CN102607472B

CN102607472B - 一种大范围平面度的测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN102607472B
Application number: CN201210056004.2A
Authority: CN
Inventors: 肖茂森; 吴易明; 李春艳; 刘爱敏; 陆卫国
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN102607472A

Abstract

本发明提供一种大范围平面度的测量装置及其测量方法，从而方便、快速地对大范围平面度进行有效测量。该大范围平面度的测量装置包括高精度自准直仪、斜方棱镜组以及可转动连接装置。测量时，斜方棱镜的测量头部瞄准待测平面，通过高精度自准直仪测量待测平面的平面度，其中高精度自准直仪所发出的平行光路，经过两个斜方棱镜，在每个斜方棱镜的两次反射作用后，其出射光矢量和原入射光矢量相同，即每个斜方棱镜经过两次反射所折转的光路不影响出射光矢量，待测平面反射后的光路又经过斜方棱镜至高精度自准直仪，便可以实现对被测平面的平面度测量。

Description

一种大范围平面度的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种大范围平面度的测量装置及其测量方法。

背景技术

平面度测量主要用于对平板型待测元件如平行光管标定反射平面、高精度平面镜和棱镜等标定仪器及精密器件的表面平面度的检测与校准。水平仪是一种常用的平面度测量仪器，其体积小，携带方便，测量操作相对简单，因此水平仪测量法是一种比较常用的平面度测量方法，但水平仪只能目视读数，精度较低，且和被测面是接触测量，这对高精度要求的平面具有一定的破坏性而不适合使用。后来采用的非接触式测量，如激光测量仪，提高了测量精度，但设备昂贵，操作复杂，对操作人员要求较高，测量大尺寸平面耗时较长，只适用于小、中平面的平面度测量。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种大范围平面度的测量装置及其测量方法，从而方便、快速地对大范围平面度进行有效测量。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案如下：

一种大范围平面度的测量装置，包括通过转动联接装置依次联接的自准直仪、第一斜方棱镜、第二斜方棱镜；在第一斜方棱镜、第二斜方棱镜中，两个平行的端面均作为透射面、两个平行的斜面均作为内反射面，透射面与内反射面夹角均为45°；

高精度自准直仪的出射光轴与四个端面垂直，自准直仪发出的准直光束垂直透射第一斜方棱镜的外侧端面，依次经第一斜方棱镜的两个斜面、第二斜方棱镜的两个斜面进行四次反射，出射至与第二斜方棱镜的外侧端面平行相对的待测平面；

自准直仪与第一斜方棱镜之间的转动联接装置的中心轴与自准直仪的出射光轴同轴，第一斜方棱镜能够绕自准直仪的出射光轴在360°范围内转动；第一斜方棱镜与第二斜方棱镜之间的转动联接装置的中心轴与第一斜方棱镜的出射光轴同轴，第二斜方棱镜能够绕第一斜方棱镜的出射光轴在360°范围内转动。

基于上述大范围平面度的测量装置的测量原理，其中的两个斜方棱镜也能够由具有与其光学原理相同的其他光学组件替代应用，这种替代应用应当视为专利法意义上的等同。

一种应用上述测量装置进行大范围平面度的测量方法，包括以下步骤：

(1)固定转动联接装置的位置，使第二斜方棱镜的外侧端面与待测平面平行相对；

(2)自准直仪发出准直光束，垂直透射进入第一斜方棱镜，依次经第一斜方棱镜的两个斜面、第二斜方棱镜的两个斜面进行四次反射后，准直光束出射至待测平面；

(3)准直光束经待测平面反射后逆向透射进入第二斜方棱镜，依次经第二斜方棱镜的两个斜面、第一斜方棱镜的两个斜面进行四次反射后，准直光束出射返回至自准直仪；

(4)读得自准直仪的读数为2α，则该次测量对应的测量区域的方位角为α；

(5)通过转动联接装置分别转动第一斜方棱镜、第二斜方棱镜，参照步骤(2)至(4)，可测得待测平面上任意测量区域的方位角，计算出待测平面的平面度。

本发明的测量装置还具有调节多个面相互平行的功能，比如，一种应用上述测量装置将不在一个平面上的多个平面调至平行的方法，包括以下步骤：

(1)设多个平面中的某个平面为基准平面，则使第二斜方棱镜的外侧端面与基准平面平行相对，参照权利要求2中所述步骤(1)至步骤(4)，测得该基准平面的方位角；

(2)通过转动联接装置分别转动第一斜方棱镜、第二斜方棱镜，参照权利要求2中所述步骤(2)至(4)，可测得另外一个平面的方位角；调整另一个平面的位置，将其方位角调至与基准平面的方位角相等，即实现这两个平面的平行；

(3)重复以上步骤(2)的操作，依次调整完成所有的多个平面平行。

本发明具有以下优点：

应用本发明的大范围平面度的测量装置，通过调整转动斜方棱镜的机械联接装置，使自准直仪发出的光线能够覆盖被测表面，通过直接观测自准直仪即可得出待测元件的平面变形量。

该大范围平面度的测量装置结构简明，操作方便，成本较低，与高精度自准直仪配合使用，能够方便、快速地得到大范围平面的平面度测量结果，且能够达到较高的测量精度，克服了不确定的人为因素。

附图说明

图1是本发明的高精度自准直仪的检测原理图。

图2为本发明测量方法示意图。

图3为本发明结构图。

图4为斜方棱镜组机械联接装置。

附图标号说明：

1-高精度自准直仪，2-第一斜方棱镜，3-第二斜方棱镜，4-被测平面，5-旋转轴1，6-旋转轴2，7-光轴，8-高精度自准直仪与第一斜方棱镜转动联接装置，9-第一斜方棱镜与第二斜方棱镜转动联接装置。

具体实施方式

本发明根据自准直仪检测原理进行测量，大范围平面度测量装置包括高精度自准直仪、斜方棱镜组以及可转动连接装置。测量时，斜方棱镜的测量头部瞄准待测平面，通过高精度自准直仪测量待测平面的平面度，其中高精度自准直仪所发出的平行光路，经过两个斜方棱镜，在每个斜方棱镜的两次反射作用后，其出射光矢量和原入射光矢量相同，即每个斜方棱镜经过两次反射所折转的光路不影响出射光矢量，待测平面反射后的光路又经过斜方棱镜至高精度自准直仪，便可以实现对被测平面的平面度测量。两个斜方棱镜通过机械连接装置相互连接，且第一块斜方棱镜可沿自准直仪出射光轴在360°范围内转动，第二块斜方棱镜可沿第一块斜方棱镜的出射光轴在360°范围内转动，这样两块斜方棱镜通过机械联动装置使高精度自准直仪发出的光线覆盖一定几何尺寸的圆形区域。根据被测平面度的跨度要求设计斜方棱镜及其机械联动装置的尺寸，使得光线覆盖的圆形区域覆盖被测平面，即可实现大范围平面度测量。

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明：

如图1所示，高精度自准直仪主焦点处光源O发出的光线经过物镜折射后形成一束平行光。当反射镜面垂直于系统光轴时，平行光经镜面反射后将沿原路线返回，在同一位置O处形成一个影像，如图1(a)。

当反射镜面被倾斜角度α时，反射光将偏转2α。进入物镜后会成像于O′处，如图1(b)。出射光轴与回射光轴夹角亦是2α，F为焦距。

OO′＝F tg 2α

这样就可通过自准直仪得出被测平面的倾斜角度α.

如图2所示，使用高精度自准直仪1，通过斜方棱镜组2、3校正XOY平面内的大范围平面度。两块斜方棱镜通过机械联动装置使高精度自准直仪1发出的光线覆盖一定几何尺寸的区域。根据被测平面度的跨度要求设计斜方棱镜及其机械传动装置的尺寸，使得光线覆盖的圆形区域覆盖被测平面4。第一斜方棱镜2绕自准直仪出射光轴即旋转轴5旋转，第二斜方棱镜3绕第一斜方棱镜2的出射光轴即旋转轴6旋转，由于两块斜方棱镜分别绕自己的旋转轴5、6旋转任意角度时不会影响出射光矢量，这样便可以通过两个相互连接的斜方棱镜之间的转动实现在XOY面的大范围平面的自准直测量，测量大平面的平面度。

如图3、图4所示，高精度自准直仪1与第一斜方棱镜2通过转动联接装置8联接，这样第一斜方棱镜便可通过转动联接装置8绕自准直仪光轴即旋转轴5转动；第一斜方棱镜2与第二斜方棱镜3通过转动联接装置9联接，使第二斜方棱镜3可通过转动联接装置9绕第一斜方棱镜2光轴即旋转轴6转动；通过两个相互连接的斜方棱镜的转动便可实现大范围平面的平面度的测量。

具体实现过程如下：

(5)通过转动联接装置分别转动第一斜方棱镜、第二斜方棱镜，能够使第二斜方棱镜的测量头部覆盖整个待测平面的任意区域，参照步骤(2)至(4)，多次进行测量，测得各个测量区域的方位角，最终计算出待测平面的平面度。

Claims

1.一种大范围平面度的测量装置，包括通过转动联接装置依次联接的自准直仪、第一斜方棱镜、第二斜方棱镜；在第一斜方棱镜、第二斜方棱镜中，两个平行的端面均作为透射面、两个平行的斜面均作为内反射面，透射面与内反射面夹角均为45°；

自准直仪的出射光轴与四个端面垂直，准直仪发出的准直光束垂直透射第一斜方棱镜的外侧端面，依次经第一斜方棱镜的两个斜面、第二斜方棱镜的两个斜面进行四次反射，出射至与第二斜方棱镜的外侧端面平行相对的待测平面；

2.一种应用如权利要求1所述测量装置进行大范围平面度的测量方法，包括以下步骤：

（1）固定转动联接装置的位置，使第二斜方棱镜的外侧端面与待测平面平行相对；

（2）自准直仪发出准直光束，垂直透射进入第一斜方棱镜，依次经第一斜方棱镜的两个斜面、第二斜方棱镜的两个斜面进行四次反射后，准直光束出射至待测平面；

（3）准直光束经待测平面反射后逆向透射进入第二斜方棱镜，依次经第二斜方棱镜的两个斜面、第一斜方棱镜的两个斜面进行四次反射后，准直光束出射返回至自准直仪；

（4）读得自准直仪的读数为2α，则该次测量对应的测量区域的方位角为α；

（5）通过转动联接装置分别转动第一斜方棱镜、第二斜方棱镜，参照步骤（2）至（4），测得待测平面上任意测量区域的方位角，计算出待测平面的平面度。

3.一种应用如权利要求1所述测量装置将不在一个平面上的多个平面调至平行的方法，包括以下步骤：

步骤一：设多个平面中的某个平面为基准平面，则使第二斜方棱镜的外侧端面与基准平面平行相对，参照权利要求2中所述步骤（1）至步骤（4），测得该基准平面的方位角；

步骤二：通过转动联接装置分别转动第一斜方棱镜、第二斜方棱镜，参照权利要求2中所述步骤（2）至（4），测得另外一个平面的方位角；调整另一个平面的位置，将其方位角调至与基准平面的方位角相等，即实现这两个平面的平行；

步骤三：重复以上步骤二的操作，依次调整完成所有的多个平面平行。