傳遞到最終結果中，降低系統的測量精度；同 時，工作距離的增加又使得反射鏡3與被測物5之間的空氣擾動不可忽略，也會降低系統的 測量精度。可見，要想實現高精度測量，就必須考慮到反射鏡3面型誤差以及反射鏡3與被測 物5之間空氣擾動對測量結果的影響，為此，設計了具體實施例六、具體實施例七、以及具體 實施例八。
[0108] 具體實施例六
[0109] 本實施例是在具體實施例二所述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精 度激光大工作距自準直方法實施例。
[0110] 本實施例的高精度激光大工作距自準直方法，包括以下步驟：
[0111] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0112] 步驟b、點亮光源1，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置 B，空氣擾動波前探測器72分別得到GA和GB兩組數據；
[0113]步驟c、G1 =GA_GB，得到空氣擾動造成的波前變化；
[0114] 步驟d、按照f5(Gl)調整透射式液晶空間光調制器83參數，點亮補償光源81，補償 空氣擾動；
[0115] 步驟e、圖像傳感器65成像，得到點像偏離像面中心位置ΔΧ和Ay;
[0116] 步驟f、利用第一驅動器411和第二驅動器412調整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點像回到像面中心位置；
[0117] 步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化Δ C1，以及第二電容傳感器424的電容 變化A C2,再轉換為反射鏡3的角度變化△ Θ1和ΔφΙ同時通過共光路自準直儀429得到反射 鏡3的角度變化Δ Θ2和Δφ2，進而得到被測物5表面的角度變化Δ α和Δ β;其中，Δ θ 1 = Π (Δ C1，Δ C2)，Δφ?- Π2(Δ(：?，Δ(：、2)，Δα=:β(ΔΘ1，ΔΘ2，Δφ1，Δφ2)^ρΔβ=Γ4(ΔΘ1，ΔΘ2，Δφ1，Δφ2); Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數。
[0118] 在具體實施例二的裝置上實施本實施例的方法，能夠利用空氣擾動波前探測器72 將空氣擾動進行分離，進而利用波前補償系統8對空氣擾動進行補償，最終實現無空氣擾動 影響的高精度測量。
[0119] 具體實施例七
[0120]本實施例是在具體實施例三所述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精 度激光大工作距自準直方法實施例。
[0121] 本實施例的高精度激光大工作距自準直方法，包括以下步驟：
[0122] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0123] 步驟b、點亮光源1，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置 B，反射鏡形變波前探測器73分別得到GC和GD兩組數據；
[0124] 步驟c、G2=GC_GD，得到空氣擾動和反射鏡形變共同造成的波前變化；
[0125] 步驟d、按照f5(G2)調整透射式液晶空間光調制器83參數，點亮補償光源81，補償 空氣擾動和反射鏡形變；
[0126] 步驟e、圖像傳感器65成像，得到點像偏離像面中心位置△ X和Δ y;
[0127] 步驟f、利用第一驅動器411和第二驅動器412調整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點像回到像面中心位置；
[0128] 步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化Δ C1，以及第二電容傳感器424的電容 變化A C2，再轉換為反射鏡3的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀429得到反射 鏡3的角度變化Δ Θ2和Δφ2，進而得到被測物5表面的角度變化△ α和Δ β;其中，Δ θ 1 = f 1 (Δ Cl，Δ C2)，Δ(ρ1=Ρ2(Δ<Ι?，ΔΓ2)，Δ?=β(ΔΘΙ,ΔΘ2，ΔφΙ,Δφ2)^ρΔβ=Γ4(ΔΘ1,ΔΘ2，Δφ1,Δφ2); Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數。
[0129] 在具體實施例三的裝置上實施本實施例的方法，能夠利用反射鏡形變波前探測器 73將空氣擾動與反射鏡形變進行整體分離，進而利用波前補償系統8對空氣擾動與反射鏡 形變進行整體補償，最終實現無空氣擾動和反射鏡形變影響的高精度測量。
[0130] 具體實施例八
[0131]本實施例是在具體實施例四所述高精度激光大工作距自準直裝置上實現的高精 度激光大工作距自準直方法實施例。
[0132] 本實施例的高精度激光大工作距自準直方法，包括以下步驟：
[0133] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0134] 步驟b、點亮光源1，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置 B，空氣擾動波前探測器72分別得到GA和GB兩組數據，反射鏡形變波前探測器73分別得到GC 和⑶兩組數據；
[0135] 步驟c、Gl=GA-GB，得到空氣擾動造成的波前變化;G2 = GC-GD，得到空氣擾動和反 射鏡形變共同造成的波前變化;G=G2-G1，得到反射鏡形變造成的波前變化；
[0136] 步驟 d、
[0137] 按照f5(Gl)調整透射式液晶空間光調制器83參數，點亮補償光源81，補償空氣擾 動；
[0138] 或
[0139] 按照f5(G2)調整透射式液晶空間光調制器83參數，點亮補償光源81，補償空氣擾 動和反射鏡形變；
[0140] 或
[0141]按照f5(G)調整透射式液晶空間光調制器83參數，點亮補償光源81，補償反射鏡形 變；
[0142] 步驟e、圖像傳感器65成像，得到點像偏離像面中心位置ΔΧ和Ay;
[0143] 步驟f、利用第一驅動器411和第二驅動器412調整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點像回到像面中心位置；
[0144] 步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化Δ C1，以及第二電容傳感器424的電容 變化A C2，再轉換為反射鏡3的角度變化△ θ 1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀429得到反射 鏡3的角度變化Δ Θ2和Δφ2，進而得到被測物5表面的角度變化Δ α和Δ β;其中，Δ θ 1 = Π (Δ C1，Δ C2)，A(pl=i2(ACl，AC2:)，Δ.α=￡3:(ΔΘ1,ΔΘ2,Δφ1,Δφ'2)和Δβ=Γ4(Δ.Θ1,ΔΘ2,Δφ1,Δφ2) :;. Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數。
[0145] 在具體實施例四的裝置上實施本實施例的方法，能夠利用空氣擾動波前探測器72 和反射鏡形變波前探測器73將空氣擾動和反射鏡形變進行單獨分離，進而選擇性地對空氣 擾動進行單獨補償、對反射鏡形變進行單獨補償、或對空氣擾動與反射鏡形變進行整體補 償，最終實現無空氣擾動、或無反射鏡形變、或無空氣擾動和反射鏡形變影響的高精度測 量。
[0146] 本實施例還有一個優點，那就是將空氣擾動和反射鏡形變單獨分離后，能對每一 部分對結果的影響大小進行單獨評估，不僅能夠找出空氣擾動和反射鏡形變中，誰是影響 測量精度的主要矛盾，而且能夠對反射鏡變形進行單獨評估，同時對反射鏡加工質量進行 有效評價。
【主權項】
1. 一種高精度激光大工作距自準直裝置，其特征在于，包括光源（I)、透射式準直鏡 (21)、反射鏡(3)、以及反饋成像系統(6)，所述反射鏡(3)上設置有角度調整測量裝置(4); 光源（1)出射的光束，經過透射式準直鏡(21)準直成平行光束后，再由反射鏡(3)反射，入射 到被測物(5)的表面;從被測物(5)表面反射的光束，再經過反射鏡(3)反射后，由反饋成像 系統(6)采集成像； 所述反饋成像系統(6)為以下兩種形式中的一種： 第一、設置在光源（1)與透射式準直鏡(21)之間，包括第一反饋分光鏡(61)和設置在透 射式準直鏡（21)焦點處的圖像傳感器(65);從被測物（5)表面反射的光束，再經過反射鏡 (3)反射后，先后經過透射式準直鏡（21)投射、第一反饋分光鏡（61)反射、由圖像傳感器 (65)采集成像;在被測物(5)表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器(65)所成點像在像面中 心位置； 第二、設置在透射式準直鏡（21)與反射鏡(3)之間，包括第一反饋分光鏡(61)、第一反 饋物鏡(63)和設置在透射式準直鏡(21)焦點處的圖像傳感器(65);從被測物(5)表面反射 的光束，再經過反射鏡(3)反射后，先后經過第一反饋分光鏡(61)反射、第一反饋物鏡(63) 透射、由圖像傳感器(65)采集成像;在被測物（5)表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器 (65)所成點像在像面中心位置； 所述角度調整測量裝置(4)包括設置在反射鏡(3)上的角度調整裝置、角度偏轉測量裝 置、以及萬向軸(43)，角度調整裝置包括第一驅動器(411)和第二驅動器(412);角度偏轉測 量裝置包括第一金屬片(421)、第二金屬片(422)、對應第一金屬片(421)位置的第一電容傳 感器(423)、以及對應第二金屬片(422)位置的第二電容傳感器(424);第一驅動器(411)、第 一金屬片(421)、以及萬向軸(43)在一條直線上，第二驅動器(412)、第二金屬片(422)、以及 萬向軸（43)在一條直線上，并且第一驅動器（411)與萬向軸（43)的連線垂直第二驅動器 (412)與萬向軸(43)的連線；角度偏轉測量裝置還包括共光路自準直儀(429)。2. 根據權利要求1所述的高精度激光大工作距自準直裝置，其特征在于，還包括波前探 測系統(7)和波前補償系統(8); 所述波前探測系統（7)包括波前探測分光鏡（71)、以及空氣擾動波前探測器(72)和反 射鏡形變波前探測器(73)中的至少一個;所述波前探測分光鏡(71)設置在反射鏡(3)與被 測物(5)之間，空氣擾動波前探測器(72)設置在波前探測分光鏡(71)的反射光路上，反射鏡 形變波前探測器(73)設置在反射鏡(3)的二次反射光路上； 所述波前補償系統(8)包括補償光源(81)、補償準直鏡(82)、以及透射式液晶空間光調 制器(83);補償光源(81)出射的光束，經過補償準直鏡(82)準直成平行光束后，再由透射式 液晶空間光調制器(83)調制，入射到波前探測分光鏡(71)上。3. -種在權利要求1所述便攜式高精度激光大工作距自準直裝置上實現的便攜式高精 度激光大工作距自準直方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟a、點亮光源（1)，圖像傳感器(65)成像，得到點像偏離像面中心位置△ X和△ y; 步驟b、利用第一驅動器(411)和第二驅動器(412)調整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點像回到像面中心位置； 步驟c、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化ACl，以及第二電容傳感器(424)的電容 變化A C2，再轉換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ 1，同時通過共光路自準直儀(429)得到 反射鏡(3)的角度變化△ Θ2和AcpSi進而得到被測物(5)表面的角度變化△ α和△ β;其中，△ θ l = fl( ACl，AC2)，Δφ1=Γ2(Δ(:?，Δ(〕2) .， Δα=.β(ΔΘ1，ΔΘ2,Δφ1，Δφ2)和 Δβ=?、4(ΔΘ 1 ,ΛΘ2,Δφ 1 ,Λφ2): fl、f2、f3、f4表示 4個函數。4. 一種在權利要求2所述便攜式高精度激光大工作距自準直裝置上實現的便攜式高精 度激光大工作距自準直方法，要求波前探測系統(7)僅包括波前探測分光鏡(71)和空氣擾 動波前探測器(72); 其特征在于，包括以下步驟： 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物； 步驟b、點亮光源（1)，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置B， 空氣擾動波前探測器(72)分別得到GA和GB兩組數據； 步驟c、G1 =GA-GB，得到空氣擾動造成的波前變化； 步驟d、按照f5(Gl)調整透射式液晶空間光調制器(83)參數，點亮補償光源(81)，補償 空氣擾動； 步驟e、圖像傳感器(65)成像，得到點像偏離像面中心位置△ X和Δ y; 步驟f、利用第一驅動器(411)和第二驅動器(412)調整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點像回到像面中心位置； 步驟g、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化ACl，以及第二電容傳感器(424)的電容 變化A C2，再轉換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀(429)得到 反射鏡⑶的角度變化A Θ2和Δφ2，進而得到被測物(5)表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ l = fl(ACl,AC2), Δφ1=￡2(Δ?,Δ02) , Δα=0(ΔΘ1，ΔΘ2，Δφ1，Δφ2)和 Δβ=?4(Δ:θ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2>; Π 、f2、f3、f4表示 4個函數。5. -種在權利要求2所述便攜式高精度激光大工作距自準直裝置上實現的便攜式高精 度激光大工作距自準直方法，要求波前探測系統(7)僅包括波前探測分光鏡(71)和反射鏡 形變波前探測器(73); 其特征在于，包括以下步驟： 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物； 步驟b、點亮光源（1)，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置B， 反射鏡形變波前探測器(73)分別得到GC和GD兩組數據； 步驟c、G2 = GC-GD，得到空氣擾動和反射鏡形變共同造成的波前變化； 步驟d、按照f5(G2)調整透射式液晶空間光調制器(83)參數，點亮補償光源(81)，補償 空氣擾動和反射鏡形變； 步驟e、圖像傳感器(65)成像，得到點像偏離像面中心位置△ X和Δ y; 步驟f、利用第一驅動器(411)和第二驅動器(412)調整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點像回到像面中心位置； 步驟g、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化ACl，以及第二電容傳感器(424)的電容 變化A C2，再轉換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ 1，同時通過共光路自準直儀(429)得到 反射鏡(3)的角度變化△ Θ 2和Δφ2，進而得到被測物(5)表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ l = fl(ACl,AC2), Δφ1=?2(Δ0?,ΔΓ2) ， Δα=β(Δ01，ΔΘ2,Δφ1，Δ(ρ2)和 Δβ=?4(Δθ 1，Δθ2，Δφ1，Δφ2); f I、f 2、f 3、f 4表示 4個函數。6. -種在權利要求2所述便攜式高精度激光大工作距自準直裝置上實現的便攜式高精 度激光大工作距自準直方法，要求波前探測系統(7)同時包括波前探測分光鏡(71)、空氣擾 動波前探測器(72)和反射鏡形變波前探測器(73); 其特征在于，包括以下步驟： 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物； 步驟b、點亮光源（1)，將步驟a所選擇的參考物分別放置在工作位置A和近工作位置B， 空氣擾動波前探測器(72)分別得到GA和GB兩組數據，反射鏡形變波前探測器(73)分別得到 GC和⑶兩組數據； 步驟c、G1 = GA-GB，得到空氣擾動造成的波前變化;G2 = GC-GD，得到空氣擾動和反射鏡 形變共同造成的波前變化;G=G2-G1，得到反射鏡形變造成的波前變化； 步驟d、 按照f5(Gl)調整透射式液晶空間光調制器(83)參數，點亮補償光源(81)，補償空氣擾 動； 或 按照f5(G2)調整透射式液晶空間光調制器(83)參數，點亮補償光源（81)，補償空氣擾 動和反射鏡形變； 或 按照f5(G)調整透射式液晶空間光調制器(83)參數，點亮補償光源(81)，補償反射鏡形 變； 步驟e、圖像傳感器(65)成像，得到點像偏離像面中心位置△ X和Δ y; 步驟f、利用第一驅動器(411)和第二驅動器(412)調整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點像回到像面中心位置； 步驟g、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化ACl，以及第二電容傳感器(424)的電容 變化A C2，再轉換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時通過共光路自準直儀(429)得到 反射鏡⑶的角度變化A Θ2和Δφ2,進而得到被測物(5)表面的角度變化△ α和Λ β;其中，△ Θ l = fl(ACl,AC2), Δφ1==β(Δ(：?,ΔΓ2) ， Δα=β(ΔΘ!，ΔΘ2,Δφ!，Δφ2)和 Δβ=?4(ΔΘ1，ΔΘ2,Δφ1，Δφ2);Π 、?2、Γ3、?4表示 4個函數。
【文檔編號】G01B11/26GK106017364SQ201610639132
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月7日
【發明人】譚欣然, 朱凡, 王超, 譚久彬
【申請人】哈爾濱工業大學