CN108759723A - 光学角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学角度测量方法，包括以下步骤，第一步，待测元件就位；第二步，将待测面的表面法线过渡至第一反射镜上；第三部，将待测面的表面法线过渡至第二反射镜上；第四步，对第二反射镜进行准直；第五步，转动第二反射镜，并通过自准直仪测出其转动角度；第六步，对第二反射镜进行准直；第七步，多次重复第五和第六两步中的操作，依次测出第二反射镜转动的角度，直至自准直仪经由第一反射镜和第二反射镜的反射面反射回的叉丝像均出现在自准直仪的视场内时停止，最后计算两待测面夹角。本方法利用微分思想，使得利用自准直仪测量超视场大角度成为可能，同时为非接触式测量，不会对元件表面造成破坏污染，可靠性安全性好，精度高。

Description

光学角度测量方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种光学角度测量方法。

背景技术

传统技术中对光学元件的光学镜面夹角进行角度测量的仪器主要有旋转台、三坐标测量仪、激光跟踪仪、自准直仪、干涉仪等，其中自准直仪、干涉仪因其视场范围的限制，故通常只适用于小角度测量，虽然旋转台、三坐标测量仪、激光跟踪仪等可用于大角度测量，但因成本高很难大量推广应用，并且三坐标测量仪、激光跟踪仪为接触式测量，易对待测元件的表面造成污染、破坏。本文介绍了一种成本低、精度高，安全洁净的超仪器视场的大角度测量方法。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种光学角度测量方法，实现大角度的非接触式测量，且在保证测量精度同时降低测量成本。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种光学角度测量方法，其关键在于，包括如下步骤：

S1：将待测元件放置于第一反射镜和第二反射镜之间，其中第一反射镜对应待测元件的待测面A，第二反射镜对应待测元件的待测面B；

S2：利用自准直仪叉丝像反射准直原理，调整第一反射镜角度，使第一反射镜的表面法线与待测面A的表面法线指向一致；

S3：利用自准直仪叉丝像反射准直原理，调整自准直仪角度使其经由待测元件的待测面B反射回的叉丝像与自准直仪的自准直叉丝重合，接着调整第二反射镜的角度，使第二反射镜的表面法线与待测面B的表面法线指向一致；

S4：撤走待测元件，调整自准直仪角度，使自准直仪经由第二反射镜表面反射回的叉丝像与自准直仪的自准直叉丝重合；

S5：朝着与第一反射镜平行的方向调整第二反射镜的角度，使经第二反射镜反射回的叉丝像在自准直仪的视场内移动一段距离，并以自准直仪的自准直叉丝为参考点测出第二反射镜转过的角度θ₁；

S6：朝着与第二反射镜转动相同的方向调整自准直仪的角度，对第二反射镜进行准直；

S7：重复步骤S5和S6，依次测出第二反射镜转动的角度θ₂、θ₃、…θ_i，其中i为正整数，当自准直仪经由第一反射镜和第二反射镜表面反射的叉丝像均出现在自准直仪的视场内时，则停止调整第二反射镜，测出此时第二反射镜和第一反射镜表面反射回的叉丝像夹角θ₀，则待测面A和待测面B的表面夹角ψ＝θ₁+θ₂+θ₃+…+θ_i+θ₀。

采用以上方案，通过自准直仪将待测元件的待测面的法线指向过渡到与之对应的反射镜表面，使其转化成测量两个反射镜的表面夹角，再将两个反射镜表面夹角分成多个小角度进行测量，最后累加即得到其初始夹角，这种利用微分思想，将大角度测量分割呈多个小角度测量的方式使得利用自准直仪测量超视场的大角度成为可能，其次此种测量方式为非接触，其精度高，并且不会对待测光学元件的表面造成破坏或污染等，适用于所有镜面夹角的测量，也适用于元件转角的测量，其适用范围广，可操作性良好。

作为优选：当所述待测元件为透光元件时，所述第一反射镜和第二反射镜均为单面反射镜，其中自准直仪始终与第一反射镜处于待测元件的同一侧。采用以上方案，根据待测元件材料性质，选择合适的反射镜，可减少自准直仪的调节活动范围，即减少测量所需空间。

作为优选：所述第一反射镜和第二反射镜的背光面磨砂，反射面镀有铝膜。采用以上方案，可避免反射镜后表面反射成像的干扰，同时提高其反射面的反射率，有利于自准直仪准直过程中的反射成像观测。

作为优选：当所述待测元件为非透光元件时，所述第一反射镜为双面反射镜，第二反射镜为单面反射镜；

在完成步骤S2后，需将自准直仪移动至第二反射镜所处一侧，再通过自准直仪分别对待测元件待测面B和第二反射镜准直，完成之后，移走待测元件即可直接进入步骤S5。采用以上方案，使得采用本方法进行非透光元件表面夹角的测量成为可能，使其不仅仅局限于透光元件，扩大其测量范围。

作为优选：所述步骤S5中，每次转动第二反射镜时，其反射回的叉丝像靠近自准直仪的视场边缘。采用以上方案，可相对减少第二反射镜的转动次数，每次可以测量相对较大的转动角度，有利于减小测量误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的光学角度测量方法，利用微分思想，将大角度测量分割成多个小角度测量，再进行累加得到需求值，使得利用自准直仪测量超视场大角度成为可能，同时该方法为非接触式测量，不会对元件表面造成破坏污染，可靠性和安全性好，其精度高，适用范围广，可操作性良好。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为待测元件就位示意图；

图3为对待测面A准直示意图；

图4为当待测元件为透光元件时，对其待测面B的准直示意图；

图5为移走待测元件，对第二反射镜的准直示意图；

图6为调整第二反射镜角度，测量转动角度的示意图；

图7为调整自准直仪角度，使其与第二反射镜准直的示意图；

图8为第一反射镜和第二反射镜的反射叉丝像均落入自准直仪视场内的示意图；

图9为当待测元件为非透光元件时，对其待测面B的准直示意图；

图10为图9所示实施例中，移走待测元件对第二反射镜的准直示意图；

图11为调整图10中的第二反射镜角度，测量其转动角度的示意图；

图12为调整图11中自准直仪角度，使其与第二反射镜准直的示意图；

图13为图12中，第一反射镜和第二反射镜的反射叉丝像均落入自准直仪视场内的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1和图13，本发明提出的光学角度测量方法，其主要用到的设备有第一反射镜1、第二反射镜2和自准直仪3，三者均对应设置有调整机构，调整机构用于分别调整各自的位置，俯仰或偏摆角等，就本申请所说的待测元件可以是一个元件，也可以是两个，即待测面A和待测面B可以是同一待测元件上的两个具有夹角的表面，也可以是存在不同待测元件上具有夹角的表面，下面将就待测面A和待测面B处于同一待测元件上的情况，对其测量步骤做具体介绍：

第一步，待测元件就位，即将待测元件4放置于第一反射镜1和第二反射镜2之间，在放置时，应注意使第一反射镜1位于待测元件4的待测面A40正对的一侧，而第二反射镜2位于待测面B 41正对的一侧，这样可减少后期所需调整幅度。

第二步，将待测面A40的表面法线过渡至第一反射镜1上，即调整自准直仪3的角度使其经由待测面A40反射回的叉丝像与自准直仪3的自准直叉丝重合，接着调整第一反射镜1，使自准直仪3经由第一反射镜1的前表面A10反射回的叉丝像与自准直仪3的自准直叉丝重合，至此，待测面A40的法线指向与第一反射镜1表面法线指向一致，此时，第一反射镜1与待测面A 40的处于平行状态。

第三步，将待测面B 41的表面法线过渡至第二反射镜2上，即调整自准直仪3的角度使其经由待测元件4的待测面B 41反射回的叉丝像与自准直仪3的自准直叉丝重合，接着调整第二反射镜2的角度，使自准直仪3经由第二反射镜2的前表面B 20反射回的叉丝像与自准直仪3的自准直叉丝重合，至此，待测面B 41的法线指向与反射镜2表面法线指向一致，此时第二反射镜2与待测面B41处于平行状态。

第三步中，是指待测元件4为透光元件的一种实施状态，第一反射镜1和第二反射镜2均为单面反射镜，其中第一反射镜1的前表面A10和第二反射镜2的前表面B20均为反射面，第一反射镜1的后表面A11和第二反射镜2的后表面B21均为背光面，故在进行第二反射镜2进行准直时，自准直仪3的自准直光束经过待测元件4的折射后方射到第二反射镜2上，而如将待测元件4移走之后，待测元件4与第二反射镜2之间实际是未准直的。

故在第四步中，需对第二反射镜2进行准直，即调整自准直仪3的角度使其经由第二反射镜2反射回的叉丝像与其自身的自准直仪叉丝重合。

第五步，第四步完成之后，即转动第二反射镜2，并通过自准直仪3测出其转动角度，如图6所示，朝着与第一反射镜1平行的方向调整第二反射镜2的角度，本实施例中，顺时针转动第二反射镜2即可，然后以自准直仪3的自准直叉丝为参考点测出第二反射镜2转过的角度θ₁，并做好记录。

第六步，对第二反射镜2进行准直，此过程中，第二反射镜2保持不动，调整自准直仪3的角度，其调整方向与第五步中第二反射镜2的转动方向保持一致，即使自准直仪3经由第二反射镜2的反射面反射回的叉丝像与自准直仪3的自准直叉丝重合。

最后，多次重复第五和第六两步中的操作，依次测出第二反射镜2转动的角度θ₂、θ₃、…θ_i，其中i为正整数，并做好记录，多次重复直至自准直仪3经由第一反射镜1和第二反射镜2的反射面反射回的叉丝像均出现在自准直仪3的视场内时停止，以自准直仪3的自准直叉丝为参考点，测出第一反射镜1和第二反射镜2反射回的叉丝像的夹角θ₀，在进行最后一次第二反射镜2的转动时，注意第二反射镜2的转动角度不宜过大，即第二反射镜2没有超过与第一反射镜1平行的位置，以确保此时θ₀为正值，而不为负值，再通过计算，则待测面A40和待测面B41之间的夹角ψ＝θ₁+θ₂+θ₃+…+θ_i+θ₀，则完成待测元件4的夹角测量。

此种测量方式产生的误差为其中N为转动第二反射镜2的次数，即计算公式中的i值，δ为自准直仪3的精度，故为减小误差，在进行测量时，优选精度较高的自准直仪，其次，第五步中，注意观察第二反射镜2反射回的叉丝像在自准直仪3视场内的位置，以其靠近视场边缘为宜，这样可以使得测量出的转动角度相对较大，以减少总测量次数，有利于降低测量误差，提高测量精度。

本申请的第二实施例中主要是以待测元件4为非透光元件做参考，即待测元件4的待测面A40和待测面B41之间相互不透光，但是待测面A40和待测面B41均具有反光性，在第二实施例中，第一反射镜1为双面反射镜，即前表面A10和后表面A11均为反射面，二者中间设有背光涂层，而第二反射镜2为单面反射镜，此时其前表面B2为背光面，而后表面B21为反射面，当然如果实际测量过程中采用两个自准直仪3时，第一反射镜1和第二反射镜2也均可为单面反射镜。

实施例二与实施例一的操作步骤区别主要在于，在完成第二步之后，需要将自准直仪3移动至第二反射镜2所在的一侧，从而可像步骤二中一样，同时对待测面B41和第二反射镜2进行准直，确保第二反射镜2与待测面B41处于平行姿态，因为自准直仪3的出射光未经过待测元件4的折射影响，故即使将待测元件4撤走之后，自准直仪3与第二反射镜2之间仍处于准直状态，即是可省略实施例一种的步骤四，直接进行步骤五，开始转动第二反射镜2进行测量，其操作步骤与实施例一中的后续相同，即可测出不透光待测元件4的两个表面夹角。

本申请中第一反射镜1和第二反射镜2的背光面均进行磨砂处理，而反射面均镀有铝膜，以提高其反射率，利用自准直仪3准直过程中的反射成像观测，其中自准直仪3、第一反射镜1和第二反射镜2的调整机构可采用通用的二维或三维平移台。

需要注意的是，在进行第一反射镜1和第二反射镜2的初始位置布置时，二者应错开一定距离，这样当二者调整至接近平行时，自准直仪3的出射光线不会被完全遮挡，如图8和图13所示，自准直仪3的出射光可同时投射到第一反射镜1和第二反射镜2上，以确保自准直仪3的视场内可接收到两个反射镜反射回的叉丝像。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光学角度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将待测元件放置于第一反射镜(1)和第二反射镜(2)之间，其中第一反射镜(1)对应待测元件的待测面A，第二反射镜(2)对应待测元件的待测面B；

S2：利用自准直仪(3)叉丝像反射准直原理，调整第一反射镜(1)角度，使第一反射镜(1)的表面法线与待测面A的表面法线指向一致；

S3：利用自准直仪(3)叉丝像反射准直原理，调整自准直仪(3)角度使其经由待测元件的待测面B反射回的叉丝像与自准直仪(3)的自准直叉丝重合，接着调整第二反射镜(2)的角度，使第二反射镜(2)的表面法线与待测面B的表面法线指向一致；

S4：撤走待测元件，调整自准直仪(3)角度，使自准直仪(3)经由第二反射镜(2)表面反射回的叉丝像与自准直仪(3)的自准直叉丝重合；

S5：朝着与第一反射镜(1)平行的方向调整第二反射镜(2)的角度，使经第二反射镜(2)反射回的叉丝像在自准直仪(3)的视场内移动一段距离，并以自准直仪(3)的自准直叉丝为参考点测出第二反射镜(2)转过的角度θ₁；

S6：朝着与第二反射镜(2)转动相同的方向调整自准直仪(3)的角度，对第二反射镜(2)进行准直；

S7：重复步骤S5和S6，依次测出第二反射镜(2)转动的角度θ₂、θ₃、…θ_i，其中i为正整数，当自准直仪(3)经由第一反射镜(1)和第二反射镜(2)表面反射的叉丝像均出现在自准直仪(3)的视场内时，则停止调整第二反射镜(2)，测出此时第二反射镜(2)和第一反射镜(1)表面反射回的叉丝像夹角θ₀，则待测面A和待测面B的表面夹角ψ＝θ₁+θ₂+θ₃+…+θ_i+θ₀。

2.根据权利要求1所述的光学角度测量方法，其特征在于：当所述待测元件为透光元件时，所述第一反射镜(1)和第二反射镜(2)均为单面反射镜，其中自准直仪(3)始终与第一反射镜(1)处于待测元件的同一侧。

3.根据权利要求2所述的光学角度测量方法，其特征在于：所述第一反射镜(1)和第二反射镜(2)的背光面磨砂，反射面镀有铝膜。

4.根据权利要求1所述的光学角度测量方法，其特征在于：当所述待测元件为非透光元件时，所述第一反射镜(1)为双面反射镜，第二反射镜(2)为单面反射镜；

在完成步骤S2后，需将自准直仪(3)移动至第二反射镜(2)所处一侧，再通过自准直仪(3)分别对待测元件待测面B和第二反射镜(2)准直，完成之后，移走待测元件即可直接进入步骤S5。

5.根据权利要求1至4中所述的光学角度测量方法，其特征在于：所述步骤S5中，每次转动第二反射镜(2)时，其反射回的叉丝像靠近自准直仪(3)的视场边缘。