本發(fā)明屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域與光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置與方法。

背景技術(shù)：

在精密測量技術(shù)領(lǐng)域、光學(xué)工程領(lǐng)域、尖端科學(xué)實驗領(lǐng)域和高端精密裝備制造領(lǐng)域中，迫切需求在大工作距下進(jìn)行大工作范圍、高精度激光自準(zhǔn)直技術(shù)。它支撐著上述領(lǐng)域技術(shù)與儀器裝備的發(fā)展。

在精密測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域，激光自準(zhǔn)直儀與圓光柵組合，可以進(jìn)行任意線角度測量；激光自準(zhǔn)直技術(shù)與多面棱體組合，可以進(jìn)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(xué)工程領(lǐng)域和尖端科學(xué)實驗領(lǐng)域，激光自準(zhǔn)直儀與兩維互為垂直的兩個圓光柵組合，可以進(jìn)行空間角度的測量；由兩路激光自準(zhǔn)直儀組成位置基準(zhǔn)，可以進(jìn)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(xué)實驗裝置和高端精密裝備制造領(lǐng)域，采用激光自準(zhǔn)直儀可以測量尖端科學(xué)實驗裝置和高端精密裝備回轉(zhuǎn)運(yùn)動基準(zhǔn)的角回轉(zhuǎn)精度，測量直線運(yùn)動基準(zhǔn)的空間直線精度和兩兩運(yùn)動基準(zhǔn)的平行度和垂直度。

激光自準(zhǔn)直技術(shù)具有非接觸、測量精度高、使用方便等優(yōu)點，在上述領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀如圖1所示，該系統(tǒng)包括光源1、透射式準(zhǔn)直鏡21、以及反饋成像系統(tǒng)6；光源1出射的光束，經(jīng)過透射式準(zhǔn)直鏡21準(zhǔn)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(tǒng)6采集成像。這種結(jié)構(gòu)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(tǒng)6采集成像，進(jìn)而實現(xiàn)有效測量。這個近原路返回的條件限制，使得該系統(tǒng)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(zhǔn)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(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，進(jìn)而導(dǎo)致無法實現(xiàn)自準(zhǔn)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(zhǔn)直儀入瞳不能太遠(yuǎn)，否則只要反射光軸與自準(zhǔn)直儀光軸偏離微小角度就會造成反射光束偏離激光自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，進(jìn)而導(dǎo)致無法實現(xiàn)自準(zhǔn)直和微角度測量。

以上兩個問題，使傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀器只能限定在小角度、小工作距離下使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀所存在的兩個問題，本發(fā)明公開了一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置與方法，同傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀相比，具有在相同工作距離下顯著增加自準(zhǔn)直工作范圍，或在相同自準(zhǔn)直工作范圍下顯著增加工作距離的技術(shù)優(yōu)勢。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，包括光源、透射式準(zhǔn)直鏡、反射鏡、以及反饋成像系統(tǒng)，所述反射鏡上設(shè)置有角度調(diào)整測量裝置；光源出射的光束，經(jīng)過透射式準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)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(jīng)過反射鏡反射后，由反饋成像系統(tǒng)采集成像；

所述反饋成像系統(tǒng)為以下兩種形式中的：

第一、反饋成像系統(tǒng)包括圖像傳感器成像系統(tǒng)和四象限探測器成像系統(tǒng)；

所述圖像傳感器成像系統(tǒng)包括第一反饋分光鏡和設(shè)置在透射式準(zhǔn)直鏡焦點處的圖像傳感器；從被測物表面反射的光束，再經(jīng)過反射鏡反射后，先后經(jīng)過透射式準(zhǔn)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(tǒng)包括第一反饋分光鏡、第一反饋物鏡和設(shè)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(jīng)過反射鏡反射后，先后經(jīng)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(tǒng)包括第二反饋分光鏡和設(shè)置在透射式準(zhǔn)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(jīng)過反射鏡反射后，先后經(jīng)過透射式準(zhǔn)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(tǒng)包括第二反饋分光鏡、第二反饋物鏡和設(shè)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(jīng)過反射鏡反射后，先后經(jīng)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(tǒng)包括第一反饋分光鏡、以及由導(dǎo)軌承載的圖像傳感器和四象限探測器，所述導(dǎo)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(yīng)透射式準(zhǔn)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(yīng)透射式準(zhǔn)直鏡的焦點位置；

或

反饋成像系統(tǒng)包括第一反饋分光鏡、第一反饋物鏡、以及由導(dǎo)軌承載的圖像傳感器和四象限探測器，所述導(dǎo)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(diào)整測量裝置包括設(shè)置在反射鏡上的角度調(diào)整裝置、角度偏轉(zhuǎn)測量裝置、以及萬向軸，角度調(diào)整裝置包括第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器；角度偏轉(zhuǎn)測量裝置包括第一反射鏡、第二反射鏡、對應(yīng)第一反射鏡位置的第一激光干涉儀、以及對應(yīng)第二反射鏡位置的第二激光干涉儀；第一驅(qū)動器、第一反射鏡、以及萬向軸在一條直線上，第二驅(qū)動器、第二反射鏡、以及萬向軸在一條直線上，并且第一驅(qū)動器與萬向軸的連線垂直第二驅(qū)動器與萬向軸的連線。

在上述一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)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(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點像回到圖像傳感器像面中心區(qū)域；

步驟b、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)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、讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

上述一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，還包括波前探測系統(tǒng)和波前補(bǔ)償系統(tǒng)；

所述波前探測系統(tǒng)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(shè)置在反射鏡與被測物之間，空氣擾動波前探測器設(shè)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(shè)置在反射鏡的二次反射光路上；

所述波前補(bǔ)償系統(tǒng)包括補(bǔ)償光源、補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡、以及透射式液晶空間光調(diào)制器；補(bǔ)償光源出射的光束，經(jīng)過補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光束后，再由透射式液晶空間光調(diào)制器調(diào)制，入射到波前探測分光鏡上。

在上述一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，要求波前探測系統(tǒng)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(shù)據(jù)；

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(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣擾動；

步驟e、圖像傳感器成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點像回到圖像傳感器像面中心區(qū)域；

步驟f、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)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g、讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

在上述一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，要求波前探測系統(tǒng)僅包括波前探測分光鏡和反射鏡形變波前探測器；

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，反射鏡形變波前探測器分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；

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(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣擾動和反射鏡形變；

步驟e、圖像傳感器成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點像回到圖像傳感器像面中心區(qū)域；

步驟f、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)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g、讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

在上述一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種便攜式高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，要求波前探測系統(tǒng)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；

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(shù)據(jù)，反射鏡形變波前探測器分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；

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(G1)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣擾動；

或

按照f5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣擾動和反射鏡形變；

或

按照f5(G)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償反射鏡形變；

步驟e、圖像傳感器成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點像回到圖像傳感器像面中心區(qū)域；

步驟f、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器和第二驅(qū)動器調(diào)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g、讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

有益效果：

同傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀相比，本發(fā)明增加了反射鏡以及設(shè)置在反射鏡上的角度調(diào)整測量裝置，這種結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)整測量裝置調(diào)整反射鏡姿態(tài)，確保反射光原路返回并被反饋成像系統(tǒng)接收，進(jìn)而有效避免被測物反射光偏離測量系統(tǒng)而導(dǎo)致無法測量的問題，進(jìn)而使得本發(fā)明具有在相同工作距離下顯著增加自準(zhǔn)直工作范圍，或在相同自準(zhǔn)直工作范圍下顯著增加工作距離的技術(shù)優(yōu)勢。

除此之外，本發(fā)明還具有以下幾技術(shù)優(yōu)勢：

第一、選擇透射式準(zhǔn)直鏡，使本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，使用方便；

第二、選擇圖像傳感器和四象限探測器共同作為反饋成像系統(tǒng)中的成像器件，結(jié)合了圖像傳感器面積大以及四象限探測器位置分辨率高的優(yōu)勢；其中，圖像傳感器能夠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(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，不會超出接收范圍；在此基礎(chǔ)上，再利用反射鏡實現(xiàn)反射光快速實時回位補(bǔ)償，將反射光調(diào)整到四象限探測器所在位置，又能根據(jù)四象限探測器的高位置分辨率優(yōu)勢來獲得更高的角度測量精度；因此，將圖像傳感器和四象限探測器相結(jié)合，不僅使得本發(fā)明自準(zhǔn)直工作范圍或工作距離得到極大延展，而且有利于提高角度測量精度；

第三、選擇激光干涉儀作為角度偏轉(zhuǎn)測量裝置，使得本發(fā)明能夠在高采樣頻率(最高能達(dá)到2000Hz)下完成角度測量，即具有很高的測量速度；如果第一反射鏡和第二反射鏡采用角錐棱鏡，還可以利用角錐棱鏡將入射光線偏轉(zhuǎn)180度返回的光學(xué)特性，使本發(fā)明的角度測量范圍得到極大增強(qiáng)，即本發(fā)明具有很高測量速度的同時，還具有大角度量程的技術(shù)優(yōu)勢；

第四、本發(fā)明還采用了以下技術(shù)：第一驅(qū)動器、第一反射鏡、以及萬向軸在一條直線上，第二驅(qū)動器、第二反射鏡、以及萬向軸在一條直線上，并且第一驅(qū)動器與萬向軸的連線垂直第二驅(qū)動器與萬向軸的連線；這種兩條連線相互垂直的二維設(shè)置，使得不同連線方向的數(shù)據(jù)互不干涉，無需解耦運(yùn)算，這樣能夠方便標(biāo)定，簡化計算過程，提高測量速度。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)自準(zhǔn)直角度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置具體實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是角度調(diào)整測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖像傳感器成像系統(tǒng)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是四象限探測器成像系統(tǒng)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置具體實施例二的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置具體實施例二的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置具體實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是本發(fā)明一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置具體實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是本發(fā)明一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置具體實施例五的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1光源、21透射式準(zhǔn)直鏡、3反射鏡、4角度調(diào)整測量裝置、411第一驅(qū)動器、412第二驅(qū)動器、425第一反射鏡、426第二反射鏡、427第一激光干涉儀、428第二激光干涉儀、43萬向軸、5被測物、6反饋成像系統(tǒng)、61第一反饋分光鏡、62第二反饋分光鏡、63第一反饋物鏡、64第二反饋物鏡、65圖像傳感器、66四象限探測器、68導(dǎo)軌、7波前探測系統(tǒng)、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(bǔ)償系統(tǒng)、81補(bǔ)償光源、82補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡、83透射式液晶空間光調(diào)制器。

具體實施例

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

具體實施例一

本實施例是一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該自準(zhǔn)直裝置包括光源1、透射式準(zhǔn)直鏡21、反射鏡3、以及反饋成像系統(tǒng)6，所述反射鏡3上設(shè)置有角度調(diào)整測量裝置4；光源1出射的光束，經(jīng)過透射式準(zhǔn)直鏡21準(zhǔn)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(jīng)過反射鏡3反射后，由反饋成像系統(tǒng)6采集成像；

所述反饋成像系統(tǒng)6包括圖像傳感器成像系統(tǒng)和四象限探測器成像系統(tǒng)；

所述圖像傳感器成像系統(tǒng)包括第一反饋分光鏡61和設(shè)置在透射式準(zhǔn)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(jīng)過反射鏡3反射后，先后經(jīng)過透射式準(zhǔn)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；

所述四象限探測器成像系統(tǒng)包括第二反饋分光鏡62、第二反饋物鏡64和設(shè)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(jīng)過反射鏡3反射后，先后經(jīng)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；

所述角度調(diào)整測量裝置4包括設(shè)置在反射鏡3上的角度調(diào)整裝置、角度偏轉(zhuǎn)測量裝置、以及萬向軸43，角度調(diào)整裝置包括第一驅(qū)動器411和第二驅(qū)動器412；角度偏轉(zhuǎn)測量裝置包括第一反射鏡425、第二反射鏡426、對應(yīng)第一反射鏡425位置的第一激光干涉儀427、以及對應(yīng)第二反射鏡426位置的第二激光干涉儀428；第一驅(qū)動器411、第一反射鏡425、以及萬向軸43在一條直線上，第二驅(qū)動器412、第二反射鏡426、以及萬向軸43在一條直線上，并且第一驅(qū)動器411與萬向軸43的連線垂直第二驅(qū)動器412與萬向軸43的連線；如圖3所示。

需要說明的是：

第一、在本實施例中，圖像傳感器成像系統(tǒng)還可以選擇如下結(jié)構(gòu)：包括第一反饋分光鏡61、第一反饋物鏡63和設(shè)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(jīng)過反射鏡3反射后，先后經(jīng)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；如圖4所示，在該附圖中，省略了四象限探測器成像系統(tǒng)。

第二、在本實施例中，四象限探測器成像系統(tǒng)還可以選擇如下結(jié)構(gòu)：包括第二反饋分光鏡62和設(shè)置在透射式準(zhǔn)直鏡21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(jīng)過反射鏡3反射后，先后經(jīng)過透射式準(zhǔn)直鏡21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；如圖5所示，在該附圖中，省略了圖像傳感器成像系統(tǒng)。

具體實施例二

本實施例是一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，與具體實施例一的不同在于反饋成像系統(tǒng)6的結(jié)構(gòu)；本實施例反饋成像系統(tǒng)6的結(jié)構(gòu)為以下兩種形式中的一種：

第一、反饋成像系統(tǒng)6包括第一反饋分光鏡61、以及由導(dǎo)軌68承載的圖像傳感器65和四象限探測器66，如圖6所示；所述導(dǎo)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(yīng)透射式準(zhǔn)直鏡21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(yīng)透射式準(zhǔn)直鏡21的焦點位置；

第二、反饋成像系統(tǒng)6包括第一反饋分光鏡61、第一反饋物鏡63、以及由導(dǎo)軌68承載的圖像傳感器65和四象限探測器66，如圖7所示；所述導(dǎo)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。

具體實施例三

本實施例是一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。在具體實施例一的基礎(chǔ)上，本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置還設(shè)置有波前探測系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8；

所述波前探測系統(tǒng)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(shè)置在反射鏡3與被測物5之間，空氣擾動波前探測器72設(shè)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(shè)置在反射鏡3的二次反射光路上；

所述波前補(bǔ)償系統(tǒng)8包括補(bǔ)償光源81、補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡82、以及透射式液晶空間光調(diào)制器83；補(bǔ)償光源81出射的光束，經(jīng)過補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡82準(zhǔn)直成平行光束后，再由透射式液晶空間光調(diào)制器83調(diào)制，入射到波前探測分光鏡71上。

具體實施例四

本實施例是一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。在具體實施例一的基礎(chǔ)上，本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置還設(shè)置有波前探測系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8；

所述波前探測系統(tǒng)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(shè)置在反射鏡3與被測物5之間，空氣擾動波前探測器72設(shè)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(shè)置在反射鏡3的二次反射光路上；

所述波前補(bǔ)償系統(tǒng)8包括補(bǔ)償光源81、補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡82、以及透射式液晶空間光調(diào)制器83；補(bǔ)償光源81出射的光束，經(jīng)過補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡82準(zhǔn)直成平行光束后，再由透射式液晶空間光調(diào)制器83調(diào)制，入射到波前探測分光鏡71上。

具體實施例五

本實施例是一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。在具體實施例一的基礎(chǔ)上，本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置還設(shè)置有波前探測系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8；

所述波前探測系統(tǒng)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(shè)置在反射鏡3與被測物5之間，空氣擾動波前探測器72設(shè)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(shè)置在反射鏡3的二次反射光路上；

所述波前補(bǔ)償系統(tǒng)8包括補(bǔ)償光源81、補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡82、以及透射式液晶空間光調(diào)制器83；補(bǔ)償光源81出射的光束，經(jīng)過補(bǔ)償準(zhǔn)直鏡82準(zhǔn)直成平行光束后，再由透射式液晶空間光調(diào)制器83調(diào)制，入射到波前探測分光鏡71上。

對于以上自準(zhǔn)直裝置實施例，還有以下四點需要說明：

第一、所述角度調(diào)整裝置中的第一驅(qū)動器411和第二驅(qū)動器412，既可以選擇驅(qū)動速度較快的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動器，又可以選擇驅(qū)動精度較高的壓電陶瓷驅(qū)動器，還可以將步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動器與壓電陶瓷驅(qū)動器混合使用；本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際需要進(jìn)行合理選擇。

第二、雖然具體實施例三、具體實施例四、以及具體實施例五，都是在具體實施例一的基礎(chǔ)上設(shè)置波前探測系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8，但是在具體實施例二的基礎(chǔ)上設(shè)置波前探測系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8，也成立。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠結(jié)合具體實施例一所述裝置與具體實施例二所述裝置之間的不同，輕而易舉地將這三個在具體實施例二基礎(chǔ)上設(shè)置波前探測系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8的系統(tǒng)搭建出來，因此在此處不再詳細(xì)說明。

第三、所述透射式準(zhǔn)直鏡21可以選擇二元光學(xué)透鏡，通普通光學(xué)透鏡相比，二元光學(xué)透鏡更薄，有利于系統(tǒng)小型化，同時二元光學(xué)透鏡準(zhǔn)直性更好，有利于提高系統(tǒng)測量精度。

第四、在以上所有自準(zhǔn)直裝置實施例中，角度偏轉(zhuǎn)測量裝置都只包括兩對平面反射鏡和激光干涉儀的組合，這種設(shè)計是默認(rèn)反射鏡3在工作過程中不產(chǎn)生平移而做出的；如果考慮到反射鏡3在工作中產(chǎn)生平移而影響測量精度，可以在萬向軸43位置處放置第三對平面反射鏡和激光干涉儀的組合，以抵消三個激光干涉儀產(chǎn)生的相同平移，確保測量精度。

具體實施例六

本實施例是在具體實施例一所述一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：

步驟a、點亮光源1，圖像傳感器65成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到圖像傳感器65像面中心區(qū)域；

步驟b、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到四象限探測器66像面中心位置；

步驟c、讀取第一激光干涉儀427得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

需要說明的是，如果本實施例是在具體實施例二所述裝置上實現(xiàn)的方法，那么在點像回到圖像傳感器65像面中心區(qū)域后，導(dǎo)軌68從一個停頓位置調(diào)整到另一個停頓位置，使四象限探測器66像面中心對應(yīng)透射式準(zhǔn)直鏡21的焦點位置，再使四象限探測器66進(jìn)行成像。

本發(fā)明的主創(chuàng)新點在于增加了反射鏡3以及設(shè)置在反射鏡3上的角度調(diào)整測量裝置4，這種結(jié)構(gòu)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(diào)整測量裝置調(diào)4整反射鏡姿態(tài)，使反射光原路返回并被反饋成像系統(tǒng)6接收，有效避免被測物反射光偏離測量系統(tǒng)而導(dǎo)致無法測量的問題。

然而，反射鏡3的引入，其面型誤差會傳遞到最終結(jié)果中，降低系統(tǒng)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(tǒng)的測量精度?？梢?，要想實現(xiàn)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(jié)果的影響，為此，設(shè)計了具體實施例七、具體實施例八、以及具體實施例九。

具體實施例七

本實施例是在具體實施例三所述一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，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(shù)據(jù)；

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(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償空氣擾動；

步驟e、圖像傳感器65成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到圖像傳感器65像面中心區(qū)域；

步驟f、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到四象限探測器66像面中心位置；

步驟g、讀取第一激光干涉儀427得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

在具體實施例三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(jìn)行分離，進(jìn)而利用波前補(bǔ)償系統(tǒng)8對空氣擾動進(jìn)行補(bǔ)償，最終實現(xiàn)無空氣擾動影響的高精度測量。

具體實施例八

本實施例是在具體實施例四所述一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，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(shù)據(jù)；

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(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償空氣擾動和反射鏡形變；

步驟e、圖像傳感器65成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到圖像傳感器65像面中心區(qū)域；

步驟f、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到四象限探測器66像面中心位置；

步驟g、讀取第一激光干涉儀427得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

在具體實施例四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(jìn)行整體分離，進(jìn)而利用波前補(bǔ)償系統(tǒng)8對空氣擾動與反射鏡形變進(jìn)行整體補(bǔ)償，最終實現(xiàn)無空氣擾動和反射鏡形變影響的高精度測量。

具體實施例九

本實施例是在具體實施例五所述一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法實施例。

本實施例的一種高精度、寬范圍和大工作距激光自準(zhǔn)直方法，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(shù)據(jù)，反射鏡形變波前探測器73分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；

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(G1)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償空氣擾動；

或

按照f5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償空氣擾動和反射鏡形變；

或

按照f5(G)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償反射鏡形變；

步驟e、圖像傳感器65成像，根據(jù)點像偏離像面中心方向，利用第一驅(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到圖像傳感器65像面中心區(qū)域；

步驟f、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)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(qū)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角度，使點像回到四象限探測器66像面中心位置；

步驟g、讀取第一激光干涉儀427得到的位移變化Δx1，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化Δx2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Δα和Δβ；其中，Δθ＝f1(Δx1,Δx2)，和f1、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。

在具體實施例五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(jìn)行單獨(dú)分離，進(jìn)而選擇性地對空氣擾動進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償、對反射鏡形變進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償、或?qū)諝鈹_動與反射鏡形變進(jìn)行整體補(bǔ)償，最終實現(xiàn)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。

本實施例還有一個優(yōu)點，那就是將空氣擾動和反射鏡形變單獨(dú)分離后，能對每一部分對結(jié)果的影響大小進(jìn)行單獨(dú)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?qū)Ψ瓷溏R變形進(jìn)行單獨(dú)評估，同時對反射鏡加工質(zhì)量進(jìn)行有效評價。

還需要說明的是，如果具體實施例三、具體實施例四、以及具體實施例五是基于具體實施例二而搭建的裝置，那么在具體實施例七、具體實施例八、以及具體實施例九中，在點像回到圖像傳感器65像面中心區(qū)域后，導(dǎo)軌68從一個停頓位置調(diào)整到另一個停頓位置，使四象限探測器66像面中心對應(yīng)透射式準(zhǔn)直鏡21的焦點位置，再使四象限探測器66進(jìn)行成像。