阅读说明：本技术 一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法 (High-precision angle measuring device and method based on Michelson structure ) 是由 赵怀学 周艳 田留德 刘锴 潘亮 曹昆 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法,解决现有测角装置测量精度较低的问题。该测角装置包括激光光源、会聚镜、缩束镜、分光棱镜、第一准直镜、第一平面反射镜、第二准直镜、第二平面反射镜、探测器和计算机；激光光源经会聚镜整形后,通过星点板入射至缩束镜,再经分光棱镜分为两路,一路被分光棱镜反射会聚于第一准直镜焦面；另一路被分光棱镜透射至第一平面反射镜,透射光经第一平面反射镜反射后,再次经分光棱镜反射至第二准直镜,反射光通过第二准直镜后入射至第二平面反射镜,经第二平面反射镜反射后,成像于第一准直镜焦面,第一平面波和第二平面波在探测器靶面干涉,计算机及与探测器连接。(The invention relates to a high-precision angle measuring device and method based on a Michelson structure, and solves the problem that the existing angle measuring device is low in measuring precision. The angle measuring device comprises a laser light source, a converging mirror, a beam shrinking mirror, a beam splitting prism, a first collimating mirror, a first plane reflector, a second collimating mirror, a second plane reflector, a detector and a computer; after being shaped by the converging lens, the laser light source is incident to the beam-shrinking lens through the star point plate and then is divided into two paths through the beam-splitting prism, and one path is reflected by the beam-splitting prism and converged on the focal plane of the first collimating lens; the other path of the transmitted light is transmitted to a first plane reflector by a beam splitter prism, the transmitted light is reflected to a second collimating mirror by the beam splitter prism after being reflected by the first plane reflector, the reflected light is incident to the second plane reflector after passing through the second collimating mirror, and is imaged on a focal plane of the first collimating mirror after being reflected by the second plane reflector, the first plane wave and the second plane wave are interfered on a target surface of a detector, and the computer is connected with the detector.)

一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法

技术领域

本发明涉及高精度测角领域，具体涉及一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法。

背景技术

目前，传统光电自准直仪生产厂家多、型号也比较多。国内比较具有代表性的是天津大学研制的LDA803、中船九江6354所SZY-99Ⅱ型，测角精度均为1″，以上测角装置的原理基本都为自准直成像原理，即利用光学自准直原理，通过对目标像的位置判读，利用光学系统正切原理实现小角度测量，但是，此类装置受像元分辨率、光学系统畸变及自准直成像质量的影响，无法进一步提高或实现角秒以下高精度测试。因此，随着测角精度的要求越来越高，已有自准直仪已不能完全满足技术发展的要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有测角装置测量精度较低的问题，提供一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置，包括激光光源、会聚镜、缩束镜、分光棱镜、第一准直镜、第一平面反射镜、第二准直镜、第二平面反射镜、探测器和计算机；所述激光光源经会聚镜整形后，通过星点板入射至缩束镜，再经分光棱镜分为两路，一路被分光棱镜反射会聚于第一准直镜焦面，通过第一准直镜后转为第一平面波；另一路被分光棱镜透射至第一平面反射镜，透射光经第一平面反射镜反射后，再次经分光棱镜反射至第二准直镜，反射光通过第二准直镜后入射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后，成像于第一准直镜焦面，通过第一准直镜后转为第二平面波，第一平面波和第二平面波在探测器靶面干涉，计算机及与探测器连接，对干涉条纹进行处理得到第二平面反射镜与第二准直镜光轴的夹角。

进一步地，所述探测器为CCD或CMOS。

同时，本发明还提供了一种利用上述基于迈克尔逊结构的高精度测角装置的测角方法，包括以下步骤：

步骤一、探测器采集干涉条纹图像，得到干涉条纹宽度e；

步骤二、计算分光棱镜反射光路激光焦斑与透射光路焦斑的距离d；

d＝λ×f′×e

式中，e-干涉条纹宽度，λ-激光光源波长，f′-第一准直镜焦距；

步骤三、计算第二平面反射镜法线与第二准直镜光轴夹角取θ；

d＝f_col·tan(θ)

式中，f_col为第二准直镜焦距。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于光的干涉原理，通过分析干涉条纹的频谱信息，得到干涉条纹的宽度，再通过光学系统正切定理，解算平面反射镜与准直光学系统光轴的夹角，实现高精度角度测试。

附图说明

图1为本发明基于迈克尔逊结构的高精度测角装置示意图。

附图标记：1-激光光源，2-会聚镜，3-缩束镜，4-分光棱镜，5-第一准直镜，6-探测器，7-第一平面反射镜，8-第二准直镜，9-第二平面反射镜，10-计算机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

为了实现自准直仪高精度测角，本发明提供一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法。本发明装置及方法采用干涉原理，通过分析干涉条纹的频谱信息，得到干涉条纹的宽度，再通过光学系统正切定理，解算平面反射镜与准直光学系统光轴的夹角，实现高精度角度测试。

如图1所示，本发明基于迈克尔逊结构的高精度测角装置主要由激光光源1、会聚镜2、缩束镜3、分光棱镜4、第一准直镜5、第一平面反射镜7、第二准直镜8、第二平面反射镜9、探测器6和计算机10组成。激光光源1经过会聚镜2整形后，通过星点板入射至缩束镜3，经缩束镜3的出射光入射至分光棱镜4，被分光棱镜4分为两路，一路经分光棱镜4反射会聚于第一准直镜5焦面，通过第一准直镜5后转为第一平面波；另一路透过分光棱镜4入射至第一平面反射镜7，经第一平面反射镜7反射后，再次经分光棱镜4反射，反射光通过第二准直镜8入射至第二平面反射镜9，经第二平面反射镜9反射后，成像于第一准直镜5焦面，通过第一准直镜5后转为第二平面波，第一平面波和第二平面波在探测器6靶面干涉，利用计算机10对干涉条纹进行傅里叶变化，得到干涉条纹频谱和干涉条纹宽度，进而计算第二平面反射镜9与第二准直镜8光轴的夹角，实现高精度角度测试。假设第一准直镜5焦距为f′，第二准直镜8焦距为f_col，第二平面反射镜9法线与第二准直镜8光轴夹角取θ，计算分光棱镜4反射光路激光焦斑与透射光路焦斑的距离d：

d＝f_col·tan(θ)

进一步计算干涉条纹宽度，可得：

式中，e—干涉条纹宽度，λ—激光光源1波长；

实际高精度角度测试过程，采用上述公式解算，首先通过探测器6采集干涉条纹图像，对干涉条纹进行频谱分析，得到干涉条纹宽度；再次解算处分光棱镜4反射光路激光焦斑与透射光路焦斑的距离；最后解算处第二平面反射镜9法线与第二准直镜8光轴夹角取θ，完成高精度角度的测量。

基于上述过程，本发明提供了一种利用上述基于迈克尔逊结构的高精度测角装置的测角方法，包括以下步骤：

步骤一、探测器6采集干涉条纹图像，得到干涉条纹宽度e；

步骤二、计算分光棱镜4反射光路激光焦斑与透射光路焦斑的距离d；

d＝λ×f′×e

式中，e-干涉条纹宽度，λ-激光光源1波长，f′-第一准直镜5焦距；

步骤三、计算第二平面反射镜9法线与第二准直镜8光轴夹角取θ；

d＝f_col·tan(θ)

式中，f_col为第二准直镜8焦距。