組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置與方法
【專利摘要】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，具體涉及一種組合調(diào)零高動態(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)測量裝置來得到被測物表面的角度變化；由于本發(fā)明在傳統(tǒng)自準(zhǔn)直角度測量系統(tǒng)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(tǒng)而導(dǎo)致無法測量的問題，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；此外，準(zhǔn)直鏡、反饋成像系統(tǒng)、反射鏡等的具體設(shè)計，使本發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低；同時能夠全程監(jiān)測被測物裝配過程；以及快速測量的技術(shù)優(yōu)勢。
【專利說明】
組合調(diào)零高動態(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)明屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域與光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種組合調(diào)零高動態(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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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)運動基準(zhǔn)的角回轉(zhuǎn)精度，測量直線運動基準(zhǔn)的空間直線 精度和兩兩運動基準(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。
[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：
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀所存在的兩個問題，本發(fā)明公開了一種組合調(diào)零高動態(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。
[0012] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0013] 組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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；
[0014] 所述反饋成像系統(tǒng)為以下兩種形式中的：
[0015] 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)；
[0016]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；
[0017] 或
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 或
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 或
[0024] 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；
[0025] 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 金屬片、第二金屬片、第一反射鏡、第二反射鏡、對應(yīng)第一金屬片位置的第一電容傳感器、以 及對應(yīng)第二金屬片位置的第二電容傳感器、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、第一金屬片、第一反射鏡、以及萬向 軸在一條直線上，第二驅(qū)動器、第二金屬片、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。
[0026] 在上述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式組合調(diào) 零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0027] 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；
[0028] 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A x和A y，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；
[0029] 步驟c、讀取第一電容傳感器的電容變化A C1，以及第二電容傳感器的電容變化A C2， 再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化△ 91和AW，同時讀取第一激光干涉儀得到的位移變化A xl，以 及第二激光干涉儀得到的位移變化A x2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 02和A(p2,進(jìn)而得到 被測物表面的角度變化 A a和 A ;其中，A 01 =f 1 ( A Cl，A C2)，1 =P2(ACl,AC2)，\ = f3( A xl, A x2) , AfP2=r4(Axi.Ax2), Aa=r5(Am.AG2，A(pUAcp2)^pAp_「6(A91，A92,A(p1.A92):fl、 f2、f3、f4表示4個函數(shù)。
[0030]上述組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，還包括波前探測系統(tǒng)和波前補(bǔ)償 系統(tǒng)；
[0031 ]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；
[0032]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。
[0033]在上述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式組合調(diào) 零高動態(tài)精度大工作距自準(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；
[0034] 包括以下步驟：
[0035]步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0036]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)；
[0037]步驟c、Gl=GA_GB，得到空氣擾動造成的波前變化；
[0038] 步驟d、按照f5(Gl)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；
[0039] 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；
[0040] 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A x和A y，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；
[0041 ] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化A Cl，以及第二電容傳感器的電容變化A C2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 01和Acpl，同時讀取第一激光干涉儀得到的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 02和Aq>2,進(jìn) 而得到被測物表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = f 1( A Cl，\ C2)，Aq>l=r2(AC'l，AC2)， A02 = f3(Axl，Ax2)，Acp2=f4(Axl,Ax2).Aa=f5(Ml，Ae2,Aq).l，A(p2):^pAP=r6(A01，Ae2,Aq)l,Aq)2) :fl、 f2、f3、f4表示4個函數(shù)。
[0042]在上述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式組合調(diào) 零高動態(tài)精度大工作距自準(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；
[0043] 包括以下步驟：
[0044] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0045] 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)；
[0046]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；
[0047] 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；
[0048] 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；
[0049] 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A x和A y，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；
[0050] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化A C1，以及第二電容傳感器的電容變化A C2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 01和Aq>l，同時讀取第一激光干涉儀得到的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 02和Aq>2,進(jìn) 而得到被測物表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = f 1 ( A Cl，A C2)，A(pl=G(ACl，AC2)， A 02 = f3( A xl，A x2)，Aq)2=r4(Axl,Ax2)，Aa=r5(A91,Ae2，A(pl,A(p2>:和Ap=l、6(Am，A92，Aq)l，A(p2) ; fl、f 2、f 3、f 4表示4個函數(shù)。
[0051]在上述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式組合調(diào) 零高動態(tài)精度大工作距自準(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；
[0052] 包括以下步驟：
[0053]步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0054]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)；
[0055] 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；
[0056]步驟 d、
[0057] 按照f5(Gl)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；
[0058] 或
[0059] 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；
[0060] 或
[0061] 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；
[0062] 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；
[0063] 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A x和A y，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；
[0064] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化A C1，以及第二電容傳感器的電容變化A C2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 01和Acpl，同時讀取第一激光干涉儀得到的位移變化A xl，以及第二激光干涉儀得到的位移變化A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化A 02和A(p2,進(jìn) 而得到被測物表面的角度變化A a和A 0;其中，A 01 = f 1 ( A Cl，\ C2)，Aq> 1 =I2(AC 1，AC2)， A 02 = f3( A xl，A x2)，A(p2=t4(Axl,Ax2)., Aa=f5(A01，A92，A<pl，A(p2)^P.A|3=f6.(A.91.，A02,A(pl.，A{p:2).; fl、f 2、f 3、f 4表示4個函數(shù)。
[0065] 有益效果：
[0066]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。
[0067]除此之外，本發(fā)明還具有以下幾技術(shù)優(yōu)勢：
[0068]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；
[0069] 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；
[0070] 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量精 度，角度最高測量分辨力可從傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀的〇. 005角秒提高到0.0005角秒，提高一個數(shù)量 級;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)，SP 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;二者相結(jié)合，還能起到對 有高精度裝配需求的被測物進(jìn)行全程監(jiān)測的作用；
[0071] 第四、本發(fā)明還采用了以下技術(shù):第一驅(qū)動器、第一金屬片、第一反射鏡、以及萬向 軸在一條直線上，第二驅(qū)動器、第二金屬片、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】
[0072] 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。
[0073]圖2是本發(fā)明組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實施例一的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0074]圖3是角度調(diào)整測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0075] 圖4是圖像傳感器成像系統(tǒng)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0076] 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。
[0077]圖6是本發(fā)明組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實施例二的第一種結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0078]圖7是本發(fā)明組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實施例二的第二種結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0079]圖8是本發(fā)明組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。 [0080]圖9是本發(fā)明組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0081] 圖10是本發(fā)明組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置具體實施例五的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0082] 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、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
[0083]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。
[0084] 具體實施例一
[0085]本實施例是組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實施例。
[0086]本實施例的組合調(diào)零高動態(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、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；
[0087] 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)；
[0088] 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米集成像;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；
[0089]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；
[0090] 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 包括第一金屬片421、第二金屬片422、第一反射鏡425、第二反射鏡426、對應(yīng)第一金屬片421 位置的第一電容傳感器423、以及對應(yīng)第二金屬片422位置的第二電容傳感器424、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、第一金屬片421、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、第二金屬片422、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。
[0091] 需要說明的是：
[0092] 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)。
[0093] 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)。
[0094]具體實施例二
[0095]本實施例是組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實施例。
[0096]本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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：
[0097]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；
[0098]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。
[0099]具體實施例三
[0100] 本實施例是組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實施例。
[0101] 本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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，本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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;
[0102] 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；
[0103]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。
[0104]具體實施例四
[0105]本實施例是組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實施例。
[0106] 本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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，本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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;
[0107] 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；
[0108]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。
[0109] 具體實施例五
[0110]本實施例是組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實施例。
[0111]本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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，本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(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;
[0112]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；
[0113]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。
[0114] 對于以上自準(zhǔn)直裝置實施例，還有以下四點需要說明：
[0115] 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。
[0116] 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。
[0117] 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。
[0118] 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金屬片 和電容傳感器的組合，以及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位置處放置第三對金屬片和電容傳感器的組合，以及第三對平面反射 鏡和激光干涉儀的組合，以抵消三個電容傳感器以及三個激光干涉儀產(chǎn)生的相同平移，確 保測量精度。具體實施例六
[0119]本實施例是在具體實施例一所述組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實 現(xiàn)的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實施例。
[0120] 本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0121] 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；
[0122] 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A x和A y，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；
[0123] 步驟c、讀取第一電容傳感器423的電容變化A 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A 01和Acpl，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變化 A 02和Acp2,進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = fl( A Cl，A C2)， A(pl=l2(ACl，AC2)，A 02 = f3( A xl，A X2)，A(p2=f4(Axl,Ax2)， Aot=6：(Aei,A02,Atpl,Aq)2) 和雄=l、6( , A92, A(p l,A(p:2); fl、f2、f3、f4表示 4個函數(shù)。
[0124] 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。
[0125] 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。
[0126] 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?？梢姡雽崿F(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。
[0127] 具體實施例七
[0128] 本實施例是在具體實施例三所述組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實 現(xiàn)的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實施例。
[0129] 本實施例的組合調(diào)零高動態(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)；
[0132] 步驟c、Gl=GA_GB，得到空氣擾動造成的波前變化；
[0133] 步驟d、按照f5(Gl)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；
[0134] 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；
[0135] 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A x和A y，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；
[0136] 步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化A 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A 01和AcpL同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變 化A02和Aq>2,進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Act和A0;其中，A01=fl( AC1，AC2)， Acp.l=f2(ACl,AC2)，A 02 = f3( A xl，A x2)，A(p2=r4(Ax 1，Ax2)， Aa=f5(AB 1 ,AB2,A(p 1 ,A(p2) 和 Ap=r6(M I ,M2 Acp 1.4q>2); fl、f2、f3、f4表示 4個函數(shù)。
[0137] 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。
[0138] 具體實施例八
[0139] 本實施例是在具體實施例四所述組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實 現(xiàn)的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實施例。
[0140] 本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0141] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0142] 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)；
[0143] 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；
[0144] 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；
[0145] 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；
[0146] 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A x和A y，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；
[0147] 步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化A 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A 01和A(pl，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變 化A 02和進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = f 1 ( A Cl，A C2)， A(pl=(2(ACl,AC2) . \ 〇2= l'3( A xl, A x2), A(p2=f4(Ax 1 .Ax2) , Aa=('5(AB 1 ,AB2.A(p 1 ,A(p2) 和 Ap=.r6(M 1 ,A(-)2, A(j) 1 ,/\92);：|；1、1；'2、1；'3、1；'4表示4個函數(shù)。
[0148] 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。
[0149] 具體實施例九
[0150] 本實施例是在具體實施例五所述組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實 現(xiàn)的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實施例。
[0151 ]本實施例的組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0152] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0153] 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⑶兩組數(shù)據(jù)；
[0154] 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；
[0155]步驟 d、
[0156]按照f5(Gl)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；
[0157] 或
[0158] 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；
[0159] 或
[0160]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；
[0161]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；
[0162] 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A x和A y，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；
[0163] 步驟g、讀取第一電容傳感器423的電容變化A 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A 01和Atpl，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變 化A02和Aq>2:，進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Act和A0;其中，A01=fl( AC1，AC2)， Acpl^OCAC'UAC^) . \ 〇2 = f3( A xl, A x2), A(p2=!'4(Axl,Ax2) , Aa=f5(A01,A02,A(pi,A(to2) 和 Ap=f6(A9 丨，A92, A(p 丨，A(p2); fl、f2、f3、f4表示 4個函數(shù)。
[0164] 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)行單獨分離，進(jìn)而選擇性地對空氣 擾動進(jìn)行單獨補(bǔ)償、對反射鏡形變進(jìn)行單獨補(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。
[0165] 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分離后，能對每一 部分對結(jié)果的影響大小進(jìn)行單獨評估，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)行單獨評估，同時對反射鏡加工質(zhì)量進(jìn)行 有效評價。
[0166] 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。
【主權(quán)項】
1.組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置，其特征在于，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)為以下兩種形式中的： 第一、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； 或 所述圖像傳感器成像系統(tǒng)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； 所述四象限探測器成像系統(tǒng)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； 或 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； 第二、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)，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； 或 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)，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； 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 量裝置包括第一金屬片(421)、第二金屬片(422)、第一反射鏡(425)、第二反射鏡(426)、對 應(yīng)第一金屬片(421)位置的第一電容傳感器(423)、以及對應(yīng)第二金屬片(422)位置的第二 電容傳感器(424)、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)、第一金屬片（421 )、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)、第二金屬片（422)、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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合調(diào)零高動態(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)、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(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。3. 在權(quán)利要求1所述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式 組合調(diào)零高動態(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AX和A y，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、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化A 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A 01和Afl:，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A 02和進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = fl( A C1， A C2), A(pl-Q(ACI,AC2), \ 02 = f3( A xl, A x2), A(p2=M(Ax：l,Ax2^Aa=f3(ABi,^02,A(pl,&p2) 和 Ap= (、6( A91 ,M2，Aq)丨,,492);：|；1、1；'2、1；'3、1；'4表示4個函數(shù)。4. 在權(quán)利要求2所述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式 組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測系統(tǒng)(7)僅包括波前探測分光鏡 (71)和空氣擾動波前探測器(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(Gl)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AX和A y，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、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化A 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A 01和1，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角 度變化A 02和Acp2，進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = f 1( A Cl，A \ ()2 = f3( Axl, Ax2)，Aq>2_「4(Ax.l，Ax2),Aa=:r5(A91，A92，/Aq)l，A(p2)fP Ap=f、6(M) 1 ,M2,A(p 丨,Aq)2);f 1、f2、f3、f4 表示 4 個函數(shù)。5. 在權(quán)利要求2所述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式 組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測系統(tǒng)(7)僅包括波前探測分光鏡 (71)和反射鏡形變波前探測器(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AX和A y，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、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化A 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A 01和Aq) 1，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A 02和Acp2，進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化A a和A 其中，A 01 = f 1( A C1， A C2), A(j>i _i2(ACi.AC2). \ 92 = f3( Axl, A x2), A(p2=f4(AxLA.\2), Aa=l'5(A01,AB2,A(pl,A(p2) 和邱=i、6(A01，A02，Aq>l，A*p 2);fl、f2、f3、f4 表示 4 個函數(shù)。6. 在權(quán)利要求2所述便攜式組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實現(xiàn)的便攜式 組合調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，要求波前探測系統(tǒng)(7)同時包括波前探測分光 鏡(71 )、空氣擾動波前探測器(72)和反射鏡形變波前探測器(73); 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⑶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(Gl)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AX和A y，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、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化A 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A 01和Aq) 1，同時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A X2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角 度變化A02和A(p2,進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化Act和A0;其中，A01 = fl( AC1， A C2) , Acpl==:(2(ACl,AC2), A 02 = f3( A xl, A x2) ? Ai；>2==：r4(Ax 1 .Ax2)，Aa=f5(A91,A92,Acp 1 ,Afp2) 和郵=1、6(如1，八92，八(|)1，八(|)2):亡1、亡2、亡3、亡4表示4個函數(shù)。
【文檔編號】G01B11/26GK106052549SQ201610643663
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月7日 公開號201610643663.4, CN 106052549 A, CN 106052549A, CN 201610643663, CN-A-106052549, CN106052549 A, CN106052549A, CN201610643663, CN201610643663.4
【發(fā)明人】譚欣然, 王超, 譚久彬
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)