本發(fā)明屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域和光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置與方法。

背景技術(shù)：

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。

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。

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。

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)量直線運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)的空間直線精度和兩兩運(yùn)動(dòng)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(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。

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)：

第一、被測(cè)對(duì)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(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；

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。

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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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)了一種便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

所述反饋成像系統(tǒng)為以下兩種形式中的：

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、以及設(shè)置在反射式準(zhǔn)直鏡焦面的四象限探測(cè)器和多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器，所述單像素光電轉(zhuǎn)換器成陣列分布，四象限探測(cè)器既位于陣列中心、又位于反饋成像系統(tǒng)光軸上；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)直鏡透射、第一反饋分光鏡反射、由四象限探測(cè)器或單像素光電轉(zhuǎn)換器采集成像；

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)直鏡焦面的四象限探測(cè)器和多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器，所述單像素光電轉(zhuǎn)換器成陣列分布，四象限探測(cè)器既位于陣列中心、又位于反饋成像系統(tǒng)光軸上；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、由四象限探測(cè)器或單像素光電轉(zhuǎn)換器采集成像；

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、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；第一驅(qū)動(dòng)器、第一金屬片、以及萬(wàn)向軸在一條直線上，第二驅(qū)動(dòng)器、第二金屬片、以及萬(wàn)向軸在一條直線上，并且第一驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線垂直第二驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線。

在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：

步驟a、點(diǎn)亮光源，反饋成像系統(tǒng)成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟b；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟b；

步驟b、四象限探測(cè)器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)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(gè)函數(shù)。

上述便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，還包括波前探測(cè)系統(tǒng)和波前補(bǔ)償系統(tǒng)；

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；

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。

在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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，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)；

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(G1)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)；

步驟e、點(diǎn)亮光源，反饋成像系統(tǒng)成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f；

步驟f、四象限探測(cè)器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器像面中心位置；

步驟g、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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)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(gè)函數(shù)。

在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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，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)；

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；

步驟e、反饋成像系統(tǒng)成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f；

步驟f、四象限探測(cè)器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器像面中心位置；

步驟g、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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)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(gè)函數(shù)。

在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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，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)；

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?/p>

步驟d、

按照f(shuō)5(G1)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)；

或

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；

或

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；

步驟e、反饋成像系統(tǒng)成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f；

步驟f、四象限探測(cè)器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器像面中心位置；

步驟g、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(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)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(gè)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(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)。

除此之外，本發(fā)明還具有以下幾技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

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；

第二、選擇多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器和四象限探測(cè)器共同作為反饋成像系統(tǒng)中的成像器件，結(jié)合了多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器面積大以及四象限探測(cè)器位置分辨率高的優(yōu)勢(shì)；其中，多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，能夠確保在被測(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；在此基礎(chǔ)上，再利用反射鏡實(shí)現(xiàn)反射光快速實(shí)時(shí)回位補(bǔ)償，將反射光調(diào)整到四象限探測(cè)器所在位置，又能根據(jù)四象限探測(cè)器的高位置分辨率優(yōu)勢(shì)來(lái)獲得更高的角度測(cè)量精度；因此，將多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器和四象限探測(cè)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(cè)量精度；

第三、選擇電容傳感器作為角度偏轉(zhuǎn)測(cè)量裝置，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0.005角秒提高到0.0005角秒，提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；

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、以及萬(wàn)向軸在一條直線上，第二驅(qū)動(dòng)器、第二金屬片、以及萬(wàn)向軸在一條直線上，并且第一驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)向軸的連線垂直第二驅(qū)動(dòng)器與萬(wàn)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(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

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。

圖2是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例一的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是角度調(diào)整測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例一的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。

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、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、66 四象限探測(cè)器、67 單像素光電轉(zhuǎn)換器、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

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。

具體實(shí)施例一

本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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、以及設(shè)置在反射式準(zhǔn)直鏡22焦面的四象限探測(cè)器66和多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器67，所述單像素光電轉(zhuǎn)換器67成陣列分布，四象限探測(cè)器66既位于陣列中心、又位于反饋成像系統(tǒng)6光軸上；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透射、第一反饋分光鏡61反射、由四象限探測(cè)器66或單像素光電轉(zhuǎn)換器67采集成像；

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、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；第一驅(qū)動(dòng)器411、第一金屬片421、以及萬(wàn)向軸43在一條直線上，第二驅(qū)動(dòng)器412、第二金屬片422、以及萬(wàn)向軸43在一條直線上，并且第一驅(qū)動(dòng)器411與萬(wàn)向軸43的連線垂直第二驅(qū)動(dòng)器412與萬(wàn)向軸43的連線；如圖3所示。

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焦面的四象限探測(cè)器66和多個(gè)單像素光電轉(zhuǎn)換器67，所述單像素光電轉(zhuǎn)換器67成陣列分布，四象限探測(cè)器66既位于陣列中心、又位于反饋成像系統(tǒng)6光軸上；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、由四象限探測(cè)器66或單像素光電轉(zhuǎn)換器67采集成像；如圖4所示。

具體實(shí)施例二

本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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；

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。

具體實(shí)施例三

本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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；

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。

具體實(shí)施例四

本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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；

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；

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。

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：

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。

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，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，以抵消三個(gè)電容傳感器產(chǎn)生的相同平移，確保測(cè)量精度。

具體實(shí)施例五

本實(shí)施例是在具體實(shí)施例一所述便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：

步驟a、點(diǎn)亮光源1，反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器67所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器67坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟b；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟b；

步驟b、四象限探測(cè)器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器66像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66像面中心位置；

步驟c、讀取第一電容傳感器423的電容變化ΔC1，以及第二電容傳感器424的電容變化ΔC2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)物5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(gè)函數(shù)。

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。

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。

具體實(shí)施例六

本實(shí)施例是在具體實(shí)施例二所述便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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(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(G1)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、點(diǎn)亮光源1，反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器67所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器67坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f；

步驟f、四象限探測(cè)器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器66像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66像面中心位置；

步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化ΔC1，以及第二電容傳感器424的電容變化ΔC2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)物5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(gè)函數(shù)。

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。

具體實(shí)施例七

本實(shí)施例是在具體實(shí)施例三所述便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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(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、反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器67所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器67坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f；

步驟f、四象限探測(cè)器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器66像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66像面中心位置；

步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化ΔC1，以及第二電容傳感器424的電容變化ΔC2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)物5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(gè)函數(shù)。

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。

具體實(shí)施例八

本實(shí)施例是在具體實(shí)施例四所述便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。

本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高精度大工作距自準(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(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GD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?/p>

步驟d、

按照f(shuō)5(G1)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、反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：

第一、得到的點(diǎn)像位于單像素光電轉(zhuǎn)換器67所在區(qū)域，根據(jù)單像素光電轉(zhuǎn)換器67坐標(biāo)，得到點(diǎn)像偏離像面中心方向，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f；

第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測(cè)器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f；

步驟f、四象限探測(cè)器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測(cè)器66像面中心位置Δx和Δy，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，使點(diǎn)像回到四象限探測(cè)器66像面中心位置；

步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化ΔC1，以及第二電容傳感器424的電容變化ΔC2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化Δθ和進(jìn)而得到被測(cè)物5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(gè)函數(shù)。

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。

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)。