便攜式陣列調(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)域和光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及便攜式陣列調(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(jì)，使本發(fā)明還具有小型便攜、測量精度高；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】
便攜式陣列調(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)域和光學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及便攜式陣列調(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(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(shí)驗(yàn)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(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。
[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(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(shí)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(diǎn)：
[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(shí)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(shí)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)明公開了一種便攜式陣列調(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(shí)現(xiàn)的：
[0013] 便攜式陣列調(diào)零高動態(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)整測量裝置;光源出射的光束，經(jīng)過反 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、以及設(shè)置在反射式 準(zhǔn)直鏡焦面的四象限探測器和多個單像素光電轉(zhuǎn)換器，所述單像素光電轉(zhuǎn)換器成陣列分 布，四象限探測器既位于陣列中心、又位于反饋成像系統(tǒng)光軸上；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)過反射式準(zhǔn)直鏡透射、第一反饋分光鏡反射、由四象限探 測器或單像素光電轉(zhuǎn)換器采集成像；
[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)直鏡焦面的四象限探測器和多個單像素光電轉(zhuǎn)換器，所述單像素光電轉(zhuǎn)換 器成陣列分布，四象限探測器既位于陣列中心、又位于反饋成像系統(tǒng)光軸上;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 四象限探測器或單像素光電轉(zhuǎn)換器采集成像；
[0017] 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。
[0018] 在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式 便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟a、點(diǎn)亮光源，反饋成像系統(tǒng)成像，如果：
[0020] 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)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點(diǎn)像回到 四象限探測器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟b;
[0021] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟b;
[0022] 步驟b、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器像面中心位 置△ X和Δ 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(diǎn)像回到四象限探測器像 面中心位置；
[0023] 步驟c、讀取第一電容傳感器的電容變化Δ C1，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Α Θ1和Δφ? .，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 χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化ΔΘ2和Δφ2,進(jìn)而得到 被測物表面的角度變化六€1和&0;其中，&01 = €1(&(：1，&〇2)，厶(卩1=1：2仏(：14(''2),\()2 = f3( Δ χ?, Δ χ2), Δφ2=14(Δχ1,Δχ2). Δα=Γ5(ΔΒ],ΔΘ2,Δ<ρ 1 ,Δ(ρ2)f||Δβ=Γ6(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2)； Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數(shù)。
[0024] 上述便攜式陣列調(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)；
[0025] 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；
[0026] 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。
[0027]在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式 便攜式陣列調(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；
[0028] 包括以下步驟：
[0029]步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0030] 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， 空氣擾動波前探測器分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)；
[0031] 步驟C、G1=GA-GB，得到空氣擾動造成的波前變化；
[0032] 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(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣 擾動；
[0033] 步驟e、點(diǎn)亮光源，反饋成像系統(tǒng)成像，如果：
[0034] 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)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點(diǎn)像回到 四象限探測器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f;
[0035] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f;
[0036] 步驟f、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器像面中心位 置△ X和Δ 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(diǎn)像回到四象限探測器像 面中心位置；
[0037] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化Λ C1，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Α Θ1和AxpU同時讀取第一激光干涉儀得到的位移變化△ 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ΔΘ2和Δφ2,進(jìn)而得到 被測物表面的角度變化 Δα 和 Δβ;其中，ΔΘ1=Π(Δα，Δ〇2)，ΔφΜ2(Δ(：?,Δ(：2), ΔΘ2 = f3( Δ χ?, Δ χ2),Δφ2=￡4(Δχ1,Δχ2), Δα=￡5(ΔΘ1,ΔΘ2,Δφ1,Δφ2)^|ΙΔβ=Γ6(ΔΒ1,Δθ2,Δφ1,Δφ2)； Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數(shù)。
[0038]在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式 便攜式陣列調(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；
[0039] 包括以下步驟：
[0040]步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0041]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器分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；
[0042]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；
[0043] 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(diǎn)亮補(bǔ)償光源，補(bǔ)償空氣 擾動和反射鏡形變；
[0044] 步驟e、反饋成像系統(tǒng)成像，如果：
[0045] 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)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點(diǎn)像回到 四象限探測器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f;
[0046] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f;
[0047] 步驟f、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器像面中心位 置△ X和Δ 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(diǎn)像回到四象限探測器像 面中心位置；
[0048] 步驟g、讀取第一電容傳感器的電容變化Δ C1，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Α Θ1和Αφ?，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 χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡的角度變化ΔΘ2和Δφ2,進(jìn)而得到 被測物表面的角度變化 Δ α和 Δ β;其中，Δ θ 1 = f 1 ( Δ C1，Δ C2)，Δφ 1 =β(Δ(:?，Δ(:"2)，\ 02 = f3( Δ χ?, Δ χ2), Δφ2:=Γ4(Δχ1,Δχ2), Δα=Γ5(ΔΘ 1 ,Δθ2,Δφ 1 ,Δφ2)τ[<||Δβ=Γ6(ΔΘ 1 ,Δ02,Δφ 1 ,Δφ2)； Π、f 2、f 3、f 4表示4個函數(shù)。
[0049] 在上述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的便攜式 便攜式陣列調(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；
[0050] 包括以下步驟：
[0051] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0052] 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)；
[0053] 步驟c、Gl=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；
[0054] 步驟 d、
[0055] 按照f5(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；
[0056] 或
[0057] 按照f5(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)償空氣擾動和 反射鏡形變；
[0058] 或
[0059]按照f5(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； [0060]步驟e、反饋成像系統(tǒng)成像，如果：
[0061]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)動器和第二驅(qū)動器調(diào)整反射鏡角度，使點(diǎn)像回到 四象限探測器所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f;
[0062] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f;
[0063] 步驟f、四象限探測器成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器像面中心位 置△ X和Δ 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(diǎn)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Δ C1，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Α Θ1和Δφ?，同時讀取第一激光干涉儀得到的位移變化△ 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△ Θ2和Δφ2,進(jìn)而得到 被測物表面的角度變化Δ α和Δ β;其中，Δ θ 1 = Π ( Δ C1，Δ C2)，Δφ丨=Γ2(Δ<：丨,Δ(：2)，\ ()2 = f 3 ( Δ χ?, Δ χ2), Δφ2.=?'4(Δχ 1 ,Δχ2). Δα=Γ5(Δ91，ΔΘ2，Δφ 1，Δφ2)和|Δβ=Γ6(ΔΘ 1，Δθ2，Δφ 1，Δ(ρ2); Π、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: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)直鏡無色差，光源頻段越寬，其測量精度的優(yōu)勢越明顯；第三是通過鍍 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)直鏡熱變形問題的發(fā) 生，這不僅使整個系統(tǒng)能夠匹配大功率光源，而且也有利于保證系統(tǒng)測量精度；
[0069] 第二、選擇多個單像素光電轉(zhuǎn)換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)合了多個單像素光電轉(zhuǎn)換器面積大以及四象限探測器位置分辨率高的優(yōu)勢；其 中，多個單像素光電轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，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(shí)現(xiàn) 反射光快速實(shí)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，將多個單像素光電轉(zhuǎn)換器和四 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)，BP 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(yùn)算，這樣能夠方便標(biāo)定，簡化計(jì)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)明便攜式陣列調(diào)零高動態(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)不意圖。
[0074]圖3是角度調(diào)整測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0075] 圖4是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高動態(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。
[0076] 圖5是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高動態(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。
[0077]圖6是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高動態(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。
[0078]圖7是本發(fā)明便攜式陣列調(diào)零高動態(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。
[0079]圖中：1光源、22反射式準(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、63第一反饋物鏡、66四象限探測器、67單像素光 電轉(zhuǎn)換器、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(shí)施例
[0080]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0081 ] 具體實(shí)施例一
[0082]本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0083]本實(shí)施例的便攜式陣列調(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、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)整測量裝置4;光源1出射的光束，經(jīng)過反射式準(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；
[0084]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焦面的四象限探測器66和多個單像素光電轉(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、由四象限探測器66或單像素光電轉(zhuǎn)換器67采集成像；
[0085] 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。
[0086] 需要說明的是，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焦面的四象限探測器66和多個單像素光電轉(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 四象限探測器66或單像素光電轉(zhuǎn)換器67采集成像;如圖4所示。
[0087]具體實(shí)施例二
[0088]本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0089]本實(shí)施例的便攜式陣列調(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;
[0090] 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；
[0091] 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。
[0092]具體實(shí)施例三
[0093]本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0094]本實(shí)施例的便攜式陣列調(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;
[0095]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；
[0096]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。
[0097]具體實(shí)施例四
[0098]本實(shí)施例是便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例。
[0099]本實(shí)施例的便攜式陣列調(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;
[0100] 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；
[0101] 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。
[0102] 對于以上自準(zhǔn)直裝置實(shí)施例，還有以下兩點(diǎn)需要說明：
[0103] 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(shí)際需要進(jìn)行合理選擇。
[0104] 第二、在以上所有自準(zhǔn)直裝置實(shí)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(jì)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(shí)施例五
[0105] 本實(shí)施例是在具體實(shí)施例一所述便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)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)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0106] 本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0107] 步驟a、點(diǎn)亮光源1，反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：
[0108] 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)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角 度，使點(diǎn)像回到四象限探測器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟b;
[0109] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟b;
[0110] 步驟b、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器66像面中 心位置Λ X和Δ 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(diǎn)像回到四象 限探測器66像面中心位置；
[0111] 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? 7同時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)而得到被測物5表面的角度變化Δ α和Δ β;其中，Δ Θ1 = Π( Δ C1，Δ C2)， Δφ]=?2(Δ0Ι,Δ02) , Δ 02 = f3( Δ χ?, Δ χ2), Δφ2=Γ4(Δχ!,Δχ2) ：, Δα=Γ5(ΔΘ 1 ,Δθ2,Δφ 1 ,Δφ2) 和Δβ=Γ6(ΔΘ丨,ΔΘ2,Δφ丨,Δ(ρ2);η 42汀3、料表示4個函數(shù)。
[0112]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。
[0113]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(shí)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(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。
[0114]具體實(shí)施例六
[0115] 本實(shí)施例是在具體實(shí)施例二所述便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)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)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0116] 本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0117] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0118] 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，空氣擾動波前探測器72分別得到GA和GB兩組數(shù)據(jù)；
[0119] 步驟c、Gl=GA_GB，得到空氣擾動造成的波前變化；
[0120]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(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償 空氣擾動；
[0121 ]步驟e、點(diǎn)亮光源1，反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：
[0122] 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)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角 度，使點(diǎn)像回到四象限探測器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f;
[0123] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f;
[0124] 步驟f、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器66像面中 心位置Λ X和Δ 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(diǎn)像回到四象 限探測器66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△ Θ1和Δφ?，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△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變 化Δ Θ2和Δφ2,進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化△ α和Δ β;其中，Δ Θ1 = f 1 ( △ C1，Δ C2)， Δφ1=Γ2(Δ〔?，Δ〔、2)，\ ()2 = f3( Δ χ?，Δ χ2)，Δφ2=?4.(Δχ.1，Δχ.2)， Δα-fS(Δθ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2) 和 Δβ=Ι、6(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2); η、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。
[0126] 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(shí)現(xiàn)無空氣擾動 影響的高精度測量。
[0127] 具體實(shí)施例七
[0128] 本實(shí)施例是在具體實(shí)施例三所述便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)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)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0129] 本實(shí)施例的便攜式陣列調(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(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器73分別得到GC和GD兩組數(shù)據(jù)；
[0132] 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；
[0133] 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(diǎn)亮補(bǔ)償光源81，補(bǔ)償 空氣擾動和反射鏡形變；
[0134] 步驟e、反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：
[0135] 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)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角 度，使點(diǎn)像回到四象限探測器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f;
[0136] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f;
[0137] 步驟f、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器66像面中 心位置Λ X和Δ 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(diǎn)像回到四象 限探測器66像面中心位置；
[0138] 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ΔΘ2和Δφ2,進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ1=Π( ACl，AC2)， Δ(ρ1=Γ2(Δ01 ,AC2) ? \ 02 = f3( Λ xl, Δ χ2) ?Δφ2=Γ4(Δχ1,Δχ2) ? Δα=Γ5(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δφ 1 ,Δφ2) 和 Δβ=Γ6(ΔΘ 1，ΔΘ2，Δφ I，Δφ2).:;.η、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。
[0139] 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(shí)現(xiàn)無空氣擾動和反射鏡形變影響的高精度測量。
[0140] 具體實(shí)施例八
[0141] 本實(shí)施例是在具體實(shí)施例四所述便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)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)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法實(shí)施例。
[0142] 本實(shí)施例的便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直方法，包括以下步驟：
[0143] 步驟a、選取表面垂直于光軸方向的參考物；
[0144] 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)；
[0145] 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；
[0146] 步驟 d、
[0147] 按照f5(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；
[0148] 或
[0149] 按照f5(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 動和反射鏡形變；
[0150]或
[0151]按照f5(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；
[0152]步驟e、反饋成像系統(tǒng)6成像，如果：
[0153]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)動器411和第二驅(qū)動器412調(diào)整反射鏡3角 度，使點(diǎn)像回到四象限探測器66所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f;
[0154] 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器66所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f;
[0155] 步驟f、四象限探測器66成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器66像面中 心位置Λ X和Δ 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(diǎn)像回到四象 限探測器66像面中心位置；
[0156] 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ΛφΙ，: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△ χ2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡3的角度變 化Δ Θ2和Δφ2，進(jìn)而得到被測物5表面的角度變化△ α和Δ β;其中，Δ θ 1 = f 1 ( △ C1，Δ C2)， Δφ1=Ι2(Δ〇1,ΔΓ2) , \ 02 = f3( Δ xl, Δ χ2), Δφ2=Ι'^1(Δχ 1 ,Δχ2) , Δ(χ=Γ5(ΔΘ 1 ,ΔΘ2,Δ(ρ 1 "Δφ2) 和 Δβ=Γ6(ΔΘ i，ΔΘ2,Δφ 1，Δ(ρ2);η、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。
[0157] 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(shí)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。
[0158] 本實(shí)施例還有一個優(yōu)點(diǎn)，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(jià)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 便攜式陣列調(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)、反射 式準(zhǔn)直鏡(22)、反射鏡(3)、W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，入射到被測物巧）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W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)、W及設(shè)置 在反射式準(zhǔn)直鏡(22)焦面的四象限探測器(66)和多個單像素光電轉(zhuǎn)換器(67)，所述單像素 光電轉(zhuǎn)換器(67)成陣列分布，四象限探測器(66)既位于陣列中屯、、又位于反饋成像系統(tǒng)(6) 光軸上;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、由四象限探測器(66)或單像素光電轉(zhuǎn)換器(67)采集 成像； 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)焦面的四象限探測器(66)和多個單像素光電轉(zhuǎn)換 器(67)，所述單像素光電轉(zhuǎn)換器(67)成陣列分布，四象限探測器(66)既位于陣列中屯、、又位 于反饋成像系統(tǒng)(6)光軸上;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、由四象限探測器(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、W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)、W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)位置的第一激光干設(shè)儀(427)、W及對應(yīng)第二反射 鏡(426)位置的第二激光干設(shè)儀(428);第一驅(qū)動器(411)、第一金屬片(421)、第一反射鏡 (425) 、W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) 、W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所述的便攜式陣列調(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)、W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)、W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所述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的 便攜式便攜式陣列調(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W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)像偏離像面中屯、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(diǎn)像回到四象限探測器(66)所在區(qū)域，進(jìn)入步驟b; 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器(66)所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟b; 步驟b、四象限探測器(66)成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器(66)像面中 屯、位置Δχ和Ay,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(diǎn)像回 到四象限探測器(66)像面中屯、位置； 步驟C、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化AC1，W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Δ Θ1和Δφ 1 ·同時讀取第一激光干設(shè)儀(427)得到 的位移變化A XI，W及第二激光干設(shè)儀(428)得到的位移變化Δ 再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的 角度變化A Θ2和Δφ2，進(jìn)而得到被測物（5)表面的角度變化Δα和Δβ;其中，ΔΘ1 = η(Δ Cl，\ C2)，Αφ1=Ι](Λ(.'?，/\(.、2)，Δ Θ2 = Γ3( Δ xl，Δ χ2)，Δφ2=Ρ4?Δχ!，Δχ2)'Δα=β(Δ9Ι,Δ92，Δφ1.Δφ2! 和Δβ=化(Δθ i，ΔΘ2,Δφ i，Δφ2); fl、f2、f3、f4表示4個函數(shù)。4. 在權(quán)利要求2所述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的 便攜式便攜式陣列調(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W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、按照巧(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； 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)像偏離像面中屯、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(diǎn)像回到四象限探測器(66)所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f; 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器(66)所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f; 步驟f、四象限探測器(66)成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器(66)像面中 屯、位置Δχ和Ay,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(diǎn)像回 到四象限探測器(66)像面中屯、位置； 步驟g、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化AC1，W及第二電容傳感器(424)的電容變 化Δ C2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度變化Δ Θ巧[ΙΔφ 1，同時讀取第一激光干設(shè)儀(427)得到的 位移變化A XI，W及第二激光干設(shè)儀(428)得到的位移變化Δ χ2，再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角 度變化Δ Θ2和Δφ2,進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化Αα和Δβ;其中，Δ Θ1 = η( AC1, Δ〇2)，Δ?|)1=Γ2(Δ〔?.Δ〔、2)，Δ92 = Γ3(Δχ1,Δχ2)，Δ^2=Γ4(Δχ1,Δχ2)，Δα=Γ5?ΔΒ1,Δ62,Δφ1，Δφ2) 和 Δβ=化(Δθ 1、Δ的，Δφ 1、Δφ2); η、f 2、f 3、f 4表示 4個函數(shù)。5. 在權(quán)利要求2所述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的 便攜式便攜式陣列調(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W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、按照巧(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)像偏離像面中屯、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(diǎn)像回到四象限探測器(66)所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f; 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器(66)所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f; 步驟f、四象限探測器(66)成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器(66)像面中 屯、位置Δχ和Ay,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(diǎn)像回 到四象限探測器(66)像面中屯、位置； 步驟g、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化AC1，W及第二電容傳感器(424)的電容變 化Δ C2,再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度變化Δ Θ1和Δφ?，同時讀取第一激光干設(shè)儀(427)得到的 位移變化A XI，W及第二激光干設(shè)儀(428)得到的位移變化Δ 再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度 變化A Θ2和Δφ2，進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化Αα和Δβ;其中，ΔΘ1 = η(Α〇1，Δ C2)，Δφ 1=D('1C 1，AC2)，\ Θ2 = f 3( Δ xl，Δ χ2)，Δφ2=Γ4(Δχ 1，Δχ2)，Δα=Γ5(ΔΘ 1'Mt2，Aq) 1'Δφ2> 和Δβ=化(Δθ 1 ,Δ的，Δ(ρ 1 ,Δφ2): f 1、f 2、f 3、f 4表示 4個函數(shù)。6.在權(quán)利要求2所述便攜式便攜式陣列調(diào)零高動態(tài)精度大工作距自準(zhǔn)直裝置上實(shí)現(xiàn)的 便攜式便攜式陣列調(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W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、Gl = 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、 按照巧(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； 或 按照巧(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 動和反射鏡形變； 或 按照巧(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)像偏離像面中屯、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(diǎn)像回到四象限探測器(66)所在區(qū)域，進(jìn)入步驟f; 第二、得到的點(diǎn)像位于四象限探測器(66)所在區(qū)域，直接進(jìn)入步驟f; 步驟f、四象限探測器(66)成像，得到步驟a結(jié)束后點(diǎn)像偏離四象限探測器(66)像面中 屯、位置Δχ和Ay,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(diǎn)像回 到四象限探測器(66)像面中屯、位置； 步驟g、讀取第一電容傳感器(423)的電容變化AC1，W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ΔΘ1和Δφ?，同時讀取第一激光干設(shè)儀(427)得到的 位移變化A XI，W及第二激光干設(shè)儀(428)得到的位移變化Δ 再轉(zhuǎn)換為反射鏡(3)的角度 變化A Θ2和Δφ2，進(jìn)而得到被測物(5)表面的角度變化A α和Δ β;其中，A Θ1 = η ( A C1，Δ C2)，Δφ 1 =β(Δα，Δ02)，\ 02 = f 3( Δ xl，Δ χ2)，Δφ2=Γ4(Δχ 1，Δχ2)，Δα=?、5(ΔΘ 1，ΔΘ2，Δ巧 1，Δφ2) 和 Δβ=化(Δθ 1，Δθ2，Δφ 1，Δφ2); η、f 2、f 3、f 4表示 4個函數(shù)。
【文檔編號】G01C15/00GK106091990SQ201610638786
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月7日 公開號201610638786.9, CN 106091990 A, CN 106091990A, CN 201610638786, CN-A-106091990, CN106091990 A, CN106091990A, CN201610638786, CN201610638786.9
【發(fā)明人】譚欣然, 王超, 譚久彬
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)