便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置與方法制造方法及圖紙

本發明專利技術屬于精密測量技術領域和光學工程領域，具體涉及便攜式組合調零高精度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；由于本發明專利技術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，或在相同工作范圍下增加工作距離的優勢；此外，準直鏡、反饋成像系統、反射鏡等的具體設計，使本發明專利技術還具有小型便攜、測量精度高；尤其低采樣頻率下具有高測量精度；以及快速測量的技術優勢。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于精密測量
和光學工程領域，具體涉及便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置與方法。
技術介紹
在精密測量
、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。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。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。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。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。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：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；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。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。
技術實現思路
針對傳統自準直儀所存在的兩個問題，本專利技術公開了一種便攜式組合調零高精度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。本專利技術的目的是這樣實現的：便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置，包括光源、反射式準直鏡、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，經過反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；所述反饋成像系統為以下兩種形式中的：第一、反饋成像系統包括圖像傳感器成像系統和四象限探測器成像系統；所述圖像傳感器成像系統包括第一反饋分光鏡和設置在反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，先后經過反射式準直鏡投射、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；或所述圖像傳感器成像系統包括第一反饋分光鏡、第一反饋物鏡和設置在第一反饋物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；所述四象限探測器成像系統包括第二反饋分光鏡和設置在反射式準直鏡焦點處的四象限探測器；從被測物表面反射的光束，再經過反射鏡反射后，先后經過反射式準直鏡投射、第一反饋分光鏡反射、由四象限探測器采集成像；在被測物表面與光軸垂直的條件下，四象限探測器所成點像在像面中心位置；或所述四象限探測器成像系統包括第二反饋分光鏡、第二反饋物鏡和設置在第二反饋物鏡焦點處的四象限探測器；從被測物表面反射的光束，再經過反射鏡反射后，先后經過第二反饋分光鏡反射、第二反饋物鏡透射、由四象限探測器采集成像；在被測物表面與光軸垂直的條件下，四象限探測器所成點像在像面中心位置；第二、反饋成像系統包括第一反饋分光鏡、以及由導軌承載的圖像傳感器和四象限探測器，所述導軌共有兩個停頓位置，一個停頓位置使圖像傳感器像面中心對應反射式準直鏡的焦點位置，另一個停頓位置使四象限探測器像面中心對應反射式準直鏡的焦點位置；或反饋成像系統包括第一反饋分光鏡、第一反饋物鏡、以及由導軌承載的圖像傳感器和四象限探測器，所述導軌共有兩個停頓位置，一個停頓位置使圖像傳感器像面中心位于第一反饋物鏡的焦點位置，另一個停頓位置使四象限探測器像面中心位于第一反饋物鏡的焦點位置；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。在上述便攜式便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置上實現的便攜式便攜式組合調零高精度大工作距自準直方法，包括以下步驟：步驟a、點亮光源，圖像傳感器成像，根據點像偏離像面中心方向，利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡角度，使點像回到圖像傳感器像面中心區域；步驟b、四象限探測器成像，得到步驟a結束后點像偏離四象限探測器像面中心位置Δx和Δy，利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡角度，使點像回到四象限探測器像面中心位置；步驟c、讀取第一電容傳感器的電容變化ΔC1，以及第二電容傳感器的電容變化ΔC2，再轉換為反射鏡的角度變化Δθ和進而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(ΔC1,ΔC2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數。上述便攜式組合調零高精度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；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；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。在上述便攜式便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置上實現的便攜式便攜式組合調零高精度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；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，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；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(G1)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；步驟e、圖像傳感器成像，根據點像偏離像面中心方向，利用第一驅動器和第二驅動器調整反射鏡本文檔來自技高網...

【技術保護點】
便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置，其特征在于，包括光源(1)、反射式準直鏡(22)、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，經過反射式準直鏡(22)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：第一、反饋成像系統(6)包括圖像傳感器成像系統和四象限探測器成像系統；所述圖像傳感器成像系統包括第一反饋分光鏡(61)和設置在反射式準直鏡(22)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，先后經過反射式準直鏡(22)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；或所述圖像傳感器成像系統包括第一反饋分光鏡(61)、第一反饋物鏡(63)和設置在第一反饋物鏡(63)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；所述四象限探測器成像系統包括第二反饋分光鏡(62)和設置在反射式準直鏡(22)焦點處的四象限探測器(66)；從被測物(5)表面反射的光束，再經過反射鏡(3)反射后，先后經過反射式準直鏡(22)投射、第一反饋分光鏡(61)反射、由四象限探測器(66)采集成像；在被測物(5)表面與光軸垂直的條件下，四象限探測器(66)所成點像在像面中心位置；或所述四象限探測器成像系統包括第二反饋分光鏡(62)、第二反饋物鏡(64)和設置在第二反饋物鏡(64)焦點處的四象限探測器(66)；從被測物(5)表面反射的光束，再經過反射鏡(3)反射后，先后經過第二反饋分光鏡(62)反射、第二反饋物鏡(64)透射、由四象限探測器(66)采集成像；在被測物(5)表面與光軸垂直的條件下，四象限探測器(66)所成點像在像面中心位置；第二、反饋成像系統(6)包括第一反饋分光鏡(61)、以及由導軌(68)承載的圖像傳感器(65)和四象限探測器(66)，所述導軌(68)共有兩個停頓位置，一個停頓位置使圖像傳感器(65)像面中心對應反射式準直鏡(22)的焦點位置，另一個停頓位置使四象限探測器(66)像面中心對應反射式準直鏡(22)的焦點位置；或反饋成像系統(6)包括第一反饋分光鏡(61)、第一反饋物鏡(63)、以及由導軌(68)承載的圖像傳感器(65)和四象限探測器(66)，所述導軌(68)共有兩個停頓位置，一個停頓位置使圖像傳感器(65)像面中心位于第一反饋物鏡(63)的焦點位置，另一個停頓位置使四象限探測器(66)像面中心位于第一反饋物鏡(63)的焦點位置；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。...

【技術特征摘要】
1.便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置，其特征在于，包括光源(1)、反射式準直鏡(22)、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，經過反射式準直鏡(22)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：第一、反饋成像系統(6)包括圖像傳感器成像系統和四象限探測器成像系統；所述圖像傳感器成像系統包括第一反饋分光鏡(61)和設置在反射式準直鏡(22)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，先后經過反射式準直鏡(22)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；或所述圖像傳感器成像系統包括第一反饋分光鏡(61)、第一反饋物鏡(63)和設置在第一反饋物鏡(63)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；所述四象限探測器成像系統包括第二反饋分光鏡(62)和設置在反射式準直鏡(22)焦點處的四象限探測器(66)；從被測物(5)表面反射的光束，再經過反射鏡(3)反射后，先后經過反射式準直鏡(22)投射、第一反饋分光鏡(61)反射、由四象限探測器(66)采集成像；在被測物(5)表面與光軸垂直的條件下，四象限探測器(66)所成點像在像面中心位置；或所述四象限探測器成像系統包括第二反饋分光鏡(62)、第二反饋物鏡(64)和設置在第二反饋物鏡(64)焦點處的四象限探測器(66)；從被測物(5)表面反射的光束，再經過反射鏡(3)反射后，先后經過第二反饋分光鏡(62)反射、第二反饋物鏡(64)透射、由四象限探測器(66)采集成像；在被測物(5)表面與光軸垂直的條件下，四象限探測器(66)所成點像在像面中心位置；第二、反饋成像系統(6)包括第一反饋分光鏡(61)、以及由導軌(68)承載的圖像傳感器(65)和四象限探測器(66)，所述導軌(68)共有兩個停頓位置，一個停頓位置使圖像傳感器(65)像面中心對應反射式準直鏡(22)的焦點位置，另一個停頓位置使四象限探測器(66)像面中心對應反射式準直鏡(22)的焦點位置；或反饋成像系統(6)包括第一反饋分光鏡(61)、第一反饋物鏡(63)、以及由導軌(68)承載的圖像傳感器(65)和四象限探測器(66)，所述導軌(68)共有兩個停頓位置，一個停頓位置使圖像傳感器(65)像面中心位于第一反饋物鏡(63)的焦點位置，另一個停頓位置使四象限探測器(66)像面中心位于第一反饋物鏡(63)的焦點位置；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。2.根據權利要求1所述的便攜式組合調零高精度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.在權利要求1所述便攜式便攜式組合調零高精度大工作距自準直裝置上實現的便攜式便攜式組合調零高精度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，根據點像偏離像面中心方向，利用第一驅動器(411)和第二驅動器(412)調整反射鏡(3)角度，使點像回到圖像傳感器(65)像面中心區域；步驟b、四象限探測器(66)成像，得到步驟a結束后點像偏離四象限探測器(66)像面中心位置Δx和Δy，利用第一驅動器(411)和第二驅動器(412)調整反射鏡(3)角度，使點像回...

【專利技術屬性】
技術研發人員：譚欣然，王超，譚久彬，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23