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專利名稱：漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造和精密測試計量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于漂移量靶標(biāo)反饋控制技術(shù)實時補(bǔ)償光束的角漂移量的長距離高精度二維光電自準(zhǔn)直測量裝置和測量方法。
背景技術(shù)：
隨著測量技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，現(xiàn)代化高精度測量技術(shù)和方位瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展對小角度的測量精度提出了越來越高的要求。光電自準(zhǔn)直儀在小角度精密測量，高精度瞄準(zhǔn)與定位方面有著不可替代的作用，可以作為測角儀、光學(xué)比較儀等光學(xué)計量儀器的組成部分，也可單獨用于測量儀器用于光學(xué)測量、航空航天儀器裝調(diào)和軍用飛行器姿態(tài)測量等方面。
在高精度小角度測量中，激光光束由于其良好的單一方向性、高亮度及高穩(wěn)定性等優(yōu)點，常被作為測量基準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于超精密加工設(shè)備及測量設(shè)備中，許多科研院所研制出采用激光光源和高精度CCD圖像傳感器測量二維角度的光電自準(zhǔn)直儀(1.吳秀麗.激光自準(zhǔn)直儀.光機(jī)電信息.1994年08期11-13；2.蔣本和，陳文毅，胡文斐，胡慶榮.用激光準(zhǔn)直及CCD檢測的小角度測量系統(tǒng).激光與紅外.1998，28(4)233-234+243；3.林玉池，張萍，趙美蓉，洪昕.野外使用的半導(dǎo)體激光自準(zhǔn)直儀.航空精密制造技術(shù).2001，37(3)35-37；4.張堯禹，張明慧，喬彥峰.一種高精度CCD激光自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的研究.光電子·激光.2003，14(2)168-170；5.馬福祿，張志利，周召發(fā).基于M型分劃絲的單線陣CCD直線度準(zhǔn)直儀.光學(xué)技術(shù).2002，28(3)224-225+227)。
對于測量不確定度優(yōu)于0.5″的光電自準(zhǔn)直儀，測量距離通常小于6m(1.武晉燮.幾何量精密測量技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1989年9月；2.德國MLLER-WEDEL公司ELCOMAT vario雙軸自準(zhǔn)直儀中文操作手冊.2004；3.中國船舶工業(yè)第6354研究所九江精密測試技術(shù)研究所SZY-99型數(shù)顯自準(zhǔn)直儀中文操作手冊.2004；4.英國Taylor Hobson公司TA51，DA20，DA400型光學(xué)自準(zhǔn)直儀中文操作手冊.2002)。在長距離的應(yīng)用場合中，激光光束的角漂移量是光電自準(zhǔn)直儀測量誤差的主要來源。造成光束漂移的主要原因有(1)激光器諧振腔內(nèi)反射鏡變型引起光束的角漂移；(2)光束傳播途徑中的大氣氣流的隨機(jī)抖動造成激光光束的隨機(jī)擾動和大氣梯度折射率的變化引起的光線彎曲等。理論分析表明光線彎曲與距離的平方成正比，隨機(jī)抖動與距離的1.5次方成正比。隨著距離的增大，光束傳播途徑中的大氣氣流的隨機(jī)抖動造成激光光束的隨機(jī)擾動和大氣梯度折射率的變化引起的光線彎曲的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過激光器諧振腔內(nèi)反射鏡變型引起光束的角漂移，因此提高準(zhǔn)直精度就更加困難。在長距離激光準(zhǔn)直系統(tǒng)中，采用波帶片、位相板、二元光學(xué)器件、雙縫等產(chǎn)生的干涉和衍射條紋的空間連線作為基準(zhǔn)線，利用它們對漂移量不敏感這一特點，來達(dá)到準(zhǔn)直的目的，典型的方法有位相板衍射準(zhǔn)直法、二元光學(xué)準(zhǔn)直法、雙光束補(bǔ)償準(zhǔn)直法等，此類方法準(zhǔn)直精度一般在10-6rad，即0.2″量級左右。(1.萬德安.激光基準(zhǔn)高精度測量技術(shù).國防工業(yè)出版社.1999年6月；2.方仲彥，殷純永，梁晉文.高精度激光準(zhǔn)直技術(shù)的研究(一).航空計測技術(shù).1997，17(1)3-6；3.饒瑞中，王世鵬，劉曉春，龔知本.湍流大氣中激光束漂移的實驗研究.中國激光.2000，27(11)1011-1015；4.楊友堂，曾理江，殷純永.自適應(yīng)除噪技術(shù)在激光準(zhǔn)直中的應(yīng)用研究.儀器儀表學(xué)報.1995，16(4)370-374)。
在二維光電自準(zhǔn)直儀的數(shù)據(jù)采集處理中，由于光束漂移的影響，如果采用光斑中心定位方法則接收器接收的光斑中心隨光束漂移而漂移；如果采用輪廓中心定位方法，則由于光束漂移，接收器接收的光斑的能量中心和輪廓的幾何中心不重合引起輪廓中心的偏移，直接產(chǎn)生輪廓中心的定位偏差。如果不對該角漂移量進(jìn)行修正或補(bǔ)償，將直接反饋回小角度的測量結(jié)果引起的角度測量偏差，導(dǎo)致儀器數(shù)據(jù)重復(fù)性差，穩(wěn)定性不好，甚至使得光斑漂移到接收視場之外，影響儀器的正常工作。若要進(jìn)一步提高測量穩(wěn)定性和測量精度，僅僅依靠提高光束自身的準(zhǔn)直精度，無論是從現(xiàn)有技術(shù)還是工藝制造水平上都是難以實現(xiàn)的。
采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)，為消除或補(bǔ)償修正該角漂移量引起的角度測量偏差，實現(xiàn)高精度的小角度測量提供了一種有效的技術(shù)途徑。為了提高激光光束的方向穩(wěn)定性，目前許多國內(nèi)外專家學(xué)者針對不同的應(yīng)用場合，提出了許多基于閉環(huán)反饋控制技術(shù)的激光準(zhǔn)直方法(1.趙維謙，譚久彬，馬洪文，鄒麗敏.漂移量反饋控制式激光準(zhǔn)直方法.光學(xué)學(xué)報.2004，24(3)373-377；2.于達(dá)仁，張志強(qiáng)，徐基豫，蘇杰先.激光測量中干擾的光路自動補(bǔ)償方法.儀器儀表學(xué)報.2003，24(2)123-126；3.于殿泓，郭彥珍.提高激光準(zhǔn)直精度的一種方法.石油儀器.1999，13(6)18-20；4.李巖，孟祥旺，章恩耀.一種新型激光掃描式大工件孔-孔同軸度測量儀.激光與紅外.2000，30(5)280-282)。
在實際應(yīng)用中可知上述測量方案雖然在一定程度上抑制了光束的角漂移量，但是上述測量方案僅僅針對的是特定的激光直線基準(zhǔn)的應(yīng)用場合，控制的對象是激光光束的中心位置。而在二維光電自準(zhǔn)直儀的實際應(yīng)用中，尤其是在長距離的應(yīng)用場合，要求在引入反饋控制激光光束的角漂移量的同時還能夠精確測量出二維小角度的變化量，難點是反饋控制的對象就是二維光電自準(zhǔn)直儀需要測量的二維小角度的變化量，控制的對象的未知性直接導(dǎo)致無法在二維光電自準(zhǔn)直儀的測量過程中引入反饋控制。光束的角漂移量在測量過程中沒有消除，最后混合在測量結(jié)果中引起角度測量偏差，導(dǎo)致光電自準(zhǔn)直儀在長距離的應(yīng)用中，測量穩(wěn)定性和重復(fù)性差，測量不確定度難以進(jìn)一步提高，大大限制了光電自準(zhǔn)直儀的應(yīng)用范圍，這也是當(dāng)前光電自準(zhǔn)直儀的實際應(yīng)用中未能解決的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有的光電自準(zhǔn)直儀測量方法存在的不足，提供一種漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置和方法，分光式靶標(biāo)探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離并反饋回與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，由聚焦物鏡和四象限探測器固連組成的漂移量監(jiān)測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進(jìn)行實時監(jiān)測，計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進(jìn)行調(diào)整，抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，動態(tài)補(bǔ)償光束的角漂移量引起的角度測量誤差，監(jiān)測距離長，對角漂移量的監(jiān)測靈敏度高，可顯著提高二維光電自準(zhǔn)直儀的測量距離、測量穩(wěn)定性和測量精度。
本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是一種漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置，包括二維光電自準(zhǔn)直光管、計算機(jī)、二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，和漂移量監(jiān)測裝置，所說的二維光電自準(zhǔn)直光管由依次放置的激光光源、分劃板、分光鏡、CCD圖像傳感器和準(zhǔn)直物鏡組成，所說的漂移量監(jiān)測裝置由聚焦物鏡和四象限探測器固連組成，所說的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置由壓電陶瓷驅(qū)動電源、壓電陶瓷位移器、二維微位移工作臺和偏轉(zhuǎn)反射鏡組成，還包括分光式靶標(biāo)探測器，該分光式靶標(biāo)探測器位于二維光束偏轉(zhuǎn)裝置和漂移量監(jiān)測裝置之間，分光式靶標(biāo)探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離并反饋回與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，漂移量監(jiān)測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進(jìn)行實時監(jiān)測，計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進(jìn)行調(diào)整，抑制耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量。
分光式靶標(biāo)探測器由直角棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射。
分光式靶標(biāo)探測器由角錐棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射。
分光式靶標(biāo)探測器由相對放置的兩個五角棱鏡構(gòu)成，其中一個五角棱鏡的工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的五角棱鏡的工作表面入射。
分光式靶標(biāo)探測器由相對放置的兩個直角棱鏡構(gòu)成，其中一個直角棱鏡的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角棱鏡的垂直工作表面入射。
本發(fā)明還提供了一種漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟1.二維光電自準(zhǔn)直光管發(fā)出測量光束；2.分光式靶標(biāo)探測器接收測量光束并將其分離為反射光束和透射光束；3.反射光束獲取分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度變化量后由CCD圖像傳感器接收，成為測量信號；4.透射光束分離出與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監(jiān)測裝置，經(jīng)聚焦物鏡由四象限探測器接收，監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量ϵ=arctan(Δdf0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器的中心的位移量，f0為聚焦物鏡的焦距。
5.計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向調(diào)整，調(diào)整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉(zhuǎn)裝置對光束的空間角度的調(diào)整量，ε為漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量。
6.按照步驟3和步驟4反復(fù)調(diào)整，實時抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，由測量信號精確測出分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度的變化量θ=d12f]]>
這里θ為分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器上形成的光斑中心位置的變化量，f為準(zhǔn)直物鏡的等效焦距。
本發(fā)明具有以下特點和良好效果1.采用新穎的分光式靶標(biāo)探測器改進(jìn)光學(xué)測量系統(tǒng)，將光束的角漂移量從分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度變化量中分離出來，實時得到與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監(jiān)測裝置，由四象限探測器實時監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量，這是區(qū)別于現(xiàn)有光電自準(zhǔn)直測量技術(shù)的創(chuàng)新點之一；2.在設(shè)計中，光束傳播途徑中的大氣氣流的隨機(jī)抖動造成激光光束的隨機(jī)擾動和大氣梯度折射率的變化引起的光線彎曲的影響都將引起激光光束的角漂移，光束的角漂移量在測量光束中和角漂移分量反饋光束中同時變化，計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向進(jìn)行調(diào)整，可完全抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，這是區(qū)別于現(xiàn)有光電自準(zhǔn)直測量技術(shù)的創(chuàng)新點之二；3.本設(shè)計方案在精確測量二維小角度變化量的同時引入了閉環(huán)反饋控制技術(shù)，在光路中加入分光式靶標(biāo)探測器、漂移量監(jiān)測裝置和二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，即可動態(tài)補(bǔ)償光束的角漂移量引起的角度測量誤差，解決了長距離應(yīng)用場合中由于光束的角漂移量引起的測量穩(wěn)定性差，甚至漂移出儀器接收視場的難題，在增大二維光電自準(zhǔn)直儀的測量距離的同時提高了測量穩(wěn)定性，滿足了長距離高精度二維小角度測量的需要，且距離越長，精度改善越顯著，可靠性高，實用性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器獲取二維小角度變化量的同時分離得到與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明裝置中的漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測角漂移分量反饋光束的角漂移量的測量原理圖；圖4是本發(fā)明裝置中的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置對測量光束的角漂移量進(jìn)行實時反饋控制的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明裝置中由聚焦物鏡和四象限探測器固連組成的漂移量監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(a)是本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器由角錐棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的半個工作表面入射的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(b)是本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器由相對放置的兩個五角棱鏡構(gòu)成，其中一個五角棱鏡的工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的五角棱鏡的工作表面入射的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(c)是本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器由相對放置的兩個直角棱鏡構(gòu)成，其中一個直角棱鏡的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角棱鏡的垂直工作表面入射的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于漂移量靶標(biāo)反饋控制技術(shù)的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置和測量方法進(jìn)行詳細(xì)描述如圖1所示，本發(fā)明的裝置由激光光源2、分劃板3、分光鏡4、CCD圖像傳感器5、準(zhǔn)直物鏡6組成的二維光電自準(zhǔn)直光管1、由四象限探測器8、聚焦物鏡9和偏轉(zhuǎn)反射鏡10組成的漂移量監(jiān)測裝置7、分光式靶標(biāo)探測器11、計算機(jī)12、由壓電陶瓷驅(qū)動電源13、壓電陶瓷位移器14、二維微位移工作臺15和偏轉(zhuǎn)反射鏡16組成的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17等構(gòu)成。
其光的路徑如下二維光電自準(zhǔn)直光管1的激光光源2發(fā)出的激光光束照亮位于準(zhǔn)直物鏡6的焦點處的分劃板3，經(jīng)過分光鏡4透射，準(zhǔn)直物鏡6會聚后，經(jīng)過二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17反射后入射到放置在被測物上的分光式靶標(biāo)探測器11，分光式靶標(biāo)探測器11將入射光束分為兩束反射光束獲取分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度變化后，經(jīng)過二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17反射后，由準(zhǔn)直物鏡6會聚，經(jīng)過分光鏡4反射后成像于CCD圖像傳感器5上，成為測量信號；透射光束成為與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監(jiān)測裝置7，經(jīng)偏轉(zhuǎn)反射鏡10反射，聚焦物鏡9聚焦后由位于聚焦物鏡9的焦平面處的四象限探測器8接收，分離并監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量。計算機(jī)12根據(jù)監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，進(jìn)行光束的空間角度的調(diào)整，使測量光束按照角漂移量相反的方向調(diào)整，反復(fù)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整的步驟，即可實時抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量。由圖1和圖2，并結(jié)合幾何光學(xué)和光學(xué)自準(zhǔn)直原理，通過測量信號可精確測出分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度的變化量θ=d12f]]>這里θ為分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器5上形成的光斑中心位置的變化量，f為準(zhǔn)直物鏡6的等效焦距。
通過分光式靶標(biāo)探測器11獲取二維小角度變化量的同時分離得到與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，并由漂移量監(jiān)測裝置7對角漂移分量反饋光束的角漂移量進(jìn)行監(jiān)測的測量原理如圖2和圖3所示，漂移量監(jiān)測裝置7中監(jiān)測角漂移分量反饋光束的角漂移量的四象限探測器8的光敏面中心位于聚焦物鏡9的焦點處，當(dāng)測量光束產(chǎn)生角漂移量ε時，角漂移分量反饋光束聚焦于聚焦物鏡9的焦平面上并產(chǎn)生位移Δd，由此監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量為ϵ=arctan(Δdf0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器8的光敏面中心的位移量，f0為聚焦物鏡9的焦距。
二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17對測量光束的角漂移量進(jìn)行實時閉環(huán)反饋控制的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中，為了使二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17達(dá)到很高的驅(qū)動分辨能力和驅(qū)動精度，采用由壓電陶瓷驅(qū)動電源13、壓電陶瓷位移器14、二維微位移工作臺15和偏轉(zhuǎn)反射鏡16組成的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，計算機(jī)12根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置7監(jiān)測得到的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，進(jìn)行光束的空間角度的調(diào)整，調(diào)整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17對光束的空間角度的調(diào)整量，ε為四象限探測器8監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量；計算機(jī)12對測量光束按照角漂移量相反的方向調(diào)整，二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17轉(zhuǎn)角分辨力優(yōu)于0.002″，轉(zhuǎn)角范圍大于2″，反復(fù)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整的步驟，即可實時將耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量抑制在0.01″范圍內(nèi)，提高二維光電自準(zhǔn)直儀測量距離的同時保證了高精度的二維小角度測量。
參見圖5，本發(fā)明裝置中的漂移量監(jiān)測裝置7可以由四象限探測器8和聚焦物鏡9固連組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。
參見圖6(a)，本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器11可以由角錐棱鏡18的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的半個工作表面入射。
參見圖6(b)，本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器11可以由相對放置的兩個五角棱鏡19和20構(gòu)成，其中一個五角棱鏡20的工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的五角棱鏡20的工作表面入射。
參見圖6(c)，本發(fā)明裝置中的分光式靶標(biāo)探測器11由相對放置的兩個直角棱鏡21和22構(gòu)成，其中一個直角棱鏡22的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角棱鏡22的垂直工作表面入射。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明所述的方法本發(fā)明還提供了基于漂移量靶標(biāo)反饋控制技術(shù)的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置的測量方法，該測量方法包括以下步驟1.首先對漂移量監(jiān)測裝置7進(jìn)行調(diào)整，保證四象限探測器8的光敏面中心位于聚焦物鏡9的焦點處，調(diào)整完畢后漂移量監(jiān)測裝置7應(yīng)與二維光電自準(zhǔn)直光管1固連，然后對二維光電自準(zhǔn)直裝置1進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完畢后使用過程中漂移量監(jiān)測裝置7不再調(diào)整；2.二維光電自準(zhǔn)直裝置1的激光光源2發(fā)出的激光光束照亮位于準(zhǔn)直物鏡6的焦點上的分劃板3，經(jīng)過分光鏡4透射，準(zhǔn)直物鏡6會聚后，經(jīng)過二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17反射后入射到放置在被測物上的分光式靶標(biāo)探測器11，分光式靶標(biāo)探測器11將入射光束分為兩束；3.反射光束獲取分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度變化后，經(jīng)過二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17反射后由準(zhǔn)直物鏡6會聚，經(jīng)過分光鏡4反射后成像于CCD圖像傳感器5上，成為測量信號，在CCD圖像傳感器5上形成的光斑中心位置的變化量為d1；4.透射光束成為與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監(jiān)測裝置7，經(jīng)聚焦物鏡9聚焦后由位于聚焦物鏡9的焦平面處的四象限探測器8接收，監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量。當(dāng)測量光束產(chǎn)生角漂移量ε時，角漂移分量反饋光束聚焦于聚焦物鏡9的焦平面上并產(chǎn)生位移Δd，由此監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量為ϵ=arctan(Δdf0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器8的中心的位移量，f0為聚焦物鏡9的焦距。
5.計算機(jī)12根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置7監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，為了使二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17達(dá)到很高的驅(qū)動分辨能力和驅(qū)動精度，采用由壓電陶瓷驅(qū)動電源13、壓電陶瓷位移器14、二維微位移工作臺15和偏轉(zhuǎn)反射鏡16組成的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，計算機(jī)12根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置7監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，進(jìn)行光束的空間角度的調(diào)整，調(diào)整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17對光束的空間角度的調(diào)整量，ε為漂移量監(jiān)測裝置7監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量；6.按照步驟4和步驟5，計算機(jī)12對測量光束按照角漂移量相反的方向調(diào)整，實時抑制測量光束的角漂移量，CCD圖像傳感器5接收的測量信號中耦合的測量光束的角漂移量也同時得到了抑制，由圖1和圖2，并結(jié)合幾何光學(xué)和光學(xué)的自準(zhǔn)直原理，通過測量信號可精確測出分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度的變化量θ=d12f]]>這里θ為分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器5上形成的光斑中心位置的變化量，f為準(zhǔn)直物鏡6的等效焦距。
可見，采用新穎的分光式靶標(biāo)探測器改進(jìn)光學(xué)測量系統(tǒng)并引入閉環(huán)反饋控制技術(shù)后，可保證通過分光式靶標(biāo)探測器獲取二維小角度變化量的同時分離得到與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，并由漂移量監(jiān)測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進(jìn)行監(jiān)測，計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測出的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向進(jìn)行調(diào)整，抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，即可動態(tài)補(bǔ)償光束的角漂移量引起的角度測量誤差，解決了長距離應(yīng)用場合中由于光束的角漂移量引起的測量穩(wěn)定性差，甚至漂移出儀器的視場的難題，在增大二維光電自準(zhǔn)直儀的測量距離的同時提高了測量穩(wěn)定性，從而該測量方案實現(xiàn)了長距離高精度的二維小角度測量。
實施例1如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，分光式靶標(biāo)探測器11由直角棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射，漂移量監(jiān)測裝置7由偏轉(zhuǎn)反射鏡10、聚焦物鏡9和四象限探測器8固連組成。首先對漂移量監(jiān)測裝置7進(jìn)行調(diào)整，保證四象限探測器8的光敏面中心位于聚焦物鏡9的焦點處，調(diào)整完畢后漂移量監(jiān)測裝置7應(yīng)與二維光電自準(zhǔn)直光管1固連，然后對二維光電自準(zhǔn)直裝置1進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完畢后使用過程中漂移量監(jiān)測裝置7不再調(diào)整；進(jìn)行測量時，二維光電自準(zhǔn)直光管1的激光光源2發(fā)出的激光光束照亮位于準(zhǔn)直物鏡6的焦點上的分劃板3，經(jīng)過分光鏡4透射，準(zhǔn)直物鏡6會聚后，經(jīng)過由壓電陶瓷驅(qū)動電源13、壓電陶瓷位移器14、二維微位移工作臺15和偏轉(zhuǎn)反射鏡16組成的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17反射后入射到放置在被測物上的分光式靶標(biāo)探測器11，分光式靶標(biāo)探測器11將入射光束分為兩束反射光束獲取分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度變化后，經(jīng)過二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17反射后由準(zhǔn)直物鏡6會聚，經(jīng)過分光鏡4反射后成像于CCD圖像傳感器5上，成為測量信號；透射光束成為與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監(jiān)測裝置7，經(jīng)聚焦物鏡9聚焦后由位于聚焦物鏡9的焦平面處的四象限探測器8接收，監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量。當(dāng)測量光束產(chǎn)生角漂移量ε時，角漂移分量反饋光束聚焦于聚焦物鏡9的焦平面上并產(chǎn)生位移Δd，由此監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量為ϵ=arctan(Δdf0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器8的中心的位移量，f0為聚焦物鏡9的焦距。計算機(jī)12根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置7監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時反饋控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17，進(jìn)行光束的空間角度的調(diào)整，調(diào)整量大小為
φ＝ε其中φ為二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17對光束的空間角度的調(diào)整量，ε為漂移量監(jiān)測裝置7監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量；計算機(jī)12對測量光束按照角漂移量相反的方向調(diào)整，實時抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，由圖1和圖2，并結(jié)合幾何光學(xué)和光學(xué)的自準(zhǔn)直原理，通過測量信號可精確測出分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度的變化量θ=d12f]]>這里θ為分光式靶標(biāo)探測器11的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器5上形成的光斑中心位置的變化量，f為準(zhǔn)直物鏡6的等效焦距。
本實施例中，分光式靶標(biāo)探測器11由邊長a＝b＝c＝85mm的直角棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射，所鍍的分光膜的分光比為T/R＝50/[email protected]，漂移量監(jiān)測裝置7由偏轉(zhuǎn)反射鏡10、聚焦物鏡9和四象限探測器8固連組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。偏轉(zhuǎn)反射鏡10為平面反射鏡鍍高反射膜構(gòu)成，平面反射鏡10直徑為Φ50mm，高反射膜反射率系數(shù)R≥99％@632.8nm；聚焦物鏡9的焦距為f＝150mm，口徑為D＝50mm；四象限探測器8選用日本濱松公司的S1557型四象限探測器，單象限光敏面面積0.2mm2。二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17由壓電陶瓷驅(qū)動電源13、壓電陶瓷位移器14、二維微位移工作臺15和偏轉(zhuǎn)反射鏡16組成，壓電陶瓷驅(qū)動電源13的主要技術(shù)參數(shù)為輸入電壓范圍為±6V，輸出電壓范圍為±600V，輸出電壓最小分辨力為0.226V，非線性誤差小于0.8％，穩(wěn)定性誤差小于0.01％；壓電陶瓷位移器14選用中國科學(xué)院成都光電所的可伸縮壓電陶瓷驅(qū)動器，伸縮范圍為-6μm～+6μm；二維微位移工作臺15采用無機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的二維柔性鉸鏈工作臺；偏轉(zhuǎn)反射鏡16為平面反射鏡鍍高反射膜構(gòu)成，平面反射鏡10直徑為Φ50mm，高反射膜反射率系數(shù)R≥99％@632.8nm，二維光束偏轉(zhuǎn)裝置17的轉(zhuǎn)角分辨力優(yōu)于0.002″，轉(zhuǎn)角范圍大于10″，反復(fù)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整的步驟，即可實時將測量光束的角漂移量抑制在0.01″范圍內(nèi)，實驗結(jié)果表明，該二維光電自準(zhǔn)直裝置在測量分辨力達(dá)到0.01″，測量距離為20m的情況下，測量穩(wěn)定性優(yōu)于0.05″/h，測量不確定度優(yōu)于0.05″，實現(xiàn)了長距離高精度二維小角度測量。
實施例2如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，這里，如圖5所示，漂移量監(jiān)測裝置7由聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處，分光式靶標(biāo)探測器11由直角棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例3如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，漂移量監(jiān)測裝置7由偏轉(zhuǎn)反射鏡10、聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。如圖6(a)所示，分光式靶標(biāo)探測器11由角錐棱鏡18的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的半個工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例4如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，如圖5所示，漂移量監(jiān)測裝置7由聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。如圖6(a)所示，分光式靶標(biāo)探測器11由角錐棱鏡18的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的半個工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例5如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，漂移量監(jiān)測裝置7由偏轉(zhuǎn)反射鏡10、聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。如圖6(b)所示，分光式靶標(biāo)探測器11由相對放置的兩個五角棱鏡19和20構(gòu)成，其中一個五角棱鏡20的工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的五角棱鏡的工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例6如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，如圖5所示，漂移量監(jiān)測裝置7由聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。如圖6(b)所示，分光式靶標(biāo)探測器11由相對放置的兩個五角棱鏡19和20構(gòu)成，其中一個五角棱鏡20的工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的五角棱鏡的工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例7如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，漂移量監(jiān)測裝置7由偏轉(zhuǎn)反射鏡10、聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。如圖6(c)所示，分光式靶標(biāo)探測器11由相對放置的兩個直角棱鏡21和22構(gòu)成，其中一個直角棱鏡22的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角棱鏡22的垂直工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例8如圖1所示的二維光電自準(zhǔn)直裝置，如圖5所示，漂移量監(jiān)測裝置7由聚焦物鏡9和四象限探測器8組成，四象限探測器8位于聚焦物鏡9的焦平面處。如圖6(c)所示，分光式靶標(biāo)探測器11由相對放置的兩個直角棱鏡21和22構(gòu)成，其中一個直角棱鏡22的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角棱鏡22的垂直工作表面入射。本實施例的其他部件及工作原理均與實施例1相同。
實施例2-8與實施例1具有相同的實驗結(jié)果，即在測量分辨力達(dá)到0.01″，測量距離為20m的情況下，測量穩(wěn)定性優(yōu)于0.05″/h，測量不確定度優(yōu)于0.05″，實現(xiàn)了長距離高精度二維小角度測量。
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
和測試效果作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)力要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)力要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置，包括二維光電自準(zhǔn)直光管、計算機(jī)、二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，和漂移量監(jiān)測裝置，所說的二維光電自準(zhǔn)直光管由依次放置的激光光源、分劃板、分光鏡、CCD圖像傳感器和準(zhǔn)直物鏡組成，所說的漂移量監(jiān)測裝置由聚焦物鏡和四象限探測器固連組成，所說的二維光束偏轉(zhuǎn)裝置由壓電陶瓷驅(qū)動電源、壓電陶瓷位移器、二維微位移工作臺和偏轉(zhuǎn)反射鏡組成，其特征在于還包括分光式靶標(biāo)探測器，該分光式靶標(biāo)探測器位于二維光束偏轉(zhuǎn)裝置和漂移量監(jiān)測裝置之間，分光式靶標(biāo)探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離并反饋回與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，漂移量監(jiān)測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進(jìn)行實時監(jiān)測，計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進(jìn)行調(diào)整，抑制耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的分光式靶標(biāo)探測器由直角棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的分光式靶標(biāo)探測器由角錐棱鏡的傾斜工作表面的半個表面鍍分光膜構(gòu)成，測量光束由鍍分光膜的工作表面入射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的分光式靶標(biāo)探測器由相對放置的兩個五角棱鏡構(gòu)成，其中一個五角棱鏡的工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的五角棱鏡的工作表面入射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的分光式靶標(biāo)探測器由相對放置的兩個直角棱鏡構(gòu)成，其中一個直角棱鏡的一個垂直工作表面鍍分光膜，測量光束由鍍分光膜的直角棱鏡的垂直工作表面入射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任意一項所述的裝置，其特征在于所說的漂移量監(jiān)測裝置由偏轉(zhuǎn)反射鏡、聚焦物鏡和四象限探測器固連組成，四象限探測器位于聚焦物鏡的焦平面處。
7.一種漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直方法，其特征在于所說的方法包括以下步驟(1).二維光電自準(zhǔn)直光管發(fā)出測量光束；(2).分光式靶標(biāo)探測器接收測量光束并將其分離為反射光束和透射光束；(3).反射光束獲取分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度變化量后由CCD圖像傳感器接收，成為測量信號；(4).透射光束分離出與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，反饋回漂移量監(jiān)測裝置，經(jīng)聚焦物鏡由四象限探測器接收，監(jiān)測出角漂移分量反饋光束的角漂移量ϵ=arctan(Δdf0)]]>其中ε為角漂移分量反饋光束的角漂移量，Δd為角漂移分量反饋光束的聚焦中心偏離四象限探測器的中心的位移量，f0為聚焦物鏡的焦距。(5).計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，使測量光束按照角漂移量相反的方向調(diào)整，調(diào)整量大小為φ＝ε其中φ為二維光束偏轉(zhuǎn)裝置對光束的空間角度的調(diào)整量，ε為漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測出的角漂移分量反饋光束的角漂移量。(6).按照步驟3和步驟4反復(fù)調(diào)整，實時抑制和消除耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，由測量信號精確測出分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度的變化量θ=d12f]]>這里θ為分光式靶標(biāo)探測器的二維小角度的變化量，d1為測量信號在CCD圖像傳感器上形成的光斑中心位置的變化量，f為準(zhǔn)直物鏡的等效焦距。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種漂移量靶標(biāo)反饋控制的長距離二維光電自準(zhǔn)直裝置和方法。裝置包括二維光電自準(zhǔn)直光管、計算機(jī)、二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，和漂移量監(jiān)測裝置，還包括分光式靶標(biāo)探測器，該分光式靶標(biāo)探測器位于二維光束偏轉(zhuǎn)裝置和漂移量監(jiān)測裝置之間，分光式靶標(biāo)探測器在獲取其二維小角度變化量的測量信號的同時分離并反饋回與測量光束特性完全相同的角漂移分量反饋光束，漂移量監(jiān)測裝置對角漂移分量反饋光束的角漂移量進(jìn)行實時監(jiān)測，計算機(jī)根據(jù)漂移量監(jiān)測裝置監(jiān)測得到的角漂移量實時控制二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，將測量光束按照角漂移量相反的方向進(jìn)行調(diào)整，抑制耦合在測量信號中的測量光束的角漂移量，在增大二維光電自準(zhǔn)直儀的測量距離的同時提高了測量穩(wěn)定性。
文檔編號G01B11/26GK1719193SQ20051008985
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日
發(fā)明者譚久彬, 敖磊, 崔繼文, 趙維謙 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)