竖直偏角检测装置及方法

本发明涉及光学系统的，尤其涉及一种竖直偏角检测装置及方法。

背景技术：

1、在精密测量和计量领域，随着对零部件垂向位移控制精度要求的持续提高，其对应测量精度的要求也在逐渐增加。同时，在超精密零部件加工领域，需对零部件表面的垂直度、平面度和平行度进行测量。无论是对零部件垂向位移的精密测量，还是对其表面几何精度的测量，都需要借助足够精密的测量仪器。对于高精度几何量测量，激光干涉仪作为亚微米精度检测仪器，目前已得到广泛应用。作为激光干涉仪的竖直方向基准，竖直激光束可以用于精确测量被测物的竖直向位移。然而在实际情况下，受调节精度、温度漂移、应力释放等因素的影响，被用作竖直基准的激光束很可能无法与真实竖直方向完美平行，即激光束往往不可避免地会与竖直方向存在一个偏离角。显然，该竖直偏离角的存在会以余弦误差的形式影响激光干涉仪在指定方向上的位移/速度测量精度。

2、目前，市面上可获得的竖直光束产生装置主要为垂准仪。虽然垂准仪可产生一束近似竖直的激光束，但该激光束仍至少存在几百微弧度的竖直偏角。为了进一步获取更高精度的竖直方向参考，需要通过旋转测回法人工标定出等效垂准投点；然而，在此情况下获得的只是一个等效激光投点光斑，并不能获得一束竖直激光束，无法作为竖直基准应用于激光干涉仪中。并且，垂准仪装置只能产生一束近似竖直的激光束，但并没有对激光束竖直偏角进行检测的功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种竖直偏角检测装置，以缓解现有技术中存在的垂准仪没有对激光束竖直偏角进行检测的功能的技术问题。

2、本发明提供的竖直偏角检测装置，包括依次间隔设置的第一分光镜、望远镜组以及第二分光镜；第一分光镜和第二分光镜均沿水平方向呈45°设置；第一分光镜的第一方向和第二方向上分别设置有第一回射机构和第二回射机构，第一方向和第二方向相互垂直；第二分光镜的第三方向和第四方向上分别设置有第一感光机构和第二感光机构，第三方向和第四方向相互垂直；第一方向和第三方向位于竖直方向，第二方向和第四方向位于水平方向；竖直偏角检测装置还包括方向参考组件；方向参考组件设置在第一分光镜和第一回射机构之间，且方向参考组件在竖直方向上与第一回射机构部分重合。

3、进一步的，望远镜组包括间隔设置在基座上的前透镜和后透镜；前透镜和后透镜分别与基座可拆卸连接。

4、进一步的，基座上设置有两个同轴的调节腔；前透镜和后透镜分别设置在两个调节腔中，且能够在对应的调节腔内移动。

5、进一步的，调节腔处设置有可视的定位刻度。

6、进一步的，方向参考组件包括真空容纳腔和设置在其内部的液体单元；液体单元在竖直方向上与第一回射机构至少部分重合。

7、进一步的，真空容纳腔上设置有光学窗玻璃；光学窗玻璃相对于液体单元倾斜设置。

8、进一步的，真空容纳腔包括叠加设置的底层、中间层和上盖；光学窗玻璃设置在中间层，液体单元设置在中间层和底层之间。

9、进一步的，本发明还提供了一种基于上述竖直偏角检测装置的偏角检测方法，包括以下步骤：

10、步骤1：标定第二分光镜中心分别与第一感光机构和第二感光机构的垂直距离l1和l2；

11、步骤2：放置预设放大倍率n的望远镜组；

12、步骤3：调整被测激光束至第一分光镜正下方，使其进入测量系统内；

13、步骤4：测量第一感光机构上两个光斑的距离s1，以及第二感光机构上两个光斑的距离s2；

14、步骤5：将数据带入以下算式，计算出被测激光束在竖直方向的偏角θ。

15、进一步的，在步骤4和步骤5之间还包括以下步骤：进行长期测量模式，采集不同时刻的s1和s2，对s1和s2分别取均值作为最终测量值。

16、进一步的，当方向参考组件包括液体单元时，步骤3和步骤4之间还包括以下步骤：将液体单元静置预设时间，确保液面恢复至水平状态。

17、本发明提供的竖直偏角检测装置，在使用过程中，将被测激光束设置第一分光镜正下方，被测激光束被第一分光镜分为方向相互垂直的两束激光，其中一束液面光通过第一回射机构反射至方向参考组件，并发生镜面反射，反射光束的传播方向与入射光束的方向关于竖直方向对称。反射光束再次被第一回射机构反射回到第一分光镜上，经过反射到达望远镜组。另一束参考光经过经过第二回射机构反射回到第一分光镜上，经过透射到达望远镜组。此时，分别经过反射和投射的液面光和参考光的夹角是被测激光束与竖直方向偏角的2倍。当望远镜组的倍率为n时，经过望远镜组放大角度后，该夹角变为原来的n倍。经过望远镜组角度放大后，液面光和参考光分别被第二分光镜分为两组传播方向相互垂直的光束组。第一感光机构和第二感光机构分别与第二分光镜中心的距离为l1和l2，光束组在第一感光机构和第二感光机构上形成光斑，设定第一感光机构上的两个光斑之间的间距为s1，第二感光机构上的两个光斑之间的间距为s2。根据几何光学分析可知，当被测激光束方向与竖直方向重合时，进入望远镜组的液面光和参考光的夹角为零，则s1应等于s2。当被测垂向激光束以θ角偏离竖直方向时，根据几何光学知识可得，液面光和参考光的夹角为2θ，并经过n倍率望远系统放大后进一步变为2nθ。因此，夹角（即偏角角度）可通过算式求得。

18、本发明提供的偏角检测方法，在获取l1、l2、s1、s2以及放大倍率n的数据后，带入到上述算式中，即可求得偏角角度θ。具体步骤不再赘述。

技术特征：

1.一种偏角检测装置，其特征在于，所述偏角检测装置包括依次间隔设置的第一分光镜、望远镜组以及第二分光镜；所述第一分光镜和所述第二分光镜均沿水平方向呈45°设置；

2.根据权利要求1所述的偏角检测装置，其特征在于，所述望远镜组包括间隔设置在基座上的前透镜和后透镜；所述前透镜和后透镜分别与所述基座可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的偏角检测装置，其特征在于，所述基座上设置有两个同轴的调节腔；所述前透镜和所述后透镜分别设置在两个所述调节腔中，且能够在对应的所述调节腔内移动。

4.根据权利要求3所述的偏角检测装置，其特征在于，所述调节腔处设置有可视的定位刻度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的偏角检测装置，其特征在于，所述方向参考组件包括真空容纳腔和设置在其内部的液体单元；所述液体单元在竖直方向上与所述第一回射机构至少部分重合。

6.根据权利要求5所述的偏角检测装置，其特征在于，所述真空容纳腔上设置有光学窗玻璃；所述光学窗玻璃相对于所述液体单元倾斜设置。

7.根据权利要求6所述的偏角检测装置，其特征在于，所述真空容纳腔包括叠加设置的底层、中间层和上盖；所述光学窗玻璃设置在所述中间层，所述液体单元设置在所述中间层和所述底层之间。

8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的偏角检测装置的偏角检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的偏角检测方法，其特征在于，在步骤4和步骤5之间还包括以下步骤：

10.根据权利要求8所述的偏角检测方法，其特征在于，当所述方向参考组件包括液体单元时，步骤3和步骤4之间还包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种竖直偏角检测装置及方法，涉及光学系统的技术领域，包括望远镜组、沿水平方向呈45°设置的第一分光镜和第二分光镜；第一分光镜的第一方向和第二方向上分别设置有第一回射机构和第二回射机构；第二分光镜的第三方向和第四方向上分别设置有第一感光机构和第二感光机构；第一方向和第三方向位于竖直方向，第二方向和第四方向位于水平方向；装置还包括方向参考组件；方向参考组件设置在第一分光镜和第一回射机构之间，方向参考组件在竖直方向上与第一回射机构部分重合。采用上述装置，获取光斑距离、望远镜组件放大倍率、第二分光镜中心分别与第一感光机构和第二感光机构的垂直距离，计算后能够得到激光束竖直偏角数据。

技术研发人员：曾涛,白洋,李正坤,王越
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23