CN110940298A - 自准直仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD，还包括双劈尖机构，光源发出的光束依次穿过分束镜、准直透镜和双劈尖机构，双劈尖机构包括沿光束间隔设置的两单体楔形劈尖，穿过双劈尖机构后的光束形成为测试入射光路；两单体楔形劈尖可独立转动以使测试入射光路以法线入射的形式入射到待测面，待测面的反射光路沿测试入射光路返回，穿过劈尖和透镜，经分束镜反射后在CCD上形成光斑；待测面偏移量通过两单体楔形劈尖的转动量获取。测量时，光束工作于法线入射模式，双劈尖机构不引入像差，光束均沿光轴工作，各光学元件引入误差相同，测量精度不受距离限制；克服了传统仪器因测量距离、角度增大引入各光学元件角度测量误差的问题。

Description

自准直仪

技术领域

本发明属于物理测量中以采用光学方法为特征的计量设备技术领域，具体涉及一种自准直仪。

背景技术

自准直仪是一种利用光学自准直原理测量微小角度偏移量的仪器，广泛用于光学元件的角度检测、平台平面度检测、机械轴系的晃动及精密导轨的直线度检测等精密测量中。为了保证其检测结果的准确性，现有技术中如CN105783789A、CN203231737U、CN107421470A都提出了改进方案，也取得了对应效果，被测面的偏移量(偏转角度)，均还是通过检测形成于面阵探测器(CCD)上的测量光斑的偏移量来获取的，通过基础的定理公式换算即可获取得到。

在同为光学角度测量仪器的长程面形测量仪上，也应用了类似的通过面阵探测器(CCD)上的测量光斑的偏移量来获取被测面信息的结构和原理；如CN105737758A、CN105737759A、CN105758333A、CN105674913A所涉及，并且前述现有技术还针对所用到的光学元件与理想光学元件之间的微小差异、光路带来的横移量问题进行了改进，通过结构变化减少所使用到的光学元件以及减小光学元件之间的距离(缩短光路)，一定程度上降低了因横移量、加工缺陷、像差等因素引入的角度测量误差。

横移量、加工缺陷、像差等因素引入角度测量误差的问题，显然在自准直仪上也是同样存在的，另外，前述的光学仪器中，通过面阵探测器(CCD)上的测量光斑的偏移量来获取被测面信息的形式，都未能避免面阵探测器本身还会引入系统误差的问题，比如CCD的加工不均匀性、光电响应效率的不一致性、电子线路不一致性等都会带入系统误差；理论上来说，透镜与面阵探测器之间的距离越大分辨能力越高，但以目前的结果获取形式，该距离越大，虽然测量光斑的偏移量越大，但同时引入CCD上更多不同点处的误差也越多，存在一定矛盾。总的来说，还有待进一步优化改进。

劈尖干涉所使用到的楔形劈尖在目前的光学产品或试验中常有引用，通过转动可变化光路路径，如CN108317959A、CN109579708A、CN208042993U都有所涉及，申请人考虑将其巧妙应用于自准直仪中来，解决上述问题，进一步提高自准直仪的测量精度，也避免目前常出现的待测面反射光路超出测量范围(自准直像溢出或偏离视场)的问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种自准直仪，避免自准直仪的检测光路上的各光学元件以及CCD接收器因光束的作用位置不同而引入角度测量误差的问题，取得减少系统误差引入，提高测量精度的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD接收器，还包括双劈尖机构，所述光源发出的光束依次穿过所述分束镜、准直透镜和双劈尖机构，所述双劈尖机构包括沿光束间隔设置的两个单体楔形劈尖且光束依次穿过所述两个单体楔形劈尖，穿过双劈尖机构后的光束形成为测试入射光路；所述测试入射光路入射到待测面并被待测面反射后，依次穿过双劈尖机构和准直透镜，再经分束镜反射后在CCD接收器上形成光斑；所述两个单体楔形劈尖可独立转动以通过转动改变测试入射光路的角度并使测试入射光路以法线入射的形式入射到待测面，根据光路可逆的原理，从而使待测面的反射光路沿测试入射光路返回，依次穿过双劈尖机构和准直透镜，再经分束镜反射后在CCD接收器上形成光斑，通过光斑的形成位置可以判断经两个单体楔形劈尖的调节转动后，测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面。在这样的结构形式下，当测试入射光路的角度已经调至以法线入射的形式入射到待测面时，不管是测量不同的待测面、同一待测面的不同位置或待测面同一位置的多次测量时，光斑在CCD接收器上的形成位置始终是同一位置(应理解，绝对的同一位置不能实现，即指光斑形成于CCD接收器上的设定范围内)；待测面的偏移量可以通过两个单体楔形劈尖的转动量获取。

劈尖虽不能成完善像，但由于系统工作于法线入射模式，测量光束沿待测面法线原路返回劈尖，根据光路可逆原理，劈尖并未引入额外像差，且因为双劈尖机构的引入，测量光路在整个量程范围内都是沿光轴工作，更进一步降低了传统自准直仪光路中各种像差引入的误差。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的自准直仪，带有双劈尖机构，通过转动双劈尖机构的两个单体楔形劈尖，可改变穿出双劈尖机构的测试入射光路的角度并使测试入射光路以法线入射的形式入射到待测面上，从而可以通过两个单体楔形劈尖的转动量来获取待测面的偏移量，同时，通过光斑是否形成在CCD接收器上的设定范围可以判断经两个单体楔形劈尖的调节转动后，测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面，从而保证带有双劈尖机构的测量方式的准确性。使用时，可先通过定标件标定，确定所述设定范围，在后续的使用过程中，只要测试入射光路的角度已经调至以法线入射的形式入射到待测面，光斑在CCD接收器上的形成位置始终是同一位置，因为测试入射光路是垂直入射，从待测面反射回来的反射光路也沿对应的测试入射光路的路径原路返回，而入射到双劈尖机构之前的光束部分始终是一致的，继续按一致的原路返回，经分束镜反射后在CCD接收器上形成落点一致的光斑；在这样的结构及测量方式下，不再直接通过CCD上光斑形成位置之间的距离差值来反馈待测面的偏移量，而只是将其作为一个中间参考，只是作为两个单体楔形劈尖转动调节的效果观察点、反馈点，自准直仪中光束在各个光学元件上以及CCD上的作用位置都是一定的，是相同的区域或偏离很小的范围内，测量时光束均沿光轴工作，这样就从根本上克服了传统自准直仪中因测量距离远、测量角度大时，各光学元件像差加工缺陷以及CCD缺陷等引入角度测量误差的问题，有效减少了系统误差的引入，提高测量精度。

2、在本发明的结构及测量方式下，因为光斑落点一致，理论上准直透镜以及CCD接收器之间的距离可以更大(设计时需考虑产品体积参数)，而不会引入过多的不同点处误差，克服现有形式中的矛盾，提高分辨能力，对应可提高测量使用时对光斑落点一致性的判断精度。

3、通过双劈尖方式测量角度，是通过劈尖角大小来控制仪器角度测量范围(若双劈尖顶角为5mrad，则仪器测量范围为±5mrad)，并通过双劈尖将偏移量测量范围(如±5mrad)扩展对应到劈尖角度调节范围0-π，若劈尖转动角度能实现10μrad的角度精度，则仪器理论上可在±5mrad的角度测量范围内实现优于50nrad的角度测量精度，且该测量方式不受测量距离限制。

附图说明

图1为具体实施例的自准直仪的结构示意图；

图2为具体实施例通过双劈尖机构转动控制测量范围的示意图；

图3为具体实施例的自准直仪的实测(以法线入射并原路反射)效果图；

图4-为具体实施例在使用时测试入射光路的相关角度关系模拟示意图；

图5为具体实施例在使用时的θ角度变换关系图；

图6为具体实施例在使用时的α角度变换关系图；

图7为具体实施例在使用时的θ角差值变换关系图；

其中，光源1，分束镜2，准直透镜3，双劈尖机构4，单体楔形劈尖41，水平玻璃面411，斜玻璃面412，CCD接收器5，待测面6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参见图1，具体实施例的自准直仪，包括光源1、分束镜2、准直透镜3以及CCD接收器5，还包括双劈尖机构4，所述光源1发出的光束依次穿过所述分束镜2、准直透镜3和双劈尖机构4，所述双劈尖机构4包括沿光束间隔设置的两个单体楔形劈尖41且光束依次穿过所述两个单体楔形劈尖41，穿过双劈尖机构4后的光束形成为测试入射光路；所述两个单体楔形劈尖41可独立转动以通过转动改变测试入射光路的角度并使测试入射光路以法线入射的形式入射到待测面6，从而使待测面6的反射光路沿测试入射光路返回，依次穿过双劈尖机构4和准直透镜3，再经分束镜2反射后在CCD接收器5上形成光斑并可通过光斑的形成位置来判断测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面6；待测面6的角度偏移量通过两个单体楔形劈尖41的转动量获取。可以理解的，两个单体楔形劈尖41的转动为沿光轴转动。

本实施例的自准直仪，带有双劈尖机构4，通过转动双劈尖机构4的两个单体楔形劈尖41，可改变穿出双劈尖机构4的测试入射光路的角度并使测试入射光路以法线入射的形式入射到待测面6上，因为测试入射光路是垂直入射，从待测面6反射回来的反射光路也沿对应的测试入射光路的路径原路返回，而入射到双劈尖机构4之前的光束部分始终是一致的，继续按一致的原路返回，经分束镜2反射后在CCD接收器5上形成落点一致的光斑；结合光斑是否形成在CCD接收器5上的设定范围可以判断经两个单体楔形劈尖41的调节转动后，测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面6，从而保证带有双劈尖机构4的测量方式的准确性，通过两个单体楔形劈尖41的转动量也可反馈待测面6的偏移量。

这样的形式下，不再直接通过CCD接收器5上的光斑之间的距离差值来反馈待测面6角度偏移量，而只是将其作为一个中间参考，只是作为两个单体楔形劈尖41转动调节效果的观察点；自准直仪中，光束在各个光学元件上的作为位置是一定的，是相同的区域或偏离很小的范围内，包括CCD接收器5，在量程范围内，测量光束均沿光轴工作，每次测量时光学元件间引入的角度误差相同，测量角度间的相对差值就不存在误差，而角度间的相对差值通常才是待测面角度偏移量需要的测量值。这样，就从根本上克服了传统自准直仪中各光学元件可能引入系统误差的问题，有效减少了系统误差的引入，提高检测精度。通过两个单体楔形劈尖41的转动量来反馈待测面6角度偏移量的方式，还将可调节范围变换为在0-π弧度值的量程上进行调整，这样就放大了读取精度，细分了读数区间，取得进一步提高测量精度的效果。

目前机械结构能达到的转动精度可以达10μrad的角度精度(比如现有的AEROTECH精密转台，可实现定位精度2arc sec，约10urad，若希望实现更高测量精度，可选用更高定位精度转台)，完全能够支持需要的单体楔形劈尖41的转动调节以及对光路角度的调整，而增设的双劈尖机构4，根据其光路特性，其即使受到振动(现有机械加工控制精度内)也是不会影响其测试入射光路的转动角度，所以能够保障上述效果，而不引入其它影响测量精度的问题。为了两个单体楔形劈尖41的间距更小，优选两个单体楔形劈尖41相邻，两个单体楔形劈尖41相对的一面为相互平行的水平玻璃面411，相背的一面为形成楔形的斜玻璃面412以使两个单体楔形劈尖41相邻设置的间距可以更小。可以理解的，其它叠合方式也是可以使用的。

通过双劈尖机构4方式测量角度，是通过劈尖顶角大小来控制仪器的角度测量范围，光束穿过劈尖始终是朝向其较厚一侧偏转，若劈尖顶角为5mrad，则测量范围为±5mrad，如图2，使两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致，穿过双劈尖机构4后的测试入射光路即达到最大偏转角度5mrad，使用时，通过两个单体楔形劈尖41的转动可以在半锥角5mrad的锥形几何体范围内(任意)改变测试入射光路的角度，保证在测量范围内能找到以法线入射的入射点，如图3，如果不能，说明待测面6角度偏移量过大，超出了量程。

使两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致，穿过双劈尖机构4后的测试入射光路即达到最大偏转角度5mrad，保持两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致并同向转动，测试入射光路则以最大偏转角度周向转动(即以母线形式沿锥形几何体的轴回转)，并可停留于周向上的任意位置。使用时，优选从两个单体楔形劈尖41的较厚端朝向一致状态开始，使两个单体楔形劈尖41反向等角度间隔转动，并均转动π弧度(180°)，对应的出射光路从图2(a)中+5mrad状态偏转到图2(b)中-5mrad状态，且偏转过程路径均在同一平面(过锥形几何体的轴)上，便于建立角度关系。通过双劈尖机构4将面形角度测量范围(±5mrad)扩展对应到劈尖角度调节范围0-π(如从π继续转动至2π则测试入射光路又沿图2中-5mrad回到+5mrad状态，为重复调节)，若劈尖间隔转动角度能实现10μrad的角度精度，则本发明可在±5mrad的角度测量范围内实现优于50nrad的角度测量精度，且该测量方式不受测量距离限制。而目前已知最高精度自准直仪，其测量精度只能在约±250μrad范围内实现50nrad的测量精度，理论上本发明可以在其20倍的测量范围内测量并保证测量精度，并且是至少实现其最佳测量精度。

使用时，相关的角度可以根据现有定量公式计算或建立变换关系模型，请参见图4，设出射的光束是沿z轴反方向传播，光束穿过双劈尖机构4，从双劈尖机构4出来，经双劈尖机构4从图2(a)中+5mrad状态各自以z轴为回转轴反向等角度间隔转动到图2(b)中-5mrad状态时，θ、α角随双劈尖机构4转角有明确的变换关系，请参见图5、图6，测试入射光路角度随双劈尖机构4转动变化关系图，可见转动双劈尖机构4后可实现测试入射光路在测量方向上±5mrad范围内变化而在垂直方向变化不大，请参见图7，还可以得到不同测量角度时双劈尖机构4反向每改变10urad时相邻θ角的改变量的差值，可见，在单体楔形劈尖的0-π(测量角度±5mrad)调节范围内，每改变10urad，测量角度θ可实现不大于50nrad的角度误差。

实施时，如果作为产品方便自动化使用，所述双劈尖机构4可以设为圆筒形，圆筒形内提供两个可转动的单体楔形劈尖41，还可以包括自动控制器，自动控制器与CCD接收器5以及驱动单体楔形劈尖41转动的驱动单元电连接，通过定标件标定产品，确定反射光路沿测试入射光路原路返回时，光斑应该在CCD接收器5上的落点范围；通过预写入的程序以及光斑在CD接收器上的设定落点范围，使用时，自动控制器控制判断待测面6的反射光路形成的光斑是否形成于CD接收器上的设定落点范围内，如果光斑未形成于设定落点范围内，则自动控制器可根据CD接收器上的测量数据修正单体楔形劈尖41的转角，继续驱动单体楔形劈尖41转动调节，使光斑落在设定落点范围内。通过两个单体楔形劈尖41的转动量获取待测面6的角度偏移量，或根据不同的标准，通过转动量折算得到所需判断数据来判定待测面的偏移量。

实测例：单体楔形劈尖41的顶角设定为5mrad，标定后双劈尖机构4测量待测面初始状态时各自反向改变到±π/6，此时反射光路原路返回；待测面角度偏移后，若待测面偏移量为5urad，则反射回来的光束与测试入射光路角度差10urad，两个单体楔形劈尖41需转动使得测试入射光路改变约5urad，转动角度可根据2*0.000005/(sin(0.005)*sin(π/6))计算得到，各自转动约4mrad；也就是说，测量角度偏移后的待测面时，两个单体楔形劈尖41如果各自调节转动了约4mrad，使得反射光路原路返回，那么待测面角度偏移量为5urad。

实施时，单体楔形劈尖41的顶角设定可以根据测量需要调整，比如需要测量10mrad的量程，则需使用顶角10mrad的劈尖，不作具体限制。

前述根据CCD接收器上的测量数据修正单体楔形劈尖41的转角，可以这样实现：

请再参见图4，由于角度测量范围较小(如±5mrad范围内)，角度满足：

设劈尖顶角为γ，若要通过劈尖调节测试入射光路角度为(α，θ)，则可计算出：

则双劈尖各自转动角度约δ1，δ2为：

实际测量时若双劈尖调整测试入射光路角度为(α，θ)，待测面法线与测试入射光路不一致，光束在CCD接收器中测量角度为(2Δα，2Δθ)，则可得待测面法线与测试入射光路方向角度差为：(-Δα，-Δθ)，则待测面法线方向角为(-α-Δα，-θ-Δθ)，于是可以按照上述方法转动劈尖使得测试入射光路方向为(α+Δα，θ+Δθ)。这样可以为辅助劈尖转动调节提供调节角度参考，也可以采用更精确的根据几何光学理论进行的推导计算(实际应用意义不大)；使用时由于劈尖转动调节以后对应测量位置发生了变化，对应测量角度值也会相应改变，可根据CCD接收器的数据多次修正劈尖转动角度以取得更准确的测量结果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD接收器，其特征在于：还包括双劈尖机构，所述光源发出的光束依次穿过所述分束镜、准直透镜和双劈尖机构，所述双劈尖机构包括沿光束间隔设置的两个单体楔形劈尖且光束依次穿过所述两个单体楔形劈尖，穿过双劈尖机构后的光束形成为测试入射光路；所述两个单体楔形劈尖可独立转动以通过转动改变测试入射光路的角度并使测试入射光路以法线入射的形式入射到待测面，从而使待测面的反射光路沿测试入射光路返回，依次穿过双劈尖机构和准直透镜，再经分束镜反射后在CCD接收器上形成光斑并可通过光斑的形成位置来判断测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面；待测面的偏移量通过两个单体楔形劈尖的转动量获取。

2.根据权利要求1所述自准直仪，其特征在于：两个单体楔形劈尖相邻，两个单体楔形劈尖相对的一面为相互平行的水平玻璃面，相背的一面为形成楔形的斜玻璃面以使两个单体楔形劈尖相邻设置的间距可以更小。

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