一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法，本方法包括以下步骤：建立激光追踪测量系统。激光追踪测量系统的光学参数设定。建立入射光束偏离猫眼中心时被标准球反射的测量光束模型。建立入射光偏离猫眼中心时对测量光的光程影响的模型。建立猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量的误差模型。在激光追踪测量系统实际应用过程中，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，被猫眼反射镜反射的光束具有一定的发散角。当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，激光追踪测量系统的测量精度会受到影响。本发明专利技术对激光追踪测量系统的精度提升、可靠性评估具有重要的理论指导意义。

A method for measuring accuracy of laser tracking system when incident light deviates from cat's Eye Center

【技术实现步骤摘要】
一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法
本专利技术涉及一种系统误差模型的建立方法，特别是入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响模型的建立方法，属于精密测量领域。
技术介绍
随着科学技术的发展，激光跟踪测量技术发挥着日益重要的作用，猫眼反射镜作为激光追踪测量系统中的目标靶镜，具有接收角度大、测量精度高、测量中心稳定、对入射光线方向不敏感、可靠性强等优点，猫眼反射镜由两个具有相同折射率和不同半径的高精度半球组成，两个半球的中心重合，使得经过猫眼反射镜的出射光与入射光平行。在实际应用中，当入射光偏离猫眼反射镜中心时，被猫眼反射镜反射的光束具有一定的发散角，影响激光追踪测量系统的测量精度。国内外学者对猫眼对测量精度的影响进行了研究。LinYongbing等人提出了一种新颖的猫眼参数优化方法，使得猫眼的反射光束具有较小的发散角，提高了入射光束和被猫眼反射光束之间的平行度。O.Hofherr等人设计了一种新型猫眼结构，能够补偿球面像差，与同等规格的传统猫眼相比，将被猫眼反射光束的发散角减小了一个数量级。以上研究中，未研究入射光束偏离猫眼中心时对激光追踪系统测量精度的影响。为此有必要专利技术一种入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型的建立方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于建立猫眼反射镜在初始测量位置处入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型，对提高系统的测量精度及性能具有重要意义。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法，本方法基于激光追踪光学系统测量原理，建立入射光束偏离猫眼反射镜中心导致的系统误差对激光追踪测量系统精度影响的模型，包括以下步骤：步骤一：建立激光追踪测量系统。图1为激光追踪测量系统光学原理图，由激光器发出的圆偏振光经过检偏器P1后得到线偏振光，该线偏振光经过进入追踪光路部分和测量光路部分形成参考光束和测量光束，进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分进行干涉。分别经光电探测器接收和光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号。猫眼反射镜在初始测量位置处静止不动，当猫眼反射镜移动时，入射到位置探测器光敏面上的光斑位置发生变化，同时引起激光干涉系统光程差的变化。利用位置探测器测量得到的信号控制电机，进而控制激光追踪光学系统跟随猫眼运动，使得激光追踪光学系统出射的激光束始终入射到猫眼中心，实现追踪测量。激光追踪仪在测量过程中，猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量L与激光追踪测量光学系统中参考光和测量光的相位差的关系可以表示为：其中，n1为空气中的折射率，n1＝1，λ为激光光源的波长，λ＝632.8nm，参考光和测量光的相位差为Δψ。步骤二：激光追踪测量系统的光学参数设定。如图2所示的坐标系，猫眼的中心为坐标原点O，水平方向为x轴。光束的入射方为向z轴，激光束从空气入射到猫眼，入射光偏离猫眼中心的距离为d0，猫眼的入射光为C1A1。A1为入射光与猫眼前半部分透镜表面的交点，入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射，折射光A1A2被猫眼的后半部分反射。A2为折射光束与猫眼后半部分凹面镜表面的交点。d1为折射光A1A2偏离猫眼中心O的垂直距离，d2为反射光A2A3偏离猫眼中心O的垂直距离。入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射，入射角为i1，射角为i2。反射光A2A3经猫眼前半部分透镜表面折射后出射。A3为出射光A3C3与猫眼前半部分透镜表面的交点。入射光经猫眼后半部分的透镜表面后发生反射，入射角为i3，反射角为i4。C1为入射光束与分光镜BS2棱边的交点，反射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射，入射角为i5，折射角为i6，经过猫眼的出射光线A2C3与z轴方向的夹角为θ。分光镜BS2的棱长为lBS。猫眼中心与分光镜BS2的距离为l0。z轴的反向延长线与分光镜BS2的交点为C2。步骤三：建立入射光束偏离猫眼中心时被标准球反射的测量光束模型。猫眼在初始测量位置处入射光束偏离猫眼中心时被标准球反射的测量光束如图3所示。透镜Lens的厚度为t。透镜Lens的两个面的曲率半径分别为R4和R5。透镜Lens的焦距为f。标准球的半径为R3。透镜Lens光学表面与标准球表面之间的距离为f。入射光偏离猫眼中心导致入射到激光追踪测量光学系统的干涉部分的参考光和测量光不重合。测量光束经过猫眼反射后，经过标准球反射后可以表示为：其中,n3代表透镜折射率；R1和R2代表猫眼反射镜两个半球面的曲率半径；t为透镜厚度；din1表示透镜Lens的入射光束相对于z轴的偏移位移。θin1表示入射到透镜Lens的光束与平行z轴直线的夹角。dout3表示透镜Lens的出射光束相对于z轴的偏移位移，θout3表示激光束离开透镜的角度。步骤四：建立入射光偏离猫眼中心时对测量光的光程影响的模型。猫眼在初始测量位置处当入射光偏离猫眼中心时，激光追踪测量光学系统的测量光束光程非理想。当从激光器发射的激光束经过偏振分光镜反射后，入射到猫眼反射镜上，光束中心偏离猫眼反射镜的中心的距离为d0，则产生附加相位则参考光和测量光的相位差表示为：其中，分别为理想条件下的参考光和测量光的相位，为在测量初始位置处，入射光束中心未与猫眼反射镜的中心重合时，产生的附加相位。则入射光偏离猫眼中心时对测量光的光程影响的模型为：其中，lBS为分光镜BS2的直径，nBS为分光镜BS2的折射率；lPBS为偏振分光镜PBS1的直径，nPBS为偏振分光镜PBS1的折射率；l1为分光镜BS2与偏振分光镜PBS1之间的距离；l2为偏振分光镜PBS1与透镜之间的距离。步骤五：建立猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量的误差模型。猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量的误差Δl，表示为：由于则猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量的误差模型为：本专利技术的有益效果为：在激光追踪测量系统实际应用过程中，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，被猫眼反射镜反射的光束具有一定的发散角。因此，当入射光束偏离猫眼反射镜中心时，激光追踪测量系统的测量精度会受到影响。本专利技术提出一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法。根据激光追踪光学系统测量原理，建立激光追踪测量系统猫眼在初始测量位置处入射光偏离猫眼中心时对系统测量精度影响的模型，分析了猫眼在初始测量位置处入射光偏离猫眼中心时对激光追踪测量系统精度的影响规律。实验结果表明，当猫眼位于初始位置时，入射光束中心偏离猫眼的中心的大小对激光追踪测量系统的精度影响很大。当入射光偏离猫眼中心的距离为-50μm时，激光追踪测量系统的位移测量误差为3.587μm。当入射光偏离猫眼中心的距离为50μm时，激光追踪测量系统的位移测量误差为3.593μm。入射光束中心偏离猫眼中心产生的猫眼与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量误差降低了系统的测量精度。本专利技术的提出为有针对性地降低猫眼在初始测量位置处，入射光束中心偏离猫眼中心所产生的测量误差提供了理论基础，对激光追踪测量系统的精度提升、可靠性评估具有重要的理论指导意义。附图说明图1是激光追踪测量系统光学原理图。图中：1激光器、2检偏器、3第一偏振分光镜即P1、4第二四分之一波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法，本方法基于激光追踪光学系统测量原理，建立入射光束偏离猫眼反射镜中心导致的系统误差对激光追踪测量系统精度影响的模型，包括以下步骤：步骤一：建立激光追踪测量系统；由激光器发出的圆偏振光经过检偏器P1后得到线偏振光，该线偏振光经过进入追踪光路部分和测量光路部分形成参考光束和测量光束，进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分进行干涉；分别经光电探测器接收和光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号；猫眼反射镜在初始测量位置处静止不动，当猫眼反射镜移动时，入射到位置探测器光敏面上的光斑位置发生变化，同时引起激光干涉系统光程差的变化；利用位置探测器测量得到的信号控制电机，进而控制激光追踪光学系统跟随猫眼运动，使得激光追踪光学系统出射的激光束始终入射到猫眼中心，实现追踪测量；激光追踪仪在测量过程中，猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量L与激光追踪测量光学系统中参考光和测量光的相位差的关系可以表示为：

【技术特征摘要】
1.一种入射光偏离猫眼中心对激光追踪系统测量精度影响的方法，本方法基于激光追踪光学系统测量原理，建立入射光束偏离猫眼反射镜中心导致的系统误差对激光追踪测量系统精度影响的模型，包括以下步骤：步骤一：建立激光追踪测量系统；由激光器发出的圆偏振光经过检偏器P1后得到线偏振光，该线偏振光经过进入追踪光路部分和测量光路部分形成参考光束和测量光束，进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分进行干涉；分别经光电探测器接收和光电处理后得到四路相位依次相差90°的干涉信号；猫眼反射镜在初始测量位置处静止不动，当猫眼反射镜移动时，入射到位置探测器光敏面上的光斑位置发生变化，同时引起激光干涉系统光程差的变化；利用位置探测器测量得到的信号控制电机，进而控制激光追踪光学系统跟随猫眼运动，使得激光追踪光学系统出射的激光束始终入射到猫眼中心，实现追踪测量；激光追踪仪在测量过程中，猫眼反射镜与激光追踪测量光学系统之间位移相对变化量L与激光追踪测量光学系统中参考光和测量光的相位差的关系可以表示为：其中，n1为空气中的折射率，n1＝1，λ为激光光源的波长，λ＝632.8nm，参考光和测量光的相位差为Δψ；步骤二：激光追踪测量系统的光学参数设定；如图2所示的坐标系，猫眼的中心为坐标原点O，水平方向为x轴；光束的入射方为向z轴，激光束从空气入射到猫眼，入射光偏离猫眼中心的距离为d0，猫眼的入射光为C1A1；A1为入射光与猫眼前半部分透镜表面的交点，入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射，折射光A1A2被猫眼的后半部分反射；A2为折射光束与猫眼后半部分凹面镜表面的交点；d1为折射光A1A2偏离猫眼中心O的垂直距离，d2为反射光A2A3偏离猫眼中心O的垂直距离；入射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射，入射角为i1，射角为i2；反射光A2A3经猫眼前半部分透镜表面折射后出射；A3为出射光A3C3与猫眼前半部分透镜表面的交点；入射光经猫眼后半部分的透镜表面后发生反射，入射角为i3，反射角为i4；C1为入射光束与分光镜BS2棱边的交点，反射光经猫眼前半部分的透镜表面后发生折射，入射角为i5，折射角为i6，经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪芳，汤亮，宋辉旭，石照耀，张爽，孙衍强，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11