CN114111644B - 自准直仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自准直仪，包括设置在基座上且沿光路依次设置的光源、多狭缝分划板、分光镜、光电探测器，还包括设置在基座上且沿光路依次设置的平行光管、色散元件；光源发出的光束入射至多狭缝分划板，经多狭缝分划板分为N束光束，N束光束入射至分光镜，N束光束经分光镜反射至平行光管形成N束平行光束，N束平行光束入射至待测反射镜，待测反射镜反射的光束依次经平行光管透射、分光镜透射至色散元件，经色散元件折射后，入射至光电探测器进行成像，获取成像的偏移量，进而获取待测反射镜的偏移角度。

Description

自准直仪

技术领域

本发明属于几何量计量测试技术领域，具体涉及一种自准直仪。

背景技术

在超高精密测量领域，超高精度角度测量在自由曲面检测、超高精度弱力测量等方面需求迫切，尤其是在mHz频段，测量角度的精度比高频(10Hz)的低约1个数量级，精度提高更加困难。自准直仪利用光学自准直原理，通过望远镜发出平行光，经过被测目标反馈的平行光返回望远镜在靶面上成像，通过光电探测器测量像距，获得高精度角度信息。如何提高分辨力和稳定性是超高精度自准直仪的发展方向。

传统单一狭缝或十字丝的光电自准直仪的精度受限于焦距f和像素尺寸dt，即分辨率为dδ＝dt/2f，即由于探测器接收和处理单个狭缝图像，若被测角度变化引起狭缝图像发生1个像元的变化，系统才能分辨；通过多狭缝方式，可通过图像处理技术，对小于一个像素的多狭缝图像变化进行细分，分辨出高精度的角度信息，dδ＝dt/2fN，N为细分数。狭缝数量越多，细分数N越大，精度越高，但狭缝数量过多导致测量范围缩小，需要进行权衡。

Cowsik等人通过多狭缝通过多狭缝(110条)和亚像素细分原理提高细分数，从而实现1m焦距自准直仪商用自准直仪的角度测量精度理论上达到了0.001″，约5nrad，标称精度为0.005″，约25nrad。但其细分数很高，其可靠性很难保证，对测量环境要求很高，在低频区域(mHz频段)的测量精度难以保证。

王震等人的发明专利“高分辨力双轴自准直仪系统”，提出了采用显微镜放大的线阵CCD，该方法通过放大狭缝的像，提高测量精度，但显微镜的视场十分有限，限制了角度测量的量程。且系统使用的光学元件较多，系统复杂，系统可靠性很难保证。

Arp等人提出了采用聚光镜照射多狭缝提高光束质量和强度、结合参考反射镜消除自准直仪自身温度和振动误差的方法，能够在达到1nard/Hz^1/2@5mHz。其应用在LISA计划中的高精度角度测量和LIGO项目中的倾斜测量。但该方法的自准直仪发出的是汇聚光，被测表面需要距离自准直在一定距离，限制了该方法在其他场合的应用。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种自准直仪。

本发明提供一种自准直仪，包括设置在基座上的光源、多狭缝分划板、分光镜、光电探测器，还包括设置在基座上且沿光路依次设置的平行光管、色散元件；

光源发出的光束入射至多狭缝分划板，经多狭缝分划板分为N束光束，N束光束入射至分光镜，N束光束经分光镜反射至平行光管形成N束平行光束，N束平行光束入射至待测反射镜，经待测反射镜、平行光管反射回平行光管，再经分光镜透射至色散元件，经色散元件折射后，入射至光电探测器进行成像，自准直仪获取成像的偏移量，进而获取待测反射镜的偏移角度；其中，N≥1。

进一步地，色散元件为平板玻璃。

进一步地，基座的材料满足：室温下热胀系数小于等于0.5×10^-7/K。

进一步地，平行光管包括沿光路依次设置的主镜和次镜，主镜和次镜为非球面反射镜。

进一步地，基座、主镜和次镜的材料相同。

进一步地，基座的材料为微晶玻璃或零膨胀玻璃。

进一步地，平行光管还包括沿光路设置的光管光阑，平行光管还包括沿光路设置的光管光阑，分光镜反射的光束入射至次镜，经次镜反射至主镜，主镜反射的光束入射至光管光阑。

进一步地，光源为连续光谱的白色光源。

进一步地，光电探测器为多光谱线阵探测器。

进一步地，多狭缝分划板中狭缝的数量满足下述公式：

其中，N表示细分数，X表示多狭缝分划板的狭缝数量，Q表示光源的谱段数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明将多光谱线阵探测器和色散元件相结合的技术方案，突破了传统单一的多狭缝图像方式，实现了多组微米级的固定偏移的多狭缝图像，根据亚像元图像处理的原理，微米级的偏移量能够显著提高细分精度，从而获得高分辨率的角度信息。

2、本发明充分利用微晶玻璃等材料的超稳定性(尺寸稳定性在pm量级，热胀系数在ppb量级)，通过在基板、主镜、次镜组件上使用该材料，并通过光粘工艺将分光镜、主镜、次镜装在光学背板上，从而保证自准直仪的超高稳定性。

3、本发明采用反射式平行光管，原理上消除了光管的色差，光学元件较少，有利于提高自准直仪的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中的自准直仪的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中的自准直仪的第一原理示意图；

图3是本发明实施例中的自准直仪的第二原理示意图。

其中的附图标记如下：

光源1、多狭缝分划板2、分光镜3、平行光管4、主镜4-1、次镜4-2、光管光阑4-3、基座5、待测反射镜6、平板玻璃7、多光谱线阵探测器8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例中的自准直仪的立体结构示意图。图2示出了本发明实施例中的自准直仪的第一原理示意图。图3示出了本发明实施例中的自准直仪的第二原理示意图。

如图1-图3所示，本发明实施例提供一种自准直仪，包括设置在基座5上且沿光路依次设置的光源1、多狭缝分划板2、分光镜3、光电探测器，还包括设置在基座5上且沿光路依次设置的平行光管4、色散元件；光源1发出的光束入射至多狭缝分划板2，经多狭缝分划板2分为N束光束，N束光束入射至分光镜3，N束光束经分光镜3反射至平行光管4形成N束平行光束，N束平行光束入射至待测反射镜6，待测反射镜6反射的光束依次经平行光管4透射、分光镜3透射至色散元件，经色散元件折射后，入射至光电探测器进行成像，获取成像的偏移量，进而获取待测反射镜6的偏移角度；其中，N≥1。

本发明实施例中的光源1连续光谱的白色光源1。由于白光作为复色光包含很多不同波长的单色光，因此为了便于实际操作可以选取白光作为光源1。光源1的选取不限于白光，可以根据实际测量的物体做选择，只要是具有一定波长范围的光源1均可，若实现高精度测量可以选择连续光谱的光源1，本发明对此不进行限定。本发明实施例中的平行光管4包括沿光路依次设置的主镜4-1和次镜4-2，主镜4-1和次镜4-2组成了大视场平行光管的光学系统，一般需要为非球面反射镜。本发明实施例采用反射式平行光管，原理上消除了光管的色差，光学元件较少，有利于提高自准直仪的稳定性。本发明实施例中的色散元件为平板玻璃7。在相同介质中折射率随波长的变化而改变。因此，经过色散元件后的光束的像点在光轴上的聚焦位置不同，在光轴上形成一系列连续的聚焦光斑，形成像差中的轴向色散，因此并不是所有的波长的光束都能够在一点聚焦，因此会在探测器的靶面上产生相应的偏移。本发明实施例中的光电探测器为多光谱线阵探测器8。平板玻璃7利用折射原理，使色白光源1的光束在多光谱线阵探测器8成像，成像后不同谱段光束的像点在多光谱线阵探测器8靶面上发生微米级偏移，从而在多光谱线阵探测器8上形成多组不同偏移的多光谱图像。通过对偏移量进行分析，获得待测反射镜6的偏移角度。

光源1、多狭缝分划板2、分光镜3、光电探测器、主镜4-1、次镜4-2、平板玻璃7，通过现有技术中的光粘工艺、镶嵌工艺等设置在基座5的机械接口上。

本发明实施例提供一种优选方案，主镜4-1、次镜4-2和基座5需要采用一样的材料，材料不同则会在温度变化下由于热胀系数不匹配而产生变形。材料满足：室温下热胀系数小于等于0.5×10^-7/K。

本发明实施例提供一种优选方案，基座5的材料为微晶玻璃或零膨胀玻璃。

本发明实施例提供一种优选方案，平行光管4还包括沿光路设置的光管光阑4-3，分光镜3反射的光束入射至次镜4-2，经次镜4-2反射至主镜4-1，主镜4-1反射的光束入射至光管光阑4-3，经光管光阑4-3出射的光束入射至待测反射镜6。光管光阑4-3的设置可以消除杂散光获取更优质的平行光束。

本发明实施例提供一种优选方案，多狭缝分划板2中狭缝的数量满足下述公式：

其中，N表示细分数，X表示狭缝的数量，Q表示光源1的谱段数量。根据分辨率和视场的需求，狭缝数量可以设计，本发明实施例对此不进行限定。

本发明实施例中的光源1采用LED白光光源1，波段范围400nm～900nm，LED白光光源1谱段分别为：450nm±20nm，550nm±20nm，650nm±20nm，750nm±20nm，850nm±20nm，各波段焦点间隔约1.2μm，产生具有固定像移的5份条带图像。全视场角2°×0.5°，分光镜3厚度为2mm，平板玻璃7厚度为8mm。采用100条狭缝的多狭缝分划板2，狭缝尺寸100μm，间距100μm。采用多光谱线阵探测器8，像元尺寸7μm，像素数量4K。光圈数F为20，焦距为1000mm。

自准直仪精度计算方法满足公式(1)如下：

dδ＝dt/2fN (1)

其中，dt表示像素尺寸，f表示焦距，N表示细分数。

具体到本发明实施例中N＝5×100×2，则本发明实施例提供的自准直仪的精度能够达到dδ＝0.007/1000/2/5/100/2＝3.5nrad。

本发明实施例提供的自准直仪的使用方法步骤如下：

S1、开启自准直仪，光源1照射多狭缝分划板2，经过多狭缝分划板2的光束经过分光镜3进入平行光管4，投射出平行光束，若平行光束被待测反射镜6反射回平行光管4，则该回射光束再次经过平行光管后汇聚入射至分光镜3，经过分光镜3透射入射至平板玻璃7，经过平板玻璃7折射后，最终在线阵探测器上成像。线阵探测器上成像得到是狭缝条带的黑白条纹，如图3左侧所示，探测器上的黑白条纹示意图，由于平板玻璃7对不同波段的光束偏折的量不同，偏折量表示为Δs，多光谱线阵探测器8对应不同谱段则会产生固定像移的同一个狭缝的像。

S2、调整自准直仪与待测反射镜6的位姿，使自准直仪出射平行光垂直于待测反射镜6。

S3、待测反射镜6的位移角度偏差为Δθ，则自准直仪出射的平行光经过待测反射镜6反射至自准直仪，通过条带的偏移量ΔX，经过亚像素细分图像处理，计算得到待测反射镜6位移的角度偏差Δθ。

本发明实施例中的自准直仪使用方法和理论为：首先，按照自准直仪角度计算方法：

ΔX＝2fΔθ (2)

Δθ＝ΔX/2f (3)

其中，f表示自准直仪焦距。

按照本发明实施例提供的自准直仪精度计算方法，可以根据公式(1)进行计算：dδ＝0.007/1000/2/5/100/2＝3.5nrad。

因此，通过本发明实施例中的自准直仪，能够测得待测反射镜6的位移角度偏差Δθ的精度约3.5nrad。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自准直仪，包括设置在基座上的光源、多狭缝分划板、分光镜、光电探测器，其特征在于，还包括设置在所述基座上且沿光路依次设置的平行光管、色散元件；

所述光源发出的光束入射至所述多狭缝分划板，经所述多狭缝分划板为N束光束，所述N束光束入射至所述分光镜，所述N束光束经所述分光镜反射至所述平行光管形成N束平行光束，所述N束平行光束入射至待测反射镜，经所述待测反射镜平行光管反射回平行光管，再经所述分光镜透射至所述色散元件，经所述色散元件折射后，入射至所述光电探测器进行成像，所述自准直仪获取所述成像的偏移量，进而获取所述待测反射镜的偏移角度；其中，N≥1；

所述多狭缝分划板中狭缝的数量满足下述公式：

其中，N表示细分数，X表示所述多狭缝分划板的狭缝数量，Q表示所述光源的谱段数量。

2.根据权利要求1所述的自准直仪，其特征在于，所述色散元件为平板玻璃。

3.根据权利要求1所述的自准直仪，其特征在于，所述基座的材料满足：室温下热胀系数小于等于0.5×10^-7/K。

4.根据权利要求1所述的自准直仪，其特征在于，所述平行光管包括沿光路依次设置的主镜和次镜，所述主镜和所述次镜为非球面反射镜。

5.根据权利要求4所述的自准直仪，其特征在于，所述基座、所述主镜和所述次镜的材料相同。

6.根据权利要求5所述的自准直仪，其特征在于，所述基座的材料为微晶玻璃或零膨胀玻璃。

7.根据权利要求5所述的自准直仪，其特征在于，所述平行光管还包括沿光路设置的光管光阑，所述分光镜反射的光束入射至所述次镜，经所述次镜反射至所述主镜，所述主镜反射的光束入射至所述光管光阑。

8.根据权利要求1所述的自准直仪，其特征在于，所述光源为连续光谱的白色光源。

9.根据权利要求1所述的自准直仪，其特征在于，所述光电探测器为多光谱线阵探测器。

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