基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置
阅读说明：本技术 基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置 (Low-aberration high-precision two-dimensional photoelectric auto-collimation method and device based on wavefront correction ) 是由 于洋 石剑 张玮煊 陈祥发 谭久彬 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于精密测试计量技术领域,提出一种基于波前校正的低像差高精度二维光电自准直方法与装置。本发明在传统自准直仪测量方法中增加光源光束相位补偿环节,该环节利用仪器内参考光路的波前畸变信息通过驱动变形镜补偿光源光束相位,实现对自准直仪光源出射光束角漂移的测量与补偿,减小像差,提高光学系统的成像质量与光斑定位精度,进而提高了自准直仪角度测量精度。同时引入该环节使自准直仪光源出射光束具有极高的光束质量和稳定性,进一步提高自准直仪角度测量的分辨力与稳定性。该方法使传统自准直仪具备纳弧度量级(5×10～(-)～(9)rad,即0.001″)的角度分辨力和亚微弧度量级(10～(-7)rad,即0.02″)的角度测量精度。本发明具有同等条件下,实现高分辨力、高精度、高稳定性兼顾的角度测量的技术优势,同时具备抗环境扰动和补偿扰动引起的误差的能力。(The invention belongs to the technical field of precision test and measurement, and provides a low-aberration high-precision two-dimensional photoelectric auto-collimation method and device based on wavefront correction. The invention adds a light source beam phase compensation link in the traditional autocollimator measurement method, and the link compensates the light source beam phase by driving a deformable mirror by utilizing the wavefront distortion information of a reference light path in the autocollimator, thereby realizing the measurement and compensation of the angular drift of the light beam emitted by the light source of the autocollimator, reducing the aberration, improving the light qualityThe imaging quality and the light spot positioning accuracy of the optical system further improve the angle measurement accuracy of the autocollimator. Meanwhile, the link is introduced, so that the emergent light beam of the light source of the autocollimator has extremely high light beam quality and stability, and the resolution and the stability of the angle measurement of the autocollimator are further improved. The method makes the traditional autocollimator have the magnitude of nano radian (5 multiplied by 10) ‑ 9 Angular resolution of rad, i.e., 0.001 ″) and sub-microradians (10 ″) ‑7 rad, i.e., 0.02 ") angular measurement accuracy. The method has the technical advantages of realizing angle measurement with high resolution, high precision and high stability under the same condition, and has the capabilities of resisting environmental disturbance and compensating errors caused by disturbance.)
技术领域
本发明属于精密测试计量技术领域，具体涉及一种基于波前校正的低像差高 精度二维光电自准直方法与装置。
背景技术
随着超精密加工制造、大型装备制造、大科学工程等领域不断发展，迫切需 求能够在大测量范围下实现高分辨力、高精度、高稳定性、同时对测量现场有一 定抗干扰能力的自准直角度测量技术。该技术对上述领域的发展起重要的支撑作 用。
在超精密加工制造领域，自准直仪与平面镜、多面棱镜等组合可以对零部件 的形状公差和位置公差进行测量，角度分辨力可以达到0.1″至0.001″；在大型装 备制造与安装过程中，自准直仪与合作目标配合，测量距离可以达数米甚至数十 米远；在装配车间利用自准直仪实时远距离测量偏航角与俯仰角，实现装备姿态 的监测。在大科学工程领域，利用自准直仪可以测量大型科学仪器转动的回转精 度、测量直线运动的直线精度，以及仪器之间的相对姿态和位置。此外，上述应 用场景不局限于检测室与实验室环境。受被测目标的限制，需要有能够在制造现 场、装配车间、甚至野外环境下能够进行实时远距离高精度高稳定性测量的自准 直仪器。
光电自准直仪基于光学自准直原理，传统结构如图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，经凸透镜41会聚，由图像传感器3采集光斑信息。利用光 斑的位置信息可以计算得到被测物5的角度信息。
传统结构的自准直仪存在如下问题：
准直物镜为单透镜，焦距一般为500mm左右且难以继续提高，常用的光电 传感器极限位移分辨力在30到50nm之间，依照测量原理自准直仪难以实现纳 弧度量级的角度测量；单透镜光学系统像差较大，光电传感器光斑定位误差较大， 自准直仪难以实现高精度角度测量；自准直仪光源一般为激光光源，由于其发光 机理的原因，出射光束存在平漂和角漂，自准直仪难以实现高稳定性测量；结构 本身不带有任何补偿环节，极易受到外界扰动的影响，如长距离测量条件下空气 扰动会使反射光束带有额外的角度漂移，降低自准直仪的测量精度和稳定性。
综上所述，传统光电自受光学系统和传感器的硬件限制、对测量环境敏感、 受空气扰动影响等多方面因素的影响，极大地限制了自准直仪的技术指标和使用 环境，难以在复杂环境下实现长距离、高分辨力、高精度、高稳定性兼顾的纳弧 度量级角度测量任务。
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