一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置與方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域與光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置與方法；該裝置由光源、準(zhǔn)直鏡、反射鏡、以及反饋成像系統(tǒng)組成；該方法通過(guò)調(diào)整反射鏡，使反射光束回到反饋成像系統(tǒng)像面中心，再利用反射鏡上的角度偏轉(zhuǎn)測(cè)量裝置來(lái)得到被測(cè)物表面的角度變化；由于本發(fā)明在傳統(tǒng)自準(zhǔn)直角度測(cè)量系統(tǒng)上增加了反射鏡，因此能夠避免被測(cè)物反射光偏離測(cè)量系統(tǒng)而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，進(jìn)而具有在相同工作距離下增加自準(zhǔn)直工作范圍，或在相同工作范圍下增加工作距離的優(yōu)勢(shì)；此外，準(zhǔn)直鏡、反饋成像系統(tǒng)、反射鏡等的具體設(shè)計(jì)，使本發(fā)明還具有小型便攜、測(cè)量精度高；同時(shí)能夠全程監(jiān)測(cè)被測(cè)物裝配過(guò)程；以及快速測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域與光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度 大工作距自準(zhǔn)直裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域、光學(xué)工程領(lǐng)域、尖端科學(xué)實(shí)驗(yàn)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。
[0003] 在精密測(cè)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(xiàn)角度 測(cè)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(cè)量和圓分度測(cè)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(xué)工程領(lǐng)域和尖端科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，激光自準(zhǔn)直儀與兩維互為垂直的兩個(gè)圓光 柵組合，可以進(jìn)行空間角度的測(cè)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(cè)量。角度工作范圍幾十角秒至幾十角分。
[0005] 在尖端科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(cè)量尖端 科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置和高端精密裝備回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)的角回轉(zhuǎn)精度，測(cè)量直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)的空間直線(xiàn) 精度和兩兩運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)的平行度和垂直度。
[0006] 激光自準(zhǔn)直技術(shù)具有非接觸、測(cè)量精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在上述領(lǐng)域中具有廣 泛應(yīng)用。
[0007] 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(guò)透射式準(zhǔn)直鏡21準(zhǔn)直成平行光束后，入射到被測(cè)物5的反射面;從 被測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)有效測(cè)量。這個(gè)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(diǎn)：
[0008] 第一、被測(cè)對(duì)象5反射鏡面法線(xiàn)與激光自準(zhǔn)直儀光軸夾角的范圍不能太大，否則會(huì) 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(wú)法實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直和微角度測(cè) 量；
[0009] 第二、被測(cè)對(duì)象5反射鏡面距離測(cè)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(huì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直和微角度測(cè)量。
[0010] 以上兩個(gè)問(wèn)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對(duì)傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀所存在的兩個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工 作距自準(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(shì)。
[0012] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0013] 一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，包括光源、反射式準(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(cè)量裝置;光源出射的光束，經(jīng)過(guò)反射式 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(cè)物的表面;從被測(cè)物表面反射的光 束，再經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，由反饋成像系統(tǒng)采集成像；
[0014] 所述反饋成像系統(tǒng)為以下兩種形式中的一種：
[0015] 第一、設(shè)置在光源與反射式準(zhǔn)直鏡之間，包括第一反饋分光鏡和設(shè)置在反射式準(zhǔn) 直鏡焦點(diǎn)處的圖像傳感器;從被測(cè)物表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，先后經(jīng)過(guò)反射 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(cè)物表面與光軸垂直的 條件下，圖像傳感器所成點(diǎn)像在像面中心位置；
[0016] 第二、設(shè)置在反射式準(zhǔn)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(shè)置在反射式準(zhǔn)直鏡焦點(diǎn)處的圖像傳感器;從被測(cè)物表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)反射鏡反射 后，先后經(jīng)過(guò)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(cè)物 表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器所成點(diǎn)像在像面中心位置；
[0017] 所述角度調(diào)整測(cè)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(cè)量裝 置、以及萬(wàn)向軸，角度調(diào)整裝置包括第一驅(qū)動(dòng)器和第二驅(qū)動(dòng)器;角度偏轉(zhuǎn)測(cè)量裝置包括第一 金屬片、第二金屬片、第一反射鏡、第二反射鏡、對(duì)應(yīng)第一金屬片位置的第一電容傳感器、以 及對(duì)應(yīng)第二金屬片位置的第二電容傳感器、對(duì)應(yīng)第一反射鏡位置的第一激光干涉儀、以及 對(duì)應(yīng)第二反射鏡位置的第二激光干涉儀;第一驅(qū)動(dòng)器、第一金屬片、第一反射鏡、以及萬(wàn)向 軸在一條直線(xiàn)上，第二驅(qū)動(dòng)器、第二金屬片、第二反射鏡、以及萬(wàn)向軸在一條直線(xiàn)上，并且第 一驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線(xiàn)垂直第二驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線(xiàn)。
[0018] 一種在上述便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式高動(dòng)態(tài)精度 大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟a、點(diǎn)亮光源，圖像傳感器成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y;
[0020] 步驟b、利用第一驅(qū)動(dòng)器和第二驅(qū)動(dòng)器調(diào)整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δ xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ Θ2和Δφ2,進(jìn) 而得到被測(cè)物表面的角度變化A α和Δ β;其中，Δ 01 = f 1( Δ C1，Δ C2)，Δφ1=β(Δ(：?，Δ02)，： A02 = f3(Axl，Δχ2)，Λφ2=?4(Δχ1.,Λχ2), Δ?=:?5(Δ?'1，.ΔΘ2，Δφ1，Δφ2)和 Δβ=Γ6(Δ91 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2); Π、f2、f3、f4表示 4個(gè)函數(shù)。
[0022]上述便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，還包括波前探測(cè)系統(tǒng)和波前補(bǔ)償系 統(tǒng)；
[0023] 所述波前探測(cè)系統(tǒng)包括波前探測(cè)分光鏡、以及空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器和反射鏡形變 波前探測(cè)器中的至少一個(gè);所述波前探測(cè)分光鏡設(shè)置在反射鏡與被測(cè)物之間，空氣擾動(dòng)波 前探測(cè)器設(shè)置在波前探測(cè)分光鏡的反射光路上，反射鏡形變波前探測(cè)器設(shè)置在反射鏡的二 次反射光路上；
[0024] 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(guò)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(cè)分光鏡上。
[0025] 一種在上述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜 式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測(cè)系統(tǒng)僅包括波前探測(cè)分光鏡和空氣擾動(dòng) 波前探測(cè)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(diǎn)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(dòng)波前探測(cè)器分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)；
[0029]步驟c、Gl=GA_GB，得到空氣擾動(dòng)造成的波前變化；
[0030]步驟d、按照f(shuō)5(Gl)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣 擾動(dòng)；
[0031 ]步驟e、圖像傳感器成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置Δ X和Δ y;
[0032] 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器和第二驅(qū)動(dòng)器調(diào)整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δ xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A χ2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ Θ2和Δφ2,進(jìn) 而得到被測(cè)物表面的角度變化&€1和&0;其中，01 = 〇(&(：1，〇2)，._1=12〇1(〕13〔''2)， A02 = f3(Axl, Δχ2)，Δφ2=Γ4(Δχ1,Δχ2)，Δσ.=?、5(ΔΘ1，Δθ2，Δφ1，Δφ2> 和 Αβ=?(ΑΘ1 ,ΔΘ2,Δφ1,Δφ2>; Π 、f 2、f 3、f 4表示 4個(gè)函數(shù)。
[0034] 一種在上述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜 式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測(cè)系統(tǒng)僅包括波前探測(cè)分光鏡和反射鏡形 變波前探測(cè)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(diǎn)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(cè)器分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；
[0038]步驟c、G2=GC_GD，得到空氣擾動(dòng)和反射鏡形變共同造成的波前變化；
[0039] 步驟d、按照f(shuō)5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣 擾動(dòng)和反射鏡形變；
[0040] 步驟e、圖像傳感器成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置Δ X和Δ y;
[0041] 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器和第二驅(qū)動(dòng)器調(diào)整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ θ 1和Δφ 1，同時(shí)讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δ xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A χ2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ Θ2和Δφ2,進(jìn) 而得到被測(cè)物表面的角度變化A α和Δ β;其中，Δ θ 1 = f 1 ( Δ C1，Δ C2)，Δφ 1 ==Ι2(Δ(:? .Δ('2)， A02 = f3(Axl, Δχ2)，Δ.φ2=Γ4(ΔχΙ,Δχ2).，Δα=?、5(ΔΘ1，Δθ2，Δφ1，Δφ2> 和 Δβ=Ι、6(ΔΘ1，Δθ2，Δφ1，Δφ2):?!、f2、f3、f4 表示 4 個(gè)函數(shù)。
[0043] 一種在上述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜 式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測(cè)系統(tǒng)同時(shí)包括波前探測(cè)分光鏡、空氣擾 動(dòng)波前探測(cè)器和反射鏡形變波前探測(cè)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(diǎn)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(dòng)波前探測(cè)器分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)，反射鏡形變波前探測(cè)器分別得到GC和GD兩 組數(shù)據(jù)；
[0047] 步驟c、G1 =GA-GB，得到空氣擾動(dòng)造成的波前變化;G2 = GC-GD，得到空氣擾動(dòng)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?cè)斐傻牟ㄇ白兓?br>[0048] 步驟 d、
[0049] 按照f(shuō)5(Gl)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣擾動(dòng)；
[0050] 或
[0051] 按照f(shuō)5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣擾動(dòng)和 反射鏡形變；
[0052] 或
[0053]按照f(shuō)5(G)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償反射鏡形變；
[0054] 步驟e、圖像傳感器成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置Δ X和Δ y;
[0055] 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器和第二驅(qū)動(dòng)器調(diào)整反射鏡角度，使圖像傳感器所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ θ 1和Δφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀得到的位移變化Δ xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ Θ2和Δφ2,進(jìn) 而得到被測(cè)物表面的角度變化Αα和Δβ;其中，ΔΘ1 = Π(Δα，Δ〇2)，Δφ1=Γ2(Δ(；?,ΔΓ2)， A02 = f3(Axl, Δχ2)，Δφ2=Γ4(Δχ1，Δχ2)，Δα=Γ5?ΔΘ1，ΔΘ2,Δφ1，Δφ2)和 Δβ=Γ6(ΔΘ1,ΔΘ2,Δφ1,Δφ2);Π 、?·2、?·3、?·4 表示 4 個(gè)函數(shù)。
[0057] 有益效果：
[0058] 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(cè)量 裝置，這種結(jié)構(gòu)設(shè)置，能夠在被測(cè)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(guò)角度調(diào)整測(cè)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(cè)物反射光偏離測(cè)量系統(tǒng)而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量的問(wèn)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(shì)。
[0059]除此之外，本發(fā)明還具有以下幾技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
[0060]第一、選擇反射式準(zhǔn)直鏡，雖然增加了制作難度、提高了制作成本，但是這種結(jié)構(gòu) 具有以下三方面不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì):首先反射式準(zhǔn)直鏡有利于儀器小型化，制作便攜式 儀器;其次反射式準(zhǔn)直鏡無(wú)色差，光源頻段越寬，其測(cè)量精度的優(yōu)勢(shì)越明顯；第三是通過(guò)鍍 膜技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)反射式準(zhǔn)直鏡的吸熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于透射式，有效避免準(zhǔn)直鏡熱變形問(wèn)題的發(fā) 生，這不僅使整個(gè)系統(tǒng)能夠匹配大功率光源，而且也有利于保證系統(tǒng)測(cè)量精度；
[0061]第二、選擇圖像傳感器作為反饋成像系統(tǒng)中的成像器件，利用圖像傳感器面積大 的特點(diǎn)，確保在被測(cè)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(huì)超出接收范圍，再與反射鏡相配合，實(shí)現(xiàn)反射光快速實(shí)時(shí)回位補(bǔ)償，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；
[0062]第三、選擇電容傳感器和激光干涉儀共同作為角度偏轉(zhuǎn)測(cè)量裝置，使得本發(fā)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(nèi)線(xiàn)位移易于轉(zhuǎn)換為角 位移的優(yōu)良特性，使得本發(fā)明能夠在低采樣頻率(20Hz及以下)條件下具有非常高的測(cè)量精 度，角度最高測(cè)量分辨力可從傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀的〇. 005角秒提高到0.0005角秒，提高一個(gè)數(shù)量 級(jí);而且激光干涉儀還能夠使得本發(fā)明能夠在高采樣頻率(最高能達(dá)到2000Hz)下完成角度 測(cè)量，即具有很高的測(cè)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(xiàn)偏轉(zhuǎn)180度返回的光學(xué)特性，使本發(fā)明的角度測(cè)量范圍得到極大增強(qiáng)，BP 本發(fā)明具有很高測(cè)量速度的同時(shí)，還具有大角度量程的技術(shù)優(yōu)勢(shì);二者相結(jié)合，還能起到對(duì) 有高精度裝配需求的被測(cè)物進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)的作用；
[0063] 第四、本發(fā)明還采用了以下技術(shù):第一驅(qū)動(dòng)器、第一金屬片、第一反射鏡、以及萬(wàn)向 軸在一條直線(xiàn)上，第二驅(qū)動(dòng)器、第二金屬片、第二反射鏡、以及萬(wàn)向軸在一條直線(xiàn)上，并且第 一驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線(xiàn)垂直第二驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線(xiàn);這種兩條連線(xiàn)相互垂直的二維 設(shè)置，使得不同連線(xiàn)方向的數(shù)據(jù)互不干涉，無(wú)需解耦運(yùn)算，這樣能夠方便標(biāo)定，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò) 程，提高測(cè)量速度。
【附圖說(shuō)明】
[0064] 圖1是傳統(tǒng)自準(zhǔn)直角度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0065]圖2是本發(fā)明便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例一的第一種結(jié)構(gòu) 示意圖。
[0066]圖3是角度調(diào)整測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0067]圖4是本發(fā)明便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例一的第二種結(jié)構(gòu) 示意圖。
[0068]圖5是本發(fā)明便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0069]圖6是本發(fā)明便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0070] 圖7是本發(fā)明便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0071] 圖中：1光源、22反射式準(zhǔn)直鏡、3反射鏡、4角度調(diào)整測(cè)量裝置、411第一驅(qū)動(dòng) 器、412第二驅(qū)動(dòng)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、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(wàn)向軸、5被測(cè)物、6反饋成像系統(tǒng)、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(cè)系統(tǒng)、71波前探測(cè)分光鏡、72空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器、73反射鏡形變波前 探測(cè)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(shí)施例
[0072]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0073] 具體實(shí)施例一
[0074]本實(shí)施例是便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0075]本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(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、反射式準(zhǔn)直鏡22、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(cè)量裝置4;光源1出射的光束，經(jīng)過(guò)反射式準(zhǔn)直鏡22準(zhǔn)直成平行光束后，再由反 射鏡3反射，入射到被測(cè)物5的表面;從被測(cè)物5表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)反射鏡3反射后，由 反饋成像系統(tǒng)6采集成像；
[0076]所述反饋成像系統(tǒng)6設(shè)置在光源1與反射式準(zhǔn)直鏡22之間，包括第一反饋分光鏡61 和設(shè)置在反射式準(zhǔn)直鏡22焦點(diǎn)處的圖像傳感器65;從被測(cè)物5表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)反射 鏡3反射后，先后經(jīng)過(guò)反射式準(zhǔn)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(cè)物5表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器65所成點(diǎn)像在像面中心位置；
[0077]所述角度調(diào)整測(cè)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(cè)量裝 置、以及萬(wàn)向軸43,角度調(diào)整裝置包括第一驅(qū)動(dòng)器411和第二驅(qū)動(dòng)器412;角度偏轉(zhuǎn)測(cè)量裝置 包括第一金屬片421、第二金屬片422、第一反射鏡425、第二反射鏡426、對(duì)應(yīng)第一金屬片421 位置的第一電容傳感器423、以及對(duì)應(yīng)第二金屬片422位置的第二電容傳感器424、對(duì)應(yīng)第一 反射鏡425位置的第一激光干涉儀427、以及對(duì)應(yīng)第二反射鏡426位置的第二激光干涉儀 428;第一驅(qū)動(dòng)器411、第一金屬片421、第一反射鏡425、以及萬(wàn)向軸43在一條直線(xiàn)上，第二驅(qū) 動(dòng)器412、第二金屬片422、第二反射鏡426、以及萬(wàn)向軸43在一條直線(xiàn)上，并且第一驅(qū)動(dòng)器 411與萬(wàn)向軸43的連線(xiàn)垂直第二驅(qū)動(dòng)器412與萬(wàn)向軸43的連線(xiàn)，如圖3所示。
[0078]需要說(shuō)明的是，在本實(shí)施例中，反饋成像系統(tǒng)6還可以選擇如下結(jié)構(gòu)：設(shè)置在反射 式準(zhǔn)直鏡22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(shè)置在反射式準(zhǔn)直 鏡22焦點(diǎn)處的圖像傳感器65;從被測(cè)物5表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)反射鏡3反射后，先后經(jīng)過(guò) 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(cè)物5表面 與光軸垂直的條件下，圖像傳感器65所成點(diǎn)像在像面中心位置;如圖4所示。
[0079]具體實(shí)施例二
[0080]本實(shí)施例是便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0081] 本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。在具 體實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置還設(shè)置有波前探 測(cè)系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8;
[0082] 所述波前探測(cè)系統(tǒng)7包括波前探測(cè)分光鏡71和空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器72;所述波前 探測(cè)分光鏡71設(shè)置在反射鏡3與被測(cè)物5之間，空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器72設(shè)置在波前探測(cè)分光 鏡71的反射光路上，反射鏡形變波前探測(cè)器73設(shè)置在反射鏡3的二次反射光路上；
[0083]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(guò)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(cè)分光鏡71上。
[0084] 具體實(shí)施例三
[0085]本實(shí)施例是便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0086]本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。在具 體實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置還設(shè)置有波前探 測(cè)系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8;
[0087]所述波前探測(cè)系統(tǒng)7包括波前探測(cè)分光鏡71和反射鏡形變波前探測(cè)器73;所述波 前探測(cè)分光鏡71設(shè)置在反射鏡3與被測(cè)物5之間，空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器72設(shè)置在波前探測(cè)分 光鏡71的反射光路上，反射鏡形變波前探測(cè)器73設(shè)置在反射鏡3的二次反射光路上；
[0088]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(guò)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(cè)分光鏡71上。
[0089]具體實(shí)施例四
[0090]本實(shí)施例是便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0091] 本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。在具 體實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置還設(shè)置有波前探 測(cè)系統(tǒng)7和波前補(bǔ)償系統(tǒng)8;
[0092] 所述波前探測(cè)系統(tǒng)7包括波前探測(cè)分光鏡71、空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器72和反射鏡形 變波前探測(cè)器73;所述波前探測(cè)分光鏡71設(shè)置在反射鏡3與被測(cè)物5之間，空氣擾動(dòng)波前探 測(cè)器72設(shè)置在波前探測(cè)分光鏡71的反射光路上，反射鏡形變波前探測(cè)器73設(shè)置在反射鏡3 的二次反射光路上；
[0093]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(guò)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(cè)分光鏡71上。
[0094]對(duì)于以上自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例，還有以下兩點(diǎn)需要說(shuō)明：
[0095] 第一、所述角度調(diào)整裝置中的第一驅(qū)動(dòng)器411和第二驅(qū)動(dòng)器412,既可以選擇驅(qū)動(dòng) 速度較快的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，又可以選擇驅(qū)動(dòng)精度較高的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，還 可以將步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器混合使用;本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù) 實(shí)際需要進(jìn)行合理選擇。
[0096]第二、在以上所有自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例中，角度偏轉(zhuǎn)測(cè)量裝置都只包括兩對(duì)金屬片 和電容傳感器的組合，以及兩對(duì)平面反射鏡和激光干涉儀的組合，這種設(shè)計(jì)是默認(rèn)反射鏡3 在工作過(guò)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(cè)量精 度，可以在萬(wàn)向軸43位置處放置第三對(duì)金屬片和電容傳感器的組合，以及第三對(duì)平面反射 鏡和激光干涉儀的組合，以抵消三個(gè)電容傳感器以及三個(gè)激光干涉儀產(chǎn)生的相同平移，確 保測(cè)量精度。
[0097] 具體實(shí)施例五
[0098]本實(shí)施例是在具體實(shí)施例一所述便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn) 的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0099]本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0100] 步驟a、點(diǎn)亮光源1，圖像傳感器65成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置Δ χ和Ay;
[0101] 步驟b、利用第一驅(qū)動(dòng)器411和第二驅(qū)動(dòng)器412調(diào)整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點(diǎn)像回到像面中心位置；
[0102] 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(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀427得到的位 移變化△ xl，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化 Δ Θ2和Δφ2,進(jìn)而得到被測(cè)物5表面的角度變化Δα和Δβ;其中，A01 = fl( AC1，AC2)， Δφ]=β(Δ(·；1,Δ('；2) , \ 〇2= Γ3( Δ xl, Δ χ2), Δφ2=Γ4(Δχ 1 ,Δχ2) ? Δα=Γ5(ΔΘ1，ΔΘ2,Δφ1，Δφ2> 和 Δβ=Γ6(Δθ1，Δ(_)2,Δφ1，Δφ2);Π 、1^2、1^3、1^4表示4個(gè)函數(shù)。
[0103] 本發(fā)明的主創(chuàng)新點(diǎn)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(cè)量裝 置4,這種結(jié)構(gòu)能夠在被測(cè)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(guò)角度調(diào)整測(cè)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(cè)物反射光偏離測(cè)量系統(tǒng)而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題。
[0104] 然而，反射鏡3的引入，其面型誤差會(huì)傳遞到最終結(jié)果中，降低系統(tǒng)的測(cè)量精度；同 時(shí)，工作距離的增加又使得反射鏡3與被測(cè)物5之間的空氣擾動(dòng)不可忽略，也會(huì)降低系統(tǒng)的 測(cè)量精度?？梢?jiàn)，要想實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，就必須考慮到反射鏡3面型誤差以及反射鏡3與被測(cè) 物5之間空氣擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為此，設(shè)計(jì)了具體實(shí)施例六、具體實(shí)施例七、以及具體 實(shí)施例八。
[0105]具體實(shí)施例六
[0106]本實(shí)施例是在具體實(shí)施例二所述便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn) 的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0107] 本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0108] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0109] 步驟b、點(diǎn)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(dòng)波前探測(cè)器72分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)；
[0110] 步驟c、Gl=GA-GB，得到空氣擾動(dòng)造成的波前變化；
[0111] 步驟d、按照f(shuō)5(Gl)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償 空氣擾動(dòng)；
[0112] 步驟e、圖像傳感器65成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y;
[0113] 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器411和第二驅(qū)動(dòng)器412調(diào)整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點(diǎn)像回到像面中心位置；
[0114] 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(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化△ Θ1和Δφ? ·同時(shí)讀取第一激光干涉儀427得到的位 移變化△ xl，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化 Δ Θ 2和Δφ2，進(jìn)而得到被測(cè)物5表面的角度變化Δα和Δβ;其中，A01=fl(ACl，AC2)， Δφ1=?2(ΔΠ.Δ02) ，Δ 02 = f3( Δ χ?，Δ X2)，Δφ2==Γ4(Δχ1,Δχ2) ★ Δα=Γ5(ΔΘ1 ,ΔΘ2,Δφ1 ,Δφ2) 和Δβ=Γ6(ΔΘ [:,Δ:θ2，.Δ.φ,1,Δφ2).;·Π 、f2、f3、f4表示 4個(gè)函數(shù)。
[0115] 在具體實(shí)施例二的裝置上實(shí)施本實(shí)施例的方法，能夠利用空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器72 將空氣擾動(dòng)進(jìn)行分離，進(jìn)而利用波前補(bǔ)償系統(tǒng)8對(duì)空氣擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)空氣擾動(dòng) 影響的高精度測(cè)量。
[0116]具體實(shí)施例七
[0117]本實(shí)施例是在具體實(shí)施例三所述便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn) 的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0118] 本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0119] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0120] 步驟b、點(diǎn)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(cè)器73分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；
[0121]步驟c、G2=GC_GD，得到空氣擾動(dòng)和反射鏡形變共同造成的波前變化；
[0122] 步驟d、按照f(shuō)5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償 空氣擾動(dòng)和反射鏡形變；
[0123] 步驟e、圖像傳感器65成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y;
[0124] 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器411和第二驅(qū)動(dòng)器412調(diào)整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點(diǎn)像回到像面中心位置；
[0125] 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(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化△ θ 1和Δφ I，同時(shí)讀取第一激光干涉儀427得到的位 移變化△ xl，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化 Δ Θ2和Δφ2,進(jìn)而得到被測(cè)物5表面的角度變化Δ α和Δ β;其中，Δ Θ1 = Π( Δ C1，Δ C2)， Δφ1=(2(ΔΓ!,Δ02) , \ 02 = f3( Δ xl, Δ χ2),Δφ2=Γ4(Δχ 1 ,Δχ2) ：, Δα=Γ5(ΔΘΚΔΘ2,ΔφΚΔφ2) 和 Δβ=?、6(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 、f2、f3、f4 表示 4 個(gè)函數(shù)。
[0126] 在具體實(shí)施例三的裝置上實(shí)施本實(shí)施例的方法，能夠利用反射鏡形變波前探測(cè)器 73將空氣擾動(dòng)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(duì)空氣擾動(dòng)與反射鏡 形變進(jìn)行整體補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)空氣擾動(dòng)和反射鏡形變影響的高精度測(cè)量。
[0127] 具體實(shí)施例八
[0128] 本實(shí)施例是在具體實(shí)施例四所述便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn) 的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0129] 本實(shí)施例的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0130] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0131] 步驟b、點(diǎn)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(dòng)波前探測(cè)器72分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)，反射鏡形變波前探測(cè)器73分別得到GC 和⑶兩組數(shù)據(jù)；
[0132] 步驟c、Gl=GA-GB，得到空氣擾動(dòng)造成的波前變化;G2 = GC-GD，得到空氣擾動(dòng)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?cè)斐傻牟ㄇ白兓?br>[0133] 步驟 d、
[0134] 按照f(shuō)5(Gl)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償空氣擾 動(dòng)；
[0135] 或
[0136] 按照f(shuō)5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償空氣擾 動(dòng)和反射鏡形變；
[0137] 或
[0138] 按照f(shuō)5(G)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器83參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償反射鏡形 變；
[0139] 步驟e、圖像傳感器65成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y;
[0140] 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器411和第二驅(qū)動(dòng)器412調(diào)整反射鏡3角度，使圖像傳感器65 所成點(diǎn)像回到像面中心位置；
[0141] 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(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化△ Θ1和Δ(ρ1，同時(shí)讀取第一激光干涉儀427得到的位 移變化△ xl，以及第二激光干涉儀428得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化 Δ Θ2和Δφ2,進(jìn)而得到被測(cè)物5表面的角度變化Δα和Δβ;其中，A01 = fl( AC1，AC2)， Δφ,1.=β(Δ.(1、,1，Δ€2) .，Λ 〇2 = f3( Δ χ?，Δ χ2)，Δφ2=Γ4(Δ.χ1,Δχ2)， Δα=Γ5(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2) 和 Δβ=Γ6(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2); Π、f2、f3、f4表示 4個(gè)函數(shù)。
[0142] 在具體實(shí)施例四的裝置上實(shí)施本實(shí)施例的方法，能夠利用空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器72 和反射鏡形變波前探測(cè)器73將空氣擾動(dòng)和反射鏡形變進(jìn)行單獨(dú)分離，進(jìn)而選擇性地對(duì)空氣 擾動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償、對(duì)反射鏡形變進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償、或?qū)諝鈹_動(dòng)與反射鏡形變進(jìn)行整體補(bǔ) 償，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)空氣擾動(dòng)、或無(wú)反射鏡形變、或無(wú)空氣擾動(dòng)和反射鏡形變影響的高精度測(cè) 量。
[0143] 本實(shí)施例還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是將空氣擾動(dòng)和反射鏡形變單獨(dú)分離后，能對(duì)每一 部分對(duì)結(jié)果的影響大小進(jìn)行單獨(dú)評(píng)估，不僅能夠找出空氣擾動(dòng)和反射鏡形變中，誰(shuí)是影響 測(cè)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(píng)估，同時(shí)對(duì)反射鏡加工質(zhì)量進(jìn)行 有效評(píng)價(jià)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，其特征在于，包括光源（I)、反射式準(zhǔn) 直鏡(22)、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(cè)量裝置 (4);光源（1)出射的光束，經(jīng)過(guò)反射式準(zhǔn)直鏡(22)準(zhǔn)直成平行光束后，再由反射鏡(3)反射， 入射到被測(cè)物(5)的表面;從被測(cè)物(5)表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)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)為以下兩種形式中的一種： 第一、設(shè)置在光源（1)與反射式準(zhǔn)直鏡(22)之間，包括第一反饋分光鏡(61)和設(shè)置在反 射式準(zhǔn)直鏡（22)焦點(diǎn)處的圖像傳感器(65);從被測(cè)物（5)表面反射的光束，再經(jīng)過(guò)反射鏡 (3)反射后，先后經(jīng)過(guò)反射式準(zhǔn)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(cè)物(5)表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器(65)所成點(diǎn)像在像面中 心位置； 第二、設(shè)置在反射式準(zhǔn)直鏡（22)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(shè)置在反射式準(zhǔn)直鏡(22)焦點(diǎn)處的圖像傳感器(65);從被測(cè)物(5)表面反射 的光束，再經(jīng)過(guò)反射鏡(3)反射后，先后經(jīng)過(guò)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(cè)物（5)表面與光軸垂直的條件下，圖像傳感器 (65)所成點(diǎn)像在像面中心位置； 所述角度調(diào)整測(cè)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(cè)量裝 置、以及萬(wàn)向軸(43)，角度調(diào)整裝置包括第一驅(qū)動(dòng)器(411)和第二驅(qū)動(dòng)器(412);角度偏轉(zhuǎn)測(cè) 量裝置包括第一金屬片(421)、第二金屬片(422)、第一反射鏡(425)、第二反射鏡(426)、對(duì) 應(yīng)第一金屬片(421)位置的第一電容傳感器(423)、以及對(duì)應(yīng)第二金屬片(422)位置的第二 電容傳感器(424)、對(duì)應(yīng)第一反射鏡(425)位置的第一激光干涉儀(427)、以及對(duì)應(yīng)第二反射 鏡(426)位置的第二激光干涉儀(428);第一驅(qū)動(dòng)器(411)、第一金屬片（421 )、第一反射鏡 (425) 、以及萬(wàn)向軸（43)在一條直線(xiàn)上，第二驅(qū)動(dòng)器(412)、第二金屬片（422)、第二反射鏡 (426) 、以及萬(wàn)向軸(43)在一條直線(xiàn)上，并且第一驅(qū)動(dòng)器(411)與萬(wàn)向軸(43)的連線(xiàn)垂直第 二驅(qū)動(dòng)器(412)與萬(wàn)向軸(43)的連線(xiàn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，其特征在于，還包括 波前探測(cè)系統(tǒng)(7)和波前補(bǔ)償系統(tǒng)(8); 所述波前探測(cè)系統(tǒng)（7)包括波前探測(cè)分光鏡（71)、以及空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器(72)和反 射鏡形變波前探測(cè)器(73)中的至少一個(gè);所述波前探測(cè)分光鏡(71)設(shè)置在反射鏡(3)與被 測(cè)物(5)之間，空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器(72)設(shè)置在波前探測(cè)分光鏡(71)的反射光路上，反射鏡 形變波前探測(cè)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(guò)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(cè)分光鏡(71)上。3. -種在權(quán)利要求1所述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜 式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟a、點(diǎn)亮光源（1)，圖像傳感器(65)成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和△ y; 步驟b、利用第一驅(qū)動(dòng)器(411)和第二驅(qū)動(dòng)器(412)調(diào)整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀(427)得到 的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀(428)得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A Θ2和Δφ2，進(jìn)而得到被測(cè)物（5)表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ1 = Π(Δ Cl, Δ C 2 ) , Δφ1==?2(Δ€?,ΔΓ2), \02 = f3(Axl,Ax2), Δφ2·=Γ4(Δχ1,Δχ2), Δα=Γ5(ΔΘ 1 ,ΔΘ2·Δφ 1 ,Δφ2)和 Δβ=Γ6(ΔΘ 丨，ΔΘ2，Δφ 丨，Δφ2); Π 、f2、f3、f4 表示 4 個(gè)函數(shù)。4. 一種在權(quán)利要求2所述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜 式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測(cè)系統(tǒng)(7)僅包括波前探測(cè)分光鏡 (71)和空氣擾動(dòng)波前探測(cè)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(diǎn)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(dòng)波前探測(cè)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(dòng)造成的波前變化； 步驟d、按照f(shuō)5(Gl)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器(83)參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源(81)，補(bǔ)償 空氣擾動(dòng)； 步驟e、圖像傳感器(65)成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y; 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器(411)和第二驅(qū)動(dòng)器(412)調(diào)整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Λφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀(427)得到 的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀(428)得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A Θ2和Δφ2，進(jìn)而得到被測(cè)物（5)表面的角度變化△ α和△ β;其中，△ ΘI = f 1 ( Δ Cl, Δ C 2 ) , Δφ1=0(Δ01,Δ02) ?A02 = f3(Axl, Δχ2), Δφ2=Ι'4(Δ.\1,Δχ2), Δα=Γ5(ΔΘ 丨，ΔΘ2,Δφ 丨,Δφ2)和 Δβ=Γ6(ΔΘ 1，Δθ2,Δφ 1，Δφ2) ;:fl、f2、f3、f4 表示 4 個(gè)函數(shù)。5. -種在權(quán)利要求2所述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜 式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測(cè)系統(tǒng)(7)僅包括波前探測(cè)分光鏡 (71)和反射鏡形變波前探測(cè)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(diǎn)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(cè)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(dòng)和反射鏡形變共同造成的波前變化； 步驟d、按照f(shuō)5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器(83)參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源(81)，補(bǔ)償 空氣擾動(dòng)和反射鏡形變； 步驟e、圖像傳感器(65)成像，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y; 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器(411)和第二驅(qū)動(dòng)器(412)調(diào)整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ 1，同時(shí)讀取第一激光干涉儀(427)得到 的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀(428)得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A Θ2和Αφ2，進(jìn)而得到被測(cè)物（5)表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ1 = Π(Δ C I , \ C 2 ) , Δφ!=?2(ΔΓ1,ΔΓ'2), \〇2 = f3(Axl,Ax2), Δφ2=Γ4(Δχ 1 ,Δχ2), Δα=Γ5(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2)和 Δβ=Γ(>(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2); fl、f2、f3、f4 表示 4 個(gè)函數(shù)。6. -種在權(quán)利要求2所述便攜式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜 式便攜式高動(dòng)態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測(cè)系統(tǒng)(7)同時(shí)包括波前探測(cè)分光 鏡(71 )、空氣擾動(dòng)波前探測(cè)器(72)和反射鏡形變波前探測(cè)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(diǎn)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(dòng)波前探測(cè)器(72)分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)，反射鏡形變波前探測(cè)器(73)分別得到 GC和⑶兩組數(shù)據(jù)； 步驟c、G1 = GA-GB，得到空氣擾動(dòng)造成的波前變化;G2 = GC-GD，得到空氣擾動(dòng)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?cè)斐傻牟ㄇ白兓? 步驟d、 按照f(shuō)5(Gl)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器(83)參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源(81)，補(bǔ)償空氣擾 動(dòng)； 或 按照f(shuō)5(G2)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器(83)參數(shù)，點(diǎn)亮補(bǔ)償光源（81)，補(bǔ)償空氣擾 動(dòng)和反射鏡形變； 或 按照f(shuō)5(G)調(diào)整透射式液晶空間光調(diào)制器(83)參數(shù)，點(diǎn)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，得到點(diǎn)像偏離像面中心位置△ X和Δ y; 步驟f、利用第一驅(qū)動(dòng)器(411)和第二驅(qū)動(dòng)器(412)調(diào)整反射鏡(3)角度，使圖像傳感器 (65)所成點(diǎn)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(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度變化△ Θ1和Δφ?，同時(shí)讀取第一激光干涉儀(427)得到 的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀(428)得到的位移變化△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A Θ2和Δ(β2，進(jìn)而得到被測(cè)物（5)表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ1 = Π(Δ Cl, Δ C2 ) , Δφ1 = ?2(Δ(；?,Δ€2), \ 02 = f3(Axl,Ax2), Δφ2=Γ4(Δχ1,Δχ2), Δα=?5:(ΑΘ 1.,Δθ:2_，Δφ 1 ,Δφ2)和 Δβ=?6(ΔΘ 1，ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ.2):; ：^、€243、^表示4個(gè)函數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK106017362SQ201610639010
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月7日
【發(fā)明人】譚欣然, 王超, 譚久彬
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)