[发明专利]基于变形镜补偿的高稳定性纳弧度量级角度测量方法与装置

说明书

本发明属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及基于变形镜补偿的高稳定性纳弧度量级角度测量方法与装置；该装置由LED光源、凸透镜、多狭缝光阑、分光镜、转折镜、变形镜、准直物镜组、线阵CCD、四象限位置探测器以及平面反射镜组成；该方法使两路测量光束携带被测物角度变化信息，分别在两个传感器上形成各自图像，利用该两图像位置解算出被测物相对于光轴的俯仰角、偏航角，从而具有对被测物角度变化的探测能力；由于本发明利用准直物镜组极大提高物镜焦距的同时，又采用线阵CCD作为传感器提高了测量量程，因此具有在相同测量量程下，角度极限分辨力达到纳弧度量级的技术优势；利用LED光源、凸透镜以及多狭缝光阑，同时利用四象限位置探测器与变形镜进行漂移量反馈，提高系统稳定性至十纳弧度量级，从而解决光束漂移量限制自准直仪极限分辨力的问题。此外，本发明所设计的系统装置具有结构体积小、测量精度高、测量频响高的技术优势。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及基于变形镜补偿的高稳定性纳弧度量级角度测量方法与装置。

背景技术

在精密测量技术领域、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作范围下进行高分辨力、高精度、高稳定性的自准直角度测量技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。

在精密测量技术与仪器领域，自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.01角秒。

在光学工程领域和尖端科学实验领域，自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路自准直仪组成位置基准，可以进行两两光轴夹角或平行性的测量。角度工作范围从几十角秒至几十角分。

在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。

自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。

传统自准直仪如图1所示，该装置包括激光光源1、第一凸透镜41、第一分光镜2以及图像传感器3；激光光源1出射的光束，经过凸透镜41准直成平行光束后，入射到被测物5的反射面；从被测物5反射面反射的光束，由图像传感器3采集成像。在这种结构下，自准直仪准直透镜的焦距一般为500mm，而常用传感器的极限位移分辨力在30到50nm之间，有效测量面积一般为5×5mm²；同时由于激光光源存在较大的漂移量，测量的不稳定性严重影响测量的极限分辨力。这些条件限制，使得该装置在测量被测物的空间角度信息时，在300角秒的量程范围内难以突破0.003角秒(十纳弧度量级)的分辨力瓶颈。

综上所述，该系统存在以下两个问题：

第一、由于自准直仪的极限角度分辨力与测量量程存在矛盾关系，因此无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力。如果增大自准直仪准直物镜的焦距，自准直仪的极限角度分辨力提高，但是测量量程会成比例缩小；如果通过提高传感器的有效测量面积，其极限位移分辨力下降也会导致自准直仪的极限角度分辨力下降。因此传统技术很难在300角秒的量程范围内达到0.001角秒(纳弧度量级)的高角度分辨力；

第二、传统自准直技术的激光光源存在光束漂移量，其光束的角漂量与平漂量严重影响自准直仪的稳定性，进而限制了自准直仪的极限分辨力。激光光源经凸透镜准直后由于其漂移量的存在，准直精度只能达到10^-7弧度量级(百纳弧度量级)。其光源的不稳定性带来的噪声严重限制了自准直仪极限分辨力的提高。

因此传统自准直技术，在不具备高测量稳定性的同时，无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力。

发明内容