一种高精度高空间分辨角度测量仪及角度测量方法与流程

本发明涉及基于光学手段的角度计量，可拓展用于镜面面形测量，特别涉及一种高精度高空间分辨的角度测量仪及角度测量方法。

背景技术：

高精度的角度测量技术在许多工程领域有非常重要的应用价值，例如高精密的设备需要高精度的姿态装调，特别在同步辐射领域，通过对表面的倾斜度测量并积分可以获得元件的表面面形等。基于光学方法的测角设备具有无接触，不影响工件/系统特征的巨大优势，而受到广泛应用。主要的测角设备包括电子自准直仪和基于激光干涉的角度测量方法。由于它们使用准直光束扫描样品，为了保证足够的信噪比及定位精度，这种扫描光束的光斑尺寸或者说样品表面的采样光斑尺寸一般比较大。例如，长程面形仪中的光学头结构使用的是激光干涉的角度测量方法，由于采样光斑的尺寸为1–2mm，因此对每一个采样点，测量的角度是该光斑照明区域内的平均结果。

简而言之，如果面形变化的横向周期小于1mm(快变)，这种变化是无法被准确测量的。从频率角度来说，更高频的表面信息无法被测量。然而这些信息对镜面面形的质量评估，以及其所应用的系统的性能评估都非常重要。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种高精度高空间分辨角度测量仪及角度测量方法。本发明的光学系统架构包括：

光源11，产生位置空间及角空间都均匀的光场。实现方式：(1)对于非相干光源，如LED，利用光纤或其他方式匀光，产生空间分布均匀，出射角分布均匀的光；利用小孔限制光源的面积。(2)相干光源，通过单模保偏光纤传输并输出。

光栏12，限制光束口径；

透镜14，用于聚焦照明光束，产生小的采样光斑，并收集从待测反射镜15折返的光束；

待测反射镜15，位置可以随意调整，可以在透镜14的成像面，此时测试采样光斑最小，因此空间分辨率更高。也可以在其它离焦平面，仅会改变空间分辨率，不影响测试精度；

分光镜13，分离照明光路和探测光路，即照明光束透射，折返光束反射到探测单元平面；

探测器单元16为一探测器阵列，位于透镜的前焦平面上，用于记录折返光束的图像；

数据处理组件17，根据记录的图像计算得到待测镜角度变化导致的光斑相对位移，进而基于此反推待测镜角度变化，并对最终测量结果进行显示。

功能实现机理：

光源发出的发散光线首先通过位置固定的光栏，然后一定口径的照明光束透过分光镜后到达透镜，经过透镜的聚焦，并照射待测反射镜表面。待测反射镜的位置对于汇聚点的远近，决定了采样光斑的尺寸。

被反射镜折返的光束，透过透镜后，被分光镜反射，最终到达探测器平面并被光电转换成电子图像。根据待测反射镜角度变化前后，探测器探测图像中光斑的位移(Δx,Δy)，可以获得测试反射镜的角度变化信息(Δx/2f,Δy/2f)，其中，f是透镜焦距。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

该结构能够解决现有光学角度测量仪(如自准直仪等)所面临的样品表面处测量光斑尺寸大的问题，进一步地，可将此设备用于长程面形扫描，从而得到待测样品的面形数据。同时，该系统对样品的位置或者离焦误差，透镜像差不敏感，适合小范围内的高精度测量。

如图4所示，本发明具有更高的空间分辨能力，实例使用的光斑尺寸0.1mm，采样步长0.1mm，可以明显观察到这种小空间尺度上的角度分布。

附图说明

图1为本发明的角度测量仪；

其中，10-扫描光学头，11-光源，12-光栏，13-分光镜，14-透镜，15-待测反射镜，16-探测单元，17-数据处理组件，18-照明光线，19-折返光束；

图2为本发明光源的结构图；

(a)为一种相干光源系统，其中，21-激光器，22-耦合透镜，23-光纤；

(b)为一种非相干光源系统，其中，24-发光二极管，小孔光栏-25；

图3为面形仪扫描系统；

其中，31-待测物体、32-高精密气浮平移台、33-大口径反射镜、34-电子自准直仪；

图4为面形仪测量结果；

(a)测量的表面倾斜度曲线，(b)曲线进行积分处理结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

本发明的高精度高空间分辨的角度测量仪如图1所示，其结构包括：光源11，产生位置空间及角空间都均匀的光场；光栏12，限制光束口径；透镜14，用于聚焦照明光束及收集折返的光束；待测反射镜；分光镜13，用于将折返光束反射到探测器平面；探测器阵列16，用于记录前焦平面上折返光束形貌的图像；数据处理组件17，根据记录的图像计算得到待测镜角度变化导致的光斑相对位移，进而基于此反推待测反射镜15的角度变化，并对最终测量结果进行显示；可以采用质心法、相关算法等方法计算质心变化，本发明采用基于质心的算法。

位移和角度算法：记录待测反射镜角度变化前后的图像A，B。使用质心方法分别计算光斑的质心，即计算

其中I_i,j是第(i,j)像素点的光信号强度，x_i,j和y_i,j是第(i,j)像素点的空间坐标，M和N是用于数据处理的图像横向和纵向像素数目。依次方法计算得到图像A和图像B中质心分别为(x_A,y_A)和(x_B,y_B)，最终可以获得测试反射镜的角度为：

其中，f是透镜焦距。

本发明的光源11具体结构如图2所示，实现方式：(1)采用相干光源如图2(a)，包括激光器21、耦合透镜22和光纤23，直接将激光器21的光耦合到光纤中，通过光纤传输并输出，保证光纤足够长，端面光滑的前提下，就可以产生这种光场。(2)采用非相干光源如图2(b)，包括发光二极管24和小孔光栏25。或者利用光纤或其他方式匀光，产生空间分布均匀，出射角分布均匀的光；利用小孔限制光源的面积。

应用实例：

(1)角度测量(原理上，仅测角)

如前所述，测量目标反射镜的转动角度

(2)面形测量(应用上，测角，积分从而得到)

参照图3，该高空间分辨长程面形检测系统包括：待测物体31、高精密气浮平移台32、扫描光学头10、大口径反射镜33、电子自准直仪34。

扫描光学头10如图3所示。扫描光学头10和大口径反射镜33随高精密气浮平移台32运动。经过扫描光学头10内部光路结构形成聚焦光束35扫描待测物体31，折返光束36重新进入扫描光学头10后被探测。电子自准直仪34固定于扫描光学头10外部，电子自准直仪34测量其发射的光束经大口径反射镜33反射后的角度变化，从而得到扫描光学头10的转动 角度误差β_OH。光学头内探测器测量的光束位置变化可以表达为：

x_samp＝2x_0，samp+2f(β_sut+β_OH)

在扫描过程过程中，常量Const＝2x_0，samp不会反映待测物体31表面倾斜度的变化。最终，可以得到待测物体11表面的倾斜度变化为：

图4给出了一个样品的倾斜度测量结果，扫描步长为0.1mm。图4(a)是测量的表面倾斜度曲线，图4(b)是对图4(a)的曲线进行差别计算，统计标准差为40nrad rms。