CN107806840A - 一种大口径细光束自准直仪 - Google Patents

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赵玉平
彭川黔
王劼
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes

Abstract

本发明提供了一种大口径细光束自准直仪，一种大口径细光束自准直仪，包括探测器，沿一水平光轴排布有：单模光纤光源；准直系统，具有光源透镜和物镜，构成位于光源前端的共焦的倒置望远镜结构；分束镜，位于光源透镜和物镜之间，用以将经待测反射镜的表面反射并透过所述物镜返回的光部分反射至所述探测器。本发明的光源透镜与物镜采用构成倒置望远镜的结构，使得被准直后的光束满足细光束测量的光束发散度要求，使得自准直仪能够在大口径细光束工作模式下测量，细光束直径为1～2mm，降低了反射镜的要求，提高了测量范围和精度；此外，本发明采用单模光纤光源，强化了系统的热稳定性。

Description

一种大口径细光束自准直仪
技术领域
本发明属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及一种自准直测量仪器。
背景技术
角度测量是计量科学的重要组成部分,微小角度的测量在精密加工、航空航天、军事、通讯以及科学研究等许多领域都具有极其重要的意义和作用。自准直仪是小角度测量中非常重要的测量仪器，由于它具有非接触、精度高、测量范围广以及使用方便等优点,因而得到广泛的应用。
由于X射线的特性，同步辐射光源、自由电子激光和X射线天文望远镜等均会采用大尺寸反射镜对X射线反射或聚焦，这些大尺寸反射镜要求具有纳米级的表面高度差和几十纳弧度量级的表面斜率差。这类超光滑反射镜面的加工和使用，不可或缺的是非接触的光学检测技术。长程面形仪(LTP)和纳弧度测量仪(NOM)是目前X射线反射镜检测的主要仪器，可以实现逐点扫描检测表面的斜率。NOM是近几年发展起来的表面斜率检测设备，它使用商业化的高精度自准直仪，极大地提高了测量精度。目前国际上NOM可测量长度为1.2m的反射镜表面的斜率，经过复杂的校正，其测量精度在一个极小的角度范围内可以达到50nrad。
为了提高测量精度，通常商业化的自准直仪的口径要20～30mm，测量用的准直光束也是满口径的，利用测量光束相对光轴的中心对称性，可以降低像差的影响。商业化宽光束自准直仪的具体结构如图1所示，其包括光源1’、聚光镜2’、分划板3’、分束镜4’、探测器5’、准直镜6’以及待测反射镜7’，光源1’发出的光线经过聚光镜2’照亮分划板3’，分划板3’作为2次光源经分束镜4’反射，透过准直镜6’入射到待测反射镜7’上。该准直镜6’和所述探测器5’组成f-θ角度检测系统，经待测反射镜7’反射的不同方向的测量光束经过准直镜6’后汇聚到探测器5’上的不同位置形成测量光斑，该测量光斑在探测器5’上偏移的距离d对应于待测反射镜7’的转角θ，从而实现了待测镜面的检测，显然光源1’发出的光束是满口径(大约为20～30mm)通过准直镜6’，经反射镜7’反射后的光束为宽光束。根据理论分析和数值模拟，该商业化设备在细光束工作模式下，一是细光束的准直度变差，二是细光束不再满足对光轴的空间对称性，使得自准直仪光学系统的像差与入射光入射到光学系统的空间位置有关，导致测量的系统误差与入射光的空间位置有关，使得设备几乎无法校正。因此，商业化宽光束自准直仪不适用于细光束工作模式。但是NOM要求1～2mm左右的测量光束，故通常采用小孔光阑选出一束细光束用于测量，即需要工作在大口径、细光束模式下，因此该商业化设备无法用于NOM；而且由于商业化宽光束自准直仪必须使用与测量光束相匹配的平面反射镜，为不影响测量设备自身的测量不确定度，需要反射镜的平面度非常高，这增加了加工的难度和使用成本。此外，商业化宽光束自准直仪使用的光源安装于自准直系统之内，在高精度测量时需要很长的热稳定时间。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种大口径细光束自准直仪，以使得自准直仪能够在大口径细光束工作模式下测量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种大口径细光束自准直仪，一种大口径细光束自准直仪，包括探测器，沿一水平光轴排布有：单模光纤光源；准直系统，具有光源透镜和物镜，构成位于光源前端的共焦的倒置望远镜结构；分束镜，位于光源透镜和物镜之间，用以将经待测反射镜的表面反射并透过所述物镜返回的光部分反射至所述探测器。
所述单模光纤光源包括光源和耦合光纤。
所述单模光纤光源为非相干光源。
所述单模光纤光源为超荧光单模光纤光源。
所述光源透镜为短焦距透镜。
所述物镜为长焦距傅里叶变换透镜。
所述分束镜与水平光轴成45°夹角。
所述探测器设于分束镜正上方。
所述探测器为面阵探测器CCD。
本发明提供的大口径细光束自准直仪采用构成倒置望远镜结构的光源透镜与物镜作为准直系统，使得被准直后的光束满足细光束测量的光束发散度要求，从而使得自准直仪能够在大口径细光束工作模式下测量，通过准直系统后的测量光束直径为1～2mm，很大程度上降低了平面反射镜的要求，同时由于反射镜的尺寸很小，可以应用于空间受限的区域，从而实现测量角度的高精度检测；本发明采用的单模光纤光源包括耦合光纤和光源，光源可以远离自准直系统安装而无需安装于自准直系统之内，可以减少由热量对系统造成的影响，强化了系统热稳定性。此外，本发明采用的物镜优选为采用细光束优化设计的傅里叶变换透镜，使得自准直仪光学系统的像差与入射光入射到光学系统的空间位置无关，极大地降低了透镜像差引入的系统误差，同时保证了大范围角度下的测量精度，适用于大口径细光束工作模式。
附图说明
图1为现有技术商业化宽光束自准直系统的光学结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的一种大口径细光束自准直仪的光学结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
如图2所示为本发明提供的一种高精度的大口径细光束自准直仪，包括沿一条水平光轴I依次排布的单模光纤光源10、光源透镜3、分束镜4、物镜5和待测反射镜6。
其中，光源透镜3与物镜5组成了大口径细光束自准直仪的准直系统20，它们共焦放置以在光源10前端构成倒置望远镜结构，从而实现了光束的准直作用。这里光源透镜3为短焦距透镜，物镜5则是长焦距透镜。由此，单模光纤光源10发出的光束，经过光源透镜3聚焦在像方焦平面处(此时的聚焦位置恰好是物镜5的物方焦平面处)，然后再经过物镜5，被准直为满足测量光束发散度要求的细光束，并入射到待测反射镜6的表面上。其中，光束直径为1～2mm，很大程度上降低了平面反射镜的要求；同时由于反射镜的尺寸很小，可以应用于空间受限的区域，角度的高精度检测。
该大口径细光束自准直仪还包括一探测器7。所述分束镜4位于光源透镜3与物镜5之间，分束镜4与水平光轴I成45°夹角，所述探测器7设于分束镜4正上方。经待测反射镜6的表面反射并透过所述物镜5返回的光，通过所述分束镜4将部分反射回的光束反射至该探测器7，从而在探测器7上形成测量光斑。
所述物镜5和探测器7组成了f-θ角度检测系统30，当待测反射镜6倾斜一个微小角度θ/2角时，经反射镜6反射后的光束就相对于水平光轴I倾斜θ角，并经物镜5后汇聚到探测器7上的不同位置。与物镜5的光轴成倾斜角θ入射的光束在探测器7上形成的测量光斑相对于反射镜不倾斜时的测量光斑的偏离位移为d，倾斜角θ与偏离位移d之间的关系满足tanθ＝d/f，其中f为物镜5的焦距，则通过f-θ角度检测系统中测量光斑d的改变量可以得到θ的测量值，即通过把角位移θ的测量转变为线位移d的测量，以实现对待测反射镜6的镜面倾斜度的检测。
所述单模光纤光源10包括光源1和耦合光纤2，光源1可以远离自准直系统安装而无需安装于自准直系统之内，可以减少由热量对系统造成的影响，强化了系统热稳定性；单模光纤光源10为一种非相干光源，以减少由于相干光源发生干涉对测量角度造成的影响，优选为超荧光单模光纤光源，具有亮度高、相干性极低以及能量集中的特点，大幅提高了信号的信噪比；优选地，物镜5为采用细光束优化设计的傅里叶变换透镜，该傅里叶变换透镜采用的优化方案具体可参见重庆理工大学提出的题为“基于细光束的f-theta测量系统的优化方法”的发明申请(CN106767675A)，其中详述了如何建立细光束测量的f-θ角度检测系统的模型。在多组不同工作距离及大范围测量角度(如5mrad)内，设定该傅里叶变换透镜的集合为自变量，以对应细光束测量光斑质心位置相对于理论位置的偏移量为因变量，以该偏移量最小为目标对其进行优化，解决了商业化宽光束自准直仪的不利之处，使得自准直仪光学系统的像差与入射光入射到光学系统的空间位置无关，极大地降低了透镜像差引入的系统误差，同时保证了大范围角度下的测量精度，使得本发明提供的自准直仪适用于大口径细光束工作模式。所述探测器7优选为面阵探测器CCD。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大口径细光束自准直仪，包括探测器(7)，其特征在于，沿一水平光轴排布有：
单模光纤光源(10)；
准直系统(20)，具有光源透镜(3)和物镜(5)，构成位于光源(10)前端的共焦的倒置望远镜结构；
分束镜(4)，位于光源透镜(3)和物镜(5)之间，用以将经待测反射镜(6)的表面反射并透过所述物镜(5)返回的光部分反射至所述探测器(7)。
2.根据权利要求1所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述单模光纤光源(10)包括光源(1)和耦合光纤(2)。
3.根据权利要求2所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述单模光纤光源(10)为非相干光源。
4.根据权利要求3所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述单模光纤光源(10)为超荧光单模光纤光源。
5.根据权利要求1所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述光源透镜(3)为短焦距透镜。
6.根据权利要求1所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述物镜(5)为长焦距傅里叶变换透镜。
7.根据权利要求1所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述分束镜(4)与水平光轴成45°夹角。
8.根据权利要求1所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述探测器(7)设于分束镜(4)正上方。
9.根据权利要求1所述的大口径细光束自准直仪，其特征在于，所述探测器(7)为面阵探测器CCD。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1831469A (zh) * 2006-04-26 2006-09-13 中国科学院光电技术研究所 基于psd的动态光电自准直仪
CN202182974U (zh) * 2011-06-24 2012-04-04 南京英田光学工程有限公司 易于与激光-光纤组耦合、束散角可调激光发射光学系统
CN106052596A (zh) * 2016-06-03 2016-10-26 北京理工大学 基于远出瞳、小瞳径比设计的高精度光电自准直仪

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