一种自准直仪及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种自准直仪及其使用方法，自准直仪包括光源、分束镜、准直透镜、CCD接收器以及双反射镜单元，光源发出的光束依次穿过分束镜和准直透镜，经双反射镜单元反射后成为测试入射光路入射到待测面；双反射镜单元包括两个平面反射镜，两个平面反射镜分别可沿各自的回转轴独立转动，两个平面反射镜的回转轴位于同一平面上（夹角可选45°）以便反射传递光束，平面反射镜与其回转轴呈斜交且所成的角按需设置以可通过转动改变测试入射光路的角度并使其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，在CCD接收器上形成光斑；待测面的偏移量通过两个平面反射镜的转动量获取。本发明专利技术可良好地减少系统误差的引入，提高测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种自准直仪及其使用方法
本专利技术属于物理测量中以采用光学方法为特征的计量设备
，具体涉及一种自准直仪及其使用方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种自准直仪及其使用方法，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较多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，本专利技术采用如下技术方案：一种自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD接收器，其专利技术创新点在于：还包括双反射镜单元，所述双反射镜单元包括两个平面反射镜，光源发出的光束依次穿过所述分束镜和准直透镜，再依次经所述两个平面反射镜反射后成为测试入射光路入射到待测面。特别地，所述两个平面反射镜分别可沿各自的回转轴独立转动，两个平面反射镜的回转轴位于同一平面上以便反射传递光束，为符合惯常布置形式，可优选两个平面反射镜的回转轴相交且夹角呈45°，即两个平面反射镜构成等效于五棱镜结构的双反射面的形式，可理解为两个平面反射镜分别以前述双反射面的法线为回转轴，但本专利技术的平面反射镜可沿回转轴转动并与其回转轴呈斜交(斜交：相交但不垂直(立体几何术语))以可通过转动改变所述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所述待测面，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，经双反射镜单元反射后穿过准直透镜，再经分束镜反射至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平面反射镜的调节转动后，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，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)；待测面的偏移量相关数据通过两个平面反射镜的转动量获取。平面反射镜与其回转轴且所成的角(立体几何术语)按量程所需设置，即平面反射镜与其回转轴的倾角按量程所需设置，其值也和平面反射镜与对应的前述反射面之间平面角(立体几何术语)的余角大小对应，因为平面反射镜与对应的前述反射面之间的平面角(两个面的夹角)更直观，所以后续以该平面角来进行相关角度的介绍。本专利技术与中国专利申请，申请号：201911303271.3的专利申请中的专利技术创造原理、效果相似，但采用了不同的结构。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术的自准直仪，带有双反射镜单元，通过转动双反射镜单元的两个平面反射镜，可改变经两个平面反射镜反射后出来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，从而可以通过两个平面反射镜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平面反射镜的调节转动后，测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面，从而保证带有双反射镜单元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，而入射到双反射镜单元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，只是作为两个平面反射镜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，这样就良好地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缺陷等引入较多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、在本专利技术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、通过过双反射镜单元的方式测量角度，量程通过相斜交的平面反射镜和其回转轴所成的角的角度大小来控制，即控制仪器的角度测量范围(两回转轴夹角选为45°时，若平面反射镜与对应的前述反射面之间的平面角均为1.25mrad，则仪器测量范围为±5mrad)，并通过双反射镜单元将偏移量测量范围(如±5mrad)扩展对应到平面反射镜角度调节范围0-π，若平面反射镜转动角度能实现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为具体实施例的一种自准直仪的结构示意图；图2为具体实施例通过双反射镜单元转动控制测量范围的示意图；图3为具体实施例的一种自准直仪的实测(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α角度变换关系图；图6为具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD接收器，其特征在于：还包括双反射镜单元，所述双反射镜单元包括两个平面反射镜，光源发出的光束依次穿过所述分束镜和准直透镜，再依次经所述两个平面反射镜反射后形成为测试入射光路入射到待测面；/n所述两个平面反射镜分别可沿各自的回转轴独立转动，两个平面反射镜的回转轴位于同一平面以便反射传递光束，平面反射镜与其回转轴呈斜交且所成的角按量程所需设置以可通过转动改变所述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所述待测面，从而使待测面的反射光路沿测试入射光路返回，经双反射镜单元反射后穿过准直透镜，再经分束镜反射至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平面反射镜的转动量获取。/n

【技术特征摘要】
1.一种自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD接收器，其特征在于：还包括双反射镜单元，所述双反射镜单元包括两个平面反射镜，光源发出的光束依次穿过所述分束镜和准直透镜，再依次经所述两个平面反射镜反射后形成为测试入射光路入射到待测面；
所述两个平面反射镜分别可沿各自的回转轴独立转动，两个平面反射镜的回转轴位于同一平面以便反射传递光束，平面反射镜与其回转轴呈斜交且所成的角按量程所需设置以可通过转动改变所述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所述待测面，从而使待测面的反射光路沿测试入射光路返回，经双反射镜单元反射后穿过准直透镜，再经分束镜反射至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平面反射镜的转动量获取。


2.根据权利要求1所述一种自准直仪，其特征在于：两个平面反射镜的回转轴相交且夹角为...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭川黔，龚恒翔，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50