一种自准直仪及其使用方法

摘要

本发明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。本发明可良好地减少系统误差的引入，提高测量精度。

权利要求

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；

平面反射镜与其回转轴的交点位于其中部区域。

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45°。

3.一种自准直仪的使用方法：本方法基于权利要求1或2所述的一种自准直仪而进行，包括如下步骤：

1）测量初始状态的待测面；

通过转动两个平面反射镜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；待测面的反射光路在CCD接收器上形成光斑，结合光斑的形成位置可判断测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面；

2）测量角度偏移后的待测面；

继续转动两个平面反射镜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，待测面的反射光路在CCD接收器上形成光斑，结合光斑的形成位置可判断测试入射光路是否以法线入射的形式入射到待测面；

3）通过步骤1）和步骤2）的两次测量中两个平面反射镜的转动量获取待测面的偏移量。

说明书

一种自准直仪及其使用方法

技术领域

[0001] 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及其使用方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

发明内容

[0005] 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。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种自准直仪，包括光源、分束镜、准直透镜以及CCD接收器，其发明创新点在于：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。

[0008] 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，但本发明的平面反射
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。

[0009] 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。

[0010] 本发明与中国专利申请，申请号：201911303271.3的专利申请中的发明创造原理、效果相似，但采用了不同的结构。

[0011] 相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0012] 1、本发明的自准直仪，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。

[0013] 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。

[0014] 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

[0015] 图1为具体实施例的一种自准直仪的结构示意图；

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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；

[0019] 图5为具体实施例在使用时的α角度变换关系图；

[0020] 图6为具体实施例在使用时的α角度变换关系图；

[0021] 图7为具体实施例在使用时的θ角度变换关系图；

[0022] 图8为具体实施例在使用时的θ角度变换关系图；

[0023] 其中，光源1，分束镜2，准直透镜3，双反射镜单元4，平面反射镜41，反射面42，回转轴43，CCD接收器5，待测面6。

具体实施方式

[0024] 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。

[0025] 请参见图1，具体实施例的一种自准直仪，包括光源1、分束镜2、准直透镜3以及CCD接收器5，其创新点在于：还包括构成类五棱镜的双反射面42的双反射镜单元4，光源1发出
的光束依次穿过所述分束镜2和准直透镜3，再经双反射镜单元4反射后形成为测试入射光
路入射到待测面6；特别地，所述双反射镜单元4包括两个平面反射镜41，所述两个平面反射
镜41分别可沿各自的回转轴43独立转动，两个平面反射镜41的回转轴43位于同一平面上，
本实施例优选两回转轴43相交且夹角为45°(即两个平面反射镜41分别以前述双反射面42
的法线为回转轴43)，平面反射镜41与其回转轴43呈斜交(立体几何术语，交但不垂直)且所
成的角(立体几何术语，即平面反射镜41与其回转轴43的倾角，其值也和平面反射镜41与对
应前述反射面42之间平面角的余角大小对应)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6，从而使待测面6
的反射光路沿测试入射光路返回，经双反射镜单元4反射后穿过准直透镜3，再经分束镜2反
射至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的偏移量通过两个平面反射镜41的转动量获取。

[0026] 本实施例的自准直仪，带有双反射镜单元4，通过转动双反射镜单元4的两个平面反射镜41，可改变经两个平面反射镜41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，而入射到双反射镜单元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平面反射镜
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，从而保证带有双反
射镜单元4的测量方式的准确性，通过两个平面反射镜41的转动量也可反馈待测面6的偏移
量。

[0027] 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，只是作为两个平面反射镜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6角度偏移量需要的测量值。这样，就良好地克服了传统自准直仪中各光学元
件可能引入较多系统误差的问题，有效减少了系统误差的引入，提高检测精度。通过两个平
面反射镜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。

[0028] 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平面反射镜41的转动调节以及对光路角度的调整。

[0029] 其中，平面反射镜41与其回转轴43的交点，即斜足(立体几何术语)位于其中部区域。

[0030] 这样，可以保证平面反射镜41沿其回转轴43转动的过程中始终可接收到光束以保障使用效果，对应的也可以减小平面反射镜41的面积，避免仪器体积更大。

[0031] 本实施例中，通过双反射镜单元4方式测量角度，是通过平面角大小来控制仪器的角度测量范围，若平面角均为1.25mrad，则测量范围为±5mrad，如图2，使两个平面反射镜
41与对应反射面42的平面角朝向一致时，经双反射镜单元4反射后的测试入射光路即达到
最大偏转角度5mrad，使用时，通过两个平面反射镜41的转动，可以在子午面约±5mrad，弧
矢面约±4.6mrad的类椭圆锥形几何体范围内(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。

[0032] 使两个平面角朝向一致，经双反射镜单元4反射后的测试入射光路即达到最大偏转角度5mrad，保持两个平面角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，并可停留于类椭圆锥周向上的任意位置。

[0033] 本发明还提供一种自准直仪的使用方法：本方法基于上述的自准直仪而进行，包括如下步骤：

[0034] 1)测量初始状态的待测面6；通过转动两个平面反射镜41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；待测面6的反射光路在CCD接收器5
上形成光斑，结合光斑的形成位置可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；

[0035] 2)测量角度偏移后的待测面6；继续转动两个平面反射镜41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，待测面6的反射光路在CCD接收
器5上形成光斑，结合光斑的形成位置可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；

[0036] 3)通过步骤1)和步骤2)的两次测量中两个平面反射镜41的转动量获取待测面6的偏移量。

[0037] 本方法的效果同前述效果，此处不再赘述。实施时，如果作为产品方便自动化使用，所述双反射镜单元4的两个平面反射镜41可分别设在圆筒形载体内，圆筒形载体固设在
仪器的壳体内(其它光学元件也按光路固设在仪器的壳体内)，圆筒形载体内提供可转动的
平面反射镜41，圆筒形载体的轴线可以与平面反射镜41的设计的所述回转轴43重合，还可
以包括自动控制器，自动控制器与CCD接收器5以及驱动平面反射镜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CCD接收器5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CCD接收器5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CCD接收器5上的测量数
据修正平面反射镜41的转角，继续驱动平面反射镜41转动调节，使光斑落在设定落点范围
内。通过两个平面反射镜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6的偏移量。

[0038] 算例：请参见图4‑8，设经双反射镜单元4反射后的测试入射光路是朝z轴反方向传播。两平面反射镜41的回转轴夹角45°，平面反射镜41与反射面42的平面角设定为1.25mrad
(量程±5mrad)，初始时可设定双反射镜单元4各自反向改变到(‑1.66501rad，1.4757rad)，
此时测试入射光路以角度α＝0、θ＝0入射到待测面，若待测面测量点法线方向为(‑0.003，‑
0.001，0.999996)，此时CCD接收器5测量角度约为(‑0.00599rad，‑0.00201rad)，根据CCD接
收器5测量数据除2计算得到测量点法线的(α，θ)角约为(‑0.003rad，‑0.001rad)。根据光路
追迹计算可得两个平面反射镜41转动角度与测试入射光路方向关系，在本算例中略去高阶
项后此关系为：

[0039]

[0040]

[0041] 其中 为两个平面反射镜41中入射光束入射的第一个平面反射镜41绕其回转轴转动角度，为第二个平面反射镜41绕其回转轴转动角度。上式可近似为：

[0042]

[0043]

[0044] 进一步可计算得：

[0045]

[0046]

[0047]

[0048]

[0049]

[0050]

[0051] 其中：

[0052]

[0053] A＝‑0.002309691

[0054] B＝0.002499991

[0055] 根据近似计算的 与 转动两个平面反射镜41，此时CCD接收器5测得反射光路角度约为(‑908nrad，413nrad)，根据此测量值，可计算转动角度修正如下：

[0056]

[0057]

[0058] 其中：

[0059] Δα＝‑908/2

[0060] Δθ＝413/2

[0061]

[0062]

[0063]

[0064]

[0065] 则修正后两个平面反射镜转动角度为：

[0066]

[0067] 此时测试入射光路将以待测面法线方向(误差约10nrad)入射到待测面，根据CCD接收器5测量值确定测试入射光路以法线入射方式入射到待测面后，则可根据两个平面反
射镜实际转动角度计算得到α、θ。

[0068] 根据 可计算两个平面反射镜分别转动时在不同测量角度处的测量精度(如图5‑8)，可看出，该算例系统在设定测量范围内理论测
量精度优于50nrad。

[0069] 实际检测时，由于测试入射光路方向随双反射镜单元转动而变化，测量光束在各光学器件上发生微小偏移而引入修正误差，此时需要多次根据CCD接收器5反馈数据修正两
个平面反射镜转动角度。根据CCD接收器5测量角度在限定范围以内判定测试入射光路是否
以法线方向入射到待测面，并据两个平面反射镜转动角度计算得到测量点法线方向角度即
可。

[0070] 实施时，因为自准直仪不像长程面形检测仪需要将光束垂直偏转后扫描待测面，自准直仪为定点测量，不用扫描待测面，所以，两平面反射镜41的回转轴43可选其它任意夹
角角度，系统对应进行相应调整，反射面42理解为垂直于回转轴43的虚拟平面。

[0071] 平面反射镜41与其回转轴43所成的角按仪器量程及测量精度所需设置，不作具体限制。

[0072] 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。