基于共光路光束漂移測量與同步補償?shù)募す庾詼手奔夹g.pdf

1、激光自準直技術是精密小角度測量的重要手段,具有測量分辨力高、測量距離遠、非接觸、使用方便等優(yōu)點,在精密裝備制造、光學元器件加工與檢測、大型結構件裝配、航空航天設備的瞄準與標校以及科學研究等領域具有重要應用。激光自準直由于激光發(fā)光機理以及光束傳輸路徑中空氣介質不穩(wěn)定性導致的激光光束方向漂移而普遍存在測量穩(wěn)定性較差的問題。激光光束的方向漂移是制約提高激光自準直小角度測量穩(wěn)定性的主要障礙。
　　本課題“基于共光路光束漂移測量與同步補償?shù)?/p>

2、激光自準直技術”,在對自準直幾何光學模型研究的基礎上,分析激光自準直中激光光束漂移對自準直的影響機理,尋找從根源上減小激光自準直漂移的途徑,并提出激光自準直中共光路光束漂移測量方法,結合高頻響與高靈敏度光束方向偏轉技術對光束漂移進行同步補償,達到提高激光自準直小角度測量穩(wěn)定性的目的。論文主要研究內容為:
　　針對傳統(tǒng)自準直模型參數(shù)過于簡化而無法從理論上對自準直系統(tǒng)的影響因素進行有效分析的問題,建立了基于光線追跡法的自準直幾何光學模

3、型,能夠完整地闡述自準直中各參數(shù)之間的關系。利用該模型對自準直系統(tǒng)中反射鏡二維角度耦合、物面與像面離焦、以及照明光源的角漂移量對自準直小角度測量的影響進行仿真分析,結果表明,當物點位于準直物鏡焦面并且距離光軸±5mm范圍內時,在±2000″范圍內反射鏡二維角度耦合的影響量最大為0.7170″;物面與像面在±2mm范圍內離焦時,在±2000″內影響量最大為4.3540″;在物面與像面離焦以及準直物鏡孔徑面光強分布不均勻的情況下,照明光源的

4、角漂移量在±10″內對自準直小角度測量的影響量可以達到0.0182″。在此基礎上進一步分析激光自準直中分辨力的影響因素,研究采用長焦距準直物鏡和光學放大法提高自準直小角度測量的分辨力。
　　針對激光基準精密小角度測量中激光光束的漂移與被測角度耦合而難以將二者有效分離的問題,提出激光自準直中基于組合靶標以及基于平面鏡參考靶標的共光路光束漂移測量方法,方法中利用組合靶標或平面鏡參考靶標,在自準直過程中產(chǎn)生一束參考光束,參考光束與測量光

5、束來源于同一光源并且共光路傳輸,因而二者具有一致的角漂移量;由于組合靶標或平面鏡參考靶標的固有特性,參考光束對組合靶標或平面鏡參考靶標的角度偏轉不敏感,因此可以利用參考光束精確獲取測量光束的角漂移量,進而對其進行同步補償,提高激光自準直小角度測量的穩(wěn)定性。
　　針對激光光束漂移量閉環(huán)控制中光束方向偏轉裝置的高頻率響應與高角位移靈敏度相兼顧的問題,提出兩種基于柔性鉸鏈結構的光束方向偏轉方法,通過建立其動力學模型,利用拉格朗日方程分析

6、其固有頻率隨結構參數(shù)的變化關系,為優(yōu)化其結構參數(shù)、在高角位移靈敏度的情況下提高固有頻率提供理論依據(jù);并且提出一種基于反射鏡平動的光束方向偏轉方法,通過壓電陶瓷驅動反射鏡平動實現(xiàn)光束的角度偏轉,無機械摩擦與傳動損耗,運動慣量小,因而具有非常高的角位移靈敏度與頻率響應特性。實驗結果表明,基于柔性鉸鏈結構設計的兩種光束方向偏轉方法的角位移分辨力均可以達到0.003″,基于反射鏡平動的光束方向偏轉方法角位移分辨力優(yōu)于0.002″,頻率響應特性可

7、以達到2000Hz以上。
　　最后,對研制的基于共光路光束漂移測量與同步補償?shù)募す庾詼手睂嶒炑b置及其各主要組成單元的性能進行測試,包括光學放大法的有效性測試、光電檢測電路的分辨力測試、參考光束與測量光束角漂移量的一致性測試、光束方向偏轉裝置的性能測試,在此基礎上對所組成的激光自準直系統(tǒng)的有效分辨力和穩(wěn)定性進行測試。實驗結果表明,其有效分辨力達到0.0003″,2小時穩(wěn)定性最高可以達到0.0026″,在高的有效分辨力下實現(xiàn)了高測量穩(wěn)