[发明专利]基于偏振光束的自参考准直光路系统及计算被测角度方法

说明书

技术领域

本发明属于精密光电测量技术领域，尤其涉及一种基于偏振光束的自参考准直光路系统及利用该系统计算被测角度的方法。

背景技术

光电自准直仪是一种利用光学自准直原理测量微小角度变化的仪器，可分为自准直光路系统、光电接收系统和信号处理系统三部分。其中，自准直光路系统用于发出和接收准直光，光电接收系统用于实现光电信号的转换，信号处理系统用于完成信号的预处理、目标定位和偏转角的计算。

光学自准直测角的基本原理为：单色点光源发出的光经过准直光学系统后平行于主光轴射出，出射光经被测物体反射后返回光学系统，并在光电接收系统的感光面上成像。若被测物体的反射面垂直于准直光学系统的主光轴，则光按原路返回，此时返回光在光电传感器上所成的像斑中心标定为系统零位；当被测物体的反射面法线方向与光学系统的主光轴有一夹角时，则反射光像斑中心与系统零位存在一定偏移量，根据几何光学的基本原理即可通过这一偏移量计算出被测物体的反射面法线方向与光学系统主光轴之间的夹角。

由于半导体激光器具有单色性好、能量强，易于获得高分辨力、远距离测量的光学系统等优点，因此，高精度自准直系统中单色光源一般采用半导体激光器。然而目前采用半导体激光器作为光源的光学自准直系统的测角精度难以进一步提高，出现了测不准现象。引起这种现象的重要原因就是半导体激光器光束指向具有抖动性，这种指向抖动性是由半导体激光器的发光机理导致。光束指向抖动直接导致准直成像位置抖动，是自准直系统测量精度进一步提高的主要障碍。因此，如何降低这种光束指向抖动性对自准直系统测量精度的影响，是进一步提高基于半导体激光器的自准直系统性能的关键。

另外，自准直系统中受到反射面和距离等因素的影响，光电传感器接收到的光能量变化范围较大，为此提高光电传感器的动态范围是解决这一问题的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振光束的具有自参考功能的自准直光路系统及利用该系统计算被测角度方法，可以有效的抑制半导体激光光束指向抖动对自准直光学系统的影响，提高自准直系统的测角精度。

本发明的技术解决方案是提供一种基于偏振光束的自参考准直光路系统，其特殊之处在于：包括光源9、第一准直光学系统、十字分划板11、偏振分光棱镜12、被测光路系统、参考光路系统及接收光路系统；

上述第一准直光学系统用于将光源9发出的光准直为平行光束后照射十字分划板11；

上述偏振分光棱镜12用于将照射十字分划板11后的光束分成两束偏振态相互垂直的线偏振光，其中一束线偏振光透射过偏振分光棱镜12后变为偏振方向为水平的线偏振光，作为接收光路系统中第二准直光学系统的平行光，另一束线偏振光经偏振分光棱镜12反射后变为垂直的线偏振光；

上述参考光路系统位于偏振方向为水平的线偏振光的出射光路中，上述被测光路系统位于偏振方向为垂直的线偏振光的出射光路中；

上述参考光路系统包括沿光路依次设置的1/4波片4、平面反射镜3及参考反射面2，偏振方向为水平的线偏振光经过1/4波片4、平面反射镜3后经参考反射面2反射沿原路返回至偏振分光棱镜12，之间由于两次经过1/4波片4，所以偏振态改变90度，最终经过偏振分光棱镜12反射进入接收光路系统成像；

上述被测光路系统包括沿光路依次设置的1/4波片4、窗口玻璃7及被测反射面1，偏振方向为垂直的线偏振光经过1/4波片4、窗口玻璃7和被测反射面1，经被测反射面1反射后原路返回偏振分光棱镜12，之间同样由于两次经过1/4波片4，所以偏振态改变90度，最终经过偏振分光棱镜12透射进入接收光路系统成像。

两路光学系统中利用的是同一个分划板，经过两路光学系统之后，最终分划板在光电成像系统中会得到两个图像，利用图像处理和像元细分等算法计算两个图像的位置差别，并利用该差别计算被测角度。

优选地，上述接收光路系统包括沿光路依次设置的第二准直光学透镜5及光电转换器件6，上述光电转换器件6感光面位于第二准直光学透镜5的焦面上，光电转换器件6的感光面垂直于光轴，感光面中心位于光轴上。

优选地，因为本发明中涉及的准直光学系统均是二维系统，所以本发明光电转换器件6采用高灵敏面阵光电传感器，如：EMCCD或者SCMOS，同时，利用高灵敏面阵光电传感器可以提高测量的动态范围，可以在反射光强较弱时，仍然保持较高的测量精度。

优选地，该系统还包括小孔光阑10，上述小孔光阑10位于光源9与第一准直光学系统之间。