CN112325802B - 基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法与装置。该装置包括：激光发射单元、测量单元、敏感单元和校零光学单元，测量单元包括激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器、分光镜、聚焦透镜、第二偏振分光镜、第一探测器和第二探测器；敏感单元包括第一偏振分光镜、参考反射镜和测量反射镜；校零光学单元由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜和导轨组成。激光器出射的激光经过准直镜和起偏器后，得到两正交偏振光S光与P光，S光与P光经分光镜透射后沿相同轨迹出射。本发明中的S光与P光两路信号在测量单元与敏感单元之间完全共路，采用差分处理减少各种因素造成的光线漂移对测量结果的影响，提高了测量可靠性。

Description

基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法与装置

技术领域

本发明涉及空间几何精度检测技术领域，尤其涉及一种基于共路差分和自校零的二维角度激光测量方法与装置。

背景技术

随着精密制造、加工与装配技术的发展，对二维小角度或其变化的测量精度要求不断提高。激光自准直测量方法由于结构简单、测量精度较高，被广泛应用于二维小角度或角度变化的测量。然而，由于激光在空间传播时受到机械蠕变、空气扰动和激光器自身变化等诸多因素的影响，造成激光光线漂移，给测量带来误差。为了抑制光线漂移给测量带来的上述误差，通常采用共路方法。所谓共路方法是将激光光束分为参考光与测量光，由于两光束在传播过程中共路，在敏感单元端被分开，分别由固定的参考面以及被测面反射，然后在返回测量单元时继续共路，因此，参考光带有光线漂移的信息，测量光则带有光线漂移和被测角度的信息，通过检测参考光的漂移情况可实现对测量光的漂移的补偿。现有技术中的光线漂移补偿的方法有：

(1)申请人在《一种自动测量光线漂移角的激光准直***与准直方法，ZL200410006321.9》公开了共路光线漂移实时测量与数字补偿方法，可以减少激光漂移对激光准直或自准直测量结果的影响，该方法的缺点为：要借助于角锥反射镜或猫眼镜获得激光光线漂移，适应于激光多自由度误差同时测量。

(2)发明专利“偏振光角锥靶标共光路补偿的二维光电自准直方法与装置”(ZL2011 1002 1730.6)与“偏振光平面镜参考共光路补偿的二维光电自准直方法与装置”(ZL2011 1002 1726.X)中，都提出一种实时控制光线漂移方法，控制器根据参考光束反映的漂移量实时控制二维光束偏转装置，抑制耦合在测量光束中的漂移量。该方法的缺点为：在实际使用过程中，采用压电陶瓷对光束偏转进行控制，补偿效果受到压电陶瓷自身迟滞特性、蠕变特性、温度特性以及其驱动电路的影响，且压电陶瓷控制***的响应时间为ms级，有一定滞后性，同时引入硬件部分会增加测量装置的成本和复杂性。

此外，在长时间的测量过程中，除了光线漂移误差外，电路噪声以及测量单元机械结构稳定性也会引入测量误差。该误差并未在现有技术中的光线漂移补偿的方法得到补偿，限制了角度测量精度。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法与装置，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法，包括：

步骤1、激光器出射的一束激光，经过准直镜扩束准直成平行光束，平行光束经过起偏器后，得到两正交偏振光S光与P光，S光与P光经分光镜透射后，沿相同轨迹出射；

步骤2、所述相同轨迹出射的S光与P光入射至第一偏振分光镜后，S光被第一偏振分光镜反射、P光被第一偏振分光镜透射；

步骤3、所述第一偏振分光镜的反射光经参考反射镜反射后，变为S′光，S′光经第一偏振分光镜反射后、沿原光路返回，S′经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，成像在第一探测器敏感面上，根据成像坐标计算出光线的角度漂移量；

步骤4、所述第一偏振分光镜的透射光经测量反射镜反射后、携带测量反射镜的二维角度信息，变为P′光，P′光经第一偏振分光镜透射后、沿原光路返回，P′经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，成像在第二探测器敏感面上，根据成像坐标计算出包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；

步骤5、根据所述光线的角度漂移量和所述包含光线角度漂移量误差的测量反射镜二维角度信息，计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息。

优选地，所述的根据成像坐标计算出光线的角度漂移量，包括：

记成像坐标为(x₁,y₁)，聚焦透镜焦距为f，则光线角度漂移量在x轴与y轴两个方向上的分量分别为α₁＝arctan(x₁/2f)、β₁＝arctan(y₂/2f)。

优选地，所述的根据成像坐标计算出包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息，包括；

记成像坐标为(x₂,y₂)，聚焦透镜焦距为f，则包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息在x轴与y轴两个方向上的分量分别为α₂＝arctan(x₂/2f)、β₂＝arctan(y₂/2f)。

优选地，所述的测量反射镜的二维角度信息在x轴与y轴两个方向上的分量分别由如下两个公式计算得出：

α＝α₂-α₁＝arctan(x₂/2f)-arctan(x₁/2f)

β＝β₂-β₁＝arctan(y₂/2f)-arctan(y₁/2f)

优选地，所述的方法还包括：

步骤6、将由第三偏振分光镜、第三反射镜和第四反射镜组成的校零光学单元移至分光镜与第一偏振分光镜中间，使得沿相同轨迹出射的S光与P光入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹返回分光镜；

步骤7、所述S₀光经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像，根据成像坐标计算出第一探测器信号的漂移量，所述第一探测器信号的漂移量包含第一探测器电路漂移量与S₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第一探测器信号的漂移量由如下公式计算得出：

α_s＝arctan(x_s/2f)、β_s＝arctan(y_s/2f)

步骤8、所述P₀光经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像，根据成像坐标计算出第二探测器信号的漂移量，所述第二探测器信号的漂移量包含第二探测器电路漂移量与P₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第二探测器信号的漂移量由如下公式计算得出：

α_p＝arctan(x_p/2f)、β_p＝arctan(y_p/2f)

步骤9、根据所述光线角度漂移量、所述包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息、所述第一探测器信号的漂移量和所述第二探测器信号的漂移量，计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息分别由如下两个公式计算得出：

α＝(α₂-α_p)-(α₁-α_s)

＝arctan(x₂/2f)-arctan(x_p/2f)-arctan(x₁/2f)+arctan(x_s/2f)

β＝(β₂-β_p)-(β₁-β_s)

＝arctan(y₂/2f)-arctan(y_p/2f)-arctan(y₁/2f)+arctan(y_s/2f)。

优选地，所述的方法还包括：

将校零光学单元增加一个五角棱镜，导轨带动五角棱镜移动；

在所述步骤6中，将由五角棱镜移至分光镜与第一偏振分光镜中间，使得沿相同轨迹出射的S光与P光经过五角棱镜后改变方向、入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹、经过五角棱镜后改变方向、返回分光镜。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法的测量装置，包括：激光发射单元、测量单元和敏感单元；

所述激光发射单元包括激光器；或者，包括激光器与光纤，激光器通过单根光纤与测量单元柔性连接；

所述测量单元包括激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器、分光镜、聚焦透镜、第二偏振分光镜、第一探测器和第二探测器；所述激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器和分光镜沿激光入射端出射的激光方向顺序放置，所述聚焦透镜、第二偏振分光镜沿反射回测量单元的激光被分光镜反射的方向顺序放置，所述聚焦透镜用于将反射回来的参考光S′光与测量光P′光聚焦成像，所述第二偏振分光镜用于将共路的S′光、P′光分束，所述第一探测器设置在聚焦透镜被第二偏振分光镜反射后的等效焦平面处，用于采集S′光并计算光线角度漂移量；所述第二探测器设置在聚焦透镜被第二偏振分光镜透射后的等效焦平面处，用于采集P′光并计算包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；所述隔离器用于隔离由敏感单元反射、分光镜透射的S′光与P′光，防止对激光发射单元产生不良影响；

所述敏感单元包括第一偏振分光镜、参考反射镜和测量反射镜；所述第一偏振分光镜用于将共路的S光、P光分束，所述参考反射镜用于反射S光、形成与P光在测量单元与敏感单元之间的共路光束，由第一探测器测得的S′光光点位置变化为光线角度漂移引入的测量误差，所述测量反射镜用于反射P光，由第二探测器测得的P′光光点位置变化包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度，根据S′光与光P′光点位置变化，计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息。

优选地，所述的装置还包括：

校零光学单元，由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜和导轨组成，校零时，第三偏振分光镜、第三反射镜和第四反射镜同时沿导轨移动至分光镜与第一偏振分光镜中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，S₀光回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像；P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，P₀光回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像；所述测量单元同时采集被校零光学单元反射的S光与P光，经过处理得到由测量单元机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

优选地，所述的装置还包括：

校零光学单元，由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜、导轨和五角棱镜组成，校零时，五角棱镜沿导轨移动至分光镜与第一偏振分光镜中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，该平行光束经过五角棱镜后改变方向、入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，S₀光经过五角棱镜后改变方向、回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像；P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，P₀光经过五角棱镜后改变方向、回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像；所述测量单元同时采集被校零光学单元反射的S₀光与P₀光，经过处理得到由测量单元机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

优选地，将参考反射镜改为镀在第一偏振分光镜表面的参考反射膜。

优选地，根据被测面位置不同调整敏感单元结构，使得参考反射镜单独安装，被测反射镜一面粘贴在被测面上，另一面粘贴在第一偏振分光镜上。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明中的S光与P光两路信号在由测量单元到敏感单元之间完全共路，采用差分处理大大减少各种因素造成的光线漂移对测量角度结果的影响，显著提高了测量稳定性和可靠性；同时采用差分数字信号处理，不仅降低了成本，同时提高了共路差分处理的实时性，实时处理响应时间小于1微秒。。本发明中的校零光学单元可以减小由于长期测量时电路噪声以及测量单元机械结构引入的测量误差，可以实现不同状态下二维小角度或角度变化的测量。由于采用以上实时共路差分和自动校零方法，测量装置的光线角度漂移长时间(24小时)可以控制在0.1秒以下，满足高精度、高稳定测量小角度或角度变化的要求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置测量状态的结构图；

图2为本发明实施例一提供的一种敏感单元光路图；

图3为本发明实施例一提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置校零状态的结构图。

图4为本发明实施例一提供的一种校零光学单元的光路图；

图5为本发明实施例二提供的一种敏感单元光路图；

图6为本发明实施例三提供的一种敏感单元光路图；

图7为本发明实施例四提供的一种校零光学单元光路图；

图8为本发明实施例五提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置测量状态结构图；

图9为本发明实施例五提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置校零状态的结构图；

图10为本发明实施例五提供的一种校零光学单元的光路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法与装置，可以实现精密工件在不同状态下面型角度的测量。

本发明实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法，包含以下步骤：

步骤1、激光器出射的一束激光，经过准直镜扩束准直成平行光束，平行光束经过起偏器后，得到两正交偏振光S光与P光，S光与P光经分光镜透射后，沿相同轨迹出射；

步骤2、步骤(1)获取的沿相同轨迹出射的S光与P光入射至第一偏振分光镜后，S光被第一偏振分光镜反射、P光被第一偏振分光镜透射；

步骤3、步骤(2)获取的第一偏振分光镜的反射光经参考反射镜反射后，变为S′光，S′光经第一偏振分光镜反射后、沿原光路返回，S′经分光镜反射、聚焦透镜聚焦、第二偏振分光镜反射后，成像在第一探测器敏感面上，根据成像坐标可以计算出光线的角度漂移量；

记成像坐标为(x₁,y₁)，聚焦透镜焦距为f，则光线角度漂移量在x轴与y轴两个方向上的分量分别为α₁＝arctan(x₁/2f)、β₁＝arctan(y₂/2f)；

步骤4、步骤(2)获取的第一偏振分光镜的透射光经测量反射镜反射后、携带测量反射镜的二维角度信息，变为P′光，P′光经第一偏振分光镜透射后、沿原光路返回，P′经分光镜反射、聚焦透镜聚焦、第二偏振分光镜透射后，成像在第二探测器敏感面上，根据成像坐标可以计算出包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；

记成像坐标为(x₂,y₂)，聚焦透镜焦距为f，则包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息分别为α₂＝arctan(x₂/2f)、β₂＝arctan(y₂/2f)；

步骤5、根据步骤(3)获取的光线角度漂移量、步骤(4)获取的包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息，可以计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息分别由如下两个公式计算得出：

α＝α₂-α₁＝arctan(x₂/2f)-arctan(x₁/2f)

β＝β₂-β₁＝arctan(y₂/2f)-arctan(y₁/2f)

步骤6、将由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜组成的校零光学单元移至分光镜与第一偏振分光镜中间，使得步骤(1)获取的沿相同轨迹出射的S光与P光入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹返回分光镜；

步骤7、步骤(6)获取的S₀光经分光镜反射、聚焦透镜聚焦、第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像，根据成像坐标可以计算出第一探测器信号的漂移量，所述第一探测器信号的漂移量包含第一探测器电路漂移量与S₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第一探测器信号的漂移量由如下公式计算得出：

α_s＝arctan(x_s/2f)、β_s＝arctan(y_s/2f)

步骤8、步骤(6)获取的P₀光经分光镜反射、聚焦透镜聚焦、第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像，根据成像坐标可以计算出第二探测器信号的漂移量，所述第二探测器信号的漂移量包含第二探测器电路漂移量与P₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第二探测器信号的漂移量由如下公式计算得出：

α_p＝arctan(x_p/2f)、β_p＝arctan(y_p/2f)

步骤9、根据步骤(3)获取的光线角度漂移量、步骤(4)获取的包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息、步骤(7)获取的第一探测器信号的漂移量、步骤(8)获取的第二探测器信号的漂移量，可以计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息分别由如下两个公式计算得出：

α＝(α₂-α_p)-(α₁-α_s)

＝arctan(x₂/2f)-arctan(x_p/2f)-arctan(x₁/2f)+arctan(x_s/2f)

β＝(β₂-β_p)-(β₁-β_s)

＝arctan(y₂/2f)-arctan(y_p/2f)-arctan(y₁/2f)+arctan(y_s/2f)

其中，在不需要进行电路、机械校零时，可以只通过步骤(1)-步骤(5)获取测量反射镜的二维角度信息。

为此，根据本发明的另外一个方面，提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置，包括激光发射单元、测量单元、敏感单元、校零光学单元等，

激光发射单元包括激光器；较优的，激光发射单元还可以由激光器与光纤构成，激光器通过单根光纤与测量单元柔性连接。光纤的应用不仅大大减少激光器自身的平行漂移和角度漂移，同时隔离了激光器自身发热给测量带来的影响，提高了测量装置的热稳定性。

所述测量单元包括激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器、分光镜、聚焦透镜、第二偏振分光镜、第一探测器和第二探测器；所述激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器和分光镜沿激光入射端出射的激光方向顺序放置，所述聚焦透镜、第二偏振分光镜沿反射回测量单元的激光被分光镜反射的方向顺序放置，所述聚焦透镜用于将反射回来的参考光S′光与测量光P′光聚焦成像，所述第二偏振分光镜用于将共路的S′光、P′光分束，所述第一探测器设置在聚焦透镜被第二偏振分光镜反射后的等效焦平面处，用于采集S′光并计算光线角度漂移量；所述第二探测器设置在聚焦透镜被第二偏振分光镜透射后的等效焦平面处，用于采集P′光并计算包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；所述隔离器用于隔离由敏感单元反射、分光镜透射的S′光与P′光，防止对激光发射单元产生不良影响；

所述敏感单元包括第一偏振分光镜、参考反射镜和测量反射镜；所述第一偏振分光镜用于将共路的S光、P光分束，所述参考反射镜用于反射S光、形成与P光在测量单元与敏感单元之间的共路光束，由于参考反射镜位置固定、最终由第一探测器测得的S′光光点位置变化为光线角度漂移引入的测量误差，所述测量反射镜用于反射P光，由于测量反射镜二维角度引起反射光P′光方向发生变化、最终由第二探测器测得的P′光光点位置变化包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度，根据S′光与光P′光点位置变化，可以计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

所述校零光学单元由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜和导轨组成。校零时，第三偏振分光镜、第三反射镜和第四反射镜同时沿导轨移动至分光镜与第一偏振分光镜中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，S₀光回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦、第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像；P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，P₀光回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像；所述测量单元同时采集被校零光学单元反射的S光与P光，经过处理得到由测量单元机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

当参考反射镜与测量反射镜位置互换，S光与P光由于第一偏振分光镜、第二偏振分光镜偏振分光状态改变导致分光后S光与P光光路互换，也在本发明的保护范围中。

实施例一

该实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法的处理过程包含以下步骤：

步骤1、激光器1通过光纤出射的一束激光，经过准直镜4扩束准直成平行光束，平行光束经过起偏器6后，得到两正交偏振光S光与P光，S光与P光经分光镜7透射后，沿相同轨迹出射；

步骤2、步骤(1)获取的沿相同轨迹出射的S光与P光入射至第一偏振分光镜13后，S光被第一偏振分光镜13反射和P光被第一偏振分光镜13透射；

步骤3、步骤(2)获取的第一偏振分光镜13的反射光经参考反射镜14反射后，变为S′光，S′光经第一偏振分光镜13反射后、沿原光路返回，S′经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦和第二偏振分光镜9反射后，成像在第一探测器10敏感面上，根据成像坐标可以计算出光线角度漂移量；

记成像坐标为(x₁,y₁)，聚焦透镜8焦距为f，则光线角度漂移量在x轴与y轴两个方向上的分量分别为α₁＝arctan(x₁/2f)、β₁＝arctan(y₂/2f)；

步骤4、步骤(2)获取的第一偏振分光镜13的透射光经测量反射镜15反射后、携带测量反射镜15二维角度信息，变为P′光，P′光经第一偏振分光镜13透射后、沿原光路返回，P′经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦和第二偏振分光镜9透射后，成像在第二探测器11敏感面上，根据成像坐标可以计算出包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；

记成像坐标为(x₂,y₂)，聚焦透镜8焦距为f，则包含光线角度漂移量误差的测量反射镜二维角度分别为α₂＝arctan(x₂/2f)、β₂＝arctan(y₂/2f)；

步骤5、根据步骤(3)获取的光线角度漂移量、步骤(4)获取的包含光线角度漂移量误差的测量反射镜15二维角度信息，可以计算得到测量反射镜15的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

测量反射镜15的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息分别由如下两个公式计算得出：

α＝α₂-α₁＝arctan(x₂/2f)-arctan(x₁/2f)

β＝β₂-β₁＝arctan(y₂/2f)-arctan(y₁/2f)

步骤6、将由第三偏振分光镜16、第三反射镜17和第四反射镜18组成的校零光学单元移至分光镜7与第一偏振分光镜13中间，使得步骤(1)获取的沿相同轨迹出射的S光与P光入射至第三偏振分光镜16，S光被的第三偏振分光镜16反射、第三反射镜17表面反射和第三偏振分光镜16反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜16透射、第四反射镜18表面反射和第三偏振分光镜16透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹返回分光镜7；

步骤7、步骤(6)获取的S₀光经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦和第二偏振分光镜9反射后，由第一探测器10采集成像，根据成像坐标可以计算出第一探测器10信号漂移量，所述第一探测器10信号漂移量包含第一探测器10电路漂移量与S₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第一探测器10信号漂移量由如下公式计算得出：

α_s＝arctan(x_s/2f)、β_s＝arctan(y_s/2f)

步骤8、步骤(6)获取的P₀光经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦和第二偏振分光镜9透射后，由第二探测器11采集成像，根据成像坐标可以计算出第二探测器11信号漂移量，所述第二探测器11信号漂移量包含第二探测器11电路漂移量与P₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第二探测器11信号漂移量由如下公式计算得出：

α_p＝arctan(x_p/2f)、β_p＝arctan(y_p/2f)

步骤9、根据步骤(3)获取的光线角度漂移量、步骤(4)获取的包含光线角度漂移量误差的测量反射镜15的二维角度信息、步骤(7)获取的第一探测器10信号漂移量和步骤(8)获取的第二探测器11信号漂移量，可以计算得到测量反射镜15的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

测量反射镜15的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息分别由如下两个公式计算得出：

α＝(α₂-α_p)-(α₁-α_s)

＝arctan(x₂/2f)-arctan(x_p/2f)-arctan(x₁/2f)+arctan(x_s/2f)

β＝(β₂-β_p)-(β₁-β_s)

＝arctan(y₂/2f)-arctan(y_p/2f)-arctan(y₁/2f)+arctan(y_s/2f)

该实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置的结构如图1所示，包括激光发射单元I、测量单元II、敏感单元III和校零光学单元IV。

所述激光发射单元I包括激光器1与光纤2，所述激光器1通过单根光纤2与测量单元柔性连接；

所述测量单元II包括激光入射端3、准直镜4、隔离器5、起偏器6、分光镜7、聚焦透镜8、第二偏振分光镜9、第一探测器10和第二探测器11；所述激光入射端3、准直镜4、隔离器5、起偏器6和分光镜7沿激光入射端3出射的激光方向顺序放置，所述聚焦透镜8、第二偏振分光镜9沿反射回测量单元II的激光被分光镜7反射的方向顺序放置，所述聚焦透镜8用于将反射回来的参考光S′光与测量光P′光聚焦成像，所述第二偏振分光镜9用于将共路的S′光、P′光分束，所述第一探测器10设置在聚焦透镜8被第二偏振分光镜9反射后的等效焦平面处，用于采集S′光并计算光线角度漂移量；所述第二探测器11设置在聚焦透镜8被第二偏振分光镜9透射后的等效焦平面处，用于采集P′光并计算包含光线角度漂移量误差的测量反射镜15的二维角度信息；所述隔离器5用于隔离由敏感单元III反射、分光镜7透射的S′光与P′光，防止对激光发射单元I产生不良影响；

图2为该实施例提供的一种敏感单元III的光路图。所述敏感单元III包括第一偏振分光镜13、参考反射镜14和测量反射镜15；所述第一偏振分光镜13用于将共路的S光、P光分束，所述参考反射镜14用于反射S光、形成与P光在测量单元II与敏感单元III之间的共路光束，由于参考反射镜14位置固定、最终由第一探测器10测得的S′光光点位置变化为光线角度漂移引入的测量误差，所述测量反射镜15用于反射P光，由于测量反射镜15二维角度引起反射光P′光方向发生变化、最终由第二探测器11测得的P′光光点位置变化包含光线角度漂移量误差的测量反射镜15二维角度，根据S′光与光P′光点位置变化，可以计算得到测量反射镜15的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

图3为该实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置的校零光学单元的结构图。图4为本发明实施例一提供的一种校零光学单元的光路图。

所述校零光学单元IV由第三偏振分光镜16、第三反射镜17、第四反射镜18和导轨19组成。校零时，第三偏振分光镜16、第三反射镜17和第四反射镜18同时沿导轨19移动至分光镜7与第一偏振分光镜13中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，S光被第三偏振分光镜16反射、第三反射镜17表面反射和第三偏振分光镜16反射后，变为S₀光，S₀光回到测量单元II经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦和第二偏振分光镜9反射后，由第一探测器10采集成像；P光被第三偏振分光镜16透射、第四反射镜17表面反射和第三偏振分光镜16透射后，变为P₀光，P₀光回到测量单元II经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦和第二偏振分光镜9透射后，由第二探测器11采集成像；所述测量单元II同时采集被校零光学单元IV反射的S₀光与P₀光，经过处理得到由测量单元II机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

实施例二

本实施例测量方法与实施例一相同。

图5为本发明实施例二提供的一种敏感单元光路图。该实施例将实施例一中的参考反射镜14改为镀在第一偏振分光镜13表面的参考反射膜14’，其他部分与实施例以相同。

实施例三

本实施例的测量方法与实施例一相同。

图6为本发明实施例三提供的一种敏感单元的光路图。本实施例与实施例一相比，仅根据被测面位置不同调整了敏感单元结构，使得参考反射镜14单独安装，被测反射镜15一面粘贴在被测面上，另一面粘贴在第一偏振分光镜13上。其他部分与实施例一相同。

实施例四

图7为本发明实施例四提供的一种敏感单元光路图；将实施例一的校零光学单元两个反射镜17、18改为镀在第二分光镜16表面的反射膜17’、18’。

实施例五

图8为本实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置测量状态的结构图，图9为本实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量装置校零状态的结构图，图10为本实施例提供的一种校零光学单元的光路图。

本实施例将实施例一的校零光学单元增加一个五角棱镜，导轨带动五角棱镜移动，第三偏振分光镜与两个反射镜固定不动。

本实施例提供的一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法包含以下步骤：

(1)与实施例一步骤(1)相同；

(2)与实施例一步骤(2)相同；

(3)与实施例一步骤(3)相同；

(4)与实施例一步骤(4)相同；

(5)与实施例一步骤(5)相同；

(6)如图9所示，将由五角棱镜20移至分光镜7与第一偏振分光镜13中间，使得步骤(1)获取的沿相同轨迹出射的S光与P光经过五角棱镜20后改变方向、入射至第三偏振分光镜16，S光被第三偏振分光镜16反射、第三反射镜17表面反射和第三偏振分光镜16反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜16透射、第四反射镜18表面反射和第三偏振分光镜16透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹、经过五角棱镜20后改变方向、返回分光镜7；

(7)与实施例一步骤(7)相同；

(8)与实施例一步骤(8)相同；

(9)与实施例一步骤(9)相同。

该实施例还提供了一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法的测量装置，该装置与实施例一的区别在于校零光学单元IV结构不同。

所述校零光学单元IV由第三偏振分光镜16、第三反射镜17、第四反射镜18、导轨19和五角棱镜20组成。校零时，五角棱镜20沿导轨19移动至分光镜7与第一偏振分光镜13中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，该平行光束经过五角棱镜20后改变方向、入射至第三偏振分光镜16，S光被第三偏振分光镜16反射、第三反射镜17表面反射和第三偏振分光镜16反射后，变为S₀光，S₀光经过五角棱镜20后改变方向、回到测量单元II经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦、第二偏振分光镜9反射后，由第一探测器10采集成像；P光被第三偏振分光镜16透射、第四反射镜17表面反射和第三偏振分光镜16透射后，变为P₀光，P₀光经过五角棱镜20后改变方向、回到测量单元II经分光镜7反射、聚焦透镜8聚焦、第二偏振分光镜9透射后，由第二探测器11采集成像；所述测量单元II同时采集被校零光学单元IV反射的S₀光与P₀光，经过处理得到由测量单元II机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

综上所述，本发明中的S光与P光两路信号在由测量单元到敏感单元之间完全共路，采用差分处理大大减少各种因素造成的光线漂移对测量角度结果的影响，显著提高了测量稳定性和可靠性；同时采用差分数字信号处理，不仅降低了成本，同时提高了共路差分处理的实时性，实时处理响应时间小于1微秒。

本发明中的校零光学单元可以减小由于长期测量时电路噪声以及测量单元机械结构引入的测量误差。

由于采用以上实时共路差分和自动校零方法，测量装置的光线角度漂移长时间(24小时)可以控制在0.1秒以下，满足高精度、高稳定测量小角度或角度变化要求。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法，其特征在于，包括：

步骤1、激光器出射的一束激光，经过准直镜扩束准直成平行光束，平行光束经过起偏器后，得到两正交偏振光S光与P光，S光与P光经分光镜透射后，沿相同轨迹出射；

步骤2、所述相同轨迹出射的S光与P光入射至第一偏振分光镜后，S光被第一偏振分光镜反射、P光被第一偏振分光镜透射；

步骤3、所述第一偏振分光镜的反射光经参考反射镜反射后，变为S′光，S′光经第一偏振分光镜反射后、沿原光路返回，S′经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，成像在第一探测器敏感面上，根据成像坐标计算出光线的角度漂移量；

步骤4、所述第一偏振分光镜的透射光经测量反射镜反射后、携带测量反射镜的二维角度信息，变为P′光，P′光经第一偏振分光镜透射后、沿原光路返回，P′经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，成像在第二探测器敏感面上，根据成像坐标计算出包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；

步骤5、根据所述光线的角度漂移量和所述包含光线角度漂移量误差的测量反射镜二维角度信息，计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

步骤6、将由第三偏振分光镜、第三反射镜和第四反射镜组成的校零光学单元移至分光镜与第一偏振分光镜中间，使得沿相同轨迹出射的S光与P光入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹返回分光镜；

步骤7、所述S₀光经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像，根据成像坐标(x_s,y_s)与聚焦透镜焦距f计算出第一探测器信号的漂移量，所述第一探测器信号的漂移量包含第一探测器电路漂移量与S₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第一探测器信号的漂移量由如下公式计算得出：

α_s＝arctan(x_s/2f)、β_s＝arctan(y_s/2f)

步骤8、所述P₀光经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像，根据成像坐标(x_p,y_p)与聚焦透镜焦距f计算出第二探测器信号的漂移量，所述第二探测器信号的漂移量包含第二探测器电路漂移量与P₀光经过的光学器件的机械结构稳定性引入的误差；

第二探测器信号的漂移量由如下公式计算得出：

α_p＝arctan(x_p/2f)、β_p＝arctan(y_p/2f)

步骤9、根据所述光线角度漂移量、所述包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息、所述第一探测器信号的漂移量和所述第二探测器信号的漂移量，计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息分别由如下两个公式计算得出：

α＝(α₂-α_p)-(α₁-α_s)

＝arctan(x₂/2f)-arctan(x_p/2f)-arctan(x₁/2f)+arctan(x_s/2f)

β＝(β₂-β_p)-(β₁-β_s)

＝arctan(y₂/2f)-arctan(y_p/2f)-arctan(y₁/2f)+arctan(y_s/2f)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据成像坐标计算出光线的角度漂移量，包括：

记成像坐标为(x₁,y₁)，聚焦透镜焦距为f，则光线角度漂移量在x轴与y轴两个方向上的分量分别为α₁＝arctan(x₁/2f)、β₁＝arctan(y₂/2f)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据成像坐标计算出包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息，包括；

记成像坐标为(x₂,y₂)，聚焦透镜焦距为f，则包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息在x轴与y轴两个方向上的分量分别为α₂＝arctan(x₂/2f)、β₂＝arctan(y₂/2f)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的测量反射镜的二维角度信息在x轴与y轴两个方向上的分量分别由如下两个公式计算得出：

α＝α₂-α₁＝arctan(x₂/2f)-arctan(x₁/2f)

β＝β₂-β₁＝arctan(y₂/2f)-arctan(y₁/2f)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

将校零光学单元增加一个五角棱镜，导轨带动五角棱镜移动；

在所述步骤6中，将由五角棱镜移至分光镜与第一偏振分光镜中间，使得沿相同轨迹出射的S光与P光经过五角棱镜后改变方向、入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，S₀光与P₀光沿相同轨迹、经过五角棱镜后改变方向、返回分光镜。

6.一种基于共路差分和自校零的二维小角度激光测量方法的测量装置，其特征在于，包括：激光发射单元、测量单元、敏感单元和校零光学单元；

所述激光发射单元包括激光器；或者，包括激光器与光纤，激光器通过单根光纤与测量单元柔性连接；

所述测量单元包括激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器、分光镜、聚焦透镜、第二偏振分光镜、第一探测器和第二探测器；所述激光入射端、准直镜、隔离器、起偏器和分光镜沿激光入射端出射的激光方向顺序放置，所述聚焦透镜、第二偏振分光镜沿反射回测量单元的激光被分光镜反射的方向顺序放置，所述聚焦透镜用于将反射回来的参考光S′光与测量光P′光聚焦成像，所述第二偏振分光镜用于将共路的S′光、P′光分束，所述第一探测器设置在聚焦透镜被第二偏振分光镜反射后的等效焦平面处，用于采集S′光并计算光线角度漂移量；所述第二探测器设置在聚焦透镜被第二偏振分光镜透射后的等效焦平面处，用于采集P′光并计算包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度信息；所述隔离器用于隔离由敏感单元反射、分光镜透射的S′光与P′光，防止对激光发射单元产生不良影响；

所述敏感单元包括第一偏振分光镜、参考反射镜和测量反射镜；所述第一偏振分光镜用于将共路的S光、P光分束，所述参考反射镜用于反射S光、形成与P光在测量单元与敏感单元之间的共路光束，由第一探测器测得的S′光光点位置变化为光线角度漂移引入的测量误差，所述测量反射镜用于反射P光，由第二探测器测得的P′光光点位置变化包含光线角度漂移量误差的测量反射镜的二维角度，根据S′光与光P′光点位置变化，计算得到测量反射镜的不含光线角度漂移量误差的二维角度信息；

校零光学单元，由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜和导轨组成，校零时，第三偏振分光镜、第三反射镜和第四反射镜同时沿导轨移动至分光镜与第一偏振分光镜中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，S₀光回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像；P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，P₀光回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像；所述测量单元同时采集被校零光学单元反射的S光与P光，经过处理得到由测量单元机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的校零光学单元，由第三偏振分光镜、第三反射镜、第四反射镜、导轨和五角棱镜组成，校零时，五角棱镜沿导轨移动至分光镜与第一偏振分光镜中间，由测量单元出射包含两正交偏振光S光与P光的平行光束，该平行光束经过五角棱镜后改变方向、入射至第三偏振分光镜，S光被第三偏振分光镜反射、第三反射镜表面反射和第三偏振分光镜反射后，变为S₀光，S₀光经过五角棱镜后改变方向、回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜反射后，由第一探测器采集成像；P光被第三偏振分光镜透射、第四反射镜表面反射和第三偏振分光镜透射后，变为P₀光，P₀光经过五角棱镜后改变方向、回到测量单元经分光镜反射、聚焦透镜聚焦和第二偏振分光镜透射后，由第二探测器采集成像；所述测量单元同时采集被校零光学单元反射的S₀光与P₀光，经过处理得到由测量单元机械结构与电路噪声本身引起的测量误差。

8.根据权利要求6或者7所述的装置，其特征在于，将参考反射镜改为镀在第一偏振分光镜表面的参考反射膜。

9.根据权利要求6或者7所述的装置，其特征在于，根据被测面位置不同调整敏感单元结构，使得参考反射镜单独安装，被测反射镜一面粘贴在被测面上，另一面粘贴在第一偏振分光镜上。

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