[发明专利]一种基于差动补偿的光电自准直装置及方法

说明书

本发明涉及精密仪器制造和测试计量技术领域，具体公开了一种基于差动补偿的光电自准直装置及方法。该装置包括光源、小孔光阑、第一分光棱镜、准直物镜、差动补偿器、待测平面镜、CCD图像传感器。本装置采用的差动补偿器能克服已有装置和方法中的不足，使得参考光束和测量光束在空间上足够靠近，因此两束光中的漂移是近似相同的，差分后可有效减小示值漂移，具有较高的测量精度和抗干扰能力。

技术领域

本发明涉及精密仪器制造和测试计量技术领域，具体涉及了一种基于差动补偿的光电自准直装置及方法。

背景技术

随着现代工业生产水平的不断提高，对测试计量技术的精度也提出了更高要求。在小角度精密测量方面，自准直仪由于具有较高的精度和分辨力，且结构简单，成本较低，因而得到了广泛应用，例如导轨的直线度测量、台面的平面度测量、转台的不确定度标定、光学系统和机械设备的安装调试等，是机械制造、航空航天、测试计量等科研部门必备的测量仪器。

激光由于单色性好、方向性好、亮度高的优点，常用作自准直仪的光源。但由于激光器谐振腔在工作时的热变形、固定激光器的机械装置的松动、还有光路附近诸如温度、湿度、气流等环境因素都会引起示值漂移，这极大地限制了角度测量精度和稳定性的提高。为此，研究者们提出了单模光纤法、闭环反馈控制法、对称双光束法等方法，但此类方法只能抑制由激光器本身产生的漂移，无法抑制光路中环境因素引起的漂移，因而补偿效果不佳。后来，研究者们又提出一种共光路补偿方法，其基本原理是利用一个特制的靶标反射镜将入射的准直光束分成测量光束和参考光束。测量光束携带有待测角度和漂移量信息，而参考光束只携带有漂移量信息，两束光沿相同的路径传输，因而它们携带的漂移量应相等，通过参考光束的漂移量补偿测量光束的漂移量可以得到待测平面镜准确的偏转角度。现有的靶标反射镜是基于角锥棱镜组合而成的，由于角锥棱镜的逆向反射特性，当偏转角度过大时，参考光束和测量光束在空间上分开一定的距离，并未沿相同的路径传输，参考光束与测量光束的漂移量不一致，且随着测量距离的增大不一致性越严重，所以补偿效果有限，制约了角度测量精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有装置和方法中的不足，提供了一种基于差动补偿的光电自准直装置及方法，实现高精度自准直角度测量。

本发明的技术方案是：一种基于差动补偿的光电自准直装置，包括光源、小孔光阑、第一分光棱镜、准直物镜、差动补偿器、待测平面镜、CCD图像传感器，差动补偿器由第二分光棱镜和参考平面镜组成。

所述光源为半导体激光二极管。

本发明还提供了一种基于差动补偿的光电自准直方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、光源发出的光束经小孔光阑、第一分光棱镜和准直物镜后形成准直光束并出射；

步骤二、所述的准直光束入射至差动补偿器，该差动补偿器的第二分光棱镜将入射的准直光束分为透射光束和反射光束；

步骤三、步骤二获得的透射光束经待测平面镜反射后作为测量光束，所述测量光束携带了待测平面镜的偏转角度信息并沿原光路返回，再次经第二分光棱镜、准直物镜和第一分光棱镜后被CCD图像传感器所接收，形成测量信号；

步骤四、步骤二获得的反射光束经参考平面镜反射后作为参考光束，所述参考光束携带了光束漂移量信息并沿原光路返回，再次经第二分光棱镜、准直物镜和第一分光棱镜后被CCD图像传感器所接收，形成参考信号；

步骤五、将所述待测平面镜旋转，根据自准直原理可计算出待测平面镜的偏转角度：

其中：θ为待测平面镜的偏转角度，Δ为测量光束的光斑在CCD图像传感器上的位移，f为准直物镜的焦距；

步骤六、将所述参考平面镜旋转，直到CCD图像传感器上测量光束的光斑与参考光束的光斑足够靠近且完全分离；